Exercicis d'energia i eficiència — Tecnologia i Digitalització 3r ESO

Renovables: energia solar i energia eòlica (no s'esgoten). No renovables: carbó i gas natural (són combustibles fòssils que s'esgoten i contaminen).

Perquè el LED té un rendiment molt més alt (uns 90%) que la incandescent (uns 5%). Això vol dir que el LED converteix quasi tota l'energia en llum, mentre que la incandescent la malbarata gairebé tota en calor. Per fer la mateixa llum, el LED consumeix molta menys energia, així que estalvies i contamines menys.

2 kWh = 2 × 3 600 000 J = 7 200 000 J.
1 kWh és 3 600 000 vegades més gran que 1 J.
El perquè: el joule és una unitat molt petita; per això la factura elèctrica fa servir el kWh, que equival a utilitzar 1 kW de potència durant 1 hora (1000 W × 3600 s).

Energia = potència × temps. Passem la potència a kW: 60 W = 0,06 kW.
E = 0,06 kW × 5 h = 0,3 kWh.
El perquè: si la potència és en kW i el temps en hores, l'energia surt en kWh.

1500 W = 1,5 kW (dividim entre 1000).
0,75 kW = 750 W (multipliquem per 1000).
La potència al SI es mesura en watts (W) i l'energia en joules (J).
El perquè: 1 kW = 1000 W; potència i energia no són el mateix: la potència és l'energia per unitat de temps (1 W = 1 J/s).

Renovables: biomassa, geotèrmica i mareomotriu.
No renovable: nuclear (el combustible, l'urani, és limitat).
El perquè: una font és renovable quan es regenera a un ritme comparable al que es consumeix o és pràcticament inesgotable; l'urani, igual que el petroli o el carbó, es gasta i no es recupera.

Cost = energia × preu = 2 kWh × 0,20 €/kWh = 0,40 €.
El perquè: el preu del kWh multiplica l'energia consumida.

Energia cinètica del vent → energia mecànica de rotació de les pales i l'eix → energia elèctrica a l'alternador → xarxa elèctrica.
El perquè: cada pas transforma una forma d'energia en una altra; en una central eòlica l'alternador és el que converteix el moviment en electricitat.

E = 2 W × 20 h = 40 Wh = 0,04 kWh al dia.
En un any (365 dies) seria 0,04 × 365 = 14,6 kWh.
El perquè: un consum petit però continu s'acumula; per això convé desconnectar els aparells que no es fan servir.

(a) Energia potencial gravitatòria, per l'alçada.
(b) Energia química, emmagatzemada en les substàncies de la pila.
(c) Energia tèrmica, perquè l'aigua és calenta.
(d) Energia cinètica, pel moviment.
El perquè: l'energia es manifesta de formes diferents segons l'estat del cos.

Primer, s'esgoten: n'hi ha una quantitat limitada i, un cop gastades, no es tornen a formar en un temps útil. Segon, contaminen: els combustibles fòssils alliberen diòxid de carboni que contribueix al canvi climàtic, i la nuclear genera residus radioactius perillosos.

No és exacte. Renovable vol dir que la font no s'esgota a escala humana perquè es renova de manera natural, no directament que no contamini. És cert que les renovables solen ser molt més netes, però els dos conceptes són diferents: la nuclear no emet diòxid de carboni i tot i així no és renovable, perquè l'urani s'esgota.

L'altaveu transforma energia elèctrica en so. El panell solar transforma energia lumínica (del Sol) en energia elèctrica. El motor elèctric transforma energia elèctrica en energia de moviment.

Energia potencial de l'aigua embassada (està a dalt) → energia de moviment (l'aigua cau i fa girar la turbina) → energia elèctrica (el generador la produeix). Cada fletxa és una transformació feta per una màquina.

rendiment = energia útil / energia consumida = 5/100 = 0,05, és a dir, un 5%.
Un rendiment tan baix és propi d'una bombeta incandescent antiga: quasi tota l'energia es converteix en calor i només un 5% en llum.

Perquè sempre hi ha pèrdues: part de l'energia consumida es transforma en formes que no aprofitem, gairebé sempre calor per fregament de les peces que es mouen. Com que sempre se'n va una part en aquestes pèrdues, l'energia útil sempre és menor que la consumida, i per tant el rendiment sempre és menor que el 100%.

Ordinador: 0,3 kW × 4 h = 1,2 kWh. Televisor: 0,1 kW × 3 h = 0,3 kWh. Forn: 2 kW × 0,5 h = 1,0 kWh.
Total = 1,2 + 0,3 + 1,0 = 2,5 kWh.
Cost = 2,5 × 0,18 = 0,45 €.
El perquè: el consum depèn de la potència i del temps de funcionament: un aparell de poca potència pot gastar més que un de molta si està molt temps encès.

Diferència de potència: 60 − 9 = 51 W = 0,051 kW.
Energia estalviada = 0,051 kW × 4 h × 365 = 74,46 kWh.
Estalvi econòmic = 74,46 × 0,20 ≈ 14,89 €.
El perquè: la LED converteix més part de l'energia en llum i menys en calor; així gasta menys per donar la mateixa claror.

Rendiment = 150 / 500 = 0,30 = 30 %.
Energia perduda = 500 − 150 = 350 MJ, principalment en forma de calor que s'escapa a l'ambient (a l'aigua de refrigeració i als gasos de la combustió).
El perquè: una central tèrmica només aprofita una part de l'energia del combustible; la resta es dissipa en forma de calor.

Potència rebuda = 2 $m^{2}$ × 800 $\text{W/m}^{2}$ = 1600 W.
Potència elèctrica = 1600 × 0,18 = 288 W.
En 5 h: 0,288 kW × 5 h = 1,44 kWh.
El perquè: només una part de la llum es converteix en electricitat; el rendiment indica quina.

L'energia total es conserva sempre: no es crea ni es destrueix. Quan diem que 'se'n perd una part' a cada pas, volem dir que una part es transforma en una forma que no aprofitem, gairebé sempre calor per fregament. Aquesta energia no desapareix, simplement s'escapa del procés útil en forma de calor. Per això és millor parlar d'energia degradada o no aprofitada que d'energia perduda de debò.

rendiment = 850/1000 = 0,85, és a dir, un 85%.
Es perden 1000 - 850 = 150 J, sobretot en forma de calor i per fregament de les peces. És un rendiment alt, típic d'un motor elèctric.

Estalvi d'energia = 320 − 180 = 140 kWh a l'any.
Estalvi econòmic = 140 × 0,22 = 30,80 € a l'any.
Anys per recuperar els 100 €: $\tfrac{100}{30{,}80} \approx 3{,}2$ anys.
Com que una nevera dura molts més anys, la compra eficient surt rentable.
El perquè: un aparell eficient pot ser més car de comprar però més barat en el conjunt de la seva vida.

Massa = 2000 × 1000 = 2 000 000 kg.
$E_{p}$ = m · g · h = 2 000 000 × 9,8 × 50 = 9,8 · $10^{8}$ J.
Energia elèctrica = 0,85 × 9,8 · $10^{8}$ = 8,33 · $10^{8}$ J.
En kWh: 8,33 · $\tfrac{10^{8}}{3{,}6}$ · $10^{6}$ ≈ 231 kWh.
El perquè: una central hidràulica transforma l'energia potencial de l'aigua en elèctrica; com més alçada i més aigua, més energia.

Potència instal·lada = 10 × 2 = 20 MW.
Potència mitjana = 0,30 × 20 = 6 MW.
Energia anual = 6 MW × 8760 h = 52 560 MWh.
Llars = 52 $\tfrac{560}{3{,}5} \approx 15$ 017, és a dir, unes 15 000 llars.
El perquè: l'energia eòlica és variable; el 30 % es coneix com a factor de capacitat, i fa que l'energia real sigui molt menor que la que suggereix la potència instal·lada.

Rendiment global = 0,80 × 0,60 = 0,48 = 48 %.
Energia útil = 0,48 × 1000 = 480 J; es perden 520 J.
El perquè: en una cadena de màquines els rendiments es multipliquen, de manera que el rendiment global és sempre menor que el de qualsevol de les parts.

Renovables = 140 + 100 = 240 GWh. Percentatge = 240 / 400 = 0,60 = 60 %.
Gas: 80 GWh = 80 000 000 kWh; emissions = 80 000 000 × 0,4 = 32 000 000 kg = 32 000 t de CO₂.
El perquè: el mix elèctric determina les emissions: com més gran és la part de fonts renovables i menor la de combustibles fòssils, menys CO₂ s'emet.

Potència = energia / temps = 8 kWh / 5 h = 1,6 kW (1600 W).
De nit els panells no produeixen: l'energia s'ha de guardar durant el dia en bateries o agafar-la de la xarxa.
En la pràctica caldria una potència una mica més gran, perquè hi ha pèrdues en el cablejat, a l'inversor i a les bateries.
El perquè: l'energia solar no coincideix en el temps amb el consum, i per això l'emmagatzematge i la xarxa són claus.

Radiador: 6 kWh d'electricitat.
Bomba de calor: $\tfrac{6}{3} = 2$ kWh d'electricitat.
Els 4 kWh restants els agafa de l'aire exterior (o del terra) i els porta a l'interior.
No contradiu la conservació de l'energia: la bomba no crea energia, la mou. Els 6 kWh de calor són 2 kWh d'electricitat més 4 kWh que ja existien a l'exterior.
El perquè: una bomba de calor és molt eficient perquè transporta calor en lloc de generar-la.

Cotxe de gasolina: 6 × 32 = 192 MJ per cada 100 km. Passem a kWh: $\tfrac{192}{3{,}6} \approx 53{,}3$ kWh.
Cotxe elèctric: 15 kWh per cada 100 km.
Proporció: $\tfrac{53{,}3}{15} \approx 3{,}6$ vegades.
El perquè: un motor de combustió converteix en moviment només una quarta part de l'energia del combustible (la resta és calor), mentre que un motor elèctric en aprofita més del 80 %. Cal tenir en compte, però, d'on ve l'electricitat per comparar l'impacte ambiental total.