Energía: generación, transporte y consumo

La energía se define como la capacidad de un cuerpo o sistema para realizar un trabajo. En el ámbito de la ingeniería, es crucial distinguir entre energía (capacidad almacenada), trabajo (energía en tránsito mediante fuerza) y potencia (velocidad a la que se consume o genera la energía).

• Energía Cinética ($E_c$): Asociada al movimiento, $E_c = \frac{1}{2} m v^2$.
• Energía Potencial ($E_p$): Asociada a la posición en un campo gravitatorio, $E_p = m g h$.
• Energía Térmica: Debida a la agitación molecular.
• Energía Química: Almacenada en los enlaces de las sustancias (combustibles).

Unidades y Equivalencias: El Sistema Internacional (SI) utiliza el Julio (J), pero en tecnología manejamos otras unidades comunes:

1. Kilovatio-hora (kWh): Unidad de energía eléctrica. $1 \text{ kWh} = 3,6 \cdot 10^6 \text{ J}$.
2. Caloría (cal): Energía térmica. $1 \text{ cal} = 4,184 \text{ J}$.
3. Potencia: Se mide en Vatios (W). $P = \frac{E}{t}$.

La termodinámica rige todos los procesos de conversión energética en centrales y motores.

• Primer Principio (Conservación): La energía no se crea ni se destruye, solo se transforma. En un sistema cerrado, el calor suministrado menos el trabajo realizado es igual a la variación de energía interna: $Q - W = \Delta U$.
• Segundo Principio (Degradación): En cada transformación, una parte de la energía se convierte en calor no utilizable (aumento de entropía). Es imposible construir una máquina térmica con un rendimiento del 100%.
• Rendimiento ($\eta$): Es el cociente entre la energía útil obtenida y la energía total absorbida. $\eta = \frac{E_{\text{útil}}}{E_{\text{absorbida}}} \cdot 100$

Las fuentes de energía se clasifican según su origen y disponibilidad:

• Primarias: Se encuentran en la naturaleza (viento, carbón, uranio).
• Secundarias: Resultado de una transformación (electricidad, gasolina).
• Renovables: Tasa de regeneración superior al consumo (solar, eólica).
• No renovables: Reservas limitadas (fósiles, nuclear).

Un concepto clave es la Tasa de Retorno Energético (TRE): la relación entre la energía que entrega una fuente y la energía necesaria para extraerla y procesarla.

Estas centrales queman carbón, gas natural o derivados del petróleo para calentar agua y producir vapor a alta presión.

• Ciclo de Rankine: El vapor mueve una turbina conectada a un alternador. Luego, el vapor se condensa y vuelve a la caldera.
• Ciclo Combinado: Es la tecnología más eficiente actualmente. Utiliza una turbina de gas (ciclo Brayton) y aprovecha el calor residual de los gases de escape para generar vapor y mover una turbina de vapor (ciclo Rankine). El rendimiento puede alcanzar el 60%, frente al 35-40% de las convencionales.

Se basa en la ruptura de núcleos pesados (Uranio-235) mediante neutrones, liberando una enorme cantidad de energía térmica.

1. Reactor PWR (Agua a Presión): El agua del circuito primario no hierve debido a la alta presión; transmite calor a un circuito secundario donde se genera el vapor.
2. Reactor BWR (Agua en Ebullición): El agua se convierte en vapor directamente en el núcleo del reactor.
3. Seguridad: Se basa en barreras físicas y el control de la reacción mediante barras de boro o cadmio que absorben neutrones.

El uso de combustibles fósiles conlleva problemas globales:

• Efecto Invernadero: Emisión masiva de $CO_2$, principal causante del cambio climático.
• Lluvia Ácida: Emisiones de óxidos de azufre ($SO_2$) y nitrógeno ($NO_x$) que acidifican el agua de lluvia.
• Residuos Radiactivos: La energía nuclear no emite $CO_2$, pero genera residuos que permanecen activos durante miles de años, requiriendo almacenamiento geológico profundo (AGP).

Aprovecha la energía potencial del agua a cierta altura. La potencia teórica disponible es: $P = \rho \cdot g \cdot Q \cdot h \cdot \eta$ Donde $\rho$ es la densidad, $Q$ el caudal ($m^3/s$) y $h$ el salto neto ($m$).

Tipos de Turbinas:

• Pelton: Para grandes saltos y caudales pequeños (acción).
• Francis: Saltos y caudales medios (reacción).
• Kaplan: Saltos pequeños y grandes caudales, similar a una hélice (reacción).

• Fotovoltaica: Basada en el efecto fotoeléctrico, donde los fotones inciden sobre células de silicio (semiconductores) generando una corriente continua ($CC$). Requiere inversores para convertirla en corriente alterna ($CA$).
• Térmica: Los colectores absorben radiación para calentar un fluido. En las centrales de torre, miles de espejos (helióstatos) concentran la luz en un receptor superior para generar vapor.

Transforma la energía cinética del viento mediante aerogeneradores.

• Límite de Betz: Establece que un aerogenerador solo puede capturar, como máximo, el 59,3% de la energía cinética del viento.
• Componentes: Góndola, palas, buje y multiplicadora (que aumenta la velocidad de giro para el alternador).

• Biomasa: Materia orgánica que se quema o fermenta (biogás) para obtener energía.
• Geotérmica: Aprovecha el calor interno de la Tierra. Alta entalpía para electricidad; baja entalpía para calefacción.
• Mareomotriz: Aprovecha las mareas (energía potencial).
• Undimotriz: Aprovecha el movimiento de las olas.

La electricidad se genera a tensiones medias (10-20 kV), pero para transportarla a largas distancias se eleva a Alta Tensión (220-400 kV). El objetivo principal de la alta tensión es reducir las pérdidas por efecto Joule ($P_{pérdida} = I^2 \cdot R$). Al aumentar el voltaje, se reduce la intensidad para la misma potencia, minimizando el calentamiento de los cables.

El transformador es el componente crítico. Su relación de transformación es: $\frac{V_1}{V_2} = \frac{N_1}{N_2} = \frac{I_2}{I_1}$

• Subestaciones: Elevan o reducen la tensión y gestionan la interconexión de líneas.
• Topologías: Las redes malladas son más fiables que las radiales, ya que ofrecen caminos alternativos en caso de avería.

En España, Red Eléctrica (REE) actúa como operador del sistema, garantizando que la generación iguale a la demanda en tiempo real, manteniendo la frecuencia en 50 Hz. Las Smart Grids integran sensores y sistemas de control para permitir el flujo bidireccional de energía y datos, facilitando la integración de renovables.

La demanda eléctrica varía según la hora del día (curva de carga).

• Valle: Madrugada (bajo consumo).
• Punta: Horas de máxima actividad (mediodía/noche). La gestión de la demanda busca "aplanar" esta curva mediante tarifas discriminatorias y concienciación ciudadana.

La eficiencia consiste en mantener el mismo servicio con menor consumo.

1. Envolvente térmica: Mejora del aislamiento y ventanas de doble acristalamiento.
2. Sistemas activos: Uso de bombas de calor de alta eficiencia y calderas de condensación.
3. Iluminación: Sustitución de lámparas incandescentes por tecnología LED.

Dado que las renovables son intermitentes, el almacenamiento es vital:

• Bombeo Hidráulico: Se bombea agua a un embalse superior cuando sobra energía y se turbina cuando falta. Es el sistema más escalable actualmente.
• Baterías de Litio: Alta densidad energética, ideales para vehículos eléctricos y autoconsumo.
• Hidrógeno Verde: Se produce por electrólisis del agua usando excedentes de energía renovable. Actúa como un vector energético que puede almacenarse y transportarse para usos industriales o movilidad pesada.