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