15.5: Conversiones entre formas de energía

Las fuentes de energía más abundantes no suelen ser directamente útiles y deben ser convertidas a otras formas. Por lo tanto, gran parte de lo que se hace con la energía implica cambiarla de una forma a otra. Como ejemplo, la energía nuclear que se puede extraer de unos pocos kilogramos de uranio natural es enorme. Pero para obtener algún beneficio de ello, el uranio primero debe enriquecerse en el isótopo cuyo núcleo puede sufrir fisión (split) para liberar la energía, el uranio enriquecido debe colocarse en un reactor nuclear donde se produce la fisión, convirtiendo la energía nuclear en calor, este calor se utiliza para producir vapor, el el vapor se hace pasar a través de una turbina para producir energía mecánica, y la turbina se acopla a un generador para convertir su energía mecánica en energía eléctrica. Las diversas conversiones de energía de una forma a otra ocurren con diferentes eficiencias. La práctica exitosa de la ecología industrial intenta maximizar las eficiencias de la conversión energética.

La Figura 15.5 muestra algunos de los dispositivos más comunes para convertir energía de una forma a otra y la Figura 15.6 ilustra importantes conversiones de energía junto con las eficiencias porcentuales con las que se pueden llevar a cabo algunas de estas conversiones. El examen de las diferentes eficiencias porcentuales para la conversión de energía dadas en la Figura 15.6 muestra diferencias que van desde muy bajas hasta casi el 100%. Pero señalan áreas en las que se pueden buscar mejoras. Por ejemplo, la fotosíntesis es menos de aproximadamente 0.5% eficiente en la conversión de energía lumínica en energía química. A pesar de esta triste cifra, la fotosíntesis ha generado los combustibles fósiles de los que ahora las sociedades industrializadas obtienen su energía y proporciona una fracción significativa de energía en zonas donde se utiliza la madera y los desechos agrícolas. Se sugiere la intrigante posibilidad de que las plantas genéticamente modificadas puedan desarrollarse con eficiencias fotoquímicas mucho mayores, lo que lleva a un uso mucho mayor de biomasa renovable como fuente de energía. La escasa eficiencia de conversión de electricidad a luz en la bombilla incandescente apunta a la necesidad de sustituir estos dispositivos derrochadores por bombillas fluorescentes que sean 5 o 6 veces más eficientes.

Figura 15.5. Dispositivos para conversión de energía

El tipo de conversión energética más común que se lleva a cabo en la antrosfera es la conversión del calor, producido por procesos de combustión química, en energía mecánica utilizada para propulsar un vehículo o hacer funcionar un generador eléctrico. Esto ocurre, por ejemplo, cuando se quema gasolina en un motor de gasolina, generando gases calientes que mueven pistones en el motor conectados a un cigüeñal que convierte el movimiento de arriba y abajo de los pistones en movimiento giratorio que impulsa las ruedas de un vehículo. También ocurre cuando el vapor caliente generado a alta presión en una caldera fluye a través de una turbina conectada directamente a un generador eléctrico. Desafortunadamente, las leyes de la termodinámica dictan que la conversión del calor en energía mecánica siempre es mucho menos del 100% eficiente. La ecuación de Carnot,

\[\textrm{Percent efficiency} = \frac{T_{1} -T_{2}}{T_{1}} \times 100}\]

Figura 15.6. Conversión de energía entre diversas formas y eficiencias de conversión de energía

establece que el porcentaje de eficiencia es una función de la temperatura de entrada (por ejemplo, del vapor), T1, y la temperatura de salida, T2, ambas expresadas en Kelvin (° C + 273). Considere una turbina de vapor en la que el vapor choca con paletas unidas a un eje que gira rápidamente. Si la temperatura de entrada es 850K y la temperatura de salida es de 330 K, la sustitución en la ecuación de Carnot da una eficiencia teórica máxima de 61%. La incapacidad de introducir todo el vapor a la temperatura más alta combinada con pérdidas de energía por fricción reducen la eficiencia de conversión de energía de la mayoría de las turbinas de vapor modernas a poco menos del 50%. Dado que solo alrededor del 80% de la energía química utilizada para elevar el vapor por combustión de combustibles fósiles en una caldera se transfiere realmente al agua para producir vapor, la eficiencia neta para la conversión de energía química en combustibles fósiles a energía mecánica para producir electricidad es de aproximadamente 40%. Afortunadamente, esencialmente toda la energía mecánica en una turbina giratoria se puede convertir en electricidad en el generador al que está conectada, por lo que la eficiencia general de conversión de energía química de combustibles fósiles a electricidad es de aproximadamente 40%. La conversión de energía nuclear en energía mecánica en una turbina de vapor alimentada por reactor es solo de aproximadamente 30% porque las temperaturas máximas del reactor son limitadas por razones de seguridad.

Otro ejemplo de la aplicación de la ecuación de Carnot lo proporciona el motor de pistón de combustión interna mostrado en la Figura 15.5 (3) en el que un ciclo completo consiste en (1) una carrera descendente que succiona aire al cilindro, (2) una carrera de compresión durante la cual se inyecta combustible, (3) ignición del aire/combustible forzando el pistón hacia abajo, y (4) una carrera de escape en la que los gases de escape son expulsados a través de la válvula de escape abierta a medida que el pistón se mueve hacia arriba. La eficiencia del motor de combustión interna aumenta con la temperatura máxima alcanzada por el combustible en combustión, lo que aumenta con el grado de compresión durante la carrera de compresión. Esta temperatura es la más alta para el motor diesel en el que la compresión es tan alta (hasta alrededor de 20:1) que el combustible inyectado en la cámara de combustión se enciende sin una fuente de encendido de bujía. Mientras que un motor de gasolina estándar suele ser aproximadamente 25% eficiente en la conversión de energía química en combustible en energía mecánica, un motor diesel suele ser 37% eficiente, y algunos alcanzan valores más altos.

Celdas de combustible

Las pilas de combustible convierten la energía liberada por las reacciones electroquímicas directamente en electricidad sin pasar por un proceso de combustión y generador de electricidad. Las pilas de combustible son el medio principal para utilizar combustible de hidrógeno y son cada vez más comunes como generadores eléctricos. Las reacciones de los electrodos en una pila de combustible se muestran en la Figura 15.5 (5) y la reacción neta es

\[\ce{2H2 + O2 \rightarrow 2H2O + electrical energy}\]

cuyo único producto es el agua. Varios tipos diferentes de celdas de combustible se encuentran en diversas etapas de desarrollo. ¹ Se está desarrollando celdas de combustible de óxido sólido, que operan alrededor de 1000° C que producen un escape lo suficientemente caliente como para impulsar una turbina o cogenerar vapor. Con la cogeneración de vapor, dichos sistemas pueden desarrollar eficiencias generales de hasta el 80%