Tema 3 · Energía y sostenibilidad · Ciencias Generales PEVAU

Sub-tema:

1. Energía, potencia y unidades

Magnitudes y unidades

Energía: \(E\) (J, kWh, kcal). \(1\text{ kWh} = 3{,}6\cdot 10^6\) J.
Potencia: \(P = E/t\) (W, kW, CV). 1 CV ≈ 735,5 W.
Consumo eléctrico anual de un aparato: \(E = P \cdot h \cdot 365 / 1000\) (kWh) con P en W y h horas/día.

Equivalencias útiles 1 tep (tonelada equivalente de petróleo) ≈ 11 630 kWh. 1 kWh de electricidad emite ≈ 0,25 kg CO₂ en España (mix 2023).

2. Mix energético español (electricidad)

Generación eléctrica España 2023 (REE) Renovables ≈ 50 % (eólica 23 %, solar fotovoltaica 14 %, hidráulica 7 %, otras 6 %). Nuclear ≈ 20 %. Ciclo combinado (gas) ≈ 17 %. Cogeneración ≈ 9 %. Carbón residual. Tendencia: descarbonización y cierre progresivo de carbón.

Energía primaria vs final Energía primaria: la del recurso (petróleo crudo, viento, sol). Energía final: la que llega al consumidor (gasolina en el depósito, electricidad en el enchufe). Las pérdidas de transformación pueden superar el 60 % en plantas térmicas.

3. Eficiencia energética

Definición \(\eta = E_\text{útil}/E_\text{consumida}\), siempre < 1.

Ejemplos típicos

Bombilla incandescente: 5 %. LED: 25-35 %.
Motor de combustión interna: 25-35 %.
Motor eléctrico de coche: 80-90 %.
Central térmica de carbón: 35-40 %. Ciclo combinado: 55-60 %.
Panel solar fotovoltaico: 18-22 %.
Bomba de calor: COP 3-4 (saca 3-4 unidades de calor por 1 de electricidad).

4. Huella de carbono y factor de emisión

Cálculo básico \(\text{CO}_2 = E \cdot f\), con \(f\) el factor de emisión del recurso.

Electricidad España (mix 2023): 0,25 kg CO₂/kWh.
Gas natural: 0,20 kg CO₂/kWh.
Gasóleo: 2,68 kg CO₂/L.
Gasolina: 2,32 kg CO₂/L.

Huella per cápita España ≈ 5-7 t CO₂/persona/año (objetivo 2050: net-zero). Movilidad + vivienda concentran el 50 % de la huella.

5. Renovables: solar, eólica e hidráulica

Solar fotovoltaica Producción anual: \(E = P_\text{nom} \cdot H_\text{equiv}\). En Andalucía \(H_\text{equiv} \approx 1\,700\) h/año. Una instalación de 5 kWp ≈ 8 500 kWh/año.

Eólica Potencia: \(P = \tfrac{1}{2}\rho A v^3 C_p\), con \(C_p \leq 0{,}593\) (límite de Betz). Una turbina de 100 m de diámetro a 10 m/s genera ≈ 2-3 MW.

Hidráulica Potencia: \(P = \rho g Q h \eta\), con \(\eta \approx 0{,}90\) en una turbina Pelton.

6. Sostenibilidad y Agenda 2030

17 Objetivos de Desarrollo Sostenible (ONU 2015) Especialmente relevantes para Ciencias Generales: ODS 7 (energía asequible y no contaminante), ODS 11 (ciudades sostenibles), ODS 12 (producción y consumo responsables), ODS 13 (acción por el clima), ODS 14-15 (vida bajo el agua y de los ecosistemas terrestres).

Acuerdos de París (2015) Limitar el aumento de la temperatura global a < 2 °C, idealmente 1,5 °C, sobre niveles preindustriales (1850-1900).

7. Errores frecuentes

1. Confundir energía con potencia: la potencia es el ritmo (W), la energía es la integral en el tiempo (kWh).

2. Olvidar que la eficiencia no puede superar el 100 % (segundo principio).

3. Pensar que "renovable" implica cero emisiones — fabricar paneles y aerogeneradores tiene huella.

4. Usar mal el factor de emisión de electricidad: depende del país y del año.

5. Asumir que duplicar la potencia eólica duplica la producción: el cubo de la velocidad domina.

Problemas resueltos paso a paso

PEvAU — Consumo y coste eléctrico anual 2025OrientacionesMedio

Una nevera de 150 W funciona en promedio 8 h al día. Precio de la electricidad: 0,17 €/kWh. Calcula consumo y coste anual.

Consumo diario: \(150\text{ W} \cdot 8\text{ h} / 1000 = 1{,}2\) kWh/día. Calcula el consumo anual.

Coste anual: \(438 \cdot 0{,}17\). Calcula.

Ver solución completa

Consumo diario: \(150 \cdot 8 / 1000 = 1{,}2\) kWh.
Anual: \(1{,}2 \cdot 365 = \mathbf{438}\) kWh/año.
Coste: \(438 \cdot 0{,}17 = \mathbf{74{,}46}\) €/año.
Si se sustituyera por una nevera A+++ de 80 W ahorra ≈ 41 €/año y unas 65 kg CO₂/año.

PEvAU — Huella de carbono de un viaje en coche 2025OrientacionesAlta

Un coche diésel consume 5,5 L/100 km y recorre 1 200 km. Factor de emisión: 2,68 kg CO₂/L. Calcula las emisiones del viaje.

Litros consumidos: \(5{,}5 \cdot 12\). Calcula.

Emisiones: \(66 \cdot 2{,}68\). Calcula.

Ver solución completa

Combustible: \(5{,}5 \cdot 1\,200/100 = 66\) L.
CO₂: \(66 \cdot 2{,}68 = \mathbf{176{,}88}\) kg ≈ 177 kg CO₂.
Compartir el coche con 3 personas más reduce la huella per cápita a ≈ 44 kg.

3. Consumo nevera

Nevera 120 W, 24 h/día, 365 días. Energía anual (kWh).

0,12·24·365.

4. Coste eléctrico anual

1 200 kWh/año a 0,17 €/kWh. Coste (€).

1 200·0,17.

5. Huella CO₂ trayecto coche

Coche diésel 6 L/100 km, 1 500 km, FE = 2,68 kg CO₂/L.

6·1 500/100 = 90 L.

90·2,68 = kg CO₂.

6. Potencia eólica disponible

v=10 m/s, D=80 m, Cp=0,4, ρ=1,225.

Área \(\pi(D/2)^2\) en m².

\(P=\tfrac12\rho A v^3 C_p\) en kW.

7. Producción FV anual

Panel 400 W, 4,5 h sol/día. Energía anual (kWh).

0,4·4,5·365.

8. Carga térmica · ΔT

Q = m·c·ΔT con m=200 kg agua, c=4,18 kJ/kg·K, ΔT=10 K. Energía (kJ).

200·4,18·10.

9. Eficiencia bombilla LED vs incandescente

LED 9 W vs incandescente 60 W con misma luz. Factor de mejora.

60/9.

10. Bombeo · potencia

Q = 5 L/s, h = 30 m, η=0,8. P en kW.

ρgQh/η en W.

Pasa a kW.

11. Emisiones eléctricas

Consumo 2 500 kWh con FE = 0,2 kg CO₂/kWh. Emisión (kg).

2 500·0,2.

12. Ahorro con aislamiento

Pérdidas anteriores 6 000 kWh/año; nuevas 3 800 kWh/año a 0,18 €/kWh. Ahorro anual (€).

(6 000-3 800)·0,18.

13. Huella vuelo · pasajero

FE = 0,12 kg CO₂/(pax·km), vuelo 1 800 km, 4 pasajeros.

0,12·1 800·4.

14. Coeficiente rendimiento bomba calor

COP=4, demanda 2 000 kWh térmicos. Energía eléctrica (kWh).

2 000/4.

15. Energía solar térmica · área

Demanda 12 kWh/día, irradiación 5 kWh/m²·día, η=0,55. m² captador.

12/(5·0,55).

Test de autoevaluación

1. 1 kWh equivale a:

a) 1 000 J. b) 3,6 · 10⁶ J. c) 1 000 cal. d) 1 W.

2. El límite de Betz para la eficiencia de un aerogenerador es aproximadamente:

a) 0,25. b) 0,40. c) 0,59. d) 1,00.

3. Si la velocidad del viento se duplica, la potencia eólica disponible:

a) Se duplica. b) Se cuadruplica. c) Se multiplica por 8. d) Permanece igual.

4. El ODS 7 trata sobre:

a) Salud y bienestar. b) Energía asequible y no contaminante. c) Acción por el clima. d) Vida submarina.

5. Una bomba de calor con COP = 4 produce, por cada 1 kWh eléctrico:

a) 0,25 kWh térmicos. b) 1 kWh térmico. c) 4 kWh térmicos. d) 16 kWh térmicos.

Simuladores

Coste eléctrico anual de un aparato

Mueve la potencia, las horas diarias y el precio. La curva muestra cómo crece el coste con la potencia.

Potencia eólica (curva v³)

\(P = \tfrac{1}{2}\rho A v^3 C_p\). Mueve la velocidad del viento y el diámetro.

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