Tema 1. Producción y transformación de las distintas formas de energía

Índice

1. Introducción
2. El concepto de energía, sus formas y sus unidades
3. Primer principio: conservación de la energía
4. Segundo principio: entropía, degradación y exergía
5. El rendimiento de Carnot y el límite de las máquinas térmicas
6. La cadena energética y el balance de energía primaria
7. Centrales térmicas convencionales y el ciclo de Rankine
8. Turbinas de gas, ciclo de Brayton y ciclos combinados
9. Cogeneración, trigeneración y aprovechamiento del calor residual
10. La energía nuclear de fisión y la fusión
11. El aprovechamiento hidráulico y las centrales de bombeo
12. La conversión eólica: límite de Betz y aerogeneradores actuales
13. La conversión solar: fotovoltaica y termosolar
14. Biomasa, geotermia y energía marina
15. Almacenamiento de energía: baterías, bombeo y calor
16. El hidrógeno como vector energético: electrólisis y pilas de combustible
17. Rendimiento, ciclo de vida y huella de carbono
18. Estado del arte, mix eléctrico y líneas de investigación
19. Aplicación didáctica y relación con el currículo
20. Conclusión
21. Bibliografía y referencias

1. Introducción

Pocas magnitudes vertebran tan completamente la física, la técnica y la civilización como la energía. Toda actividad humana —desde el alumbrado de un aula hasta la propulsión de un buque o el funcionamiento de un centro de datos de inteligencia artificial— consiste, en el fondo, en disponer de energía y transformarla de una forma en otra para realizar trabajo útil. El profesorado de Tecnología tiene aquí uno de los cimientos de la materia: comprender qué es la energía, cómo se transforma y con qué rendimiento es la condición previa para abordar su transporte (tema 2), su consumo y su uso racional.

Conviene precisar una idea que el lenguaje cotidiano oscurece. En rigor, la energía no se produce ni se crea: el primer principio de la termodinámica establece que se conserva. Lo que las centrales y los dispositivos hacen es transformar energía ya existente almacenada en la naturaleza —en los enlaces químicos de un combustible, en el núcleo de un átomo, en el desnivel de una masa de agua, en el viento o en la radiación solar— en formas más manejables, principalmente energía eléctrica, el vector por excelencia de la sociedad contemporánea por su facilidad de transporte, control y conversión final. «Producción de energía» alude a esa transformación dirigida y aprovechable, expresión que mantenemos por su uso normalizado en la literatura técnica y oficial (Red Eléctrica de España emplea el término «generación»).

El tema se articula en torno a una doble tensión. Por un lado, la física impone límites infranqueables: el segundo principio establece que ninguna transformación es perfecta, que toda conversión degrada parte de la energía en calor a baja temperatura y que el rendimiento de las máquinas térmicas tiene un techo teórico —el rendimiento de Carnot, formulado por Sadi Carnot en sus Réflexions sur la puissance motrice du feu (1824)— imposible de superar. Por otro, la técnica avanza sin descanso para aproximarse a esos límites y diversificar las fuentes, con la urgencia de la transición energética hacia un modelo descarbonizado que marcan el Acuerdo de París (2015), el Pacto Verde Europeo y, en España, el Plan Nacional Integrado de Energía y Clima (PNIEC) 2023-2030.

El desarrollo combina el rigor físico atemporal con la perspectiva tecnológica de 2026: ciclos combinados de alto rendimiento, aerogeneradores marinos de 15 MW, células tándem de perovskita, reactores modulares y el hidrógeno verde. Según la Agencia Internacional de la Energía (IEA), en su World Energy Outlook 2024 y 2025, las renovables baten récords de instalación —se superaron los 560 GW de nueva capacidad mundial en 2023 y se rebasaron los 600 GW en 2024, impulsados sobre todo por la fotovoltaica—, lo que obliga al docente a transmitir tanto los fundamentos que no cambian como su materialización industrial actual.

La estructura no es arbitraria: primero se establecen los dos principios de la termodinámica y el rendimiento de Carnot, leyes universales que gobiernan cualquier conversión; después se aplican al recorrido por las tecnologías de generación, ordenadas desde las térmicas convencionales hasta las renovables variables; y por último se cierra con los retos sistémicos —almacenamiento, hidrógeno, ciclo de vida— y con el mix eléctrico real.

2. El concepto de energía, sus formas y sus unidades

La energía se define clásicamente como la capacidad de un sistema para realizar trabajo o transferir calor. Es una magnitud escalar; su unidad en el Sistema Internacional es el julio (J), y en el ámbito energético se emplean múltiplos y unidades prácticas. El más cotidiano es el kilovatio hora (1\ \mathrm{kWh} = 3{,}6\ \mathrm{MJ}), unidad de la factura eléctrica. A escala de balances nacionales se usa la tonelada equivalente de petróleo (1\ \mathrm{tep} \approx 41{,}87\ \mathrm{GJ}) y sus múltiplos (ktep, Mtep); en el comercio de gas, el termio y el British Thermal Unit (BTU); en termotecnia y nutrición, la caloría (1\ \mathrm{cal} \approx 4{,}186\ \mathrm{J}).

Un ejemplo lo ilustra. Una vivienda que consume 3.500\ \mathrm{kWh} al año gasta, en unidades del SI, 3.500 \times 3{,}6\ \mathrm{MJ} = 12.600\ \mathrm{MJ} = 12{,}6\ \mathrm{GJ}; y, en toneladas equivalentes de petróleo, 12{,}6 / 41{,}87 \approx 0{,}30\ \mathrm{tep}. Esta traducción es la que se pide en una auditoría energética para comparar consumos heterogéneos sobre una base común.

La potencia mide la rapidez con que se transfiere o transforma la energía y se expresa en vatios (1\ \mathrm{W} = 1\ \mathrm{J/s}); confundirla con la energía es un error conceptual frecuente del alumnado. Formalmente, la energía es la integral de la potencia en el tiempo, E = \int P\,\mathrm{d}t, y a potencia constante se reduce a E = P \cdot t. Así, una central de 1.000\ \mathrm{MW} que funcione 8.000 horas al año genera una energía de

El cociente entre la energía realmente generada y la que se generaría a plena potencia durante todas las horas del año (8.760\ \mathrm{h}) es el factor de capacidad:

indicador clave que distingue tecnologías: ronda el 85-90 % en la nuclear, el 50-55 % en la eólica marina, el 25-35 % en la eólica terrestre y el 15-25 % en la fotovoltaica peninsular. En el ejemplo, F_c = 8.000 / 8.760 \approx 0{,}91, propio de una central de base. Este dato explica por qué un país puede tener más potencia fotovoltaica instalada que nuclear y, aun así, generar menos energía con ella, pues su factor de capacidad es mucho menor.

La energía se manifiesta en formas diversas. La energía mecánica engloba la cinética, E_c = \tfrac{1}{2}mv^2, y la potencial, gravitatoria E_p = mgh o elástica E_p = \tfrac{1}{2}kx^2. La energía térmica es la energía interna de la agitación desordenada de las partículas, vinculada a la temperatura. La energía química reside en los enlaces entre átomos y se libera o absorbe en las reacciones; así almacenan energía los combustibles fósiles, la biomasa y los alimentos. La energía eléctrica se asocia al movimiento ordenado de cargas y a los campos electromagnéticos. La energía electromagnética o radiante viaja en forma de ondas, como la radiación solar, cuya constante solar fuera de la atmósfera vale unos 1361\ \mathrm{W/m^2}. La energía nuclear reside en las fuerzas que mantienen unido el núcleo y se libera en la fisión y la fusión, según la equivalencia masa-energía de Einstein,

Lo relevante es que las máquinas son conversores entre estas formas: una turbina convierte energía cinética de un fluido en energía mecánica rotatoria; un alternador, energía mecánica en eléctrica (con rendimientos superiores al 98 %); una célula fotovoltaica, energía radiante en eléctrica; una caldera, energía química en térmica. Todo el sistema energético puede leerse, con Çengel y Boles (Termodinámica) o Moran y Shapiro (Fundamentos de termodinámica técnica), como una red de conversores encadenados que llevan la energía desde su forma primaria hasta la útil. Conviene subrayar una asimetría que anticipa el segundo principio: las conversiones entre formas ordenadas (mecánica a eléctrica, y viceversa) alcanzan rendimientos cercanos a la unidad, mientras que las que parten del calor —forma desordenada— están penalizadas de raíz. Esta jerarquía de calidades da sentido a todo lo que sigue.

3. Primer principio: conservación de la energía

El primer principio afirma que la energía total de un sistema aislado permanece constante: no se crea ni se destruye, solo se transforma. Para un sistema cerrado, la variación de su energía interna es igual al calor que recibe menos el trabajo que realiza:

Su consolidación se debe a los trabajos de James Prescott Joule, que en la década de 1840 estableció el equivalente mecánico del calor, y a la formulación general de Julius von Mayer y Hermann von Helmholtz, que enunció la conservación de la energía como ley universal en 1847.

Este principio explica por qué no es posible un móvil perpetuo de primera especie, una máquina que produzca trabajo de la nada, y obliga a balances rigurosos: la energía que entra iguala a la que sale más la que se acumula. Para sistemas abiertos —volúmenes de control por los que circula un fluido, como una turbina o una caldera— se expresa mediante el balance de energía en régimen estacionario. Despreciando las variaciones de energía cinética y potencial del fluido, adopta la forma compacta

donde \dot{m} es el gasto másico, h_e y h_s las entalpías específicas de entrada y salida, \dot{Q} el flujo de calor y \dot{W} la potencia mecánica. Es la herramienta con la que se dimensiona una turbina o un intercambiador: en una turbina adiabática (\dot{Q}=0), la potencia obtenida es \dot{W} = \dot{m}\,(h_e - h_s), la caída de entalpía del vapor multiplicada por el caudal.

El primer principio tiene, sin embargo, una limitación profunda: es simétrico en el tiempo. Un balance se cumpliría igual si el calor fluyera de lo frío a lo caliente o si un motor convirtiera todo su calor en trabajo; que esos procesos no ocurran no lo prohíbe el primer principio, sino el segundo. La conservación dice cuánto; hace falta otra ley para decir en qué sentido y con qué calidad.

4. Segundo principio: entropía, degradación y exergía

El primer principio no basta, porque no todas las transformaciones que permite ocurren espontáneamente. El segundo principio, formulado en sus distintos enunciados por Rudolf Clausius y por William Thomson (lord Kelvin) hacia 1850, introduce la entropía como medida del desorden o de la dispersión de la energía, y establece que en todo proceso real la entropía del conjunto sistema-entorno aumenta; en un proceso reversible ideal permanecería constante. En un intercambio de calor a temperatura absoluta T, la variación de entropía es \mathrm{d}S = \delta Q / T, y la desigualdad de Clausius, \oint \delta Q / T \le 0 para todo ciclo, condensa matemáticamente la irreversibilidad.

Su consecuencia capital es que la energía no solo se conserva en cantidad, sino que se degrada en calidad: las formas ordenadas (mecánica, eléctrica) pueden convertirse íntegramente en calor, pero el calor —forma desordenada— no. El enunciado de Kelvin-Planck lo precisa: es imposible una máquina que, operando cíclicamente, transforme íntegramente en trabajo el calor extraído de un único foco; por eso toda máquina térmica cede una parte del calor a un foco frío. El enunciado equivalente de Clausius afirma que el calor no fluye espontáneamente de un cuerpo frío a uno caliente. El segundo principio prohíbe así el móvil perpetuo de segunda especie, la máquina que enfriaría el océano para propulsar un barco: no violaría la conservación de la energía, pero sí la degradación entrópica.

4.1. El concepto de exergía

La distinción entre cantidad y calidad cristaliza en el concepto de exergía o energía disponible: la fracción de la energía de un sistema convertible en trabajo útil respecto a un estado de referencia, el ambiente a temperatura T_0. La electricidad y la energía mecánica son exergía pura (100 % aprovechable); el calor a alta temperatura tiene alta exergía; el calor residual próximo a la temperatura ambiente tiene exergía casi nula, aunque su contenido energético sea grande. Cuantitativamente, la exergía de una cantidad de calor Q disponible a temperatura T es

expresión que es, no por casualidad, el calor multiplicado por el rendimiento de Carnot: mide el trabajo máximo que una máquina reversible podría extraer de él. Así, 1\ \mathrm{kWh} de calor a 60\ ^{\circ}\mathrm{C} (agua caliente sanitaria) tiene, frente a un ambiente a 25\ ^{\circ}\mathrm{C}, una exergía de apenas 1 \times (1 - 298/333) \approx 0{,}11\ \mathrm{kWh}, mientras que 1\ \mathrm{kWh} de electricidad tiene 1\ \mathrm{kWh} de exergía. El análisis exergético, desarrollado en la obra de referencia de Adrian Bejan (Advanced Engineering Thermodynamics), localiza dónde se destruye la calidad de la energía: explica por qué calentar agua doméstica quemando gas natural —cuya llama a más de 1.000\ ^{\circ}\mathrm{C} podría producir trabajo a alta temperatura— es un derroche exergético frente a una bomba de calor. La lección: no basta con no malgastar energía (primer principio); hay que evitar degradar su calidad (segundo principio), casando cada fuente con el uso que exige su nivel exergético.

5. El rendimiento de Carnot y el límite de las máquinas térmicas

El rendimiento máximo teórico de cualquier máquina térmica que opere entre un foco caliente a temperatura absoluta T_c y un foco frío a T_f viene dado por el rendimiento de Carnot:

con las temperaturas en kelvin. Este resultado, anticipado por Sadi Carnot en 1824 y formalizado tras el establecimiento del segundo principio, fija una frontera que ninguna mejora tecnológica podrá rebasar, pues no depende del fluido de trabajo ni del diseño de la máquina, solo de las dos temperaturas entre las que opera.

Figura 1. Máquina térmica y rendimiento de Carnot: focos caliente y frío, calores intercambiados y trabajo útil.

Un ejemplo paso a paso. Una central de vapor trabaja con vapor a 540\ ^{\circ}\mathrm{C} y condensa a 30\ ^{\circ}\mathrm{C}. En kelvin: T_c = 540 + 273 = 813\ \mathrm{K} y T_f = 30 + 273 = 303\ \mathrm{K}, y aplicamos la fórmula:

El techo teórico es del 62,7 %. Sin embargo, las irreversibilidades reales —rozamientos, transferencias de calor con diferencia finita de temperatura, pérdidas mecánicas y de escape— reducen el rendimiento efectivo a un 40-45 %. Obsérvese el efecto de las temperaturas: si elevásemos el vapor a 600\ ^{\circ}\mathrm{C} (873\ \mathrm{K}), el techo de Carnot subiría a 1 - 303/873 = 0{,}653; y si, manteniendo 540\ ^{\circ}\mathrm{C}, refrigerásemos el condensador hasta 15\ ^{\circ}\mathrm{C} (288\ \mathrm{K}), subiría a 1 - 288/813 = 0{,}646. Cada grado cuenta.

De la fórmula se extraen tres lecciones de ingeniería. Primera: conviene la mayor temperatura de foco caliente posible, lo que motiva las centrales supercríticas y ultrasupercríticas y los álabes refrigerados de las turbinas de gas. Segunda: conviene la menor temperatura de foco frío posible, lo que explica la importancia de la refrigeración del condensador y la ubicación de las centrales junto a ríos, mares o grandes torres de refrigeración. Tercera: el calor residual cedido al foco frío es inevitable —Q_f = Q_c(T_f/T_c) incluso en el caso ideal—, lo que da sentido a la cogeneración, que en lugar de disiparlo lo aprovecha.

Merece señalarse la lectura inversa del ciclo de Carnot. Una máquina térmica funcionando al revés es una bomba de calor o un frigorífico: consume trabajo para trasladar calor del foco frío al caliente. Su indicador no es un rendimiento (siempre menor que 1), sino un coeficiente de desempeño que puede ser mucho mayor que la unidad; para una bomba de calor reversible,

Una bomba de calor que caliente una vivienda a T_c = 293\ \mathrm{K} tomando calor del exterior a T_f = 278\ \mathrm{K} tendría un COP ideal de 293/15 \approx 19{,}5; los equipos reales alcanzan valores de 3 a 5, entregando varias veces más calor que la electricidad consumida.

6. La cadena energética y el balance de energía primaria

Conviene distinguir tres eslabones. La energía primaria es la que se encuentra en la naturaleza antes de cualquier transformación: el carbón, el petróleo y el gas natural en sus yacimientos, el uranio, la radiación solar, el viento, el caudal de los ríos, la biomasa. La energía secundaria o final resulta de transformar la primaria en formas más utilizables y transportables: la electricidad, los derivados del petróleo (gasolina, gasóleo), el hidrógeno. La energía útil es la fracción que finalmente realiza el servicio demandado: la luz de una lámpara, el movimiento de un vehículo, el confort térmico de una vivienda.

Figura 2. Cadena energética: de la energía primaria a la útil, con pérdidas crecientes en cada conversión.

En cada eslabón hay pérdidas, de modo que la energía útil es siempre una fracción menor de la primaria consumida. El rendimiento global de una cadena es el producto de los rendimientos de cada conversión: \eta_{\mathrm{global}} = \eta_1 \cdot \eta_2 \cdots \eta_n. Tomemos el alumbrado con una central térmica de rendimiento \eta_{\mathrm{central}} = 0{,}40, un transporte y distribución con \eta_{\mathrm{red}} = 0{,}92 y una antigua bombilla incandescente que convierte en luz apenas el 5 % de la electricidad (\eta_{\mathrm{lámpara}} = 0{,}05). El rendimiento de la cadena entera es

esto es, menos del 2 % de la energía del combustible acaba en luz. Sustituir la incandescente por una lámpara LED de rendimiento diez veces mayor multiplica por diez el rendimiento global de toda la cadena sin tocar la central: he aquí la razón física de que la mayor «fuente de energía» disponible sea, a menudo, la eficiencia en el uso final.

Un dato estructural: España presenta una elevada dependencia energética exterior, en torno al 70 % según los balances del IDAE y del Ministerio para la Transición Ecológica, por su escasez de combustibles fósiles propios; la electrificación renovable es, además de una estrategia climática, una vía de soberanía energética. El PNIEC 2023-2030 fija reducir esa dependencia y alcanzar un 81 % de generación eléctrica renovable en 2030 y un 48 % de renovables sobre el consumo final de energía.

Las fuentes se clasifican, según su capacidad de reposición, en renovables (solar, eólica, hidráulica, biomasa, geotérmica, marina), que se regeneran a ritmo humano, y no renovables (combustibles fósiles y uranio fisible), de reservas finitas. Por su grado de explotación se habla de fuentes convencionales (fósiles, gran hidráulica y nuclear) y no convencionales o alternativas.

7. Centrales térmicas convencionales y el ciclo de Rankine

Una central térmica convencional transforma la energía química de un combustible fósil en electricidad mediante una cadena de conversiones que es el arquetipo de toda generación termoeléctrica. El combustible (carbón, fuelóleo o gas) se quema en una caldera, cuyo calor vaporiza agua a alta presión y temperatura; el vapor se expande en una turbina, que convierte su energía térmica en energía mecánica rotatoria; la turbina arrastra un alternador que genera electricidad; y el vapor de escape se condensa en un condensador, retornando el agua a la caldera mediante una bomba, cerrando el ciclo.

Figura 3. Central térmica de vapor (ciclo de Rankine): caldera, turbina, alternador y condensador en circuito cerrado.

7.1. El ciclo de Rankine y sus mejoras

El ciclo termodinámico que describe este proceso es el ciclo de Rankine, propuesto por William Rankine en el siglo XIX, con cuatro etapas ideales: compresión del líquido por una bomba, aporte de calor a presión constante en la caldera (con vaporización y sobrecalentamiento), expansión del vapor en la turbina y condensación a presión constante. En el diagrama temperatura-entropía se dibuja como un lazo cerrado bajo la campana de saturación del agua, y su rendimiento equivale al cociente entre el área del lazo (trabajo neto) y el área bajo la línea de aporte de calor. De ahí la estrategia de mejora: todo lo que eleve la temperatura media a la que se aporta calor, o rebaje aquella a la que se cede, acerca el rendimiento al de Carnot.

Así, el rendimiento mejora elevando la presión y la temperatura del vapor y con perfeccionamientos como el recalentamiento intermedio (el vapor parcialmente expandido vuelve a la caldera, lo que aumenta el trabajo y reduce la humedad en los últimos escalonamientos, protegiendo los álabes de la erosión por gotas) y la regeneración (precalentamiento del agua de alimentación con vapor extraído de la turbina, que eleva la temperatura media de aporte de calor). Las centrales supercríticas trabajan por encima del punto crítico del agua (22{,}1\ \mathrm{MPa} y 374\ ^{\circ}\mathrm{C}), donde desaparece la distinción entre líquido y vapor, y las ultrasupercríticas alcanzan 30\ \mathrm{MPa} y 600-620\ ^{\circ}\mathrm{C}, con rendimientos del 45-47 %. El límite lo ponen los materiales: sostener esas condiciones exige aceros ferríticos avanzados y aleaciones de níquel, cuyo coste y comportamiento a fluencia marcan la frontera práctica.

7.2. Combustibles, refrigeración y declive del carbón

Las centrales de carbón, antaño dominantes, están en franco retroceso por sus elevadas emisiones de dióxido de carbono, \mathrm{CO_2}, y de contaminantes (óxidos de azufre, \mathrm{SO_2}, y de nitrógeno, \mathrm{NO_x}, y partículas). En España, la práctica totalidad ha cerrado en el marco de la transición justa: en 2023 el carbón aportó menos del 2 % de la generación, frente a más del 14 % una década antes, según los informes anuales de Red Eléctrica de España. La refrigeración del condensador requiere un foco frío de gran capacidad: agua de río o mar (circuito abierto) o las características torres de refrigeración por evaporación (circuito cerrado), cuyo penacho de vapor de agua es la imagen icónica —y a menudo malinterpretada— de estas instalaciones. Conviene aclarar al alumnado que ese penacho es vapor de agua condensándose, no humo contaminante; los gases de combustión salen por chimeneas tras su depuración en sistemas de desulfuración, desnitrificación y filtrado de partículas.

8. Turbinas de gas, ciclo de Brayton y ciclos combinados

La gran innovación de la generación térmica de las últimas décadas es el ciclo combinado de gas natural, que encadena dos ciclos termodinámicos para aprovechar mejor la energía del combustible. En la primera etapa, el gas se quema en una turbina de gas que funciona según el ciclo de Brayton: el aire atmosférico se comprime en un compresor axial, se mezcla con combustible en la cámara de combustión, y los gases a muy alta temperatura (1.300-1.600\ ^{\circ}\mathrm{C} en las máquinas más avanzadas, con álabes refrigerados y recubrimientos cerámicos de barrera térmica) se expanden en la turbina produciendo trabajo. Los gases de escape, que aún salen a unos 600\ ^{\circ}\mathrm{C}, alimentan una caldera de recuperación de calor (HRSG) que genera vapor para mover una segunda turbina según el ciclo de Rankine ya descrito.

Figura 4. Ciclo combinado: turbina de gas (Brayton) encadenada con turbina de vapor (Rankine) mediante la caldera de recuperación.

La razón de que el ciclo combinado supere a cualquier máquina térmica simple es puramente termodinámica. Una turbina de gas sola opera con un foco caliente altísimo pero cede su calor residual a 600\ ^{\circ}\mathrm{C}, un foco frío pésimo; una turbina de vapor sola tiene un foco frío excelente (el condensador a 30\ ^{\circ}\mathrm{C}) pero un foco caliente limitado por los materiales a unos 600\ ^{\circ}\mathrm{C}. El ciclo combinado toma lo mejor de cada uno —el foco caliente de Brayton y el foco frío de Rankine—, abarcando un salto de más de 1.500\ ^{\circ}\mathrm{C} a 30\ ^{\circ}\mathrm{C}. El rendimiento se compone de forma sencilla: si el ciclo de gas rinde \eta_g = 0{,}40 y el de vapor aprovecha el calor sobrante con \eta_v = 0{,}33, el rendimiento global es

El ciclo combinado alcanza así rendimientos eléctricos superiores al 60 % —las turbinas más modernas de Siemens Energy, GE Vernova o Mitsubishi Power rozan el 63-64 %—, los más altos de cualquier tecnología térmica. A ello se suma su flexibilidad operativa: arrancan y modulan su potencia con rapidez, lo que los hace idóneos como respaldo de las renovables intermitentes. Esta cualidad, unida a las menores emisiones del gas frente al carbón (aproximadamente la mitad de \mathrm{CO_2} por kWh), los ha convertido en pieza clave del sistema eléctrico español durante la transición, aunque su naturaleza fósil los sitúa también como objetivo de la descarbonización.

9. Cogeneración, trigeneración y aprovechamiento del calor residual

La inevitabilidad de la degradación que impone el segundo principio tiene una lectura constructiva: si el calor residual de baja temperatura es inevitable, lo inteligente es aprovecharlo en lugar de disiparlo. La cogeneración (CHP, combined heat and power) produce simultáneamente electricidad y calor útil para un proceso industrial o una red de calefacción de distrito.

Figura 5. Cogeneración frente a central convencional: aprovechamiento del calor residual (40% frente a 85% de la energía primaria).

Mientras una central convencional disipa el calor residual, la cogeneración lo aprovecha, elevando el rendimiento global de uso del combustible hasta el 80-90 %. La comparación es elocuente: una central eléctrica que rinde un 40 % desperdicia el 60 % del combustible como calor; una cogeneración que produzca, con ese mismo combustible, un 40 % de electricidad y recupere un 45 % de calor útil aprovecha el 85 % de la energía primaria, y su ahorro se mide con el indicador de ahorro de energía primaria (PES) que exige la normativa europea para calificar una instalación como de alta eficiencia. Es particularmente eficiente en industrias con demanda continua de calor (papelera, química, cerámica, alimentaria) —de gran relevancia en el clúster azulejero de Castellón, uno de los mayores focos cogeneradores de España— y en redes urbanas de calor (district heating). La Directiva 2012/27/UE de eficiencia energética, refundida y reforzada por la Directiva (UE) 2023/1791, promueve expresamente la cogeneración de alta eficiencia.

La trigeneración añade la producción de frío mediante máquinas de absorción que emplean el calor sobrante (en lugar de electricidad) para accionar un ciclo frigorífico —típicamente con pares agua-bromuro de litio o amoníaco-agua—, completando un aprovechamiento casi integral de la energía primaria; resulta idónea en hospitales, hoteles, aeropuertos y centros comerciales con demanda simultánea de electricidad, calor y climatización todo el año.

10. La energía nuclear de fisión y la fusión

La energía nuclear de fisión aprovecha la enorme energía liberada cuando el núcleo de un átomo pesado, típicamente uranio-235, se rompe al ser impactado por un neutrón. La fisión libera energía —en virtud de la equivalencia E = mc^2, pues los fragmentos tienen algo menos de masa que el núcleo original, un «defecto de masa» que se transforma en energía— y, crucialmente, dos o tres neutrones que pueden provocar nuevas fisiones: una reacción en cadena. Su control es la clave del reactor: debe mantenerse autosostenida pero estable, con factor de multiplicación k = 1 (estado crítico), ni extinguiéndose (k < 1) ni desbocándose (k > 1). La densidad energética es asombrosa: la fisión completa de 1\ \mathrm{g} de uranio-235 libera del orden de 24\ \mathrm{MWh}, equivalente a la combustión de unas 3 toneladas de carbón, lo que explica por qué un pequeño volumen de combustible sostiene una central durante meses.

Figura 6. Reactor nuclear de agua a presión (PWR): circuito primario, secundario y de refrigeración.

10.1. El reactor y el ciclo de potencia

En el reactor concurren tres funciones. El combustible, uranio enriquecido en su isótopo fisible hasta un 3-5 %, dispuesto en barras. El moderador (agua ligera, agua pesada o grafito), que frena los neutrones rápidos hasta velocidades térmicas a las que provocan fisión con mayor probabilidad. Y las barras de control, de materiales absorbentes de neutrones (boro, cadmio), que se insertan o extraen para regular la reacción y permiten su parada inmediata (SCRAM). El calor del núcleo se extrae mediante un refrigerante y, a partir de ahí, el ciclo de potencia es esencialmente un ciclo de Rankine: el calor produce vapor que mueve una turbina acoplada a un alternador. Una central nuclear es, termodinámicamente, una central de vapor cuyo foco caliente es la fisión en lugar de una combustión; por ello su rendimiento térmico ronda el 33-35 %, algo inferior al de las mejores fósiles porque las temperaturas de operación son más moderadas por seguridad de los materiales.

Los reactores comerciales más extendidos son los de agua a presión (PWR), en los que un circuito primario presurizado transfiere el calor a un circuito secundario donde se genera el vapor —separando el agua que ha pasado por el núcleo de la que mueve la turbina—, y los de agua en ebullición (BWR). El parque nuclear español lo componen siete reactores en cinco emplazamientos (Almaraz I y II, Ascó I y II, Cofrentes, Vandellós II y Trillo); la central de Cofrentes (Valencia) es un reactor BWR. La industria desarrolla reactores de generación III+ con seguridad pasiva (como el AP1000 o el EPR), que evacuan el calor residual por convección natural sin bombas ni energía externa, y los pequeños reactores modulares (SMR), de potencia reducida (decenas a pocos cientos de MW) y fabricación en serie, que aspiran a abaratar costes; varios diseños cuentan ya con licencias y proyectos de demostración.

10.2. Ventajas, riesgos y residuos

La fisión presenta ventajas notables: una densidad energética extraordinaria y una generación estable y de base sin emisiones directas de gases de efecto invernadero, lo que la convierte en herramienta de descarbonización; la IEA, en su informe Nuclear Power in a Clean Energy System, la considera la segunda fuente baja en carbono del mundo tras la hidráulica. Sus inconvenientes son serios: la gestión de los residuos radiactivos de alta actividad, peligrosos durante milenios y que requieren almacenamiento geológico profundo (gestionados en España por ENRESA según el Plan General de Residuos Radiactivos); el riesgo de accidente grave, ilustrado por Chernóbil (1986) y Fukushima (2011); los elevados costes y plazos de construcción; y la sensibilidad geopolítica del ciclo del combustible. En España rige un calendario de cierre escalonado del parque nuclear entre 2027 y 2035 acordado con las empresas titulares, decisión objeto de debate ante el aumento de la demanda eléctrica prevista por la electrificación y la digitalización.

La fusión nuclear —que une núcleos ligeros (deuterio y tritio) en lugar de romper pesados, como ocurre en el Sol— promete energía abundante y limpia, sin residuos de larga vida ni riesgo de reacción descontrolada. Su desafío es alcanzar simultáneamente la temperatura, la densidad y el tiempo de confinamiento que exige el criterio de Lawson para que la energía liberada supere a la invertida en calentar el plasma a más de cien millones de grados. Concentra grandes esfuerzos de investigación, como el proyecto internacional ITER en construcción en Cadarache (Francia), basado en el confinamiento magnético en un tokamak, y hitos recientes como la ganancia neta de energía lograda por confinamiento inercial en el National Ignition Facility (NIF) estadounidense en diciembre de 2022 y repetida después con mayor rendimiento. Pese a ello, la fusión no es aún una tecnología comercial, aunque la irrupción de numerosas empresas privadas ha acelerado las expectativas para las próximas décadas.

11. El aprovechamiento hidráulico y las centrales de bombeo

La energía hidráulica aprovecha la energía potencial gravitatoria de una masa de agua situada a cierta altura. Al caer, esa energía potencial se convierte en cinética, que una turbina hidráulica transforma en energía mecánica rotatoria para arrastrar un alternador. Es la más antigua y madura de las energías renovables modernas, la primera que se explotó a gran escala. La potencia disponible se calcula como

donde \rho es la densidad del agua, g la aceleración de la gravedad, Q el caudal, H el salto neto y \eta el rendimiento del conjunto. Un ejemplo fija ideas: un salto de H = 200\ \mathrm{m} con un caudal de Q = 50\ \mathrm{m^3/s} y un rendimiento \eta = 0{,}90 proporciona

potencia propia de una central de tamaño medio. Salto y caudal son intercambiables a igualdad de producto, lo que determina la elección de la máquina.

Según el predominio del salto o del caudal se distinguen las centrales de alta presión (gran salto, poco caudal, en montaña, con embalses de regulación) y las de agua fluyente (poco salto, gran caudal, sin apenas almacenamiento). Las turbinas se eligen según estas condiciones: la Pelton, de acción, con cazoletas que reciben un chorro a gran velocidad, para grandes saltos; la Francis, de reacción, de flujo radial, para saltos y caudales medios, la más versátil y extendida; y la Kaplan, de hélice con álabes orientables, para grandes caudales y pequeños saltos. La hidráulica destaca por su altísimo rendimiento (superior al 90 %, el mayor de todas las tecnologías), su ausencia de emisiones y su capacidad de regulación: el agua embalsada es energía almacenada disponible al instante, y una central pasa de cero a plena potencia en minutos, cualidad inestimable para seguir la demanda y respaldar a las renovables variables. Como contrapartida, los grandes embalses tienen impacto ambiental y social (alteración de ecosistemas fluviales, barreras para la fauna ictícola) y dependen de la disponibilidad de agua, sensible a las sequías mediterráneas.

Figura 7. Central hidroeléctrica de bombeo reversible: batería gravitatoria que almacena electricidad entre dos embalses.

Mención especial merecen las centrales de bombeo o reversibles, que en horas de bajo coste o exceso de generación renovable bombean agua a un embalse superior y la turbinan después en las horas de mayor demanda. Son, hoy por hoy, el sistema de almacenamiento a gran escala más maduro y de mayor capacidad instalada del mundo (más del 90 % de la capacidad mundial de almacenamiento, según la IEA), con rendimientos de ida y vuelta del 70-80 %: por cada 100\ \mathrm{kWh} consumidos en el bombeo se recuperan unos 75\ \mathrm{kWh} al turbinar, y la diferencia se compensa con el arbitraje entre la electricidad barata excedentaria y la cara de las puntas. España cuenta con instalaciones emblemáticas como el complejo de Cortes-La Muela (Valencia), de las mayores de Europa, lo que enlaza con la integración de renovables variables del tema 2.

12. La conversión eólica: límite de Betz y aerogeneradores actuales

La energía eólica aprovecha la energía cinética del viento, una forma indirecta de energía solar (el calentamiento desigual de la atmósfera genera diferencias de presión y, con ellas, el viento). El aerogenerador la convierte en electricidad: las palas del rotor, con perfil aerodinámico que genera sustentación, captan la energía del viento y giran; ese movimiento, a través de una multiplicadora (caja de engranajes) que eleva la velocidad de giro —o, en los diseños de accionamiento directo con generador síncrono de imanes permanentes, sin ella—, arrastra un generador alojado en la góndola sobre una torre elevada.

Figura 8. Aerogenerador de eje horizontal y límite de Betz: la potencia crece con el cubo de la velocidad del viento.

La potencia contenida en el viento que atraviesa el área A barrida por el rotor crece con el cubo de la velocidad, según

donde \rho es la densidad del aire, v la velocidad del viento y C_p el coeficiente de potencia, la fracción efectivamente aprovechada. La conversión está gobernada por el límite de Betz, demostrado por Albert Betz en 1919, que establece que ningún aerogenerador puede extraer más de una fracción máxima de la energía cinética del viento —pues el aire no puede detenerse por completo tras el rotor, o se acumularía—, dada por

Los aerogeneradores reales se aproximan a un C_p de 0,45-0,50. Un cálculo lo dimensiona: un rotor de 236\ \mathrm{m} de diámetro barre un área A = \pi\,(118)^2 \approx 43.700\ \mathrm{m^2}; con \rho = 1{,}225\ \mathrm{kg/m^3}, un viento de v = 11\ \mathrm{m/s} y C_p = 0{,}47, la potencia resulta

del orden de la potencia nominal (unos 15\ \mathrm{MW}) de las mayores máquinas marinas. Como la potencia depende del cubo de la velocidad y del cuadrado del diámetro (A \propto D^2), duplicar la velocidad del viento multiplica por ocho la potencia disponible: de ahí la tendencia hacia máquinas mayores y torres más altas. Los aerogeneradores terrestres actuales superan los 5-7 MW, y los marinos alcanzan 15\ \mathrm{MW} con diámetros de rotor de más de 230 metros (modelos como el Vestas V236 o equivalentes de Siemens Gamesa).

Se distingue la eólica terrestre (onshore), madura y la más barata de las nuevas fuentes de generación según los análisis de coste nivelado (LCOE) de IRENA, de la marina (offshore), que aprovecha vientos más intensos y regulares pero exige mayores costes; dentro de esta, la eólica flotante abre la explotación de aguas profundas, de gran interés para el litoral mediterráneo, donde la plataforma continental es estrecha y las fijaciones al fondo resultan inviables. España es una potencia eólica mundial: con cerca de 30\ \mathrm{GW} instalados, la eólica fue en 2023 y 2024 la primera fuente de generación del país (en torno al 22-23 % del mix), según Red Eléctrica de España. Su carácter intermitente obliga a complementarla con almacenamiento y respaldo, y plantea retos de impacto paisajístico y afección a la avifauna.

13. La conversión solar: fotovoltaica y termosolar

La energía solar es la fuente primaria de la inmensa mayoría de las energías terrestres y la de mayor potencial absoluto: la radiación que el Sol envía a la Tierra en una hora supera el consumo energético mundial de un año. Su aprovechamiento eléctrico sigue dos vías tecnológicas radicalmente distintas.

13.1. Energía solar fotovoltaica

La conversión fotovoltaica transforma directamente la luz en electricidad mediante el efecto fotovoltaico en materiales semiconductores, descubierto por Becquerel en 1839 y explicado por la física cuántica de Einstein (efecto fotoeléctrico, Premio Nobel de 1921). La célula solar es, esencialmente, una unión p-n de silicio: cuando un fotón de energía superior a la banda prohibida (band gap, del orden de 1{,}1\ \mathrm{eV} en el silicio) incide sobre ella, crea un par electrón-hueco; el campo eléctrico interno de la unión separa las cargas hacia extremos opuestos, generando una corriente continua si se cierra el circuito. Las células se agrupan en módulos y estos en instalaciones que requieren un inversor para convertir la corriente continua en alterna apta para la red, y a menudo un seguidor del punto de máxima potencia (MPPT).

Figura 9. Célula fotovoltaica de unión p-n: un fotón crea un par electrón-hueco que el campo interno separa, generando corriente.

El rendimiento de los módulos comerciales de silicio se sitúa hoy en el 21-24 %, con tecnologías avanzadas (PERC, TOPCon, heterounión HJT) empujando esa cifra. Las prometedoras células tándem de silicio y perovskita superan en laboratorio el 33-34 % de eficiencia certificada. El límite teórico de una célula de una sola unión es el límite de Shockley-Queisser, en torno al 33 %, impuesto porque los fotones de energía inferior a la banda prohibida no se aprovechan y el exceso de energía de los más energéticos se disipa como calor; las células multiunión rebasan ese techo apilando materiales de distinta banda prohibida que capturan tramos complementarios del espectro. Un dimensionado sencillo: bajo una irradiancia de referencia de 1.000\ \mathrm{W/m^2} y con un módulo del 22 %, cada metro cuadrado entrega 220\ \mathrm{W} pico, de modo que una instalación de 1\ \mathrm{kWp} ocupa aproximadamente 1.000 / 220 \approx 4{,}5\ \mathrm{m^2} y, en la irradiación de la Comunitat Valenciana, produce del orden de 1.500-1.700\ \mathrm{kWh} al año. El espectacular abaratamiento de la fotovoltaica —el LCOE ha caído más de un 80 % en la última década según IRENA— la ha convertido, en palabras de la IEA, en la fuente de electricidad nueva «más barata de la historia» en muchas regiones soleadas. España, con su excelente irradiación, lidera la instalación europea: la fotovoltaica superó los 25-30 GW y aportó cerca del 20 % de la generación en 2024, según Red Eléctrica. Sus modalidades van del autoconsumo en cubiertas a las grandes plantas en suelo, con creciente integración de seguimiento solar y de la agrovoltaica, que compatibiliza generación y cultivo en el mismo terreno.

13.2. Energía solar termoeléctrica

La vía termosolar o de concentración (CSP) no genera electricidad directamente, sino que concentra la radiación solar mediante espejos para calentar un fluido a alta temperatura, generar vapor y mover una turbina de Rankine. Sus configuraciones principales son los colectores cilindro-parabólicos (canales de espejos que concentran la luz sobre un tubo absorbedor por el que circula el fluido), las torres centrales (un campo de heliostatos que reflejan la luz hacia un receptor en lo alto de una torre, alcanzando mayores temperaturas y, por tanto, mejores rendimientos de Carnot) y los discos Stirling. Su gran ventaja frente a la fotovoltaica es el almacenamiento térmico en sales fundidas, que permite seguir generando varias horas tras la puesta de sol, una gestionabilidad de la que la fotovoltaica carece por sí sola. España fue pionera mundial y sigue siendo líder en capacidad CSP instalada (en torno a 2{,}3\ \mathrm{GW}). Su limitación es que requiere radiación directa intensa —no aprovecha la difusa de los días nublados— y costes mayores que la fotovoltaica; el nicho de la termosolar es hoy la generación gestionable con almacenamiento integrado.

14. Biomasa, geotermia y energía marina

Junto a las grandes renovables existen otras fuentes de menor peso global pero de interés creciente y, en casos, de gran potencial local.

La biomasa es la materia orgánica de origen biológico (residuos agrícolas y forestales, cultivos energéticos, residuos ganaderos y urbanos) con aprovechamiento energético. Su energía es energía solar almacenada por fotosíntesis, lo que la hace renovable y, en teoría, neutra en carbono (el \mathrm{CO_2} liberado al quemarla fue captado por las plantas), siempre que su explotación sea sostenible y respete el criterio de uso en cascada que priorizan la Directiva (UE) 2018/2001 (RED II) y su revisión RED III (Directiva (UE) 2023/2413). Se aprovecha por combustión directa para calor y electricidad; por digestión anaerobia para producir biogás y biometano a partir de residuos, gas rico en metano, \mathrm{CH_4}, inyectable en la red gasista; y por fermentación o transesterificación para obtener biocombustibles líquidos (bioetanol, biodiésel, HVO) para el transporte. La biomasa tiene la virtud, rara entre las renovables, de ser gestionable y almacenable, aunque plantea emisiones de partículas y competencia con usos alimentarios del suelo, que la normativa acota mediante criterios de sostenibilidad.

La energía geotérmica aprovecha el calor del interior de la Tierra. En zonas de alta entalpía (vulcanismo activo, como Islandia o Italia) el vapor del subsuelo mueve turbinas; en yacimientos de baja entalpía, el calor sirve para climatización mediante bombas de calor geotérmicas, que utilizan el terreno como foco estable, de interés para la eficiencia de edificios. Es una renovable singular por su carácter constante, con un factor de capacidad muy elevado y ajeno a la intermitencia solar o eólica. La investigación punta explora los sistemas geotérmicos mejorados (EGS), que fracturan roca seca caliente para inyectar y recuperar agua, y la geotermia profunda, que ampliarían su aplicabilidad más allá de las zonas volcánicas.

La energía marina abarca tecnologías en desarrollo: la mareomotriz (desnivel de las mareas mediante presas de estuario), la undimotriz (oleaje), la de corrientes marinas y la del gradiente térmico o salino. Su potencial es enorme y su carácter predecible (las mareas se conocen con exactitud años por adelantado) resulta atractivo frente a la variabilidad del viento o el sol, pero la mayoría están en fase de demostración, con costes elevados y notables retos de durabilidad y mantenimiento en el agresivo medio marino.

15. Almacenamiento de energía: baterías, bombeo y calor

El gran talón de Aquiles de las renovables variables —solar y eólica— es la falta de coincidencia entre generación y demanda. El almacenamiento es la pieza que falta para un sistema eléctrico mayoritariamente renovable; la IEA, en Batteries and Secure Energy Transitions (2024), prevé que el almacenamiento en baterías se multiplique varias veces en esta década.

Las soluciones son complementarias y se clasifican por la duración del servicio, pues no existe una tecnología óptima para todo. Para larga duración (horas a días), el bombeo hidráulico ya descrito sigue siendo el más maduro y de mayor capacidad. Para corta y media duración (minutos a pocas horas), las baterías electroquímicas de ion-litio dominan por su rápido despliegue y la drástica caída de costes (más del 85-90 % en una década), tanto en red como en vehículos eléctricos, que pueden actuar como almacenamiento distribuido (vehicle-to-grid). La química LFP (litio-ferrofosfato) gana cuota por su seguridad, ausencia de cobalto y menor coste, a costa de algo menos de densidad energética. Se investigan alternativas: baterías de sodio-ion (material abundante y barato), de flujo de vanadio (idóneas para larga duración porque desacoplan potencia y capacidad), de estado sólido (mayor densidad y seguridad al sustituir el electrolito líquido inflamable) y de aire-metal. Otras vías: el almacenamiento térmico (sales fundidas, materiales de cambio de fase, roca o arena caliente para procesos industriales), el aire comprimido (CAES) en cavidades subterráneas y los volantes de inercia para regulación de muy corta duración. Cada tecnología se compara mediante el coste nivelado del almacenamiento (LCOS), que integra inversión, ciclos de vida y rendimiento de ida y vuelta. En España, el PNIEC 2023-2030 fija un objetivo de unos 22\ \mathrm{GW} de almacenamiento en 2030, imprescindible para absorber los excedentes solares del mediodía y desplazarlos a las horas sin sol.

16. El hidrógeno como vector energético: electrólisis y pilas de combustible

Un papel destacado en el modelo energético futuro se atribuye al hidrógeno como vector energético. No es una fuente de energía —no existe libre en la naturaleza en cantidad útil—, sino un portador: se produce consumiendo energía y se aprovecha después liberándola. Se obtiene por electrólisis del agua, descomponiéndola en hidrógeno y oxígeno mediante electricidad, según la reacción global

las tecnologías de electrolizador incluyen la alcalina (madura y económica), la de membrana de intercambio protónico (PEM, de respuesta rápida idónea para acoplarse a renovables variables) y la de óxido sólido (SOEC, de alta temperatura y mayor eficiencia por aprovechar calor además de electricidad).

Figura 10. Código de colores del hidrógeno según su origen y sus emisiones.

El código de colores del hidrógeno indica su origen: gris (a partir de gas natural por reformado con vapor, con emisiones de \mathrm{CO_2}), azul (igual pero con captura y almacenamiento del \mathrm{CO_2}) y verde (por electrólisis con electricidad renovable, plenamente descarbonizado); se habla también del rosa (electrólisis con electricidad nuclear). Su interés es múltiple: permite almacenar a gran escala y durante largos periodos la energía renovable excedentaria, transportarla y emplearla allí donde la electrificación directa es difícil (industria siderúrgica mediante reducción directa del hierro, producción de amoníaco y fertilizantes, refino, transporte marítimo y aéreo con combustibles sintéticos o e-fuels). Su energía se recupera por combustión o, con mayor eficiencia, en pilas de combustible, que lo recombinan con oxígeno generando electricidad y agua como único residuo, en el proceso inverso a la electrólisis.

Los retos del hidrógeno son el rendimiento del ciclo completo y el coste. Cada conversión introduce pérdidas: si la electrólisis rinde un 65 % y la pila de combustible un 55 %, el rendimiento «de electricidad a electricidad» es de apenas 0{,}65 \times 0{,}55 \approx 0{,}36, un 36 %, frente al 90 % de una batería. De ahí la regla de oro del sector: reservar el hidrógeno para los usos difíciles de electrificar directamente, yreservarlo para donde no hay alternativa mejor. A ello se suman la complejidad de su almacenamiento (a 700\ \mathrm{bar} o licuado a -253\ ^{\circ}\mathrm{C}) y de su transporte por su baja densidad volumétrica. Su desarrollo es, con todo, estratégico: la Unión Europea adoptó su Estrategia del Hidrógeno (2020) y el paquete RePowerEU, y España aprobó la Hoja de Ruta del Hidrógeno (2020), actualizada al alza, con el objetivo de instalar varios gigavatios de electrólisis y posicionar al país como exportador de hidrógeno verde, con proyectos de «valles del hidrógeno» y el corredor europeo H2Med.

17. Rendimiento, ciclo de vida y huella de carbono

Toda valoración de una tecnología energética debe considerar tres dimensiones entrelazadas —rendimiento, impacto ambiental y coste—. El rendimiento de conversión, como impone el segundo principio, nunca es total: ronda el 90 % en la hidráulica, el 60-64 % en los ciclos combinados, el 33-45 % en las térmicas de vapor y la nuclear, el 45-50 % en la eólica (sobre el límite de Betz) y el 21-24 % en la fotovoltaica de silicio comercial. Pero este dato aislado engaña: una fotovoltaica de «bajo» rendimiento que aprovecha un recurso gratuito e inagotable puede ser preferible a una térmica eficiente que quema un recurso finito y contaminante.

El análisis riguroso exige la perspectiva del análisis de ciclo de vida (ACV), normalizado por las normas UNE-EN ISO 14040 y UNE-EN ISO 14044, y de la huella de carbono, que contabiliza las emisiones de gases de efecto invernadero a lo largo de toda la vida de la instalación: fabricación, operación y desmantelamiento. Bajo este prisma, las renovables y la nuclear presentan emisiones por kWh muy bajas (típicamente entre 5 y 50\ \mathrm{g\ CO_2eq/kWh} según las síntesis del IPCC), mientras que el carbón supera los 800-1.000\ \mathrm{g\ CO_2eq/kWh}. Un indicador complementario es el tiempo de retorno energético (EROI o energy payback time): una instalación fotovoltaica devuelve hoy la energía invertida en fabricarla en uno o dos años, frente a los veinticinco o treinta de vida útil, lo que desmiente la objeción, ya superada, de que «gasta más de lo que produce». Otros impactos son los contaminantes locales (partículas, \mathrm{NO_x}, \mathrm{SO_2}), la ocupación de suelo, el consumo de agua de refrigeración, los materiales críticos (litio, cobalto, tierras raras) y los residuos (radiactivos en la nuclear; módulos y palas al final de su vida en las renovables, lo que abre el reto del reciclaje y la economía circular, con las primeras plantas de reciclado de palas y de módulos fotovoltaicos ya en operación).

La conclusión es la de un mix energético equilibrado y en transición: no existe una fuente perfecta, sino una combinación que aprovecha las ventajas de cada una —la gestionabilidad de la hidráulica, la biomasa y, para muchos, la nuclear; el bajo coste de la solar y la eólica— minimizando sus inconvenientes mediante el almacenamiento, la interconexión y la gestión inteligente de la demanda. La transición en curso, marcada por los objetivos europeos de neutralidad climática en 2050 (Ley Europea del Clima, Reglamento (UE) 2021/1119) y por el PNIEC, reconfigura este mix hacia un modelo descarbonizado, eficiente y seguro.

18. Estado del arte, mix eléctrico y líneas de investigación

El sistema eléctrico español de 2024-2025 ofrece una fotografía privilegiada de la transición. Según los informes de Red Eléctrica de España, las renovables superaron por primera vez el 50 % de la generación nacional en 2023 (en torno al 50,4 %) y se aproximaron o rebasaron el 56-57 % en 2024, con la eólica como primera tecnología, seguida de la nuclear, los ciclos combinados, la fotovoltaica y la hidráulica; la fotovoltaica fue la de mayor crecimiento. La tabla resume el orden de magnitud del mix y los rendimientos característicos, verificables en las fuentes oficiales citadas:

Figura 11. Comparativa de tecnologías de generación eléctrica: principio, límite físico, rendimiento, gestionabilidad y emisiones.

Las líneas de investigación abiertas más relevantes en 2026 son: en fotovoltaica, las células tándem perovskita-silicio camino de la producción industrial y la estabilidad de la perovskita; en eólica, el escalado de la flotante marina y los aerogeneradores de más de 15\ \mathrm{MW}; en nuclear, los SMR y los microrreactores, junto al impulso renovado a la fusión por el capital privado y los avances del NIF e ITER; en almacenamiento, las baterías de sodio-ion y de estado sólido y la larga duración; en hidrógeno, el abaratamiento de electrolizadores y los combustibles sintéticos; y, transversalmente, la digitalización del sistema con inteligencia artificial para la predicción de generación renovable y la gestión de la demanda. Este último frente es de especial actualidad: la irrupción de los grandes centros de datos de IA está elevando la demanda eléctrica, lo que ha revitalizado el debate sobre la nuclear y la generación firme.

19. Aplicación didáctica y relación con el currículo

Los contenidos de este tema constituyen un núcleo central de la materia de Tecnología en el sistema educativo regulado por la Ley Orgánica 2/2006, de Educación, modificada por la Ley Orgánica 3/2020 (LOMLOE), desarrollada en las enseñanzas mínimas por el Real Decreto 217/2022 (ESO) y el Real Decreto 243/2022 (Bachillerato), y concretada en la Comunitat Valenciana por el Decreto 107/2022 del Consell (ESO) y el Decreto 108/2022 (Bachillerato).

En la Educación Secundaria Obligatoria, la materia de Tecnología y Digitalización aborda la energía en los bloques de saberes ligados a la sostenibilidad y la «tecnología sostenible». El alumnado estudia las fuentes de energía, su transformación y su uso responsable, en conexión con la competencia específica orientada a la sostenibilidad y la ecodependencia y sus criterios de evaluación. Se trabaja la competencia STEM y la conciencia ecosocial del currículo LOMLOE, y se favorece la interdisciplinariedad con Física y Química y Biología y Geología.

En el Bachillerato, el tema alcanza su mayor profundidad en Tecnología e Ingeniería I y II (modalidad de Ciencias y Tecnología), donde se abordan con rigor los principios termodinámicos, las máquinas térmicas, los ciclos de potencia y los sistemas de generación. El nivel permite introducir el rendimiento de Carnot, los ciclos de Rankine y Brayton y el análisis cuantitativo de balances energéticos, y el debate informado sobre el mix eléctrico.

Desde el punto de vista metodológico, conviene un enfoque competencial, contextualizado y práctico, en línea con el aprendizaje por situaciones de aprendizaje que prescribe el currículo valenciano, sobre problemas reales y cercanos. Propuestas concretas:

• Proyecto «Auditoría energética del instituto»: el alumnado mide consumos, calcula la energía y la potencia contratada, dimensiona una instalación de autoconsumo fotovoltaico en la cubierta y estima el ahorro y la amortización, integrando el cálculo de energía y potencia, el rendimiento de conversión y el análisis económico (con hojas de cálculo) en un contexto propio del centro.
• Reto de construcción: maquetas funcionales de aerogenerador (midiendo cómo la potencia crece con la velocidad del viento, contrastando la dependencia cúbica) o de pequeña célula fotovoltaica conectada a un motor, que ilustran la conversión de energía de forma tangible.
• Análisis de datos reales: consulta de los datos abiertos de generación en tiempo real de Red Eléctrica de España para que el alumnado interprete el mix eléctrico diario y debata sobre la intermitencia y el almacenamiento, desarrollando la competencia digital.
• Debate ético-ciudadano: sobre el cierre nuclear, las macroplantas renovables y el territorio, o la transición justa, desarrollando la competencia ciudadana y la argumentación basada en evidencias.

El uso de simuladores, hojas de cálculo y datos reales favorece el aprendizaje significativo, la atención a la diversidad mediante tareas graduadas y la evaluación por competencias con proyectos, rúbricas y portafolios. La dimensión ética y ciudadana —cambio climático, transición justa, soberanía energética— conecta el tema con los retos del siglo XXI del currículo LOMLOE.

20. Conclusión

La producción y transformación de la energía es, antes que una cuestión técnica, una aplicación rigurosa de las leyes de la física. El primer principio garantiza que la energía solo se transforma, nunca se crea, de modo que toda central es un conversor que lleva una forma primaria hasta la electricidad; el segundo principio impone, mediante la entropía, la degradación y el rendimiento de Carnot, un techo infranqueable a la eficiencia de las máquinas térmicas, orientando la ingeniería hacia los ciclos combinados y el aprovechamiento del calor residual. El concepto de exergía resume esta doble lectura de cantidad y calidad: el reto no es solo no malgastar, sino no degradar.

Hemos recorrido el abanico de tecnologías de generación —térmicas convencionales y ciclo de Rankine, ciclos combinados, energía nuclear, hidráulica regulable y renovables variables (eólica, fotovoltaica y termosolar) que lideran la transición, junto a biomasa, geotermia y energía marina— y comprobado que la integración de unas renovables intermitentes encuentra respuesta en el almacenamiento (bombeo, baterías, calor) y en el hidrógeno verde.

El hilo conductor es claro: no hay fuente perfecta, sino un mix en transformación que busca conciliar rendimiento, sostenibilidad y seguridad de suministro en un mundo que ha de descarbonizarse antes de 2050. Para el futuro docente de Tecnología, dominar este tema es disponer del marco con el que explicar el sistema energético, formar una ciudadanía capaz de decidir sobre uno de los grandes desafíos de nuestro tiempo.

21. Bibliografía y referencias

(a) Referencias científicas y técnicas

• Çengel, Y. A. y Boles, M. A. (2019). Termodinámica (9.ª ed.). McGraw-Hill.
• Moran, M. J., Shapiro, H. N., Boettner, D. D. y Bailey, M. B. (2018). Fundamentos de termodinámica técnica. Reverté.
• Bejan, A. (2016). Advanced Engineering Thermodynamics (4.ª ed.). Wiley.
• Twidell, J. y Weir, T. (2015). Renewable Energy Resources (3.ª ed.). Routledge.
• Masters, G. M. (2013). Renewable and Efficient Electric Power Systems (2.ª ed.). Wiley-IEEE Press.
• Carnot, S. (1824). Réflexions sur la puissance motrice du feu. Bachelier.
• Betz, A. (1926). Wind-Energie und ihre Ausnutzung durch Windmühlen. Vandenhoeck & Ruprecht.
• Shockley, W. y Queisser, H. J. (1961). «Detailed Balance Limit of Efficiency of p-n Junction Solar Cells». Journal of Applied Physics, 32(3).
• Foro Nuclear. Energía nuclear: fundamentos y tecnología. https://www.foronuclear.org
• IPCC (2022). Climate Change 2022: Mitigation of Climate Change (Working Group III, AR6). Cambridge University Press.

(b) Normativa oficial

• Ley Orgánica 2/2006, de 3 de mayo, de Educación (LOE), modificada por la Ley Orgánica 3/2020, de 29 de diciembre (LOMLOE).
• Real Decreto 217/2022, de 29 de marzo, por el que se establece la ordenación y las enseñanzas mínimas de la Educación Secundaria Obligatoria.
• Real Decreto 243/2022, de 5 de abril, por el que se establecen la ordenación y las enseñanzas mínimas del Bachillerato.
• Decreto 107/2022, de 5 de agosto, del Consell, de ordenación y currículo de la ESO en la Comunitat Valenciana.
• Decreto 108/2022, de 5 de agosto, del Consell, de ordenación y currículo del Bachillerato en la Comunitat Valenciana.
• Ley 7/2021, de 20 de mayo, de cambio climático y transición energética.
• Reglamento (UE) 2021/1119, por el que se establece el marco para lograr la neutralidad climática (Ley Europea del Clima).
• Directiva (UE) 2023/1791, de eficiencia energética (refundición); Directiva (UE) 2023/2413 (RED III), de fomento de las energías renovables.
• Real Decreto 244/2019, de 5 de abril, por el que se regulan las condiciones administrativas, técnicas y económicas del autoconsumo de energía eléctrica.
• Normas UNE-EN ISO 14040:2006 y UNE-EN ISO 14044:2006, sobre análisis de ciclo de vida.

(c) Actualidad, novedades y recursos

• Plan Nacional Integrado de Energía y Clima (PNIEC) 2023-2030. Ministerio para la Transición Ecológica y el Reto Demográfico (MITECO).
• Red Eléctrica de España (Redeia). Informe del Sistema Eléctrico Español (anual) y datos en tiempo real. https://www.ree.es y https://www.esios.ree.es
• IDAE — Instituto para la Diversificación y Ahorro de la Energía. Estadísticas y balances energéticos. https://www.idae.es
• Agencia Internacional de la Energía (IEA). World Energy Outlook 2024/2025; Batteries and Secure Energy Transitions (2024). https://www.iea.org
• IRENA — International Renewable Energy Agency. Renewable Power Generation Costs y Renewable Capacity Statistics. https://www.irena.org
• Hoja de Ruta del Hidrógeno (2020) y Estrategia del Hidrógeno de la UE; proyecto H2Med. MITECO / Comisión Europea.
• ITER Organization (https://www.iter.org) y National Ignition Facility (LLNL) — avances en fusión nuclear.

Orientaciones para el estudio

• Asiente con firmeza los dos principios de la termodinámica y el rendimiento de Carnot: son la columna vertebral del tema. Sepa deducir, con un ejemplo numérico (T_c y T_f en kelvin), por qué una central de vapor no supera el 45 %; el tribunal valora el razonamiento físico, no la enumeración.
• Distinga con claridad los ciclos termodinámicos (Rankine en las de vapor, Brayton en las turbinas de gas, su combinación en los ciclos combinados) y dibuje de memoria el esquema de bloques combustible-caldera-turbina-alternador-condensador.
• No confunda energía con potencia ni fuente primaria con vector energético: el hidrógeno y la electricidad son vectores, no fuentes; este matiz suele preguntarse. Apóyese en el factor de capacidad para explicar por qué más potencia instalada no significa más energía generada.
• Vincule cada tecnología con su límite físico característico (Carnot en las térmicas, Betz 59{,}3\ \% en la eólica, Shockley-Queisser \sim 33\ \% en la fotovoltaica) y con sus ventajas e inconvenientes, evitando el maniqueísmo.
• Memorice tres o cuatro datos recientes y verificables del mix eléctrico español (renovables por encima del 50 %, eólica como primera fuente, objetivos del PNIEC: 81 % renovable en 2030) citando la fuente (Red Eléctrica, IDAE, IEA); un dato bien traído demuestra solvencia.
• Practique dos o tres ejercicios numéricos tipo (Carnot, potencia hidráulica P=\rho g Q H \eta, potencia eólica con la dependencia cúbica, rendimiento en cadena del hidrógeno): resolverlos con soltura ante el tribunal marca la diferencia entre un 7 y un 10.
• Para resumir el tema, construya un esquema de una página con: las dos leyes y Carnot; una fila por tecnología con su principio físico, ciclo, rendimiento y límite; y los tres pilares de la transición (renovables + almacenamiento + hidrógeno). Es el armazón ideal para la exposición.
• Reserve tiempo para el epígrafe didáctico, anclándolo en los Decretos 107/2022 y 108/2022 del Consell con una situación de aprendizaje concreta (la auditoría energética del centro funciona muy bien); un tema técnico impecable sin anclaje curricular pierde puntos.
• Mantenga separados, al exponer, los fundamentos atemporales (que no cambian) y la actualidad (que sí): así demuestra dominio conceptual y a la vez actualización.