Unidades y Medidas de Energía
Introducción
La demanda de energía para un determinado proceso de fabricación afecta sustancialmente su impacto medioambiental. La razon estriba en el hecho de que las emisiones y productos de desecho generados durante el proceso de obtención de la energía (por ejemplo, al quemar combustibles fósiles) tienen un gran impacto medioambiental. También es posible encontrar resíduos nucleares dentro de una reacción no peligrosa en el laboratorio1. Por esta razón la
disminución del gasto energético es un objetivo importante en las reacciones químicas que se llevan a cabo en la industria. Teniendo en cuenta la protección del medio ambiente y el desarrollo sostenible, resulta también un objetivo importante en la enseñanza dentro del laboratorio.
Para conseguir este objetivo es necesario medir y evaluar el consumo energético con ayuda de medidas de energía. De esta forma se puede asegurar el progreso en la optimización de la síntesis. En el laboratorio puede conseguirse fácilmente la medida y evaluación del gasto energético empleando instrumentos relativamente baratos. A continuación se describen los métodos y estrategias a seguir para medir el consumo energético.
Medida del Consumo Energético
La energía eléctrica consumida en una transformación puede medirse con un esfuerzo relativamente escaso. En el mercado existen aparatos para medir el coste real de energía con una precisión adecuada para el laboratorio. Por ejemplo:
Figura 1: ejemplo de
dispositivo 1 Figura 2: ejemplo dedispositivo 2 Figura 3: ejemplo dedispositivo 3
Para llevar a cabo estas medidas, es necesario unir previamente al aparato de medida todos los instrumentos que consumen energía que son utilizados en un único paso de la conversión. Cuando se emplea más de un instrumento puede utilizarse un conector múltiple al aparato de medida. Para asegurar que las medidas tomadas en cada caso son comparables con otras es convenienete poner todos los aparatos en condiciones habituales de funcionamiento antes de comenzar la medida. Esto significa, por ejemplo, que se ha alcanzado prácticamente la temperatura adecuada en eun baño de aceite o en un criostato. Es necsario hacer esto porque evidentemenete el consumo de energía para calentar o enfriar algo depende de la temperatura inicial. Una vez que todos los dispositivos se encuentran en sus condiciones de trabajo, puedecomenzarse la medida. Tan pronto como ha finalizado la reacción, puede leerse con facilidad el consumo de energía que se ha realizado. El consumo de energía puede variar dependiendo de la persona que lleva a cabo el experimento, los aparatos que emplea y de la escala del experimento. Por supuesto, para llevar a cabo medidas comparables, no debe cambiarse nada en el equipo en estudio.
Los medidores de energía normalmente suelen hacerlo en Wh. Usando el factor de conversión 3,6 el valor puede transformarse fácilmente a kJ, unidades del Sistema Internacional. Algunas características energáticas pueden calcularse a partir del consumo de energía. Estas características pueden interpretarse para poner de manifiesto puntos de gran consumo energético durante la síntesis y para indicar posibles vías de optimización.
Unidades de medida energéticas
Las unidades de medida medioambientales se definen de forma análoga a las económicas como “una variable de relevancia medioambiental que puede dar información en valores absolutos o relativos sobre algun tema” [1]. Un conjunto de unidades de medida medioambientales puede ser – al igual que en el caso de las económicas – un instrumento adecuado para la preparación y procesado de los datos con fines decisorios. Uno de los tipos de unidades de medida medioambientales son las energáticas. En el contexto de las síntesis químicas, describen las conexiones entre entre el consumo de sustancias y de energía o la relación existente entre el consumo energético de la reacción y el procesado, respectivamente. Pueden indicar puntos débiles del proceso y pueden usarse para
optimizaciones de los resultados. La valided de estas medidas radica en la calidad de los datos obtenidos. Cuanto más exactas sean las medidas llevadas a cabo, mayor significado tendrán y podrán llevarse a cabo mejoras más eficaces. Por ejemplo, puede considerarse la reacción al completo, o sólamente el procesado. Cuando se evalúan las mediciones hay que tener en cuenta que solo se ha considerado el consumo de energía eléctrica. El consumo de energía primaria, por ejemplo por combustión de combustibles fósiles, es significativamente mayor. Dependiendo del tipo de central eléctrica puede considerarse hasta un factor 3 para calcular la energía primaria necesaria.
Eficiencia Energética
La eficiencia energética es la relación entre la energía eléctrica empleada en una síntesis y el producto aislado de la reacción.
consumpt. product E E m E = EE = eficiencia energética [kg/kJ]
mproduct = masa de producto obtenido[kg]
Econsumpt. = consumo de energía de la síntesis (reacción y procesado) [kJ]
Considerando las cargas medioambientales relativas a la producción de energía, dichas cargas disminuyen cuando se aumenta la eficiencia energática. Cuando se trabaja con la eficiencia energética característica hay que tener en cuenta que no deben compararse entre si reacciones diferentes, ya que pueden tener diferentes consumos energéticos teóricos. Por tanto únicamente es válido comparar reacciones iguales. La eficiencia energética es una característica muy tosca, similar a un punto de vista de “caja negra”. En este sentido, sólo es posible determinar cuando se ha mejorado o no el consumo de energía eléctrica en el contexto de una síntesis. Para obtener una información más detallada es necesario refinar la característica.
Gasto energético en la elaboración
La elaboración de una mezcla de reacción es una pate sustancial del trabajo en una síntesis química. Aparte de las cantidades necesarias de productos, muchas veces elevados en comparación con la reacción, también suele ser necesario el empleo de una gran cantidad de
electricidad para el aislamiento y la purificación. La característica “gasto energético en la elaboración” permite conseguir información sobre la cantidad de energía necesaria por unidad de producto. Puede calcularse a partir de la relación entre la energía necesaria para la elaboración y la masa del producto.
product proc. E m E A =
AE = gasto energético de elaboración [kJ/kg]
Eproc. = energía necesaria para la elaboración [kJ]
mproduct = masa del producto [kg]
Relación reacción/procesado
La energía que se consume en la reacción y en su elaboración o procesado contribuye en gran medida al impacto medioambiental total de las reacciones de laboratorio. Es interesante constatar que en muchas ocasiones el desequilibrio en el consumo de energía reside en la elaboración. La causa se encuentra en las reacciones paralelas y posteriores, así como en los catalizadores y disolventes que permanecen en la mezcla de reacción, que a menudo suponen varios pasos para su separación. Comparando el consumo de energía de la reacción y de la elaboración posterior es posible conseguir información sobre la cantidad de trabajo necesario después de la reacción. reaction proc. r/p E E E =
Er/p. = relación del consumo energético en la reacción/en la elaboración
Eproc. = consumo energético de la elaboración [kJ]
Ereaction. = consumo energetico de la reacción [kJ]
Cuanto menor es esta relación mejor es la reacción. Cuanto mayor es la medida, más necesario resulta optimizar la reacción para simplificar le elaboración posterior
Equivalentes de metano inducidos
La característica “equivalentes de metano inducidos” permite describir la demanda energética de una reacción y de su elaboración posterior. El principio básico es que la mayor parte de la energía eléctrica se obtiene en Alemania por combustión de combustibles fósiles. Para
determinar los equivelentes de metano inducidos se supone que la electricidad se obtiene quemando únicamente metano (HU2 = 47.5 MJ/kg). Una central eléctrica tipo no funciona con
el método de acoplamiento potencia-calor y proporciona electricidad con una eficiencia del 43%. Se calculan los moles de metano necesarios para proporcionar la energía para la reacción, en la síntesis o en una visión holístico de la reacción (1 MJ = 3,052 moles de metano). Por tanto, la energía real no constituye el foco de atención, sino que lo es la reacción
para la producción de la energía en comparación con la síntesis de laboratorio. Esta suposición pone el énfasis en el significado del consumo de energía para el impacto medioambiental de las reacciones del laboratorio. Para llevar a cabo reacciones en el laboratorio, es necsario transformar en energía los combustibles fósiles al mismo tiempo en otra reacción. La característica “equivalentes de metano KM” se calcula dividiendo el rendimiento de la reacción en moles por la cantidad de metano calculadae.
producto n
n
KM = metano
KM = equivalentes energéticos de metano inducido
n metano = cantidad de metano necesario para el suministro de energía [mol] n product = cantidad de producto [mol]
Este tipo de unidades de medida utiliza las unidades de energía eléctrica kJ o Wh (que pueden resultar algo abstractas para los químicos). Además, la característica nos dice algo sobre la contribución de la reacción el efecto invernadero antropogénico.
Referencias:
[1] Loew, T., Kottmann, H. 1996. Umweltkennzahlen im Umweltmanagement [On-line].
