Ejercicios: La energía y su consumo

Explica la diferencia entre una fuente de energía renovable y una no renovable (si se agota o no a escala humana) y escribe tres ejemplos de cada tipo, indicando de dónde se obtiene cada una.

La figura clasifica algunas fuentes de energía en dos familias, pero falta una fuente no renovable.

La fuente que falta no quema nada, pero usa uranio y genera residuos radiactivos muy duraderos. Nómbrala y añádela a la clasificación, explica el criterio que separa las dos familias y clasifica estas cuatro fuentes: la biomasa, la energía de las mareas, el carbón y el calor del interior de la Tierra.

Explica qué es una transformación de energía con dos ejemplos de tu vida:

1. a) Una lámpara encendida.

1. b) Pedalear en bici.

En cada caso, indica qué energía entra y qué energía sale.

La figura muestra la cadena de transformaciones de una presa hidroeléctrica, con una máquina tapada.

Entre la turbina y la red hay una máquina que convierte el giro en electricidad. Nómbrala, explica qué transformación de energía ocurre en cada eslabón de la cadena y razona por qué la electricidad no es una fuente de energía, sino una forma de transportarla.

Explica con tus palabras qué mide el kilovatio-hora (kWh) y por qué es la unidad de la factura de la luz: junta cuánta potencia tiene un aparato con cuánto tiempo está funcionando. Pon un ejemplo con un aparato de $1\ \text{kW}$ encendido una hora.

Explica qué información da la etiqueta energética de un electrodoméstico: la letra de eficiencia (de la A a la G) y el consumo estimado al año. ¿Qué letra elegirías entre dos modelos parecidos y por qué no basta mirar solo el precio?

Explica qué es la eficiencia energética con el ejemplo de las bombillas LED: dan la misma luz consumiendo mucha menos electricidad porque apenas pierden energía en calor. ¿Dónde se «pierde» la energía en una bombilla antigua?

Cita tres medidas de ahorro de energía en casa (apagar luces y aparatos en espera, bajar un grado la calefacción, usar programas cortos en la lavadora) y explica qué cambia cada una: menos potencia, menos tiempo de uso o menos pérdidas.

Describe la cadena de transformaciones de una central térmica de gas: energía química del combustible → térmica al quemarlo → cinética del vapor y la turbina → eléctrica en el alternador. Explica qué pasa en cada eslabón y dónde se pierde más energía en forma de calor.

El Sol y el viento no siempre están disponibles. Explica qué es la intermitencia de las renovables, qué tres soluciones la compensan (embalses que guardan agua, baterías, combinar varias fuentes en la red) y por qué no podemos depender de una sola fuente.

La figura muestra una etiqueta energética simplificada y los datos de un refrigerador con su consumo anual tapado.

El refrigerador consume en promedio $100\ \text{W}$ y está conectado las $24$ horas. Calcula su consumo en un día y en un año en kWh, estima el costo anual a $\$3$ el kWh y explica qué dos datos de la etiqueta compararías antes de comprar uno nuevo.

Una parrilla de vitrocerámica de $1,200\ \text{W}$ se usa $1$ hora al día. Calcula su consumo en un mes de $30$ días en kWh y su costo a $\$3$ el kWh, mostrando los pasos (potencia en kW, energía del mes, costo), y compara el resultado con lo que consume cargar el celular cada día, sabiendo que cada carga completa consume unos $12\ \text{Wh}$.

Dos frigoríficos parecidos: uno de letra A que consume $150\ \text{kWh}$ al año y cuesta $\$13\,000$, y otro de letra D que consume $350\ \text{kWh}$ al año y cuesta $\$10\,000$. Calcula el gasto anual en electricidad de cada uno a $\$3$ el kWh, el ahorro anual del modelo A y en cuántos años se recupera la diferencia de precio. ¿Cuál comprarías?

Un televisor en espera consume $3\ \text{W}$ durante $20$ horas al día. Calcula su consumo anual en kWh y su costo a $\$3$ el kWh, explica qué es el «consumo vampiro» y propón una solución sencilla para toda la casa (un multicontacto con interruptor).

Un kWh no «ensucia» siempre lo mismo: depende de con qué fuentes se haya generado en ese momento (el «mix» eléctrico). Explica por qué consumir cuando sopla el viento o brilla el sol tiene menos emisiones que en horas punta sin renovables, y qué hábito puedes cambiar en casa para aprovecharlo.

Haz una miniauditoría de tu escuela: detecta cuatro desperdicios de energía (luces encendidas sin nadie, pantallas en espera, calefacción con ventanas abiertas, equipos antiguos) y propón una medida para cada uno, ordenándolos por el impacto que crees que tendrían.

Un municipio costero con sierra cercana consume $8\ \text{MW}$ de potencia base constante, pero registra picos de $18\ \text{MW}$ en las noches de invierno (por calefacción) y de $22\ \text{MW}$ al mediodía en verano (por turismo y climatización). Dispone de un parque eólico en la montaña, una planta solar fotovoltaica y una central de ciclo combinado de gas natural. Diseña y justifica el reparto de la generación asignando a cada tecnología una función clara (carga base, seguimiento de picos o reserva de seguridad) para evitar apagones con el menor impacto ambiental posible. Explica detalladamente cómo debe responder el sistema durante tres días consecutivos de invierno cubiertos por un temporal sin viento.

Un usuario publica en redes sociales: «Una central térmica de gas que aprovecha el $38\ \%$ de la energía del combustible es una chapuza de la ingeniería; en mi casa, un radiador eléctrico tiene un rendimiento del $100\ \%$ porque convierte toda la electricidad en calor».

1. a) Rebate técnicamente esta afirmación: describe la cadena de transformaciones energéticas en la central térmica y justifica en qué puntos se producen las pérdidas térmicas inevitables según las leyes de la termodinámica.
2. b) Si sustituimos la central de gas por un parque eólico que aprovecha el $40\ \%$ de la energía del viento, explica por qué ese rendimiento del $40\ \%$ no supone el mismo coste económico ni ambiental que el $38\ \%$ de la térmica.

Un país con alta penetración de renovables debe decidir si prolonga $10$ años la vida de sus reactores nucleares o si los desconecta de inmediato y utiliza centrales de gas como respaldo mientras instala más baterías y parques eólicos.

1. a) Analiza el dilema técnico y ambiental evaluando dos criterios contrapuestos: la reducción inmediata de gases de efecto invernadero frente al problema de los residuos de alta actividad a largo plazo.
2. b) Desde el punto de vista de la estabilidad de la red eléctrica, ¿qué inconveniente operativo presentaría depender exclusivamente de solar y eólica sin el apoyo continuo de una fuente síncrona firme como la nuclear o el gas? Formula y justifica tu recomendación técnica.

Diseña la estrategia de consumo de tu casa ideal: ordena cinco decisiones por relación impacto/costo (aislamiento, orientación y sombras, termostato a $19\celsius$-$21\celsius$, iluminación LED y tarifa con disciplina de horarios) y explica por qué aislar suele ganar a cambiar de aparatos.

Una vivienda consume $3,500\ \text{kWh}$ al año. La familia instala paneles solares por $\$4,200$ que producen $3,000\ \text{kWh}$ anuales. La electricidad que compran de la red cuesta $0.20\ \text{\$/kWh}$ y la compañía les compensa los excedentes vertidos a solo $0.06\ \text{\$/kWh}$.

1. a) Si la familia está fuera en horas de Sol y solo autoconsume directamente el $30\ \%$ de la energía solar generada (vertiendo el $70\ \%$ restante a la red), calcula el ahorro anual obtenido y los años necesarios para amortizar la instalación.
2. b) Si programan el termo de agua, la lavadora y el lavavajillas para elevar el autoconsumo directo al $70\ \%$ (vertiendo solo el $30\ \%$), recalcula el ahorro y el nuevo plazo de amortización. Explica a qué se debe la diferencia económica si la producción solar total ha sido idéntica.

La escuela quiere paneles solares en su azotea. Razona por qué el autoconsumo encaja mejor en una escuela que en una casa (su horario de máximo consumo coincide con las horas de sol), qué pasaría con la energía sobrante del fin de semana y qué datos medirías antes de decidir.

En la factura mensual de electricidad de una vivienda aparecen estos conceptos antes de impuestos:

• Término de potencia: $5.75\ \text{kW}$ contratados a $0.11\ \text{\$/(kW}\times\text{día)}$ durante $30$ días $\rightarrow \$18.98$.

• Término de energía: $180\ \text{kWh}$ consumidos a $0.18\ \text{\$/kWh} \rightarrow \$32.40$.

El interruptor de control de potencia (ICP) nunca ha saltado, y los dos aparatos de mayor potencia en la casa son el horno ($2.0\ \text{kW}$) y la lavadora ($1.8\ \text{kW}$).

1. a) Si reducen la potencia contratada a $4.0\ \text{kW}$ y reducen su consumo en $30\ \text{kWh}$ al mes apagando dispositivos en reposo (stand-by), calcula el ahorro económico mensual antes de impuestos.
2. b) Explica la diferencia técnica entre los dos conceptos cobrados: por qué el término de potencia se paga aunque la casa esté vacía durante un mes y qué hábito deben adoptar con los electrodomésticos para no sobrepasar los $4.0\ \text{kW}$.

Comenta la frase «la energía más barata y más limpia es la que no se consume»: compara dos estrategias de un municipio, instalar más renovables o reducir el consumo con eficiencia (luminarias LED, aislar edificios públicos), y defiende con argumentos cuál pondrías en marcha primero y por qué.