Conceptos técnicos sobre energía y electricidad

1. Concepto de energía

Según la ciencia de la física, es la capacidad de los cuerpos de desarrollar un determinado trabajo (Roldán Viloria, 2008); sin embargo, puede tener interpretaciones diferentes según la aplicación. La energía es una propiedad asociada a los objetos o sustancias y se manifiesta en las transformaciones que ocurren en la naturaleza. Por ejemplo, en los cambios físicos, como al elevar un objeto, transportarlo, deformarlo o calentarlo. La energía está presente también en los cambios químicos, como al quemar un trozo de madera. La energía se puede manifestar de muchas maneras: el calor que tienen las cosas, los rayos de una tormenta, la luz, o puede estar dentro de las moléculas de un combustible, al moverse un cuerpo a una determinada velocidad, entre otros (Recio, s.f.).

Actividad n.1

Observe el vídeo ¿Qué es la energía?

Haga un resumen o esquema para uso personal, a partir de las siguientes preguntas:

• ¿Qué es energía?
• ¿Cómo se manifiesta?
• Cite los tipos de energía que se mencionan en el vídeo.
• ¿Qué es una fuente de energía? Cite ejemplos de fuentes de energía que se usan en la actualidad.
• ¿Cuál es la principal fuente de energía para generar electricidad en Costa Rica?

Recuerde que si tiene consultas, cuenta con el Foro de preguntas frecuentes.

Tipos de energía

Hay varias formas de clasificar la energía. Como pudo observar en el vídeo anterior, una forma es por su naturaleza, pero para este curso nos interesa más la clasificación basada en la fuente como renovable o no renovable:

Texto de la imagen: en la primera columna se lee: Energía renovable - La energía se utiliza y se renueva, tal como la fuerza del viento, el sol, la fuerza del agua. En la segunda columna se lee: Energía no renovable - Una vez que se consume, desaparece esa forma de energía y se transforma en otra, tal como el petróleo.

Las principales fuentes de energía son:

Texto de la imagen: Ejemplos de Energía renovable: -Solar térmica, la cual es del sol. -Solar fotovoltaica, también del sol. -Hidráulica, que aprovecha el agua en movimiento. -Eólica, proveniente del viento. -Geotérmica, procede del calor interno de la Tierra. -De la biomasa, la cual está atrapada en formas de vida como plantas. -Mareomotriz, cuyo origen está en el oleaje del mar. Ejemplos de Energía no renovables: -Petróleo y sus derivados. -Gas natural. -Carbón. -La madera o leña. -Nuclear.

Entre las principales características se pueden citar:

Propiedades de la energía

La energía se puede aprovechar gracias a propiedades como las siguientes:

1. La energía no se crea ni se destruye, solo se transforma.
   
2. La energía se puede transmitir entre objetos o cuerpos de diferentes maneras.
   
3. Los objetos y cuerpos pueden contener o almacenar energía de diferentes formas.
   
4. La energía se puede transportar de un lugar a otro.
   
5. Solo algunas transformaciones de la energía se pueden percibir por los sentidos (luz o calor, por ejemplo).
   

Actividad n.2

Observe el vídeo ¿Qué es la energía? - Tipos de energía para niños - Energías renovables y no renovables.

Haga un resumen o esquema para uso personal, a partir de las siguientes preguntas:

• ¿Qué es una fuente de energía renovable? Cite ejemplos.
• ¿Qué es una fuente de energía no renovable? Cite ejemplos.
• Cite las 4 propiedades de la energía. 
• ¿Cómo se aprovechan estas propiedades para explotar la energía en diferentes usos o necesidades de la sociedad? Cite ejemplos de la vida diaria donde se reconocen estas propiedades.
• ¿Qué es energía eléctrica?

Unidades de medida

La energía es una propiedad de la materia que no se mide directamente, sino que se realizan mediciones de otros parámetros, para determinar su cantidad y expresarla con una unidad de medida. Por ejemplo, se estima la energía a partir de la temperatura, la velocidad, la altura relativa, entre otras. En el Sistema Internacional (SI) se usa el julio y se usa la letra J para representarla. Un julio es una cantidad de energía que equivale a (Yubrain, 2020):

Texto de la imagen: un julio es aproximadamente: -La energía necesaria para levantar un kilogramo una altura de diez centímetros. -La energía necesaria para lanzar una manzana pequeña un metro hacia arriba. -La energía de una persona adulta que se mueve a una velocidad de alrededor de veinte centímetros por segundo. -La centésima parte de la energía que una persona puede recibir bebiendo una gota de cerveza.

Otras unidades de medida de la energía de uso frecuente son:

• La caloría, abreviada cal, 1 J = 0,24 cal. Se define como la cantidad de energía calorífica necesaria para elevar la temperatura de un gramo de agua pura en 1 °C, desde 14,5 °C a 15,5 °C.
• El vatio hora (watt hora), abreviado Wh. En español se utiliza vatio (del inglés “watt”), aunque se debe preferir el español, es tan frecuente usar el término en inglés que en este curso se utilizarán indiferentemente. 1 Wh = 3600 J. Se utiliza en facturación de consumo eléctrico.
• El BTU (British Thermal Unit), 1 BTU = 1055,06 J. Esta unidad es de uso frecuente en equipos de refrigeración, sobre todo en Estados Unidos.

Cuando las magnitudes de energía son muy grandes, se emplean múltiplos de la unidad de medida, similar a como se hace en otras propiedades o medidas (kilómetro, megabyte). El siguiente cuadro presenta los múltiplos más comunes para el julio, los cuales también se usan con las otras unidades de medida de la energía.

Cuadro n.1 - Múltiplos más usuales del julio.

2. Energía eléctrica

Es la que transporta la corriente eléctrica. Seguidamente, se describen dos conceptos relacionados a la electricidad: la corriente eléctrica y el voltaje.

La corriente eléctrica corresponde al movimiento de electrones o cargas eléctricas por un conductor eléctrico. Se usa la letra I como símbolo de la corriente y su unidad es el amperio (del inglés ampere) y se representa con la letra A. Como se indicó anteriormente, la unidad de medida más usual es el vatio hora, o watt hora, (Wh) y sus respectivos múltiplos (ICE, s.a.).

Para que la corriente eléctrica pueda fluir debe existir un medio físico por el cual se moverán los electrones, como un cable de cobre. Además, debe existir una tensión o diferencial de potencial entre las terminales de una carga o equipo eléctrico, conocido como voltaje, que asegure el movimiento continuo de los electrones, como lo muestra la figura n.1, en la cual se amplía aspectos sobre la corriente eléctrica y sus peligros.

Figura n.1 - Afiche sobre el concepto de electricidad. (CNFL, s.a.)

Imagen con el siguiente texto:

Lo que hay que saber sobre la energía eléctrica. Corriente eléctrica: se denomina corriente eléctrica al flujo de electrones que se produce generalmente a través de un material conductor. Requisitos para que circule la corriente eléctrica: una fuente de fuerza , ejemplo batería o generador; un camino que permita a los electrones fluir, ejemplo cable metálico; una carga o consumidor, ejemplo equipo o aparato eléctrico. Peligros de la corriente eléctrica: cuando una persona o animal entra en contacto con sistemas eléctrico, corre el riesgo de sufrir un accidente, el cual podría provocar daños en su cuerpo. Algunos factores de riesgo de accidentes eléctricos: aparatos eléctricos o conductores defectuosos y falla humana en el manejo de ellos, por ejemplo falta de atención o negligencia; contacto con el tendido de las líneas eléctricas; impacto de rayos; intervención inexperta en las instalaciones eléctricas existentes; accidentes en las instalaciones o aparatos que funcionan con electricidad.

La tensión o voltaje es la fuerza externa o presión que permite el flujo de electrones en un conductor y se puede obtener de baterías, sistemas fotovoltaicos o eólicos, o de una empresa distribuidora. Su símbolo es la letra V, la unidad usada son los voltios (V). La tensión depende exclusivamente de la empresa distribuidora y los valores nominales disponibles para el público para uso directo de equipos son 120 V, 208 V, 240 V, 227 V o 480 V.

3. Potencia

La potencia indica la cantidad de energía entregada o absorbida por un elemento que se conecta a un circuito eléctrico, que puede ser un equipo o instalación. En el caso de equipos consumidores, como electrodomésticos o dispositivos electrónicos, es la rapidez con que consume la energía. Si es un equipo productor de energía, como un panel fotovoltaico o un generador eléctrico, es la velocidad con la que entrega la energía. Se representa con la letra P.

Este parámetro está relacionado con el consumo: si al comparar dos equipos uno tiene más potencia que el otro, significa que consume más energía. Esto lo puede observar en motores, bombillos, equipos de sonido u otros. Evidentemente, mayor consumo se traduce en mayor costo económico.

La potencia se expresa en unidades de energía entre tiempo. En el Sistema Internacional, la unidad de medida es el vatio (watt en inglés), cuyo símbolo es W, que se define como un julio por segundo:

1 W = 1 J/s

Se utilizan múltiplos para grandes cantidades de potencia:

Kilowatt: 1 kW = 1000 W

Megawatt: 1 MW = 1 000 000 W

Gigawatt: 1 GW = 1 000 000 000 W

Otra unidad comúnmente utiliza es el caballo de fuerza (símbolo hp, del inglés horse power), cuya equivalencia es:

1 hp = 745,7 W

La potencia de un equipo depende totalmente de su fabricación, tecnología empleada y del trabajo a realizar. La potencia es inherente al equipo y para poder reducirla, en condiciones normales de operación, es necesario sustituir el equipo. La potencia es una especificación importante en un equipo pues con ella se puede determinar, junto con otras características, si satisface la necesidad de la persona usuaria. Además, se puede utilizar para proyectar el impacto en cuanto al consumo. En la carpeta de materiales complementarios se encuentra el documento “Descubre al más Gastón”, el cual incluye un afiche en el cual puede observar los valores de potencias para diferentes aparatos eléctricos y electrónicos. Luego de estudiar este recurso, realice la actividad formativa n.1, para aplicar lo aprendido sobre potencia y consumo.

En el caso de equipos, si este no tiene en su placa o ficha técnica el valor de potencia, es factible calcularlo a partir de ciertos datos, dependiendo de la naturaleza de este. Por ejemplo, en equipos que consumen energía eléctrica en circuitos de corriente directa, la potencia se puede estimar como:

P = I x V

Donde:

P es la potencia instantánea, medida en vatios.

I es la corriente que circula en amperios, puede ser medida con un equipo llamado amperímetro o indicarse un valor nominal en la placa o ficha técnica del aparato.

V es el voltaje o tensión a través del componente y que se ofrece en la instalación eléctrica, medido en voltios; en Costa Rica se usa 110 V, 208 V, 240 V u otros valores en los planteles industriales. También se puede medir con un equipo llamado voltímetro o con un multímetro que mide tanto corriente como voltaje. Se debe estar capacitado(a) para utilizar estos equipos de medición eléctrica.

Es importante que utilice las unidades de medida apropiadamente: para obtener la potencia en watts, la corriente debe estar en amperios y el voltaje en voltios.

El cálculo de la potencia en equipos en circuitos de corriente alterna no se estudia en este curso.

Actividad n.3

Observe el vídeo ¿Qué es la potencia eléctrica y cómo se puede identificar?

Haga un resumen o esquema para uso personal, a partir de las siguientes preguntas:

• ¿Qué es potencia cuando se habla de electricidad? ¿Qué unidad de medida se utiliza?
• En un circuito eléctrico, ¿cuáles parámetros se relacionan con la potencia?
• Si se comparan dos modelos de un mismo equipo (como un electrodoméstico) con diferentes potencias, ¿qué significa en cuanto a consumo de energía?
• ¿Cómo puedo saber cuál es la potencia de un aparato eléctrico o electrónico?

Recuerde que si tiene consultas, cuenta con el Foro de preguntas frecuentes.

4. Consumo y demanda

Consumo se refiere a la cantidad de energía utilizada en las actividades de interés. La energía eléctrica está relacionada directamente con la producción y con las horas de operación de las máquinas de una empresa o uso de los equipos eléctricos en una oficina.

El consumo se mide en watt hora (Wh), o kilowatt hora (kWh), y se obtiene multiplicando la potencia de cada equipo por las horas de uso.

El consumo eléctrico se factura de acuerdo con la cantidad de watt hora que la persona o entidad consumidora requirió en un período de tiempo, tal como un mes. A esto se le aplica una tarifa, lo cual se desarrolla más adelante en este curso.

Figura n.2 - Afiche sobre el concepto de potencia de los equipos. (CNFL, s.a.)

Imagen con el siguiente texto: Lo que hay que saber sobre la energía eléctrica. Los aparatos eléctricos cuando están funcionando, generan un consumo de energía eléctrica de acuerdo con la potencia que tengan y el tiempo que estén en funcionamiento. El consumo de energía se mide en kilowatts hora y su unidad de medida es kWh. El equipo que captura el consumo de energía es el medidor y que las empresas eléctricas presentan el dato de consumo mensual acumulado de kWh en la factura eléctrica. Pregunta: ¿Sabe cuántos kWh consumen los equipos que utiliza a diario? Pongamos un ejemplo: una termoducha tiene una potencia aproximada de  cinco mil cuatrocientos watts o de cinco coma 4 kilowatts. Si la temoducha se utiliza una hora al día: cinco coma cuatro kilowatt hora multiplicado por una hora es igual a cinco coma cuatro kilowatt hora. El consumo mensual de energía aproximado sería de cinco coma cuatro kilowatt hora multiplicado por treinta días es igual a ciento sesenta y dos kilowatt mes.

Un tema relacionado con el uso de energía eléctrica es el de consumo fantasma o vampiro, es decir, el consumo de energía de los equipos cuando no están en funcionamiento, solo por estar enchufados. Muchos aparatos eléctricos consumen permanentemente energía cuando se encuentran apagados, pero no desenchufados, a la espera de que la persona usuaria los accione. Esta opción en espera consiste en mantener los equipos electrónicos apagados, aunque conectados a la corriente eléctrica. El consumo en este modo es mucho menor que si estuvieran encendidos, pero la suma total de los consumos de los equipos en una instalación puede ser significativa en el tiempo.

Este consumo se da en equipos como computadoras, impresoras, UPS, cargadores de celular, televisores, hornos microondas y reproductores de DVD (ICE, s.a.).

La demanda es la suma de los requerimientos de energía de una persona o entidad consumidora ante un proveedor de energía. La demanda puede oscilar durante el día; por ejemplo, en una oficina aumenta en las horas laborales y en ciertos momentos se dan mayores consumos, por ejemplo, al encender equipos como aires acondicionados.

En las aplicaciones de la energía, como en la producción de bienes y servicios, es muy importante aprovechar la energía; por ello, el consumo se relaciona con la eficiencia, la cual indica cuánta de la energía original se utilizó o transformó en el objetivo del proceso. Es usual que una parte de la energía se pierda o disipe. Por ejemplo, en un bombillo incandescente, 15 % de la energía se convierte en luz, mientras que 85 % se pierde como calor.

5. Eficiencia energética y gestión de la energía

Eficiencia energética se refiere a las acciones o estrategias para reducir el consumo de energía que emplean procesos, equipos y sistemas, sin que se afecte la calidad de los servicios brindados (MINAE, s.a.).

La gestión de la energía en una organización pretende la utilización más eficiente de este recurso. Abarca la eficiencia energética, el uso racional y el ahorro de la energía. Más adelante en este curso se le explicarán medidas de gestión energética y el contenido de un plan de eficiencia energética.

Beneficios para las organizaciones de hacer una adecuada gestión de la energía:

• Mejora de la productividad
• Reducción de costos
• Mayor involucramiento del personal en las acciones ambientales
• Reducción en las emisiones de gases de efecto invernadero
  
• Mejor imagen interna y externa

Beneficios para el medioambiente y la sociedad, del uso eficiente de la energía:

• Reducción en la explotación de las fuentes de recursos energéticos
• Reducción de emisiones globales de gases de efecto invernadero
• Menor generación de residuos, por ejemplo, al usar equipos más eficientes que tengan mayor vida útil.
• Nuevas oportunidades laborales y de negocios 

6. Reflexión

Para cerrar este tema, se le invita a reflexionar sobre:

¿Qué significa la energía para mí?

¿Cuáles usos le doy a la energía?

¿Cuánto pago por energía eléctrica en mi hogar? ¿Y en el trabajo?

¿Cómo puedo saber cuánta energía eléctrica consumo?

Recuerde revisar la carpeta de material complementario, en la cual encontrará documentos que le pueden resultar de su interés.

Realice la actividad formativa n.1 y luego proceda al estudio del recurso n.2.

7. Bibliografía consultada

Alfaro Trejos, R. (2016) Principios de gestión energética en organizaciones. San José, C. R.: Instituto Nacional de Aprendizaje, INA. 

Bermúdez Muñoz, O. (2015). Material del curso: Herramientas básicas para diagnóstico energético en inmuebles. San José, C.R.: Instituto Nacional de Aprendizaje.

Compañía Nacional de Fuerza y Luz, CNFL. (sin fecha). Consumo de energía eléctrica. Lámina coleccionable. Recuperado de: http://luzydiversion.cnfl.go.cr/index.php/tercer-ciclo

Compañía Nacional de Fuerza y Luz, CNFL. (sin fecha). Corriente eléctrica. Lámina coleccionable. Recuperado de: http://luzydiversion.cnfl.go.cr/index.php/tercer-ciclo

ICE. (s.a.). Fuentes renovables de energía. San José, C.R.: ICE.

ICE. (s.a.) Guía para ahorrar electricidad en el hogar. San José: Gerencia de Electricidad, UEN Servicio al Cliente, Área de Conservación de la Energía. Disponible en www.grupoice.com

MINAE, Dirección Sectorial de Energía, (s.a.). Guía para la gestión de la energía. San José: MINAE.

Recio, J. (s. f.). La energía, ¿Qué es? Instituto Nacional de Tecnologías Educativas y de Formación del Profesorado (INTEF) del Ministerio de Educación, Cultura y Deporte. Madrid, España. Recuperado de: http://newton.cnice.mec.es/materiales_didacticos/energia/index.html?1&0

Roldán Viloria, J. (2008). Fuentes de energía. Madrid: Paraninfo.

Yubrain (2020). Unidades de energía: ¿Qué es un julio?. Recuperado de https://www.yubrain.com/ciencia/fisica/que-es-un-joule-unidad-de-energia/

Internet:

http://newton.cnice.mec.es/materiales_didacticos/energia/

https://www.youtube.com/watch?v=7IchUy3prCs

https://www.youtube.com/watch?v=NAPAMIpGB-s

https://es.wikipedia.org/wiki/Julio_(unidad)

http://luzydiversion.cnfl.go.cr/index.php/tercer-ciclo

http://luzydiversion.cnfl.go.cr/index.php/tercer-ciclo

https://www.youtube.com/watch?v=yWH1wUTLrTo