Introducción a las Plantas de Generación de Exergía y su Valoración (página 2)

La energía útil es equivalente al trabajo mecanico, es la Exergía. Ésta es convertible totalmente en trabajo mientras que de la Anergía no.

La segunda ley de la termodinamica en una de sus manifestaciones postula que la exergía expontaneamente se convierte en anergía en todos los proceso reales. La exergía constantemente en todo el universo se está degradando, perdiendo calidad, convirtiendose en anergía y con ello para el desorden aparejado ocupa mas espacio. El Universo se expande.

Capítulo 3

Energía y desarrollo

El consumo de energía ha estado asociado desde siempre con el hombre. Al igual que los animales, ha dependido de su propia energía para su subsistencia. Con el uso artificial del fuego empezó a diferenciarse de los animales.

Es tan importante el uso de energía para la humanidad, que se mide el nivel de desarrollo de una nación por su consumo por habitante.

El mantenimiento de los Estándares de vida en las sociedades modernas está ligado a los altos consumos de energía obtenida principalmente de fuentes agotables como son el petróleo, el carbón y el gas natural. Su uso no es sostenible en el tiempo por lo que se debe desacelerar su consumo y hallar nuevas fuentes. Desacelerar su consumo implica usarla eficientemente y hallar tecnologías que la demanden menos. También hallar aislamientos térmicos mejores. Por ejemplo en Estados Unidos con su altísimo nivel tecnologico el consumo de energía es asombroso ha reconocido el agotamiento de sus fuentes de energía tradicionales y despertado el interes politico por economizar el recurso obligando a procesos más eficientes y buscar fuentes novedosas de suministro[3]

El hombre desde remotas épocas aprendió a usar fuentes de Energía exteriores a sí mismo. Tira el arado con animales, los usa para el acarreo y el transporte, con troncos se transportaba primitivamente aprovechando la energía hidráulica de los ríos. Cuando quema madera de los bosques aprovecha la energía química de la biomasa que es energía solar acumulada en las plantas gracias a la fotosintesis.

Ha usado tradicionalmente la biomasa obtenida de los vegetales de los bosques primitivos , que le dió el calor para hacer más cómoda su exixtencia y cocer sus alimentos y alimentarse mejor.[4]

Gradualmente fue aprendiendo a aprovechar más y más fuentes de energía de la naturaleza y en la época moderna construyó máquinas sofisticadas para usarla en grandes cantidades y montajes más complejos denominados Plantas de generación para obtenerla en forma aprovechable.

El hombre primitivo, sin comprenderlo exactamente, estaba usando una propiedad que tiene la energía de transformarse de una forma a otra. Lo que el hombre primitivo hacía inconscientemente, y el hombre moderno ha venido haciendo conscientemente, es transformar un tipo de energía que le brinda la naturaleza, en un tipo de Energía útil o energía que le permite hacer algún trabajo. Modernamente se reconoce como Energía útil (o Exergía), cualquier tipo de ella que sea posible de convertir completamente en trabajo.

Se ha surtido de las fuentes fósiles desde la revolución industrial para las inmensas demandas de la tecnología, los vienes de consumo y el trasporte. Lo que produce descargas que la naturaleza no puede reciclar y el efecto invernadero

Al descubrirse la energía eléctrica y sus bondades de su transporte y utilización ésta pasó a ser una de las presentaciones más importantes de la energía para el hombre.

Los depósitos de energía en la naturaleza son las llamadas Fuentes de Energía, las Plantas de transformación la convierte en energía útil principalmente electricidad para ser utilizada por los consumidores.[5]

El hombre moderno asocia sus estandares de calidad de vida a los consumos de Exergía, más consumo per capita le significa un mayor escalón en el desarrollo y mejor calidad de vida. EE.UU. consume alrededor de un 25 % de la energía mundial aunque sólo tengan un 5 % de la población mundial del planeta. Ésto lo situaría en el primer lugar en desarollo y calidad de vida.

Para que el resto del mundo consuma al ritmo normal de EE.UU. se necesitaría multiplicar la producción mundial por 6,33. pero los estadounidenses reciben el mensaje constante de que no consumen lo suficiente y el resto del mundo toma como modelo a los más ricos de EE.UU. Si tomamos al 5 % más rico como media para la comparación, el valor de 6,33 se debería ajustar hasta un 40,0 rpara que todo el mundo consumiera al mismo nivel que los más ricos en EE.UU.

La población mundial crece en forma exponencial y aunque se espera que la población desacelere su nivel de crecimiento todavía crecerá en un 50 % entre 2007 y 2050. Teniendo en cuenta el crecimiento de la población, para el 2050, la producción debería actual debe multiplicarse por alrededor de 40 x 1,5 = 60. La economía de mercado debe crecer o desaparecer. Una opinión ampliamente compartida es que la economía mundial continuará creciendo un 2-3 % anual durante el resto del siglo. Un 2,5 % de crecimiento triplicaría la producción para 2005. Esto significa que la generacción de Energía debería crecer en 60 x 3 = 180.[6]

Los expertos aceptan que, para evitar los efectos catastróficos del calentamiento global, las emisiones de gases (principalmente CO2) deben disminuir en un 60-80 % para el 2050 y en EE.UU. un recorte de un 95 %). La sustitución de los combustibles fósiles por tecnologías alternativas con fuentes solar y eólica principalmente, puede ayudar a conseguir ésta reducción pero no se deben pasar por alto varios:

1. Las grandes empresas bombardean al mundo con el mensaje de que todos deberían consumir como lo hacen los estadounidenses

2. Las grandes empresas les dicen a los estadounidenses que deberían imitar a los ricos

3. La población mundial crece

4. La economía de mercado obliga a una expansión patológica y la producción de más cantidades de mercancias

5. La energía solar y eólica constituyen una fracción mínima de la energía actual

Las energías renovales se consideran fuentes de energía que no ”disminuyen” con su uso [6]. Pero tambien generan impactos por los materiales utilizados para aprovecharla y los efectos medioambientales asociados con su fabricación montaje y uso . Si la fuente de energía del Universo es infinita, pero la tierra y los materiales que se utilizan para capturarla no son infinitos y desde éste punto de vista se debe cosniderar si son realmente ”renovables”. La energía renovable no es totalmente renovable porque depende de los combustibles fósiles para reemplazar a los combustibles fósiles.

El total de energía consumida en la actualidad en EE.UU. es de aproximadamente 100 quads (1015 Btu ). En su clásico The party´s over (La fiesta ha terminado), Richard Heinberg observa que ”para producir 18 quads de energía eólica en EE.UU. para el 2030 se necesitaría una instalación de algo así como medio millón de turbinas de última tecnología… lo que es cinco veces la actual capacidad de producción mundial para turbinas…la mayor parte de la energía necesaria para dicha empresa provendría de los menguados combustibles fósiles.”[6].

El sector energético moviliza al año (en producción y consumo, naturalmente) unos 8750 Mtep (millones de toneladas equivalentes de petróleo), que equivalen a 3, 7 × 1020 Joules o 8, 75 × 1013 termias de las que alrededor del 90 % es de origen fósil, casi 7 % de energía nuclear, y alrededor de un 3 % de energías renovables, mayoritariamente hidráulica, con una pequeña aportación eolica.

A las cifras anteriores se deben añadir las provenientes de la biomasa principalmente vegetal unos unos 1000 Mtep de biomasa de todo tipo consumida principalmente en forma de leña.

La potencia media de la producción antropogénica (en la que interviene el hombre) de energía es de 11,5 TW (1 TW = 1012 W) alrededor de 2 kW por persona (para comparar: la dieta media representa 140 W/persona para una aportación de 3000 kcal/dia) o sea que se consume mucho más en uso de la energía que en la alimentación media suficiente.

Haciendo una referencia histórica: Actualmente el consumo de energía artificial es de casi 1,5 Mtep por persona y año. Hacia 1965 dicha cifra era de 1 Mtep (con una población algo inferior a 3.200 millones de personas), y esa misma cifra era aproximadamente la de Mtep.

Capítulo 4

Flujo de Energía en la tierra

La Energía que surte a la tierra proviene casi exclusivamente del sol. Llega en forma de ondas electromagnéticas que en la superficie, gracias al fenómeno de fotosíntesis, se convierte en biomasa vegetal en primer lugar y animal siguiendo una cadena alimentaria. Biomasa sepultada y fosilizada es el carbón, el petróleo y el gas natural.

El Sol calienta al aire y al agua. Evapora al agua y la convierte en componente del aire. Calienta en forma desigual al agua del mar y al aire de la atmosfera los que acumulan energía térmica.

Gradientes de temperatura producen corrientes hacia arriba de aire atmosférico y los vientos o energía eólica. El agua contenida en el aire a niveles altos de la atmósfera se satura y cae como lluvia que baja en los rios y queda en los lagos, constituyendo energía hidraulica.

El viento produce olas en el mar y la posición cíclica de los astros más próximos las mareas. La energía mareomotriz es de algo así como 3.5 TW dispersada por el mar y en estuarios de características peculiares.

Una fuente de Energía es un recurso donde de alguna manera se puede extraer Energía. El objetivo técnico es extraerla para obtener de ella trabajo útil. Si en la fuente existe la energía totalmente como Exergía está como energía una manifestación de la energía gravitacional, cinética o potencial. Si en la fuente de energía coexisten Exergía y Anergía la planta de generación de Exergía separará la una de la otra para usar la Exergía en alguna aplicación técnica.

Figura 4.1: La Energía del Sol sostiene la Tierra

4.1. Flujo desde el interior de la tierra (o Geotérmica)

En el interior de la tierra existen temperaturas muy elevadas que alcanzan los 7000 oK en el núcleo central y unos 300 o K en la superficie. El origen de ésto es doble: uno, la acción de la gravedad, y otro, la desintegración nuclear natural. La compresión gravitacional fue decisiva durante la formación de nuestro planeta, hace 4500 millones de años. Desde entonces, la tierra se ha venido enfriando lentamente, aunque el trabajo gravitatorio que aún realiza se disipa casi exclusivamente mediante el calor, con aportaciones mecánico-tectónicas, elásticas y eruptivas. La radioactividad actual es menor que en el pasado, subsisten los nucleos de vida media alta. Como consecuencia de ése calor del interior terrestre, el 90 % de la superficie continental manifiesta un flujo calórífico de 50 mW/m2. Esto corresponde a un gradiente térmico menor de 3 oC cada 100 metros de profundidad, lo que significa la práctica poca posibilidad de aprovechar tal energía en cualquier sitio. la posibilidad si queda en las zonas con actividad tectónica cerca a la superficie.

El flujo total de calor hacia la corteza terrestre es enorme, unos 1021 J/año o una potencia de unos 30 TW, pero a dada su baja densidad por unidad de superficie es improbable su uso. El atractivo auténtico de la energía geotérmica es la existencia de zonas anómalas en las que se dan circunstancias favorables de temperatura, gradiente térmico y flujo calorífico. Si se puede inyectar agua fría y extraer vapor saturado sería probaable la generación.

4.2. Flujo desde el sol

El sol radia energía electromagnética con un espectro característico de cuerpo negro a unos 5780 K (grados Kelvin). A la parte exterior de nuestra atmósfera es bastante superior a la cifra antedicha, y en valor medio es de 1.352 W/m2 de orientación normal al sol. A nivel del mar, con atmósfera clara, la irradiación solar alcanza unos 1000 W/m2 perpendicular a la trayectoria del rayo de sol.

Estos valores cambian según las variaciones astronómicas de la distancia entre Tierra y Sol y con la actividad solar. Se han detectado un cuasiciclo de variación de actividad de la superficie solar de unos 11 años de periodo.

A la tierra llegan anualmente unos 5, 5 × 1024 J , o 1, 75 × 105 TW de potencia media, que equivale a 15.000 veces la actual energía antropogénica. Son de mucho significado energético la dispersión y absorción de luz por los diversos constituyentes de la atmosfera. Casi un 30 % de la radiación incidente con longitudes de onda relativamente cortas es dispersada . Esto ocurre sobre todo en las capas altas atmosféricas y en las zonas circumpolares, por su ángulo de incidencia, más oblicuo.

Más del 70 % de la radiación es reemitida como longitud de onda mucho más larga lo que significa una media de potencia de alrededor de 250 W/m2. Esos fotones llegan hasta dentro del suelo o del mar y surten la biosfera. El espectro de luz así emitida sea mucho menos energético (ondas más largas) y en vez de corresponder a 5780 oK de temperatura, propios de la luz solar original, sea tan solo de 288 K, que es la característica media de la Tierra 15o C).

Las complejas interacciones de los fotones solares con la biosfera son el fundamento del clima y la propia vida y a los ciclos vitales, particularmente del H2O y del CO2 (que no absorbe sino una minúscula fraccion de la energía recibida, del orden de las 10 millonésimas)

El valor medio la energía transferida entre la superficie del planeta y la atmósfera (siempre en ida y vuelta) es del orden de la mitad de la radiación solar original, algo inferior a 700 w/m2. En valor medio por m2 de la superficie terrestre se reduce en un factor 4. 175 w/m2 que es el flujo energético medio a nuestro nivel.[7]

Como resumen tenemos:

1. Energía antropogénica (año 2000) 8.750 Mtep/ año ≈3,65×1020 J/año (≈11.5 TW)

2. Energía del equilibrio termofísico (de la irradiación solar, fundamentalmente) a nivel de la biosfera = 3.5×1024 J/año ( ∼=105 TW)

3. Energía absorbida y reciclada a través de la biomasa: 1000 Mtep/año 4,21019 J/año (∼=1.31 TW)

El 99.98 % de la energía en Tierra proviene del Sol. La hidráulica, las mareas, las olas, la eólica de alguna manera dependen de Él. [8]

La radiación solar, llega a la superficie terrestre, dependiendo de la latitud (a mayor distancia de la línea ecuatorial menor radiación), altura sobre el nivel del mar (a más altura más radiación), la orografía (valles profundos tienen menos horas de sol) y la nubosidad (a mayor nubosidad menos radiación).

La Energía nuclear o atómica, la geotermal (del calor del interior de la Tierra,) y la gravitacional (la fuerza de la gravedad) la Tectónica, no dependen del Sol.

Las fuentes de energía son cuerpos donde está la energía en forma disponible. Las fuentes de energía en la tierra son:

1. Atmósfera (gases) Es el viento la fuente de energía disponible,la energía del aire en movimiento es energía cinética.

2. Hidroesfera (líquidos)

El mar (olas, mareas, corrientes marinas, térmica del mar)

Rios

Lagos

3. Litoesfera (sólidos)

Rocas radiactivas.

4.2. FLUJO DESDE EL SOL

Combustibles fósiles.

Geotermal

Tectónica

4. Biosfera (vida)

Animal (seres autónomos) (Energía animal y biomasa)

Energía animal

Biomasa ( tejido muscular, grasas y aceites)

Vegetal biomasa

Tejidos leñosos

Aceites

Grasas

5. Socioesfera (cultura y tecnología)

La ciencia y la técnica harán que una fuente disponible sea aprovechable. El mundo no puede sostener los acutales niveles de consumo energetico. La tecnología actual así es insostenible y se deben encontrar nuevas fuentes aprovechables y la tecnologías apropiadas para su aprovechamiento.[4]

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