Cuestión de energía

         La energía, uno de los elementos más importantes de la civilización. Pero, ¿qué es exactamente? La verdad hay varias definiciones. A mí personalmente me gusta definirla como la capacidad de realizar un trabajo, ya que ilustra perfectamente su función. No es algo que en sí sea útil, sino algo por medio del cual lograremos multitud de fines.

         La energía ya se usaba desde tiempos antiquísimos. Cuando el ser humano descubrió el fuego, empleó su energía calorífica para calentarse y para cocinar la carne cruda. Y si nos ponemos puristas, podríamos decir que incluso antes se usaba, ya que nuestros cuerpos se mueven y realizan las funciones vitales gracias a multitud de reacciones bioquímicas que liberan energía.

         A medida que tanto la población humana como sus necesidades aumentaron, también aumentó la necesidad de energía. Hasta tal punto que hoy en día deben producirse ingentes cantidades de ella. Para hacernos una idea, en 2012 se consumieron aproximadamente 5,6x10²⁰ J. Lo cual bastaría para encender 295.000.000.000 lámparas de 60 W durante un año.

         La cantidad de energía que es necesario producir es tan ingente que se crean graves problemas. Existen muchos modos de producirla, aunque tradicionalmente el método más popular es el uso de combustibles. Se trata de una reacción de combustión simple, en donde un combustible reacciona con oxígeno, generando dióxido de carbono (CO₂) y agua. Y eso si el combustibles fueran sólo hidrocarburos (hidrógeno y carbono únicamente), ya que si nos encontramos otros heteroátomos como el nitrógeno o el azufre, se producirían los correspondientes óxidos.

         En la Antigüedad, en la Edad Media y la Edad Moderna, esto no suponía ningún problema, debido a la baja población y a las reducidas necesidades energéticas. Hoy en día, sabemos que el CO₂ es el principal gas de efecto invernadero, que eleva la temperatura del planeta. Y su producción actualmente es tan elevada que sus efectos ya son notorios. Sólo hay una excepción, y es que se ha comprobado en las burbujas de aire atrapadas en el hielo de Groelandia, que hace unos 2.000 años la concentración de CO₂ subió anormalmente, coincidiendo con la época de apogeo del Imperio Romano. Al parecer, por aquella época se logró un desarrollo tan elevado, que incluso su quema de combustibles lograba influir en el CO₂.

         No obstante, el problema que hay actualmente es mucho más grave, lo cual nos obliga a pensar en soluciones. Pero antes hemos de preguntarnos, ¿cuáles son las principales fuentes de CO₂? Pues bien, corresponden a la quema de combustibles fósiles, el transporte y la generación eléctrica. Pero en muchos casos estos dos últimos factores podemos introducirlo en el primero, ya que el transporte casi siempre obtiene su energía de combustibles fósiles, y la generación eléctrica en gran parte también procede de combustibles fósiles.

En la generación eléctrica, juegan un papel importante las energías renovables y la energía nuclear, ya que son las únicas energías que están libres de emisiones contaminantes. Pero existen claras desventajas. Las energías renovables en verdad empezaron a tener importancia hace poco tiempo, no están aún demasiado desarrolladas y muchas veces no resultan rentables, ni de interés para las compañías eléctricas. En muchos casos subsisten gracias a las ayudas públicas. Aunque en ese sentido ha habido grandes avances. En 2013 en España, la mayor producción de energía fue debida a la eólica, con el 21,1% del total, seguida muy de cerca por la energía nuclear. La primera vez que una energía renovable iba en cabeza.

Un tema polémico es el coste de estas energías. He buscado información, pero en muchos casos ésta está sesgada tanto por defensores de dichas energías como por sus detractores, ergo es difícil tener una opinión objetiva.

Aun así, con el uso de combustibles fósiles se puede reducir la emisión de CO₂. Eso depende del número de átomos de carbono que tenga cada molécula de combustible. Por ejemplo, la gasolina tradicional, que es una mezcla de hidrocarburos, mayoritariamente el octano (C₈H₁₈). Éste posee ocho átomos de carbono en su estructura, con lo cual en su combustión desprenderá ocho moléculas de CO₂. El butano (C₄H₁₀), sólo tiene cuatro átomos de carbono, por lo que sólo desprenderá cuatro moléculas de CO₂. Con lo cual, lo deseable es ir disminuyendo el tamaño de la molécula todo lo posible. Podemos llegar hasta el metano o gas natural (CH₄), con un solo carbono en su estructura. Se trata del hidrocarburo que menos CO₂ emite. Pero, ¿por qué no seguir avanzando? ¿Y si quitamos el último carbono? Pues lo que tendremos será hidrógeno (H₂), que al reaccionar con oxígeno genera grandes cantidades de energía, y el único gas producido es agua.

Por otra parte, este procedimiento que hemos seguido, aparte de ser ambientalmente beneficioso, también lo es energéticamente. El octano produce al quemarse una energía de 46,75 J/g. La del butano es de 49,58 J/g. La del metano de 55,62 J/g. Y la del hidrógeno 143 J/g. Es decir, bajar la cantidad de carbonos reducirá las emisiones de CO₂ y aumentará la eficiencia energética. Esto ocurre porque el carbono interfiere negativamente en el proceso de combustión.

Y, ¿por qué no vemos a nadie por ahí conduciendo coches a hidrógeno? Porque el hidrógeno es increíblemente poco abundante en este planeta. Su concentración en la atmósfera es de apenas 1 parte por millón. Y obtener hidrógeno es un proceso absurdo. Se podría tomar agua (que es muy abundante), y por electrolisis convertirla en hidrógeno y oxígeno, que posteriormente habría que separar. Todo este proceso consumiría más energía de la que se generaría después, por ello es trata de un proceso absurdo.

Por tanto, descartamos el hidrógeno como fuente de energía. Podemos observar el hidrocarburo inmediatamente superior, que es el ya mencionado metano, que produce una gran cantidad de energía, con unas mínimas emisiones de CO₂. En cuanto a la disponibilidad del mismo, se trata de un hidrocarburo muy abundante. Existen multitud de países con yacimientos de gas metano, lo cual aporta otra ventaja. Pues otros hidrocarburos de mayor peso molecular se obtienen del petróleo, recurso que sólo se encuentra en ciertos países, los cuales se caracterizan por una gran inestabilidad política y social. Con lo cual, el petróleo está muy sujeto a los vaivenes que sufre Oriente Medio, cosa que con el metano no ocurre, ergo se trata de un recurso muy importante.

¿Podría haber coches que funcionan con metano en vez de con gasolina? La respuesta es sí, y de hecho ya existen y se comercializan. Aunque en España aún está muy poco extendido, en el resto de Europa cada vez hay más coches a metano y gasolineras que lo proporcionan. El principio de funcionamiento de un motor así es similar al motor de gasolina. Con lo que disponiendo de un coche de gasolina, con unas mínimas modificaciones se puede convertir en un coche a metano. En cambio, con un coche diésel, al tener el motor un funcionamiento bien distinto, sería necesario cambiar todo el motor.

Otra ventaja que ofrece el metano es su coste inferior al de la gasolina o el diésel. A continuación se detalla una comparativa de tres modelos de Seat León. Uno diésel, otro a gasolina y el último a metano. Como se puede ver, a pesar del superior precio de un coche a metano, lo compensa con un muy inferior coste en combustible.

Modelo	Precio €	Consumo L/100km	Combustible €/L	Coste 100 km
León 1,6 TDi	22.170	3,8	1,35	5,13
León 1,4 TSi	20.580	5,2	1,4	7,28
León 1,4 TGi	22.690	3,5	1	3,5

         Hay quien en estos días esté más a favor de usar un coche eléctrico que uno de combustible, por el tema de las emisiones. Hay que tener una cosa en cuenta. La electricidad NO es una fuente de energía, sino un vector de energía. Esto quiere decir que lo que hace la electricidad es generarse a partir de una fuente energética, transportar esa energía hasta donde deba usarse, y por último esa electricidad se transforma en el trabajo que haya que hacer. Dicho de otro modo, la electricidad es una moneda de cambio para el transporte de energía. Si yo conduzco un coche eléctrico, no estoy generando ninguna emisión, pero la electricidad que estoy usando, tal vez sí que tuvo emisiones durante su producción, con lo que no hemos hecho ningún favor al medio ambiente. Es más, lo hemos perjudicado, porque en el proceso de generación, transporte y posterior consumo, hay pérdidas de energía, lo que hace que se necesiten realizar más emisiones contaminantes para producir la misma cantidad de energía.

         En ese sentido un combustible es una ventaja, ya que al quemarse, la energía se genera y se consume en el mismo lugar, con lo que las pérdidas son mucho más leves, y más aún si hablamos de un coche a metano. Es decir, los combustibles sí que son fuentes de energía.

         Y por último, pero no por ello menos importante, no me gustaría irme sin hablar de la energía nuclear. Un tipo de energía bastante polémico actualmente. A grandes rasgos, consiste en obtener energía a través de ciertas reacciones nucleares; es decir, reacciones en las cuales cambia la naturaleza de los átomos implicados. Existen fundamentalmente dos maneras de obtener energía nuclear: la fisión y la fusión.

         La fisión nuclear, que es el método que nosotros usamos, consiste en tomar átomos de peso molecular muy grande, como el uranio, el cual es bombardeado neutrones. De esta manera, el uranio se vuelve inestable, y se divide en fragmentos más pequeños y en más neutrones, que continúan colisionando con estos fragmentos, generando una reacción en cadena que produce energía. Ésta energía es empleada para calentar agua hasta que se convierta en vapor, y este vapor mueve las turbinas que produce energía.

Como se puede observar, en el proceso no se han generado emisiones, se trata de una de las grandes ventajas de la energía nuclear. Pero el gran inconveniente llega cuando las barras de uranio se agotan, y se transforman en residuos radiactivos, los cuales es necesario almacenar en instalaciones adecuadas hasta que pierdan su radiactividad.

Por ello, existe otra opción más atractiva: la fusión nuclear. Consiste en todo lo contrario. Bajo la acción de grandes presiones y temperaturas, se logra que los núcleos de hidrógeno se fusionen, dando lugar a núcleos de helio, que es un gas noble. Durante esta reacción se genera energía. Todo este proceso no conlleva ninguna emisión contaminante, ni deja residuos radiactivos. Tanto el hidrógeno como el helio son elementos de sobra conocidos e inocuos. Y el hidrógeno es fácil de obtener a partir de la electrolisis del agua, que a diferencia del caso anterior donde lo usábamos como combustible, se genera más energía de la que se consume en su obtención, por lo que el proceso es rentable.

De hecho, la fusión nuclear es el mismo método que usan las estrellas como nuestro Sol para producir luz y calor, realmente no sería más que una copia de ello. ¿Y si tan ventajosa es esta forma de energía, por qué aún no se emplea? Pues debido a que aún no está desarrollada. Hay que darse cuenta de que para ello hay que generar en la Tierra unas condiciones de presión y temperatura similares a las del interior de una estrella, cosa que entraña muchos peligros. Una alternativa a ello sería la fusión fría, proceso similar, pero en unas condiciones mucho más suaves. Esta alternativa está en estudio, y confiemos en que pronto se halle una solución.

Así que, a fin de cuentas, hemos de concluir que aún no se ha desarrollado la fuente de energía definitiva. Por ello es tan importante seguir investigando para hacerlo, ya que nuestro modelo energético es inviable, y sólo se mantendrá por tiempo limitado. 

Benditas unidades

Metros, julios, vatios, segundos, amperios, kilogramos… entre otras muchas más son las malditas rameras que cada día nos hacen la vida imposible, sobre todo a los estudiantes. Y es que, ¿quién no ha tenido problemas en el colegio o el instituto con estas pequeñas enviadas del demonio? Los profesores no nos paraban de repetir: “Poned SIEMPRE las unidades”. Es una costumbre muy típica de estudiante de secundaria o bachiller dar el resultado en número, pero sin poner unidades.

         Lo cierto es que según ha enseñado la experiencia, las unidades son como unos monstruos de increíble poder. Si no los controlas, te atacarán y acabarán por destruirte, pero si logras controlarlos, tendrás un gran poder que supondrá para ti una enorme ventaja sobre los que no lo tengan. Por ello, debemos cambiar un poco el chip, y ver las unidades desde otro punto de vista.

         Dentro de lo que cabe, hemos tenido suerte con el sistema de unidades que nos ha tocado: el Sistema Internacional (SI). Este sistema otorga un valor arbitrario a la unidad de cada magnitud, y después, con los sucesivos prefijos como centi-, kilo-, mili-, micro-, nano-, etc, se nombran los distintos múltiplos de esa unidad en un sistema decimal, con lo que su manejo es muy sencillo. Cifras que podrían ser muy altas o muy bajas, se manejan más fácilmente poniendo esos múltiplos. 

         Por ejemplo, la unidad del SI estándar para medir el espacio es el metro, pero si quisiéramos expresar la distancia que hay entre los átomos de las moléculas de agua, tendríamos que expresarlo en nanómetros: 0,0957 nm. Imagínese hacerlo en metros, estaríamos hablando de 9,57x10^-11 m, o sea 0,0000000000957 m. Una cifra difícil de manejar, y más aún si hay que hacer operaciones matemáticas con ella. Por tanto, manejando bien las unidades y sabiendo las equivalencias entre los múltiplos, facilitaremos en gran medida los cálculos.

         Cosa distinta ocurre en algunos países anglosajones, donde por pura cabezonería no adoptan el SI, y deben seguir manejándose con pulgadas, yardas, galones, pintas, etc. Que cuando se trasladan a magnitudes más complejas que el espacio o el volumen, como la presión o la densidad, se complican bastante. En verdad, para usarlo en ciencia, es un sistema poco lógico, y por tanto hemos de estar agradecidos de poder usar el SI.

         Conocer bien las unidades, también puede ayudarnos en otros aspectos, como al no conocer las fórmulas. Pues las unidades de las distintas magnitudes a veces están relacionadas entre sí, y si se conoce esa relación, muchas veces no es necesario aprender toda la batería de fórmulas físicas que se requiera, o también incluso nos pueden sacar de algún aprieto si se nos olvidase accidentalmente la fórmula. Por ejemplo: debo calcular una fuerza, pero no conozco la fórmula necesaria. En cambio, sé que la fuerza se expresa en Newtons (N), que equivalen a kg·m/s². Los kg son unidades de masa, mientras que los m/s² son unidades de aceleración. Pues voilà. La fórmula es: masa multiplicada por la aceleración.

         Por otra parte, muchas veces ocurre que creemos saber la fórmula, pero en realidad es incorrecta. En esos casos también nos ayudan las unidades. Porque en toda fórmula, las unidades de cada variable también se operan entre sí, y al final, la unidad resultante tiene que ser igual a la unidad que debería tener la solución, si no, es que hemos cometido algún error. Por ejemplo: si quisiéramos calcular la fuerza gravitatoria que ejerce la Tierra sobre una persona, habría que usar la siguiente fórmula:

Donde F es la fuerza gravitatoria, G es la constante de gravitación universal, M es la masa de la Tierra, m es la masa de la persona, y r es la distancia entre ambos. Sus unidades son, respectivamente, N, m³/kg²·s², kg, kg y m. Veamos cómo se operan:

Ahora simplifiquemos los términos:

Y recordemos que kg·m/s² eran unidades de Newtons. De igual modo, si esta operación hubiera salido mal, no sólo sabríamos que está mal, sino también qué término falta, analizando las unidades resultantes. Si hubiésemos metido la pata no poniendo la masa de la Tierra, las unidades resultantes serían m/s². Y se ve claramente que para que sean Newtons, falta un término de masa, después ya sería cuestión de localizar ese término e incluirlo.

En definitiva, demos de desterrar esta mala imagen que tienen las unidades, y empezar a usarlas en nuestro favor. Y nuestras vidas serán más sencillas.