Exercicis: L'energia i el seu consum

Explica la diferència entre una font d'energia renovable i una de no renovable (si s'exhaureix o no a escala humana) i escriu tres exemples de cada tipus, indicant d'on s'obté cadascuna.

La figura classifica algunes fonts d'energia en dues famílies, però falta una font no renovable.

La font que falta no crema res, però fa servir urani i genera residus radioactius molt duradors. Anomena-la i afegeix-la a la classificació, explica el criteri que separa les dues famílies i classifica aquestes quatre fonts: la biomassa, l'energia de les marees, el carbó i la calor de l'interior de la Terra.

Explica què és una transformació d'energia amb dos exemples de la teva vida:

1. a) Una làmpada encesa.

1. b) Pedalar amb la bici.

En cada cas, indica quina energia entra i quina energia surt.

La figura mostra la cadena de transformacions d'una presa hidroelèctrica, amb una màquina tapada.

Entre la turbina i la xarxa hi ha una màquina que converteix el gir en electricitat. Anomena-la, explica quina transformació d'energia ocorre en cada baula de la cadena i raona per què l'electricitat no és una font d'energia, sinó una manera de transportar-la.

Explica amb les teves paraules què mesura el quilowatt-hora (kWh) i per què és la unitat de la factura de la llum: ajunta quanta potència té un aparell amb quant de temps està funcionant. Posa un exemple amb un aparell de $1\ \text{kW}$ encès una hora.

Explica quina informació dona l'etiqueta energètica d'un electrodomèstic: la lletra d'eficiència (de la A a la G) i el consum estimat a l'any. Quina lletra triaries entre dos models semblants i per què no n'hi ha prou de mirar només el preu?

Explica què és l'eficiència energètica amb l'exemple de les bombetes LED: donen la mateixa llum consumint molta menys electricitat perquè amb prou feines perden energia en calor. On es «perd» l'energia en una bombeta antiga?

Esmenta tres mesures d'estalvi d'energia a casa (apagar llums i aparells en espera, abaixar un grau la calefacció, fer servir programes curts a la rentadora) i explica què canvia cadascuna: menys potència, menys temps d'ús o menys pèrdues.

Descriu la cadena de transformacions d'una central tèrmica de gas: energia química del combustible → tèrmica en cremar-lo → cinètica del vapor i la turbina → elèctrica a l'alternador. Explica què passa a cada baula i on es perd més energia en forma de calor.

El Sol i el vent no sempre estan disponibles. Explica què és la intermitència de les renovables, quines tres solucions la compensen (embassaments que guarden aigua, bateries, combinar diverses fonts a la xarxa) i per què no podem dependre d'una sola font.

La figura mostra una etiqueta energètica simplificada i les dades d'un frigorífic amb el seu consum anual tapat.

El frigorífic consumeix de mitjana $100\ \text{W}$ i està connectat les $24$ hores. Calcula el seu consum en un dia i en un any en kWh, estima el cost anual a $0{,}15\ \text{€}$ el kWh i explica quines dues dades de l'etiqueta compararies abans de comprar-ne un de nou.

Una vitroceràmica de $1.200\ \text{W}$ es fa servir $1$ hora al dia. Calcula el seu consum en un mes de $30$ dies en kWh i el seu cost a $0{,}15\ \text{€}$ el kWh, mostrant els passos (potència en kW, energia del mes, cost), i compara el resultat amb el que consumeix carregar el mòbil cada dia, sabent que cada càrrega completa consumeix uns $12\ \text{Wh}$.

Dos frigorífics semblants: un de lletra A que consumeix $150\ \text{kWh}$ a l'any i costa $650\ \text{€}$, i un altre de lletra D que consumeix $350\ \text{kWh}$ a l'any i costa $500\ \text{€}$. Calcula la despesa anual en electricitat de cadascun a $0{,}15\ \text{€}$ el kWh, l'estalvi anual del model A i en quants anys es recupera la diferència de preu. Quin compraries?

Un televisor en espera consumeix $3\ \text{W}$ durant $20$ hores al dia. Calcula el seu consum anual en kWh i el seu cost a $0{,}15\ \text{€}$ el kWh, explica què és el «consum vampir» i proposa una solució senzilla per a tota la casa (una regleta amb interruptor).

Un kWh no «embruta» sempre el mateix: depèn de amb quines fonts s'hagi generat en aquell moment (el «mix» elèctric). Explica per què consumir quan bufa el vent o brilla el sol té menys emissions que en hores punta sense renovables, i quin hàbit pots canviar a casa per aprofitar-ho.

Fes una miniauditoria del teu institut: detecta quatre malbarataments d'energia (llums encesos sense ningú, pantalles en espera, calefacció amb finestres obertes, equips antics) i proposa una mesura per a cadascun, ordenant-los per l'impacte que creus que tindrien.

Un municipi costaner amb serra propera consumeix $8\ \text{MW}$ de potència base constant, però registra pics de $18\ \text{MW}$ a les nits d'hivern (per calefacció) i de $22\ \text{MW}$ al migdia a l'estiu (per turisme i climatització). Disposa d'un parc eòlic a la muntanya, una planta solar fotovoltaica i una central de cicle combinat de gas natural. Dissenya i justifica el repartiment de la generació assignant a cada tecnologia una funció clara (càrrega base, seguiment de pics o reserva de seguretat) per evitar apagades amb el menor impacte ambiental possible. Explica detalladament com ha de respondre el sistema durant tres dies consecutius d'hivern coberts per un temporal sense vent.

Un usuari publica a les xarxes socials: «Una central tèrmica de gas que aprofita el $38\ \%$ de l'energia del combustible és un nyap de l'enginyeria; a casa meva, un radiador elèctric té un rendiment del $100\ \%$ perquè converteix tota l'electricitat en calor».

1. a) Rebat tècnicament aquesta afirmació: descriu la cadena de transformacions energètiques a la central tèrmica i justifica en quins punts es produeixen les pèrdues tèrmiques inevitables segons les lleis de la termodinàmica.
2. b) Si substituïm la central de gas per un parc eòlic que aprofita el $40\ \%$ de l'energia del vent, explica per què aquest rendiment del $40\ \%$ no suposa el mateix cost econòmic ni ambiental que el $38\ \%$ de la tèrmica.

Un país amb alta penetració de renovables ha de decidir si perllonga $10$ anys la vida dels seus reactors nuclears o si els desconnecta immediatament i utilitza centrals de gas com a suport mentre instal·la més bateries i parcs eòlics.

1. a) Analitza el dilema tècnic i ambiental avaluant dos criteris contraposats: la reducció immediata de gasos d'efecte d'hivernacle enfront del problema dels residus d'alta activitat a llarg termini.
2. b) Des del punt de vista de l'estabilitat de la xarxa elèctrica, quin inconvenient operatiu presentaria dependre exclusivament de solar i eòlica sense el suport continu d'una font síncrona ferma com la nuclear o el gas? Formula i justifica la teva recomanació tècnica.

Una família gasta a l'any $2.400\ \text{€}$ en electricitat en un habitatge mal aïllat ($70\ \%$ en calefacció, $15\ \%$ en aigua calenta i $15\ \%$ en electrodomèstics i il·luminació). Disposa d'un pressupost de $3.000\ \text{€}$ per millorar l'habitatge i dubta entre dues opcions:

• Opció A: Renovar electrodomèstics antics per aparells classe A i il·luminació LED (cost: $2.500\ \text{€}$; estalvi estimat: $30\ \%$ del consum en electrodomèstics i il·luminació).

• Opció B: Instal·lar aïllament tèrmic en sostres i segellar fuites d'aire en finestres (cost: $2.800\ \text{€}$; estalvi estimat: $25\ \%$ del consum de calefacció).

1. a) Calcula l'estalvi econòmic anual de cada opció i quants anys trigarà la família a amortitzar cada inversió.
2. b) Justifica tècnicament per què millorar l'envolupant de l'edifici sol ser una mesura molt més prioritària que substituir equips consumidors.

Un habitatge consumeix $3.500\ \text{kWh}$ a l'any. La família instal·la panells solars per $4.200\ \text{€}$ que produeixen $3.000\ \text{kWh}$ anuals. L'electricitat que compren de la xarxa costa $0{,}20\ \text{€/kWh}$ i la companyia els compensa els excedents abocats a només $0{,}06\ \text{€/kWh}$.

1. a) Si la família és fora en hores de Sol i només autoconsumeix directament el $30\ \%$ de l'energia solar generada (abocant el $70\ \%$ restant a la xarxa), calcula l'estalvi anual obtingut i els anys necessaris per amortitzar la instal·lació.
2. b) Si programen el termo d'aigua, la rentadora i el rentavaixella per elevar l'autoconsum directe al $70\ \%$ (abocant només el $30\ \%$), recalcula l'estalvi i el nou termini d'amortització. Explica a què es deu la diferència econòmica si la producció solar total ha estat idèntica.

Un ajuntament només pot finançar una instal·lació solar fotovoltaica sense bateries i ha de triar entre la coberta d'un institut de secundària (horari d'activitat de $8{:}00$ a $15{:}00$, de dilluns a divendres) o la d'un centre esportiu municipal (horari de $16{:}00$ a $23{:}00$ tots els dies).

1. a) Dibuixa de manera aproximada o descriu la superposició de la corba de producció solar horària amb la corba de consum de cada edifici. Justifica en quin dels dos edificis l'autoconsum directe resultarà molt més rentable i eficient.
2. b) L'institut té un greu inconvenient: no té activitat els caps de setmana ni durant el juliol i l'agost, quan la producció solar és màxima. Proposa dues solucions tècniques o de gestió per aprofitar aquests excedents estacionals en benefici de la comunitat sense instal·lar acumuladors químics cars.

A la factura mensual d'electricitat d'un habitatge apareixen aquests conceptes abans d'impostos:

• Terme de potència: $5{,}75\ \text{kW}$ contractats a $0{,}11\ \text{€/(kW}\cdot\text{dia)}$ durant $30$ dies $\rightarrow 18{,}98\ \text{€}$.

• Terme d'energia: $180\ \text{kWh}$ consumits a $0{,}18\ \text{€/kWh} \rightarrow 32{,}40\ \text{€}$.

L'interruptor de control de potència (ICP) no ha saltat mai, i els dos aparells de més potència a la casa són el forn ($2{,}0\ \text{kW}$) i la rentadora ($1{,}8\ \text{kW}$).

1. a) Si redueixen la potència contractada a $4{,}0\ \text{kW}$ i redueixen el seu consum en $30\ \text{kWh}$ al mes apagant dispositius en repòs (stand-by), calcula l'estalvi econòmic mensual abans d'impostos.
2. b) Explica la diferència tècnica entre els dos conceptes cobrats: per què el terme de potència es paga encara que la casa estigui buida durant un mes i quin hàbit han d'adoptar amb els electrodomèstics per no sobrepassar els $4{,}0\ \text{kW}$.

Un municipi disposa d'una partida de $120.000\ \text{€}$ per a acció climàtica i ha de triar entre dos projectes amb el mateix estalvi energètic net anual estimat:

• Projecte 1 (Generació): Muntar una planta solar municipal que produirà $100.000\ \text{kWh}$ a l'any per injectar a la xarxa.

• Projecte 2 (Eficiència i estalvi): Substituir l'enllumenat públic per tecnologia LED amb telegestió i aïllar tèrmicament la coberta del poliesportiu municipal, la qual cosa reduirà el consum elèctric en $100.000\ \text{kWh}$ a l'any.

Justifica tècnicament per què els plans de transició energètica apliquen el principi «primer, l'eficiència energètica», demostrant quins avantatges ambientals i operatius té evitar el consum enfront de generar energia neta per alimentar un sistema ineficient.

Repte del tema. Com impacta el consum elèctric de la teva llar en el sistema energètic nacional? Converteix-te en auditor energètic i dissenya un pla d'optimització amb dades reals.

1. Presa de dades: Tria tres electrodomèstics habituals de casa teva (per exemple, forn, rentadora i microones). Anota la seva potència nominal en watts ($W$) consultant la seva etiqueta tècnica i estima les seves hores diàries d'ús ($h$).

2. Anàlisi i contrast: Entra al web de Red Eléctrica de España (REE) i observa la corba de demanda peninsular en temps real. A LibreOffice Calc, crea una taula per calcular l'energia consumida en un dia ($E = P \cdot t$, en $kWh$) i el seu cost econòmic estimat aplicant una tarifa mitjana de $0,15$ €/$kWh$. Genera un diagrama de barres amb el consum relatiu de cada receptor.

3. Pla d'optimització: Redacta una proposta de millora (una pàgina) amb tres pautes realistes per reduir el consum domèstic i desplaçar hàbits fora de les hores punta identificades a REE.

Es valorarà:

• Precisió en el càlcul d'energia ($kWh$) i costos mitjançant l'ús adequat de fórmules a LibreOffice Calc.

• Relació crítica establerta entre els pics de demanda oficials de REE i l'ús dels electrodomèstics.

• Viabilitat i rigor tècnic de les pautes d'eficiència energètica proposades.