Ejercicios: Los recursos energéticos y mineros

Clasifica estos recursos energéticos en renovables y no renovables: carbón, energía solar, gas natural, energía eólica, uranio y energía hidráulica.

El esquema muestra una trampa petrolífera en anticlinal, con tres elementos geológicos numerados (1–3) y los fluidos separados por densidad. Nombra los tres elementos (roca madre, roca almacén y roca cubierta), explica por qué el petróleo y el gas quedan atrapados en esa posición y resume cómo se forma el petróleo.

¿Qué es la biomasa como recurso energético y por qué solo se considera renovable si se gestiona de forma sostenible?

¿Qué es un combustible fósil y cuáles son sus tres formas principales? ¿Qué tienen en común su origen y su impacto atmosférico?

¿Qué proceso físico aprovecha una central nuclear y en qué se diferencia de la combustión del carbón en cuanto a emisiones atmosféricas y a residuos generados?

¿Qué diferencia hay entre energía primaria, como el carbón, el uranio o el sol, y energía final, como la electricidad o la gasolina? ¿Por qué hay pérdidas entre ambas?

¿Qué es el poder calorífico de un combustible y por qué la antracita lo tiene mayor que la turba? Relaciónalo con el rango de carbonificación.

¿Qué es una central hidroeléctrica de bombeo y qué función de almacenamiento cumple en un sistema eléctrico con mucha energía solar y eólica?

El carbón procede de antiguos bosques enterrados y transformados. Ordena la serie de rango creciente: hulla, turba, antracita y lignito, y explica cómo varían el contenido de carbono y la humedad a lo largo de la serie.

Una central hidroeléctrica y un parque eólico son instalaciones renovables, pero no inocuas. Compara sus impactos ambientales (territorio, fauna, paisaje) y su capacidad para responder a la demanda eléctrica.

La minería del carbón a cielo abierto deja grandes huecos y escombreras. Describe su impacto sobre el relieve, las aguas y el suelo, y explica qué debe incluir un plan de restauración de la mina.

El petróleo se forma a partir de materia orgánica enterrada. Explica el papel del kerógeno y de la «ventana del petróleo» (intervalo de temperatura de formación), y qué ocurre si el enterramiento supera esas temperaturas.

Compara el gas natural y el petróleo: origen común, estado y composición, transporte (gasoductos y gas licuado frente a oleoductos) y principales usos.

La fracturación hidráulica (fracking) extrae gas de rocas de esquisto. Explica en qué consiste la técnica y analiza dos ventajas (nuevos recursos, independencia energética) y dos riesgos (sismicidad inducida, contaminación de aguas).

¿Qué energías aprovechan las centrales mareomotriz y undimotriz y en qué se diferencian? Valora su desarrollo actual frente a la energía solar y la eólica.

¿Qué es el factor de capacidad de una fuente renovable? Explica por qué la intermitencia de la energía solar y de la eólica exige sistemas de respaldo (bombeo, baterías, interconexiones) y cómo se gestionan.

Imagina que un informe divulgado en prensa afirma: «Dado que España genera ya más del 50 % de su electricidad con fuentes renovables (eólica y solar), su dependencia energética exterior se ha reducido drásticamente y carecer de cuencas sedimentarias ricas en hidrocarburos ha dejado de condicionar su economía».\n\na) Rebate técnicamente esta afirmación distinguiendo entre mix de generación eléctrica y mix de energía primaria en España, justificando por qué la geología peninsular sigue determinando la vulnerabilidad estratégica y la factura energética exterior.\nb) Diseña dos propuestas sectoriales para desacoplar el transporte pesado y la industria térmica de los combustibles fósiles importados, evaluando los cuellos de botella geológicos o de materiales críticos asociados a cada una.

Una empresa considera dos emplazamientos en Estados Unidos para instalar una central geotérmica de ciclo binario o vapor que requiere al menos 150 °C a menos de 2 km de profundidad para ser económicamente viable:\n- Sondeo A (cuenca sedimentaria terciaria en corteza continental estable): temperatura superficial media de 14 °C y gradiente geotérmico medio de 3.0 °C por cada 100 m.\n- Sondeo B (terreno volcánico en Hawái sobre anomalía térmica somera): temperatura superficial media de 20 °C y gradiente geotérmico local de 8.5 °C por cada 100 m.\n\na) Calcula la profundidad exacta a la que se alcanzan los 150 °C en cada sondeo y justifica la viabilidad técnica y económica de la perforación en ambos casos.\nb) Describe los cuatro elementos indispensables de un reservorio geotérmico de alta entalpía (fuente de calor, acuífero permeable, roca sello y mecanismo de recarga) y predice qué problemas hidrogeológicos o de sismicidad inducida podrían surgir si se sobreexplota el reservorio del sondeo viable sin reinyección del fluido.

Se evalúa un proyecto de Captura y Almacenamiento Geológico de Carbono (CAC) para confinar 1.5 millones de toneladas anuales de $\text{CO}_2$ procedentes de una acería. Se dispone de dos formaciones:

• Formación A: arenisca muy permeable a 450 m de profundidad, saturada en salmuera, sellada por 60 m de limolitas masivas sin fracturar.

• Formación B: arenisca porosa a 1100 m de profundidad, saturada en salmuera, cubierta por 150 m de anhidritas y arcillas impermeables, atravesada en un extremo por una falla inactiva desde el Mioceno.

1. a) A partir del gradiente geotérmico medio (3.0 °C/100 m, $T_{\text{sup}} = 15\ \text{°C}$), del gradiente hidrostático normal (~1.0 MPa por cada 100 m) y sabiendo que el punto crítico del $\text{CO}_2$ se sitúa en $T_{\text{c}} = 31.1\ \text{°C}$ y $P_{\text{c}} = 7.38\ \text{MPa}$, determina en cuál de las dos formaciones el $\text{CO}_2$ se mantendrá en estado supercrítico y justifica por qué esta condición de densidad es imprescindible para la viabilidad volumétrica del almacenamiento.
2. b) Evalúa los riesgos de escape y de sismicidad inducida en ambas formaciones y diseña un programa de monitoreo (sísmica de reflexión y piezometría geoquímica) para detectar de forma temprana fugas hacia acuíferos potables suprayacentes.

Se proyecta un parque eólico con 20 aerogeneradores en un cordón montañoso calizo a 1300 m de altitud, con vientos medios de 7.5 m/s. La cresta presenta dolinas y lapiaces kársticos que alimentan los manantiales de abastecimiento de dos valles, y constituye el corredor de vuelo diario de una colonia de buitre leonado (Gyps fulvus) y alimoche (Neophron percnopterus).\n\na) Analiza los impactos geológicos e hidrogeológicos específicos derivados de la apertura de pistas y la excavación de zapatas en un macizo kárstico, prediciendo cómo pueden alterar la infiltración y la turbidez del agua en los manantiales.\nb) Diseña un plan de medidas preventivas y correctoras jerarquizadas para compatibilizar la instalación con la conservación: determina qué condicionantes técnicos exigirías para la ubicación de las turbinas, qué sistemas de detección y parada automática para avifauna implantarías y cómo resolverías la evacuación eléctrica para minimizar la fragmentación del paisaje.

Tras el cierre definitivo de los reactores de fisión, se plantea el dilema de la gestión de los residuos de alta actividad (combustible gastado): mantenerlos en Almacenes Temporales Individualizados (ATI) en superficie durante 80 años o confinarlos en un Almacenamiento Geológico Profundo (AGP) a más de 500 m en una formación de arcillas compactas o granitos.\n\na) Justifica geológicamente la superioridad de un AGP como solución pasiva multibarrera a escala de miles de años frente al ATI en superficie, comparando su resistencia ante crisis climáticas, sismos y conflictos bélicos.\nb) Evalúa las ventajas e inconvenientes petrofísicos de emplazar el AGP en una formación de arcillas profundas frente a un batolito granítico (considera la permeabilidad, la plasticidad/autocicatrización y la fracturación hidráulica).\nc) Rebate la propuesta de sustituir la energía nuclear aumentando la quema de carbón o gas para «evitar el problema de los residuos», contrastando la toxicidad temporal, el volumen por GWh generado y la mortalidad atribuible a las emisiones atmosféricas de ambos ciclos.

Un vehículo eléctrico medio requiere multiplicar por seis la masa de minerales críticos (litio, cobalto, níquel, manganeso y tierras raras) respecto a un vehículo de combustión. El 70 % del cobalto proviene de la República Democrática del Congo y más del 65 % del refinado de litio y tierras raras está concentrado geográficamente en China. En España, los proyectos de explotación de litio en roca (Cáceres) y tierras raras (Ciudad Real) sufren una fuerte oposición social y ambiental.\n\na) Analiza la incoherencia territorial y ambiental que supone adoptar políticas de electrificación masiva mientras se externaliza la huella ecológica y social de la minería extractiva a países con marcos ambientales o laborales laxos.\nb) Diseña un conjunto de tres medidas estratégicas (técnicas y regulatorias) para la Unión Europea que permitan reducir la vulnerabilidad de suministro de estos metales sin deteriorar los ecosistemas locales, valorando con sentido crítico hasta qué punto el reciclaje a circuito cerrado puede sustituir a la minería primaria en los próximos 15 años considerando el crecimiento del parque de baterías.

Observa los siguientes valores típicos de Tasa de Retorno Energético (TRE = Energía obtenida / Energía invertida):\n- Petróleo convencional extraído en 1930: ~100:1\n- Petróleo convencional actual: ~15:1\n- Petróleo de arenas bituminosas y esquistos (fracking): ~4:1\n- Eólica terrestre moderna: ~18:1\n- Solar fotovoltaica con almacenamiento en baterías químicas: ~4:1 (frente a ~10:1 sin baterías)\n\na) Interpreta la caída histórica de la TRE del petróleo convencional a partir de la ley de rendimientos decrecientes y los condicionantes geológicos de explotación.\nb) Diversos bioeconomistas sostienen que una sociedad con salud pública, educación e investigación avanzada exige una TRE media del sistema de al menos 10:1. Evalúa críticamente el riesgo de que la electrificación renovable provoque un «acantilado energético» si se sobredimensiona el almacenamiento electroquímico para suplir la intermitencia.\nc) Predice qué adaptaciones estructurales (en demanda de energía, consumo per cápita y patrones territoriales) deberá acometer un país si la TRE neta de su mix cae por debajo de 5:1.

Un proyecto industrial prevé abastecer una planta siderúrgica con hidrógeno verde producido mediante electrólisis de agua alimentada por un campo solar fotovoltaico (rendimiento del electrolizador: 65 %). Como la radiación es estacional, se planea almacenar el hidrógeno a presión en el subsuelo y reelectrificar una fracción en pilas de combustible (rendimiento de la pila: 55 %; pérdidas de compresión y transporte: 10 %).\n\na) Calcula el rendimiento energético global de la cadena completa fotovoltaica-hidrógeno-electricidad y justifica por qué el hidrógeno se clasifica como vector energético y no como fuente primaria. A partir de los resultados, rebate técnicamente el uso de hidrógeno verde para calefacción domiciliaria frente a la bomba de calor geotérmica/aerotérmica.\nb) Justifica por qué para el almacenamiento masivo estacional se descartan los depósitos metálicos de superficie y se eligen cavernas disueltas en formaciones salinas (halita profunda), comparando la estanqueidad y reactividad de la sal frente al almacenamiento en antiguos yacimientos de gas en areniscas porosas (evalúa porosidad, fugas moleculares por difusión y actividad de bacterias metanogénicas o sulfatorreductoras).