energías renovables · se denominan energías renovables a aquellas cuyo flujo es repuesto, a...

Energías renovables


Jaime González Velasco

Barcelona · Bogotá · Buenos Aires · Caracas · México

Copyright © Jaime González Velasco

Copyright © Editorial Reverté, S. A., 2009

MAQUETACIÓN: REVERTÉ-AGUILAR, S. L.

ESTE LIBRO HA SIDO PUBLICADO CON LA COLABORACIÓN DE LA UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE MADRID

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#1324

Edición en papel: ISBN: 978-84-291-7912-5 Edición e-book (PDF): ISBN: 978-84-291-9312-1

Prólogo

Vivimos en el seno de una sociedad que se basa en el desarrollo industrial para pro-ducir bienes y servicios que permiten su sostenimiento. Este modelo de sociedad,denominada sociedad industrial, y el de otra aún más avanzada, a la que se le da elnombre de sociedad postindustrial, precisan consumir cantidades ingentes de mate-rias primas y de energía para su funcionamiento. Ambos tipos de consumo se relacio-nan entre sí, ya que sin consumir energía no sería posible elaborar las máquinas ydispositivos que permiten el funcionamiento físico del cuerpo social y, a su vez, elfuncionamiento de estas máquinas y dispositivos contribuye al gasto energético.

La cantidad de energía que una sociedad consume y la eficiencia con la que latransforma y la utiliza constituyen hoy en día criterios que permiten diagnosticar sugrado de desarrollo. Se han establecido correlaciones entre consumo energético ynivel de vida. Así, se puede afirmar que, en general, el incremento en el nivel dedesarrollo de una nación está asociado a un mayor consumo energético y a unamayor capacidad en el uso y transformación de la energía de forma eficiente.

Existe un consumo de energía básico, que atiende a las necesidades de alimenta-ción de los seres humanos. Se calcula que un hombre adulto que realiza una activi-dad moderada precisa de un aporte energético de alrededor de 2600 kcal por día. Elhombre moderno, sin embargo, ha rebasado con mucho las fronteras del consumobásico de energía, de modo que actualmente el consumo de energía medio por habi-tante y año alcanza la cifra de 18 500 kWh, cifra diecisiete veces mayor que la energíaestrictamente necesaria para su mera supervivencia.

vi Prólogo

Históricamente, las necesidades energéticas del ser humano fueron aumentando amedida que evolucionaba de hombre primitivo a recolector, cazador, agricultor y alhombre moderno de la sociedad industrial, hasta hacerse máximas en la denominadaera tecnológica.

Las demandas energéticas de la sociedad actual se justifican por la necesidad demantener en funcionamiento diversos sectores que permiten su supervivencia. Secto-res como el de transporte, el doméstico, el comercial, el institucional, el industrial, elagrícola y el de construcción, contribuyen de forma decisiva a incrementar el gastode energía, generando con ello problemas de enorme trascendencia para la subsis-tencia de la vida humana sobre la Tierra.

El consumo energético (en energía primaria) global por año se estima que alcanzauna cifra de alrededor de 400 EJ por año (EJ = exajulio = 1018 julios = 1 trillón dejulios), equivalentes a unas 10 000 megatoneladas de petróleo, frente a los 21 EJ enque se estima el consumo de energía en el año 1900. El 33% de esta energía segenera a partir de la combustión de petróleo, el 22,8% a partir de carbón, el 18,8% apartir de gas natural, el 13,8% a partir de biomasa, el 5,9% a partir de centrales hidro-eléctricas y el 5,6% a partir de centrales nucleares.

Este elevado ritmo de consumo energético conlleva problemas de sostenibilidad,medioambientales, sociales y políticos.

Los problemas de sostenibilidad se refieren a la relación existente entre el ritmode consumo energético en el momento actual y las reservas aún existentes de com-bustibles fósiles, que constituyen las fuentes de las que proviene la mayor parte de laenergía consumida.

Los problemas medioambientales provienen de la emisión de diversos gases pro-ducto de la combustión de los combustibles fósiles, como el CO2, gas que tiene lacapacidad de captar la radiación infrarroja y que contribuye al efecto invernadero.Este efecto es un proceso necesario para la vida en la biosfera, pues se calcula que sien la atmósfera no existieran moléculas de gases invernadero, la temperatura mediade la biosfera sería de –15 ºC, en vez de los 15 ºC en que se estima la temperaturamedia en la era actual. Sin embargo, una concentración excesiva de estos gasespuede contribuir a incrementar la temperatura en muy poco tiempo, con lo que sesuperaría la capacidad de muchas especies para adaptarse a un cambio tan rápido.También da lugar a un deshielo masivo que, según se calcula, puede producir unincremento del nivel medio de los mares de 0,5 metros, con el riesgo de que desapa-rezcan algunas regiones costeras en diversos países.

Otros gases producto de la combustión de petróleo o de carbón, como los óxidosde azufre o los de nitrógeno, son el origen de la lluvia ácida, que ha devastadoamplias regiones vecinas a centrales térmicas.

Los problemas sociales y políticos tienen que ver con el hecho de que los com-bustibles fósiles aparecen en yacimientos masivos en determinadas regiones de laTierra, lo que da lugar a tensiones entre países productores y consumidores.

Se han propuesto soluciones con el fin de superar la magnitud de este problema,o al menos de mitigarlo en parte. Entre ellas se encuentra el uso de las energías reno-vables. Se denominan energías renovables a aquellas cuyo flujo es repuesto, a partirde fuentes naturales, al mismo ritmo con que se consumen. La característica de estasfuentes es que están dispersas por todo el planeta (todas las regiones reciben luz

Prólogo vii

solar con mayor o menor intensidad e intermitencia o están sometidas a diversosregímenes de vientos, por ejemplo). La fuente de energía más importante es la luzsolar. Podría afirmarse que los combustibles fósiles son “energía solar fosilizada”,almacenada en los enlaces de compuestos de carbono que son el producto de lentosprocesos de transformación que tienen lugar a lo largo de eras geológicas.

La Tierra intercepta energía solar a un ritmo que equivale a 178 000 TW (teravatios),que equivalen a unas 13 000 veces los 13 TW que corresponden al ritmo de consumo deenergía en el momento actual. De esta cantidad, un 30% se pierde por reflexión, mien-tras que un 50% es absorbido y da lugar a diferentes procesos: ciclos de evaporación deagua; ciclo hidrológico que produce la acumulación de depósitos de agua a diversasalturas, que representa energía potencial que se puede convertir con eficiencias elevadasen energía eléctrica; calentamientos diferenciales de distintas regiones geográficas queson el origen de los vientos; interacción de los vientos con la superficie de los mares, loque genera los oleajes, que constituyen también depósitos de energía potencial y cinéti-ca. La radiación solar es almacenada por las plantas, por medio de la fotosíntesis, dandolugar a la formación de proteínas, carbohidratos y grasas, es decir, a alimentos y com-bustibles. Esta radiación solar se puede convertir directamente en electricidad mediantedispositivos fotovoltaicos, o se puede utilizar para calentar agua para calefacción y usosdomésticos. Otra fuente de energía es la mareomotriz, que surge de una conjugaciónentre las interacciones gravitacionales de la Tierra y la Luna y la fuerza centrífuga aso-ciada al movimiento de rotación de aquella. Por último, los seres humanos han venidoutilizando desde hace milenios las fuentes geotérmicas, allí donde estaban a su alcance,para calentarse o para cocinar. Hoy en día se pueden utilizar rocas graníticas con caloracumulado procedente del interior de la Tierra para producir electricidad.

En este libro, que es el resultado de diez años de actividad docente, se trata dehacer un estudio introductorio de las diversas formas de energía renovable. En cadauno de los capítulos se proporciona una descripción rigurosa de los principios físicosen que se basa la utilización de una determinada fuente de energía, una breve histo-ria de su utilización, una descripción bastante pormenorizada de los dispositivosnecesarios para cosechar la energía, una estimación de las eficiencias de conversiónque se pueden alcanzar con los mismos, una discusión de los efectos medioambien-tales a que da lugar su uso, la posibilidad de su integración en las grandes redes dedistribución de energía y un cálculo aproximado del coste de cada unidad energéticaproducida en comparación con el coste de la misma producida en una central térmi-ca, así como las perspectivas futuras en su aprovechamiento.

Este libro trata de facilitar la enseñanza universitaria de las energías renovables aun nivel correspondiente a segundo o tercer curso de una Licenciatura en Ciencias oIngeniería. El estudio de esta materia requiere conocimientos de Química General,Física, Matemáticas, Geología y Biología correspondiente a un primer curso de unaLicenciatura en Ciencias o Ingeniería.

Se ha intentado hacer una descripción simplificada pero rigurosa de los diversostemas con el fin de hacerlos accesibles a personas en formación y que además contri-buya a formar los profesionales en el campo de las energías renovables que seránnecesarios en el futuro.

Jaime González VelascoUniversidad Autónoma de Madrid. Facultad de Ciencias.

Índice analítico

Prólogo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . v

1. Energías renovables . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11.1 Definición de energía, dimensiones físicas y unidades de medida . . . . . . . . . . . . . . .61.2 Potencia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .121.3 Conversión de energía y eficiencia de conversión . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .121.4 Consumo energético . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .161.5 Formas de utilización de la energía. Ahorro energético . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .211.6 Problemas originados por los usos energéticos de la sociedad actual . . . . . . . . . .281.7 Problemas medioambientales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .291.8 Problemas de sostenibilidad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .421.9 Problemas sociales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .461.10 Una posible solución: las fuentes de energía renovables . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .46

2. Aprovechamiento térmico de la energía solar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 592.1 Naturaleza y disponibilidad de la radiación solar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .612.2 Variación de la insolación diaria con la latitud y con la estación del año . . . . . . . .682.3 Mecanismos de pérdida de calor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .772.4 Colectores solares . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .892.5 Calor solar pasivo. Arquitectura bioclimática . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1062.6 Generación de energía eléctrica a partir de energía solar térmica

de alta temperatura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1192.7 Motores solares . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1292.8 Estanques solares y sistemas de desalinización de agua . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .132

x Índice analítico

3. Energía solar. Dispositivos fotovoltaicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1393.1 Introducción histórica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1423.2 Fundamentos físicos del funcionamiento de una heterounión . . . . . . . . . . . . . . . .1443.3 Formación de las bandas de valencia y de conducción

en semiconductores intrínsecos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1493.4 Niveles energéticos en semiconductores intrínsecos.

Modelo de los pozos de potencial . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1523.5 Semiconductores extrínsecos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1563.6 Formación de una unión p−n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1613.7 Radiación solar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1713.8 Fabricación de células fotovoltaicas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1963.9 Aspectos económicos de los sistemas fotovoltaicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .2113.10 Impacto medioambiental de los sistemas fotovoltaicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .213

4. Energía a partir de biomasa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2174.1 Contribuciones de la biomasa al consumo primario de energía en el mundo,

en la Comunidad Europea y en España . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .2254.2 El proceso fotosintético . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .2294.3 Biocombustibles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .2424.4 Aprovechamiento energético de la biomasa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .2494.5 Pirólisis y gasificación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .2534.6 Tratamientos bioquímicos de la biomasa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .2584.7 Digestión anaeróbica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .2634.8 Aprovechamiento de residuos agrícolas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .2764.9 Impactos medioambientales del uso de la biomasa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .285

5. Energía eólica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2875.1 Introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .2885.2 Turbinas eólicas de eje horizontal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .3005.3 Turbinas de eje vertical . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .3015.4 Fuerzas aerodinámicas que actúan sobre una paleta de turbina eólica . . . . . . . . .3035.5 Fundamentos teóricos del funcionamiento de turbinas eólicas . . . . . . . . . . . . . . .3175.6 Par rotor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .3285.7 Turbinas en las que la fuerza directriz es la de arrastre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .3315.8 Acoplamiento dinámico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .3335.9 Ampliaciones de la teoría del momento lineal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .3385.10 Estimación de la potencia y energía que se puede extraer

con las tubinas eólicas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .3405.11 Impacto medioambiental de los dispositivos para el aprovechamiento

de la energía eólica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .3505.12 Aspectos económicos de la energía eólica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .3575.13 La energía eólica en la Unión Europea y en España . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .362

6. Energía hidráulica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3696.1 Introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .3706.2 Historia de la utilización de la energía hidráulica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .3736.3 Estimación de los recursos hidroeléctricos totales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .376

Índice analítico xi

6.4 Cálculo de la presión hidrostática ejercida por una determinada altura de agua . . . . 3846.5 Estimación del salto, el caudal y la potencia extraíble en un determinado lugar . . . . . 3896.6 Tipos de turbinas utilizadas en centrales hidroeléctricas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .3916.7 Velocidad de chorro y tamaño de inyector . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .3966.8 Criterios de diseño de turbinas Pelton. Velocidad angular y tamaño de turbina . . . . . 3976.9 Turbinas Turgo y de flujo cruzado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .4016.10 Turbinas de reacción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .4026.11 Turbinas tipo hélice . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .4076.12 Criterios de selección de la turbina más adecuada. Velocidad específica

e intervalos de aplicación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .4106.13 Efectos medioambientales de las centrales hidroeléctricas . . . . . . . . . . . . . . . . . .420

7. Energía mareomotriz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4257.1 Introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .4267.2 Estimación de recursos mareomotrices a escala mundial . . . . . . . . . . . . . . . . . . .4287.3 Cálculo del valor de la amplitud, R, de la onda generada en los océanos

por las interacciones gravitatorias Tierra-Luna y por su rotación alrededor de un centro de masas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .431

7.4 Cálculo de las fuerzas, Fx y Fy, que actúan sobre una masa de agua, m, situada en los puntos X e Y de la superficie de la Tierra . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .433

7.5 Cálculo de la altura que alcanza la masa m de agua en X e Y sobre el nivel del resto del mar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .436

7.6 Efectos que contribuyen a la intensificación de las mareas . . . . . . . . . . . . . . . . . .4427.7 Electricidad a partir del salto generado en presas por las mareas . . . . . . . . . . . . .4487.8 Presas mareomotrices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .4507.9 Tipos de turbinas para la generación de electricidad en centrales

mareomotrices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .4537.10 Problemas medioambientales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .4607.11 Electricidad a partir de corrientes de marea . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .461

8. Energía a partir del oleaje . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4698.1 Introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .4708.2 Principios físicos de la energía asociada al oleaje . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .4728.3 Dispositivos flotantes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .4958.4 Otros dispositivos convertidores de energía del oleaje . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .5018.5 Impactos medioambientales de los dispositivos

convertidores de energía del oleaje . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .5078.6 Aspectos económicos y de integración en la red

de la energía eléctrica producida a partir del oleaje . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .5088.7 Conclusiones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .5098.A Apéndice. Energía y potencia del oleaje . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .510

9. Conversión de energía térmica oceánica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 515

10. Energía geotérmica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52110.1 Introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .52210.2 Magnitud de los recursos geotérmicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .52310.3 Origen y características de la energía geotérmica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .524

xii Índice analítico

10.4 Origen del calor geotérmico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .52810.5 Clases de regiones geotérmicas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .53310.6 Física de los recursos geotérmicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .53410.7 Conductividad hidráulica de rocas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .53710.8 Características de las fuentes geotérmicas de alta entalpía . . . . . . . . . . . . . . . . . .53910.9 Calor a partir de cuencas sedimentarias . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .54210.10 Calor a partir de rocas secas calientes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .54410.11 Formas de explotación de recursos geotérmicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .54710.12 Técnicas de extracción y explotación de recursos geotérmicos . . . . . . . . . . . . . .557

11. Almacenamiento y distribución de energía . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56911.1 Introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .57011.2 Almacenamiento biológico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .57311.3 Almacenamiento químico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .57311.4 Acumuladores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .58011.5 Células de combustión . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .59211.6 Almacenamiento mecánico de energía . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .61311.7 Almacenamiento de energía en forma de aire comprimido . . . . . . . . . . . . . . . . . .61711.8 Almacenamiento de energía calorífica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .61811.9 Distribución de energía . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .621

Bibliografía . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .633

Índice alfabético . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .635

Capítulo 1


1.1 Definición de energía, dimensiones físicas y unidades de medida . . . . . . 6

1.2 Potencia. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

1.3 Conversión de energía y eficiencia de conversión . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

1.4 Consumo energético . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16

1.5 Formas de utilización de la energía. Ahorro energético . . . . . . . . . . . . 21

1.6 Problemas originados por los usos energéticos de la sociedad actual. . 28

1.7 Problemas medioambientales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29

1.8 Problemas de sostenibilidad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42

1.9 Problemas sociales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46

1.10 Una posible solución: las fuentes de energía renovables. . . . . . . . . . . . . 46

2 Capítulo 1 Energías renovables

El uso de la energía ha acompañado a la actividad de los seres humanosdesde la más remota antigüedad. La mera existencia de un ser humano exigeque éste ingiera alimentos, que no son otra cosa que combustibles biológicos,en las cantidades precisas para mantener el metabolismo basal y llevar a cabolos procesos vitales, así como para realizar el trabajo necesario para sobrevi-vir. Se calcula que durante la mayor parte de los aproximadamente 4 millonesde años que existe el ser humano como especie diferenciada, la media depotencia utilizada por persona se mantuvo prácticamente constante hastaapenas hace 200 años en unos 125 W, o bien, expresado en energía total pordía, 125 W × 1 J s–1/W × 86 400 s/día = 10 800 000 J día–1/4,18 J cal–1 =2 583 732 cal día–1 = 2583 kCal día–1 = 10,8 MJ día–1/3,6 MJ kWh–1 = 3 kWh día–1.A medida que la especie humana fue evolucionando, sus necesidades energé-ticas fueron aumentando a causa de las nuevas actividades y trabajos quedesarrollaban. La Tabla 1.1 muestra la evolución de las necesidades energéti-cas, desde las aproximadamente de 2600 kcal día–1 consumidas por el hombreprimitivo, hasta las 224 000 que necesita, por término medio, el llamado hom-bre tecnológico para desarrollar todas sus actividades

Hace unos 230 años se produjo la denominada Revolución industrial. Losconocimientos acumulados por el ser humano desde el Renacimiento y, en espe-cial, durante la segunda mitad del siglo XVII y las primeras décadas del XVIII,posibilitaron avances técnicos que permitieron realizar trabajos que requeríanmucha más energía que la que podían suministrar los músculos de personas oanimales. Ello se logró aprovechando la energía liberada en la combustión de uncombustible de origen biológico, el carbón, que aparecía concentrado en yaci-mientos, para accionar máquinas de vapor. Las mayores temperaturas que eraposible alcanzar, y la mayor cantidad de trabajo que podía desarrollarse, dieronlugar a avances en la producción de nuevos materiales, los cuales, a su vez, per-mitieron perfeccionar las máquinas, con lo que su eficiencia aumentaba. Esarevolución industrial dio origen a un crecimiento de la población, que cada veztenía mejores condiciones de vida y que requería cantidades de energía por per-

Tabla 1.1 Consumo diario de energía en diferentes etapas del desarrollo humano (en miles de kcal persona–1 día–1).

Alimentos IndustriaAgricultura

ComercialResidencial

Transporte Total

H. recolectorH. cazadorAgricultor primi.Agricultor avanz.H. industrialH. tecnológico

2,634

3,53,53,5

472491

24123266

111463

2,65132474224

3

sona mucho mayores que las aportadas por los alimentos. La utilización a granescala de otro combustible fósil, el petróleo, a raíz de la invención del motor decombustión interna a finales del siglo XIX, produjo avances espectaculares en lossistemas de transporte, en las condiciones de vida de los habitantes de los paísesen que se produjo y, como consecuencia, en el gasto energético por persona.

Durante todo el siglo XX se produjo un crecimiento continuo del gasto ener-gético, junto con avances en el número de personas que tenían acceso a un nivelde vida más elevado, lo que finalmente desembocó en una situación como la delmomento actual, caracterizada por la inquietud que generan problemas como elagotamiento de los combustibles fósiles o el calentamiento global, aparentementederivado de la emisión de gases con efecto invernadero, como el dióxido de car-bono, producidos por la combustión de los combustibles fósiles, el calentamientoglobal, la lluvia ácida y la contaminacion atmosférica. El calentamiento globalaparentemente deriva de la emisión de gases con efecto invernadero, como eldióxido de carbono, producidos por la combustión de combustibles fósiles,mientras que la lluvia ácida se asocia a otros productos de la combusitón, comoel SO2 o los óxidos de nitrógeno. La contaminación atmosférica también está pro-vocada por estos productos y por otros de origen orgánico y por partículas sóli-das en suspensión provenientes de las cenizas, etc. La Figura 1.1 muestra algunas

Figura 1.1 Curva de la población global a lo largo del último millón de años en correlación con la curvade emisión de CO2.

Pobl

ació

n gl

obal

(en

mile

s de

mill

ones

)

Era actualAños antes de 1950

Emisiones de CO2debidas al uso de

combustibles fósiles

Emisiones de CO2debidas a la

deforestación

Poblaciónde países

en desarrollo

Poblaciónde países

desarrollados

Curva de población global

Edad

ant

igua

(13

300

× 1

04 )

Eneo

lític

o (8

650

× 1

04 )

Neo

lític

o (5

32 ×

104 )

Pale

olíti

co s

uper

ior

(334

× 1

04 )

Pale

olíti

co m

edio

(10

0 ×

104 )

Pale

olíti

co in

feri

or (

334

× 1

04 )

106106 105 104 103 102 1950 2000 2050

Emisiones de C

O2 (en 10

9 × ton C

/año)

0

2

4

6

8

0

2

4

6

8


curvas de correlación entre el crecimiento de la población global a lo largo delúltimo millón de años y el aumento del CO2 emitido anualmente como conse-cuencia de las diferentes actividades humanas.

Problemas políticos y sociales importantes relacionados con la localizaciónde las fuentes energéticas tradicionales, junto con los anteriormente citados,han despertado un interés cada vez más extendido por encontrar nuevasfuentes de energía, caracterizadas por reponerse a un ritmo igual o superior alque son consumidas y a las que se denomina energías renovables.

No obstante, en las denominadas sociedades industrializadas está tanimplantado y extendido el uso de combustibles fósiles y nucleares para lageneración de energía, que cualquier intento de sustituirlos o simplemente decomplementarlos con otras formas de energía tropieza con dificultades detodo género, desde problemas tecnológicos o de diseño, a problemas políti-cos, de estructura social, de economía, de planificación e incluso históricos.

Se trata, incluso, de poner en cuestión las bases sobre las que se ha edifi-cado la sociedad contemporánea, proponiendo soluciones contradictorias alos problemas antes mencionados. Hay quien propone un drástico cambiodirigido a educar las nuevas generaciones en el ahorro y la preservación delas fuentes, con el fin de controlar el calentamiento global y de demorar almáximo el momento inevitable del agotamiento de las fuentes de energía tra-dicionales. Otros, sin embargo, consideran que no debe frenarse el ritmo delprogreso, pues cuanto más rápido se produzca el mismo, incluso a riesgo deincrementar aún más la velocidad de desaparición de los combustibles fósilesy el calentamiento global, antes se encontrarán soluciones a los problemas deefecto invernadero y de acceso a fuentes energéticas teóricamente “inagota-bles”, como por ejemplo la generación de electricidad a partir de la energíaliberada en procesos de fusión nuclear.

El estudio de las energías renovables requiere enfocar el interés no sólo encuestiones meramente técnicas, sino también en áreas tales como las Ciencias delmedioambiente, por medio de estudios comparativos de cómo influyen en laatmósfera, en las corrientes de agua y en la vida animal y vegetal los dispositivosutilizados para aprovechar las energías renovables, en comparación con elimpacto que sobre los mismos producirían iguales cantidades de energía genera-das a partir de la combustión de combustibles fósiles o nucleares. En este casohay que hacer alusión al efecto invernadero, a la lluvia ácida, a la contaminaciónde la atmósfera y de los océanos, e, incluso, a los efectos que el calentamientoglobal pueda ejercer sobre el clima y, en consecuencia, sobre toda la biosfera.

También hay que tomar en consideración los orígenes y los principios físi-cos sobre los que se basan las diferentes formas en que aparecen las energíasrenovables, para lo cual hay que tener una idea de las Ciencias de la Tierra.

El aprovechamiento de los flujos energéticos que dan lugar a las energíasrenovables precisa de un esfuerzo en investigación y desarrollo en el campo

5

de nuevas tecnologías, que permitan el diseño de nuevos dispositivos capacesde obtener mayor beneficio de las nuevas energías, mejorando la eficienciade conversión de máquinas, motores, aparatos domésticos, etc. Hay quehacer también un esfuerzo en la búsqueda de una planificación que permitaintegrar la energía producida por estos nuevos métodos en las redes de distribu-ción de las denominadas formas de producción de energía tradicionales. Tam-bién merecen ser objeto de estudio cuestiones tales como la mejora de laeficiencia en las formas de utilización actual de cualquier tipo de energía, asícomo la construcción de edificios capaces de proveer, en parte o totalmente,sus necesidades energéticas a partir de energía solar y de minimizar sus pérdi-das energéticas por medio de diseños arquitectónicos inteligentes, dictadospor el clima del lugar donde se levanten.

Las Ciencias Sociales pueden contribuir a buscar soluciones a dilemas talescomo la producción de energía por medio de sistemas centralizados y a gran escala,frente a sistemas locales y a pequeña escala. En el primer caso, la unidad de energíapuede ser más barata de producir, pero su distribución a través de una redextensa puede resultar cara. En la segunda opción, la unidad energética es máscara de producir, mientras que la red de distribución, al ser local, requiere unainversión menor, por lo que el transporte de cada unidad energética resultamenos caro que en el caso anterior, y las pérdidas producidas en el mismo sehacen menores. Por otra parte, la localización de grandes centros de producciónenergética en determinados puntos los convierte en posibles objetivos bélicos oterroristas, por su impacto sobre las vidas de grandes centros de población.

La Economía ayuda a dilucidar cuáles son los costes de producción por uni-dad energética, lo que puede contribuir a hacer más fácil la elección de lamejor alternativa energética para determinados países o núcleos de población.

Por medio de una planificación adecuada se puede decidir en qué puntosdeben construirse centrales eléctricas, líneas de transmisión, campos eólicos,presas mareomotrices, plantaciones de biomasa o plantas hidroeléctricas, demodo que su impacto medioambiental, social y legal sea lo menor posible. Laplanificación de las formas de transporte permitiría utilizar energía procedente de diver-sas fuentes de un modo más económico y menos perjudicial para el medioambiente.

Hay que insistir en la importancia que puede tener en el ahorro energético laconstrucción de edificios atendiendo a que puedan mantenerse con gastosenergéticos mínimos, ya que el consumo energético en viviendas particulares,edificios institucionales, comerciales o industriales, contribuye de modo fun-damental a los gastos totales de energía. Para ello es preciso que se conozcanlas estrategias de la Arquitectura bioclimática, respetando unas normas de urba-nismo e incorporando a la construcción elementos activos y pasivos que faci-liten la utilización de energía proveniente de fuentes renovables ytradicionales.


1.1 Definición de energía, dimensiones físicas y unidades de medida

Cualquier alteración en la posición, propiedades, constitución o estado de unsistema determinado requiere la realización de un trabajo, el cual puede lle-varse a cabo por aplicación sobre el sistema de fuerzas exteriores (viento,oleaje o cualquier otra causa) o de fuerzas internas (una explosión, por ejem-plo). Según esto, los cuerpos tienen una cierta capacidad de realizar trabajo,que puede tener su origen en su constitución, en la posición que ocupan en uncampo gravitatorio o eléctrico, o en su estado de movimiento. A esta capacidadde realizar trabajo que poseen los cuerpos, cualquiera que sea su causa, se ledenomina energía. La propia etimología de la palabra contiene su definición,pues proviene de la palabra griega ενεργεια, que está relacionada con εργον, tra-bajo. Dado que la energía permanece latente en el cuerpo, mientras no semanifiesta explícitamente en forma de trabajo, su medida se lleva a cabo evaluandoel trabajo que puede generar, o bien determinando el trabajo que ha sido necesario reali-zar para llevar al cuerpo o sistema a su estado actual. La energía, por lo tanto, es unamagnitud homogénea con el trabajo. Ambas magnitudes son escalares, tienen lasmismas dimensiones, las de una fuerza multiplicada por un espacio (M L2 T–2),y se miden en las mismas unidades (g cm2 s–2 = ergio, en el sistema cgs, o bien,kg m2 s–2 = Joule = J, en el sistema internacional, SI; donde 1 J = 107 ergios).

Formas de la energía

La energía aparece en diversas formas, como pueden ser la cinética, potencial,térmica, química, electromagnética o luminosa, eléctrica, la inherente a lamasa, etc.

La energía latente en los cuerpos puede deberse a su movimiento, y se lellama energía cinética (un proyectil realiza un trabajo de deformación al colisio-nar con el blanco a causa de la velocidad que lleva). Este tipo de energíaviene expresado por la ecuación: Energía cinética = Ec = (m v2), donde m esla masa y v la velocidad del cuerpo o sistema. Las unidades en que se mide Ecson: (kg) (m s–1)2 = kg m2 s–2 = J.

Los cuerpos también poseen energía según la posición que ocupan en uncampo gravitatorio. A este tipo de energía se le denomina energía potencial (unmartillo levantado a una cierta altura y dejado caer, puede hacer trabajo algolpear sobre un clavo) y viene expresada por la ecuación: Energía potencial =Ep = mgh. Esta expresión dice que la energía almacenada en un cuerpo demasa m (kg) que es elevado a una altura h (m) es proporcional a su masa y ala altura conseguida y al valor de la aceleración de la gravedad, g (9,8 m s–2)en el lugar correspondiente. Como se ve, las unidades en que se mide Ep son:(kg) (m s–2) (m) = kg m2 s–2 = J. A este tipo de energía también se le puede

12---

1.1 Definición de energía, dimensiones físicas y unidades de medida 7

denominar energía gravitatoria, ya que, al existir un campo gravitatorio quese opone al alejamiento de un cuerpo de la Tierra (es decir, a un incrementode su altura con respecto a la superficie de la Tierra), es necesario realizar untrabajo para elevar su posición. Este trabajo queda entonces almacenado enforma de energía potencial.

Estas son formas de energía externa o macroscópica. Por energía interna omicroscópica se entiende aquella que posee un cuerpo a causa de la estructuraque adoptan los átomos y moléculas que lo componen, a la forma en que seencuentran enlazados (el aire caliente está más expandido que el aire a tem-peratura ambiente y, por ello, es menos denso, lo que puede ser aprove-chado para hacer subir a un globo; un cartucho de explosivo está formadopor compuestos de gran inestabilidad que en un instante pueden liberar grancantidad de energía con la que se puede realizar, por ejemplo, un trabajo dedesprendimiento de rocas).

La energía térmica de un cuerpo está asociada al movimiento de su estruc-tura atómica o molecular. En un sólido, un incremento de la temperaturaimplica un mayor desplazamiento vibracional de los átomos, iones o molécu-las que forman el retículo cristalino, es decir, un incremento de la frecuenciay amplitud de desplazamiento en torno a la posición de equilibrio de los mis-mos. En los líquidos y, sobre todo, en los gases, un incremento de tempera-tura se asocia a un aumento de la energía cinética de las moléculas, iones oátomos de que están formados. Así pues, calor es el nombre que recibe laenergía térmica asociada con el movimiento al azar de las partículas compo-nentes de un cuerpo. Por lo tanto, más caliente significa un movimiento al azar másrápido. Una medida del nivel térmico de un cuerpo es su temperatura. Si se ponen encontacto dos cuerpos a temperaturas diferentes, se produce una transferenciaespontánea de energía térmica o calorífica desde el cuerpo que se encuentraa mayor temperatura (y por lo tanto a mayor nivel térmico) hacia el que seencuentra a temperatura menor. Esto tiene lugar hasta que ambos cuerposalcanzan la misma temperatura, es decir, hasta que se encuentran en equili-brio térmico. La razón que explica la transferencia de energía térmica desdeuna fuente a otra que está a una temperatura menor radica en que en elcuerpo más caliente las partículas de que está compuesto se mueven másrápidamente (según vibraciones en torno a su punto de equilibrio, si se tratade un sólido, o por desplazamientos netos al azar en el caso de cualquier tipode fluido) que las que forman parte del cuerpo que está a temperatura menor.Al ponerlos en contacto se produce una transferencia de energía cinéticadesde las partículas que se mueven más rápidamente a las más lentas, hastaque la energía cinética media de todas las partículas se hace la misma, esdecir, hasta que se alcanza la misma temperatura en ambos cuerpos, situacióndenominada de equilibrio térmico. Según esto, la temperatura cero seríaaquella en que el movimiento molecular fuese nulo, lo que corresponde a


cero grados en la escala absoluta o Kelvin [a cero grados Kelvin, (0 K), sinembargo, permanece un nivel vibracional residual]. La escala de temperaturasmás utilizada es la Celsius o centígrada, y la correspondencia entre la escalaabsoluta y la Celsius viene dada por

Temperatura absoluta (K) = Temperatura centígrada (°C) + 273,

lo que indica que el cero absoluto se corresponde con – 273 °C.La energía química es la energía que poseen los compuestos químicos debido a

los enlaces químicos que los forman. Un enlace químico es un nivel energéticomolecular que es ocupado por un par electrónico. Los compuestos disponen deniveles energéticos ocupados, llamados enlazantes, y de otros desocupados demayor energía que se denominan antienlazantes. El nivel energético desocu-pado de menor energía en cualquier compuesto es el LUMO (Lowest Unoccu-pied Molecular Orbital ). El LUMO de cualquier compuesto puede recibirelectrones de un elemento o compuesto cuyo nivel energético enlazante demayor energía (HOMO = Highest Occupied Molecular Orbital ) se encuentre porencima de él en la escala energética, dando así lugar a una oxidación deldonante electrónico y a una reducción del receptor. A consecuencia de estastransferencias de carga se produce el debilitamiento o ruptura de enlaces, quelleva a las reorganizaciones moleculares denominadas reacciones químicas. Enreacciones espontáneas, los productos se caracterizan por energías químicas(energías libres, en su denominación termodinámica) menores que las de losreactivos de partida, es decir, los productos están formados por niveles electróni-cos de enlace con menor energía que la de los niveles que ocupaban los electro-nes en los reactivos de partida. La diferencia de energía se emite en forma decalor, o bien, si la reacción tiene lugar en un dispositivo electroquímico, unaparte importante de esa diferencia energética (de hasta un 70%) se puede obte-ner en forma de energía eléctrica. En otras ocasiones esta diferencia de energía,o una parte de ella, se puede emitir en forma de luz. En las líneas anteriores seha descrito de forma resumida el proceso de combustión, que sigue siendo,pese a su ineficiencia, el más utilizado a la hora de extraer energía de combusti-bles fósiles y de biocombustibles. También es el proceso del que se sirven losseres vivos para extraer energía de los alimentos (que no son otra cosa quecombustibles biológicos o biocombustibles). Esta energía se libera porque loscombustibles y, por tanto, los alimentos, contienen electrones situados en nive-les energéticos de mayor energía que el primer nivel no ocupado (LUMO) deloxígeno. Cuando combustible y oxígeno entran en contacto, los electrones queforman parte de los enlaces de los primeros tienden espontáneamente a buscarlos niveles de menor energía que les suministra el oxígeno, poniéndose así enmarcha la reorganización molecular que denominamos reacción de combustión,y liberándose la diferencia de energía en una forma energética que depende delcamino que se le ofrezca a los electrones para ser transferidos, es decir, depen-


diendo del dispositivo que se diseñe para ello. En cierto modo, dado que laenergía química se pone de manifiesto mediante transferencias de electronesentre niveles de energía diferentes, podría ser considerada como un modo parti-cular de la energía eléctrica.

La forma más común en que aparece la energía eléctrica es la electricidad. Lacorriente eléctrica es un flujo ordenado de electrones. Este flujo se produce con sumafacilidad en los materiales denominados conductores, que se caracterizan porofrecer una muy baja resistencia a dicho flujo. Los mejores conductores son losmetales, que están formados por cristales donde los átomos están unidos entresí por medio del enlace metálico. Este surge de la formación de una banda degran cantidad de niveles moleculares enlazantes con separaciones energéticasentre ellos extremadamente pequeñas (del orden de 10–22 ó 10–23 eV). Todoslos niveles ocupados por electrones forman la denominada banda de valencia,que en los metales se superpone a otra banda de niveles desocupados e igual-mente poco separados entre sí, denominada banda de conducción. Basta laaplicación de una diferencia de potencial mínima para conseguir promocionarelectrones desde la banda de valencia a la de conducción, y para que en ellacambien fácilmente de niveles. La frase anterior se puede traducir diciendo queen el metal existen electrones prácticamente libres, lo que les permite despla-zarse fácilmente a través del mismo. No obstante, los electrones, al desplazarse,sufren colisiones con el retículo cristalino, lo que da lugar a que sea preciso ungasto energético constante para mantener un flujo estacionario de los mismos.A su vez, las colisiones entre electrones en movimiento y átomos del retículodan lugar a un incremento de la frecuencia y amplitud de las vibraciones deestos últimos, lo que se manifiesta en un incremento de la temperatura, y,eventualmente, en la fusión del metal.

En una batería o acumulador durante el proceso de descarga se produce,una conversión de energía química en energía eléctrica, y el proceso inversodurante la carga de la misma.

En una central eléctrica térmica se parte de la energía contenida en los enlacesde los combustibles, la cual en presencia de oxígeno da lugar a la formaciónde productos (en el mejor de los casos CO2 y H2O) y a la emisión de calorque se utiliza para generar vapor de agua a presión elevada, o bien gasescalientes. Estos fluidos, a gran presión, se dejan actuar sobre los álabes deuna turbina, donde se transforman los movimientos caóticos individuales delas moléculas componentes del fluido caliente en un movimiento ordenadode rotación que se transmite a un eje. Este eje va unido a un generador eléc-trico, donde se hace uso del principio de Faraday (cuando se hace girar un hiloconductor en el seno de un campo magnético, entre los extremos del conduc-tor se produce una diferencia de potencial que genera una corriente eléctrica)para transformar energía mecánica de rotación en energía eléctrica. Esta ener-gía eléctrica puede transformarse con facilidad y eficiencias elevadas en otras


formas de energía (térmica, mecánica en un motor eléctrico, luminosa, etc.),si se dispone del dispositivo adecuado para ello.

La energía que transporta la radiación electromagnética viaja en forma de ondasincluso a través del espacio vacío. Todos los cuerpos irradian este tipo de ener-gía en forma de un espectro de radiaciones de diferente longitud de onda. Laforma y extensión del espectro emitido por cualquier cuerpo es una función dela temperatura a la que se encuentre. La energía de las diferentes radiacionesmonocromáticas es máxima en los rayos X y sucesivamente menor en la radia-ción ultravioleta, visible, infrarroja, microondas y radioondas. La energía solarllega a la Tierra en forma de radiación electromagnética, donde es absorbidaparcialmente y convertida en diferentes formas de energía.

La energía nuclear se libera en procesos de ruptura de los núcleos de elemen-tos radiactivos, a los que se denomina fisión nuclear. En estos procesos de fisiónse produce una transformación de una pequeña parte de la masa inicial enenergía térmica, de acuerdo con la ecuación de Einstein: ΔE = Δm c2. Dado queel factor de proporcionalidad entre la masa y la energía es la velocidad de la luzal cuadrado, una mínima transformación de masa da lugar a la emisión de unacantidad muy grande de energía, la cual puede transformarse en electricidadpor medio de procesos análogos a los utilizados en una central térmica.

Unidades de medida de la energía

En las discusiones sobre transformaciones energéticas aparece el término energíaprimaria. Se denomina energía primaria a la que se extrae directamente de losyacimientos sin ser sometida a ningún tipo de transformación. En muchas oca-siones, las cantidades de energía primaria se expresan en barriles equivalentes depetróleo, bep, o en toneladas equivalentes de petróleo, Tep, con lo que se pretendedar a entender la energía producida en la combustión de un barril o de una tone-lada de ese combustible fósil. Un barril de petróleo equivale a una capacidadaproximada de 160 litros, los cuales se transforman en una masa de 137 kg, almultiplicar esa cifra por la densidad del petróleo (ρpetróleo ≈ 0,86 kg/litro). UnaTep (tonelada equivalente de petróleo = 6,3 barriles de petróleo = 1,5 tec, tone-ladas equivalentes de carbón) al quemarse produce 4,17 × 1010 J en forma decalor (donde hay que tener en cuenta que esta cifra puede variar según la com-posición del petróleo de que se trate y que, además, se supone que la eficien-cia del quemador es del 100%). A partir de este número es fácil deducir que1018 J = 1 EJ = 24 × 106 Tep = 24 MegaTep = 24 Mtep (donde el prefijo mega,escrito M, equivale a 106). Si se dice que en el mundo actual se consume energíaprimaria a un ritmo aproximado de 400 EJ año–1, esa cifra se convierte fácilmen-te en 400 EJ año–1 × 24 Mtep (EJ)–1 = 9600 Mtep año–1 = 9,6 × 109 tep año–1 =9,6 Gtep año–1 = 9,600 millones de toneladas de petróleo al año. Las Tablas 1.2y 1.3 muestran los factores de conversión entre las principales unidades utiliza-das para expresar cantidades de energía primaria.


Tabla 1.2 Factores de conversión de diferentes unidades energéticas.

MJ kcal GJ kWh Tep Tec(*) Btu

MJ 1 239 10–3 0,28 24 × 10–6 36 × 10–6 947,82

kcal 4,18 × 10–3 1 4,18 × 10–6 1,16 × 10–3 10–7 1,49 × 10–7 3,968

GJ 1000 239 000 1 278 0,024 0,036 9,5 × 105

kWh 3,6 860 0,0036 1 86 × 10–6 0,13 × 10–3 3413

Tep 42 000 107 42 11 700 1 1,5 3,981 × 107

Tec 28 000 6,69 × 106 28 7800 0,67 1 2,654 × 107

Btu 1,055 × 10–3 0,252 1,055 × 10–6 2,93 × 10–4 2,51 × 10–8 3,768 × 10–8 1

(*) Tec indica una energía equivalente a la producida por combustión de una tonelada de carbón. Es una ciframedia, aceptada internacionalmente, pero que puede ser ligeramente diferente según la composición del carbónde que se trate.

Tabla 1.3 Factores de conversión de unidades de energía a gran escala.

PJ EJ TWh Mtep Mtec PJ

PJ 1 10–3 0,278 0,024 0,036 PJ 1

EJ 1000 1 278 24 36 EJ 1000

TWh 3,6 0,0036 1 0,086 0,13 TWh 3,6

Mtep 42 0,042 11,7 1 1,5 Mtep 42

Mtec 28 0,028 7,8 0,67 1 Mtec 28

Tabla 1.4 Múltiplos de la unidades

Prefijo Factor Símbolo

Yotta 1024 Y

Zetta 1021 Z

Exa 1018 E

Peta 1015 P

Tera 1012 T

Giga 109 G

Mega 106 M

Kilo 103 k


Se proponen a continuación dos ejemplos de cómo utilizar las tablas anteriores.

1.2 Potencia

Hay que tener clara la diferencia entre cantidades de energía empleadas o quese producen o consumen a consecuencia de los procesos, y el ritmo o velocidadcon que la energía se convierte de una forma en otra o es transmitida de uno a otro lugar. Lavelocidad por segundo con que la energía se convierte de una forma en otra o setransfiere se denomina potencia de la conversión o transmisión. Las dimensionesde la potencia son las de energía/tiempo: (M L2 T–2/T) y sus unidades en el SIson watios = W = kg m2 s–2/s = J/s. La unidad más empleada en las discusio-nes sobre potencia es el kilowatio, kW, que son 1000 W. A menudo secomete el error de considerar al kWh como una unidad de potencia, siendo,en realidad, la energía que libera la potencia de 1 kW cuando actúa duranteuna hora, es decir: 1 kWh = 1000 J/s × 3600 s/h = 3 600 000 J = 3,6 × 106

J =3,6 MJ. Además del W y el kW, se utiliza con frecuencia como unidad depotencia el HP = CV = caballo de vapor = 746 W. Una equivalencia útil cuandose manejan aparatos eléctricos es watios = voltios × amperios (W = V × A).

1.3 Conversión de energía y eficiencia de conversión

En los procesos de conversión de energía se cumplen los principios de la Termodinámica.El primer principio establece que en toda transformación energética la cantidad total de

EjemploUna vivienda familiar utiliza 1,2 gigajulios (GJ) de energía al mes para obteneragua caliente. ¿Cuántos kWh son?

La respuesta se encuentra buscando el factor de conversión de GJ en kWh,dado en la Tabla 1.1, donde se encuentra que 1 GJ = 278 kWh. Por lo tanto, multi-plicando 1,2 GJ por esa cantidad se obtiene la energía expresada en kWh: 1,2 GJ ×278 kWh/GJ = 334 kWh.

EjemploLos biocombustibles contribuyen con 8,5 EJ al consumo anual de energía prima-ria de la India. ¿Qué cantidad de petróleo ahorra ese país al año debido a la uti-lización de biocombustibles?

La Tabla 1.2 muestra que 1 EJ equivale a 24 Mtep, por lo tanto, el ahorro enpetróleo sería: 8,5 EJ año–1 × 24 Mtep/EJ = 204 Mtep año–1 = 204 millones detoneladas de petróleo por año.

1.3 Conversión de energía y eficiencia de conversión 13

energía se mantiene constante. Esto pone de manifiesto la inconsistencia de expre-siones como “consumo energético”, pues en realidad lo que se hace al utilizarla energía es transformarla de una de las formas en que se presenta en otradiferente, tal como se ha explicado que se hace en una central térmica.

Sin embargo, cuando se lleva a cabo la transformación de cualquier formaenergética en otra diferente, la energía que resulta útil en la transformaciónsiempre es menor que la que se ha utilizado. Como se cumple el primer princi-pio de la Termodinámica, la cantidad de energía inicial es siempre igual a lafinal, pero cierta cantidad de esta última se ha transformado en una formamenos productiva. A la relación entre energía útil, Eu, para llevar a cabo unproceso y energía total, Et, que requiere el mismo, se le denomina eficiencia orendimiento del proceso, y se designa con la letra griega η (eta). La eficiencia sepuede expresar en tanto por uno, como: η = Eu/Et, o en tanto por ciento, mul-tiplicando dicho número por cien. La eficiencia de una transformación energéti-ca puede alcanzar valores tan elevados como el 90%, que es posible conseguiren ciertas turbinas hidráulicas o en motores eléctricos, hasta valores tan bajoscomo el 10 o el 20% que se alcanza en los motores de combustión interna, o el35 al 40% que se logra en centrales termoeléctricas movidas por combustión decarbón sin aprovechar el calor de desecho. Alguna de estas eficiencias se pue-den mejorar recurriendo a diseños perfeccionados de los dispositivos de trans-formación, pero otras son inherentes a la naturaleza del propio proceso, quesiempre se produce cumpliendo el segundo principio de la Termodinámica. Una delas formulaciones de este principio afirma que cualquier proceso tiene lugarcon la degradación de una cantidad determinada de energía.

Para entender la distinción entre energía total y energía útil, se puede anali-zar cómo se produce la transformación del calor contenido en los gases produ-cidos por combustión de gasolina en un cilindro de un motor de combustión.Las moléculas de los gases a elevada temperatura se mueven con una velocidadmedia elevada de forma totalmente caótica. Al hacerlo pueden chocar con elpistón, transfiriéndole parte de su energía cinética. Si el choque se produce demanera frontal, es decir, si la molécula se mueve exactamente en la mismadirección y sentido que el pistón en la fase de expansión, la proporción deenergía transferida desde las moléculas al émbolo será elevada. Si los choquestienen lugar formando cualquier ángulo con la dirección de movimiento delpistón, sólo contribuirán a las acciones de empuje aquellas componentes delvector velocidad que sean perpendiculares al émbolo, mientras que las otrascomponentes (y, por lo tanto, una parte de la energía entrante) sólo generanacciones de deformación sobre el dispositivo. Por otra parte, al ser el movi-miento caótico, una gran proporción de las moléculas ni siquiera chocan contrael émbolo, sino contra las paredes del cilindro, transformando la energía cinéti-ca en calor. Finalmente, de la energía térmica total producida en la combustión,una parte significativa se marcha con los gases de escape. De esa forma puede


explicarse el rendimiento tan bajo que se produce en los motores de combus-tión interna. La eficiencia de conversión del calor en otra forma de energía sóloalcanza el valor límite en procesos realizados bajo condiciones de reversibilidadtermodinámica, condiciones que son inalcanzables en la práctica.

El segundo principio de la Termodinámica establece que la eficiencia de unproceso térmico ideal, al que se denomina ciclo de Carnot, viene dada por laecuación: η = (T2 – T1)/T2, donde T2 y T1 representan las temperaturas absolu-tas de las fuentes caliente y fría, respectivamente. Si el vapor que entra enuna turbina de una central térmica estuviese a 600 °C y el que saliese de lamisma a 40 °C, en dicho caso:

T2 = 600 °C + 273 = 873 K, y T1 = 40 °C + 273 = 313 K,

por lo que, el rendimiento máximo ideal, inalcanzable en la práctica, sería:ηCarnot = (873 – 313) K/873 K = 0,64 (o 64%). Las turbinas de vapor más eficien-tes en la práctica apenas son capaces de alcanzar un 70% de este valor, es decir,una eficiencia del 44%.

En el rendimiento global hay que tener en cuenta también las eficiencias conque se producen la combustión, la evaporación del agua (ηCom+Evap ~ 90%) y ladel generador eléctrico (ηGen Eléct ~ 90%). La eficiencia global de un proceso quese verifica en diversos pasos es igual al producto de las eficiencias de los pasosindividuales. En consecuencia, se puede afirmar que la eficiencia global de latransformación del calor en energía eléctrica podría ser del orden de 36%. Ade-más, una pequeña parte de la electricidad producida sería necesaria para mante-ner en marcha las instalaciones, por lo que un número aún más realista podríaser que la eficiencia alcanzase un valor del orden del 35%. Por lo tanto, una cen-tral térmica, tal como las que se proyectan para abastecer de electricidad a gran-des núcleos de población, que puede tener una producción nominal (producciónnominal es la que se obtendría de una central si la misma funcionara continua-mente a máxima carga, es decir, produciendo la potencia máxima para la queestá proyectada) del orden de Potencia útil = 1,5 GW = 1500 MW de potenciaeléctrica, necesitaría una potencia total, suministrada por el combustible dePotencia total = 1,5 GW × (100/35) = 4,3 GW, de los cuales 4,3 – 1,5 = 2,8 GW seconvertiría en calor de desecho. El rendimiento de la operación se hace más ele-vado recurriendo a procesos en cascada. Si se hiciera uso de este procedimiento,el calor de desecho podría ser aprovechado para suministrar calefacción y aguacaliente a más de un millón de viviendas, siempre que las mismas se encontrasensuficientemente próximas a la central.

Otra forma de incrementar la eficiencia de conversión de energía térmicaen electricidad es utilizar las denominadas turbinas de ciclo de gas combinado(TCGC), en las que se puede llegar a alcanzar eficiencias del orden del 50%.En ellas se quema gas natural (formado, prácticamente al 100%, por metano),alcanzándose temperaturas muy elevadas en una turbina de gas cuyo eje está

1.3 Conversión de energía y eficiencia de conversión 15

conectado al de un generador eléctrico. Los gases de desecho, que salen dela primera turbina aún muy calientes, se emplean en la producción de vaporde agua, que se utiliza en una turbina de vapor convencional, que produceasí una cantidad adicional de electricidad.

Se ve que determinados procesos de transformación energética, por ejem-plo, electricidad en trabajo mecánico, o a la inversa, se producen con gran efi-ciencia, mientras que hay otros, fundamentalmente aquellos en que sepretende transformar energía térmica en mecánica o electricidad, en los quelas eficiencias con que se producen son significativamente menores. Parececomo si existiese una jerarquía que permitiese clasificar las distintas formasen que aparece la energía. Esta jerarquía se denomina grado termodinámico o gradode nobleza de la energía, es una consecuencia del segundo principio de la Ter-modinámica, y su explicación microscópica está asociada a razonamientoscomo el que se utilizó para explicar la transformación de la energía de expan-sión de los gases en un cilindro de un motor de explosión.

Las energías de mayor grado termodinámico son las formas más organizadas dela energía, como las energías cinética y potencial y la energía eléctrica. Suinterconversión o su conversión en energías de menor grado termodinámicose produce con elevadas eficiencias. La energía química (denominada, en tér-minos termodinámicos, energía libre) se caracteriza por un grado termodinámicointermedio. Su conversión directa en energía eléctrica se puede llevar a caboen dispositivos electroquímicos con eficiencias que pueden llegar a ser del70%, si la corriente extraída es baja (es decir, si el proceso se verifica concierta lentitud, por lo que su grado de irreversibilidad no es muy elevado).

La energía electromagnética es de grado elevado, pero su conversión directaen electricidad, por medio de dispositivos fotovoltaicos o fotoelectroquími-cos, apenas si se ha podido llevar a cabo con eficiencias máximas del 30%.

La energía térmica es la de menor grado o nobleza termodinámica, lo cual se ponede manifiesto porque su conversión en formas de energía de grado termodiná-mico más elevado se produce con eficiencias bajas. A su vez, el grado termodiná-mico de la energía térmica es tanto más elevado cuanto mayor es la diferencia detemperaturas entre las que se lleve a cabo el proceso de transformación, o bien, la energíacalorífica es de mayor grado termodinámico o nobleza cuanto mayor es la temperatura a laque se encuentra el calor. Por lo tanto, la eficiencia de una transformación de ener-gía térmica en otra forma de energía sería tanto mayor cuanto más elevadafuera la temperatura a la que se encontrase ese calor y menor la temperatura ala que saliese del dispositivo el calor no aprovechado. Para comprender mejorlo anterior, se puede comparar el rendimiento de una turbina de vapor, como lamencionada anteriormente, que funcionaba entre 600 y 40 °C y la eficiencia deun sistema que tratase de extraer energía de la diferencia de temperaturas queexiste entre el agua que se encuentra en los océanos próximos a zonas ecuato-riales o tropicales, y el agua que está a una profundidad de 1000 metros. Las


aguas superficiales se encuentran a unos 23 °C, mientras que las que aparecena la profundidad antes dicha pueden encontrarse a unos 3 °C. Según los datosanteriores, una máquina de Carnot que funcionase entre ambas temperaturasmostraría una eficiencia: ηCarnot = ((23 + 273) – (3 + 273))/(23 + 273) = 0,067 (odel 6,7%). Comparando este valor con el obtenido para la turbina, se observaque las pérdidas asociadas a transformaciones de calor de baja temperatura sonsensiblemente mayores que las que se producen cuando se transforma calor atemperatura elevada.

Uso racional de la energía

A la hora de planificar la utilización de la energía, una forma de conseguir aho-rrar y, por lo tanto, de hacer un uso más racional de la misma es tratar de adaptarel grado de la energía al tipo de uso que se quiera hacer de ella. Por ejemplo, no tienedemasiado sentido utilizar electricidad en la generación de calor, aunque taltransformación se pueda llevar a cabo con una eficiencia elevada. La mayor partede la electricidad consumida en los países europeos procede de centrales térmi-cas, en las que se transforma calor producido por combustión de combustiblesfósiles en energía eléctrica con una eficiencia que apenas llega al 40%, y a costade emitir grandes cantidades de gases generadores de efecto invernadero y delluvia ácida. Es decir, alrededor del 60% de la energía contenida en los combusti-bles que se queman en la central térmica se pierde. No tiene pues, mucho sen-tido utilizar la electricidad para producir calor de baja temperatura, en vez deproducir el mismo calor por combustión directa de los combustibles. También esposible hacer un uso racional del calor de desecho de una central térmica parasuministrar calefacción y agua caliente a viviendas que se encuentren en lasproximidades de la central térmica. Con ello se habrá adaptado la aplicación deeste calor de baja temperatura al uso más racional. Este es el principio que rige ladenominada cogeneración, que consiste en una generación combinada de electrici-dad y calor. El combustible se quema y, con el calor desprendido, se generaenergía eléctrica, mientras que el calor saliente de las turbinas se utiliza comoenergía térmica de baja temperatura para suministrar calefacción y agua calientea los clientes, o para llevar a cabo procesos de secado en agricultura o industria.De este modo, recurriendo a una utilización de la energía en cascada, a través de variosusos, las plantas de cogeneración pueden alcanzar eficiencias globales de más del 80%. Seconsigue así ahorrar energía, adaptando del modo más cercano posible el gradode la misma al tipo de uso que mejor la aproveche.

1.4 Consumo energético

El funcionamiento de las sociedades modernas, industriales y postindustrialesse produce como consecuencia del uso de cantidades de energía desmesura-

energías renovables · se denominan energías renovables a aquellas cuyo flujo es repuesto, a...

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