La importancia de la energía y la eficiencia energética

La energía es elemento clave en el desarrollo de la sociedad actual. Representa una de los factores más fundamentales para que los sectores de un país sean competitivos. El aumento del consumo de energía, derivado del crecimiento económico y de la tendencia de satisfacer el mayor número de necesidades, hace cada vez más urgente integrar la eficiencia energética y las energías renovables en el mundo. Es necesario usar la energía de forma más sostenible en los siguientes campos:

• Uso eficiente de la energía en el punto final de uso – edificios, vehículos, electrodomésticos, procesos industriales y cuidar la transferencia de energía entre la producción y el consumo.
• Mayor utilización de energías renovables para la producción de energía.
• Desarrollo de tecnologías energéticas con menor impacto.

Qué es la eficiencia energética

se puede definir como la capacidad de un uso, equipo, instalación o proceso para realizar su función con el menor consumo energético posible

De la misma forma se puede entender el ahorro de energía como la disminución del consumo de energía primaria de un centro de consumo de energía por la implementación de medidas de índole técnica o no técnica, manteniéndose en todo caso el cumplimiento de los objetivos previstos, y sin disminución de la calidad, productividad, seguridad física de las personas y patrimonial de los bienes y sin producir mayor impacto ambiental que la situación primitiva.

¿Pero qué es la energía?, es fácil de entender

La definición abstracta de energía como una magnitud física, se aleja del significado que se le puede dar en su uso diario.

Sin ser muy riguroso podríamos decir que es una medida de la capacidad de un ente físico para producir trabajo (magnitud asociada a la fuerza y al movimiento).

la energía es la capacidad para realizar un trabajo

Esta capacidad existe aunque no se llegue a realizar este trabajo. Por ejemplo si un niño tira un juguete desde un balcón, dicho juguete ya tenía anteriormente una energía (energía potencial) que hace que pueda llegar al suelo, para luego quedar destrozado.

Una de las propiedades de la energía es que no se puede crear, ni tampoco destruir. Cuando interaccionan los objetos entre sí pueden variar las magnitudes que determinan la cantidad de energía pero aunque existan intercambios de energía siempre permanecerá constante la suma de todas sus energías.

Es lo que se conoce como el Principio de Conservación de la Energía.

Los objetos del universo poseen energía por diversas causas:

• Velocidad a la que se mueven.
• Por su posición.
• Por la cantidad de masa que poseen.

Esto no es del todo cierto (si desde un punto de vista del universo), ya que hay energías que se prestan más que otras a ser transformadas. En todas las transformaciones de energía hay alguna cantidad que se convierte en calor y se disipa en el ambiente, quedando en forma no utilizable.

Por lo tanto, hay que tener en cuenta que todas las formas de energía no son iguales, según el segundo principio de la termodinámica. La consecuencia es que se puede convertir totalmente  el trabajo en calor pero no el calor completamente en trabajo.

Unidades de energía, medidas en el mundo

Te puedes preguntar como se mide la energía. A lo largo de los siglos se han establecido multitud de unidades según los países y las características y el comportamiento de la energía con algunas sustancias, como el agua.

La unidad de energía es el julio y se define como el trabajo que realiza una fuerza de un newton para conseguir el desplazamiento de un metro, en la dirección de la fuerza.

Pero no es la única unidad que existe en el mundo. Entre las que podemos encontrar destacan:

• BTU (unidad térmica británica) = 1055,1 J
• Caloría = 4,18 J
• tep (tonelada equivalente de petroleo) = 4,18 x 10¹⁰ J
• kWh (Kilo vatio hora) = 3,6 x 10⁶ J

Tipos de energía, una clasificación completa

Las formas de energía que se muestran en la naturaleza se pueden clasificar de la siguiente forma. Estas clases de energía son diferentes caras del mismo concepto, pero así es más fácil entenderlo globalmente.

• Energía cinética: relacionada con el movimiento.
• Energía potencial: según la posición de una masa.
• Energía eléctrica: la que se obtiene con una diferencia de potencial eléctrico.
• Energía lumínica: la que tiene como origen las fuentes luminosas, como el fuego o el sol.
• Energía mecánica
• Energía térmica: se manifiesta en forma de calor.
• Energía eólica: el viento y como aprovechar su fuerza.
• Energía solar: capta la radiación del sol.
• Energía fotovoltaica: un tipo de energía solar que transforma la radiación solar en electricidad.
• Energía hidráulica o hidroeléctrica: aprovecha la diferencia de altura del agua en una presa.
• Energía mareomotriz: el mar como productor de energía.
• Energía biomasa: libera la energía de la materia vegetal.
• Energía geotérmica: aprovecha la diferencia de temperatura entre el interior de la tierra y su superficie.
• Energía nuclear: relacionada con las reacciones nucleares.
• Energía química: procedente de las reacciones químicas, por ejemplo el combustible de un motor.-
• Energía sonora
• Energía radiante
• Energía de reacción
• Energía iónica
• Energía electromagnética
• Energía metabólica
• Energía magnética
• Energía calorífica

 Energía cinética, la del movimiento

La experiencia nos dice que los cuerpos en determinadas circunstancias pueden producir un trabajo.

Por ejemplo, una bala al atravesar un trozo de madera produce un trabajo venciendo la resistencia a la penetración que produce la madera.

Otro ejemplo, el viento al soplar sobre las velas de un barco lo pone en movimiento y produce un trabajo.

Como la energía es la capacidad de un cuerpo para efectuar un trabajo y la energía se mide por el trabajo que puede realizar se define la energía cinética por el trabajo que puede producir una masa dotada de velocidad.

La energía cinética de una masa en movimiento viene definida por su masa y su velocidad al cuadrado

Energía potencial, según la posición que ocupo así es mi energía

No solo los cuerpos en movimiento producen energía. Una pelota de tenis sujetada con la mano a una determinada altura posee una capacidad o potencial de efectuar un trabajo cuando la soltamos.

Un arco en tensión también posee energía potencial que se convierte en cinética cuando se dispara. En este caso la energía potencial es elástica.

Energía eléctrica, fundamental en la sociedad actual

Es la forma de energía que resulta de la diferencia de potencial entre dos puntos que si se unen con un material conductor producen una corriente eléctrica con la que se obtiene trabajo.

Energía nuclear, el átomo y su fuerza

La energía nuclear o atómica, es la energía que se libera de manera espontánea o artificial en las reacciones nucleares. Se obtiene al manipular la estructura interna de los átomos.

Energía hidráulica, el poder del agua

La energía hidráulica, hídrica o hidroenergía es aquella que se obtiene de aprovechar las energías cinéticas y potencial de una corriente de agua.

Energía eólica, el viento y su movimiento

Energía obtenida el viento mediante el aprovechamiento de la energía cinética provocada por efecto de las corrientes de aire y que se transmite a un molino para su posterior transformación en electricidad.

Energía solar, el sol como generador

Es la obtenida a partir de la captación de su radiación ya sea en forma de calor (solar térmica) o electromagnética (solar fotovoltaica).

Energía mareomotriz, el mar y su movimiento

Es la que se obtiene captando la energía de las mareas mediante un alternador que se puede usar para generar electricidad.

Energía de la biomasa, restos vegetales para producir energía

La biomasa es toda materia orgánica de origen vegetal que almacenan energía gracias a la fotosíntesis, que tiene lugar cuando la luz solar en combinación con agua, sales minerales y dióxido de carbono hace que se desarrolle.

Fuentes de energía

Una fuente de energía no es más que un depósito de esta. Hay casos en el que es necesario transformarla para poder extraerla y otros en los que no.

En función de la fase de transformación en la que se encuentren se dividen en primarias, secundarias y finales.

Primarias

Son aquellas que se encuentran directamente en la naturaleza y no se han sometido a ningún proceso de transformación. En estas se incluyen las que requieren procesos previos de transformación:

• Carbón.
• Gas natural.
• Petroleo.
• Uranio.

Otras sin embargo no lo necesitan:

• Madera.
• Sol.
• Viento.
• Agua embalsada.

Según la disponibilidad en la naturaleza se pueden agrupar en:

• No renovables: Petroleo, carbón, gas, uranio.
• Renovables: Solar, eólica, hidroeléctrica y biomasa.

Las no renovables representan el 93% del consumo mundial de fuentes de energía primaria.

Secundarias

Son los denominados vectores energéticos. Su función es almacenar energía, pero no se consumen diréctamente.

El más conocido en la energía eléctrica y a partir de ella se obtienen energía mecánica (mover una batidora) y térmica (calentar agua en un termo).

Finales

Son la que usamos cada día en transportes, viviendas y en la industria. Las más conocidas son:

• Energía eléctrica.
• Gas Natural.
• Derivadas del petroleo: gasolinas, gasoleos, butano, propano, queroseno.

A partir de ellas se extrae la energía en sus tres formas posibles energía mecánica, luminosa y térmica.

Conceptos relacionados con el calor

El concepto por el que se considera el calor como forma de transporte de energía y se define como la suma del trabajo y la diferencia de la energía interna de un sistema es muy reciente y se atribuye al Max Born, premio Nobel de Física de 1921.

En el siglo XIX se consideraba como una sustancia que podía penetrar en los cuerpos con una cantidad invariable en cada proceso para más tarde establecer una de los principios básicos de la naturaleza:

La cantidad de calor que se transmite no puede medirse directamente pero se puede relacionar con la temperatura para determinarla. Por lo tanto cuando en un sistema hay una diferencia de temperatura se ha transmitido calor.

Formas de transmitirse el calor

El flujo de calor va de un lugar a otro a través de tres formas distintas:

• Convección: Consiste en la transmisión del calor por desplazamiento de sus moléculas. El caso más habitual es el de un fluido (aire o agua) que se calienta a través de un emisor (a una temperatura elevada) y que provoca diferentes movimientos. Es fácil imaginarse como se mueve un huevo cuando se introduce en una olla con agua caliente.
• Conducción:En este tipo de transmisión no se produce desplazamiento de sus moléculas. El calor se transfiere por el contacto directo entre moléculas. Un ejemplo es como se transmite el calor en una varilla metálica si se calienta con un mechero, si lo sujetas por uno de sus extremos notarás poco a poco esta forma de transmisión de calor.
• Radiación:Aquí el calor se transmite sin que exista contacto con ningún cuerpo, lo hace a través de radiación. Todos conocemos la experiencia de como el Sol es capaz de transmitir calor a cualquier cuerpo. Las propiedades de radiación en los materiales usados para construir son muy importantes e influyen en el diseño de los edificios:
  • Reflexión: Proporción de radiación que rebota en el material sin cambiar la temperatura del mismo. Un ejemplo son las casas pintadas de blanco.
  • Absorción: Parte que penetrará en el material y que eleva su temperatura.
  • Emisión: facultad del material para irradiar radiación.

Unidades de calor

El calor, la cantidad de calor, la energía calorífica o energía térmica se representa por la letra Q y su unidad de medida en el Sistema Internacional (organización que normaliza las unidades físicas y químicas en el mundo) es el Julio J.

Sin embargo existen otras medidas muy habituales y que son fácil de encontrar, destacando sobre todo:

• El kilovatio hora (kWh): con un valor de 3,6 x 10⁶ J
• La kilocaloría (kcal): con un valor de 4,184 x 10³ J

Potencia calorífica

También denominada flujo térmico, indica la cantidad de calor que fluye a través de un medio en el tiempo.

Se utiliza cuando en el intercambio de calor es necesario que intervenga el tiempo y en el sistema internacional su medida es Julio por segundo (J/s) o como el más conocido, Watt o vatio (W).

Otra forma de encontrar la potencia calorífica es la kcal/h y equivale a 1,163 W.

Conceptos relacionados con la transmisión y la potencia

Conductividad térmica

Cantidad de calor que fluye por tiempo a través de un area con unas características teóricas determinadas (área de extensión infinita con caras plano-paralelas y de espesor la unidad), cuando existe una diferencia de temperatura entre sus caras.

Se mide en W/(m · ºC)

Es una propiedad física de cada material y depende principalmente de su temperatura y su naturaleza. Muestra la capacidad de un material para conducir el calor.

Resistividad térmica

Inversa de la conductividad térmica, se mide en m · ºC / W

Conductancia térmica

Cantidad de calor que se trasmite a través de la unidad de área. El equivalente a la conductividad térmica para areas de material. Se mide en W / (m² · ºC).

Resistencia térmica interna

Inverso de la conductancia térmica, se mide en m² · ºC / W. Cuando el calor atraviesa varias capas de materiales distintos, la resistencia térmica del conjunto se consigue sumando las resistencias parciales de cada uno de ellos.

Coeficiente superficial de transmisión de calor

Transmisión térmica por área en una superficie en contacto con algún fluido (aire o agua), debido a la conducción, convección  y radiación. Se mide en W / (m² · ºC).

Se suele usar para las caras interiores y exteriores de los cerramientos.

Resistencia térmica superficial

Inverso del coeficiente superficial de transmisión de calor y se mide en m² · ºC / W.

Coeficiente de transmisión de calor

También llamado transmitancia o coeficiente de transmisión térmica aire-aire, establece la diferencia de temperatura entre dos ambientes e incluye la conductancia y los coeficientes superficiales de transmisión de calor.

Su símbolo es K, su unidad es W / (m² · ºC).

Resistencia térmica total

En un edificio es la suma de las resistencias superficiales y de la resistencia térmica de la estructura. Es la inversa del coeficiente de transmisión de calor y se mide en m² · ºC / W.

Coeficiente de transmisión térmica de un edificio

Anteriormente en la norma CT-79 de España se usaba como media ponderada de los coeficientes de transmisión de calor de los crecimientos que envolvían un edificio. Actualmente está en desuso por otras normas más adecuada a la tecnología actual.

Coeficiente de transmisión térmica lineal

Flujo de calor que atraviesa un objeto por unidad de longitud y por diferencia de temperatura en ºC. Usado para elementos donde predomina la longitud frente al área, como en los puentes térmicos. Se mide en W / (m · ºC).

Calor específico

Es la cantidad de calor que hay que suministrar a la unidad de masa para elevar su temperatura en una unidad.

• Para el agua es de 1 kcal/kg, que el Sistema Internacional es de 4,185 J/(kg ºC)
• Para el aire es de 1004 J/(kg ºC)

Calor latente

Es la cantidad de calor que hay que suministrar a la unidad de masa para que cambie de estado, de líquido a gas o de sólido a líquido.

Cuando se produce esta transformación no se eleva la temperatura, por eso se denomina calor latente (oculto). Cuando regrese a su estado anterior el material cederá la misma cantidad de calor.

Calor sensible

Energía calorifica para mantener o elevar la temperatura de un local, sin intervención de ningún cambio de estado del vapor de agua. Realmente es el calor específico que se ha definido y que se usa para calcular la climatización de un espacio.