Energía, potencia e impacto ambiental
Bloque mixto: cálculo de potencia, energía y rendimiento por un lado, y valoración ambiental de la solución técnica por otro. Los problemas típicos son motores, instalaciones fotovoltaicas y ciclos térmicos; las cuestiones, fuentes de energía y sus impactos.
Potencia y energía
- P = W/t. En alterna monofásica P = V·I·cos φ; en trifásica P = √3·V_L·I_L·cos φ.
- Energía: E = P·t, en kWh si P va en kW y t en horas. No confundir MW (potencia) con MWh (energía).
- Rendimiento: η = P_útil/P_absorbida. En un motor, la absorbida es eléctrica y la útil, mecánica en el eje.
Máquinas térmicas y fuentes
- Carnot: η = 1 − T_F/T_C, siempre en kelvin; es el límite teórico que ningún ciclo real (Rankine, Brayton, Otto) alcanza.
- Bomba de calor: COP = Q_F/W, superior a 1 porque mueve calor en lugar de generarlo.
- Renovables: solar fotovoltaica (kWp, horas solar pico, kWh/kWp), termosolar, eólica (P = ½·ρ·A·v³), hidráulica (P = ρ·g·Q·H·η), biomasa y geotérmica.
- No renovables: carbón, gas natural en ciclo combinado y nuclear de fisión, sin CO₂ directo pero con residuos de vida larga.
Transporte y transformadores
- Transformador ideal: V₁/V₂ = N₁/N₂ = I₂/I₁. Al elevar la tensión, para la misma potencia la corriente baja y las pérdidas en línea (I²·R) se reducen mucho.
Ejemplo resuelto
Motor trifásico a 400 V, 12 A, cos φ = 0,85 y η = 0,9. Potencia absorbida: P = √3 · 400 · 12 · 0,85 = 7067 W. Potencia útil: 0,9 · 7067 = 6361 W ≈ 6,4 kW. Si funciona 2000 h al año, la energía mecánica entregada es 6,4 · 2000 = 12 800 kWh, pero el consumo eléctrico facturado será 7067 · 2000/1000 = 14 134 kWh, que a 0,15 €/kWh cuesta unos 2120 €.
Impacto ambiental
- Efecto invernadero (CO₂, CH₄), lluvia ácida (SO₂, NOₓ), destrucción del ozono (CFC), contaminación de aguas, residuos radiactivos e impacto paisajístico y acústico de la eólica.
- Instrumentos: evaluación de impacto ambiental, huella de carbono (g CO₂ eq/kWh), análisis de ciclo de vida, eficiencia energética y desarrollo sostenible.
Errores que cuestan puntos
- Introducir temperaturas en °C en la fórmula de Carnot.
- Olvidar el √3 o el cos φ en trifásica.
- Mezclar potencia absorbida y útil, o aplicar el rendimiento invertido.
- Dar la energía en kW en lugar de kWh.