Contaminación térmica: características, consecuencias, ejemplos
La contaminación térmica ocurre cuando algún factor provoca un cambio indeseable o perjudicial en la temperatura ambiental. El medio más afectado por esta contaminación es el agua, sin embargo también puede afectar el aire y el suelo.
La temperatura promedio del ambiente se puede alterar tanto por causas naturales como por acciones humanas (antropogénicas). Entre las causas naturales están los incendios forestales no provocados y las erupciones volcánicas.
Dentro de las causas antropogénicas están la generación de energía eléctrica, la producción de gases de efecto invernadero y procesos industriales. Igualmente, contribuyen los sistemas de refrigeración y acondicionamiento de aire.
El fenómeno de contaminación térmica más relevante es el calentamiento global, que implica el aumento de la temperatura promedio planetaria. Esto es debido al llamado efecto invernadero y a los aportes netos de calor residual por parte del ser humano.
La actividad que más contaminación térmica genera es la producción de electricidad a partir de la quema de combustibles fósiles. Al quemar carbón o derivados del petróleo se difunde calor y se produce CO2, principal gas de efecto invernadero.
La contaminación térmica ocasiona cambios físicos, químicos y biológicos que producen un impacto negativo en la biodiversidad. La propiedad más relevante de las altas temperaturas es su poder catalítico e incluye las reacciones metabólicas que ocurren en los organismos vivos.
Los seres vivos requieren unas condiciones de amplitud de variación de temperatura determinada para sobrevivir. Es por ello que cualquier alteración de dicha amplitud puede implicar la disminución de las poblaciones, su migración o su extinción.
Por otra parte, la contaminación térmica afecta directamente a la salud humana causando agotamiento por calor, shock térmico y agrava las enfermedades cardiovasculares. Adicionalmente, el calentamiento global provoca que enfermedades tropicales amplíen su rango geográfico de acción.
Prevenir la contaminación térmica requiere modificar los modos de desarrollo económico y los hábitos de la sociedad moderna. Esto a su vez implica implementar tecnologías que reduzcan el impacto térmico en el ambiente.
Se presentan aquí algunos ejemplos de contaminación térmica como la central nuclear Santa María de Garoña (Burgos, España) que operó entre 1970 y 2012. Esta central vertía las aguas calientes de su sistema de enfriamiento al río Ebro aumentando hasta 10 ºC su temperatura natural.
Otro caso característico de contaminación térmica nos lo aporta el uso de aparatos acondicionadores de aire. La proliferación de estos sistemas para reducir la temperatura incrementa la temperatura de una ciudad como Madrid en hasta 2 ºC.
Finalmente, el caso positivo de una empresa productora de margarina en Perú que emplea agua para refrigerar el sistema y el agua caliente resultante se devolvía al mar. Así, lograron ahorrar energía, agua y reducir los aportes de agua caliente al medio ambiente.
Índice del artículo
- 1 Características
- 2 Causas
- 3 Consecuencias
- 4 Cómo prevenirla
- 5 Ejemplos de contaminación térmica
- 6 Referencias
La contaminación térmica es derivada de la transformación de otras energías ya que toda energía al desplegarse genera calor. Este consiste en la aceleración del movimiento de las partículas del medio.
Por lo tanto el calor es una transferencia de energía entre dos sistemas que están a diferentes temperaturas.
La temperatura
La temperatura es una magnitud que mide la energía cinética de un sistema, es decir el movimiento promedio de sus moléculas. Dicho movimiento puede ser de traslación como en un gas o vibraciones como en un sólido.
Se mide mediante el termómetro, del cual existen diversos tipos siendo los más comunes el de dilatación y el electrónico.
El termómetro de dilatación se basa en el coeficiente de dilatación de ciertas sustancias. Estas sustancias al calentarse se estiran y su ascenso va marcando una escala graduada.
El termómetro electrónico se fundamenta en la transformación de la energía térmica en eléctrica traducida en una escala numérica.
La escala más común utilizada es la propuesta por Anders Celsius (ºC, grados Celsius o centígrados). En ella los 0 ºC corresponden al punto de congelación del agua y los 100 ºC al punto de ebullición.
La termodinámica es la rama de la Física que estudia las interacciones del calor con otras formas de energía. La termodinámica contempla cuatro principios fundamentales:
– Dos objetos con distintas temperaturas intercambiarán calor hasta alcanzar el equilibrio.
– La energía no se crea ni se destruye, solo se transforma.
– Una forma de energía no puede transformarse totalmente en otra sin pérdida de calor. Y el flujo de calor será del medio más caliente al menos caliente, nunca al contrario.
– No es posible alcanzar una temperatura igual al cero absoluto.
Estos principios aplicados a la contaminación térmica determinan que todo proceso físico genera transferencia de calor y produce contaminación térmica. Además, la misma se puede producir bien sea por aumento o disminución de la temperatura del medio.
Se considera que el aumento o disminución de la temperatura es contaminante cuando se sale de los parámetros vitales.
La temperatura es uno de los aspectos fundamentales para la ocurrencia de vida tal como la conocemos. La amplitud de variación de temperatura que permite la mayor parte de la vida activa va de -18 ºC a 50 ºC.
Pueden existir organismos vivos en estado latente en temperaturas de -200 ºC y 110 ºC, sin embargo son casos poco frecuentes.
Bacterias termófilas
Ciertas bacterias llamadas termófilas pueden existir a temperaturas de hasta 100 ºC siempre que exista agua líquida. Esta condición ocurre a altas presiones en el fondo marino en zonas de chimeneas hidrotermales.
Esto nos indica que la definición de contaminación térmica en un medio es relativa y depende de las características naturales del medio. Asimismo, está relacionada con los requerimientos de los organismos que habitan una zona dada.
Ser humano
En el humano, la temperatura corporal normal va de 36,5 ºC a 37,2 ºC, y la capacidad homeostática (compensar variaciones externas) es limitada. Las temperaturas inferiores a 0 ºC por tiempos prolongados y sin ninguna protección artificial causan la muerte.
Igualmente, temperaturas superiores a los 50 ºC de forma constante son muy difíciles de compensar a largo plazo.
En el agua, la contaminación térmica causa un efecto más inmediato ya que aquí el calor se disipa más lentamente. En el aire y en el suelo la contaminación térmica tiene efectos menos contundentes debido a que el calor se disipa con mayor velocidad.
Por otra parte, en áreas pequeñas la capacidad del ambiente para disipar grandes cantidades de calor es muy limitada.
Efecto catalítico del calor
El calor tiene un efecto catalítico sobre las reacciones químicas, es decir, acelera dichas reacciones. Este efecto es el factor principal por el cual la contaminación térmica puede tener consecuencias negativas al ambiente.
Así, unos pocos grados de temperatura de diferencia pueden disparar reacciones que de otra forma no ocurrirían.
La Tierra ha pasado por ciclos de altas y bajas temperaturas promedios a lo largo de su historia geológica. En estos casos, las fuentes del aumento de la temperatura del planeta fueron de índole natural como el sol y la energía geotérmica.
Actualmente, el proceso de calentamiento global está asociado a las actividades desarrolladas por el ser humano. En este caso, el principal problema es la disminución de la tasa de disipación de dicho calor hacia la estratosfera.
Esto ocurre debido principalmente a la emisión de gases de efecto invernadero por la actividad humana. Entre las mismas destacan la industria, el tráfico vehicular y la quema de combustibles fósiles.
El calentamiento global representa hoy en día el más grande y peligroso proceso de contaminación térmica que existe. Además, la emisión de calor por el uso global de combustibles fósiles incorpora calor adicional al sistema.
Una central termoeléctrica es un complejo industrial destinado a producir electricidad a partir de un combustible. Dicho combustible puede ser fósil (carbón, petróleo o derivados) o un material radiactivo (uranio por ejemplo).
Este sistema requiere refrigeración de las turbinas o reactores y para esto se emplea el agua. En la secuencia de enfriamiento, se extrae un gran volumen de agua de una fuente conveniente y fría (un río o el mar).
Posteriormente, las bombas lo fuerzan a través de tubos que están rodeados por el vapor de agua caliente de escape. El calor pasa del vapor al agua de enfriamiento y el agua calentada se devuelve a la fuente llevando un exceso de calor al ambiente natural.
Los incendios forestales son un fenómeno común hoy día, siendo en muchos casos provocados directa o indirectamente por el ser humano. La quema de grandes masas boscosas transfiere enormes cantidades de calor principalmente al aire y al suelo.
Los aparatos acondicionadores de aire no solo alteran la temperatura del área interior, sino que causan desequilibrios en el área externa. Por ejemplo, los aires acondicionados disipan hacia el exterior un 30% más que el calor que extraen del interior.
Según la Agencia Internacional de la Energía existen alrededor de 1.600 millones de aparatos acondicionadores de aire en el mundo. Igualmente, los refrigeradores, neveras, cavas y cualquier equipo destinado a bajar la temperatura en un área cerrada generan contaminación térmica.
De hecho, todos los procesos industriales de transformación implican la transferencia de calor al ambiente. Algunas industrias lo hacen a tasas particularmente altas como las dedicadas a licuado de gases, metalurgia y producción de vidrio.
Licuado de gases
Las industrias de regasificación y de licuefacción de diversos gases de uso industrial y médico requieren procesos de refrigeración. Estos procesos son endotérmicos, es decir, absorben calor enfriando el medio circundante.
Para esto, se emplea agua que es devuelta al ambiente a una temperatura más baja que la inicial.
Metalúrgicas
Los altos hornos de fundición emiten calor al ambiente, ya que alcanzan temperaturas superiores a los 1.500 ºC. Por otra parte, los procesos de enfriamiento de los materiales emplean agua que reingresa con mayor temperatura al ambiente.
Producción de vidrio
En los procesos de fundido y moldeado del material se alcanzan temperaturas de hasta 1.600 ºC. En este sentido, la contaminación térmica generada por esta industria es considerable, sobre todo en el ambiente de trabajo.
Las lámparas incandescentes o focos y las lámparas fluorescentes disipan energía en forma de calor al ambiente. Debido a la alta concentración de fuentes de iluminación en áreas urbanas, esta llega a ser un foco de contaminación térmica significativo.
Los motores de combustión interna, como los de los automóviles pueden generan alrededor de 2.500 ºC. Este calor es disipado al ambiente mediante el sistema de enfriamiento, específicamente a través del radiador.
Tomando en cuenta que en una ciudad circulan diariamente cientos de miles de vehículos, es posible inferir la cantidad de calor transferido.
En la práctica, una ciudad es un foco de contaminación térmica debido a la existencia en ella de muchos de los factores ya señalados. Sin embargo, una ciudad es un sistema cuyo efecto térmico llega a formar una isla de calor en el marco de su entorno.
Efecto albedo
El albedo hace referencia a la capacidad que tiene un objeto de reflejar la radiación solar. Más allá del aporte calórico que puede hacer cada elemento presente (automóviles, hogares, industrias), la estructura urbana ejerce una sinergia significativa.
Por ejemplo, los materiales en los centros urbanos (principalmente concreto y asfalto) tienen un bajo albedo. Esto hace que se calienten mucho, lo que unido al calor emitido por la actividad en la ciudad potencia la contaminación térmica.
Aportes netos de calor urbano
Diversas investigaciones han demostrado que la generación de calor por las actividades humanas durante un día cálido en una ciudad puede ser muy alto.
Por ejemplo, en Tokio hay un aporte neto de calor de 140 W/m2, equivalente a un aumento de la temperatura de aproximadamente 3 ºC. En Estocolmo el aporte neto se estima en 70 W/m2, equivalente a un incremento de 1,5 ºC en la temperatura.
El aumento de la temperatura del agua producto de la contaminación térmica provoca cambios físicos en esta. Por ejemplo, disminuye el oxígeno disuelto y aumenta la concentración de las sales afectando a los ecosistemas acuáticos.
En cuerpos de agua sometidos a cambios estacionales (congelación invernal), agregar agua caliente altera la tasa de congelación natural. Esto a su vez afecta a los seres vivos que se han adaptado a esa estacionalidad.
Vida acuática
En los sistemas de enfriamiento de plantas termoeléctricas, la exposición a temperaturas elevadas producen un shock fisiológico para ciertos organismos. En este caso se afecta el fitoplancton, el zooplancton, huevos y larvas de plancton, peces e invertebrados.
Muchos organismos acuáticos, sobre todo peces son muy sensibles a la temperatura del agua. En una misma especie el rango de temperatura ideal varía dependiendo de la temperatura de aclimatación de cada población concreta.
Debido a esto, las variaciones de temperatura provocan desaparición o migración de poblaciones enteras. Así, el agua de descarga de una planta termoeléctrica puede aumentar la temperatura en 7,5-11 ºC (agua dulce) y 12-16 ºC (agua salada).
Este choque térmico puede conducir a una muerte rápida o inducir efectos secundarios que afectan la supervivencia las poblaciones. Entre otros efectos, el calentamiento del agua disminuye el oxígeno disuelto en el agua, causando problemas de hipoxia.
Eutrofización
Este fenómeno afecta gravemente a los ecosistemas acuáticos causando incluso la desaparición de la vida en los mismos. Se inicia con la proliferación de algas, bacterias y plantas acuáticas producto de aportes artificiales de nutrientes al agua.
Al aumentar las poblaciones de estos organismos, consumen el oxígeno disuelto en el agua causando la muerte de peces y otras especies. El aumento de la temperatura del agua contribuye a la eutrofización al disminuir el oxígeno disuelto y concentrar las sales, favoreciendo el crecimiento de algas y bacterias.
Vida terrestre
En el caso del aire, las variaciones de temperatura afectan los procesos fisiológicos y el comportamiento de las especies. Muchos insectos disminuyen su fertilidad ante temperaturas por encima de ciertos niveles.
Igualmente, las plantas son sensibles a la temperatura para su floración. El calentamiento global está causando que algunas especies amplíen su extensión geográfica, mientras que otras la vean restringirse.
Golpe de calor
Las temperaturas inusualmente altas afectan la salud humana, pudiendo ocurrir el llamado shock térmico o golpe de calor. Este consiste en una deshidratación aguda que puede ocasionar la parálisis de diversos órganos vitales e incluso ocasionar la muerte.
Las olas de calor llegan a causar cientos y hasta miles de personas como en Chicago (EEUU), donde en 1995 murieron aproximadamente 700 personas. Por su parte, las olas de calor en Europa entre 2003 y 2010 han causado la muerte de miles de personas.
Enfermedades cardiovasculares
Por otra parte, las altas temperaturas afectan negativamente el cuadro de salud de personas con enfermedades cardiovasculares. Esta situación es especialmente grave en los casos de hipertensión.
Cambios bruscos de temperatura
Las variaciones bruscas de la temperatura pueden debilitar el sistema inmunológico y hacer más susceptible al organismo ante enfermedades respiratorias.
Higiene y medio ambiente laboral
La contaminación térmica es un factor de salud laboral en algunas industrias, por ejemplo la metalúrgica y la del vidrio. Aquí los trabajadores se ven sometidos a calor radiante que pueden causar graves problemas de salud.
Aunque obviamente se toman medidas de seguridad, la contaminación térmica es significativa. Entre las afecciones están el agotamiento por calor, el shock térmico, quemaduras por calor radiado extremo y problemas de fertilidad.
Enfermedades tropicales
El aumento de la temperatura global ocasiona que enfermedades hasta ahora restringidas a ciertas áreas tropicales amplíen su radio de acción.
En abril de 2019 se celebró el 29º Congreso Europeo de Microbiología Clínica y Enfermedades Infecciosas en Ámsterdam. En este evento se señaló que enfermedades como la chikungunya, el dengue o la leishmaniosis pueden expandirse a Europa.
Igualmente, la encefalitis transmitida por garrapatas puede verse afectada por el mismo fenómeno.
Se trata de reducir los aportes netos de calor al ambiente y evitar que el calor producido quede atrapado en la atmósfera.
Fuentes de energía
Las centrales termoeléctricas provocan el mayor aporte de contaminación térmica en términos de transferencia de calor neto a la atmósfera. En este sentido, para reducir la contaminación térmica es fundamental sustituir las energías fósiles por energías limpias.
Los procesos de producción de energía solar, eólica (del viento) e hidroeléctrica (del agua) hacen aportes de calor residual muy bajos. Igual ocurre con otras alternativas como la energía olamotriz (las olas) y la geotérmica (calor de la tierra),
Tecnologías
Las centrales termoeléctricas y las industrias cuyos procesos requieren sistemas de enfriamiento pueden emplear sistemas de circuito cerrado. También pueden incorporarse sistemas de difusión del calor mecánicos que contribuyan a reducir la temperatura del agua.
La cogeneración consiste en producir simultáneamente energía eléctrica y energía térmica útil como vapor de agua o agua caliente. Para esto se han desarrollado tecnologías que permiten recuperar y aprovechar el calor residual generado en los procesos industriales.
Por ejemplo, el proyecto INDUS3ES financiado por la Comisión Europea está desarrollando un sistema basado en un “transformador de calor”. Este sistema es capaz de absorber el calor residual de baja temperatura (70 a 110 ºC) y devolverlo a una temperatura mayor (120-150 ºC).
Otras dimensiones de generación de energía
Sistemas más complejos pueden incluir otras dimensiones de producción o transformación energética.
Entre estas tenemos a la trigeneración que consiste en incorporar procesos de refrigeración además de la generación de electricidad y calor. Además, si adicionalmente se genera energía mecánica se habla de tetrageneración.
Algunos sistemas son trampas de CO2, además de producir electricidad, energía térmica y mecánica, en cuyo caso se habla de cuatrigeneración. Todos estos sistemas contribuyen adicionalmente a reducir las emisiones de CO2.
Debido a que el calentamiento global es el fenómeno de contaminación térmica de mayor impacto en el planeta, se hace necesaria su mitigación. Para lograr esto lo principal es reducir las emisiones de gases de efecto invernadero, entre ellos el CO2.
La reducción de las emisiones requiere un cambio en el patrón de desarrollo económico, sustituyendo fuentes de energía fósil por energías limpias. De hecho, esto reduce la emisión de gases de efecto invernadero y la producción de calor residual.
Una alternativa empleada por algunas centrales termoeléctricas es la construcción de lagunas de enfriamiento. Su función es reposar y enfriar las aguas derivadas del sistema de refrigeración antes de devolverlas a su fuente natural.
Las centrales nucleares producen energía eléctrica a partir de la descomposición de material radiactivo. Esto genera mucho calor, siendo necesario un sistema de refrigeración.
La central nuclear Santa María de Garoña (España) era una central de generación eléctrica tipo BWR (boiling water reactor o reactor de agua en ebullición) inaugurada en 1970. Su sistema de enfriamiento empleaba 24 metros cúbicos agua por segundo del río Ebro.
Según el proyecto original, las aguas residuales retornadas al río no superarían los 3 ºC respecto a la temperatura del río. En 2011 un informe de Greenpeace, corroborado por una empresa ambiental independiente, determinó aumentos de temperatura muy superiores.
El agua en la zona del vertido llegaba a los 24 ºC (de 6,6 a 7 ºC del agua natural del río). Luego, a los cuatro kilómetros cauce abajo de la zona de vertido, superaba los 21 ºC. La central cesó sus operaciones el 16 de diciembre de 2012.
En las ciudades hay cada vez más sistemas acondicionadores de aire para reducir la temperatura ambiente en la estación cálida. Estos aparatos funcionan extrayendo aire caliente del interior y difundiendo el mismo al exterior.
Por lo general no son de alta eficiencia, por lo que difunden al exterior incluso más calor que el que extraen del interior. Estos sistemas por tanto son una fuente relevante de contaminación térmica.
En Madrid el conjunto de aparatos acondicionadores de aire presentes en la ciudad elevan la temperatura ambiente hasta en 1,5 o 2 ºC.
La margarina es un sustituto de la mantequilla obtenido por hidrogenación de aceites vegetales. La hidrogenación requiere saturar con hidrógeno el aceite vegetal a altas temperaturas y presiones.
Este proceso requiere un sistema de enfriamiento basado en agua para capturar el calor residual generado. El agua absorbe el calor y eleva su temperatura, siendo luego devuelta al ambiente.
En una empresa peruana productora de margarina, un flujo de agua caliente (35 ºC) causaba contaminación térmica en el mar. Para contrarrestar este efecto, la empresa implementó un sistema de cogeneración basado en un circuito cerrado de enfriamiento.
Mediante dicho sistema se logró reutilizar el agua caliente para precalentar el agua de ingreso a la caldera. De esta forma se ahorró agua, energía y se reduce el flujo de agua caliente al mar.
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