La energía es una magnitud física que asociamos con la capacidad que tienen los cuerpos para producir trabajo mecánico, emitir luz, generar calor, etc. En todas estas manifestaciones hay un sustrato común, al que llamamos energía, que es propio de cada cuerpo (o sistema material) según su estado físico-químico, y cuyo contenido varía cuando este estado se modifica.
En física la energía es uno de los conceptos básicos debido a su propiedad fundamental: La energía total de un sistema aislado se mantiene constante. Por tanto en el universo no puede existir creación o desaparición de energía, sino transferencia de un sistema a otro o transformación de energía de una forma a otra.
La energía es, por lo tanto, una magnitud física que puede manifestarse de distintas formas: potencial, cinética, química, eléctrica, magnética, nuclear, radiante, etc., existiendo la posibilidad de que se transformen entre sí pero respetando siempre el principio de la conservación de la energía.
UNIDADES SE USAN PARA MEDIR LA ENERGÍA
Si la energía que posee un cuerpo se pone de manifiesto realizando un trabajo, el valor de este trabajo será una medida de la energía que posee. Si por el contrario hemos realizado un trabajo sobre un cuerpo y éste lo ha almacenado en forma de energía, la medida del trabajo realizado sobre el cuerpo nos dará el valor de la energía que permanece de forma latente en el cuerpo. Por todo ello la energía liberada o acumulada tendrá las mismas unidades que la magnitud trabajo.
En el Sistema internacional de unidades (SI) la unidad de trabajo y de energía es el julio (J) definido como el trabajo realizado por la fuerza de 1 newton cuando desplaza su punto de aplicación 1 metro.
En física nuclear se utiliza como unidad el electronvoltio (eV) definido como la energía que adquiere un electrón al pasar de un punto a otro entre los que hay una diferencia de potencial de 1 voltio.
Su relación con la unidad del SI es:
1 eV = 1,602 x 10-19 J
Para la energía eléctrica se emplea como unidad de producción el kilovatio-hora (kW – h)* definido como el trabajo realizado durante 1 hora por una máquina que tiene una potencia de 1 kilovatio.
Su equivalencia con la unidad del SI es:
1 kWh = 36 x 105 J
Para poder evaluar la calidad energética de las distintas fuentes de energía se establecen unas unidades basadas en el poder calorífico de cada una de ellas. Las más utilizadas en economía energética son kcal/kg, tec y tep.
kcal/kg aplicada a un combustible nos indica el número de kilocalorías que obtendríamos en la combustión de 1 kg de ese combustible.
1 kcal = 4,186 x 103 J
tec: tonelada equivalente de carbón. Representa la energía liberada por la combustión de 1 tonelada de carbón (hulla).
1 tec = 29,3 x 109 J
tep: tonelada equivalente de petróleo. Equivale a la energía liberada en la combustión de 1 tonelada de crudo de petróleo.
1 tep = 41,84 x 109 J
Relación entre estas unidades:
1 tep = 1,428 tec
LA POTENCIA
Al trabajo realizado por un sistema en la unidad de tiempo se le llama potencia. Su unidad en el sistema internacional (SI) es el vatio, definido como la potencia de una máquina que realiza el trabajo de 1 julio en el tiempo de 1 segundo. Su símbolo es W Con frecuencia se utilizan múltiples de esta unidad.
Son el kilovatio (kW) y el caballo de vapor (CV ó HP)
1 kW = 103 W
1 CV ó HP = 735,5 W
1 MeV · s-1 = 1,602 X 10-13 W
CLASIFICACION DE LAS FUENTES DE ENERGÍA
Para clasificar las distintas fuentes de energía se pueden utilizar varios criterios:
- a) Según sean o no renovables.
- b) Según la incidencia que tengan en la economía del país.
- c) Según sea su utilización.
- a) Llamaremos fuentes de energía renovables a aquéllas cuyo potencial es inagotable por provenir de la energía que llega a nuestro planeta de forma continua como consecuencia de la radiación solar o de la atracción gravitatoria de otros planetas de nuestro sistema solar. Son la energía solar, eólica, hidráulica, maremotriz y la biomasa.
Las fuentes de energía no renovables son aquéllas que existen en una cantidad limitada en la naturaleza. No se renuevan a corto plazo y por eso se agotan cuando se utilizan. La demanda mundial de energía en la actualidad se satisface fundamentalmente con este tipo de fuentes. Los más comunes son carbón, petróleo, gas natural, uranio e hidrógeno (éstas utilizadas en fisión y fusión nuclear respectivamente).
- b) Si atendemos al segundo criterio de clasificación, llamaremos fuentes de energía convencionales a aquéllas que tienen una participación importante en los balances energéticos de los países industrializados. Es el caso del carbón, petróleo, gas natural, hidráulica, nuclear.
Por el contrario se llaman fuentes de energía no convencionales, o nuevas fuentes de energía, a las que por estar en una etapa de desarrollo tecnológico en cuanto a su utilización generalizada, no cuentan con participación apreciable en la cobertura de la demanda energética de esos países. Es el caso de la energía solar, eólica, maremotriz y biomasa.
- c) Según sea su utilización las fuentes de energía las podemos clasificar en primarias y secundarias. Las primarias son las que se obtienen directamente de la naturaleza, como ejemplo tenemos el carbón, petróleo, gas natural. Es una energía acumulada. Las secundarias, llamadas también útiles o fínales, se obtienen a partir de las primarias mediante un proceso de transformación por medios técnicos. Es el caso de la electricidad o de los combustibles.
LA ENERGÍA HIDRÁULICA Y CÓMO SE APROVECHA
Podemos considerar la energía hidráulica como la energía que se obtiene a partir del agua de los ríos. Es una fuente de energía renovable.
De forma indirecta tiene al Sol como origen. El calor evapora el agua de los mares formando las nubes, que a su vez se transformarán en lluvia o en nieve, asegurando así la perennidad del ciclo.
El mayor aprovechamiento de esta energía se realiza en los saltos de agua de las presas. El agua se encuentra generalmente retenida en los embalses o pantanos. Estos son unos grandes depósitos que se forman, generalmente, de manera artificial, cerrando la boca de un valle mediante un dique o presa en el que quedan retenidas las aguas de un río. Esta agua almacenada puede ser utilizada posteriormente para el riego, abastecimiento de poblaciones o para la producción de energía eléctrica en una central hidroeléctrica.
La mayoría de las presas hidráulicas se destinan a la producción de energía eléctrica. Los países con gran potencial hidráulico obtienen la mayor parte de la electricidad en centrales hidráulicas por sus grandes ventajas, entre ellas la de ser un recurso inagotable que se renueva de forma gratuita y constante en la naturaleza, pudiéndose aprovechar el excedente para otros fines.
Pero también presenta inconvenientes. No es posible hacer predicciones, puesto que dependen de la hidraulicidad anual, y los años de sequía o lluviosos no es algo sobre lo que el hombre pueda incidir. Los emplazamientos hidráulicos suelen estar lejos de las grandes poblaciones, por lo que es necesario transportar la energía eléctrica producida a través de costosas redes. Otro aspecto poco favorable es el efecto negativo que puede tener la creación de un embalse sobre el entorno, con problemas de alteración de cauces, erosión, incidencias sobre poblaciones, pérdida de suelos fértiles, etc.
Estos inconvenientes, unidos a las grandes inversiones necesarias en este tipo de centrales, y a la cada vez más difícil localización de emplazamientos son los que impiden una mayor utilización de esta fuente energética. Sin embargo la energía hidráulica sigue siendo la más empleada entre las fuentes de energía renovables para la producción de energía eléctrica.
LA ENERGÍA SOLAR Y COMO SE APROVECHA
Energía solar es la energía que llega a la Tierra en forma de radiación electromagnética procedente del Sol, en donde es generada por un proceso de fusión nuclear.
En el Sol se producen constantemente reacciones de fusión: los átomos de hidrógeno se fusionan dando lugar a un átomo de helio, liberando una gran cantidad de energía. De ésta sólo una pequeña parte llega a la Tierra, pues el resto es reflejado hacia el espacio exterior por la presencia de la atmósfera terrestre.
La energía solar llega a la superficie de la Tierra por dos vías diferentes:
Incidiendo en los objetos iluminados por el Sol (radiación directa),
Por reflexión de la radiación solar absorbida por el aire y el polvo atmosférico (radiación difusa).
La primera es aprovechable de forma directa, Los colectores planos y las células fotovoltaicas aprovechan la segunda, en alguna medida.
Las ventajas de la energía solar son:
Es inagotable a escala humana y no contaminante.
Mediante procesos convenientes de concentración pueden alcanzarse con ella temperaturas hasta 3.000 ºC, que en principio permiten poner en marcha ciclos termodinámicos de alto rendimiento.
Los inconvenientes de esta fuente de energía son:
No puede ser almacenada, por lo que tiene que ser transformada inmediatamente en otra forma de energía (calor, electricidad, biomasa).
Su aprovechamiento exige disponer de sistemas de captación de grandes superficies y algunos de sus principales componentes son muy caros.
Es discontinuo y aleatoria.
Por tanto la energía solar que llega a la Tierra es gratuita, pero su transformación en energía útil es muy costosa y, en muchos casos, está en fase de experimentación.
El aprovechamiento de la energía solar puede hacerse por dos vías: térmica y fotovoltaica.
- A) Vía térmica: Transforma la energía proveniente del Sol en energía calorífica. Esta transformación puede darse a baja, media y alta temperaturas.
Transformación a baja temperatura: Se emplea generalmente para calefacción doméstica, climatización de locales, calentamiento de agua en hospitales, piscinas… Es necesario captar la energía solar, para lo que se dispone de una serie de colectores que absorben la radiación solar y la transmiten en forma de calor para alimentar el sistema de calefacción.
Estos sistemas aprovechan la energía solar a temperaturas que oscilan entre 35QC y 90@C y su rendimiento es superior al 50%.
Instalaciones a medía temperatura: En estas instalaciones las temperaturas que se obtienen oscilan entre 90 ºC y 200 ºC, para lo que es necesario captar la energía solar y concentrarla mediante dispositivos especiales: El rendimiento en estos casos es del 60%.
Estas instalaciones constan de un conjunto de colectores de concentración de distintas formas:
- a) Cilíndrico-parabólica: recogen la energía solar y la transmiten a un fluido (aceite térmico) en forma de calor.
- b) Heliostatos: formados generalmente por espejos orientables de forma que la radiación incidente sea reflejada en un punto fijo.
Las aplicaciones de este tipo de instalaciones son fundamentalmente industriales. El principal inconveniente es que utilizan sólo la radiación directa del Sol, pero no la difusa.
Instalaciones a alta temperatura: son las centrales termoeléctricas. La temperatura alcanzada es superior a 200 ºC. Están formadas por una amplia superficie de heliostatos sostenidos por soportes que reflejan la radiación solar y la concentran en un pequeño punto receptor. El receptor transmite la radiación solar en forma de calor a un fluido (agua, aire, metales líquidos) que circula por un circuito primario. Este es enviado a un generador de vapor que convierte en vapor el agua que circula por un circuito secundario, la cual pone en movimiento un grupo turbina-alternador produciendo energía eléctrica.
El rendimiento de estas instalaciones es aproximadamente del 20%.
- B) Conversión fotovoltaica: Los sistemas solares fotovoltaicos están formados por un conjunto de células solares o fotovoltaicas dispuestas en paneles que transforman directamente la energía solar en energía eléctrica.
La luz solar transporta la energía en forma de un flujo de fotones. Cuando estos fotones inciden en determinado tipo de materiales y bajo ciertas condiciones, provocan una corriente eléctrica. Es lo que se conoce como efecto fotovoltaico.
Las células solares o fotovoltaicas son pequeños elementos fabricados con un elemento cristalino semiconductor, silicio-germanio (Si-Ge). Al incidir sobre ellas, los fotones producen un movimiento de electrones en el interior de la célula y aparecen entre sus extremos una diferencia de potencial que los convierte en un pequeño generador eléctrico. El coste de estas células es muy elevado y el rendimiento es del 15 al 25%.
El desarrollo de estos sistemas está ligado a la técnica de los satélites artificiales. En una primera etapa, debido a la fiabilidad de su funcionamiento, su reducido peso y sus escasas necesidades de funcionamiento, estos sistemas fueron utilizados para cubrir las necesidades energéticas de los satélites.
LA ENERGÍA EÓLICA Y CÓMO SE APROVECHA
La energía eólica es la energía producida por el viento. Fue una de las primeras fuentes de energía utilizada por el hombre. Los barcos de vela y los molinos de viento son las primeras manifestaciones del aprovechamiento energético de la energía eólica.
Esta fuente de energía presenta las ventajas y los inconvenientes de la energía solar: es inagotable, limpia, no contaminante y, una vez hecha la instalación para su captación, gratuita, Pero al mismo tiempo es dispersa, intermitente y se presenta de forma irregular en cuanto a su intensidad. Además, el viento presenta otros problemas específicos. A medida que aumenta la intensidad del mismo se incrementan los problemas en las instalaciones: corrosión, erosión, esfuerzo sobre la estructura y necesidad d e que la parte móvil se oriente hacia el viento, factores que hay que tener muy en cuenta al realizar el diseño de las máquinas eólicas.
En la actualidad se utiliza para accionar molinos industriales, bombas y pequeñas dinamos. Existen también sistemas de transformación de energía eólica en energía eléctrica, aunque están en fase experimental y el rendimiento obtenido es muy pequeño en relación a la producción.
LA ENERGÍA BIOMÁSICA Y CÓMO SE PUEDE APROVECHAR
Es la energía que se puede obtener de los compuestos orgánicos formados por procesos naturales. Es lo que comúnmente se llama biomasa.
La energía de la biomasa se puede conseguir fundamentalmente:
Estableciendo determinados cultivos que puedan transformarse posteriormente en combustible.
Aprovechando residuos forestales, agrícolas y domésticos, transformándolos después en combustible (biomasa residual).
Transformando química o biológicamente ciertas especies vegetales para convertirlas también en combustible (metanol y etanol).
La biomasa residual ofrece grandes perspectivas en cuanto a su aprovechamiento energético ya que se produce de forma continua como consecuencia de la actividad humana. La eliminación de residuos naturales constituye normalmente un problema cuya solución requiere grandes desembolsos. El aprovechamiento energético de los residuos, además de proporcionar energía, ahorrará los costes de su eliminación, aunque no hay que olvidar que su recogida, generalmente en terrenos difíciles, implica también considerables inconvenientes.
LA ENERGÍA GEOTÉRMICA Y CÓMO SE APROVECHA
La energía geotérmica ha sido utilizada por el hombre desde los tiempos más remotos. Podemos considerarla como la energía que encierra la Tierra en forma de calor y que ha sido producida fundamentalmente en la desintegración de las sustancias radiactivas de su núcleo. Este calor tiende a difundirse en el interior hasta escapar por la superficie de la corteza terrestre. Esta cantidad de calor sería suficiente para cubrir las necesidades mundiales de energía si pudiera aprovecharse. Pero como esto no es posible, hemos de intentar mejorar el aprovechamiento de este calor profundizando en la Litosfera.
La temperatura se distribuye de forma irregular según las zonas de la corteza terrestre. Las bolsadas de magma que proceden de las zonas más profundas se desplazan hacia zonas de menor presión.
A su contacto las rocas se funden y desprenden grandes cantidades de gases que tienden a salir por las grietas y las fisuras de la corteza, dando lugar a fenómenos de vulcanismo como son las erupciones volcánicas, salidas de gases a altas temperaturas (fumarolas y solfataras), salida de agua hirviendo y vapor (geiseres) y salida de agua caliente (fuentes termales), aunque sólo algunas de éstas son aprovechabas.
El aprovechamiento de la energía geotérmica se hace a distintas temperaturas.
Baja energía: Se aprovecha directamente el agua caliente (a menos de 100 ºC) en muy variadas aplicaciones: calefacción, agua caliente doméstica, piscinas, invernaderos, secaderos…-.
Media energía (90 – 150 ºC): Existe la posibilidad de producir energía eléctrica, recurriendo a un fluido intermedio para su extracción. (amoníaco, freón). El rendimiento es muy bajo.
Alta energía: El vapor a presión o el agua a más de 150 ºC tienen un valor suficiente de fuerza motriz como para alimentar una central eléctrica. El rendimiento sigue siendo bajo.
Rocas calientes y secas: Se encuentran a profundidades hasta 6.000 metros y a temperaturas de 300 ºC. Con ellas se puede obtener energía eléctrica, pero su explotación presenta grandes dificultades.
En general la energía geotérmica, aunque ofrece grandes posibilidades de aprovechamiento, tiene enormes limitaciones: es de aplicación local, no puede transmitiese a largas distancias y, además, en muchos casos el vapor tiene una gran cantidad de humedad, por lo que existe grave riesgo de corrosión en las instalaciones.
LA ENERGÍA MAREMOTRIZ Y CÓMO SE PUEDE APROVECHAR
La energía maremotriz es la energía desarrollada por las aguas del mar cuando están en movimiento.
Las mareas son el resultado de la atracción gravitatoria ejercida por el Sol y la Luna sobre nuestro planeta. En algunos lugares el desnivel de las mareas alcanza con frecuencia varios metros de diferencia entre la marea baja y la marea alta (bajamar y pleamar). Su utilización industrial sólo es posible en aquéllas zonas costeras que reúnan determinadas condiciones topográficas y marítimas en las cuales el valor de amplitud del desnivel de las mareas sea comparable a una instalación hidroeléctrica de escasa altura de caída de a pero de considerable masa de ésta.
En algunos casos particulares en que la marea penetra por un paso estrecho, es posible mediante diques dejar entrar en él la marea ascendente y hacer pasar el agua a través de la turbina cuando la marea se retira. Este es el principio de las centrales maremotrices.
La energía de las olas es mucho más difícil de dominar y hasta el presente no se ha conseguido la tecnología adecuada.