MEEDS-06-M1-R2

Tecnologías de la Transición Energética

Fundamentos de los sistemas energéticos y fuentes de energía

Maestría en Economía de la Energía y Desarrollo Sostenible

Primera ley de la termodinámica y la exergía

La primera ley de la termodinámica:∆𝑈=Q −W El cambio de la energía interna en un sistema es igual al calor suministrado menos el trabajo realizado por el sistema. La disponibilidad de energía en el mundo es prácticamente infinita, sin embargo no toda puede ser aprovechada para producir trabajo. La exergía es la cantidad máxima de energía que puede ser convertida en trabajo útil.

• Este trabajo puede ser realizado únicamente si el sistema contiene una energía respecto al ambiente que le rodea.

Ejemplos de exergía

• Una central hidroeléctrica pueda generar electricidad cuando la altura del agua en el embalse es superior a la de la descarga.

• Un motor de combustión interna puede producir trabajo mecánico cuando en los pistones se dispone de presión y temperatura superior al ambiente.

• Una turbina eólica puede moverse cuando existe una velocidad del viento.

Esquema Central Coca Codo Sinclair, MERNNR

Ejemplo de cálculo 1

Calcular la potencia disponible 𝑊 ̇ en la Central Coca Codo Sinclair, considerando una caída de 620 m y un caudal 𝑉 ̇ de 280 m3/seg. Asumir que no existen pérdidas por rozamiento.Teorema de Bernoulli en términos de presión:

𝑝_3+1/2 𝜌〖𝑣_3〗^2+ 𝜌𝑔ℎ_3−∆_𝑝=𝑝_6+1/2 𝜌〖𝑣_6〗^2+ 𝜌𝑔ℎ_6 ∆_𝑝=𝜌𝑔(ℎ_3−ℎ_6 )=997 𝑘𝑔/𝑚^3 9.81 𝑚/𝑠^2 620𝑚 ∆_𝑝=6063 𝑘𝑁/𝑚^2 𝑊 ̇= ∆_𝑝 𝑉 ̇ 𝑊 ̇=10400 𝑘𝑁/𝑚^2 280 𝑚^3/𝑠=1697906 𝑘𝑁𝑚/𝑠=1698 𝑀𝑊

Esquema Central Coca Codo Sinclair, MERNNR

La central Coca Codo Sinclair tiene una capacidad instalada de 1500 MW

Ejemplo de cálculo 2

Se requiere calentar 1000 litros de agua de una temperatura inicial de 20°C hasta los 80°C. Calcular la energía requerida en kWh para este fin, considerando un calor específico del agua 𝑐 de 4186 J/kgK.

𝑄=𝑚𝑐∆𝑇 𝑄=1𝑚^3∗997 𝑘𝑔/𝑚^3 4186 𝐽/𝑘𝑔𝐾 (80°𝐶−20°𝐶)=250.406 𝑘𝐽 𝑄=250.406 𝑘𝐽 1ℎ/(3600 𝑠)=69.6 𝑘𝑊ℎ

Distinción de las fuentes de energía: renovables y no renovables

Según las Naciones Unidas, alrededor del año 1975, se empezó a realizar una desagregación más fuerte de las fuentes energéticas, considerando la energía renovables y no renovable.En la actualidad, esta distinción contempla las siguientes temáticas:

• Seguridad energética (tenemos suficientes recursos?)

• Sostenibilidad del uso (el uso de las fuentes afectará los requerimientos de las generaciones futuras?)

• Impacto ambiental (impacto local y regional, aporte al cambio climático?)

Con base en estos criterios, se puede encontrar distintos conceptos para definir las energías renovables y las no renovables.

Las energías renovables

Según OLADE, las energías renovables son aquellos recursos no fósiles, de periodo de formación relativamente cortos o continuos. Bajo un régimen de explotación racional, su disponibilidad no disminuye en el tiempo.Para IRENA, la energía renovable incluye todas las formas de energía producidas de fuentes renovables de una manera sostenible.

La IEA define a la energía renovable como aquella obtenida de procesos naturales y repuesta de una manera más rápida que la que es consumida:

• Las fuentes renovables son: la hidroenergía, la geotermia, la energía eólica, la energía solar y la biomasa.

• A pesar de ser consideradas renovables, se han mantenido discusiones sobre ciertas fuentes como la geotermia, la leña y las grandes hidroeléctricas.

Las energías no renovables

Se definen a las energías no renovables como aquellos recursos fósiles agotables en el tiempo, los cuales tienen un periodo de formación muy largo en el tiempo.Se consideran energías no renovables a:

• Petróleo y sus derivados
• Gas natural y sus productos
• Carbón y sus derivados
• Combustibles fisionables y la energía nuclear

Energía renovable: fuentes y definiciones

La hidroenergía:Constituye la energía contenida en un caudal hídrico. Cuando esta agua fluye a través de una turbina especialmente diseñada que se conecta a un generador eléctrico, la energía del agua se convierte en electricidad. El agua puede tomarse desde un embalse asociado generalmente a grandes centrales de generación o desde el caudal de los ríos, en cuyo caso, la central de generación se llamará central a filo de agua. La geotermia: Es la energía almacenada bajo la superficie de la tierra en forma de calor, la cual puede ser transmitida hacia la superficie por un fluido que esté en contacto con la roca caliente. Dicho fluido está constituido, por agua en estado líquido, vapor o una mezcla de ambos. Esta energía es utilizada para la generación de electricidad y/o calor.

Pozo geotérmico exploratorio en Chachimbiro, CELEC

Energía renovable: fuentes y definiciones

La energía eólicaRepresenta la energía producida por el viento, la cual puede ser aprovechada en un conjunto turbina-generador para generar electricidad La energía solar Es la energía producida por el sol, aprovechada principalmente para la generación de electricidad en centrales fotovoltaicas y termosolares. También se puede aprovechar directamente en los sectores de consumo final para calentamiento de agua (a través de colectores solares) y secado de granos.

Central eólica Villonaco, CELEC

La biomasaEs la materia orgánica de origen vegetal y animal utilizada con fines energéticos. La biomasa puede ser sólida, líquida o gaseosa y puede ser usada directamente como combustible o mezclada con derivados de petróleo. Entre las fuentes de mayor uso se pueden mencionar la leña, el etanol, el biodiesel y los residuos orgánicos municipales.

Energía no renovable: fuentes y definiciones

El petróleo y sus derivados El petróleo es una mezcla compleja de hidrocarburos líquidos, compuestos químicos que contienen hidrógeno y carbono. El petróleo se forma naturalmente en yacimientos subterráneos de roca sedimentaria. Los derivados son los productos obtenidos del procesamiento del petróleo en refinerías y del gas natural en centros de gas. Los principales derivados son el etano, la gasolina, el GLP, la nafta, el keroseno, el diésel , el fuel oil y los productos no energéticos asociados..

Refinería de Esmeraldas, Petroecuador

El gas naturalEl gas natural es una mezcla gaseosa de hidrocarburos, que está compuesto principalmente de metano, pero que puede contener etano, propano, otros hidrocarburos en porcentajes menores y algunos gases no combustibles tales como nitrógeno y dióxido de carbono. Puede ser producido en campos de gas, así como de manera asociada a la producción petrolera. El carbón y sus derivados El carbón mineral es un combustible fósil, usualmente con la apariencia física de una roca negra o parda, y consiste de materia vegetal carbonizada. Mientras mayor sea el contenido de carbono en un carbón mineral, mejor será su valor o calidad. Los productos derivados del carbón son obtenidos en el procesamiento en coquerías, altos hornos y otras infraestructuras especializadas para el procesamiento del carbón mineral.