La Energía. Curso: 1º de Bachillerato

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1 Las La Energía Curso: 1º de Bachillerato

2 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). En la que: E c = 2 1 m v 2 donde: E c = energía cinética, en J m = masa, en Kg v = velocidad, en m/s E m = E C + E P E p = m g h Donde: E p = energía potencial, en J m = masa, en Kg g = aceleración de la gravedad = 9,81 m/s 2 h = altura del cuerpo, en m 1

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. Donde: E e = energía eléctrica, en J E e = P t = V I. T = I 2 R. t P = potencia eléctrica, en w T = tiempo, en s La energía eléctrica se expresa en Kwh. 1 Kwh = W s = J V = voltaje, en V I = intensidad de corriente, en A R = resistencia eléctrica, en W (V = I R, Ley de Ohm) 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 (t f -. t i ) 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 Q = cantidad de calor, en Kcal c = calor específico, en Kcal/Kg ºC t f, t i = temperaturas final e inicial, en ºC m = masa, en Kg 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. (t f t i ), 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

4 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 = P c 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 = P c V ; donde V es el volumen en m 3 y P c es el poder calorífico en Kcal/m 3. Para combustibles gaseosos el valor de P c 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: P c(real) (Kcal/m 3 ) = P c p [273/(273 + t) ] T = temperatura del combustible, en ºC p = presión del combustible en el momento de su uso, en atm. P c = poder calorífico del combustible en condiciones normales, en Kcal/m 3 (ver tabla). Ejemplos: 1º. Calcular la energía liberada al quemar 5 Kg de madera. Solución: El P c de la madera es Kcal/kg Q = P c m = = Kcal. 2º. Determina la energía total obtenida al quemar 2 m 3 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) = ,5 273 = Kcal/m La cantidad de calor obtenida: Q = P c V = = 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

5 E = m c 2 E = energía producida (en forma de calor) en Julios. m = masa desintegrada, en Kg. C = velocidad de la luz ( m/s), en m/s = 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 = Kg. E = m c 2 = 0,001 ( ) 2 = J = w s = w s h 3.600s = Kwh Experimentalmente se ha comprobado que la energía liberada por cada gramo de uranio consumido (transformado) es de Kwh Luego, el rendimiento de las instalaciones nucleares es: Kw w η = E E u s = = 0,0008 = 0,08% 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

6 En términos matemáticos se puede expresar: E = E f E i = Q W E = variación de energía interna en el sistema. E f y E i = 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 = Energía obtenida Energía su min istrada = Energía útil Energía su min istrada = E E u 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, Eólica, Biomasa, RSU, Geotérmica, Hidrotérmica, Maremotriz, y De las olas). 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

7 7. Producción de energía eléctrica. Centrales eléctricas La producción de energía eléctrica en España en el año se puede ver en la tabla siguiente: PRODUCCIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA (GWh) % del total Térmica ,2 Nuclear ,4 Hidroeléctrica ,4 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

8 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 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 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. 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. 7

9 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 233 U, 235 U 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. 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. 8

10 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. 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 V. La salida del alternador va unida a un transformador que eleva la tensión a 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. 9

11 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 Características de la energía hidroeléctrica: turbina alternador transformador Aspectos positivos No contamina Es barata Escaso mantenimiento Aspectos negativos Hace de barrera arquitectónica para la fauna y la flora de la zona. Puede alterar los ecosistemas y el microclima. 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: P = t 1 F e m g h = 2m v 2 = = ; v = 2 g h; v = 2g h t t t W 2 Kg kg δ agua = 1 3 = dm m ; δ = V m ; m = δ V m P = 2 v δ V 2 g h = = 9, Q h 2 t 2 t Donde : P = potencia, en KW; Q = caudal, en m 3 /s y h = altura, en m. La fórmula de la energía hidráulica es: E h = 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: w p S e V P = ; w = F e ; F = p S P = = p = Q p [Kgm/s] = 9,8 Q p [w] t t t 10

12 Q, en m 3 /s y p, en Kg/m 2 Ejemplos: 1º. Calcula la potencia real de una central hidroeléctrica, en Kw, sabiendo que el salto de agua es de 90 m y el caudal 6 m 3 /s. La turbina empleada es Kaplan. Solución: Comprobamos que todos los datos estén en el Sistema Internacional (/SI). La potencia teórica es P t = P s = 9,8 Q h = 9, =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 = P r /P t Despejando la potencia real es: P r = η P t =0,94 5,292 = KW 2º. En una central hidroeléctrica se sabe que el caudal que atraviesa la turbina es de 5 m 3 /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 = m v t δ V v = 2 t 3 V 10 = p = t 2 Q v Q v [ W ] = [ KW ] P = 250KW 2 = = P s = P t η = 0,4 0,8 0,9 = 0,288; η = P u ; P s P u = 0, = 72 KW 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). 11

13 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 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 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 hubo una potencia instalada de Kw, pudiéndose alcanzar en breve plazo los 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

14 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: E c = ½ m v 2 =1/2 δ S v t. v 2 = ½ δ S t. v 3 E c = ½ δ S t. v 3 Dividiendo la energía cinética por el tiempo empleado en atravesar el tubo de aire, obtenemos la potencia que posee el viento; P viento = E c /t = ½ δ S v 3 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 = E u P = útil ; Pútil = η ½ δ S v 3 E c P viento 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. 13

15 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 = W/m 2 S Ejemplos: 1. Justifica mediante la densidad de potencia si un viento de 36 Km/h es eficaz para utilizar un aerogenerador tripala de perfil aerodinámico. La densidad del aire es 1,293 Kg/m 3 ). Una máquina eólica sólo es rentable con densidades de potencia iguales o superiores a W/m 2. Solución: P/s = ½ δ v 3 = 1, m s = 6,46 W/m 2 No es rentable 2. Determina la potencia de un viento de 60 Km/h que actúa sobre las hélices de una aeroturbina que tiene una superficie de 1,25 m 2 por pala. El número de palas es tres. Solución: Pasamos unidades al Sistema Internacional (SI): v = 60 Km/h = /3.600 m/s = 16,66 m/s La densidad del aire es: δ = 1,225 Kg/m 3 La superficie total sobre la que actúa el viento es: S = 3 palas 1,25 m 2 / pala = 3,75 m 2 La potencia del viento será: P viento = ½ δ S v 3 =1/2 1,225 3,75 16,66 3 = 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

16 P útil = P u = η ½ δ S v 3 = η P viento = 0,55 10,633 KW La energía obtenida será: E = P útil 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 voltios., 2. Al salir de las centrales eléctricas, se eleva la tensión de la corriente hasta 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

17 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 (tiempo diario) Potencia Eléctrica (W) Coste típico 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) ,35 Lavavajillas (1,5 h) ,67 Lavadora (1,75 h) ,07 Plancha (1 h) ,86 Radiador (3 h) , 20 Cocina eléctrica (2 h) , 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

18 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 más del 90 por 100 de la energía consumida a nivel mundial provenía del carbón. La producción anual fue de millones de Tm. 4. A partir de 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

19 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 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

20 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 (CO 2 ). Ello hace que los rayos entren en la atmósfera atravesando el CO 2 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

21 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 (CH 4 ), etano (C 2 H 6 ), propano (C 3 H 8 ) y butano (C 4 H 10 ). 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 (H 2 ) 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 y Kcal/m 3 en condiciones normales. Su combustión es poco contaminante ya que el porcentaje de azufre es muy bajo, generando CO 2 y H 2 O. 13. Energías alternativas Desde la primera crisis del petróleo en 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

22 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 Solar Tipo de energía obtenida Térmica Térmica Térmica Eléctrica fotov. Térmica Máquina empleada Colectores Hidrostatos Colectores c.p. Placa solar Horno solar Eólica Eléctrica Turbina Eólica Biomasa Química Térmica Cuba Fermentación. Horno Características Calor para calefacción, agua caliente,... Caldera agua Electricidad Tubería agua Electricidad Células solares Electricidad Temperaturas ºC Se obtiene de la energía cinética del viento Se obtiene biogás Materia orgánica. se quema Calor RSU Térmica Horno Se quema Calor Geotérmica Térmica Eléctrica Radiador Central geotérmica. Maremotriz Eléctrica Turbinas De la olas Eléctrica Pato Salter Boya de Masuda Cilindro de Bristol Hidrotérmica Eléctrica Turbinas Energías en forma de calor que procede del interior de la Tierra. Aprovecha la energía potencial del agua de las mareas, debida a la diferencia de alturas entre pleamar y bajamar. Energía debida al movimiento de las olas. 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. 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

23 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 cm 2. 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 cm 2. 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 mantiene constante e igual a : K = 0,9 cal/min cm 2. La superficie expuesta al sol es : S = 300 x 200 cm = cm 2. El valor de Q = 0, = cal = 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. 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. 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

24 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 P c = Kcal/Kg, si el grado de humedad es del 53%. Solución: La fórmula es Q = P c m = Kcal/Kg 5 Kg = Kcal. A un grado de humedad del 53 % le correspondería un rendimiento del 65 %. Q real = Q 0,65 = ,65 = 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, CO 2, H 2. A esta mezcla se le denomina gas pobre. Para obtener este gas se deberá elevar la temperatura del horno entre 700 y ºC. El poder calorífico está comprendido entre y 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 H 2, CO 2 e hidrocarburos. Líquidos: hidrocarburos complejos de carácter oxigenado (alcoholes). Sólidos: carbón y alquitrán. 23

25 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 Kcal/m 3. 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 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 aumenta 3 ºC X m para aumentar 90 ºC X = 9.000/3 = 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

26 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 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 CO 2 a la atmósfera. 25