Introducción a la energíaConceptos básicos 1

Introducción a la energíaConceptos básicos

Sergio García, CIRCE22 de octubre de 2009

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OBJETIVOS

• Conocer los distintos tipos de energía •Saber utilizar las unidades de energía

• Diferenciar entre energía y potencia

• Analizar la situación energética en el mundo, Europa y España

• Conocer las distintas fuentes de energía

• Conocer los factores de emisión de CO2

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ÍNDICE

1.- Conceptos2.- Situación mundial3.- Situación europea4.- Situación en España5.- Fuentes de energía6.- Emisiones de CO2

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CONCEPTOS

Energía Primaria: Es la energía que se obtiene directamente de la naturaleza o mediante procesos de extracción, sin haber sufrido procesos de transformación.

Biomasa, Petróleo, Carbón, Gas, Radiación Solar, Nuclear, Hidráulica, Eólica …

Energía Final: Es la energía que tras haber sido procesada por el hombre es apta para satisfacer sus necesidades.

Gas natural (canalizado), Calor doméstico, Electricidad, Carbón (cada día menos usado en ciudades), Combustibles derivados del petróleo, Biomasa (procesada)

Vector energético: En ocasiones se utiliza este concepto para hablar de la energía que no es almacenable, utilizable o transportable en su forma primaria y que ha de ser transformada en un vector para su posterior uso.

Petróleo Vectores energéticos (Combustibles derivados)

Viento Hidrógeno

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CONCEPTOS

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CONCEPTOS

Ejemplos:

Calefacción de gasoil: Energía primaria Petróleo que se lleva a la refinería

Energía final Calor que procede del radiador

Central térmica: Energía primaria Carbón procedente de la mina

Energía final Electricidad

Planta de cogeneración con gas: Energía primaria Gas

Energía final Calor + Electricidad

Automóvil: Energía primaria Petróleo

Energía final Gasolina

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CONCEPTOS

• Intensidad energética: Es la energía primaria necesaria para producir una unidad del PIB, es decir indica el grado de eficiencia de una nación.La intensidad energética es un indicador asociado al estado de desarrollo sostenible de un país. Los países poco desarrollados o las economías emergentes como China o La India, cuyo mix energético es principalmente con tecnologías contaminantes, presentan intensidades energéticas muy altas.

• Energía eléctrica: No se presenta en la naturaleza de forma útil, es difícil encontrar energía eléctrica como energía primaria (salvo en la tormentas), aún así todavía no es posible aprovecharla.

En cambio su generación es una necesidad …

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CONCEPTOS

Desarrollo Sostenible: aquel desarrollo que satisface las necesidades del presente sin comprometer la capacidad de las generaciones futuras para satisfacer sus propias necesidades.. (Informe Brudtland)

Ejemplos de conducta insostenible:

Utilización de combustibles fósiles

Carbón = para 250 años + emisiones CO2

Petróleo = para 50 años + emisiones CO2

Emisiones de CO2 cambio climático

Mal uso de los recursos hídricos

Contaminación de los ríos

Sobreexplotación de los acuíferos

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CONCEPTOS

La energía tiene las mismas unidades que la magnitud trabajo.

S.I. Julio = Trabajo realizado por la fuerza de 1 Newton cuando se desplaza su punto de aplicación 1 m.

Unidades de Energía: Energía: Es la capacidad de un cuerpo para realizar un trabajo

1kcal = 4,18 kJ

1kWh = 3600 kJ

1th = 1000 kcal

1 tep = 107 kcal

1BTU = 0,2520 kcal

Múltiplos mas usados:

Tera, T (x 10E12) Giga, G (x 10E9) Mega, M (x 10E6) Kilo, K (x 10E3)

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CONCEPTOS

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CONCEPTOS

Unidades de Potencia: Potencia: es la cantidad de trabajo realizado por unidad de tiempo

Unidades:

Vatio (W) = J/s

1CV = 736 W

1 HP = 0,9638 CV

Un poco de visión:

Aerogenerador = antiguos (700 kW), modernos (2000 kW)

Panel fotovoltaico = 50 W – 280 W huertas solares (100 kW – 5000 kW)

Central nuclear = 1000 MW

Central térmica = 300 MW – 500 MW

Central mini hidráulica = 10 MW

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CONCEPTOS

Poder calorífico:

Es la cantidad de energía que una unidad de materia puede desprender al producirse una reacción química de oxidación (combustión)

Se puede decir que esta energía ha sido almacenada en los enlaces químicos de los átomos en las moléculas de combustible y al romper dichos enlaces se libera energía en forma de calor.

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CONCEPTOS

Poder calorífico:

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CONCEPTOS

Poder calorífico:

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SITUACIÓN MUNDIAL

El consumo energético mundial es de 11741 Mtep (2006)

OJO!!! En 1973 el consumo era de 6115 Mtep

Creció 2,4 % (2005) y 4,3 % (2004) OJO! a las economías emergentes

Esta cifra es muy superior a la registrada en el periodo 93-03 = 1,4 % anual

Mas del 80 % de la energía primaria consumida procede de los combustibles fósiles

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SITUACIÓN MUNDIAL

Consumo energía primaria

OCDE; 47,10%

Oriente Medio; 4,50%

Ex URSS; 8,70%

China; 16,20%

Asia; 11,30%

Latino America; 4,50%

Africa; 5,20%

Resto; 2,50%

producción electrica por fuentes

Carbon41,00%

Petroleo5,80%

Gas20,10%

Nuclear14,80%

Hidroelectrica16,00%

Otras2,30%

Casi el 70 % de la producción de energía eléctrica depende de los combustibles fósiles

Entre los países de la OCDE y China consumen mas del 60 % de la energía primaria

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SITUACIÓN MUNDIAL

La demanda energética mundial creció 2,4 % en 2005

Este crecimiento fue de un 4,3 en 2004

El medio anual de los 10 años anteriores fue de 1,4 %

El aumento del consumo energético China llegó a alcanzar el 15 % del consumo energético mundial

Se proyecta llegar a las 17.690 Mtep en el 2030 (esto es un incremento del 57 % desde 2004)

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SITUACIÓN MUNDIAL

Producción mundial vs. Tiempo. Fuente: ASPO, 2005

La demanda de petróleo crecerá más de un tercio sobre la actual en 2030

Implicará un aumento de los precios del crudo

Podrá ocasionar problemas de abastecimiento

Y por si fuera poco problemas medioambientales (eso si es un problema)

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SITUACIÓN EUROPA

Europa es muy dependiente de los combustibles fósiles:

1995 83% a 2005 79%

Importante aumento del uso del gas en la última década

En los últimos años las energías renovables tienen la mayor tasa de crecimiento (3,4%)

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SITUACIÓN ESPAÑA

Energía primaria procedente de combustibles fósiles representa el 81,7%

A su vez España tiene una dependencia energética del 79,1%

Importante incremento del uso de gas natural

Descenso del uso del carbón

Las EERR también están incrementando su aportación (eólica…)

ENERGÍA PRIMARIA

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SITUACIÓN ESPAÑABALANCE ENERGÉTICO

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SITUACIÓN ESPAÑA

La electricidad representa el 22% de la energía final consumida

El 53% de la energía final consumida se debe a los productos petrolíferos

USO DE LA ENERGÍA FINAL

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SITUACIÓN ESPAÑA

Los tres principales consumidores de energía final son:

- Transporte (el 15% corresponde al uso privado del coche)

- Industria

- Hogar (sumando el 15% del coche, le corresponde un 32%)

USO ENERGÍA FINAL POR SECTORES

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SITUACIÓN ESPAÑA

La energía eólica le corresponde un 10,48%

La energía hidráulica de grandes presas le corresponde un 7,5%

El resto corresponde a minihidráulica, fotovoltaica, biomasa…

Importante aumento del uso del gas debido a su mayor eficiencia

Disminución del uso del carbón

MIX GENERACIÓN ELÉCTRICO 2008

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SITUACIÓN ESPAÑA

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SITUACIÓN ESPAÑA

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¿QUÉ HACER?

Reducir en el mix energético la presencia de los combustibles fósiles Recuerda (81%)

Mayor participación de las EERR (régimen especial)

Eficiencia Energética ¿Qué es la eficiencia?

Pero sobre todo Reducir el consumo

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FUENTES DE ENERGÍA

Se dividen en fuentes de energía renovable y no renovable

Fuentes no renovables Combustibles fósiles (carbón, petróleo y gas) y nuclear

Fuentes renovables Eólica, fotovoltaica, solar térmica, hidráulica, biomasa, geotérmica…

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FUENTES DE ENERGÍA

Fuente de energía no renovable y origen fósil

Reservas probadas para 250 años a esta velocidad de consumo

Las principales reservas se encuentran en EEUU, Rusia y China

Se aprovecha principalmente en centrales térmicas mediante su combustión, el calor liberado lo cede a un ciclo de vapor (ciclo Rankine) el cual pasa a través de una turbina generando electricidad.

La eficiencia de estas centrales es aproximadamente un 35%

Contaminación: emisión de CO2, partículas, SO2…

CARBÓN

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FUENTES DE ENERGÍA

Fuente de energía no renovable y origen fósil

Reservas probadas para 80 años a esta velocidad de consumo

Las principales reservas se encuentran en Rusia, Irán y Qatar

El gas se quema en la cámara de combustión y los gases a alta presión y temperatura mueven una turbina de gas creando electricidad. Si los gases calientes de escape se utilizan para producir vapor mediante un ciclo Rankine, entonces se habla de ciclo combinado donde se produce electricidad mediante una turbina de vapor (ciclo Rankine) y una turbina de gas (ciclo Brayton)

La eficiencia de las centrales de ciclo combinado es aproximadamente 55%

GAS

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FUENTES DE ENERGÍAGAS. CICLO COMBINADO

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FUENTES DE ENERGÍACOGENERACIÓN

Consiste en la producción de energía térmica y energía eléctrica conjuntamente.

Este tipo de generación se da en industrias con altos consumos de electricidad y calor

Estas plantas suelen ser de autoconsumo, aunque también pueden vender a la red la electricidad generada y aprovechar la energía térmica para consumo en los procesos de la planta

Las plantas de cogeneración tienen eficiencias aproximadas al 75%

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FUENTES DE ENERGÍACOGENERACIÓN

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FUENTES DE ENERGÍA

Fuente de energía no renovable y origen fósil

Reservas probadas para 40 años a esta velocidad de consumo

Las principales reservas se encuentran en Arabia Saudí, Irak, Kuwait

Es una mezcla heterogénea de compuestos orgánicos, principalmente hidrocarburos insolubles en agua. Dichos compuestos se separan en una columna de destilación gracias al diferente punto de ebullición de los compuestos que lo forman

A partir del petróleo se obtienen los principales combustibles líquidos: gasolina, gasóleo, keroseno…

Gran problema: emisión de gases de efecto invernadero (CO2) debido a su combustión

PETRÓLEO

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FUENTES DE ENERGÍA

Fuente de energía no renovable a partir de uranio

Reservas probadas para 100 años a esta velocidad de consumo

Las principales reservas se encuentran en Canadá, EEUU y Kazakhstan

Se realizan reacciones fisión nuclear: un átomo pesado se divide en partes más pequeñas liberando una gran cantidad de energía. El calor liberado es captado por un ciclo Rankine que mueve una turbina de vapor.

La energía nuclear no tiene emisiones de CO2 (excepto las originadas en la extracción del uranio y su transporte), pero presenta un gran peligro potencial debido a la generación de residuos radiactivos

NUCLEAR

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FUENTES DE ENERGÍAEÓLICA

¿Qué es?Aprovechamiento de la energía que poseen las masas de aire en movimiento, es decir, el viento.Una instalación eólica está constituida por un conjunto de equipos necesarios par transformar la energía del viento en energía útil, disponible para utilizarla.Si se usan para producción de energía eléctrica reciben el nombre de aerogeneradores.

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FUENTES DE ENERGÍAEÓLICA

Funcionamiento básico de un aerogenerador:

El viento, al hacer girar las palas del rotor, genera una energía cinética que se transmite, a través del eje principal, al alternador cobijado en la góndola.

Se genera una corriente eléctrica que es transmitida mediante cables conductores a un centro de control donde se almacena en acumuladores, se distribuye a los centros de consumo o se evacua hacia la red de transporte de energía eléctrica.

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FUENTES DE ENERGÍAHIDROELÉCTRICA

Las instalaciones hidroeléctricas consisten en aprovechar o provocar que un determinado caudal de agua tenga que salvar una notable diferencia de nivel en un corto recorrido, empleando la energía potencial de esta caída.La energía cinética que se obtiene en la turbinas hidráulicas se emplea en generar energía eléctrica que se cede a la red.

Central hidroeléctrica: Conjunto de instalaciones necesarias para transformar la energía potencial de un salto de agua

en energía eléctrica disponible

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FUENTES DE ENERGÍASOLAR

B. Energía solar fotovoltaica:B. Energía solar fotovoltaica:Aprovechamiento de la energía lumínica que proviene del sol

para transformarla en energía eléctrica

A. Energía solar térmicaA. Energía solar térmicaAprovechamiento térmico de la radiación solar para

calentar un fluido útil directa o indirectamente.

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FUENTES DE ENERGÍASOLAR TÉRMICA

El aprovechamiento térmico de la radiación solar se puede realizar de dos formas diferentes:

Los sistemas solares pasivos evitan pérdidas e incluso consiguen ganancias considerables de energía térmica poniendo en juego técnicas constructivas basadas en el arte de edificar, aislar y orientar bien las viviendas. (Arquitectura Bioclimática)

Los sistemas solares activos, llamados así para distinguirlos de los anteriores, se diseñan para aprovechar el efecto térmico de la radiación solar, produciendo una transferencia energética para conseguir agua caliente sanitaria, calefacción o vapor para expandirlo en una turbina, utilizando la energía solar como único combustible. (Colectores solares)

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FUENTES DE ENERGÍASOLAR TÉRMICA ACTIVA

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FUENTES DE ENERGÍASOLAR TÉRMICA ACTIVA

Elementos de una instalación:Colector solar

Subconjunto de almacenamiento: Será el encargado de almacenar la energía captada en los colectores hasta que sea destinada a su uso.

Depósito acumulador

Intercambiador

Sistema auxiliar: Es el encargado de suplir la energía necesaria para el consumo y que no ha sido suministrada por el sistema solar

Aplicaciones

Producción de Agua Caliente Sanitaria Climatización de piscinas Producción de Agua Caliente para procesos industriales y agrícolas

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FUENTES DE ENERGÍASOLAR TÉRMICA ACTIVA

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FUENTES DE ENERGÍASOLAR TÉRMICA PASIVA

Los Sistemas Pasivos serán aquellos en los que la relación entre la Arquitectura y el entorno es directa. Se capta la energía solar, se almacena y se distribuye de forma natural sin mediación de elementos mecánicos, e igualmente utiliza procedimientos de ventilación natural. Como puede verse en la figura, no existe ningún elemento que se interponga en el intercambio de energía entre el edificio y el ambiente.

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FUENTES DE ENERGÍASOLAR FOTOVOLTAICA

Principio de funcionamiento:La conversión fotovoltaica se basa en el efecto fotoeléctrico, es decir, en la conversión de la energía lumínica proveniente del sol en energía eléctrica.

Para llevar a cabo esta conversión se utilizan unos dispositivos denominados células solares, constituidos por materiales semiconductores en los que artificialmente se ha creado un campo eléctrico constante. El material más utilizado es el SilicioEstas células conectadas en serie o paralelo forman un panel solar encargado de suministrar la tensión y la corriente que se ajuste a la demandaRendimiento max = 23%; Rend med =13-16%

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FUENTES DE ENERGÍABIOMASA

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FUENTES DE ENERGÍABIOMASA

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FUENTES DE ENERGÍABIOMASA. BIOCARBURANTES

BIOACEITES:

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FUENTES DE ENERGÍABIOMASA. BIOCARBURANTES

BIOALCOHOLES:

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FUENTES DE ENERGÍAOTRAS

Geotérmica: Aprovechamiento del calor acumulado en la corteza terrestre. Existen zonas de la tierra donde el gradiente térmico es de 100º a 200º por km.

Usos: Balnearios

Maremotriz: Aprovechamiento de la energía potencial del agua del mar debido al efecto de las mareas.

Utilización: Producción de energía eléctrica

Mareomotriz: Aprovechamiento de la energía cinética de las olas mediante mecanismos biela-manivela.

Utilización: Producción de energía eléctrica

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EMISIONES DE CO2

Las energías renovables se consideran que tienen cero emisiones de CO2, únicamente se les puede asociar un mínimo debido al transporte, construcción de las centrales y materiales empleados

10 MW eólicos evitan la emisión de 22.500 Tn de CO2 anuales

Un colector solar de 2 m2 evitaría la emisión de 1 Tn de CO2 al año.

En el uso de la biomasa se supone que las emisiones son cero debido a que el CO2 emitido a la atmósfera es el mismo que la planta fijó durante su crecimiento.

Las emisiones de CO2 de los biocarburantes se reducen en casi un 80% en comparación con los carburantes procedentes del petróleo, además de reducirse también las emisiones de CO2, hidrocarburos inquemados y las de partículas

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EMISIONES DE CO2

Las emisiones de CO2 se debe al consumo de energía de origen fósil

Origen del kWh Eficiencia (%)Emisión CO2

(kgCO2/kWhelec)

Carbón 34 1Cogeneración de carbón 46 0,5Turbina de gas 75 0,5Ciclo combinado gas 42 0,4Cogeneración gas 55 0,2Mix energético 2008 90 0,4

Origen del kWhEmisión CO2

(kgCO2/kWhterm)

Electricidad 0,45Gas natural 0,22LPG 0,24Carbón 0,35Gasoil 0,28

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