La física define la energía como la capacidad de realizar un trabajo. Decimos que se ha realizado un trabajo cuando al aplicar una fuerza sobre un cuerpo se produce un desplazamiento. La energía utilizada por los medios de transporte, máquinas, etc. puede ser de diferentes tipos: mecánica, térmica, química, radiante, sonora o eléctrica.
La energía mecánica es la energía que tienen los cuerpos según el movimiento que realizan, la posición y el estado de compresión en que se encuentran.
La energía térmica es aquélla energía que tiene un sistema en virtud de la cantidad de calor que puede absorber o ceder.
La energía química es la energía que tiene un cuerpo a causa de su estructura molecular, atómica o nuclear. Es el tipo de energía de los combustibles fósiles, o de las sustancias radioactivas respectivamente.
La energía radiante es la energía que se transmite a través de ondas, por ejemplo la energía luminosa procedente del Sol. La reacción de fusión.
La energía sonora es la energía que transporta el sonido.
La energía eléctrica es la energía que poseen las cargas en movimiento.
Transformaciones de la energía
Los diferentes tipos de energía vistos pueden transformarse unos en otros. A continuación damos una tabla con las principales transformaciones:
Energía inicial
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Energía final
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Sistema o máquina que
produce la transformación
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Eléctrica
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Mecánica
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Motor eléctrico
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Mecánica
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Eléctrica
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Generador dinamoeléctrico
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Eléctrica
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Térmica
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Radiador, tostadora
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Térmica
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Eléctrica
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Central térmica
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Eléctrica
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Radiante
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Lámparas
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Radiante
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Eléctrica
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Placa fotovoltaica
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Eléctrica
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Química
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Cuba electrolítica
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Química
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Eléctrica
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Pila, batería
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Térmica
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Mecánica
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Máquina de vapor
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Mecánica
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Térmica
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Pastillas de freno
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Química
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Mecánica
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Motor de combustión
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Eléctrica
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Sonora
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Altavoz
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Fuentes de energía
Los recursos que podemos utilizar para extraer energía son las llamadas fuentes de energía. Las principales fuentes de energía que utilizamos son: los combustibles fósiles, la energía solar, la energía eólica, la energía hidráulica, la energía nuclear y la energía de la biomasa.
Las energías se pueden clasificar según si se utilizan directamente tal y como se extraen de la fuente o si son fruto de un proceso en energías primarias y secundarias. También pueden clasificarse en renovables y no renovables según si el tiempo de regeneración es inferior o muy superior al tiempo de vida de una persona.
Fuentes de energía
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Primaria
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Secundaria
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Renovable
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No renovable
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Hidráulica
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X
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X
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Eólica
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X
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X
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Gas natural
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X
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X
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Electricidad
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X
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X
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Nuclear
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X
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X
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Petróleo
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X
|
X
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Las energías renovables son, en general, menos contaminantes que las energías no renovables. Para que una determinada fuente de energía sea explotada deben darse una serie de condiciones: debe disponerse de la tecnología adecuada, debe ser asequible y rentable.
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Los combustibles fósiles
El carbón, el petróleo y el gas natural son fuentes de energía que provienen de ecosistemas ya desaparecidos y altamente transformados. Para su formación se necesitan millones de años y por lo tanto son fuentes no renovables.
El carbón se formó a partir de plantas que vivían en marismas hace 300 millones de años. Al quedar enterradas bajo el barro, la presión de las sucesivas capas de tierra hicieron que los restos vegetales se fosilizaran y transformaran en carbón. En función de la antigüedad y las condiciones de su formación, podemos encontrar diferentes tipos de carbón: hulla, lignito, turba, etc.
El petróleo es un líquido viscoso muy combustible que se formó hace 50 millones de años. Se encuentra bajo tierra allí donde una gran cantidad de plancton quedó cubierta por materiales sedimentarios. En unas condiciones de temperatura y presión elevadas y en ausencia de aire, estos restos orgánicos se transformaron en petróleo gracias a la acción de determinados microorganismos.
Para poder usar la energía del petróleo es necesario someterlo antes a un largo proceso de transformación. Lo que se obtiene en la explotación del yacimiento es el petróleo crudo. El proceso de refinamiento consiste en destilar el crudo para separar sus componentes (alquitrán, aceites, gasolina...) Para ello se calienta el petróleo hasta los 385 ºC, temperatura a la cual se transforma en gas y se introduce en una torre de destilación.
El gas natural es un subproducto de la acción de los microorganismos que transformaron el plancton en petróleo. El gas natural se compone básicamente de metano, y está presente en la mayoría de yacimientos petrolíferos en diferentes cantidades.
El gas natural, una vez extraído del yacimiento petrolífero en el que se encontraba, es purificado y, sin sufrir ninguna transformación química, es transportado al lugar de consumo. Antes de ser usado se le añaden aditivos que le dan olor para poder ser detectado en las fugas.
Eroski Consumer: El carbón. Infografía
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Producción de energía eléctrica
La energía eléctrica no proviene directamente de la naturaleza si no que es fruto de diversas transformaciones realizadas a partir de otras fuentes de energía. La turbina interviene en la mayoría de cadenas de transformación de energía. Su movimiento rotatorio permite el funcionamiento del generador que generalmente es un alternador.
Los tipos de centrales eléctricas que consideraremos serán: centrales hidroeléctricas, térmicas, solares fotovoltaicas, eólicas y mareomotrices.
Centrales hidroeléctricas
Las centrales hidroeléctricas, que pueden ser convencionales o de bombeo, proporcionan energía eléctrica a partir de la presión del agua almacenada en una presa. Estas centrales aprovechan la energía mecánica del movimiento del agua para transformarla en energía eléctrica, mediante una turbina que se halla conectada a un generador.
Las minicentrales intentan paliar estos efectos, aunque sin llegar a conseguirlo totalmente.
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La turbina interviene en la mayoría de cadenas de transformación de energía. Su movimiento rotatorio permite el funcionamiento del generador que generalmente es un alternador. La turbina proviene de la evolución de la rueda hidráulica. Hacia mediados del siglo XIX apareció la turbina. A diferencia de la rueda hidráulica, la turbina recibía el agua debidamente canalizada y era cerrada. Las palas de las turbinas tienen forma curvada y se denominan álabes. El rendimiento de la turbina es, de esta forma, mucho mayor que el de la rueda hidráulica.
Tipos de turbinas. Las turbinas evolucionaron, especialmente, hacia la producción de electricidad. En este sentido existen tres tipos básicos de turbinas hidráulicas: Pelton, Francis y Kaplan.
La turbina Pelton es la más similar al sistema antiguo de ruedas de palas. Unos inyectores de presión proyectan rayos de agua hacia los álabes de la turbina. Estas turbinas se denominan de acción pues se mueven por el impacto del agua sobre las palas.
La turbina Francis posee una palas curvadas para dirigir el agua hacia los álabes de la turbina. El agua resbala tangencialmente sobre los álabes y los hace girar. Estas turbinas se denominan de reacción ya que gira debido a la presión del agua cuando circula a su alrededor.
La turbina Kaplan consta de una hélice semejante a la de los barcos. Cuando el agua circula por las palas se pone a rodar por reacción. Normalmente el eje se mantiene en posición vertical. Estas turbinas se utilizan cuando el caudal de agua es muy grande pero el salto es pequeño.
Una turbina de vapor es una turbomáquina que transforma la energía de un flujo de vapor de agua en energía mecánica. Este vapor se genera en una, de la que sale en unas condiciones de elevada temperatura y presión. En la turbina se transforma la energía interna del vapor en energía mecánica que, típicamente, es aprovechada por un generador para producir electricidad.
Centrales termoeléctricas
Existen diversos tipos de centrales termoeléctricas: la central térmica, nuclear y solar. Todas ellas tienen en común la transformación del calor en movimiento.
Una central térmica convierte la energía química de un combustible (carbón, fuel o gas) en energía eléctrica. La combustión de estos productos produce calor que se utiliza para calentar el agua contenida en una caldera. El agua hierve y produce vapor que, a alta presión, adquiere la energía suficiente como para mover una turbina de vapor, que a su vez acciona el rotor del alternador eléctrico. Tras accionar la turbina, el vapor de agua se enfría en un condensador en el interior de las torres de refrigeración desde donde regresa a la caldera para repetir el ciclo.
El principal inconveniente de las centrales térmicas es la contaminación que producen por la emisión de residuos sólidos y gases procedentes de la combustión (gases de efecto invernadero), la contaminación terrestre provocada por la eliminación de residuos de origen químico y el aumento de la temperatura del agua que sirve para enfriar en el condensador.
UNESA. Asociación Española de la Industria Eléctrica: Central de ciclo combinado |
Una central nuclear tiene el mismo principio de funcionamiento que una central térmica: aprovechar la energía de un combustible. La diferencia radica en que en la central nuclear el calor necesario se genera mediante una reacción de fisión nuclear del uranio o el plutonio que tiene lugar en el reactor. Aunque generan mucha energía a partir de muy poco combustible, producen residuos nucleares radioactivos muy contaminantes y de vida muy larga.
Además se deben extremar las medidas de seguridad para evitar fugas radioactivas del reactor.
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| Mineral de Uranio |
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En una central térmica solar, la luz del Sol incide sobre un grupo de espejos denominados helióstatos, que se mueven a medida que avanza el día, de forma que la luz que reflejan siempre llega al mismo punto, un foco en el que se calienta el agua hasta que se transforma en vapor. Este vapor se utiliza para mover una turbina, como en el caso de las demás centrales térmicas.
Este tipo de energía es muy limpia, pero las centrales térmicas solares son menos eficientes que el resto de térmicas. Además sólo son rentables en regiones con muchos días de Sol al año.
Centrales solares fotovoltaicas
La central solar fotovoltaica transforma directamente la luz del sol en energía eléctrica. Para ello se extienden grandes placas provistas de células fotovoltaicas sobre grandes extensiones de terreno. Las células pueden ir conectadas en serie (más intensidad) o en serie/paralelo (más tensión). La corriente eléctrica generada en las células es continua y con esta corriente se cargan los acumuladores de la central. Las placas pueden tener un sistema de seguimiento solar para que la luz del Sol incida sobre las células durante el mayor tiempo posible.
El sistema fotovoltaico casi no requiere mantenimiento y no produce ningún impacto sobre el ambiente. Además, es tan flexible que permite explotar desde instalaciones enormes hasta placas muy pequeñas que hacen funcionar pequeños aparatos.
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Centrales eólicas
Las centrales eólicas aprovechan la energía cinética del viento para hacer girar un rotor provisto de una gran hélice situada en la parte superior de una torre. El movimiento de la hélice hace girar, a su vez, un eje conectado al alternador. Un rectificador convierte la corriente alterna generada en continua.
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Otros tipos de energía
Las centrales mareomotrices aprovechan la diferencia de nivel del agua del mar entre la pleamar y la bajamar. Para ello se construye un dique en el estuario de un río o puerto natural. En las esclusas hay instaladas turbinas reversibles conectadas a los alternadores. Este dispositivo permite aprovechar la energía durante la entrada y salida de agua.
La construcción de centrales mareomotrices requiere bahías en las que levantar el dique sea técnicamente factible y donde el desnivel entre la pleamar y la bajamar sea de al menos 6 metros. Por otro lado la capacidad de producción de energía es limitada.
Este tipo de energía es renovable y no contaminante, sin embargo, comporta el cierre de amplias bahías o la extensión de kilómetros de costa artificial.
Otra forma de explotar la energía del mar es la de aprovechar el oleaje. A este efecto se han diseñado diversos e ingeniosos métodos.
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El funcionamiento de las centrales geotérmicas se basa en la diferencia de temperatura que hay entre el exterior de la corteza terrestre y las capas más internas. Se sabe que a 4000 m de profundidad las rocas están a 250º C. El procedimiento para obtener energía eléctrica es el siguiente: se introduce agua a presión, mediante un conducto, en un punto caliente de la Tierra. Al calentarse, se convierte en vapor y asciende a la superficie por otro conducto. En el intercambiador el vapor cede el calor al freón el cual es capaz de mover una turbina.
El inconveniente más importante de este tipo de centrales radica en la necesidad de utilizar tecnología avanzada y en la localización de los puntos calientes que tengan un acceso relativamente fácil desde la superficie.
Eroski Consumer: La energía geotermal. Infografía |
Biomasa. Todos los subproductos de origen biológico constituyen la denominada biomasa. A partir de esta biomasa, y mediante diversos procesos, se puede conseguir un aprovechamiento energético, bien en forma de combustible o bien por combustión directa de estos residuos.
Ahorro energético
Eroski Consumer: El camino de la electricidad Elmundo.es: La distribución de la electricidad Ntic Educación.es: Las fuentes de Energía Libros Vivos.net SM: Temas Clave: Energías alternativas Elmundo.es: Energías Renovables UNESA: Asociación Española de la Industria Eléctrica: Al corriente de la electricidad.pdf IDAE: Guía Práctica de la Energía.pdf BBC: Generating electricity Producción de energía: Juega y aprende |
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