Eficiencia energética y fuentes de energía
Mateo enchufa la estufa eléctrica en una noche de invierno en Montevideo. Toda la energía eléctrica que entra termina calentando la pieza... ¿o no? Y cuando llega la factura de UTE, ¿qué quiere decir exactamente «kWh»? En este apartado vas a aprender a medir cuánta energía se aprovecha de verdad, a leer el consumo de tu casa y a ubicar de dónde sale la energía que usamos en Uruguay.
Eficiencia: lo útil frente a lo total
Cuando un aparato funciona, transforma energía de una forma a otra. Una lámpara transforma energía eléctrica en luz, un motor transforma energía química en trabajo mecánico. Pero nunca toda la energía termina en lo que nos interesa: una parte se transfiere al ambiente, casi siempre como calor.
Por el principio de conservación de la energía, la energía total se mantiene. Entonces:
$$E_{total} = E_{útil} + E_{disipada}$$La energía disipada no desaparece: se reparte en el ambiente como energía térmica (y a veces sonido o vibraciones), tan dispersa que ya no la podemos aprovechar. Por eso no conviene decir que «se pierde», sino que se disipa.
¿Por qué nunca llega al 100 %? Porque siempre hay fricción, calentamiento de cables, ruido, etc., y esa energía térmica dispersa no se puede volver a juntar para hacer trabajo útil.
Una estufa eléctrica recibe 1.000 J de energía eléctrica y entrega 800 J útiles como calor al ambiente. Escribí la expresión de la eficiencia y calculala en porcentaje.…
Una estufa eléctrica recibe 1.000 J de energía eléctrica y entrega 800 J útiles como calor al ambiente. Escribí la expresión de la eficiencia y calculala en porcentaje. Indicá qué ocurre con los 200 J restantes.
Un motor eléctrico de una bomba de agua en un campo de Tacuarembó consume 2.000 J de energía eléctrica por cada segundo de funcionamiento y levanta agua realizando un…
Un motor eléctrico de una bomba de agua en un campo de Tacuarembó consume 2.000 J de energía eléctrica por cada segundo de funcionamiento y levanta agua realizando un trabajo útil de 1.500 J en ese mismo tiempo.
- a) Calculá la eficiencia del motor.
- b) Calculá la energía que se disipa por segundo y nombrá dos causas físicas de esa disipación.
- c) Si se quisiera obtener 6.000 J de trabajo útil, ¿cuánta energía eléctrica haría falta con la misma eficiencia?
Eficiencia en procesos reales: motores y cadenas
El motor de un auto que recorre una ruta nacional transforma en trabajo mecánico apenas el 25 % de la energía química de la nafta. El resto se transfiere al ambiente como calor (gases de escape, radiador, fricción interna). Esa energía disipada está tan dispersa que no la podemos reutilizar fácilmente para mover el auto.
Muchas veces el aparato necesita más de una etapa. Pensá en la central hidroeléctrica de Salto Grande: el agua cae (energía potencial), una turbina la transforma en energía de rotación, un generador la transforma en eléctrica y las líneas la llevan hasta el barrio. Cada etapa tiene su eficiencia y cada una trabaja con lo que le entrega la anterior.
Bruno analiza un auto que recorre una ruta nacional. El motor a nafta transforma en trabajo mecánico solo el 25 % de la energía química del combustible que quema. En un…
Bruno analiza un auto que recorre una ruta nacional. El motor a nafta transforma en trabajo mecánico solo el 25 % de la energía química del combustible que quema. En un tramo se queman combustibles cuya energía química liberada es de $4 \cdot 10^7\ \text{J}$.
- a) Calculá el trabajo mecánico útil obtenido.
- b) ¿Cuánta energía se transfiere al ambiente? ¿En qué formas aparece principalmente?
- c) Explicá por qué esa energía disipada no se puede reutilizar fácilmente para mover el auto.
Una central hidroeléctrica convierte energía en varias etapas. Del agua que cae, la turbina aprovecha el 90 % de la energía potencial gravitatoria, el generador…
Una central hidroeléctrica convierte energía en varias etapas. Del agua que cae, la turbina aprovecha el 90 % de la energía potencial gravitatoria, el generador transforma en energía eléctrica el 95 % de lo que recibe de la turbina y la línea de transmisión entrega al barrio el 92 % de la energía eléctrica generada. Cada segundo cae agua que aporta $5{,}0 \cdot 10^6\ \text{J}$ de energía potencial.
- a) Calculá la energía que llega al barrio por segundo.
- b) Hallá la eficiencia global de la cadena y explicá por qué no es la media de las tres eficiencias.
- c) Indicá en qué etapa se pierde más energía en valor absoluto y discutí una forma de reducir esa pérdida.
Consumo en la factura de UTE: el kilowatt-hora
La potencia $P$ es la rapidez con que se transfiere o transforma energía: $P = \dfrac{E}{t}$. Se mide en watt ($1\ \text{W} = 1\ \text{J/s}$). Despejando, la energía consumida es:
$$E = P \cdot t$$Si la potencia está en kW y el tiempo en horas, la energía queda en kilowatt-hora (kWh). Es la unidad que figura en la factura de UTE.
En una factura de UTE figura un consumo de 180 kWh en el mes. Sabiendo que $1\ \text{kWh} = 3{,}6 \cdot 10^6\ \text{J}$, expresá ese consumo en joules. Explicá en una…
En una factura de UTE figura un consumo de 180 kWh en el mes. Sabiendo que $1\ \text{kWh} = 3{,}6 \cdot 10^6\ \text{J}$, expresá ese consumo en joules. Explicá en una frase qué magnitud mide el kWh.
Micaela compara dos lámparas que dan la misma luz. La lámpara incandescente tiene una potencia de 60 W y la lámpara LED, de 9 W. Ambas se usan 5 horas por día durante 30…
Micaela compara dos lámparas que dan la misma luz. La lámpara incandescente tiene una potencia de 60 W y la lámpara LED, de 9 W. Ambas se usan 5 horas por día durante 30 días.
- a) Calculá la energía consumida por cada una en el mes, en kWh.
- b) Si el kWh cuesta 8 pesos, calculá el ahorro en pesos en el mes al usar la lámpara LED.
- c) ¿Qué indica esto sobre la eficiencia de cada lámpara, si ambas producen la misma energía luminosa?
Calentar agua: energía necesaria y eficiencia
Una situación muy real: ¿cuánta energía hace falta para calentar el agua de la ducha? Para calentar una masa $m$ de agua un cambio de temperatura $\Delta T$ hay que transferirle:
$$Q = m \cdot c \cdot \Delta T$$con $c = 4.180\ \text{J/(kg}\cdot\text{K)}$ para el agua. Esa es la energía que debe recibir el agua (la energía útil). La que consume el aparato es mayor, porque su eficiencia es menor que 1:
$$E_{consumida} = \frac{E_{útil}}{\eta}$$Un calefón solar aprovecha energía renovable del Sol para hacer la mayor parte de ese calentamiento, y la electricidad solo completa los días nublados. Así baja el consumo de la red, aunque el panel tenga su propia eficiencia.
Una familia de Maldonado analiza dos formas de calentar agua para la ducha: un calefón eléctrico que consume 2.500 W y un calefón solar térmico complementado con un…
Una familia de Maldonado analiza dos formas de calentar agua para la ducha: un calefón eléctrico que consume 2.500 W y un calefón solar térmico complementado con un respaldo eléctrico. Necesitan calentar 100 L de agua por día de $15\ ^\circ\text{C}$ a $45\ ^\circ\text{C}$. Datos: densidad del agua $1\ \text{kg/L}$, calor específico $4.180\ \text{J/(kg}\cdot\text{K)}$. Suponé que el calefón eléctrico tiene una eficiencia del 90 %.
- a) Calculá la energía que debe recibir el agua por día.
- b) Calculá la energía eléctrica que consume el calefón eléctrico por día, en kWh, y cuánto tiempo debe funcionar.
- c) Si el sistema solar aporta el 70 % de la energía necesaria y el resto lo cubre el calefón eléctrico con la misma eficiencia, calculá el ahorro diario en kWh.
- d) Valorá el impacto ambiental y económico de ambas opciones, comparando fuentes renovables y no renovables.
Fuentes de energía y matriz eléctrica de Uruguay
Las fuentes de energía son los recursos de donde obtenemos la energía que usamos. Se clasifican según si se reponen a escala humana o no.
| Tipo | Qué significa | Ejemplos |
|---|---|---|
| Renovables | Se reponen de forma natural en tiempos cortos o son prácticamente inagotables | Solar, eólica, hidráulica, biomasa |
| No renovables | Existen en cantidad limitada; se formaron en millones de años | Petróleo (y sus derivados, nafta y gasoil), carbón mineral, gas natural |
La matriz eléctrica de un país es el reparto de las fuentes con que genera su electricidad. La de Uruguay se destaca porque, cualitativamente, depende en gran parte de fuentes renovables: la hidráulica (represas como Salto Grande), la eólica (parques en distintos departamentos), la biomasa (residuos de la industria forestal y agrícola) y la solar. Las fuentes con combustibles fósiles tienen un papel menor, de respaldo.
Eso no significa que toda la energía que usamos sea renovable: el transporte (autos, camiones, ómnibus) sigue dependiendo en buena medida de nafta y gasoil derivados del petróleo, que se importa.
Clasificá cada una de las siguientes fuentes de energía como renovable o no renovable: energía eólica, petróleo, energía solar, carbón mineral, biomasa y energía…
Clasificá cada una de las siguientes fuentes de energía como renovable o no renovable: energía eólica, petróleo, energía solar, carbón mineral, biomasa y energía hidráulica de la represa de Salto Grande. Mencioná además cuál de ellas tiene un uso importante en la generación eléctrica de Uruguay.
Consumo responsable e impacto ambiental
Toda generación de energía tiene algún impacto ambiental: una represa inunda territorio, la quema de combustibles emite gases de efecto invernadero, los parques eólicos modifican el paisaje. Por eso, además de generar de forma sostenible, conviene consumir mejor.
La eficiencia es la herramienta más directa. Cada kWh que no se consume es un kWh que no hay que generar:
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Cambiar una lámpara incandescente por una LED (ejemplo de la sección 3) reduce el consumo con la misma luz.
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Un calefón solar sustituye energía eléctrica por energía renovable.
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Elegir electrodomésticos con buena etiqueta de eficiencia energética baja el consumo en la factura de UTE.
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Apagar en vez de dejar en espera y aislar bien la casa reducen la energía que se disipa.
Volvé al principio: la estufa de Mateo disipa parte de la energía como calor hacia lugares que no interesan, y el «kWh» de la factura es una unidad de energía (equivale a $3{,}6 \cdot 10^6\ \text{J}$). Con lo que aprendiste podés calcular la eficiencia, anticipar lo que aparece en la factura y juzgar qué conviene.