Ejercicios: Producción y uso responsable de la energía

El mix eléctrico español de un año se puede aproximar así: eólica $25\ \%$, nuclear $20\ \%$, solar $17\ \%$, ciclos combinados de gas $15\ \%$, hidráulica $12\ \%$ y otras fuentes $11\ \%$, como se muestra en el gráfico.

1. a) Considerando renovables la eólica, la solar y la hidráulica, ¿qué porcentaje de la electricidad española fue renovable?
2. b) Comprobá que todos los porcentajes del mix suman $100\ \%$.

Clasificá estas fuentes de energía en renovables y no renovables, y justificá tu elección en cada caso: viento, carbón, uranio, Sol, gas natural y biomasa.

Producir $1\ \text{kWh}$ de electricidad en España emite de media unos $0,15\ \text{kg}$ de $\text{CO}_2$ a la atmósfera. Si una vivienda consume $300\ \text{kWh}$ en un mes, ¿cuántos kilogramos de $\text{CO}_2$ corresponden a ese consumo?

Una lamparita LED de $10\ \text{W}$ da la misma luz que una incandescente de $60\ \text{W}$, como se muestra en la figura.

1. a) Calculá la energía que consume cada una si están encendidas $5\ \text{h}$, en $\text{kWh}$.
2. b) ¿Cuál de las dos es más eficiente? Explicalo con los resultados.

Los electrodomésticos llevan una etiqueta energética con clases desde la A hasta la G, como se muestra en la figura.

1. a) ¿Qué significa que una heladera sea de clase A y otra de clase G?
2. b) Explicá por qué conviene mirar esa etiqueta antes de comprar, aunque la de clase A sea más cara.

Quemar un litro de nafta emite unos $2,3\ \text{kg}$ de $\text{CO}_2$. Si un auto gasta un tanque de $40\ \text{L}$, ¿cuántos kilogramos de $\text{CO}_2$ ha emitido?

Nombrá dos ventajas y dos inconvenientes de la energía solar fotovoltaica como forma de producir electricidad, y explicá brevemente cada uno.

Una instalación de paneles solares cuesta $\$4000$ y ahorra $\$500$ al año en la factura de la luz. El gráfico muestra la inversión y el ahorro acumulado:

¿Cuántos años tarda en amortizarse, es decir, en recuperar el dinero invertido con el ahorro?

La demanda eléctrica anual de España es de unos $250\ \text{TWh}$. Con el mix aproximado del año pasado (eólica $25\ \%$, solar $17\ \%$):

1. a) ¿Cuántos $\text{TWh}$ produjo la eólica?
2. b) ¿Cuántos $\text{TWh}$ produjo la solar?
3. c) ¿Cuántos $\text{TWh}$ sumaron entre ambas?

Una vivienda consume $3200\ \text{kWh}$ de electricidad al año y el factor de emisión del mix español es de $0,15\ \text{kg}$ de $\text{CO}_2$ por $\text{kWh}$.

1. a) Calculá los kilogramos de $\text{CO}_2$ que corresponden a ese consumo anual.
2. b) Expresalo en toneladas.

Un auto a nafta consume $6\ \text{L}$ cada $100\ \text{km}$ y recorre $12000\ \text{km}$ al año. Quemar un litro de nafta emite $2,3\ \text{kg}$ de $\text{CO}_2$.

1. a) ¿Cuántos litros consume en un año?
2. b) ¿Cuántos kilogramos de $\text{CO}_2$ emite en un año? Expresá el resultado también en toneladas, redondeando a un decimal.

En un edificio se cambian $10$ bombitas incandescentes de $60\ \text{W}$ por LED de $9\ \text{W}$. Están encendidas $4\ \text{h}$ al día durante $365$ días al año.

1. a) ¿Cuántos $\text{kWh}$ se ahorran en un año? Redondeá a un decimal.
2. b) Si el precio es de $160\ \text{\$/kWh}$, ¿cuántos pesos se ahorran al año?

Para un trayecto de $400\ \text{km}$ se comparan dos opciones por persona:

• Auto a nafta que consume $6\ \text{L}$ cada $100\ \text{km}$ y en el que viaja una sola persona ($2,3\ \text{kg}$ de $\text{CO}_2$ por litro).

• Tren eléctrico que consume $12\ \text{kWh}$ por pasajero en ese trayecto ($0,15\ \text{kg}$ de $\text{CO}_2$ por $\text{kWh}$).

1. a) Calculá las emisiones de $\text{CO}_2$ del trayecto en cada opción.
2. b) ¿Cuántas veces más emite el auto que el tren en este caso? Redondeá a un decimal.

Un parque eólico tiene una potencia máxima de $100\ \text{MW}$, pero el viento no sopla siempre igual, así que su factor de carga (porcentaje medio sobre la potencia máxima) es del $30\ \%$, como se muestra en el gráfico.

1. a) ¿Cuál es su potencia media?
2. b) ¿Cuánta energía produce en un día, en $\text{MWh}$?

Una vivienda unifamiliar consume $8000\ \text{kWh}$ de gas natural al año para calefacción. El factor de emisión del gas natural es de $0,20\ \text{kg}$ de $\text{CO}_2$ por $\text{kWh}$.

1. a) ¿Cuántos kilogramos de $\text{CO}_2$ emite esa calefacción al año?
2. b) Si un buen aislamiento reduce el consumo un $25\ \%$, ¿cuántos kilogramos de $\text{CO}_2$ se dejan de emitir al año?

En el techo de una casa se instalan $6$ paneles solares de $450\ \text{W}$ cada uno. En esa zona, cada kilovatio instalado produce unos $1500\ \text{kWh}$ al año.

1. a) ¿Cuántos kilovatios de potencia suman los paneles?
2. b) ¿Cuántos $\text{kWh}$ producen al año?
3. c) La vivienda consume $3600\ \text{kWh}$ al año: ¿cubren los paneles ese consumo? ¿Cuánta energía sobra o falta?

Una instalación de paneles solares cuesta $\$5\,000\,000$ y produce $4000\ \text{kWh}$ al año que la familia deja de comprar a $160\ \text{\$/kWh}$.

1. a) ¿Cuántos pesos ahorra al año?
2. b) ¿Cuántos años tarda en amortizarse? Redondeá a un decimal.
3. c) Si un subsidio paga el $30\ \%$ de la instalación, ¿en cuánto queda el tiempo de amortización?
4. d) Los paneles duran unos $25\ \text{años}$. ¿Cuánto dinero habrán ahorrado en total en ese tiempo (sin subsidio)? Comentá si la inversión vale la pena.

Una central nuclear de $1000\ \text{MW}$ de potencia funciona $8000\ \text{h}$ al año.

1. a) ¿Cuánta energía eléctrica produce en un año, en $\text{MWh}$? Expresala también en $\text{TWh}$.
2. b) Si esa misma energía se produjera quemando gas, que emite $0,45\ \text{kg}$ de $\text{CO}_2$ por $\text{kWh}$, ¿cuántas toneladas de $\text{CO}_2$ se emitirían? La nuclear prácticamente no emite $\text{CO}_2$ al funcionar: ¿cuántas toneladas evita al año frente al gas?
3. c) Exponé dos ventajas y dos problemas de la energía nuclear, y terminá dando tu opinión argumentada sobre si debe formar parte de la matriz eléctrica.

Se compara un auto a nafta ($6\ \text{L}$ cada $100\ \text{km}$; $2,3\ \text{kg}$ de $\text{CO}_2$ por litro) con uno eléctrico ($16\ \text{kWh}$ cada $100\ \text{km}$; $0,15\ \text{kg}$ de $\text{CO}_2$ por $\text{kWh}$ con la matriz energética argentina actual).

El gráfico muestra el $\text{CO}_2$ acumulado por cada auto según los kilómetros recorridos:

1. a) Calculá los kilogramos de $\text{CO}_2$ por cada $100\ \text{km}$ de cada auto.
2. b) ¿Cuántos kilogramos emite cada uno al año si recorren $15000\ \text{km}$?
3. c) Fabricar la batería del eléctrico emite unos $6000\ \text{kg}$ de $\text{CO}_2$ más que fabricar el de nafta. Usando el ahorro de emisiones por cada $100\ \text{km}$, calculá a partir de cuántos kilómetros el eléctrico ya compensó la fabricación de su batería. Redondeá a millares.
4. d) Con esos resultados, escribí un párrafo breve argumentando cuándo conviene el auto eléctrico desde el punto de vista de las emisiones.

En el mix eléctrico español aproximado, los ciclos combinados de gas producen el $15\ \%$ de una demanda anual de $250\ \text{TWh}$ y emiten $0,45\ \text{kg}$ de $\text{CO}_2$ por $\text{kWh}$. El gráfico resume los datos del mix, actual y futuro:

1. a) ¿Cuántos $\text{TWh}$ produce hoy el gas?
2. b) En un escenario futuro la eólica sube del $25\ \%$ al $35\ \%$ y el gas baja del $15\ \%$ al $5\ \%$, manteniéndose la demanda. ¿Cuántos $\text{TWh}$ de gas se dejan de producir?
3. c) ¿Cuántas toneladas de $\text{CO}_2$ se evitarían al año con ese cambio? Expresá el resultado en notación científica.
4. d) El gas suele usarse de respaldo cuando no hay viento ni Sol. Explicá qué problema técnico habría que resolver para reducirlo al mínimo y nombrá una posible solución.

Una vivienda consume $9000\ \text{kWh}$ de gas al año en calefacción, a $70\ \text{\$/kWh}$. Aislar la fachada cuesta $\$3\,000\,000$ y reduce el consumo un $30\ \%$.

1. a) ¿Cuánto cuesta la calefacción al año antes de aislar?
2. b) ¿Cuántos pesos ahorra el aislamiento cada año?
3. c) ¿Cuál es el tiempo de retorno de la inversión? Redondeá a un decimal.
4. d) Si una ayuda pública cubre el $40\ \%$ del costo del aislamiento, ¿cuál sería el nuevo tiempo de retorno? Comentá cómo influyen las ayudas en las decisiones de ahorro energético.

Una familia quiere reducir su huella de carbono. Su situación actual:

• Electricidad: $3800\ \text{kWh}$ al año ($0,15\ \text{kg}$ de $\text{CO}_2$ por $\text{kWh}$).

• Auto a nafta: $12000\ \text{km}$ al año con un consumo de $6,5\ \text{L}$ cada $100\ \text{km}$ ($2,3\ \text{kg}$ de $\text{CO}_2$ por litro).

1. a) Calculá su huella anual actual sumando ambas partidas, en kilogramos de $\text{CO}_2$.
2. b) Aplican dos medidas: cambios de hábito y LED que ahorran $700\ \text{kWh}$ al año, y compartir el auto, que reduce los kilómetros anuales a la mitad. Calculá la nueva huella anual.
3. c) ¿En qué porcentaje redujeron su huella? Redondeá a un decimal y comentá qué partida contribuyó más a la reducción.

Un pueblo de $5000$ hogares quiere abastecerse solo con energía solar. Cada hogar consume en promedio $10\ \text{kWh}$ al día, y los paneles producen en esa zona unos $0,25\ \text{kWh}$ al día por cada $\text{m}^2$ instalado. El esquema muestra el flujo de energía entre los paneles, los hogares y las baterías:

1. a) ¿Cuánta energía consume el pueblo al día, en $\text{MWh}$?
2. b) ¿Cuántos $\text{m}^2$ de paneles harían falta? Expresá el resultado también en hectáreas ($1\ \text{ha} = 10000\ \text{m}^2$).
3. c) Si el $40\ \%$ del consumo se produce de noche, ¿cuánta energía, en $\text{MWh}$, deberían almacenar las baterías del pueblo cada día?
4. d) Planteá dos desafíos técnicos o territoriales de abastecer un pueblo solo con energía solar y una posible solución para cada uno.

Un auto eléctrico consume $16\ \text{kWh}$ cada $100\ \text{km}$. Su huella depende de cómo se haya producido la electricidad (factores de emisión: mix español actual $0,15\ \text{kg}$ de $\text{CO}_2$ por $\text{kWh}$; electricidad de carbón $0,9\ \text{kg}$ de $\text{CO}_2$ por $\text{kWh}$). Un auto a nafta comparable emite $13,8\ \text{kg}$ de $\text{CO}_2$ cada $100\ \text{km}$.

1. a) Calculá los kilogramos de $\text{CO}_2$ cada $100\ \text{km}$ del eléctrico con el mix actual y con electricidad de carbón.
2. b) Compará los tres casos: ¿con qué electricidad el auto eléctrico emite incluso más que el de nafta?
3. c) Con estos datos, escribí un argumento breve a favor del auto eléctrico y otro que matice esa conclusión, mencionando el papel del mix eléctrico.

Reto del tema. ¿Cuánta energía cuesta calentar agua y qué impacto ambiental tiene según la hora en que lo hagas?

1. Medida experimental: Calentá $m = (0,50 \pm 0,01)\text{ kg}$ de agua en un microondas o en una pava eléctrica. Medí su temperatura a intervalos regulares de $30\text{ s}$ durante $2\text{ min}$ (con incertidumbres de $\pm 1\text{ s}$ y $\pm 0,5\text{ }^\circ\text{C}$). Armá una tabla con los datos y graficá $T$ en función de $t$ para calcular la energía térmica útil transferida: $E = m \cdot c \cdot \Delta T$, con $c = 4180\text{ J/(kg}\cdot^\circ\text{C)}$.

2. Rendimiento energético: Fijate la potencia nominal ($P_{\text{nom}}$) en la etiqueta de tu electrodoméstico. Determiná la energía eléctrica consumida ($E_{\text{cons}} = P_{\text{nom}} \cdot t$) y calculá el rendimiento energético del proceso: $\eta = (E / E_{\text{cons}}) \cdot 100\,\%$.

3. Matriz eléctrica y propuesta: Entrá en la web de CAMMESA (Compañía Administradora del Mercado Mayorista Eléctrico) y registrá la cuota de generación renovable y las emisiones de $\text{CO}_2$ asociadas en ese momento. Elaborá un informe breve con una propuesta razonada que justifique los mejores hábitos y horarios de consumo para minimizar el impacto ambiental en tu hogar.

Se valorará:

• Rigor en la toma de medidas caseras, expresión correcta de incertidumbres y calidad del gráfico.

• Corrección en el cálculo de la energía útil transferida y del rendimiento del aparato.

• Análisis crítico de los datos reales de CAMMESA integrados en una propuesta de consumo responsable.