Tecnología Sustentable: Energía, Mercados y Consumo. PDF

TECNOLOGÍA SOTENIBLE Energía y mercados energéticos. Consumo sostenible. Contenido INTRODUCCIÓN......................................................................................................................................

TECNOLOGÍA SOTENIBLE Energía y mercados energéticos. Consumo sostenible. Contenido INTRODUCCIÓN............................................................................................................................................... 2 1. ENERGÍA. CONCEPTO Y UNIDADES........................................................................................................... 3 2. FORMAS DE MANIFESTACIÓN DE LA ENERGÍA......................................................................................... 5 3. TRANSFORMACIONES DE LA ENERGÍA...................................................................................................... 8 4. FUENTES DE ENERGÍA................................................................................................................................... 9 5. IMPORTANCIA DE LA ENERGÍA ELÉCTRICA............................................................................................... 9 6. MERCADOS ENERGÉTICOS....................................................................................................................... 11 7. TRANSICIÓN ENERGÉTICA......................................................................................................................... 13  INTRODUCCIÓN En la sociedad actual, la energía es fundamental para casi todas las actividades humanas, desde el funcionamiento de infraestructuras y servicios públicos hasta la vida cotidiana. Actualmente, la demanda energética sigue creciendo debido al aumento de la población, el desarrollo económico y el avance tecnológico. Aumento del 1,3 % respecto al año anterior. 618 Exajulios (618·1018 Julios) Demanda mundial de energía El 84 % de esta demanda todavía cubierta por primaria 2022 fuentes no renovables. En el siguiente En gráfico, extraído del informe anual del Ministerio de Transición Ecológica (Balance Energético de España 2021-2022), se puede ver la evolución en el consumo energético en España en las dos últimas décadas. Objetivo 7: Garantizar el acceso a una energía asequible, segura, sostenible y moderna. Tal y como señala Naciones Unidas, el acceso a la energía se produce de forma desigual en el mundo y, por este motivo, uno de los objetivos de la Agenda 2030 aborda este problema. El informe 2023 sobre los Objetivos de Desarrollo Sostenible señala que más personas que nunca tienen acceso a la energía eléctrica, pero aporta otros datos que señalan que existe un importante margen de mejora:  675 millones de personas no tienen acceso a la energía eléctrica, siendo el África subsahariana la región más afectada por esta carencia. Cerca del 30 % del consumo de energía eléctrica proviene de fuentes renovables, pero siguen existiendo desafíos en los sectores de calefacción y transporte. Casi 2.000 millones de personas seguirán dependiendo de combustibles y tecnologías contaminantes para cocinar. 1. ENERGÍA. CONCEPTO Y UNIDADES La energía se define como la capacidad de un sistema para realizar un trabajo o producir un cambio. En términos físicos, la energía está presente en diferentes formas (como la cinética, potencial, térmica, eléctrica, entre otras) y se puede transferir o transformar, aunque siempre respetando el principio de conservación. Esto significa que la energía no se crea ni se destruye, sino que se transforma de una forma a otra. Las fuentes de energía se pueden clasificar en: 1. Energía no renovable: fuentes como el petróleo, gas natural y carbón, que son limitadas y generan emisiones contaminantes. 2. Energía renovable: fuentes como el sol, el viento y el agua, que son más limpias y sostenibles, aunque algunas de ellas dependen de factores climáticos. 1.1. Unidades de medida más utilizadas. Julio (J). Es el trabajo que realiza una fuerza de 1 newton al desplazar su punto de aplicación 1 metro en su misma dirección. Unidad del Sistema Internacional. Caloría (cal). Es la cantidad de calor necesaria para elevar, a la presión normal, la temperatura de 1 grama desde 14,5 °C a 15,5 °C. Equivale a 4,18 julios. Kilovatio hora (kWh). Es el trabajo realizado por un ser o máquina de 1 kW de potencia durante una hora de funcionamiento. Equivale a 3,6·106 julios. 1.2. Otras magnitudes relacionadas con la energía.  POTENCIA La potencia es la cantidad de energía consumida o generada por unidad de tiempo. Es una medida de la rapidez con la que se realiza un trabajo. P: potencia (W) 𝑬 Unidad SI 𝑷= E: energía (J) 𝒕 Vatio (W=J/s) T: tiempo (s) Ejemplo: Una bombilla LED puede tener una potencia de 10 W, mientras que una central de energía puede generar varios megavatios (MW) o incluso gigavatios (GW). EFICIENCIA ENERGÉTICA La eficiencia energética es el porcentaje de energía útil que se obtiene de la energía total suministrada a un sistema. Mide la eficacia con la que un sistema convierte energía en trabajo útil. 𝑬𝒏𝒆𝒓𝒈í𝒂 ú𝒕𝒊𝒍 Unidad SI 𝜼 = 𝑬𝒏𝒆𝒓𝒈í𝒂 𝒕𝒐𝒕𝒂𝒍 𝒔𝒖𝒎𝒊𝒏𝒊𝒔𝒕𝒓𝒂𝒅𝒂 · 𝟏𝟎𝟎 E: energía (J) Adimensional Ejemplo: Un motor eléctrico puede tener una eficiencia del 90 %, lo que significa que convierte el 90 % de la energía en trabajo útil, mientras que el 10 % se pierde, por ejemplo, en forma de calor. CONSUMO ENERGÉTICO Es la cantidad total de energía que consume un sistema en un período determinado. Se expresa en kilovatios-hora (kWh), megavatios-hora (MWh) o gigavatios-hora (GWh), según la escala de consumo. Ejemplo: Un hogar promedio en España consume alrededor de 3700 kWh al año, mientras que una industria o empresa grande puede llegar a consumir millones de kWh. 1.3. Principio de conservación de la energía. La energía total de un sistema aislado permanece constante, aunque se puede transformar de unas clases a otras  2. FORMAS DE MANIFESTACIÓN DE LA ENERGÍA La energía, aunque es una única magnitud física, se manifiesta de múltiples formas en la naturaleza y en la tecnología. Cada una de estas formas tiene características y aplicaciones específicas y puede transformarse de una forma a otra según el sistema en el que se encuentre. Las principales formas de manifestación de la energía incluyen: 2.1. Energía mecánica La energía mecánica está relacionada con el movimiento y la posición de los objetos. Incluye dos formas fundamentales: Energía Cinética: Es la energía asociada al movimiento de un objeto. Un objeto en movimiento (como un vehículo o una pelota lanzada) posee energía cinética, que depende de su masa y velocidad. La fórmula para calcular la energía cinética es: 1 𝐸𝑐 = 2 𝑚𝑣 2 ; donde m es la masa del objeto y v su velocidad Energía Potencial: Es la energía que posee un cuerpo debido a su posición en un campo de fuerzas, como el gravitacional o el elástico. La energía potencial gravitacional viene definida por la siguiente fórmula: 𝐸𝑝 = 𝑚𝑔ℎ; donde h es la altura a la que se encuentra el cuerpo y g la aceleración de la gravedad dada por 9,8 m/s2 2.2. Energía térmica o calorífica La energía térmica es la energía interna de un sistema que resulta de la suma de las energías cinéticas de sus partículas. Se manifiesta en forma de calor cuando hay una transferencia de energía térmica entre sistemas de diferente temperatura. La energía térmica se puede transmitir (por conducción, convección y radiación) o se puede acumular. Transmisión del calor por conducción: El calor (energía) de un cuerpo de mayor temperatura pasa a uno menor, por efecto de los choques moleculares. Por ejemplo, un trozo de carne que se cocina en una sartén. 𝜆 𝑄 = 𝑑 · 𝑆 · (𝑇𝑓 − 𝑇𝑖 ) · 𝑡; donde λ es el coeficiente de conductividad (J/m·s·ºK), d el espesor, S la superficie de transmisión, t el tiempo y Q el calor transmitido  Transmisión del calor por convección: Todos lo fluidos al calentarse, pierden densidad; así, en una mezcla de partículas calientes y partículas frías de un mismo fluido, las calientes se situarán sobre las frías, lo que dará lugar a un trasiego de partículas debido al calor. Este fenómeno se da en nuestras casas con el calor desprendido por un radiador que asciende hasta el techo porque el aire caliente tiene menos densidad. 𝑄 = 𝛼 · 𝑆 · (𝑇𝑓 − 𝑇𝑖 ) · 𝑡; donde es el coeficiente de convección (J/m2sºC) y t el tiempo (s) Transmisión del calor por radiación: El calor se transmite en forma de ondas electromagnéticas. Un cuerpo más caliente que el ambiente que lo rodea irradia calor en forma de ondas que se transmiten a distancia. 𝑇2 4 𝑇1 4 𝑄 = 𝑐 · 𝑆 · [( ) −( ) ] · 𝑡; donde c es el coeficiente de radiación, T2 (ºK)la 100 100 temperatura del objeto que irradia calor, T1 (ºK) la temperatura del objeto irradiado y t el tiempo. Acumulación de energía térmica en los cuerpos: Los cuerpos acumulan energía calorífica. La cantidad de calor acumulada dependerá del tipo de material, de su peso o masa, así como de la temperatura a la que se encuentren. 𝑄 = 𝐶𝑒 · 𝑚 · (𝑇𝑓 − 𝑇𝑖 ); donde Q es la cantidad de calor (J) y Ce el calor específico (J/kgºC) 2.3. Energía eléctrica La energía eléctrica es la manifestación de la energía asociada al movimiento de cargas eléctricas. Es una de las formas de energía más utilizadas debido a su facilidad de transporte y conversión en otras formas, como luz o calor. 𝐸𝑒 = 𝑃 · 𝑡 = 𝑉 · 𝐼 · 𝑡 = 𝐼 2 · 𝑅 · 𝑡; donde 𝑃 = 𝑉 · 𝐼 y P es la potencia (W), R la resistencia eléctrica (ꭥ), t el tiempo (s), I la intensidad (A) y V el voltaje (V) 2.4. Energía nuclear La energía nuclear es la energía contenida en el núcleo de los átomos, resultante de las fuerzas nucleares que mantienen unidos a protones y neutrones. Los dos tipos de reacciones nucleares que pueden darse son  Fisión. División de un núcleo pesado en núcleos más ligeros, liberando grandes cantidades de energía. Es el principio de funcionamiento de las centrales nucleares. Fusión. Unión de núcleos ligeros para formar un núcleo más pesado, también con gran liberación de energía, como ocurre en el sol. La fusión aún está en fase experimental. 2.5. Energía electromagnética La energía electromagnética se manifiesta en forma de ondas electromagnéticas que transportan energía a través del espacio. Incluye una variedad de formas como: Luz visible. Energía electromagnética que puede percibir el ojo humano. Ondas de radio, microondas, rayos X, rayos gamma. Estas ondas tienen diferentes aplicaciones, como en la comunicación, la medicina y la astronomía. Energía solar. La radiación solar es una forma de energía electromagnética aprovechada mediante paneles solares para generar electricidad o calor. 2.6. Energía química La energía química es la energía almacenada en los enlaces de las moléculas. Se libera o absorbe durante una reacción química. En este apartado, tiene especial importancia la energía de combustión, producida, a partir de cierta temperatura (llamada de ignición), por la combinación química del carbono y hidrógeno con el oxígeno. Para líquidos: 𝑄 = 𝑃𝑐 · 𝑚; donde Q es la energía calorífica (J), Pc el poder calorífico (J/kg) y m la masa (kg). Para gases: 𝑄 = 𝑃𝑐 · 𝑉; donde Q es la energía calorífica (J), Pc el poder calorífico en condiciones normales (J/m3) y V el volumen (m3). Si no hay condiciones normales, 273 el poder calorífico: 𝑃𝑐 (𝑟𝑒𝑎𝑙) = 𝑃𝑐(𝑐.𝑛.) · 𝑝 · 273+𝑡 2.7. Energía sonora La energía sonora se manifiesta como ondas mecánicas que viajan a través de un medio (como el aire, el agua o sólidos) y son percibidas como sonido. Su intensidad y frecuencia determinan el volumen y tono del sonido.  3. TRANSFORMACIONES DE LA ENERGÍA Cuando se dice que existe consumo de energía, lo que ocurre, en realidad, es la transformación de un tipo de energía en otro. Cada una de las formas de energía que se ha visto anteriormente, se puede transformar en otras, tal y como se puede apreciar en el siguiente cuadro. 3.1. Rendimiento de las transformaciones energéticas. En la práctica, ninguna transformación energética se verifica en su totalidad. Es decir, si se dispone, de 100 J de energía de una determinada clase, nunca se obtienen 100 J de la energía del tipo deseado; siempre hay una fracción, más o menos grande de energía que se convierte en calor y se disipa al exterior, sin que pueda ser utilizada posteriormente. Por regla general, las máquinas utilizan energía de una clase determinada y la transforman en energía mecánica (trabajo). Esta transformación interesa que sea lo más completa posible; es decir, que las pérdidas en forma de calor queden reducidas a un mínimo. Para cuantificar el aprovechamiento energético de una máquina se utiliza un parámetro que se conoce con el nombre de rendimiento y que viene dado por la expresión: 𝑻𝒓𝒂𝒃𝒂𝒋𝒐 𝒓𝒆𝒂𝒍𝒊𝒛𝒂𝒅𝒐 (𝑬𝒖) 𝜼= · 𝟏𝟎𝟎 (%) 𝑬𝒏𝒆𝒓𝒈í𝒂 𝒔𝒖𝒎𝒊𝒏𝒊𝒔𝒕𝒓𝒂𝒅𝒂 (𝑬𝒔)  4. FUENTES DE ENERGÍA Como ya se ha mencionado, el actual desarrollo científico y tecnológico que disfruta la humanidad requiere de la utilización de grandes cantidades de energía. Esta energía se obtiene de distintas fuentes naturales, que se conocen como fuentes primarias. Estas fuentes de energía, que en última instancia proceden del Sol, se pueden clasificar de la siguiente forma: 5. IMPORTANCIA DE LA ENERGÍA ELÉCTRICA La energía eléctrica es fundamental en la sociedad moderna, ya que impulsa gran parte de nuestras actividades diarias y permite el funcionamiento de infraestructuras esenciales. Su importancia radica en su versatilidad y facilidad de transporte, ya que puede ser convertida de manera eficiente en otras formas de energía, como luz, calor y movimiento. Esta capacidad de transformación la convierte en la fuente principal para el uso doméstico, la industria, el transporte y las telecomunicaciones. Con el auge de las energías renovables, la electricidad está en el centro de la transición energética hacia fuentes más sostenibles, lo que ayudará a reducir la dependencia de combustibles fósiles y las emisiones de carbono. La obtención de la energía eléctrica se obtiene a partir de las fuentes primarias en instalaciones especiales que reciben el nombre de centrales eléctricas y que pueden ser de distintos tipos, según se puede apreciar en la siguiente tabla: Tipo de central Energía primaria que se transforma Energía procedente de la combustión de carbón, fuel Térmica o gas natural Hidroeléctrica Energía potencial del agua embalsada Solar (fotovoltaica o Energía del sol térmica) Eólica Energía del viento Geotérmica Calor interno de la Tierra Mareomotriz Energía de las mareas Además, la energía eléctrica resulta muy útil por los siguientes motivos: Es muy regular. Su tensión es siempre la misma y se dispone de ella en cualquier momento. Una vez obtenida, es una energía muy limpia. Apenas produce contaminación medioambiental en su utilización Es fácil de transportar. Se puede hacer llegar de un punto a otro sin apenas pérdidas, siempre que el transporte se realice en alta tensión. Es fácil de transformar en otras fuentes de energía. Los motores eléctricos accionan medios de transporte, maquinaria de fábricas y todo tipo de electrodomésticos. Los distintos sistemas de alumbrado son eléctricos. Por su parte, el gran inconveniente que tiene es que hay que consumirla en el momento que se produce, debido a las dificultades de su almacenamiento. Este hecho origina las fluctuaciones en su coste, en función de la demanda según la estación del año y las horas del día.  6. MERCADOS ENERGÉTICOS Reciben el nombre de mercados energéticos todos aquellos mecanismos que hacen posible la compra, la venta y la comercialización de la energía en sus diferentes formas, tanto si es energía primaria (carbón, petróleo, etc) como si se trata de energía final (por ejemplo, la electricidad) 6.1. Mercado de los combustibles fósiles. El mercado de los combustibles fósiles sigue siendo uno de los sectores energéticos más grandes del mundo, aunque actualmente enfrenta desafíos significativos por la transición hacia energías renovables. A continuación, se destacan los datos y aspectos más importantes sobre este mercado: En 2022, los combustibles fósiles (petróleo, gas natural y carbón) cubrieron aproximadamente el 84 % de la demanda energética mundial. Petróleo: Representa la mayor parte del consumo mundial, especialmente en transporte y sectores industriales. Los principales productores de petróleo son Estados Unidos, Arabia Saudí y Rusia, que en conjunto representan aproximadamente el 40 % de la producción mundial. Gas Natural: Es la fuente fósil con el crecimiento más rápido en las últimas décadas, usada para generación de electricidad y calefacción. Estados Unidos y Rusia lideran la producción, mientras que Qatar y otros países del Golfo Pérsico también son grandes exportadores. Carbón: A pesar de ser el más contaminante, sigue siendo fundamental en muchos países para la generación de electricidad, aunque su uso está decreciendo en naciones que priorizan políticas de descarbonización, tal y como ocurre en los países de la Unión Europea. China e India son los principales consumidores y productores de carbón, con un gran uso en sus Los precios de los combustibles fósiles son extremadamente volátiles y están sujetos a factores geopolíticos, cambios en la oferta y la demanda, y políticas ambientales. Las sanciones y conflictos, como las recientes sanciones a Rusia o tensiones en el Golfo Pérsico, afectan directamente el mercado, creando incertidumbre en los precios de estos recursos. No obstante, se espera que la demanda de estos combustibles disminuya en los próximos años debido a la transición energética y los objetivos globales de reducción de emisiones de carbono, como los establecidos en el Acuerdo de París. Cabe reseñar que España y el resto de países de la Unión Europea necesitan importar un alto porcentaje de estos combustibles. 6.2. El mercado eléctrico. Siguiendo las pautas marcadas por la Unión Europea, el mercado eléctrico español es un sistema complejo y regulado que gestiona la generación, distribución y comercialización de electricidad en España. Este mercado ha experimentado cambios importantes en las últimas décadas, impulsados por la liberalización, el crecimiento de las energías renovables y los objetivos de descarbonización de la Unión Europea. El actual entramado eléctrico se divide en cuatro componentes: Generación. España cuenta con una variedad de fuentes de generación eléctrica, incluyendo renovables (eólica, solar, hidráulica), nuclear y plantas de ciclo combinado de gas natural. En 2022, cerca del 45 % de la electricidad generada en el país fue de origen renovable. Transporte. Recae en un único grupo empresarial participado por el Estado: Red Eléctrica Española (REE), que gestiona y mantiene la infraestructura de transporte para asegurar el suministro en todo el territorio. Distribución. A cargo de empresas que llevan la electricidad (media y baja tensión) a los puntos de suministro de cada usuario. Unas pocas empresas, que trabajan en zonas geográficas concretas, son las que distribuyen la energía eléctrica. El cliente no puede elegir la empresa distribuidora. Comercialización. Encomendada a empresas que hacen de intermediarias entre clientes y distribuidoras. Aunque existen más de 300 en España, unas pocas copan este mercado. De esta forma, se distingue entre: Mercado mayorista. Los productores venden la electricidad a través de un sistema de subasta diario en el que el precio se fija cada hora según la oferta y la demanda. Este sistema, conocido como “pool eléctrico”, está gestionado por OMIE (Operador del Mercado Ibérico de Energía). Mercado minorista. Los consumidores pueden optar por dos tipos de tarifa: Precio Voluntario para el Pequeño Consumidor (PVPC), que está regulado y  se ajusta diariamente según el precio del mercado mayorista, o tarifas del mercado libre, que pueden ofrecer precios fijos u otras condiciones pactadas con la comercializadora. 6.3. La factura eléctrica. La factura eléctrica tiene dos grandes términos: Término de Potencia Contratada. Es un coste fijo que depende de la potencia eléctrica que el usuario ha contratado, medida en kilovatios (kW). Representa la capacidad máxima de consumo que el cliente puede utilizar al mismo tiempo sin que salten los plomos. Cuanto mayor es la potencia contratada, mayor será el importe fijo en la factura, independientemente del consumo. Término de Energía Consumida. Este coste depende de la cantidad de electricidad consumida durante el periodo de facturación, medida en kilovatios hora (kWh). Su importe varía según el precio de la electricidad en el mercado mayorista y depende de la tarifa contratada. Además, la factura incorpora otros conceptos como el Impuesto de Electricidad, aplicado al consumo de electricidad que representa un pequeño porcentaje (alrededor del 5,1 %) del total de la factura antes del IVA y cuyo objetivo es recaudar fondos para el mantenimiento del sistema eléctrico. También se incluye el concepto de alquiler de equipos, que suponen pequeñas cantidades asociadas a la puesta en disposición del contador de la luz, o el pago del IVA, que habitualmente es del 21%, pero en los últimos años, a raíz de los vaivenes en el precio de la energía eléctrica, ha tenido tipos reducidos al 5 y 10 %. Se aplica un IVA reducido del 5 % (tras bajarse del 21 % temporalmente) sobre el total de la factura. Esta reducción del IVA se implementó como una medida temporal para mitigar el impacto de los altos precios de la electricidad. 7. TRANSICIÓN ENERGÉTICA La transición energética es el proceso de cambio hacia un sistema energético sostenible y bajo en carbono, que se apoya en fuentes renovables y en la mejora de la eficiencia energética. Este proceso es crucial para reducir las emisiones de gases de efecto invernadero, mitigar el cambio climático y garantizar la seguridad energética a largo plazo. El ahorro energético, por otro lado, es una parte esencial de esta transición y se aplica en todos los ámbitos: hogares, industria y transporte. 7.1. Ahorro energético en el hogar En nuestros hogares, se consume una cantidad importante de energía, pero una parte importante de ella se escapa por las ventanas en forma de calor, por dejar los electrodomésticos en stand -by o por luces que no se apagan. Algunas medidas a tomar pueden ser: Eficiencia de los electrodomésticos. El uso de aparatos de bajo consumo, etiquetados con alta eficiencia energética (como A++), permite reducir el consumo sin sacrificar comodidad. Iluminación LED. Las bombillas LED consumen hasta un 80 % menos de electricidad y tienen una vida útil más larga que las bombillas tradicionales. Aislamiento y climatización. Mejorar el aislamiento térmico de ventanas y paredes, junto con el uso de sistemas de climatización eficientes, permite reducir el consumo de energía en calefacción y refrigeración. Autoconsumo y energías renovables. La instalación de paneles solares en viviendas permite generar electricidad para autoconsumo, reduciendo la dependencia de la red eléctrica y ahorrando en la factura. 7.2. Ahorro energético en la industria Las grandes industrias, especialmente las electrointensivas, son consumidoras de enormes cantidades de electricidad. El ahorro en este sector puede pasar por: Optimización de procesos. Implementar procesos de producción energéticamente eficientes y reducir el uso innecesario de maquinaria. Uso de tecnología de recuperación de calor. Aprovechar el calor residual de los procesos industriales para reducir el consumo energético, reutilizándolo en otros procesos o para calentar instalaciones. Automatización y digitalización. La tecnología IoT y las redes inteligentes permiten un monitoreo y control eficiente del consumo energético, minimizando pérdidas y mejorando la productividad.  Energías renovables. La inversión en plantas solares, eólicas y biomasa reduce la dependencia de fuentes no renovables y ayuda a la industria a reducir sus emisiones de carbono. 7. 3. Ahorro energético en el transporte Otro sector de gran importancia en el consumo energético es el del transporte, donde también se están desarrollando importantes medidas de ahorro energético. Electrificación del transporte. El cambio a vehículos eléctricos y la infraestructura de carga pública y privada permiten una reducción significativa en las emisiones de CO₂ y en el consumo de combustibles fósiles. Uso de biocombustibles y combustibles alternativos. Los biocombustibles y otros combustibles renovables, como el hidrógeno verde, ofrecen opciones sostenibles para vehículos pesados y aviación. Fomento del transporte público y la movilidad compartida. Incentivar el uso del transporte público, bicicletas y opciones de movilidad compartida ayuda a reducir el número de vehículos privados en circulación, disminuyendo el consumo de combustibles y la congestión urbana. Optimización logística. En transporte de mercancías, la planificación eficiente de rutas y el uso de sistemas de carga optimizada pueden reducir considerablemente el consumo de energía y las emisiones. La transición hacia sistemas de ahorro y eficiencia energética es fundamental para lograr un modelo sostenible. Las mejoras en el consumo energético de hogares, industria y transporte no solo reducen el impacto ambiental, sino que también permiten un ahorro económico considerable, contribuyendo al objetivo global de una transición energética efectiva y sostenible.