Post on 08-Jul-2015
Energía y cambio climático
1. Degradación de energía y generación de potencia eléctrica
2. Fuentes de energía en el mundo
3. Producción de energía a partir de combustibles fósiles
4. Producción de energía a partir de combustibles no fósiles
5. Efecto invernadero
6. Calentamiento global: medidas paliativas
Patricio Gómez Lesarri
Objetivos
1. Resolver problemas relacionados con densidad de energía2. Diseñar diagramas de Sankey de distintos sistemas de
generación de energía3. Conocer los métodos de generación de energía eléctrica:
centrales térmicas, nucleares, aerogeneradores, centrales hidroeléctricas y células solares
4. Resolver problemas relacionados con transformaciones energéticas
5. Interpretar la gráfica de radiación del cuerpo negro6. Resolver problemas utilizando la le de Stefan-Boltzmann y la de
Wien7. Describir los efectos de la atmósfera sobre la temperatura media
de la Tierra8. Resolver problemas relacionados con emisividad, constante
solar y temperatura media terrestre
1. Primer principio de la Termodinámica
Calor y trabajo no son funciones de estado: dependen de la forma de realizar el proceso
Energía interna: energía total acumulada en un sistema (suma de las energías de sus partículas)
1. Proceso isotérmico
∆U = n.Cv.∆T = 0
Q = W
W = nRT lnV2V1
1. Transformación de energía
Proceso cíclico
Transferencia de energía incompleta: degradación de energía
1. Degradación de la energíaCantidad de energía que se
transfiere al entorno a baja temperatura
No puede ser aprovechada
Eficiencia combustión 30 %
Eficiencia = Energía_útil
Energía_ consumida
1. Diagramas de Sankey
Diagramas de flujo
Anchura proporcional a la cantidad de energía
2. Fuentes de energía mundiales
© www.sankey-diagrams.com
2. Fuentes de energía EE.UU.
2. Fuentes de energía U.E.
2. Fuentes de energía España
2. Generación de energía eléctrica
Consumo de combustible
© www.worldmapper.org
Huella ecológica
2. Densidad de energía Cantidad total de energía por unidad de masa o volumen (MJ.kg -1, MJ.l-1)
2. Generación de energía eléctrica
3. Combustibles fósiles: industrialización
3. Dependencia petróleo UE
3. Dependencia del petróleo y precio del barril
3. Combustibles fósilesVentajas:
Densidad
Económicas
DesventajasImpacto ambiental
Geoestratégicas
Agotamiento: no renovable
3. Teoría de M. King Hubbert (1956)
3. Teoría de Hubbert
4. Energía nuclear: fisiónDescubierta en 1938 por L.
Meitner
Neutrones de baja energía (1 eV)
Liberación de tres neutrones y dos átomos más ligeros
Reacción en cadena
Masa crítica: cantidad mínima de masa necesaria para mantener la reacción cadena: unir dos masas
4. Enriquecimiento de combustible
238U: 99,3 % 235U: 0,7 % fisible
Centrales 235U > 4 %
Bombas 235U > 30 %
Uranio empobrecido 235U < 0,7 %
“Yellow cake”: pasta amarilla UO2
Centrifugadora
4. Enriquecimiento de combustible
4. Enriquecimiento de combustible
4. Central nuclear1. Edificio de contención
3. Reactor /Vasija del reactor
4. Barras de control de cadmio
18. Circuito primario: vapor
19. Circuito secundario
8. Turbinas
PWR /BWR
Suministro de agua de refrigeración
4. Residuos nucleares
o Plutonio: fisible con periodo de semidesintegración: 24000 años
o Tratamiento de residuos radiactivoso Baja y media actividad
Almacenamiento en contenedores (Cabril)
o Alta actividad
Vitrificación y almacenamiento en bidones
νν ++→++→→+ −− ePueNpUnU 23994
23993
23992
10
23892
4. Residuos Ventajas
No genera CO2
Densidad energética
Inconvenientes
Residuos
Proliferación nuclear
Recurso no renovable (70 años)
Seguridad
4. Energía eólicaConversión directa de
energía cinética en energía eléctrica Eficiencia: 45 %
España 4º país productor 23000 MW
Nulas emisiones
Baja densidad energética y gran variabilidad
P = 12.m
tv2 = 12.ρA
tv2 = 12ρAv3
4. Energía eólica
4. Energía eólica
4. Energía solar
Captación solar pasiva
Energía solar térmica a baja temperatura
Uso directo
Temperaturas inferiores a 90º C
4. Energía solar
Solar térmica a alta temperatura
41 % eficiencia a 600 º C
Almacenamiento de energía térmica con sales fundidas (fluoruros, nitrato de potasio..)
4. Energía solar fotovoltaicaEnergía solar fotovoltaica: rendimiento de 14-
20 %
Baja densidad energética
Alemania: equivalente a 20 centrales nucleares
4. Radiación solar en el mundo
4. Radiación solar en Europa
4. Radiación solar en España
4. Amortización
4. Energía geotérmica
Bolsas de agua a 200-300 º C
Eficiencia: 10-23 %
Limitada a bordes entre placas
Calefacción doméstica
Capacidad:11500 MW
4. Energía hidroeléctrica Aprovechamiento dela energía
potencial y cinética acumulada en una presa
Eficiencia de las turbinas: 90 %
η: eficiencia de la turbina
ρ: densidad del agua
Q: caudal
Ausencia de emisiones
Impacto ambiental: Tres Gargantas
P = η.ρ.Q.gh
4. Energía mareomotriz/undimotriz
5. Conducción, convección y radiación
Conducción: o Sólidoso Vibración molecular
Conveccióno Fluidoso Flujos materiales: corrientes
de convección
Radiacióno Radiación electromagnética
en el vacío
5. Radiación del cuerpo negro Ley de Stefan-Boltzmann
A: área
Constante de Sefan-Boltzmann σ= 5,67.10-8 W.m-2.K-4
Ley de Wien
E = A.σ .T 4
λmax.T = 2,898.10−3m.K
5. Radiación solarPotencia recibida= potencia
irradiada
Constante solar, S: intensidad que llega a la Tierra 1,37 KW.m-2
Luminosidad: potencia total irradiada por el Sol
Ley de Stefan-Boltzmann
A: área
σ= 5,67.10-8 W.m-2.K-4
L = A.σ .T 4
5. Albedo: reflectancia Porcentaje de radiación reflejada por una superficie, α
Tierra: 37-39 %
Nieve: 89 %, Nubes: 75-50 %
Suelo: 18 %, Océano: 7 %
5. Emisividad Potencia emitida: cuerpo gris
Emisividad, ε, relación entre la potencia irradiada por un cuerpo y la potencia correspondiente al cuerpo negro de la misma temperatura
Ley de Stefan-Boltzmann
σ =5,67.10-8 W.m-2.K-4
Depende de los gases de efecto invernadero
4.. TAE σε=
5. Absorción de energía
Modos de vibración
Frecuencias características de absorción en el infrarrojo
5. Efecto invernaderoo 1827: J. B. Fourier llama efecto
invernadero al fenómeno de absorción de energía en la atmósfera
o Absorción de radiación infrarroja por los gases:
- dióxido de carbono
- vapor de agua
- metano
- CFC
o Aumento de la temperatura media
5. Evidencias del cambio climáticoo Sondas en la Antártida.
(EPICA)
o Medidas en Manu Loa (Hawai), C. D. Keeling
5. Evidencias del cambio climático
Aumento sostenido de temperaturas medias
Diez años más calientes registrados en los doce últimos
5. Evidencias: fusión de los glaciares
5. Evidencias: aumento de los huracanes
5. Evidencias: cambios ecológicos
o Migraciones de las aves
o Distribución de plantas, insectos, animales …
o Propagación de enfermedades
5. Evidencias: acidificación de los océanos
6. Predicciones
6. Predicciones en Europao Aumento de temperaturas
mayor en el Mediterráneo y Escandinavia
o Reducción de las precipitaciones en el Sur de Europa
o Aumento de los fenómenos meteorológicos extremos: riadas y sequías
6. El Ebro en Zaragoza
6. Subida del nivel del mar
6. El Ártico sin hielo
6. Medidas paliativas
o 1992: Cumbre de Río. Firma de la Convención Marco de Naciones Unidas sobre cambio Climático
o 1997: Protocolo de Kioto Reducción de un 5 % de emisiones de CO2 con respecto a los niveles de 1990
6. Captura de CO2
Proceso de almacenamiento en profundidad
Consume energía y CO2
Riesgo de fugas
6 .Carbono acumulado