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Introducción a la energía Conceptos básicos 1 Sergio García, CIRCE 22 de octubre de 2009.

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1 Introducción a la energía Conceptos básicos 1 Sergio García, CIRCE 22 de octubre de 2009

2 Introducción a la energía Conceptos básicos 2 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 CO 2

3 Introducción a la energía Conceptos básicos 3 ÍNDICE 1.- Conceptos 2.- Situación mundial 3.- Situación europea 4.- Situación en España 5.- Fuentes de energía 6.-Emisiones de CO 2

4 Introducción a la energía Conceptos básicos 4 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

5 Introducción a la energía Conceptos básicos 5 CONCEPTOS

6 Introducción a la energía Conceptos básicos 6 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

7 Introducción a la energía Conceptos básicos 7 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 …

8 Introducción a la energía Conceptos básicos 8 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

9 Introducción a la energía Conceptos básicos 9 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 = 10 7 kcal 1BTU = 0,2520 kcal Múltiplos mas usados: Tera, T (x 10E12) Giga, G (x 10E9) Mega, M (x 10E6) Kilo, K (x 10E3)

10 Introducción a la energía Conceptos básicos 10 CONCEPTOS

11 Introducción a la energía Conceptos básicos 11 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

12 Introducción a la energía Conceptos básicos 12 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.

13 Introducción a la energía Conceptos básicos 13 CONCEPTOS Poder calorífico:

14 Introducción a la energía Conceptos básicos 14 CONCEPTOS Poder calorífico:

15 Introducción a la energía Conceptos básicos 15 SITUACIÓN MUNDIAL El consumo energético mundial es de 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 = 1,4 % anual Mas del 80 % de la energía primaria consumida procede de los combustibles fósiles

16 Introducción a la energía Conceptos básicos 16 SITUACIÓN MUNDIAL 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

17 Introducción a la energía Conceptos básicos 17 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 Mtep en el 2030 (esto es un incremento del 57 % desde 2004)

18 Introducción a la energía Conceptos básicos 18 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)

19 Introducción a la energía Conceptos básicos 19 SITUACIÓN EUROPA Europa es muy dependiente de los combustibles fósiles: % a % 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%)

20 Introducción a la energía Conceptos básicos 20 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

21 Introducción a la energía Conceptos básicos 21 SITUACIÓN ESPAÑA BALANCE ENERGÉTICO

22 Introducción a la energía Conceptos básicos 22 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

23 Introducción a la energía Conceptos básicos 23 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

24 Introducción a la energía Conceptos básicos 24 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

25 Introducción a la energía Conceptos básicos 25 SITUACIÓN ESPAÑA

26 Introducción a la energía Conceptos básicos 26 SITUACIÓN ESPAÑA

27 Introducción a la energía Conceptos básicos 27 ¿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

28 Introducción a la energía Conceptos básicos 28 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…

29 Introducción a la energía Conceptos básicos 29 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

30 Introducción a la energía Conceptos básicos 30 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

31 Introducción a la energía Conceptos básicos 31 FUENTES DE ENERGÍA GAS. CICLO COMBINADO

32 Introducción a la energía Conceptos básicos 32 FUENTES DE ENERGÍA COGENERACIÓN 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%

33 Introducción a la energía Conceptos básicos 33 FUENTES DE ENERGÍA COGENERACIÓN

34 Introducción a la energía Conceptos básicos 34 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

35 Introducción a la energía Conceptos básicos 35 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

36 Introducción a la energía Conceptos básicos 36 FUENTES DE ENERGÍA EÓLICA ¿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.

37 Introducción a la energía Conceptos básicos 37 FUENTES DE ENERGÍA EÓLICA 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.

38 Introducción a la energía Conceptos básicos 38 FUENTES DE ENERGÍA HIDROELÉCTRICA 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

39 Introducción a la energía Conceptos básicos 39 FUENTES DE ENERGÍA SOLAR B. Energía solar fotovoltaica: Aprovechamiento de la energía lumínica que proviene del sol para transformarla en energía eléctrica A. Energía solar térmica Aprovechamiento térmico de la radiación solar para calentar un fluido útil directa o indirectamente.

40 Introducción a la energía Conceptos básicos 40 FUENTES DE ENERGÍA SOLAR 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)

41 Introducción a la energía Conceptos básicos 41 FUENTES DE ENERGÍA SOLAR TÉRMICA ACTIVA

42 Introducción a la energía Conceptos básicos 42 FUENTES DE ENERGÍA SOLAR 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

43 Introducción a la energía Conceptos básicos 43 FUENTES DE ENERGÍA SOLAR TÉRMICA ACTIVA

44 Introducción a la energía Conceptos básicos 44 FUENTES DE ENERGÍA SOLAR 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.

45 Introducción a la energía Conceptos básicos 45 FUENTES DE ENERGÍA SOLAR 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 Silicio Estas células conectadas en serie o paralelo forman un panel solar encargado de suministrar la tensión y la corriente que se ajuste a la demanda Rendimiento max = 23%; Rend med =13-16%

46 Introducción a la energía Conceptos básicos 46 FUENTES DE ENERGÍA BIOMASA

47 Introducción a la energía Conceptos básicos 47 FUENTES DE ENERGÍA BIOMASA

48 Introducción a la energía Conceptos básicos 48 FUENTES DE ENERGÍA BIOMASA. BIOCARBURANTES BIOACEITES:

49 Introducción a la energía Conceptos básicos 49 FUENTES DE ENERGÍA BIOMASA. BIOCARBURANTES BIOALCOHOLES:

50 Introducción a la energía Conceptos básicos 50 FUENTES DE ENERGÍA OTRAS 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

51 Introducción a la energía Conceptos básicos 51 EMISIONES DE CO 2 Las energías renovables se consideran que tienen cero emisiones de CO 2, únicamente se les puede asociar un mínimo debido al transporte, construcción de las centrales y materiales empleados 10 MW eólicos evitan la emisión de Tn de CO 2 anuales Un colector solar de 2 m2 evitaría la emisión de 1 Tn de CO 2 al año. En el uso de la biomasa se supone que las emisiones son cero debido a que el CO 2 emitido a la atmósfera es el mismo que la planta fijó durante su crecimiento. Las emisiones de CO 2 de los biocarburantes se reducen en casi un 80% en comparación con los carburantes procedentes del petróleo, además de reducirse también las emisiones de CO 2, hidrocarburos inquemados y las de partículas

52 Introducción a la energía Conceptos básicos 52 EMISIONES DE CO 2 Las emisiones de CO 2 se debe al consumo de energía de origen fósil Origen del kWhEficiencia (%) Emisión CO 2 (kgCO2/kWh elec ) Carbón341 Cogeneración de carbón460,5 Turbina de gas750,5 Ciclo combinado gas420,4 Cogeneración gas550,2 Mix energético ,4 Origen del kWh Emisión CO 2 (kgCO2/kWh term ) Electricidad0,45 Gas natural0,22 LPG0,24 Carbón0,35 Gasoil0,28

53 Introducción a la energía Conceptos básicos de octubre de 2009 Sergio García Introducción a la energía Conceptos básicos


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