Ejercicios: Producción y uso responsable de la energía

La matriz eléctrica 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 la gráfica.

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

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

Producir $1\ \text{kWh}$ de electricidad en México emite en promedio 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 bombilla LED de $10\ \text{W}$ da la misma luz que una incandescente de $60\ \text{W}$, como se muestra en la figura.

1. a) Calcula la energía que consume cada una si están encendidas $5\ \text{h}$, en $\text{kWh}$.
2. b) ¿Cuál de las dos es más eficiente? Explícalo 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 un refrigerador sea de clase A y otro de clase G?
2. b) Explica por qué conviene revisar esa etiqueta antes de comprar, aunque el de clase A sea más caro.

Quemar un litro de gasolina emite unos $2.3\ \text{kg}$ de $\text{CO}_2$. Si un auto gasta un tanque de $40\ \text{L}$, ¿cuántos kilogramos de $\text{CO}_2$ emitió?

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

Una instalación de placas solares cuesta $\$4000$ y ahorra $\$500$ al año en la factura de la luz. La gráfica 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 México es de unos $250\ \text{TWh}$. Con la mezcla aproximada 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 sistema eléctrico mexicano es de $0.15\ \text{kg}$ de $\text{CO}_2$ por $\text{kWh}$.

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

Un auto de gasolina consume $6\ \text{L}$ cada $100\ \text{km}$ y recorre $12000\ \text{km}$ al año. Quemar un litro de gasolina 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? Expresa el resultado también en toneladas, redondeando a un decimal.

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

1. a) ¿Cuántos $\text{kWh}$ se ahorran en un año? Redondea a un decimal.
2. b) Si el precio es de $3.20\ \text{\$/kWh}$, ¿cuántos pesos se ahorran al año?

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

• Auto de gasolina 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) Calcula las emisiones de $\text{CO}_2$ del trayecto en cada opción.
2. b) ¿Cuántas veces emite más el auto que el tren en este caso? Redondea 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 la gráfica.

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 tejado 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 $\$100\,000$ y produce $4000\ \text{kWh}$ al año que la familia deja de comprar a $3.20\ \text{\$/kWh}$.

1. a) ¿Cuántos pesos ahorra al año?
2. b) ¿Cuántos años tarda en amortizarse? Redondea 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)? Comenta 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 $\text{MWh}$? Exprésala 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) Expón dos ventajas y dos problemas de la energía nuclear, y termina dando tu opinión argumentada sobre si debe formar parte del mix eléctrico.

Se compara un auto de gasolina ($6\ \text{L}$ 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 eléctrica actual en México).

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

1. a) Calcula 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 gasolina. Usando el ahorro de emisiones por cada $100\ \text{km}$, calcula a partir de cuántos kilómetros el eléctrico ya compensó la fabricación de su batería. Redondea a millares.
4. d) Con esos resultados, escribe un párrafo breve argumentando cuándo vale la pena el auto eléctrico desde el punto de vista de las emisiones.

En la matriz eléctrica aproximada, 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 $\text{kWh}$. La gráfica resume los datos de la matriz, actual y futura:

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? Expresa el resultado en notación científica.
4. d) El gas suele usarse de respaldo cuando no hay viento ni Sol. Explica qué problema técnico habría que resolver para reducirlo al mínimo y nombra una posible solución.

Una vivienda consume $9000\ \text{kWh}$ de gas al año en calefacción, a $1.40\ \text{\$/kWh}$. Aislar la fachada cuesta $\$60\,000$ 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? Redondea a un decimal.
4. d) Si un apoyo gubernamental cubre el $40\ \%$ del costo del aislamiento, ¿cuál sería el nuevo tiempo de retorno? Comenta cómo influyen estos apoyos 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 de gasolina: $12000\ \text{km}$ 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) Calcula 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 auto, que reduce los kilómetros anuales a la mitad. Calcula la nueva huella anual.
3. c) ¿En qué porcentaje han reducido su huella? Redondea a un decimal y comenta qué partida ha contribuido más a la reducción.

Un pueblo de $5000$ hogares quiere abastecerse solo con energía solar. Cada hogar consume de media $10\ \text{kWh}$ 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? Expresa 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) Expón dos retos técnicos o territoriales de abastecer un pueblo solo con 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 mexicano 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 de gasolina comparable emite $13.8\ \text{kg}$ de $\text{CO}_2$ cada $100\ \text{km}$.

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