La energía - IES Campanillas

Las
La Energía
Curso: 1º de Bachillerato
LAS ENERGÍAS
Temas 1, 2 y 3
LA ENERGÍA
La energía está a nuestro alrededor y en muchas formas distintas. No podemos verla, ni
tocarla, pero siempre que “ocurre algo”, se usa energía. Desafortunadamente, cada vez
que usamos energía, siempre desperdiciamos parte de ella.
Toda energía procede directa o indirectamente del sol, con excepción de una pequeña
parte que lo hace del interior de la tierra y que se manifiesta a través de volcanes,
terremotos, géiseres, etc.. Así, la energía metabólica de los seres vivos, animales y
plantas procede del sol. Las plantas realizan la fotosíntesis gracias a la energía del sol, y
los animales y el hombre reciben la energía que necesitan de los alimentos que a su vez
procede del sol.
El consumo energético de los países industrializados y el tipo de fuentes de energía
utilizadas mayoritariamente, como los combustibles fósiles o el uranio radioactivo, están
produciendo problemas tan importantes como:
•
Aumento de la contaminación, ocasionado por la emisión de gases de combustión,
el vertido de productos petrolíferos durante su transporte o las fugas de material
radioactivo.
•
Agotamiento de los recursos energéticos, debido a la escasez de reservas,
principalmente de petróleo y gas natural. Además, estos recurso resultan necesarios
para obtener materiales plásticos, fertilizantes o medicamentos que faltarían si
quemamos sus materias primas.
•
Desequilibrio económico y social, favorecido por el hecho de que este tipo de
recursos energéticos, o bien la tecnología capaz de explotarlos, se encuentran en
manos de un reducido número de países y empresas.
1. .Concepto de energía
La energía es la capacidad de realizar un trabajo.
2. Tipos de energía
La energía puede presentarse de diversas formas o tipos:
§
Energía mecánica. Es la que poseen los cuerpos debido a su movimiento (energía
cinética), su posición (energía potencial) o su estado de compresión ( energía
potencial elástica).
Em = E C + E P
En la que:
Ec =
1
m · v2
2
Ep = m · g · h
Donde:
donde:
Ep = energía potencial, en J
Ec = energía cinética, en J
m = masa , en Kg
m = masa, en Kg
g = aceleración de la gravedad = 9,81 m/s 2
v = velocidad, en m/s
h = altura del cuerpo, en m
1
LAS ENERGÍAS
§
Temas 1, 2 y 3
Energía eléctrica. Es la que poseen las cargas eléctricas en movimiento. Debido a su
capacidad para transformarse en otras formas de energía es la adecuada en muchas
máquinas.
Ee = P · t = V· I. T = I2 · R . t
Donde:
Ee = energía eléctrica, en J
P = potencia eléctrica, en w
T = tiempo, en s
V = voltaje, en V
I = intensidad de corriente, en A
R = resistencia eléctrica, en Ω
(V = I · R, Ley de Ohm)
La energía eléctrica se expresa en Kwh.
1 Kwh = 1.000 W · 3.600 s = 36 · 105 J
§
Energía térmica o calorífica. Es la energía que posee un cuerpo debido al
movimiento de sus moléculas, y se la llama también calor.
Los cuerpos acumulan calor. La cantidad de calor acumulado depende del tipo de
material, de su peso o masa así como de la temperatura a la que se encuentra:
Q = m · c· (tf -. ti)
Q = cantidad de calor, en Kcal
c = calor específico, en Kcal/Kg · ºC
tf , ti = temperaturas final e inicial, en ºC
m = masa, en Kg
El agua es de los elementos cuyo calor específico es mayor (1 cal/gºC = 1 Kcal/ Kg ºC)
y por eso se emplea como refrigerante en los radiadores de los coches y en los
intercambiadores de calor.
La unidad de calor es la caloría, 1 cal = 0,24 J
Se define caloría como el “calor necesario para elevar un grado de temperatura (para
pasar de 14,5 ºC a 15,5 ºC) un gramo de agua, a presión atmosférica normal (nivel del
mar)”.
La fórmula que relaciona la temperatura adquirida por una masa de agua y el calor
absorbido es: Q = m · c . (tf – ti), donde m está expresado en gramos, c, que es el calor
específico del agua, está expresado como 1 cal/g · ºC, las temperaturas en º C y el
calor Q en calorías.
Existen 3 formas de transmisión del calor: conducción, convección y radiación.
Conducción.- Cuando el calor pasa de un cuerpo que tiene mayor temperatura a otro
que la tiene menor.
Convección.- Todos los fluidos al calentarse pierden densidad por lo que ascienden.
Ejemplo: calor del radiador que asciende hasta el techo por tener menor densidad.
Radiación.- Un cuerpo más caliente que el ambiente que lo rodea irradia calor en
forma de ondas electromagnéticas.
§
Energía química. Es la energía que tiene un cuerpo debido a su estructura interna:
molecular, atómica o nuclear. Por ejemplo, cuando quemamos carbón extraemos la
energía que enlaza unos átomos con otros. La energía química es el tipo de energía
que acumulan la pilas.
2
LAS ENERGÍAS
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Un tipo especial de energía química es la energía nuclear, propia de sustancias como el
uranio o el plutonio. En este caso, a partir de muy poca cantidad de combustible es posible obtener una gran cantidad de energía.
Se dan dos casos: la energía química de la digestión y la energía química de la
combustión. Nos centraremos en ésta última.
A partir de cierta temperatura (llamada de ignición), la combustión química del carbono y
del hidrógeno con el oxígeno se produce de manera viva y constante con desprendimiento
de calor, dando lugar a una reacción denominada combustión.
Para materiales sólidos y líquidos: Q = Pc · m ; donde m es la masa o peso en Kg, P c es
el poder calorífico en kcal /Kg (ver tabla).
Para combustibles gaseosos: Q = Pc · V ; donde V es el volumen en m3 y Pc es el poder
calorífico en Kcal/m3.
Para combustibles gaseosos el valor de Pc que se indica en las tablas corresponde a
condiciones normales (1 atm y 0 ºC de temperatura). En otras condiciones de presión p y
temperatura T, el valor será:
Pc(real) (Kcal/m3) = P c · p · [273/(273 + t) ]
T = temperatura del combustible, en ºC
p = presión del combustible en el momento de su uso, en atm.
Pc = poder calorífico del combustible en condiciones normales, en Kcal/m3 (ver tabla).
Ejemplos:
1º. Calcular la energía liberada al quemar 5 Kg de madera.
Solución:
El P c de la madera es 3.000 Kcal/kg ⇒ Q = P c · m = 3.000 · 5 = 15.000 Kcal.
2º. Determina la energía total obtenida al quemar 2 m3 de gas natural que se utiliza a una
presión de 1,5 atm y a una temperatura de 22 ºC.
Solución:
El poder calorífico real será: P c(real) = 10.000 · 1,5 ·
273
= 14.020 Kcal/m3
273 + 22
La cantidad de calor obtenida: Q = P c · V = 14.020 · 2 = 28.040 Kcal.
•
Energía nuclear.- Es la energía propia de la materia.
En una reacción nuclear la energía (en forma de calor) se puede producir de dos
formas distintas: por fisión y por fusión.
Al fisionar (romper) un átomo de uranio o plutonio se obtiene gran cantidad de
energía en forma de calor. También se puede obtener energía térmica por fusión al
unir un átomo de litio y otro de tritio, formando uno más grande de He.
En ambos casos la energía proviene de la diferencia de masas que existía antes y
después de la reacción.
Albert Einstein relacionó la energía obtenida y la masa perdida mediante la expresión:
3
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E = m · c2
E = energía producida (en forma de calor) en Julios.
m = masa desintegrada, en Kg.
C = velocidad de la luz (300.000 m/s), en m/s = 3 · 10 8 m/s
Ejemplo: Calcula la energía liberada (en Kcal) en una reacción nuclear suponiendo
que se ha transformado 1 g de uranio en energía calorífica.
Solución:
Pasamos la masa a Kg; M = 0.001 Kg.
E = m· c2 = 0,001 · (3 · 108)2 = 9 · 10 13 J = 9 · 1013 w · s = 9 · 1013 w · s · 10-3
·
Kw
w
1h
= 25 · 106 Kwh
3.600 s
Experimentalmente se ha comprobado que la energía liberada por cada gramo de
uranio consumido (transformado) es de 20.000 Kwh
Luego, el rendimiento de las instalaciones nucleares es:
η=
•
Eu
20.000
=
= 0,0008 = 0,08%
E s 25 ⋅ 10 6
Energía sonora. Es la que transporta el sonido.
3º.
Transformaciones de energía
La energía puede transformarse de unos tipos en otros. Observa la tabla.
Energía
inicial
Energía
final
Sistema que produce la
transformación
Eléctrica
Mecánica
Motor eléctrico
Química
Mecánica
Motor de combustión
Eléctrica
Térmica
Estufa eléctrica
Química
Térmica
Estufa de gas
Eléctrica
Luminosa
Lámpara
Eléctrica
Sonora
Altavoz
Sonora
Eléctrica
Micrófono
Luminosa
Eléctrica
Panel solar
Química
Eléctrica
Pila
Térmica
Eléctrica
Central térmica
Mecánica
Térmica
Zapata de freno
En las transformaciones de energía siempre se cumple el primer principio de la
termodinámica que dice: “la energía no se crea ni se destruye, sino que se transforma”
4
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En términos matemáticos se puede expresar:
∆E = Ef – Ei = Q – W
∆E = variación de energía interna en el sistema.
Ef y Ei = energía final e inicial, respectivamente.
Q = calor que recibe el sistema.
W = trabajo que se extrae del sistema.
En el supuesto de que el sistema perdiese calor en lugar de recibirlo, y el trabajo fuese
recibido por el sistema en lugar de aportarlo, Q y W tendrían los signos cambiados.
Desgraciadamente, en la totalidad de las transformaciones energéticas el cambio no se
hace al 100 por 100. No hay ninguna máquina que sea capaz de transformar
íntegramente una energía en otra sin desperdiciar una cantidad.
Se llama rendimiento de una máquina a la relación entre el trabajo o energía obtenida
de una máquina y la energía que ha sido necesario aportarle.
η=
E
Energía ⋅ obtenida
Energía ⋅ útil
=
= u
Energía ⋅ su min istrada Energía ⋅ su min istrada E s
4. Equivalente mecánico del calor
A mediados del siglo XIX, James P. Joule llegó a la conclusión de que el calor y el trabajo
son equivalentes. Así: 1 cal = 4,18 J.
5. Las fuentes de energía:
No renovables: Los combustibles fósiles (Carbón, Petróleo y Gas Natural) y el Uranio
(energía nuclear).
Renovables: Hidráulica y energías alternativas (Solar,
Geotérmica, Hidrotérmica, Maremotriz, y De las olas) .
Eólica,
Biomasa,
RSU,
6. Características de la energía eléctrica
•
Puede transformarse con mucha facilidad en otros tipos de energía. Esto hace que sea
la forma de energía elegida para abastecer las viviendas.
•
Puede transportarse a grandes distancias de una manera casi instantánea, mediante
tendidos eléctricos. Sin embargo, en este caso es necesario implantar las
infraestructuras (torres, cables, etc.), con el consiguiente impacto medioambiental.
•
No puede almacenarse, al contrario que otros tipos de energía, como la energía
química almacenada en un combustible. Por ello debe distribuirse para ser consumida
en el mismo tiempo en que se produce.
•
Es una energía poco contaminante en el momento de su consumo. Sin embargo, sí
que contaminan los procesos llevados a cabo durante su producción y distribución.
5
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7. Producción de energía eléctrica. Centrales eléctricas
La producción de energía eléctrica en España en el año 1.997 se puede ver en la tabla
siguiente:
PRODUCCIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA (GWh)
% del total
Térmica
96.682
51,2
Nuclear
55.490
29,4
Hidroeléctrica
36.642
19,4
q Central térmica de combustibles fósiles
Producen electricidad a partir de la energía química almacenada en los combustibles
carbón, petróleo y gas natural. La producción de energía sigue en todos los casos este
esquema:
1. El calor generado al quemar el combustible se emplea para calentar agua en una
caldera, que se transforma en vapor.
6
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2. Este vapor de agua se dirige hacia unas turbinas y las hace girar, debido a su
empuje.
3. Un generador, el aparato capaz de producir electricidad, está acoplado a las turbinas,
de manera que a medida que éstas giran, se produce la energía eléctrica a una
tensión de 20.000 voltios.
4. El generador está conectado a un transformador que convierte la corriente
eléctrica para que se distribuya por los tendidos eléctricos de alta tensión a
400.000 voltios.
Además, existe un sistema de refrigeración que permite convertir el vapor de
agua que ha pasado por las turbinas en agua líquida, que vuelve a comenzar el
ciclo a partir de la energía térmica obtenida de los combustibles.
Uno de los problemas asociados a las centrales térmicas de carbón o petróleo es
la contaminación provocada por los gases emitidos a la atmósfera durante la
combustión del petróleo o el carbón. Y también la producida por los sistemas de
refrigeración en corrientes de agua contiguas, pues se puede alterar drásticamente
la temperatura del agua afectando al ecosistema del medio.
q Central térmica nuclear
El proceso para la obtención de energía es parecido al caso de las centrales térmicas de
carbón o petróleo, pero en las centrales nucleares el combustible nuclear se encuentra
confinado en el reactor. Las reacciones nucleares producen calor que calienta agua, la
convierte en vapor que mueve unas turbinas, etc., como en el caso de las centrales que
acabamos de estudiar.
Estas centrales son muy eficientes: proporcionan mucha energía con poco combustible,
pero tienen un grave inconveniente: generan residuos muy contaminantes y, además,
existen riesgos de graves accidentes, como el ocurrido en Chernobyl (Ucrania), en el año
1986, cuando se incendió un reactor y escaparon sustancias radiactivas tóxicas que se
extendieron por casi toda Europa.
Las partes más importantes de una central nuclear son: el reactor nuclear, el generador
de vapor/refrigerador y el edificio de almacenamiento.
El reactor nuclear consta de tres partes:
•
Tubos de acero inoxidable, en los que se introduce el combustible (pastillas de
uranio de 1cm de diámetro y 1 cm de altura).
•
Moderador: cuya finalidad es reducir la velocidad de los neutrones. Se emplea
normalmente deuterio (agua pesada), protio (agua ligera) o grafito.
•
Barras de control: regulan la cantidad de escisiones (reacciones nucleares) en la
unidad de tiempo y, por tanto, la potencia del reactor. Si las barras están totalmente
levantadas, se producirá una reacción en cadena porque no hay nada que detenga
a los neutrones que se generan. Cuando las barras son totalmente introducidas en
el núcleo, la reacción en cadena se detiene.
Por ser el reactor la parte de la central más peligrosa, todo el conjunto va recubierto
mediante tres barreras de seguridad: una exterior de hormigón armado, una central de
acero y la interior, también de hormigón armado.
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El generador de vapor/ refrigerador: el núcleo del reactor está rodeado por un líquido
refrigerante (generalmente agua) cuya misión es la de evacuar el calor y transformarlo en
vapor de agua para, posteriormente, conducirlo a las turbinas que van a generar energía
eléctrica.
En la actualidad se emplean, mayoritariamente, dos tipos de reactores nucleares: reactor
de agua a presión (PWR) y reactor de agua en ebullición (BWR).
El edificio de almacenamiento: se utiliza como depósito de combustible. Este
combustible es almacenado en piscinas de hormigón recubiertas con una plancha de
acero y llenas de agua. En este lugar también se almacena el combustible ya utilizado
hasta que es trasladado a un centro de reprocesamiento o a un depósito de
almacenamiento definitivo.
Productos de la reacción nuclear de fisión
La partícula empleada para romper un átomo de 233U, 235U o Pu (plutonio) es el neutrón.
Al chocar el neutrón contra el núcleo, lo rompe en varios fragmentos (nuevos átomos),
liberando algunos neutrones y gran cantidad de energía en forma de partículas α,
partículas β y ondas electromagnéticas como la radiación γ.
Los neutrones emitidos después de una escisión pueden realizar fisiones en otros núcleos
provocando una reacción en cadena.
La radiación alfa (α) está formada por partículas con carga eléctrica positiva y más
concretamente por núcleos de helio. Pueden recorrer distancia pequeñas, siendo
detenidas por una simple hoja fina de papel o la misma piel del cuerpo humano.
La radiación beta (β) está compuesta por partículas semejantes a los electrones. Pueden
recorrer distancias mayores (aproximadamente de un metro), siendo detenidas por una
hoja de metal , de algunos milímetros, o una lámina de madera de algunos centímetros.
La radiación gamma (γ) no tiene carga, pues no son desviadas por efecto de ningún
campo magnético ni eléctrico. Pueden recorrer centenares de metros en el aire. Para
detener estas radiaciones electromagnética es necesario una placa gruesa de plomo o
una pared de hormigón.
Los neutrones son liberados del núcleo atómico y no poseen carga. Son muy
penetrantes, aunque pueden ser fácilmente frenados. El agua es un excelente blindaje
frente a ellos.
q Central térmica solar
En este caso no se usa ningún combustible como fuente de energía, sino que se
aprovecha la energía luminosa procedente del Sol. Existen dos clases de centrales, la de
helióstatos y la de colector cilindro parabólico.
1. La luz se refleja en un conjunto de espejos orientados (helióstatos) para concentrar la
luz reflejada hacia una caldera.
2. En la caldera se calienta agua hasta convertirse en vapor, que se dirige hacia unas
turbinas.
3. De nuevo, un generador conectado a las turbinas convierte la energía mecánica en
energía eléctrica.
4. Luego, la energía eléctrica se distribuye por los tendidos eléctricos, como en los
otros casos.
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Los colectores cilindro parabólicos concentran la radiación solar en una tubería que
contiene un líquido, generalmente aceite. Con este sistema se pueden conseguir
temperaturas de hasta 300 ºC. El fluido transmite el calor desde los colectores hasta un
intercambiador de calor que hay en la caldera. Con este calor se consigue evaporar agua,
que pasa a través de la turbina y la hace girar. El alternador solidario a la turbina, se
encarga de generar la corriente eléctrica.
El mayor problema es la baja eficiencia de estas centrales, que proporcionan menos
energía que una central térmica. Además existe un condicionante geográfico acusado,
pues sólo son rentables en regiones soleadas durante la mayor parte del año. Pera la
energía solar es una fuente de energía renovable, es decir, no se agota. Al contrario que
los combustibles carbón o petróleo, que acabarán agotándose tarde o temprano.
Otras centrales menos empleadas son las centrales mareomotrices o las geotérmicas,
que aprovechan la energía de las mareas o el calor del interior de la Tierra.
q Centrales hidroeléctricas
Producen energía eléctrica aprovechando la energía potencial del agua contenida en un
embalse situado a mayor altura que la central una vez que esa agua se deja caer por el
interior de una tubería y llega a las paletas de una turbina con una energía cinética que
hace girar la turbina. Ésta a su vez está unida a un alternador o generador de electricidad
obteniéndose una tensión eléctrica de 20.000 V. La salida del alternador va unida a un
transformador que eleva la tensión a 400.000 V para ser distribuida por las redes de alta
tensión.
Tipos de centrales
•
Minicentrales: su potencia es inferior a 10 MW.
•
Grandes centrales hidroeléctricas: su potencia es superior a 10 MW.
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Las grandes centrales suelen disponer de dos embalses. Cuando la demanda de energía
es baja, se aprovecha la energía eléctrica sobrante para bombear agua del embalse
inferior al embalse superior. Por eso también se las llama centrales hidroeléctricas de
bombeo.
Las turbinas empleadas son Pelton y Kaplan.
embalse
turbina
alternador
transformador
Características de la energía hidroeléctrica:
Aspectos positivos
Aspectos negativos
No contamina
Hace de barrera arquitectónica para la
fauna y la flora de la zona.
Es barata
Puede alterar los ecosistemas y el
microclima.
Escaso mantenimiento
Provoca conflictos sociales-
Potencia y energía obtenida en una central hidroeléctrica
La potencia teórica de una central hidroeléctrica depende, fundamentalmente, de dos
parámetros: la altura del salto de agua y el caudal que incide sobre las turbinas.
Deduzcamos la fórmula de la potencia:
W F ⋅e m⋅ g ⋅h
P=
=
=
=
t
t
t
δ agua = 1
kg
Kg
3
=
10
m3
dm 3
1
2m ⋅ v 2 ;
t
⇒
v = 2 ⋅ g ⋅ h; v 2 = 2g ⋅ h
P=
; δ=
m
; m=δ · V
V
m ⋅ v 2 δ ⋅V ⋅ 2 ⋅ g ⋅ h
=
= 9,8 ⋅ 10 3 ⋅ Q ⋅ h
2⋅t
2 ⋅t
Donde : P = potencia, en KW; Q = caudal, en m3/s y h = altura, en m.
La fórmula de la energía hidráulica es:
Eh = P · t = 9,8 · Q · h · t [KWh]
También podemos deducir la fórmula de la potencia cuando conocemos el caudal y la
presión del agua sobre la turbina:
P=
w
p⋅ S ⋅e V
;w=F· e ; F=p· S a P=
= · p = Q ⋅ p [Kgm/s] = 9,8 · Q · p [w]
t
t
t
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Q, en m3/s y p, en Kg/m2
Ejemplos:
1º.
Calcula la potencia real de una central hidroeléctrica, en Kw, sabiendo que el salto de agua es de
3
90 m y el caudal 6 m /s. La turbina empleada es Kaplan.
Solución:
Comprobamos que todos los datos estén en el Sistema Internacional (/SI).
La potencia teórica es Pt = Ps = 9,8 · Q · h = 9,8 · 6 · 90 =5,292 Kw.
El rendimiento de las turbinas Kaplan está comprendido entre 0,93 y 0,95. Elegimos un valor
intermedio: η =0,94. El rendimiento, en función de la potencia real y teórica, es η = Pr/Pt
Despejando la potencia real es: Pr = η · Pt =0,94 · 5,292 = 4.974 KW
2º.
3
En una central hidroeléctrica se sabe que el caudal que atraviesa la turbina es de 5 m /s, siendo
su velocidad de 10 m/s. La turbina está conectada a un alternador que produce electricidad, y éste
a un transformador. Sabiendo que el rendimiento de la turbina es del 40%, el del alternador del
80% y el del transformador del 90%. Halla la potencia efectiva que se obtiene a la salida de la
central.
Solución:
P=
w
=
t
1
2
m ⋅ v2 δ ⋅V ⋅ v2 V
103
Q⋅v2
=
= ⋅p=
⋅ Q ⋅ v 2 [W ] =
[KW ]
t
2⋅t
t
2
2
5 ⋅ 10 2
P=
= 250 KW = Ps = Pt
2
η = 0,4 · 0,8 · 0,9 = 0,288;
η=
Pu
;
Ps
Pu = 0,288 · 250 = 72 KW
q Central solar fotovoltaica
En estas centrales se convierte directamente la luz del sol en electricidad. Se utilizan
paneles solares fotovoltaicos, que constan básicamente de un material semiconductor
como es el silicio, que al absorber fotones (luz solar) proporciona una corriente de
electrones, o sea una corriente eléctrica continua. Para incorporarla a la red general es
necesario transformarla en corriente alterna mediante un grupo convertidor.
Las ventajas que presentan estas centrales es que no provocan contaminación y que
necesitan un mantenimiento mínimo.
Sin embargo, tiene como inconvenientes que ocupan una gran superficie, la eliminación
de los desechos de sus células fotovoltaicas, el impacto visual que producen y la
variabilidad en su producción.
España, por su situación geográfica, es un país con enormes posibilidades para el
aprovechamiento futuro de este tipo de energía. La mayor central solar fotovoltaica está
situada en la Puebla de Montalbán (Toledo).
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LAS ENERGÍAS
Temas 1, 2 y 3
q Central eólica
En esta centrales, la energía cinética del viento mueve las aspas de un aerogenerador. En
su interior, este movimiento se transmite a un generador de energía eléctrica.
Este tipo de energía parece que tiene un gran futuro, ya que no contamina y los precios
de obtención de la misma están bajando considerablemente. Los inconvenientes que
presenta son similares a los que hemos visto en otros tipos de energía, pues el viento no
presenta la misma intensidad en todas las regiones, produce contaminación visual y
acústica, puede provocar la muerte de las aves y, además, la erosión del terreno
circundante.
En Estados unidos en sólo un año se instalaron más de 10.000 aerogeneradores con una
potencia media de 120 kW por unidad. En España una de las zonas geográficas con
mayor potencial eólico es Cádiz (parque eólico de Tarifa) , donde funciona desde hace
varios años, una central que es capaz de suministrar energía suficiente para una
población cercana a los 100.000 habitantes, lo que hace prever un incremento futuro en la
utilización de este tipo de energía. También existe un parque eólico en Las Muelas
(Zaragoza).
En Canarias, durante el año 2.000 hubo una potencia instalada de 110.000 Kw,
pudiéndose alcanzar en breve plazo los 220.000 Kw.
Las aeroturbinas, aerogeneradores o turbinas eólicas pueden ser de eje horizontal y de
eje vertical.
Las aeroturbinas de eje horizontal son las más utilizadas, aunque necesitan estar
orientadas hacia el viento. Se clasifican en: aeroturbinas de potencia baja o media y
aeroturbinas de potencia alta.
§
Aeroturbinas de potencia baja o media (desde 0,5 a 50 Kw). El número de palas
suele ser grande (hasta 24). Se utilizan en el medio rural para bombear agua y para
producir electricidad en viviendas. Funcionan a pleno rendimiento cuando la velocidad
del viento es de 5 m/s y arrancan cuando la velocidad del viento es de tan sólo 2 m/s.
12
LAS ENERGÍAS
§
Temas 1, 2 y 3
Aeroturbinas de potencia alta (más de 50 Kw). Suelen tener un máximo de cuatro
palas. Necesitan vientos de 9 m/s para arrancar. El rendimiento aumenta a medida
que gira con mayor velocidad y sus palas son más largas y disminuye a medida que la
velocidad del viento se eleva de los 15 m/s.
Las aeroturbinas de eje vertical, menos desarrolladas que las de eje horizontal, son:
§
Aeroturbinas Savonius. Se compone básicamente de dos semicírculos iguales
pero desplazados.
§
Aeroturbina Darrieus. Constituida de palas de perfil biconvexo unidas unas a otras.
Estas turbinas tienen la ventaja de que no necesitan orientarse y producen menos ruido.
Cálculo de la energía generada en una aeroturbina.
Imaginemos un tubo de aire de sección S perteneciente al flujo que va a entrar en una
turbina eólica.
Admitiendo que la sección S está fija en el espacio y que el flujo pasa a través de ella, a
una velocidad uniforme v, al cabo de un tiempo t habrá recorrido la distancia l, en
dirección a la aeroturbina. Por tanto:
Velocidad del viento v = l / t; l = v · t
La densidad del aire viene dada por la fórmula: δ =m/V; m = δ · V
El volumen de viento que ha atravesado el tubo en el tiempo t vale: V = S · l = S · v · t; por
lo que la masa valdrá: m = δ · S · v · t
La energía cinética de este volumen de viento vale:
Ec = ½ m · v2 =1/2 δ · S · v · t. v2 = ½ δ · S · t. v3
Ec = ½ δ · S · t. v3
Dividiendo la energía cinética por el tiempo empleado en atravesar el tubo de aire,
obtenemos la potencia que posee el viento;
Pviento = Ec /t = ½ δ · S · v3
Pero no toda la energía que tiene este viento puede ser captada por las hélices de la
aeroturbina.
Se obtiene como rendimiento aerodinámico la relación entre:
η=
Eu
P
= útil ;
Ec Pviento
Pútil = η· ½ δ · S · v3
El valor del rendimiento aerodinámico es
directamente proporcional al número de palas, al
número de revoluciones por minuto y a la longitud
de las palas, e inversamente proporcional a la
velocidad del viento. Sus valores van a estar
siempre comprendidos entre 0,1 y 0,6, tal y como
se puede ver en la tabla adjunta.
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LAS ENERGÍAS
Temas 1, 2 y 3
Densidad de potencia.- Se denomina así a la potencia que puede obtenerse por unidad
de área barrida por el aerogenerador y es igual al cociente entre la potencia y la superficie
de las palas. Por tanto, podemos decir que si un viento tiene una velocidad de 40 m/s, la
densidad de potencia sería:
P
= ½ 1,225 Kg/m2 · (40 m/s)2 = 39.200 W/m2
S
Ejemplos:
1. Justifica mediante la densidad de potencia si un viento de 36 Km/h es eficaz para utilizar un
3
aerogenerador tripala de perfil aerodinámico. La densidad del aire es 1,293 Kg/m ). Una máquina eólica
2
sólo es rentable con densidades de potencia iguales o superiores a 1.000 W/m .
Solución:
1,293
36 ⋅10 3 m
2
P/s = ½ δ · v =
·
= 6,46 W/m ⇒ No es rentable
2
3.600 s
3
2. Determina la potencia de un viento de 60 Km/h que actúa sobre las hélices de una aeroturbina que tiene
2
una superficie de 1,25 m por pala. El número de palas es tres.
Solución:
3
Pasamos unidades al Sistema Internacional (SI): v = 60 Km/h = 60 · 10 /3.600 m/s = 16,66 m/s
La densidad del aire es: δ = 1,225 Kg/m
3
2
La superficie total sobre la que actúa el viento es: S = 3 palas · 1,25 m / pala = 3,75 m
3
2
3
La potencia del viento será: Pviento = ½ δ · S · v =1/2 · 1,225 · 3,75 · 16,66 = 10.633 W = 10,633 Kw
3. Calcula la potencia real de la turbina del ejercicio anterior, así como la energía producida si está
funcionando durante 8 horas.
Solución: Una velocidad de 60 Km/h representa una velocidad media baja, por lo que su rendimiento
medio será alto. Para tres palas η = 0,55. Con lo que la potencia útil será:
14
LAS ENERGÍAS
Temas 1, 2 y 3
3
Pútil = Pu = η · ½ · δ · S · v = η · Pviento = 0,55 · 10,633 KW
La energía obtenida será: E = Pútil · t = 5,84 KW · 8 h = 46,72 KWh
8. Transporte y distribución de energía eléctrica
Para poder aprovechar la
energía eléctrica producida
en las centrales eléctricas
en hogares, oficinas, etc., se
siguen las siguientes etapas
con la energía eléctrica
producida:
1.
Las
centrales
eléctricas producen una
corriente con una tensión de
20.000 voltios.,
2. Al salir de las centrales
eléctricas, se eleva la tensión de la corriente hasta 400.000 voltios (alta tensión) para
minimizar las pérdidas de energía durante el transporte.
3. Después, en estaciones transformadoras, se varía de nuevo el voltaje de la corriente
hasta 220 o 380 V, un valor aprovechable en nuestras viviendas, oficinas, industrias,
etc.
9. Consumo de energía eléctrica
En cualquier edificio hay multitud de aparatos y sistemas que funcionan gracias a la
electricidad y que consumen, por tanto, energía eléctrica.
La cantidad de energía (E)
magnitudes:
que consume un aparato eléctrico depende de dos
•
La potencia eléctrica (P) del aparato. Los hornos, radiadores, planchas y aparatos de
aire acondicionado tienen una potencia elevada. Los aparatos electrónicos tienen una
potencia reducida. Doble potencia implica doble consumo.
•
El tiempo (t) que permanece funcionando. Doble de tiempo implica doble consumo.
Es decir:
E = P• t
La energía eléctrica se mide habitualmente en kilovatios hora (kwh). El coste aproximado
de 1 kWh es de 0,09 €.
15
LAS ENERGÍAS
Temas 1, 2 y 3
10. Cogeneración
Cogeneración es el aprovechamiento de la energía de los combustibles fósiles para
obtener calor y electricidad al mismo tiempo, mejorando así su rendimiento. Se lleva a
cabo en algunas industrias y centros públicos como hospitales, escuelas o polideportivos.
La caldera, donde se quema el combustible, convierte el agua líquida en vapor que mueve
la turbina y el generador eléctrico. El vapor de agua saliente se distribuye hacia las
tuberías de calefacción, en vez de condensar el vapor usando agua fría de un estanque o
de un río perdiéndose esa cantidad de energía.
En las centrales térmicas que solo generan electricidad se aprovecha nada más que el
30% de la energía de los combustibles. Mediante sistemas de cogeneración se aprovecha
hasta el 90% de la energía.
11. El consumo de los aparatos eléctricos empleados en el
hogar
Los aparatos que más energía eléctrica consumen son aquellos que disipan mucho calor.
Algunos, como los radiadores o los tostadores tienen precisamente esa finalidad. Pero en
otros casos, como en las bombillas de incandescencia, las pérdidas de calor no tienen
ningún efecto útil; sólo «sirven» para aumentar el consumo.
En la siguiente tabla puedes observar el coste típico asociado a diversos aparatos
eléctricos.
Aparato
Potencia
Coste típico
(tiempo diario)
Eléctrica (W)
Mensual (€)
Lámpara (4 h)
90
1,00
Ordenador (8 h)
250
5,40
Frigorífico (6 h)
300
4,86
Equipo de música (2 h)
300
1,62
Televisor (3 h)
300
2,43
Microondas (0,5 h)
1.000
1,35
Lavavajillas (1,5 h)
1.400
5,67
Lavadora (1,75 h)
1.500
6,07
Plancha (1 h)
1.800
4,86
Radiador (3 h)
2.000
16, 20
Cocina eléctrica (2 h)
2.500
13,50
12. Combustibles fósiles
Son el carbón, el petróleo y el gas natural. Todos ellos proceden de restos vegetales y
otros organismos vivos (generalmente plancton marino) que hace millones de años fueron
16
LAS ENERGÍAS
Temas 1, 2 y 3
sepultados por efecto de grandes cataclismos o fenómenos naturales y por la acción de
microorganismos, bajo unas condiciones de temperatura y presión adecuadas.
El carbón
Breve evolución histórica.
1. Se empieza a utilizar a gran escala en el siglo XVI como sustituto de la madera,
que empezaba a escasear.
2. En la Revolución Industrial (siglo XVIII) el carbón constituye la fuente de energía
principal en máquinas industriales, tracción ferroviaria e iluminación de ciudades.
3. En 1.910 más del 90 por 100 de la energía consumida a nivel mundial provenía del
carbón. La producción anual fue de 1.200 millones de Tm.
4. A partir de 1.920 empieza a experimentar una notable decadencia a favor del
petróleo.
5. En la actualidad su uso se restringe casi exclusivamente a centrales térmicas
clásicas.
Tipos de carbón
⇒ Carbón mineral.- De mayor a menor antigüedad y poder calorífico son: antracita,
hulla, lignito y turba.
⇒ Carbones artificiales
Son creados o modificados por el hombre.
1. Carbón vegetal: Se obtiene quemando madera, apilada en montones
recubiertos generalmente de barro, para evitar el contacto directo con el aire
y, de esta manera conseguir que la combustión sea parcial. Se ha utilizado
mucho en calefacciones (brasero). En la actualidad prácticamente no se
emplea.
2. Carbón de coque: se utiliza como combustible y reductor de óxidos
metálicos en el horno alto, para la obtención del acero a partir del mineral de
hierro.
Aplicaciones del carbón
El carbón, aunque en la actualidad ha perdido mucha importancia, debido a su alto
poder contaminante, todavía sigue teniendo bastantes aplicaciones como fuente
primaria de energía. Cabe destacar tres aplicaciones importantes:
⇒ Producción de electricidad en centrales térmicas clásicas
Debido a que la quema de carbón contamina tanto el medio ambiente, se están
implantando nuevas tecnologías que consisten en:
17
LAS ENERGÍAS
Temas 1, 2 y 3
1. Combustión en lecho fluido: para ello una vez molido el carbón, se mezcla
con partículas de cal. Por efecto de una corriente ascendente, que las
mantiene flotando al mismo tiempo que arden, se consigue que:
•
El carbón arda mejor, al tener una mayor superficie de contacto.
•
El azufre contenido en el carbón reaccione químicamente con la cal, con
lo que se evita la emisión de azufre a la atmósfera y con ello la
generación de lluvia ácida.
2. Gasificación del carbón: consiste en inyectar oxígeno o aire, junto con
vapor de agua, a una masa de carbón. Con ello se genera la emisión de un
gas que, posteriormente, se quema. Esta técnica también se emplea para el
aprovechamiento de energía en vetas de carbón de difícil acceso o a
grandes profundidades.
⇒ Fabricación de acero en los hornos altos
El combustible empleado en el horno alto es el carbón de coque. Este carbón
realiza dos funciones vitales:
o Fundir el mineral de hierro.
o Emitir gases que reaccionan con los óxidos ferrosos para transformarlos en
hierro (proceso de reducción contrario a la oxidación).
El carbón de coque se obtiene del carbón de hulla, después de sufrir un proceso
que se denomina coquizado. Generalmente, este proceso consiste en introducir
hulla en una cámara cerrada (en la que se controla la cantidad de oxígeno en su
interior). Se aumenta su temperatura hasta unos 1.100 ºC y se mantiene así unas
16 horas. Finalmente, el coque al rojo vivo se vierte sobre un vagón que lo
transporta hasta la torre de acabado (cortina de agua).
El calor necesario para obtener el carbón de coque se consigue del gas que emana
de la destilación del carbón (gas ciudad) durante el proceso de coquizado.
Los productos que se obtienen, además del carbón de coque, son los indicados en
el apartado siguiente.
⇒ Obtención de productos de uso industrial
Los más importantes son:
1. Gas ciudad: empleado hasta no hace mucho tiempo, como combustible
gaseoso en sustitución del butano en la mayoría de las viviendas de las grandes
ciudades.
2. Vapores amoniacales: de ellos se puede obtener sulfato amónico, que se usa
como fertilizante.
3. Grafito casi puro, que queda adherido a las paredes de la cámara de
coquizado.
4. Brea o alquitrán: de la que se obtiene:
o Aceites: de ellos se sacan productos tales como medicamentos (aspirina),
colorantes, insecticidas, explosivos, plásticos, etc.
o La pez: se emplea para pavimentar carreteras (asfalto) e impermeabilizar
tejados.
18
LAS ENERGÍAS
Temas 1, 2 y 3
Repercusiones sobre el medio ambiente
Tanto la extracción como la combustión del carbón origina una serie de deterioros
medioambientales importantes:
1. Efecto invernadero: consiste en la emisión a la atmósfera de dióxido de
carbono (CO2). Ello hace que los rayos entren en la atmósfera atravesando el
CO2 sin dificultad; pero cuando el rayo reflejado en la tierra (infrarrojos) intenta
salir, es absorbido. Las consecuencias son un aumento progresivo de la
temperatura media.
2. Lluvia ácida: se genera como consecuencia de la emisión a la atmósfera de
azufre (S) y óxidos de nitrógeno (N). Estas emisiones reaccionan con el vapor
de agua, gracias a los rayos solares, transformándose en ácido sulfúrico y ácido
nítrico, que se precipitan a la tierra en forma de lluvia.
3. Contaminación de los ríos: que daña la vida acuática y deteriora el agua que
consumimos.
4. Deterioro del patrimonio arquitectónico: pues la lluvia ácida ataca las
piedras.
El petróleo
El crudo se encuentra en bolsas formadas por: agua salada, petróleo y gas natural.
El petróleo o crudo no se utiliza directamente tal y como se extrae del yacimiento, sino
que se le hace pasar por un proceso de destilación en las refinerías con objeto de separar
los distintos hidrocarburos que lo forman.
El proceso de destilación es el siguiente:
1. Se hace pasar todo el crudo por un horno (torre de fraccionamiento) a una
temperatura de 340ºC con lo que la mayor parte del petróleo se transforma en gas.
2. Los gases más ligeros suben a la parte más alta de la torre y los más pesados se
condensan en forma líquida a diferentes alturas. La temperatura en la parte inferior
es más elevada que en su parte alta.
Cuando la necesidad de un producto es mayor que la de otro (como el caso de la gasolina
que tiene más demanda que el aceite), se recurre a un proceso denominado cracking,
que consiste en calentar un hidrocarburo por encima de su temperatura de ebullición con
objeto de romper las moléculas complejas (por agitación térmica) y obtener otras de peso
molecular menor que coincidan con las de los hidrocarburos de mayor demanda.
Los productos más importantes que se obtienen son:
•
Sólidos: ceras (parafinas y vaselina) y alquitrán.
•
Líquidos: aceites, fuelóleo, gasóleo, queroseno, gasolina.
•
Gaseosos: butano, propano y metano + etano (se suele quemar en la propia
refinería.
19
LAS ENERGÍAS
Temas 1, 2 y 3
Repercusiones medioambientales del petróleo
Por tratarse de un combustible fósil, de formación análoga al carbón, sus
repercusiones son muy parecidas. Para paliar parte de los problemas de lluvia ácida y
efecto invernadero, últimamente se han tomado las siguientes medidas:
•
Utilización de gasolina sin plomo. Para ello se debe incorporar un catalizador en
los automóviles que reduce la polución de gases a niveles muy bajos así como
la emisión de partículas de plomo.
•
Utilización de gasóleos libres de azufre.
•
Sustitución de instalaciones de gasóleo y fuelóleo por otras que utilizan gas
natural.
El gas natural
Se ha originado como consecuencia de la descomposición de materia orgánica, análoga
al petróleo.
El gas natural suele encontrarse de dos maneras distintas:
•
El la parte superior de los yacimientos de petróleo. Recibe el nombre de gas
natural húmedo ya que se halla mezclado con combustibles gaseosos derivados
del petróleo (hidrocarburos) tales como: metano (CH4), etano (C 2H6), propano
(C 3H8) y butano (C 4H10).
•
En grandes bolsas recubiertas de material impermeable (arcilla), que soporta altas
presiones. Este gas recibe el nombre de gas natural seco. Se compone
básicamente de metano y etano (con más del 70%) y pequeñas proporciones de
hidrógeno (H2) y nitrógeno (N).
Luego de extraerlo y unas vez en la superficie, se almacena en depósitos a gran presión
para que se licue el gas, llamados gasómetros. Posteriormente se conduce, mediante
tuberías (gasoductos) o licuado (en camiones especiales) a los lugares de consumo.
Antes de ser empleado sufre un tratamiento con el fin de eliminar las impurezas que
contiene, así como otros hidrocarburos, quedando prácticamente con una composición
de: metano (84 por 100), etano (8 por 100), propano (2 por 100) y otras impurezas.
Su poder calorífico está comprendido entre 10.000 y 10.500 Kcal/m3 en condiciones
normales.
Su combustión es poco contaminante ya que el porcentaje de azufre es muy bajo,
generando CO2 y H2O.
13. Energías alternativas
Desde la primera crisis del petróleo en 1.973 y debido a la gran dependencia energética
que de él se tenía, en los países desarrollados y en vías de desarrollo se ha dado un gran
impulso al aprovechamiento de recursos energéticos renovables o energías alternativas.
20
LAS ENERGÍAS
Temas 1, 2 y 3
Las ventajas que aporta el uso de energías alternativas son: energía gratis o muy barata y
recursos inagotables que generalmente no son contaminantes (excepto los RSU y la
Biomasa).
Las energías alternativas que se aprovechan y desarrollan en la actualidad son las que
aparecen en el siguiente cuadro.
Energía
alternativa
Tipo de
energía
obtenida
Máquina
empleada
Características
Térmica
Colectores
Calor para calefacción, agua caliente,...
Térmica
Hidrostatos
Caldera agua ⇒ Electricidad
Térmica
Colectores c.p.
Tubería agua ⇒ Electricidad
Eléctrica fotov.
Placa solar
Células solares ⇒ Electricidad
Térmica
Horno solar
Temperaturas 4.000 ºC
Eléctrica
Turbina Eólica
Se obtiene de la energía cinética
del viento
Química
Cuba Fermentación.
Se obtiene biogás
Térmica
Horno
Materia orgánica. se quema ⇒ Calor
Térmica
Horno
Se quema ⇒ Calor
Térmica
Radiador
Eléctrica
Central geotérmica.
Energías en forma de calor que
procede del interior de la Tierra.
Solar
Eólica
Biomasa
RSU
Geotérmica
Maremotriz
Eléctrica
Turbinas
Aprovecha la energía potencial del
agua de las mareas, debida a la
diferencia de alturas entre pleamar
y bajamar.
Pato Salter
De la olas
Eléctrica
Boya de Masuda
Energía debida al movimiento de
las olas.
Cilindro de Bristol
Hidrotérmica
Eléctrica
Turbinas
Aprovecha la diferencia de
temperatura entre capas de agua
de mar que se encuentran a
distinta profundidad, para evaporar
y condensar vapores de gases y
así producir electricidad.
q Energía solar
El sol es la principal fuente de energía de la Tierra. Esta energía procede de las
reacciones termonucleares que se producen en esa estrella. El hidrógeno se transforma
21
LAS ENERGÍAS
Temas 1, 2 y 3
en helio, liberándose en esta reacción nuclear gran cantidad de energía, que se transporta
en ondas electromagnéticas. Una pequeña parte llega a nuestro plneta, de la cual, parte
se refleja en la atmósfera, evitando que un porcentaje al to de radiaciones perjudiciales
llega a nosotros.
De esta radiación recibida, aproximadamente el 42 % corresponde a la radiación visible,
el 53 % a la infrarroja y el 5 % restante a ultravioleta. Estas dos últimas son invisibles.
La fórmula que nos indica la cantidad de calor que llega a un punto de la superficie de la
Tierra viene dada por la expresión:
Q = K · t· S
Q = cantidad de calor expresado en calorías.
K = coeficiente de radiación solar, expresado en cal/min · cm2 .
Puede valer desde 0 hasta 1,3. La media aproximada, en un día de
verano, será: K = 0,9
T = tiempo en minutos.
S = sección o área en cm2 .
Ejemplo: Determina la cantidad de calor que habrá entrado en una casa, durante un día del mes de julio,
suponiendo que dispone de una cristalera de 3 x 2 m y que no se han producido pérdidas ni reflexiones en
el vidrio.
Solución:
Suponemos 10 horas de sol (10 x 60 = 600 minutos), en el que el coeficiente de radiación solar se
2
mantiene constante e igual a : K = 0,9 cal/min · cm .
2
La superficie expuesta al sol es : S = 300 x 200 cm = 60.000 cm .
5
El valor de Q = 0,9 · 600 · 60.000 = 324 · 10 cal = 32.400 Kcal.
La energía solar tiene dos campos de aplicación: conversión en energía eléctrica y
transformación en energía térmica o calorífica. Ya hemos hablado de ello, pero nos falta
mencionar el aprovechamiento pasivo de la energía solar que es el que se produce en
los invernaderos, secaderos, desalinizadoras de agua marina, etc.
q Energía eólica
La energía cinética del viento se aprovecha actualmente para producir electricidad.
Antiguamente se utilizaba para el transporte marítimo, para hacer girar los molinos para
extraer agua de los pozos y para moler grano.
q Biomasa
Se denomina biomasa al conjunto de materia orgánica (no fósil) de procedencia vegetal o
animal.
El bajo rendimiento energético, asociado al gran volumen y a su alto contenido en
humedad, hacen de la biomasa un combustible no muy apto para la obtención directa de
energía. Se hace necesario su transformación previa en otros combustibles de mayor
poder energético. Se utilizan tres procedimientos que son:
22
LAS ENERGÍAS
Temas 1, 2 y 3
A). Extracción directa
Ciertas especies vegetales producen en su metabolismo hidrocarburos o compuestos
muy hidrogenados, con un poder calorífico elevado. Su obtención se lleva a cabo
mediante extracción (aplastamiento) y añadiéndoles ciertos componentes químicos.
B). Extracción vía seca o procesos termoquímicos (combustión)
Consiste en someter a la biomasa a temperaturas elevadas mediante una combustión
controlada.
1. Si la combustión se lleva a cabo con abundancia de aire (comburente), se obtiene
calor, pudiéndose utilizar para producir vapor que mueva una turbina que arrastre
un alternador que produzca electricidad.
Cuando se utiliza biomasa seca (< 20 por 100 de humedad), el rendimiento
energético oscila entre el 80 y el 85 por 100. Sin embargo, si el grado de
humedad es mayor del 50 por 100, su rendimiento se encuentra entre el 65 y 70
por 100.
Problema
Calcula la energía calorífica liberada al quemar 5 Kg de madera cuyo Pc = 2.800 Kcal/Kg, si el grado de
humedad es del 53%.
Solución:
La fórmula es Q = Pc · m = 2.800 Kcal/Kg · 5 Kg = 14.000 Kcal.
A un grado de humedad del 53 % le correspondería un rendimiento del 65 %.
Q real = Q · 0,65 = 14.000 · 0,65 = 9.100 Kcal
La ventaja de utilizar la biomasa como fuente de energía estriba en que los gases
residuales producen poco contaminación ya que su contenido en azufre es bajo y tiene
pocas cenizas.
2. Cuando la combustión se hace con defecto de aire, se produce CO, CO2, H2. A
esta mezcla se le denomina gas pobre.
Para obtener este gas se deberá elevar la temperatura del horno entre 700 y
1.500 ºC. El poder calorífico está comprendido entre 1.200 y 2.600 Kcla/Kg.
3. Si se emplea como comburente oxígeno puro, el resultado es una mezcla de
monóxido de carbono, hidrógeno e hidrocarburos que se denomina gas de
síntesis.
Lo importante de este gas es que se puede transformas en combustible líquido
(metanol y gasolina), cuya demanda en la actualidad es más alta que la de los
combustibles gaseosos.
4. Si la combustión se realiza en ausencia de aire (comburente), se le denomina
pirólisis. En este proceso hay una descomposición de la materia orgánica, debida
al calor, que origina tres tipos de productos finales:
•
Gaseosos: compuestos combustibles de H2, CO2 e hidrocarburos.
•
Líquidos: hidrocarburos complejos de carácter oxigenado (alcoholes).
•
Sólidos: carbón y alquitrán.
23
LAS ENERGÍAS
Temas 1, 2 y 3
C). Extracción vía húmeda o procesos bioquímicos (fermentación)
Los proceso bioquímicos o de fermentación son los que a continuación se explican:
1. Fermentación alcohólica
Todos sabemos que las plantas almacenan gran parte de la energía solar que
reciben en forma de hidratos de carbono. Los hidratos de carbono se pueden
presentar de dos formas: en forma de azúcares y en forma de almidón o celulosa.
Cualquier producto que contenga azúcares o almidón (transformable en azúcares)
se puede transformar en alcohol
Los microorganismos que se emplean para estos procesos son las levaduras y
hongos unicelulares.
El rendimiento que se obtienes, aproximadamente, de 310 g de etanol por cada
kilogramo de glucosa.
2. Fermentación anaerobia
Consiste en una fermentación en ausencia de oxígeno y prolongada en el tiempo.
En ella se origina una mezcla de productos gaseosos (metano y dióxido de
carbono) denominado biogás.
El poder calorífico del biogás es del orden de 4.500 Kcal/m3.
q Energía geotérmica
Es la energía calorífica que procede del interior de la Tierra.
Se sabe que el núcleo de la Tierra tiene una temperatura que puede llegar hasta los
4.000 ºC. Esta temperatura va disminuyendo a medida que nos aproximamos a la
superficie.
Problema
Calcula la profundidad a la que habría que hacer un pozo si quisiéramos calentar agua a una temperatura
de 90 ºC
Solución:
Como por cada 100 m de profundidad la temperatura aumenta 3 ºC, se puede obtener la profundidad
pedida.
Si cada 100 m
Xm
aumenta 3 ºC
para aumentar 90 ºC
X = 9.000/3 = 3.000 m
Tipos de yacimientos
Para extraer el calor de la Tierra siempre se emplea algún fluido, normalmente agua,
que, una vez caliente, se saca y se aprovecha su energía térmica para calefacción o para
producir electricidad.
Los tipos de yacimientos son:
24
LAS ENERGÍAS
Temas 1, 2 y 3
⇒ Yacimientos hidrotérmicos
En este caso, el propio fluido (agua) se encuentra en el interior de la Tierra, debido a
filtraciones del terreno motivadas por lluvias, deshielos y ríos.
El agua se puede encontrar líquida o en forma de vapor, dependiendo de la presión y
temperatura que exista en el interior del yacimiento.
Este tipo de yacimientos suelen encontrarse a muy poca profundidad: entre 500 m y 5
Km..
Las temperaturas a las que suele estar el agua del interior varía entre 40 y 300 ºC.
A veces, por efecto de la gran presión interior y debido a movimientos sísmicos, se
rompe la roca impermeable que está cerca de la superficie originando la salida del flujo
(agua y vapor) a gran presión. A este fenómeno se le conoce con el nombre de géiser.
Este tipo de yacimientos son muy abundantes en EE.UU., Italia, Japón e Islandia.
⇒ Yacimientos geopresurizados
Son iguales que los anteriores pero aquí el agua se suele encontrar a profundidades
mucho mayores. Eso origina que la presión del agua sea muy grande, llegando hasta los
1.000 bares. Normalmente el agua está en estado líquido, a pesar de encontrarse a unos
200 ºC.
Además, a estas temperaturas también suela aparecer gas natural, con lo que se
obtienen tres tipos de energías: energía calorífica en el agua, energía de presión del
agua y energía química del gas natural.
⇒ Yacimientos de roca caliente
Están formados por rocas impermeables que tiene una temperatura que oscila entre los
150 y 300 ºC. No existe ningún fluido (agua) en las rocas.
La solución para extraer el calor es hacer dos peroraciones e introducir agua fría por una
de ellas, para obtener el agua caliente por la otra. El problema es que toda la roca es
impermeable y el agua no pasa de un conducto al otro. Todavía se está ensayando para
ver cómo se puede obtener este calor.
Este tipo de yacimientos es el más común (aproximadamente el 85 por 100) y suelen
encontrarse a unos 500 m de profundidad.
En algunas zonas de la isla de Lanzarote (Parque de Timanfaya) se han detectado
yacimientos de este tipo con temperaturas de hasta 485 ºC a tan sólo tres metros de
profundidad.
Ventajas e inconvenientes del uso de energía geotérmica
•
Ventajas: es una energía gratis e inagotable.
•
Inconvenientes: pocos son los inconvenientes comparados con la explotación de
otro tipo de energías. Cabe destacar la posible contaminación de las aguas del
entrono, debido a que el agua que se extrae contiene sustancias nocivas, y la emisión
de CO2 a la atmósfera.
25
LAS ENERGÍAS
Temas 1, 2 y 3
q Residuos Sólidos Urbanos (RSU)
Son aquellos residuos sólidos generados por la actividad doméstica en los núcleos de
población.
El tratamiento de estos residuos se lleva acabo mediante los siguientes métodos:
Incineración
Consiste en quemar los residuos combustibles para obtener energía calorífica y usarla
para calefacción o para generar electricidad, o fermentar los residuos orgánicos para
obtener biogás.
Otros métodos
Por no tratarse de métodos de obtención de energía, simplemente se van a enunciar y
explicar de manera breve.
1. Vertido controlado. Los residuos son enterrados en lugares adecuados para
evitar que contaminen el medio ambiente.
2. Compostaje. Se hacen fermentar los residuos de origen orgánico para,
posteriormente, emplearlos como abonos.
3. Reciclado. Consiste en separar y clasificar los componentes que pueden ser
utilizados como materia prima para fabricar otros productos, por ejemplo: vidrio,
papel, plástico, etc.
q Energía maremotriz
Es la energía del agua de mar que se mueve con las mareas. Las mareas tienen su
origen en la atracción del sol y de la luna. Hay zonas costeras donde la altura del agua
varía incluso más de 10 m.
Las centrales maremotrices se sitúan en estuarios o entradas de mar donde hay una
presa que permite retener el agua cuando la marea alcanza su nivel más alto. Cuando
baja la mar y se alcanza cierta diferencia de altura, se abren las compuertas. El paso de
agua hace girar la turbina que acciona el alternador. Este efecto puede conseguirse en
ambos sentidos.
Actualmente hay pocas centrales maremotrices funcionando. Una de ellas es la de La
Rance, en Francia.
q Energía de las olas
El mar nos proporciona energía natural por medio de las olas. Su conversión en energía
útil es difícil y costosa. Se han diseñado varios dispositivos a base de flotadores, boyas,
cilindros sumergibles, etc., pero con poco rendimiento obtenido. Además de eso, hay que
añadir el impacto ecológico que sufriría la zona.
Sin embargo, muchos países, entre ellos Gran Bretaña y Japón, cuentan con proyectos
muy prometedores para su desarrollo. En España, el proyecto Olas – 1.000 trata de
aprovechar esta energía en la costa atlántica con un prototipo de central de 1.000 KW.
A continuación se muestran aquellas maquetas más representativas :
1. Pato Salter. Inventada por Stephen dSalter en 1.973, está considerada una de las
máquinas más baratas, pequeñas y eficaces de su clase. Es capaz de aprovechar
hasta un 35 por 100 de la energía del oleaje.
26
LAS ENERGÍAS
Temas 1, 2 y 3
2. Boya de Masuda. Inventada por el antiguo oficial de marina Yoshio Masuda.
Funciona así: Al llegar la ola, el nivel del agua sube en un recipiente y comprime el
aire de su interior, escapando y haciendo girar una turbina. De este modo la boya
genera su propia luz, con una potencia entre 70 y 120 W.
3. Cilindro oscilante de Bristol. El movimiento de un cilindro de hormigón de una
longitud de 45 m y 11 m de diámetro se transmite a las bombas, situadas en la base
de los tubos de anclaje. Éstas succionan agua y la bombean a elevada presión a una
turbina. La electricidad generada se transmite hasta la orilla por medio de cables
submarinos.
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LAS ENERGÍAS
Temas 1, 2 y 3
Problemas
1. La potencia desarrollada por un ciclista profesional es aproximadamente de 500 W. ¿A cuantos
CV equivale?.
2. Un coche circula a 120 Km/h. La masa del coche son 1500 kg. Halla la energía cinética del
coche
3. En el catálogo de un coche aparece una potencia de 82 Cv. Determinar: a) Potencia en Kw. b)
KWh consumidos en 15 minutos.
4. Una bomba de agua funciona con un motor eléctrico de 0,5 CV y eleva agua hasta un depósito
situado a 4 metros de altura.
a). ¿Qué potencia tiene la bomba en W?
b). ¿Qué energía potencial desarrolla en una hora?.
c). ¿Cuántos kg de agua eleva hasta la altura de 4 metros?.
5. Un ascensor eleva en 40 segundos una masa de 2000 kg hasta una altura de 50 metros
a). ¿Qué energía hay que proporcionar al ascensor?
b). ¿Qué potencia consume el ascensor?
6. Halla la energía cinética que posee un camión de 10 Tm a 90 km/h.
7. Se deja caer desde 40 metros de altura una masa de 2 kg. Halla la energía cinética que lleva la
masa cuando llega al suelo. Halla también la velocidad de dicha masa
8. Con un motor elevador de 4 CV de potencia se quiere llenar un depósito de 200m3 cuyo borde
está situado a 3 m sobre el nivel del agua. Calcula el tiempo que tardará en llenarse.
9. Una bala de 5 gramos impacta a la velocidad del sonido contra un peso de 80 kg de masa.
a). Halla la energía cinética de la bala
b). Halla a que velocidad saldrá disparado el peso si la bala tras el choque cae al suelo parada.
10.Una central de energía solar recoge 1000 W de potencia. ¿Será capaz de acumular en un minuto
energía suficiente para mover un ascensor de 200 kg de masa hasta una altura de 12 metros?.
11. Halla la temperatura final de un litro de agua que inicialmente estaba a 15ºC si impacta contra
ella una bala de 1 g a 300m/s. Despréciese el cambio de temperatura de la bala.
12. Determina el aumento de temperatura de una viga de acero de 250 kg a la que se le ha aplicado
1KWh de energía eléctrica, sabiendo que el calor específico del acero son 500 J/Kg ºC.
13. Una placa solar aprovecha la radiación que le llega para calentar en 2 horas 20 litros de agua
desde 20 a 50ºC. Sabiendo que el calor específico del agua es 4180 J/Kg ºC, halla la superficie
de la placa si se sabe que le llegan 100 W/m2 .
14. Se desea conocer cual será el coste de mantener un sistema energético en una vivienda. Se han
hecho las siguientes estimaciones de gasto energético:
- Tres bombillas de 60W, dos bombillas de 100W que funcionan durante 4 horas diarias.
- Un televisor de 450W durante dos horas diarias
- Un frigorífico de 600W durante ocho horas diarias
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LAS ENERGÍAS
Temas 1, 2 y 3
- Un calentador eléctrico que calienta diariamente 100 litros de agua de 10 a 40ºC (calor
específico del agua 1cal/g · ºC).
- Un ascensor que eleva diariamente tres veces a dos personas cada una de 80 Kg de masa a una
altura de 15 metros. El rendimiento de la maquinaria es del 55%.
- Una bomba de agua que eleva diariamente 200 litros de agua a una altura de 15 metros. El
rendimiento de la bomba es del 75%.
a) Halla la energía diaria que consume cada elemento o grupos de elementos y rellena la siguiente
tabla:
Elemento o grupo de Consumo energético
elementos
Bombillas
Televisor
Frigorífico
Calentador
Ascensor
Bomba
TOTAL
b) Si se usa un grupo electrógeno de gasoil como el de la figura, y se sabe que el gasoil proporciona
8000 Kc/Kg, halla el precio diario del gasoil consumido si este cuesta 0,54 €/kg.
Motor η = 50%
Alternador η = 80%
c) Si se usa electricidad de la red halla el precio diario si se sabe que el Kwh cuesta 0,09 €. (0.75 p)
15. Se desea saber la energía producida por una presa cuyo esquema se reproduce debajo.
Atraviesan la turbina 3m3 de agua cada segundo a una velocidad de 36 km./h. Obsérvense los
rendimientos de cada uno de los equipos.
Turbina
η = 90%
Alternador
Transformador
η = 86%
η = 93%
Resuelve el problema y rellena las siguientes casillas de resultados.
Energía de entrada a la turbina
Energía de entrada al
alternador
Energía de entrada al
transformador
Energía de salida del
transformador
Rendimiento total de la
instalación
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LAS ENERGÍAS
Temas 1, 2 y 3
Problemas 2ª parte
1. La potencia desarrollada por un ciclista profesional es aproximadamente de 600 W. ¿A cuántos
CV equivale?.
2. Una bomba de agua funciona con un motor eléctrico de 0,5 CV y eleva agua hasta un depósito
situado a 6 metros de altura. ¿Cuántos metros cúbicos de agua elevará en una hora?. ¿Cuantos
KWh habrá consumido durante ese tiempo ?.
3. En el catálogo de un coche aparece una potencia de 90 Cv. Determinar:
a. Potencia en Kw.
b. KWh consumidos en 10 minutos.
4. Halla la energía cinética que posee un camión de 10 Tm a 90 km/h. Si se pudiese convertir esa
energía en electricidad, halla su valor si el Kwh cuesta 20pts.
5. Una central hidroeléctrica tiene 2,5 Hm3 de agua embalsada a una altura media de 120 m en
relación a la turbina. Halla:
a). Energía potencial en Kwh.
b). Si el rendimiento de sus instalaciones es del 65%, halla cual será la energía producida cada
hora si caen 2m3 /s.
6. Una placa solar aprovecha la radiación que le llega para calentar en 2 horas 20 litros de agua
desde 20 a 50ºC. Sabiendo que el calor específico del agua es 1 cal/g ºC, halla la superficie de la
placa si se sabe que le llegan 100 W/m2 y que el rendimiento es del 85%.
7. Determina el aumento de temperatura de una viga de acero de 250 kg a la que se le ha aplicado
1KWh de energía eléctrica, sabiendo que el calor específico del acero son 0,12 cal/g ºC.
8. Calcula la cantidad de carbón necesaria para subir una locomotora de 5 Tm por una rampa de
4.5º. La longitud de la proyección de la rampa sobre la horizontal es de 800m. Un kg de carbón
produce 8.000 Kcal.
a). Si el rendimiento de la locomotora es del 100%.
b). En el caso real de que el rendimiento de la locomotora sea del 20%.
9. Se dispara un proyectil de 100g sobre un bloque de hielo a 0ºC. Sabiendo que para fundir 1g de
hielo hacen falta 80 cal, y que la bala entró a una velocidad de 600 m/s y salió a 400 m/s, halla
la cantidad de hielo que se ha fundido.
10. Calcula la cantidad de trabajo mecánico que hay que hacer golpeando un recipiente de cobre de
calor específico 0,09 cal/g ºC y peso 200 g, que contiene 2 litros de agua a 10ºC, para elevar su
temperatura a 40ºC. Se supone que todo el trabajo pasa a calor.
11. Si en el problema anterior queremos subir la temperatura de un solo golpe pegándole un
martillazo con un martillo de 1 Kg, si suponemos que no rebota, calcula la velocidad a la que
habría que darle el martillazo.
12. Un camión va por la orilla de un río tirando de un barco con una fuerza de 4000 N. Calcula el
trabajo que realiza al recorrer 200 m si la dirección de la cadena de arrastre forma un ángulo de
30º con el río.
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LAS ENERGÍAS
Temas 1, 2 y 3
13. Sobre un péndulo cuya lenteja es de 500 Kg, se dispara un proyectil de 50g a 500m/s. El
proyectil atraviesa la lenteja y sale una velocidad de 300m/s. ¿A qué altura se elevará la lenteja
del péndulo ?.
14. Con un motor elevador de 4 CV de potencia se quiere llenar un depósito de 200m3 cuyo borde
está situado a 3 m sobre el nivel del agua. Calcula, si el rendimiento del motor es de 0,8, el
tiempo que tardará en llenarse.
15. En un hospital se dispone de tres posibilidades para la calefacción:
- Calefacción a carbón. Rendimiento 0,6. Producción calorífica del carbón 8000 Kcal/kg. Precio
1,2 €/kg.
- Calefacción eléctrica. Precio del KWh 0,15 €. Rendimiento 90%.
- Calefacción por acumulación de calor en depósito de agua. Rendimiento 75%. Precio de la
tarifa nocturna 0,09 €/Kwh.
Halla el gasto diario si las necesidades caloríficas de la casa son de 100.000 Kcal/día.¿Qué
sistema es más barato ?.
16. Se desea saber que alternativa resultará más económica en una casa en la que existen tres
bombillas de 60w y una de 100w que funcionan tres horas diarias. Además el frigorífico
consume 500w durante veinte horas diarias. Se plantean dos alternativas:
o Electricidad convencional. El enganche cuesta 30000 pesetas y el Kwh cuesta 0,12 €.
o Placas solares fotovoltaicas. Su rendimiento es del 90%. El metro cuadrado de placa cuesta
300 €. El sol provee de 100w/m2. La instalación debe diseñarse para las horas de máximo
consumo de potencia. El coste de mantenimiento es de 30 €/año. El precio del Kwh es nulo.
Halla los costes el primer y el segundo año. El primer año incluye costes de instalación,
mantenimiento y consumo. El segundo año sólo incluye costos de mantenimiento en el caso de
la solar y sólo de consumo en el caso de suministro convencional.
17. En una central hidroeléctrica se sabe que el caudal que atraviesa la turbina es de 5 m3/s, siendo
su velocidad e 10 m/s. La turbina está conectada a un alternador que produce electricidad, y éste
a un transformador. Sabiendo que el rendimiento de la turbina es del 40%, el del alternador del
80% y el del transformador del 90%, halla la energía efectiva que se obtiene a la salida de la
central.
Presa
Turbina
η=40%
Alternador
η=80%
Transformador
η=90%
18.Una central nuclear consume al año 300 Kg de combustible. Sólo el 0.08% de la materia se
transforma en energía térmica. El generador de vapor tiene un rendimiento del 90%. La turbina
tiene un rendimiento del 40 %. El alternador tiene un rendimiento del 75%. Halla los Kwh
anuales que se obtienen.
19. Se plantean tres alternativas para la construcción de una central eléctrica. Se desea saber el coste
anual del combustible si se desean obtener 100000 Kw a la salida de la central y la central
funciona las 24 horas del día durante 365 días. Las alternativas son las siguientes:
a). Central de carbón : η = 30%. Precio 120 €/tm. Poder calorífico del carbón 8.000 Kcal/kg.
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LAS ENERGÍAS
Temas 1, 2 y 3
b). Central de fuel-oil : η = 35%. Precio 216 €/tm. Poder calorífico del fuel-oil 12000 Kcal/kg.
c). Central nuclear : η = 40%. Precio del uranio enriquecido 6.000 €/kg. Sólo se transmuta en
energía el 0,05% de la materia.
20. En unos grandes almacenes se necesitan 2.000.000 de Kcal/día. Se dispone de las siguientes
alternativas:
a). Calefacción a carbón:
- Rendimiento de la caldera 80%
- Rendimiento del intercambiador 70%
- Pc = 8.000 Kcal/kg
- 1,2 €/kg de carbón
b). Calefacción a gasóleo:
- Rendimiento del quemador 80%
- Rendimiento del intercambiador 70%
- Pc=16.000 Kcal/kg
- 0,48 €/kg de gasóleo
c). Calefacción eléctrica
- Rendimiento de la instalación 98%
- 0,15 €/Kwh
Halla la alternativa más económica
Problemas 3ª parte
1. Una central hidroeléctrica tiene agua almacenada a 500 m de altura, en relación con la turbina
cayendo cada hora 2m3 /s de agua con un rendimiento de la turbina del 30% y un rendimiento de
los transformadores del 95%.¿Cuál será la energía producida y el coste de ésta si el Kwh vale
0,07 €?
Sol:2.58Kwh,0,19 €
2. Calcula la cantidad necesaria de carbón para calentar 200 l de agua de 10 a 30 grados
centígrados, si el rendimiento de la instalación es del 75% y el calor específico del agua de 1
cal/gr · ºC. Pc del carbón 200 KJ/Kg.
Sol:111,4 Kg
3. Una central nuclear consume al mes 30 Kg de combustible nuclear, del cual sólo el 0.003% se
transforma en energía. El generador de vapor tiene un rendimiento del 65% y la turbina del
30%.Halla los Kwh anuales generados.
Sol:52.650.000 Kwh
4. Para la construcción de una central eléctrica disponemos de las siguientes alternativas; estudiar
cual es la más rentable si queremos obtener 3.600 Kw a la salida de la central y ésta funciona 24
h al día los 365 días del año:
a) Central de carbón: η= 45%.Precio 182 €/Tm . Pc = 7.500 Kcal/Kg
b) Central de fuel-oil: η = 25%.Precio 240 €/Tm. Pc =10.000 Kcal/Kg
c) Central hidroeléctrica: η = 85%.Precio Kwh 0,12 €.
Sol: carbón = 3.506.480 €; fuel-oil = 26.110.971 €; hidro = 44.596512 €.
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LAS ENERGÍAS
5.
Temas 1, 2 y 3
Calcula las dimensiones de un panel solar que calienta una casa con una energía de 32KJ, si el
rendimiento de la instalación es del 45%, la densidad solar de 1.200 W/m2 y el sol calienta una
media de 3h.
Sol:0.005 m2
6. Calcular la potencia que desarrollará un aerogenerador cuya hélice tiene 3 m de radio cuando el
viento sople a 72 Km/h, con un aprovechamiento de 0.2 y un rendimiento del 70%.
Sol: 20.4 Kw
7. Calcular la masa de combustible necesario para generar un aporte energético diario de 100 Kwh
a una fábrica si disponemos:
a) RSU de Pc = 1.000 Kcal/Kg
b) Compostaje de Pc = 4.800 Kcal/Kg
c) Butano de Pc = 11.100 Kcal/Kg
Sol: RSU = 191.38 Kg; compost = 29.9Kg; butano = 891.17 Kg
8. ¿Cuál es el rendimiento de un motor que quema 1 Kg de combustible de Pc = 500 Kcal/Kg y
eleva 4.000 Kg de agua a 40 m de altura.
Sol: 75.3%
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