generación de energía

GENERACIÓN DE ENERGÍA

Jorge Luis JaramilloPIET EET UTPL marzo 2011

Generación de energía

•Introducción•Evolución histórica de la matriz de energía•Energía eléctrica•La guerra de las corrientes•Áreas de interés en la gestión de energía para los próximos años•Discusión y análisis


•Introducción

Introducción

El término energía proviene de la palabra griega ἐνέργεια que significa actividad u operación, y, está relacionado con la palabra griega ἐνεργóς que significa fuerza de acción o la fuerza que se realiza al trabajar.

El término energía tiene diversas acepciones y definiciones, relacionadas con la capacidad para obrar, transformar o poner en movimiento. En física, energía se define como la capacidad para realizar un trabajo.

IntroducciónLa energía también se define como una magnitud física que se presenta en diversas formas. La energía está involucrada en todos los procesos de cambio de estado, se transforma, se transmite, y, se conserva. Todo cuerpo es capaz de poseer energía, gracias a su movimiento, a su composición química, a su posición, a su temperatura, a su masa, y, a otras propiedades. La energía puede transformarse de un formato a otro. Durante esa transformación, la energía se degrada o pierde calidad. En toda transformación, parte de la energía se convierte en calor o energía calorífica. Cualquier tipo de energía puede transformarse íntegramente en calor, pero el calor no puede transformarse íntegramente en otro tipo de energía. Se dice entonces que, el calor es una forma degradada de energía. El rendimiento se define como la relación (en %) entre la energía útil obtenida y la energía aportada en una transformación.

Introducción

Por cuanto la energía se define como la capacidad de realizar un trabajo, energía y trabajo son equivalentes, y, se expresan en las mismas unidades. El calor es otra forma de energía, por lo que también hay una equivalencia entre unidades de energía y de calor. La capacidad de realizar un trabajo en un determinado intervalo de tiempo, se denomina a potencia.

La unidad de energía definida por el sistema internacional de unidades (SIU) es el Julio (J), definido como el trabajo realizado por una fuerza de un newton (N) en un desplazamiento de un metro (m) en la dirección de la fuerza. Dimensionalmente, se cumple que [1J]=[1N]*[1m]

Introducción

Nombre Abreviatura Equivalencia en julios

Caloría cal 4,1855

Caloría frigoría fg 4.185, 5

Caloría grande Cal 4.185,5

Termia Th 4.185.500

Kilovatio hora KWh 3.600.000

Tonelada equivalente de petróleo TEP 41.840.000.000

Tonelada equivalente de carbón TEC 29.300.000.000

Tonelada de refrigeración TR 3,517/h

Electronvoltio eV 1.602176462 × 10-19

British Thermal Unit BTU 1.055,05585

Caballo de vapor por hora CVh 3,777154675 × 10-7

Ergio erg 1 × 10-7

Distintas unidades de energía

Introducción

En tecnología y economía, el término energía se refiere al recurso natural y la tecnología asociada para extraerla, transformarla y darle un uso industrial o económico. La energía en sí misma nunca es un bien de consumo final, sino que es un bien intermedio en la producción de bienes y servicios. Al ser un bien escaso, la energía es fuente de conflictos para el control de los recursos energéticos. Es común clasificar las fuentes de energía en renovables y no renovables, según incluyan el uso irreversible o no de ciertas materias primas, como combustibles o minerales radioactivos.

Introducción

ENERGÍAS RENOVABLES ENERGÍAS NO RENOVABLESEólica CarbónGeotérmica Centrales nuclearesHidráulica Gas naturalSolar PetróleoBiomasa Atómica (uranio o plutonio)Etanol ButanoMetanolCinéticaMareomotrizGradiente térmico oceánico (maremotérnica)AzulTermoeléctrica generada por termoparesNuclear de fusión

Energías renovables y no renovables

Introducción Tomado de www.oni.escuelas.edu.ar

Relación entre las distintas formas de energía

http://www.oni.escuelas.edu.ar/2002/santiago_del_estero/madre-fertil/energia.htm

Introducción

Relación entre las distintas formas de energía

Tomado de www.oni.escuelas.edu.ar



•Evolución histórica de la matriz de energía

Evolución histórica de la matriz energética

En una matriz energética se establecen las diferentes fuentes de energía de las que dispone un país, indicando la importancia de cada una de estas y el modo en que estas se usan.

La matriz energética de un país o de una región puede hacer referencia a que algunas de las fuentes energéticas son obtenidas o compradas de otros países. Un país puede ser deficitario o excedentario de las diferentes fuentes de energía.

Las energías primarias son aquellas provistas por la naturaleza de forma directa, se utilizan en su estado natural; entre las principales fuentes de energía primarias están: la hidroenergía, el petróleo crudo, el gas natural, el carbón mineral, la biomasa, energía solar y eólica.

Las energías secundarias son aquellas que provienen de diferentes centros de transformación, como la energía eléctrica de las centrales de generación o el diesel de las refinerías de combustibles. Tienen como principal característica su uso directo en los diferentes sectores de consumo (industrial, comercial o doméstico) o en otros centros de transformación (como el caso del diesel que es obtenido de la refinería para su empleo en una central térmica).


Balance de energía


Requerimiento de energía por parte del ser humano

kilocalorías por minuto (kcal/min)

En reposo (dormido) 1

Trabajo ligero 3,5

Trabajo duro 10,3-12,4

Se ha calculado que, como promedio, un hombre requiere consumir 3.000 Kcal diarias para poder desarrollar una vida de considerable actividad, mientras que una mujer requiere 2.200, y, un niño 1 800.

Tomado de la energía y el hombre. José Altshuler


Tomado de www.oni.escuelas.edu.ar

Evolución histórica de la matriz de energía utilizada por el ser humano



Tomado de la energía y el hombre. José Altshuler

Requerimiento de energía por parte del ser humano en función de la tecnificación


Requerimiento de energía por parte del ser humano en función de la tecnificación


Evolución histórica y tendencias prospectivas en el uso de distintas formas de energía


Matriz de energía mundial al 2007


Matriz de energía de los EEUU, 2009

David Rotman. Praying for an Energy Miracle. Technology review. Published by MIT. March/April 2011


Oferta de energía en el Ecuador en el año 2009. Fuente MEER


Cualidades de una fuente ideal de energía

Una fuente de energía ideal debe ser:

• Accesible• Disponible• Segura

En relación al medio ambiente, se le ha agregado una cualidad adicional:

• Aceptada


•Energía eléctrica

La electricidad , del griego elektron o ámbar, es un fenómeno físico cuyo origen son las cargas eléctricas y cuya energía se manifiesta en fenómenos mecánicos, térmicos, luminosos, químicos, etc.

También se denomina electricidad a la rama de la física que estudia las leyes que rigen el fenómeno, y, a la rama de la tecnología que la usa en aplicaciones prácticas.

Se denomina corriente eléctrica al flujo ordenado de electrones dentro de un conductor que conforma un circuito cerrado, en presencia de un campo eléctrico.

Energía eléctrica

Energía eléctrica

Tales de Mileto

639 – 547 aC

Batería de Bagdad226 dC

William Gilbert

1544 - 1603

Charles Francois du

Fay1698 – 1739

Pieter van Musschenbro

ek1692 – 1761

Alessandro Volta

1745 - 1827

Electricidad estática ¿Baterías? Conductores

y dieléctricos

Cargas positivas y negativas

Capacitores

Pila eléctrica

Energía eléctrica

Charles de Coulomb

1736 - 1806

Benjamin Franklin

1706 - 1790

André-Marie Ampère

1775 - 1836

Michael Faraday

1791 - 1867

Georg Simon Ohm

1789 - 1854

Ley de atracción de

cargasPararrayos Corriente

eléctrica

Inducción electromagn

éticaLey de Ohm

Energía eléctrica

Samuel Morse

1791 - 1872

William Thomson

1824 -

Zénobe Gramme

1826 - 1901

Alexander Graham Bell1847 - 1922

James Clerk Maxwell

1831 - 1879

Telégrafo Primer cable trasatlántico

Dínamo de Gramme Teléfono

Teoría del campo electromagnétic

o

Energía eléctrica

Nikola Tesla1856 - 1943

Joseph John Thomson

1856 - 1940

Robert Andrews Millikan

1868 - 1953

Thomas Alva Edison

1847 - 1931

George Westinghouse

1846 - 1914

Máquinas de CA El descubrimiento del electrón

Determinación de la carga del

electrón

La industria de la generación de ee

Energía eléctrica

La generación de electricidad, consiste en la transformación de alguna clase de energía «no eléctrica», sea esta química, mecánica, térmica, luminosa u de otra índole, en energía eléctrica.

Se han desarrollado iniciativas para transformar distintas formas de energía en energía eléctrica: energía nuclear, energía hidráulica, energía solar, energía eólica; energía mareomotriz, energía undimotriz, energía geotérmica, etc.

Se experimenta con generación de energía eléctrica a partir de energía humana.

Generación de energía eléctrica

Energía eléctrica

Principio fundamental de la generación de energía eléctrica

Energía eléctrica

Se denomina corriente alterna (CA/AC) a la corriente eléctrica en la que la magnitud y dirección varían cíclicamente. La forma de onda de la corriente alterna más comúnmente utilizada es la de una onda sinoidal.

La corriente continua (CC/DC) es el flujo continuo de electrones a través de un conductor entre dos puntos de distinto potencial. A diferencia de la CA, en la CC las cargas eléctricas circulan siempre en la misma dirección.

Formatos de generación de energía eléctrica

Energía eléctrica

Steven W. Blume. ELECTRIC POWER SYSTEM BASICS: for the nonelectrical professional. IEEE Press Series on Power Engineering. IEEE, 2007

Esquema general de generación, transmisión, y, distribución de energía eléctrica

Energía eléctrica

Centrales convencionales de generación de energía eléctrica

Energía eléctrica

Centrales no convencionales de generación de EE

Energía eléctrica

Centrales no convencionales de generación de EE


•La guerra de las corrientes

La guerra de las corrientes

A finales del siglo XIX las aplicaciones para la electricidad crecían continuamente. Había empezado la segunda revolución industrial: el telégrafo reemplazaba al correo tradicional y los motores eléctricos sustituían a las máquinas a vapor.

Después de la Exposición Mundial de París de 1881, y, de la presentación de la lámpara de Thomas Alva Edison, los nuevos sistemas de iluminación eléctricos se convirtieron en el logro tecnológico más importante del mundo.

La bombilla incandescente, inventada por Edison en 1878.

AntecedentesThomas Alva Edison


Para 1882, Edison instaló la primera central eléctrica comercial de la historia en Pearl Street, Nueva York. La planta generaba energía en formato de CD, suficiente para abastecer la demanda de las 330 Ha de Manhattan. La distribución de energía se realizada a través de un sistema de 3 hilos (110V, 0V, -110V).

En ese mismo año, la CD de Edison se convirtió en el standard en los EEUU, puesto que permitía el trabajo directo con las lámparas incandescentes, con los motores de CD desarrollados por Edison, facilitaba el storage de energía en baterías para respaldo ante cortes en el funcionamiento de los generadores, y, permitía la fácil conexión en paralelo de los generadores.

Pearl Street, NY, 1883

Antecedentes


Con 28 años, el serbio Nikola Tesla llegó a Nueva York en 1884, con una carta de recomendación en el bolsillo para Edison que había escrito uno de los socios de éste en Europa: “Querido Edison: conozco a dos grandes hombres y usted es uno de ellos. El otro es este joven”.

A pesar de que a Edison no le causó buena impresión, decidió contratarlo. La primera tarea que le encargó fue hallar una forma para mejorar el sistema de CD desarrollado por Edison, a cambio de un recompensa de USD 50.000.

Al poco de trabajar juntos, las diferencias entre ambos hombres comenzaron a provocar conflictos. Edison carecía de una educación formal y todos sus inventos se basaban en un método empírico de ensayo, de prueba y error, mientras que Tesla poseía una sólida formación en matemáticas, mecánica, física e ingeniería, y, era capaz de resolver mentalmente los problemas técnicos que surgían sin necesidad de recurrir a realizar experimentos, lo que sacaba de quicio a Edison.

Nikola Tesla

Nikola Tesla


Un año después, Tesla se presentó ante Edison y le anunció que había dado con una solución al problema. Tesla había diseñado un sistema de generación y transmisión de CA que permitía que el voltaje se elevara con un transformador antes de transportarse a largas distancias y, una vez en destino, que se redujera para proporcionar energía de forma eficiente, segura y económica. Edison menosprecio la idea y se negó a pagar a Tesla la recompensa prometida, alegando que había sido tan sólo una broma americana: “Tesla, no entiendes el sentido del humor americano”. Furioso y decepcionado, Tesla dimitió.

Luego de su renuncia, algunos inversores se interesaron en financiar los trabajos de Tesla. AK Brown le proporcionó fondos para que diseñara un motor de corriente alterna. La Western Union Company lo apoyó económicamente en la investigación sobre generación y transporte de CA a largas distancias.

Nikola Tesla


La creciente demanda de electricidad facilitó la inversión en la construcción de centrales eléctricas de mayor capacidad de generación y en la transmisión de la energía generada a mayores distancias. Por otra parte, la rápida inserción de los motores eléctricos en la industria, obligó a la distribución de energía en voltajes distintos a los 110V que se utilizaba para la iluminación.

El sistema CD de Edison, se mostraba poco adecuado para responder a los requerimientos técnicos planteados: debido a las pérdidas de energía, las líneas de transmisión no alcanzaban más de 2 Km lo que obligaba a la instalación de varios generadores en la ciudad, provocando que la transmisión interurbana de grandes cantidades de energía fuera costosa.

Por otra parte, la necesidad de proveer de energía eficiente, segura, y, económica, en voltajes no transformables, obligó a la instalación de líneas eléctricas separadas que “atraparon New York como una gigantesca tela de araña eléctrica”, con los consiguientes riesgos para los ciudadanos, tal como lo demostró la muerte por electrocución de cientos, durante el Gran Huracán Blanco de 1888.

Nuevos requerimientos técnicos para la generación de energía

Una calle de NY, en 1888


Para este tiempo, George Westinghouse, fabricante de frenos de aire para trenes y propietario de la compañía The Westinghouse Corporation, se percató del enorme potencial del sistema de CA y decidió comprar a Tesla el sistema.

En 1886, George Westinghouse fundó la Westinghouse Electric para competir con la General Electric de Edison.

George WestinghouseGeorge Westinghouse

Westinghouse Early AC System, 1887US patent 373,035


La comercialización de aquel nuevo sistema de energía supuso el inicio de una batalla de relaciones públicas, que los medios de los EEUU denominaron la guerra de las corrientes, que enfrentó durante casi una década a la General Electric y a la Westinghouse Electric.

En un intento de mantener su monopolio, Edison emprendió una campaña de difamación y desprestigio de la CA. Llenó la ciudad de carteles que advertían a los ciudadanos de los peligros que suponía y extendió una serie de historias falsas sobre accidentes mortales.

En el climax de la “guerra”, Artur Kennelly y Harold Brown, de General Electric, desarrollaron una silla eléctrica de CA y electrocutaron a perros, gatos, y, hasta un elefante (Topsy) sólo para demostrar que la corriente alterna era peligrosa. Por su parte, Tesla se expuso al flujo de una corriente CA que atravesó su cuerpo sin causarle daño.


La demostración de Tesla


El primer golpe duro para Edison se produjo cuando la Feria Mundial de Chicago de 1893, licitó el sistema de iluminación de la misma. La oferta de Westinghouse fue la mitad de lo presupuestado por Edison (USD 500.000) y además libraba a la Feria del enjambre de cables que suponía la opción de Edison. El sistema se adjudicó a Westinghouse. En la inauguración, cuando el presidente de los Estados Unidos, Grover Cleveland, pulsó un botón y 100.000 bombillas incandescentes se iluminaron, el aplauso entusiasta del público fue un detonante mediático sin precedentes.

La Feria Mundial de Chicago de 1893, que se celebró de mayo a octubre, tuvo una gran repercusión internacional, puesto que participaron 19 países y por ella pasaron más de 27 millones de personas. En ella, tanto Edison como Tesla exhibieron sus sistemas, pero Edison corrió con poco éxito, puesto que al encender el interruptor de su bombilla incandescente, todas las luces de la “ciudad blanca” se atenuaron.


La Feria Mundial de Chicago de 1893, el primer espacio abierto que se iluminó en el mundo con energía eléctrica


El golpe final llegó cuando la Niagara Falls Power Company y su subsidiaria Cataract Company, conformaron la International Niagara Commission ( conformada por Sir William Thomson, más tarde Lord Kelvin, Eleuthere Mascart de Francia, William Unwin de Inglaterra, Coleman Sellers de los EEUU, y, Theodoro Turretini de Suiza) para evaluar la mejor opción para el desarrollo de una central hidroeléctrica para la generación y transmisión de energía para iluminar la ciudad de Buffalo, a 32 Km de distancia de las cataratas.

Luego de analizar 19 propuestas, en 1893, la comisión acordó asignar a Westinghouse la construcción del sistema en AC de 25 Hz (cambiado en 1950 a 60Hz)


Tesla's electrical generators in Westinghouse, Chicago, 1893


A partir de ese momento, la CA comenzó a reemplazar a la CD como standard, aunque algunas ciudades siguieron utilizando el sistema de Edison hasta bien entrado el siglo XX, como Helsinki (1940) o Estocolmo (1960).

En Nueva York, la compañía de Edison continuó proporcionando energía a muchos clientes que habían adoptado el sistema de la CD a comienzos de siglo, sobre todo hoteles que la empleaban para hacer funcionar sus ascensores. En enero de 1998, la central aún suministraba energía a 4600 personas, una cifra que se redujo, en 2006, a 60 clientes. En 2007, la central hizo su última transmisión de corriente continua.


A sketch of the exterior of the Pearl Street station. Courtesy: Photographic Services of the Consolidated Edison Company of New York, Inc.


•Áreas de interés en la gestión de energía para los próximos años

Áreas de interés en la gestión de energía para los próximos años

• Producción de electricidad eficiente y económica para asegurar al menos 500 KWh por persona por año, para las poblaciones rurales del mundo para el año 2020, y 1.000 KWh para el 2050, según la Declaración del Milenio.

• Distribución y uso de la electricidad en forma más eficiente y menos costosa

• Combustibles y medios de transporte alternativos que satisfagan las necesidades de transporte global a precios económicamente accesibles.

• Sistemas energéticos más eficientes en automóviles y camiones que reduzcan las emisiones.

• Reducción del consumo de materias primas y disminución de las emisiones en la industria en general.

• Sistemas inteligentes para optimizar el uso de la energía en los edificios.

A corto plazoTecnologías de uso final de la energía para el siglo XXI. Informe del Consejo Mundial de la Energía. Julio 2004


• Tecnologías de información y comunicación integradas en los servicios de uso final de la energía, especialmente en los países en desarrollo.

• Métodos de cocción simples y baratos en áreas pobres del mundo.

• Tecnologías de desalinización eficientes y económicas que pondrán agua pura a disposición de la gente y las industrias en todo el mundo.

A corto plazoTecnologías de uso final de la energía para el siglo XXI. Informe del Consejo Mundial de la Energía. Julio 2004


• Celdas de combustible eficientes y de bajo costo.

• Producción, distribución y almacenamiento de combustible de hidrógeno de bajo costo.

• Tecnologías de hidrógeno que fomentan sinergias del sistema.

• Sistemas energéticos integrados de funciones múltiples.

A largo plazoTecnologías de uso final de la energía para el siglo XXI. Informe del Consejo Mundial de la Energía. Julio 2004


• Definición de los roles de la industria y el gobierno en el desarrollo e intensificación de las nuevas tecnologías energéticas.

• Generación de energía eléctrica estacionaria remota.

• Implementación de estándares adecuados para el sector de la construcción.

• Implementación de un enfoque de servicios basados en la comunidad para fuentes de energía, vectores energéticos, y tecnologías de uso final.

• Implementación de industrias de servicios basadas en el conocimiento.

Retos de los países en desarrolloTecnologías de uso final de la energía para el siglo XXI. Informe del Consejo Mundial de la Energía. Julio 2004


Tecnologías de uso final de la energía para el siglo XXI. Informe del Consejo Mundial de la Energía. Julio 2004

Se definen 3 escenarios posibles para la gestión de la energía en los próximos años:

A1—Escenario de alto crecimiento que va más allá de la sabiduría convencional sobre la disponibilidad de petróleo y gas.

A3—Escenario de alto crecimiento con transición a una era de energía postfósil.

C2—Consumo reducido de energía


Los tres pilares del Clean Tech Leadership:

• Clean Technology Research and Innovation• Domestic Manufacturing Capacity• Development of Domestic Markets

Clean Tech Leadership


Clean Tech LeadershipEnergy RD&D funding by DOE between 1978 and 2010(in millions 2000$)


Clean Tech Leadership

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Manufacturing Employment Levels(Million of Jobs)Bureau of Labor Statistics

DISCUSIÓN Y ANÁLISIS

Education

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