Unidades y Medidas de Energía

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Unidades y Medidas de Energía
Introducción
La demanda de energía para un determinado proceso de fabricación afecta sustancialmente su
impacto medioambiental. La razon estriba en el hecho de que las emisiones y productos de
desecho generados durante el proceso de obtención de la energía (por ejemplo, al quemar
combustibles fósiles) tienen un gran impacto medioambiental. También es posible encontrar
resíduos nucleares dentro de una reacción no peligrosa en el laboratorio 1. Por esta razón la
disminución del gasto energético es un objetivo importante en las reacciones químicas que se
llevan a cabo en la industria. Teniendo en cuenta la protección del medio ambiente y el
desarrollo sostenible, resulta también un objetivo importante en la enseñanza dentro del
laboratorio.
Para conseguir este objetivo es necesario medir y evaluar el consumo energético con ayuda de
medidas de energía. De esta forma se puede asegurar el progreso en la optimización de la
síntesis. En el laboratorio puede conseguirse fácilmente la medida y evaluación del gasto
energético empleando instrumentos relativamente baratos. A continuación se describen los
métodos y estrategias a seguir para medir el consumo energético.
Medida del Consumo Energético
La energía eléctrica consumida en una transformación puede medirse con un esfuerzo
relativamente escaso. En el mercado existen aparatos para medir el coste real de energía con
una precisión adecuada para el laboratorio. Por ejemplo:
Figura 1: ejemplo de
dispositivo 1
Figura 2: ejemplo de
dispositivo 2
Figura 3: ejemplo de
dispositivo 3
1 La fuente de los resíduos nucleares pued estar en la compra de energía eléctrica. La energía eléctrica puede
generarse en centrales térmicas de carbón, fuel-oil o gas, en nucleares o en hidroeléctricas principalmente.
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Para llevar a cabo estas medidas, es necesario unir previamente al aparato de medida todos los
instrumentos que consumen energía que son utilizados en un único paso de la conversión.
Cuando se emplea más de un instrumento puede utilizarse un conector múltiple al aparato de
medida. Para asegurar que las medidas tomadas en cada caso son comparables con otras es
convenienete poner todos los aparatos en condiciones habituales de funcionamiento antes de
comenzar la medida. Esto significa, por ejemplo, que se ha alcanzado prácticamente la
temperatura adecuada en eun baño de aceite o en un criostato. Es necsario hacer esto porque
evidentemenete el consumo de energía para calentar o enfriar algo depende de la temperatura
inicial. Una vez que todos los dispositivos se encuentran en sus condiciones de trabajo,
puedecomenzarse la medida. Tan pronto como ha finalizado la reacción, puede leerse con
facilidad el consumo de energía que se ha realizado. El consumo de energía puede variar
dependiendo de la persona que lleva a cabo el experimento, los aparatos que emplea y de la
escala del experimento. Por supuesto, para llevar a cabo medidas comparables, no debe
cambiarse nada en el equipo en estudio.
Los medidores de energía normalmente suelen hacerlo en Wh. Usando el factor de conversión
3,6 el valor puede transformarse fácilmente a kJ, unidades del Sistema Internacional. Algunas
características energáticas pueden calcularse a partir del consumo de energía. Estas
características pueden interpretarse para poner de manifiesto puntos de gran consumo
energético durante la síntesis y para indicar posibles vías de optimización.
Unidades de medida energéticas
Las unidades de medida medioambientales se definen de forma análoga a las económicas
como “una variable de relevancia medioambiental que puede dar información en valores
absolutos o relativos sobre algun tema” [1]. Un conjunto de unidades de medida
medioambientales puede ser – al igual que en el caso de las económicas – un instrumento
adecuado para la preparación y procesado de los datos con fines decisorios. Uno de los tipos
de unidades de medida medioambientales son las energáticas. En el contexto de las síntesis
químicas, describen las conexiones entre entre el consumo de sustancias y de energía o la
relación existente
entre el consumo energético de la reacción y el procesado,
respectivamente. Pueden indicar puntos débiles del proceso y pueden usarse para
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optimizaciones de los resultados. La valided de estas medidas radica en la calidad de los datos
obtenidos. Cuanto más exactas sean las medidas llevadas a cabo, mayor significado tendrán y
podrán llevarse a cabo mejoras más eficaces. Por ejemplo, puede considerarse la reacción al
completo, o sólamente el procesado. Cuando se evalúan las mediciones hay que tener en
cuenta que solo se ha considerado el consumo de energía eléctrica. El consumo de energía
primaria, por ejemplo por combustión de combustibles fósiles, es significativamente mayor.
Dependiendo del tipo de central eléctrica puede considerarse hasta un factor 3 para calcular la
energía primaria necesaria.
Eficiencia Energética
La eficiencia energética es la relación entre la energía eléctrica empleada en una síntesis y el
producto aislado de la reacción.
EE =
EE
mproduct
Econsumpt.
m product
E consumpt.
= eficiencia energética [kg/kJ]
= masa de producto obtenido [kg]
= consumo de energía de la síntesis (reacción y procesado) [kJ]
Considerando las cargas medioambientales relativas a la producción de energía, dichas cargas
disminuyen cuando se aumenta la eficiencia energática. Cuando se trabaja con la eficiencia
energética característica hay que tener en cuenta que no deben compararse entre si reacciones
diferentes, ya que pueden tener diferentes consumos energéticos teóricos. Por tanto
únicamente es válido comparar reacciones iguales. La eficiencia energética es una
característica muy tosca, similar a un punto de vista de “caja negra”. En este sentido, sólo es
posible determinar cuando se ha mejorado o no el consumo de energía eléctrica en el contexto
de una síntesis. Para obtener una información más detallada es necesario refinar la
característica.
Gasto energético en la elaboración
La elaboración de una mezcla de reacción es una pate sustancial del trabajo en una síntesis
química. Aparte de las cantidades necesarias de productos, muchas veces elevados en
comparación con la reacción, también suele ser necesario el empleo de una gran cantidad de
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electricidad para el aislamiento y la purificación. La característica “gasto energético en la
elaboración” permite conseguir información sobre la cantidad de energía necesaria por unidad
de producto. Puede calcularse a partir de la relación entre la energía necesaria para la
elaboración y la masa del producto.
AE =
AE
Eproc.
mproduct
E proc.
m product
= gasto energético de elaboración [kJ/kg]
= energía necesaria para la elaboración [kJ]
= masa del producto [kg]
Relación reacción/procesado
La energía que se consume en la reacción y en su elaboración o procesado contribuye en gran
medida al impacto medioambiental total de las reacciones de laboratorio. Es interesante
constatar que en muchas ocasiones el desequilibrio en el consumo de energía reside en la
elaboración. La causa se encuentra en las reacciones paralelas y posteriores, así como en los
catalizadores y disolventes que permanecen en la mezcla de reacción, que a menudo suponen
varios pasos para su separación. Comparando el consumo de energía de la reacción y de la
elaboración posterior es posible conseguir información sobre la cantidad de trabajo necesario
después de la reacción.
E r/p =
Er/p.
Eproc.
Ereaction.
E proc.
E reaction
= relación del consumo energético en la reacción/en la elaboración
= consumo energético de la elaboración [kJ]
= consumo energetico de la reacción [kJ]
Cuanto menor es esta relación mejor es la reacción. Cuanto mayor es la medida, más
necesario resulta optimizar la reacción para simplificar le elaboración posterior
Equivalentes de metano inducidos
La característica “equivalentes de metano inducidos” permite describir la demanda energética
de una reacción y de su elaboración posterior. El principio básico es que la mayor parte de la
energía eléctrica se obtiene en Alemania por combustión de combustibles fósiles. Para
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determinar los equivelentes de metano inducidos se supone que la electricidad se obtiene
quemando únicamente metano (HU2 = 47.5 MJ/kg). Una central eléctrica tipo no funciona con
el método de acoplamiento potencia-calor y proporciona electricidad con una eficiencia del
43%. Se calculan los moles de metano necesarios para proporcionar la energía para la
reacción, en la síntesis o en una visión holístico de la reacción (1 MJ = 3,052 moles de
metano). Por tanto, la energía real no constituye el foco de atención, sino que lo es la reacción
para la producción de la energía en comparación con la síntesis de laboratorio. Esta
suposición pone el énfasis en el significado del consumo de energía para el impacto
medioambiental de las reacciones del laboratorio. Para llevar a cabo reacciones en el
laboratorio, es necsario transformar en energía los combustibles fósiles al mismo tiempo en
otra reacción. La característica “equivalentes de metano KM” se calcula dividiendo el
rendimiento de la reacción en moles por la cantidad de metano calculadae.
KM =
n metano
n producto
KM
= equivalentes energéticos de metano inducido
n metano
= cantidad de metano necesario para el suministro de energía [mol]
n product
= cantidad de producto [mol]
Este tipo de unidades de medida utiliza las unidades de energía eléctrica kJ o Wh (que pueden
resultar algo abstractas para los químicos). Además, la característica nos dice algo sobre la
contribución de la reacción el efecto invernadero antropogénico.
Referencias:
[1] Loew, T., Kottmann, H. 1996. Umweltkennzahlen im Umweltmanagement [On-line].
UMIS-MAGAZIN. http://www.umis.de
2 HU (valor calorífico neto): parte utilizable de la energía generada en una combustión.
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