LA PRODUCCIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA Fuentes de energía Física y Química 3º ESO: guía interactiva para la resolución de ejercicios LA PRODUCCIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA Fuentes de energía I.E.S. Élaios Departamento de Física y Química

I.E.S. Élaios Departamento de Física y Química Índice Energías renovables y no renovables en España Energía nuclear Energías renovables Ejercicio 1 Ejercicio 2 Ejercicio 3 Ejercicio 4 Ejercicio 5 Ejercicio 6 Ejercicio 7 Ejercicio 8 Ejercicio 9 Ejercicio 10 Ejercicio 11 Ejercicio 12 Ejercicio 13 Ejercicio 14 Ejercicio 15 Ejercicio 16 Ejercicio 17 Ejercicio 18 Ejercicio 19 Ejercicio 20 Ejercicio 21 I.E.S. Élaios Departamento de Física y Química

I.E.S. Élaios Departamento de Física y Química Ayuda Las fuentes de energía se pueden clasificar en renovables y no renovables. Las fuentes de energía renovables se consideran inagotables, mientras que las no renovables son limitadas y tarde o temprano se agotarán. Los combustibles fósiles (carbón, petróleo y gas natural) y la energía nuclear son fuentes de energía no renovables. Se trata de energías sucias, ya que contaminan el medio y generan residuos contaminantes. Tienen la ventaja de que producen gran cantidad de energía por unidad de tiempo. La energía hidráulica, la eólica, la energía de las olas y las mareas, la energía solar, la energía geotérmica y la biomasa son fuentes de energía renovables. Suelen ser energías limpias, repartidas por todo el planeta. Tienen el inconveniente de que generan poca energía por unidad de tiempo. I.E.S. Élaios Departamento de Física y Química

I.E.S. Élaios Departamento de Física y Química Ayuda La fusión nuclear es un ejemplo de reacción nuclear. Las reacciones nucleares son distintas de las reacciones químicas. En una reacción química, como la combustión del gas butano, se forman moléculas nuevas a causa de la reordenación de los átomos, pero éstos no cambian. En una reacción nuclear los átomos cambian y se forman nuevos elementos. Por ejemplo, la fusión de un núcleo de deuterio ( ) y de un núcleo de tritio ( ) produce un núcleo de helio ( ): En las centrales nucleares se produce otra clase de reacción nuclear llamada fisión nuclear (“rotura”). En una reacción de fisión el núcleo de un átomo grande se rompe en dos partes más o menos iguales. En las reacciones nucleares se libera una gran cantidad de energía. deuterio helio Fusión neutrón tritio neutrón Uranio-235 I.E.S. Élaios Departamento de Física y Química

I.E.S. Élaios Departamento de Física y Química EJERCICIO 1 (a) Clasifica las siguientes energías en renovables y no renovables. (b) Las fuentes de energía también se pueden clasificar según cuál sea su origen: el interior de la Tierra o fuera de la Tierra, como la producida por la gravitación (de la Luna y el Sol) y la energía radiante que proviene del Sol. Clasifica las siguientes energías según su origen. # Contesta al apartado (a) # Contesta al apartado (b) Combustibles fósiles Energía nuclear Energía eólica Energía de las olas Energía de las mareas Energía geotérmica Energía solar Energía de la biomasa Energía hidráulica Energía no renovable Interior de la Tierra Energía renovable Fuera de la Tierra I.E.S. Élaios Departamento de Física y Química

I.E.S. Élaios Departamento de Física y Química EJERCICIO 2 El gráfico muestra la producción de energía primaria en España en el periodo 1990-2000. Vemos que aparece, para cada uno de los años, los porcentajes procedentes de los combustibles fósiles, de la energía nuclear y de las energías renovables (sólo la energía hidráulica). (a) El porcentaje asociado a los combustibles fósiles ¿aumenta o disminuye a lo largo del periodo considerado? (b) ¿Y el porcentaje de la energía nuclear? (c) Comenta brevemente el porcentaje de las energía renovables. # Contesta a los apartados (a) y (b). Vemos que el porcentaje de los combustibles fósiles disminuye paulatinamente a lo largo del periodo considerado, al tiempo que el porcentaje de la energía nuclear, con la excepción de 1996, va aumentando. # Contesta al apartado (c). A pesar de que sólo se ha considerado la energía hidráulica, se observa que la contribución de las energías renovables a la producción de energía primaria es cada vez más importante. I.E.S. Élaios Departamento de Física y Química

I.E.S. Élaios Departamento de Física y Química EJERCICIO 3 El gráfico muestra el consumo de energía primaria en España en el periodo 1990-2000. Vemos que aparece, para cada uno de los años, las cantidades procedentes de los combustibles fósiles, de la energía nuclear y de las energías renovables (sólo la energía hidráulica). Observa que se utiliza una unidad de medida especial (ktep). Comenta brevemente los aspectos que consideres más relevantes en relación al consumo de los tres tipos de energía. Se observa que los consumos de energía nuclear y de energías renovables se han mantenido casi constantes en el periodo considerado. Al mismo tiempo, el consumo de combustibles fósiles no ha cesado de aumentar. I.E.S. Élaios Departamento de Física y Química

I.E.S. Élaios Departamento de Física y Química EJERCICIO 4 El gráfico muestra la energía eléctrica producida en España por fuentes renovables y fuentes no renovables. (a) Vemos que el uso de la energía nuclear para producir electricidad apenas cambia. ¿Cuántos millones de kWh son, aproximadamente, de origen nuclear? (b) ¿Por qué la energía eléctrica producida por fuentes renovables es variable? (c) La producción de energía eléctrica en conjunto ¿aumenta o disminuye? ¿A qué crees que es debido? # Contesta al apartado (a). Vemos en el gráfico que se producen algo más 50.000 millones de kWh. # Contesta al apartado (b). El uso de fuentes renovables depende de factores estacionales: temperaturas, vientos, lluvias, … Por lo tanto, la producción de energía eléctrica será variable. # Contesta al apartado (c). La producción total de energía eléctrica aumenta debido a que cada vez hay más demanda y consumo. I.E.S. Élaios Departamento de Física y Química

I.E.S. Élaios Departamento de Física y Química EJERCICIO 5 A partir de los datos de la siguiente tabla, o del correspondiente gráfico de barras, contesta a las siguientes preguntas: (a) ¿Para qué dos tipos de energía es mayor la previsión de crecimiento hasta el año 2010? (b) ¿Cómo evoluciona, en el periodo considerado, el uso de los residuos sólidos urbanos (R.S.U.)? (c) ¿Qué tipo de energía no es previsible que se desarrolle de ahora al año 2010? (a) (c) (b) El consumo de R.S.U. aumenta casi dos veces y media. I.E.S. Élaios Departamento de Física y Química

I.E.S. Élaios Departamento de Física y Química EJERCICIO 6 En los siguientes procesos se libera energía: I. CH4 + 2 O2  CO2 + 2 H2O; II. Be + He  C; III. 2 H2 + O2  2 H2O; IV. H + H  He. Clasifica dichos procesos en reacciones químicas y reacciones nucleares. Justifica la respuesta. I. y III. Reacciones químicas # Tienes que decidir, en primer lugar, en qué procesos existe una reordenación de los átomos y en cuáles se produce elementos nuevos. II. y IV. Reacciones nucleares # Clasifica ahora los procesos en reacciones químicas y nucleares. I.E.S. Élaios Departamento de Física y Química

I.E.S. Élaios Departamento de Física y Química EJERCICIO 7 En el cuadro de abajo se muestra dos ecuaciones. Ambas suponen la rotura de algún tipo de “partícula”: moléculas o núcleos atómicos. (a) ¿Cuál de ellas es una reacción química y cuál una reacción nuclear? Justifica la respuesta. (b) La reacción nuclear ¿es de fusión o de fisión? ¿Por qué? 2 NH4NO3  N2 + 2 NO + 4 H2O nitrato de amonio nitrógeno monóxido agua de nitrógeno U  Ba + Kr uranio bario criptón # Contesta al apartado (a). En el primer proceso se produce la rotura de la molécula de nitrato de amonio y las reordenación de los átomos; se trata de una reacción química. En el segundo proceso un núcleo de uranio se rompe en otros dos: un núcleo de bario y un núcleo de criptón; es una reacción nuclear. # Contesta al apartado (b). Se trata de una reacción nuclear de fisión: ha habido la rotura de un núcleo. I.E.S. Élaios Departamento de Física y Química

I.E.S. Élaios Departamento de Física y Química EJERCICIO 8 La figura muestra el esquema de una central nuclear. Se pide que identifiques en dicho esquema los elementos de la central que se indican en la columna de la izquierda. Barras de control Bombas de agua Condensador Cubierta de hormigón Elementos combustibles Generador Generador de vapor Intercambiador de calor Torres de refrigeración Turbina I.E.S. Élaios Departamento de Física y Química

I.E.S. Élaios Departamento de Física y Química EJERCICIO 9 En el diagrama siguiente se muestra los cambios de energía que tienen lugar en una central nuclear. Rellena el diagrama con los términos de la lista. energía térmica y energía cinética del vapor 1 1 5 pérdida de energía térmica en el condensador 5 energía eléctrica 2 2 6 pérdida de energía por fricción entre la turbina y el generador 6 energía nuclear del combustible 3 energía cinética del eje de las turbinas 7 7 4 pérdida de energía térmica por conducción 4 energía térmica del líquido del reactor 8 8 3 Reactor Intercambiador de calor Turbina Generador I.E.S. Élaios Departamento de Física y Química

I.E.S. Élaios Departamento de Física y Química EJERCICIO 10 (a) La fisión de un núcleo de uranio-235 libera 3,20.10-11 J de energía. Si un gramo de uranio-235 contiene 2,56.1021 átomos ¿cuánta energía se podría liberar si todos los átomos se fisionaran? (b) Si una tonelada de carbón puede producir 2,8.1010 J de energía ¿cuánto carbón haría falta para producir la misma cantidad de energía que un gramo de uranio-235? # Contesta al apartado (a). Energía = número de núcleos x energía liberada por núcleo E = 2,56.1021 núcleos x 3,20.10-11 J/núcleo = 8,19.1010 J # Escribe la proporción adecuada y contesta al apartado (b). I.E.S. Élaios Departamento de Física y Química

Energía producida (millones de kWh) EJERCICIO 11 En la tabla se indica las centrales nucleares que se encuentran actualmente en funcionamiento en España, con indicación del tipo de reactor: agua a presión (PWR) o agua en ebullición (BWR), así como de la potencia y de la energía producida en el año 2000. (a) Indica las tres centrales de mayor potencia y las tres de menor potencia. (b) Repite el apartado anterior respecto a la energía producida. (c) ¿Coinciden las respuestas dadas en los dos apartados anteriores? ¿Por qué? Centrales nucleares en España Nombre y tipo Localización Potencia (MW) Energía producida (millones de kWh) Almaraz I (PWR) Cáceres 973,5 7765 Almaraz II (PWR) 982,6 7682 Ascó I (PWR) Tarragona 973 8012 Ascó II (PWR) 976,2 8795 Cofrentes (BWR) Valencia 1025,4 7715 J. Cabrera (PWR) Guadalajara 160 1168 S. M. Garoña (BWR) Burgos 466 4029 Trillo I (PWR) 1066 8733 Vandellós II (PWR) 1009 8305 (a) (b) (c) No coinciden las respuestas porque no habrán estado funcionando el mismo tiempo debido a paradas técnicas. I.E.S. Élaios Departamento de Física y Química

I.E.S. Élaios Departamento de Física y Química EJERCICIO 12 La figura muestra el esquema de una central hidroeléctrica. A partir de la información suministrada en dicho esquema, y mediante un diagrama de flujo, explica las transferencias de energía que tienen lugar cuando se produce energía eléctrica en una de estas centrales. Energía potencial del agua almacenada Energías cinética y potencial del agua que cae Energía cinética de rotación del eje de la turbina Energía eléctrica Energías térmica y sonora en la turbina y el generador Energías térmica y sonora del agua al caer I.E.S. Élaios Departamento de Física y Química

I.E.S. Élaios Departamento de Física y Química EJERCICIO 13 ¿Qué masa de agua tiene que fluir cada segundo para generar 2,25 MW si el agua se almacena en una presa de 50 m de altura? Supón que el rendimiento de la turbina y el generador es del 90%. Contesta a partir del esquema de cálculo mostrado a continuación. Cálculo de energía de un proyecto hidroeléctrico # Expresa la potencia utilizada en función de la energía potencial y del rendimiento. Potencia disponible = energía potencial transferida por segundo = mgh m = masa de agua que cae por segundo (kg/s) g = 9,8 N/kg h = la altura desde la que cae el agua Potencia utilizada = potencia disponible Potencia utilizada = mgh·rendimiento # Expresa la masa que cae por segundo en función de las otras magnitudes y realiza los cálculos pertinentes. I.E.S. Élaios Departamento de Física y Química

I.E.S. Élaios Departamento de Física y Química EJERCICIO 14 Con la ayuda del esquema de la figura, explica cómo funciona una central mareomotriz (como la instalada en el estuario del Rance en la Bretaña francesa, que tiene una potencia de 240 MW). 2 1 2 3 1 2 2 3 I.E.S. Élaios Departamento de Física y Química

I.E.S. Élaios Departamento de Física y Química EJERCICIO 15 Se sabe que un mecanismo de energía de olas puede extraer el 45% de la energía transportada por las olas. Si dicho mecanismo se instalara en olas que tuvieran una potencia de 80 kW por metro de fachada, ¿cuál sería la potencia utilizable a lo largo de un emplazamiento de 25 km de longitud? # Calcula la potencia de las olas en la instalación. Potencia = Potencia por metro x longitud = = 80 kW/m x 25000 m = 2.106 kW # Calcula la potencia que se puede extraer de las olas. Potencia utilizable = Potencia x rendimiento = = 2.106 kW x 0,45 = 9.105 kW El rendimiento en términos de energía es el mismo que el rendimiento en términos de potencia. I.E.S. Élaios Departamento de Física y Química

I.E.S. Élaios Departamento de Física y Química EJERCICIO 16 El uso de la energía eólica para la producción de energía eléctrica está cada vez más extendido en los países de la UE. El cuadro muestra la potencia eólica instalada en el año 2001. (a) ¿Qué país de la UE tiene más potencia eólica instalada? ¿Qué lugar ocupa España? (b) ¿Qué país de la UE tiene más potencia eólica instalada por cada 1000 habitantes? ¿Y menos? (c) ¿Qué lugar ocupa España respecto a la potencia eólica instalada por cada 1000 habitantes? (a) 1º 2º (b) 1º Último (c) Ocupa el tercer puesto, con 0,0912 MW/1000 hab. I.E.S. Élaios Departamento de Física y Química

Máxima entrada de energía diaria para un panel de 1 m2 (MJ) EJERCICIO 17 El ángulo de inclinación de un panel solar afecta mucho a la cantidad de energía que recibe en distintas épocas del año. La tabla de datos indica el efecto de los distintos ángulos de inclinación en algunos meses. (a) ¿Qué ángulo de inclinación sería ideal para un panel solar en abril? (b) ¿Es mejor tener el panel solar inclinado un ángulo de 40º o un ángulo de 60º para todos los meses indicados en la tabla? Razona tu respuesta. (c) ¿Cuál es la máxima cantidad de energía que un panel de 4 m2 podría recibir en un día del mes de junio? (a) El ángulo de inclinación ideal para el mes de abril es de 40º. Máxima entrada de energía diaria para un panel de 1 m2 (MJ) Mes Ángulo de inclinación 20º 40º 60º Abril 23,8 24,8 22,7 Junio 29,2 27,4 22,3 Agosto 25,6 26,3 (b) Es mejor el ángulo de 40º, ya que la energía recibida es mayor en todos los meses de la tabla. (c) En junio la máxima entrada de energía se produce para un ángulo de 20º. Energía = 29,2 x 4 = 116,8 MJ I.E.S. Élaios Departamento de Física y Química

entre las producciones de 2010 y 2000. EJERCICIO 18 En ocasiones, cuando no es posible la producción a gran escala de electricidad mediante las energías renovables, se pueden usar para conseguir cantidades útiles de agua caliente para uso doméstico. La tabla muestra los datos correspondientes al citado uso en España y su proyección para el año 2010. Calcula la variación prevista para el periodo 2000-2010 y el porcentaje de variación respecto al año 2000. Analiza los resultados obtenidos. # Halla la diferencia entre las producciones de 2010 y 2000. PRODUCCIÓN TÉRMICA CON ENERGÍAS RENOVABLES EN ESPAÑA Datos en ktep.   1998 1999 2000 2010 Diferencia 2010-2000 Variación porcentual (%) Biomasa (**) 3.318 3.336 3.358 4.376 Biocarburantes 51 500 Solar térmica 26 28 31 336 Geotérmica 4 5 8 3 TOTAL 3.348 3.369 3.448 5.215 (**)Incluye biogás térmico.  Fuente: IDAE # Divide la diferencia anterior entre la producción del año 2000 y multiplica este cociente por 100. 1.018 449 305 -5 1.767 30% 880% 984% -63% 51% Para el periodo 2000-2010 se espera un aumento global en la producción superior al 50%. I.E.S. Élaios Departamento de Física y Química

I.E.S. Élaios Departamento de Física y Química EJERCICIO 19 Lee con atención el siguiente texto y contesta a las preguntas: (a) ¿Qué país fue el mayor productor mundial de células fotovoltaicas? ¿Y el mayor productor de la UE? (b) ¿Qué posición ocupa España respecto a la potencia fotovoltaica instalada? (c) ¿Qué dificultades presenta el desarrollo futuro de esta energía renovable en la UE? En 2002 la producción mundial de células fotovoltaicas aumento un 33,3% y alcanzó los 535 MWp. La posición de liderazgo en el sector corresponde a los fabricantes japoneses, con una producción de 251 MWp en células fotovoltaicas. Entre los países productores de la UE, Alemania (57 MWp) se sitúa como el mercado más importante, por delante de España (44,1 MWp). En total, en la UE se instalaron 392 MWp en 2002, destacando el crecimiento del mercado alemán, seguido del holandés. España ocupa la cuarta posición (19,3 MWp) en la clasificación de plantas fotovoltaicas instaladas. Pese a este crecimiento, el futuro de la energía fotovoltaica es todavía frágil. Para finales de 2003 se puede esperar una potencia total en torno a los 520 MWp en la UE, por lo que no se alcanzará el objetivo de 650 MWp. Este retraso se debe a la demora en la puesta en marcha de los programas nacionales de ayuda a la energía solar fotovoltaica (tarifas de compra y subvenciones) en Italia, Gran Bretaña, España y Francia; y, en algunos casos, a la falta de voluntad política de llevar dichos programas a la práctica. (a) (b) (c) I.E.S. Élaios Departamento de Física y Química

I.E.S. Élaios Departamento de Física y Química EJERCICIO 20 Como sabes, el biogás se produce mediante la digestión anaeróbica de los desperdicios orgánicos. El biogás contiene un 60% de metano, que es el combustible, y un 40% de dióxido de carbono. Además, deja un residuo útil como fertilizante. Los países que más han desarrollado la producción de biogás son India (con 100.000 generadores) y China ( con 7.000.000 generadores). Para que tengas una idea de la energía contenida en el biogás, recuerda que 1 m3 del mismo permite: cocinar para 10 personas la comida de un día, iluminar durante 6 horas como lo haría una bombilla de 60 W o generar 1,25 kWh de electricidad. Una familia hindú necesita para cocinar alrededor de 3 m3 de metano al día. Cada kilogramo de boñiga produce 0,034 m3 de metano y una vaca suministra 7 kg de boñiga al día. ¿Cuántas vacas necesita la familia hindú para obtener todo el metano que precisa a partir de boñiga? # Calcula la masa de boñiga que se necesita. # Halla el número de vacas que se precisa. I.E.S. Élaios Departamento de Física y Química

I.E.S. Élaios Departamento de Física y Química EJERCICIO 21 Las figuras muestran dos aplicaciones de la energía geotérmica: una de baja temperatura y otra de alta temperatura. Indica cuál corresponde a cada una de ellas. ¿Por qué son necesarias temperaturas altas de las rocas y del agua subterránea si se quiere obtener electricidad de las fuentes geotérmicas? Energía geotérmica De baja temperatura De alta temperatura Son necesarias temperaturas altas para que el agua esté vaporizada y pueda mover las turbinas. I.E.S. Élaios Departamento de Física y Química