Exercicis: Els recursos energètics i miners

Classifica aquests recursos energètics en renovables i no renovables: carbó, energia solar, gas natural, energia eòlica, urani i energia hidràulica.

L'esquema mostra una trampa petrolífera en anticlinal, amb tres elements geològics numerats (1–3) i els fluids separats per densitat. Anomena els tres elements (roca mare, roca magatzem i roca cobertora), explica per què el petroli i el gas queden atrapats en aquesta posició i resumeix com es forma el petroli.

Què és la biomassa com a recurs energètic i per què només es considera renovable si es gestiona de manera sostenible?

Què és un combustible fòssil i quines són les seves tres formes principals? Què tenen en comú el seu origen i el seu impacte atmosfèric?

Quin procés físic aprofita una central nuclear i en què es diferencia de la combustió del carbó pel que fa a emissions atmosfèriques i a residus generats?

Quina diferència hi ha entre energia primària, com el carbó, l'urani o el sol, i energia final, com l'electricitat o la gasolina? Per què hi ha pèrdues entre totes dues?

Què és el poder calorífic d'un combustible i per què l'antracita el té més alt que la torba? Relaciona-ho amb el rang de carbonificació.

Què és una central hidroelèctrica de bombament i quina funció d'emmagatzematge compleix en un sistema elèctric amb molta energia solar i eòlica?

El carbó procedeix d'antics boscos enterrats i transformats. Ordena la sèrie de rang creixent: hulla, torba, antracita i lignit, i explica com varien el contingut en carboni i la humitat al llarg de la sèrie.

Una central hidroelèctrica i un parc eòlic són instal·lacions renovables, però no innòcues. Compara els seus impactes ambientals (territori, fauna, paisatge) i la seva capacitat per respondre a la demanda elèctrica.

La mineria del carbó a cel obert deixa grans buits i runams. Descriu el seu impacte sobre el relleu, les aigües i el sòl, i explica què ha d'incloure un pla de restauració de la mina.

El petroli es forma a partir de matèria orgànica enterrada. Explica el paper del querogen i de la «finestra del petroli» (interval de temperatura de formació), i què passa si el soterrament supera aquestes temperatures.

Compara el gas natural i el petroli: origen comú, estat i composició, transport (gasoductes i gas liquat enfront d'oleoductes) i usos principals.

La fracturació hidràulica (fràquing) extreu gas de roques d'esquist. Explica en què consisteix la tècnica i analitza dos avantatges (nous recursos, independència energètica) i dos riscos (sismicitat induïda, contaminació d'aigües).

Quines energies aprofiten les centrals mareomotriu i maremotriu (d'onades) i en què es diferencien? Valora el seu desenvolupament actual enfront de l'energia solar i l'eòlica.

Què és el factor de capacitat d'una font renovable? Explica per què la intermitència de l'energia solar i de l'eòlica exigeix sistemes de suport (bombament, bateries, interconnexions) i com es gestionen.

Imagina que un informe divulgat a la premsa afirma: «Atès que Espanya ja genera més del 50 % de la seva electricitat amb fonts renovables (eòlica i solar), la seva dependència energètica exterior s'ha reduït dràsticament i mancar de conques sedimentàries riques en hidrocarburs ha deixat de condicionar la seva economia».\n\na) Rebat tècnicament aquesta afirmació distingint entre mix de generació elèctrica i mix d'energia primària a Espanya, justificant per què la geologia peninsular continua determinant la vulnerabilitat estratègica i la factura energètica exterior.\nb) Dissenya dues propostes sectorials per desacoblar el transport pesant i la indústria tèrmica dels combustibles fòssils importats, avaluant els colls d'ampolla geològics o de materials crítics associats a cadascuna.

Una empresa estudia dos emplaçaments a Espanya per instal·lar una central geotèrmica de cicle binari o vapor que requereix almenys 150 °C a menys de 2 km de profunditat per ser econòmicament viable:\n- Sondeig A (conca sedimentària terciària en crosta continental estable): temperatura superficial mitjana de 14 °C i gradient geotèrmic mitjà de 3,0 °C per cada 100 m.\n- Sondeig B (terreny volcànic a Canàries sobre anomalia tèrmica somera): temperatura superficial mitjana de 20 °C i gradient geotèrmic local de 8,5 °C per cada 100 m.\n\na) Calcula la profunditat exacta a la qual s'assoleixen els 150 °C en cada sondeig i justifica la viabilitat tècnica i econòmica de la perforació en ambdós casos.\nb) Descriu els quatre elements indispensables d'un reservori geotèrmic d'alta entalpia (font de calor, aqüífer permeable, roca segell i mecanisme de recàrrega) i prediu quins problemes hidrogeològics o de sismicitat induïda podrien sorgir si se sobreexplota el reservori del sondeig viable sense reinjecció del fluid.

S'avalua un projecte de Captura i Emmagatzematge Geològic de Carboni (CAC) per confinar 1,5 milions de tones anuals de $\text{CO}_2$ procedents d'una acereria. Es disposa de dues formacions:

• Formació A: gres molt permeable a 450 m de profunditat, saturat en salmorra, segellat per 60 m de limolites massives sense fracturar.

• Formació B: gres porós a 1100 m de profunditat, saturat en salmorra, cobert per 150 m d'anhidrites i argiles impermeables, travessat en un extrem per una falla inactiva des del Miocè.

1. a) A partir del gradient geotèrmic mitjà (3,0 °C/100 m, $T_{\text{sup}} = 15\ \text{°C}$), del gradient hidroestàtic normal (~1,0 MPa per cada 100 m) i sabent que el punt crític del $\text{CO}_2$ se situa en $T_{\text{c}} = 31,1\ \text{°C}$ i $P_{\text{c}} = 7,38\ \text{MPa}$, determina en quina de les dues formacions el $\text{CO}_2$ es mantindrà en estat supercrític i justifica per què aquesta condició de densitat és imprescindible per a la viabilitat volumètrica de l'emmagatzematge.
2. b) Avalua els riscos d'escapament i de sismicitat induïda en ambdues formacions i dissenya un programa de monitoratge (sísmica de reflexió i piezometria geoquímica) per detectar de manera primerenca fuites cap a aqüífers potables sobrejacents.

Es projecta un parc eòlic amb 20 aerogeneradors en una carena muntanyosa calcària a 1300 m d'altitud, amb vents mitjans de 7,5 m/s. La cresta presenta dolines i rasclers càrstics que alimenten les deus d'abastament de dues valls, i constitueix el corredor de vol diari d'una colònia de voltor comú (Gyps fulvus) i aufrany (Neophron percnopterus).\n\na) Analitza els impactes geològics i hidrogeològics específics derivats de l'obertura de pistes i l'excavació de sabates en un massís càrstic, preveient com poden alterar la infiltració i la turbiesa de l'aigua a les deus.\nb) Dissenya un pla de mesures preventives i correctores jerarquitzades per compatibilitzar la instal·lació amb la conservació: determina quins condicionants tècnics exigiries per a la ubicació de les turbines, quins sistemes de detecció i aturada automàtica per a avifauna implantaries i com resoldries l'evacuació elèctrica per minimitzar la fragmentació del paisatge.

Després del tancament definitiu dels reactors de fissió, es planteja el dilema de la gestió dels residus d'alta activitat (combustible gastat): mantenir-los en Magatzems Temporals Individualitzats (MTI) en superfície durant 80 anys o confinar-los en un Emmagatzematge Geològic Profund (EGP) a més de 500 m en una formació d'argiles compactes o granits.\n\na) Justifica geològicament la superioritat d'un EGP com a solució passiva multibarrera a escala de milers d'anys enfront de l'MTI en superfície, comparant la seva resistència davant de crisis climàtiques, terratrèmols i conflictes bèl·lics.\nb) Avalua els avantatges i inconvenients petrofísics d'emplaçar l'EGP en una formació d'argiles profundes enfront d'un batòlit granític (considera la permeabilitat, la plasticitat/autocicatrització i la fracturació hidràulica).\nc) Rebat la proposta de substituir l'energia nuclear augmentant la crema de carbó o gas per «evitar el problema dels residus», contrastant la toxicitat temporal, el volum per GWh generat i la mortalitat atribuïble a les emissions atmosfèriques d'ambdós cicles.

Un vehicle elèctric mitjà requereix multiplicar per sis la massa de minerals crítics (liti, cobalt, níquel, manganès i terres rares) respecte a un vehicle de combustió. El 70 % del cobalt prové de la República Democràtica del Congo i més del 65 % del refinament de liti i terres rares està concentrat geogràficament a la Xina. A Espanya, els projectes d'explotació de liti en roca (Cáceres) i terres rares (Ciudad Real) pateixen una forta oposició social i ambiental.\n\na) Analitza la incoherència territorial i ambiental que suposa adoptar polítiques d'electrificació massiva mentre s'externalitza la petjada ecològica i social de la mineria extractiva a països amb marcs ambientals o laborals laxos.\nb) Dissenya un conjunt de tres mesures estratègiques (tècniques i regulatòries) per a la Unió Europea que permetin reduir la vulnerabilitat de subministrament d'aquests metalls sense deteriorar els ecosistemes locals, valorant amb sentit crític fins a quin punt el reciclatge en circuit tancat pot substituir la mineria primària en els pròxims 15 anys considerant el creixement del parc de bateries.

Observa els valors típics següents de Taxa de Retorn Energètic (TRE = Energia obtinguda / Energia invertida):\n- Petroli convencional extret el 1930: ~100:1\n- Petroli convencional actual: ~15:1\n- Petroli de sorres bituminoses i esquists (fracking): ~4:1\n- Eòlica terrestre moderna: ~18:1\n- Solar fotovoltaica amb emmagatzematge en bateries químiques: ~4:1 (enfront de ~10:1 sense bateries)\n\na) Interpreta la caiguda històrica de la TRE del petroli convencional a partir de la llei de rendiments decreixents i els condicionants geològics d'explotació.\nb) Diversos bioeconomistes sostenen que una societat amb sanitat pública, educació i investigació avançada exigeix una TRE mitjana del sistema d'almenys 10:1. Avalua críticament el risc que l'electrificació renovable provoqui un «penya-segat energètic» si se sobredimensiona l'emmagatzematge electroquímic per suplir la intermitència.\nc) Prediu quines adaptacions estructurals (en demanda d'energia, consum per càpita i patrons territorials) haurà d'emprendre un país si la TRE neta del seu mix cau per sota de 5:1.

Un projecte industrial preveu proveir una planta siderúrgica amb hidrogen verd produït mitjançant electròlisi d'aigua alimentada per un camp solar fotovoltaic (rendiment de l'electrolitzador: 65 %). Com que la radiació és estacional, es planeja emmagatzemar l'hidrogen a pressió al subsol i reelectrificar-ne una fracció en piles de combustible (rendiment de la pila: 55 %; pèrdues de compressió i transport: 10 %).\n\na) Calcula el rendiment energètic global de la cadena completa fotovoltaica-hidrogen-electricitat i justifica per què l'hidrogen es classifica com a vector energètic i no com a font primària. A partir dels resultats, rebat tècnicament l'ús d'hidrogen verd per a calefacció domiciliària enfront de la bomba de calor geotèrmica/aerotèrmica.\nb) Justifica per què per a l'emmagatzematge massiu estacional es descarten els dipòsits metàl·lics de superfície i es trien cavernes dissoltes en formacions salines (halita profunda), comparant l'estanquitat i reactivitat de la sal enfront de l'emmagatzematge en antics jaciments de gas en gresos porosos (avalua porositat, fuites moleculars per difusió i activitat de bacteris metanogènics o sulfatoreductors).