CICLO DE CARNOT

A modo de introducción se dará el concepto de proceso reversible. Un proceso reversible es aquel donde un sistema termodinámico sufre un cambio de estados de equilibrio, pasando de uno inicial a uno final con algunos estados intermedios; es decir es un proceso donde después de pasar por un número de estados, llega a sus mismas condiciones iniciales, y las del medio que lo rodea.

Existen varias máquinas térmicas que trabajan en transferencia de calor, sin embargo en 1824 Sadi Carnot se dió cuenta de que las máquinas que funcionan de manera reversible son más eficientes. Por lo general suele llamarse el funcionamiento de dichas máquinas como "ciclo de Carnot".

El ciclo de carnot se da cuando un elemento se encuentra en medio de dos fuentes de calor, una de más alta temperatura que la otra, de tal manera que el elemento absorbe calor de la fuente más elevada y  cede calor a la fuente de menor temperatura, produciendo un trabajo en el exterior.

Este ciclo consta de dos etapas dos que se dan a temperatura constante(Isotérmicos) y dos adiabáticos en los que no se da ningún cambio de temperatura (no absorbe ni cede). Este proceso se indica como una transformación bitérmica.

El rendimiento del ciclo se puede describir como:

Este proceso es cíclico, por lo cual no encontraremos un cambio de energía interna y tendremos por la primera ley de la termodinámica:

Diagrama Ciclo de carnot
Fuente: http://www.sc.ehu.es/sbweb/fisica/estadistica/carnot/carnot.htm 

Aquí se presenta el diagrama presión-volumen del ciclo de carnot en el que el tramo AB representa la isoterma de la temperatura mayor, el tramo BC es la transformación adiabática, CD es la isoterma de menor temperatura y DA es otra transformación adiabática.

DESCRIPCIÓN DEL CICLO

En cuanto a la energía interna al ser un proceso cíclico, esta es cero.

El trabajo va a estar determinado por:

Los trabajos en las transformaciones adiabáticas son iguales y opuestos.

En cuanto al calor, en el proceso relacionado con la isoterma T1 un elemento absorbe calor se la fuente de mayor temperatura, en el caso del proceso relacionado con la isoterma T2  el elemento cede calor a la fuente de menor temperatura.

Para el caso donde se absorbe temperatura tenemos que:

La importancia del ciclo de carnot radica en que diferentes procesos termodinámicos se pueden dividir en ciclos de carnot.
Básicamente el ciclo de carnot se basa en una serie de elementos, un  gas que se encuentra en un cilindro-pistón y dos fuentes de temperatura, una más elevada que la otra.
En primer lugar  tenemos un gas comprimido adiabáticamente, inicialmente el cilindro-pistón está en contacto con una base térmicamente aislada, luego el gas sufre una expansión isotérmica de tal manera que comienza a absorber calor y recibiendo  una energía Qc de la fuente de más elevada temperatura.
Seguidamente el gas se expande adiabáticamente de tal manera que la temperatura va disminuyendo debido a la transferencia de calor que se da entre en cilindro-pistón y la fuente de menor temperatura.
Finalmente el sistema vuelve a sus condiciones iniciales después de haber cedido energía a la fuente de menor temperatura.
A continuación encontramos gráficamente este proceso.

Descripción gráfica ciclo de carnot
Fuente:  http://aliceincxland.blogspot.com/2010/04/ciclo-de-carnot.html 

Para que la transferencia de calor  durante el proceso sea reversible la diferencia entre la temperatura de la fuente de temperatura y el gas debe muy pequeña.
Es muy importante tener en cuenta que el ciclo de carnot no solo se limita a un sistema cerrado, por lo general este ciclo es de gran importancia al igual que el ciclo de Rankine en las centrales termoeléctricas.
En el caso del ciclo de carnot en la central termoeléctrica se da en el momento en que el agua que es introducida en la caldera comienza a evaporarse por medio de la transferencia de calor de un combustible que está siendo quemado, esta sería la fuente de temperatura más elevada. En este proceso la temperatura d la fuente será constante y la presión del vapor en el ciclo también lo será. Enseguida el vapor pasa de la caldera a una turbina donde se expande (adiabáticamente) y produce un trabajo, aquí la temperatura y la presión disminuyen y a medida que va pasando al condensador el vapor va cediendo temperatura a la fuente de menor temperatura que en el caso de las termoeléctrica es viento o agua de menor temperatura y este vapor condensado convertido en líquido de nuevo tiene las condiciones iniciales para repertir nuevamente el proceso.

REFERENCIAS:

Morán M., (2004), "fundamentos de termodinámica técnica", segunda edición, España.

http://personales.ya.com/casanchi/fis/ciclo001.pdf

http://www.sc.ehu.es/sbweb/fisica/estadistica/carnot/carnot.htm

http://es.wikipedia.org/wiki/Ciclo_de_Carnot

http://recursostic.educacion.es/newton/web/Documentacion_4D/fisica/calor/CicloDeCarnot.htm

ENERGÍAS RENOVABLES - BIOMASA

DEFINICIÓN DE LA BIOMASA

La biomasa es la energía solar convertida por la vegetación en materia orgánica; esa energía la podemos recuperar por combustión directa o transformando la materia orgánica en otros combustibles.

 UTILIZACIÓN DE LA BIOMASA

• Bosques. La única biomasa realmente explotada en la actualidad. Para fines energéticos es la de los bosques para cubrir parte de la demanda energética sólo puede constituir una opción razonable en países donde la densidad territorial de dicha demanda es muy baja, así como también la de la población (Tercer mundo). En España (por lo demás, país deficitario en madera ) sólo es razonable contemplar el aprovechamiento energético de los desechos de la corta y saca y de la limpia de las explotaciones forestales (leña, ramaje, follaje, etc.), así como de los residuos de la madera . En este sentido, la oferta energética subyacente a las leñas ha sido evaluada en 2.500.000tep, partiendo de la base de que la producción de leña (siempre en España) en t/ha es aproximadamente igual a la cuarta parte de la cifra al crecimiento anual de madera, en m³/ha.

• Residuos agrícolas y deyecciones y camas del ganado. Estos constituyen otra fuente importante de bioenergía, aunque no siempre sea razonable darles este tipo de utilidad. En España sólo parece recomendable el uso a tal fin de la paja de los cereales en los casos en que el retirarla del campo no afecte apreciablemente a la fertilidad del suelo, y de las deyecciones y camas del ganado, cuando el no utilizarlas sistemáticamente como estiércol no perjudique las productividades agrícolas. Siguiendo este criterio , en España se ha evaluado una hipotética oferta energética de 3.700.000 tep procedentes de paja de cereales.

• Cultivos energéticos. Consiste en cultivar vegetales para la posibilidad del aprovechamiento de cultivos energéticos. Esta opción no es muy rentable. Es muy discutida la conveniencia de los cultivos o plantaciones con fines energéticos, no sólo por su rentabilidad en si mismos, sino también por la competencia que ejercerían con la producción de alimentos y otros productos necesarios, (madera, etc.) Las dudas aumentan en el caso de las regiones templadas, donde la asimilación fotosintética es inferior a la que se produce en zonas tropicales. Así y todo, en España se ha estudiado de modo especial la posibilidad de ciertos cultivos energéticos, especialmente sorgo dulce y caña de azúcar, en ciertas regiones de Andalucía donde ya hay una tradición en el cultivo de estas plantas de elevada asimilación fotosintética .No obstante, el problema de la competencia entre los cultivos clásicos y los cultivos energéticos no se plantearía en el caso de otro tipo de cultivo energético: los cultivos acuáticos. Una planta acuática particularmente interesante desde el punto de vista energético sería el jacinto de agua , que posee una de las productividades de biomasa más elevadas del reino vegetal ( un centenar de toneladas de materia seca por hectárea y por año) .podría recurrirse también a ciertas algas microscópicas (microfitos), que tendrían la ventaja de permitir un cultivo continuo. Así, el alga unicelular Botryococcus braunii, en relación a su peso produce directamente importantes cantidades de hidrocarburos.

 METODOS DE CONVERSIÓN DE LA BIOMASA EN ENERGÍA.

Métodos termoquímicos. Estos métodos se basan en la utilización del calor como fuente de transformación de la biomasa. Están bien adaptados al caso de la biomasa seca, y ,en particular, a los de la paja y de la madera.

• La combustión, oxidación de la biomasa por el oxígeno del aire, libera simplemente agua y gas carbónico, y puede servir para la calefacción doméstica y para la producción de calor industrial.
• La pirólisis, combustión incompleta de la biomasa en ausencia de oxigeno, a unos 500 grados centígrados, se utiliza desde hace mucho tiempo para producir carbón vegetal. Aparte de este, la pirólisis lleva a la liberación de un gas pobre, mezcla de monóxido y dióxido de carbono, de hidrógeno y de hidrocarburos ligeros. Este gas, de débil poder calórico, puede servir para accionar motores diesel, o para producir electricidad, o para mover vehículos. Una variante de la pirólisis, llamada pirólisis flash, llevada a 1000 grados centígrados en menos de un segundo, tiene la ventaja de asegurar una gasificación casi total de la biomasa. De todas formas, la gasificación total puede obtenerse mediante una oxidación parcial de los productos no gaseosos de la pirólisis. Las instalaciones en la que se realizan la pirólisis y la gasificación de la biomasa reciben el nombre de gasógenos. El gas pobre producido puede utilizarse directamente como se indica antes, o bien servir la base para la síntesis de un alcohol muy importante, el metanol, que podría sustituir las gasolinas para la alimentación de los motores de explosión (carburol).

Métodos biológicos.

• La fermentación alcohólica es una técnica empleada desde muy antiguo con los azúcares, que puede utilizase también con la celulosa y el almidón, a condición de realizar una hidrólisis previa (en medio ácido) de estas dos sustancias. Pero la destilación, que permite obtener alcohol etílico prácticamente anhidro, es una operación muy costosa en energía. En estas condiciones la transformación de la biomasa en etanol y después la utilización de este alcohol en motores de explosión, tienen un balance energético global dudoso. A pesar de esta reserva, ciertos países (Brasil, E.U.A.) tienen importantes proyectos de producción de etanol a partir de biomasa con un objetivo energético (propulsión de vehículos; cuando el alcohol es puro o mezclado con gasolina, el carburante recibe el nombre de gasohol).
• La fermentación metánica es la digestión anaerobia de la biomasabiomasa húmeda (mas del 75% de humedad relativa).En los fermentadores, o digestiones, la celulosa es esencialmente la sustancia que se degrada en un gas, que contiene alrededor de 60% de metano y 40% de gas carbónico. El problema principal consiste en la necesidad de calentar el equipo, para mantenerlo en la temperatura optima de 30-35 grados centígrados. No obstante, el empleo de digestores es un camino prometedor hacia la autonomía energética de las explotaciones agrícolas, por recuperación de las deyecciones y camas del ganado. Además, es una técnica de gran interés para los países en vías de desarrollo. Así, millones de digestores ya son utilizados por familias campesinas chinas.

LUGAR DE LA BIOMASA ENTRE LAS FUENTES DE ENERGÍA.

Al contrario de las energías extraídas de la tanatomasa (carbón; petróleo), la energía derivada de la biomasa es renovable indefinidamente. Al contrario de las energías eólica y solar, la de la biomasa es fácil de almacenar. En cambio, opera con enormes volúmenes combustibles que hacen su transporte oneroso y constituyen un argumento a favor de una utilización local y sobre todo rural. Su rendimiento, expresado en relación a la energía solar incidente sobre las mismas superficies, es muy débil (0.5 % a 4%contra 10% a 30% para las pilas solares fotovoltaicas ), pero las superfícies, terrestres y acuáticas, de que puede disponer no tienen comparación con las que pueden cubrir, por ejemplo, los captadores solares. 

BIOMASA EN COLOMBIA

 

La energía de biomasa, que incluye materiales biológicos tales como materia de plantas y de animales, es una opción importante en términos de generación de energía. La biomasa para el combustible viene de la caña de azúcar, del maíz, de la planta switchgrass, y del cáñamo. Una ventaja de la biomasa residual es que puede ser utilizada para producir alcohol, metanol, y metano.

Colombia tiene un gran potencial de biomasa a partir del plátano, de la pulpa del café, y de los residuos animales. Se ha sugerido que el biogas se puede obtener del tratamiento anaeróbico en las zonas productoras de plátano. La región del Urabá en el norte del departamento de Antioquia tiene aproximadamente 19.000 hectáreas de plantaciones de plátano, produciendo más de 1 millón de toneladas anualmente. El potencial del café viene de los residuos, que alcanza cerca del 40 por ciento del peso total húmedo. Se ha estimado que aproximadamente 85.000 TOE/año se podrían producir de los 190 millones de m3/año del biogass generado a partir de las plantaciones del café, equivalentes a 995.000 MWh (Pérez y Osorio 2002).

Se estima que el potencial anual de energía de biomasa en Colombia debe ser de aproximadamente 16.260 MWh (TOE 1.398), distribuido así: 658 MWh/año de biodiesel, 2.640 MWh/ año de bioetanol, 11.828 MWh/ año de residuos de la agricultura, 442 MWh/ año de residuos de bosques plantados, y 698 MWh/ año de los residuos de bosques naturales (ISAGEN S.A. 2005). Se estima que los depósitos de basura de las cuatro principales ciudades en Colombia (Bogotá, Medellín, Cali y Barranquilla) tienen el potencial de proveer una capacidad instalada de 47 MW (ISAGEN S.A. 2005). Usando los residuos de los depósitos y de los procesos agrícolas se puede reducir el desecho de basuras.

Notablemente, sin embargo, algunas dificultades se asocian a la generación de energía de biomasa. A saber, el combustible ocupa un gran espacio durante el transporte (que también implica un costo de energía, y este costo se intensifica si el combustible va a ser transportado largas distancias). Semejantemente, la biomasa tiene un contenido de energía bajo, podría ser un recurso difuso en algunas áreas, es un combustible heterogéneo, y puede servir a veces usos limitados. Sin embargo, se debe anotar que Colombia tiene un gran potencial que puedan ser explotado - sin costos importantes, y que también ayude a resolver el problema de los desechos

FUENTE :  http://www.alu.ua.es/v/vap/biomasa.htm                                                                                                                                                          

                  http://es.wikipedia.org/wiki/Energ%C3%ADas_renovables_en_Colombia

                  http://educasitios2008.educ.ar/aula81/biomasa-colombia/

ENERGÍA EÓLICA

Dentro de las diferentes fuentes de energía encontramos, las fuentes renovables y no renovables, por lo pronto nos concentraremos en las energía eólica que es una fuente de energía renovable, es renovable porque se regenera con la misma velocidad con la que es consumida por el ser humano.

En cierta medida la energía eólica está relacionada con la energía solar, las diferencias que se crean debido a los cambios de temperatura y presión en la atmósfera como respuesta a la absorción de radiación solar, son las que producen los vientos. Prácticamente es la energía cinética producida por las corrientes de viento y que mediante diferentes procesos es transformada a otras formas de energía para el beneficio del ser humano. Dentro de los usos de la energía eólica encontramos, el desplazamiento de barcos que usan velas, y el uso en los molinos para mover sus aspas, aunque principalmente se usa para generar energía eléctrica.
En la actualidad, debido a los cambios climáticos y demás consecuencias que se han venido presentando a causa de la contaminación se han vuelto de gran importancia las energías renovables.
En el caso de la energía eólica  sus grandes ventajas son:

• Su uso y explotación no tiene consecuencias de gran impacto en el medio ambiente.
• A diferencia de energías como la geotérmica, esta energía no necesita de extracciones subterráneas.
• Durante su proceso de explotación no hay emisión de gases contaminantes, como en la generación de energía en termoeléctricas.

OBTENCIÓN DE LA ENERGÍA EÓLICA

Fuente: http://www.zeitgeistcolombia.com/equipos/er/node/393

Básicamente se utilizan aeromotores, que tiene diámetros de 50 a 90 cm y una altura de centro de motor de 60 y 100m, estos aeromotores son de 1 a 3 MW.
Existen varios sistemas de generación de energía eólica uno de estos es el sistema aislado que funcionan para pequeños consumidores, es algo más localizado en una zona. Por lo general dan abasto de energía eléctrica pero también se usan en forma de energía mecánica, para sacar agua de pozos.
Por otro lado se puede encontrar dos tipos de maquinas, dependiendo de su uso, las multipala que son más lentas y las bipala o tripala  para producir electricidad.


ENERGÍA EÓLICA EN COLOMBIA.

Colombia como todos sabemos es un país con gran número de recursos naturales, principalmente recursos hídricos, lo que ha permitido la generación de varias centrales hidroeléctricas, pero también la ubicación geográfica de nuestro país ns permite sacar provecho de la energía de los vientos que pasan por diferentes zonas entre ellas las islas. 

"Parque eólico de Jepirachi", en la guajira.
Fuente:  http://prefieroaluisperezdealcalde-info.blogspot.com/2011/06/parque-eolico-de-la-guajira.html

Actualmente en Colombia tenemos instalada una capacidad de  19.5 MW generados por energía eólica de un parque eólico en Jepirachí, el cal tiene 15 aerogeneradores. Uno de los varios sitios donde se pueden encontrar vientos con velocidades de 10m/s es en el departamento de la guajira, allí se estima que se tiene un potencial de 21GW suficiente para satisfacer la demanda nacional de energía, sin embargo a pesar de que en diferentes países del mundo se tiene una tecnología madura para el desarrollo de energía eólica, en Colombia esta tecnología no se ha desarrollado a la perfección y es por esto que no se está aprovechando al máximo este tipo de energía que verdaderamente es más amigable con el medio ambiente. Existen proyectos con aerogeneradores y sistemas aislados, es decir a gran escala solo se cuenta con el paruqe eólico de Jepirachí de la empresa EPM.


BIBLIOGRAFÍA
http://es.wikipedia.org/wiki/Energ%C3%ADas_renovables_en_Colombia
http://www.azulambientalistas.org/eolica.html
Villarrubia M., Energía eólica, (2004), Ediciones CEAC, [en línea]:
http://books.google.com.co/books?id=VKzt05OvszwC&printsec=frontcover&dq=energ%C3%ADa+e%C3%B3lica&hl=es&sa=X&ei=divET5bWC4PpgQfdjrzfBA&ved=0CDcQ6AEwAA#v=onepage&q=energ%C3%ADa%20e%C3%B3lica&f=false

PLANTAS TÉRMICAS

• CONCEPTO:

Una plata térmica o termoeléctrica es todo el conjunto de elementos, máquinas, motores e  instalaciones que permiten mediante un proceso de combustión de elementos fósiles, dentro de los cuales encontramos  el petróleo, el gas natural y el carbón; la generación de energía eléctrica, a través de la producción de vapor que accionará unas turbinas que mueven un rotor alternador.

Podemos encontrar otro tipo de plantas termoeléctricas que utilizan la fisión de núcleos de elementos como el uranio, para generar calor y posteriormente electricidad.

Una central térmica básicamente consta de unos sistemas de almacenamiento de combustible, unas calderas que varían dependiendo del combustible que use la planta, unos quemadores, una turbina, un alternador, un condenador y un transformador.

• ¿CUÁL ES EL FUNCIONAMIENTO DE UNA PLANTA TÉRMICA?

Figura N° 1: Planta termoeléctrica 

Fuente: "Generación, transporte y distribución de las 

energías."[en línea]: http://gen-trans-dis.blogspot.com/

Como se mencionó anteriormente las plantas térmicas están constituidas por un sistema de almacenamiento del combustible fósil donde además de ser almacenado, el combustible en varias ocasiones recibe un tratamiento, como se hace con el carbón que es triturado de tal manera que queda un polvo muy fino que facilitará su combustión, después el combustible pasa a una caldera donde es expuesto a elevadas temperaturas, se quema y se produce energía calorífica que a su vez es utilizada para calentar agua que se convertirá en vapor con temperatura y presión elevadas.

Luego de que se ha generado vapor en la caldera éste es enviado a la turbina de vapor donde se encuentran una especie de paletas que se denominan álabes, esos se mueven por acción del vapor y hacen girar la turbina convirtiendo así la energía térmica en energía mecánica. Ahora la turbina que está conectada a un alternador que gira al mismo tiempo que a turbina y convierte la energía mecánica en energía eléctrica por medio de inducción electromagnética.

El vapor que ha pasado por la turbina pasa a un condensador que posee un sistema de refrigeración, donde puede usarse un río, el mar o aire, así el vapor vuelve a un estado líquido, permitiendo ser reutilizado en el proceso. Por último la energía eléctrica que se genera en el alternador pasa a un transformador que eleva la tensión de 6 y 20 Kv hasta una tensión de red de transporte de 220 a 440 Kv.

REFERENCIAS

"Generación, transporte y distribución de las energías" [En línea]:http://gen-trans-dis.blogspot.com/

Ortiz H., "planta termoeléctrica", (2005), México, [en línea]: 

http://cuauhtemoc.org.mx/data/files/UNAM/Termodinamica/Termoelectrica.pdf

"Centrales térmicas" [en línea]:   

http://iesvillalbahervastecnologia.files.wordpress.com/2009/09/funcionamiento-de-una-central-termica.pdf