1.- Repasando conceptos

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La energía ¿no se crea ni se destruye?
Por: David G.Artés Newspress
El primer principio de la termodinámica, que afirma que la energía no puede crearse
ni destruirse aunque sí transformarse de una forma en otra es, posiblemente, la más
sólida y universal de las leyes de la naturaleza descubiertas hasta ahora. A pesar de ello,
es también uno de las leyes peor interpretadas, dando lugar a multitud de ideas erróneas
y malos entendidos, precisamente por tomarla al pie de la letra sin ir un poco más allá.
No hace falta aclarar que el principio es perfectamente válido. El objeto de este escrito
no es otro que el de intentar conectarlo con la eficiencia energética de los modernos
motores y sistemas de propulsión, comprendiendo un poco mejor lo que ocurre con la
energía durante su funcionamiento y por qué, en realidad, la energía sí que se “destruye”
en ellos como energía aprovechable, para convertirse en energía no aprovechable
debido al menos conocido y peor interpretado segundo principio de la termodinámica.
Primer principio de la termodinámica
La Primera Ley de la Termodinámica, llamada a veces principio de conservación de la
energía, viene a decir que la energía inicial y final en un sistema aislado son iguales en
cantidad, aunque pueden ser diferentes en su formato. La cuestión es que no hay
creación ni destrucción de energía, sino diferentes procesos de transformación de una
cantidad total constante.
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“No hay creación ni destrucción de energía, sino diferentes procesos de transformación
de una cantidad total constante”
Interpretando este principio al pie de la letra, alguien podría pensar que la energía
empleada para mover un coche podría ser empleada una y otra vez con los medios
adecuados de aprovechamiento y reaprovechamiento energético, de forma que sólo
sería cuestión de tiempo y tecnología el que esto pudiese llegar a suceder y los coches
no tuviesen que repostar jamás. Nada más lejos de la realidad.
La eficiencia energética de un motor diésel moderno no es superior al 40%. Esto
significa que, de la energía química contenida en el gasoil que entra en las cámaras de
combustión, sólo 40 partes de cada cien se transforman en movimiento que puede
utilizarse para impulsar el coche. El resto se pierde en forma de calor a través del tubo
de escape, mediante el circuito de refrigeración y mediante la conductividad térmica del
bloque del motor y todos los elementos que intervienen en el proceso. Todo ese calor
acaba en la atmósfera, más y más disperso con cada segundo que pasa.
La siguiente pregunta sería: ¿por qué el 40% y no el 100% de
aprovechamiento?¿cuándo llegará la tecnología a alcanzar cotas más altas?¿cuándo
podremos aprovechar todo ese calor para convertirlo, también, en movimiento?
La respuesta es nunca. Veamos el porqué.
Segundo principio de la termodinámica
La segunda ley de la termodinámica afirma que “no existe ningún dispositivo que,
operando por ciclos, tome calor de una única fuente, y lo convierta íntegramente en
trabajo”. Es decir que, necesaria e inevitablemente, perderemos cierta cantidad de
energía por el camino de la transformación. Esta energía perdida no se ha destruido,
pero sí se ha transformado en una forma dispersa e inútil que no podría contribuir a un
movimiento adicional del coche, al menos no en su totalidad. Es importante destacar
que esta imposibilidad no es una limitación de la tecnología, sino una ley física
universal e inquebrantable.
“Necesaria e inevitablemente, perderemos cierta cantidad de energía por el camino”
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Por supuesto, existen multitud de tecnologías para intentar aprovechar, en la medida de
lo posible, esa energía perdida, pero la clave aquí es “en la medida de lo posible”. Sin
ir más lejos, BMW se centra obsesivamente en el reaprovechamiento de la energía
térmica de sus motores en muchos de sus últimos proyectos: generación de energía
eléctrica a partir del calor del tubo de escape, encapsulado del motor para alcanzar más
rápido la temperatura óptima… pero constituyen siempre mejoras parciales, el
aprovechamiento nunca podrá ser completo.
Otro ejemplo muy claro de intento de aprovechamiento de la energía perdida es el
frenado regenerativo. En un coche híbrido o eléctrico, el motor eléctrico se transforma
en generador eléctrico en las frenadas, transformando la energía cinética del vehículo en
energía eléctrica que puede ser aprovechada para volver a ponerlo en movimiento en
vez de perderse en calor. Estos sistemas aprovechan alrededor de un 15% de la energía
del frenado y están condenados a no aprovechar nunca el 100% (aunque en este caso
no se trate de una máquina térmica).
El concepto de entropía
La suma del movimiento más el calor totaliza la energía inicial, pero esto no nos sirve
de mucho.
Por lo que hemos visto hasta ahora, en todo proceso de transformación de energía
dentro de un coche, pasamos de una forma de energía “concentrada” (como una gota
de combustible) a una combinación de movimiento más otra forma de energía
“dispersa” que llamamos calor. La suma del movimiento más el calor totaliza la
energía inicial, pero esto no nos sirve de mucho porque, parece ser, no podemos
recuperar y volver a transformar todo el calor en movimiento. Por alguna razón está
condenado a dispersarse y, por tanto, perderse como forma útil de energía; no se
destruye pero, a efectos prácticos, sí que se pierde.
Pero ¿qué tipo de “condena” es esta? ¿no podemos escapar de ella y hacer “volver” esa
energía en una forma útil? La “condena” se llama entropía creciente, y es el principio
que subyace a la segunda ley de la termodinámica, su esencia misma. La entropía del
universo es siempre creciente y no es posible hacerla retroceder, de forma que los
procesos de transformación de energía son irreversibles y tienden a la dispersión de
calor como forma última, la forma más inútil. No hay vuelta atrás, salvo con aportes
de energía adicionales que generan siempre más calor que el que pretendemos reunir.
Tradicionalmente, la entropía se explica como desorden y la entropía creciente se
traduce como desorden creciente. En realidad, lo que sucede es que el universo
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evoluciona irreversiblemente hacia situaciones más probables en su distribución de
materia y energía.
Es más fácil dispersar cien canicas por el suelo de una habitación que reunirlas todas en
una matriz perfecta de 10×10 justo en el centro. La razón última no es que en el centro
estén ordenadas y que esparcidas por el suelo estén desordenadas, sino que existen
infinitas posiciones a las que llamamos “desorden” y sólo una a la que llamamos
“orden”, de forma que esta última es mucho menos probable que todas las desordenadas
juntas. Las posiciones desordenadas tampoco se repiten exactamente, pero todas
puntúan en la casilla del desorden.
En este ejemplo, las posiciones desordenadas tendrían una entropía mayor que la única
posición ordenada y el concepto de entropía se asimilaría al desorden, que nunca se
deshace espontáneamente sino sólo con aportes adicionales de energía. Por
supuesto, esos aportes de energía adicional (una persona o una máquina que pueda
alinear las canicas) generarían más desorden en otro sitio al alinear las canicas (calor
derivado de la actividad muscular o mecánica) y ese desorden sólo puede ser mayor que
el pequeño orden generado. Ese es el sentido en el que la entropía es siempre
creciente y el proceso de dispersión irreversible.
Así, para reunir (ordenar) la energía dispersa (calor) en formas de energía
concentradas es necesario un aporte adicional mayor que la energía que pretendemos
recuperar. Se trata de un callejón sin salida.
Conclusiones
Cuando hablamos de eficiencia, hablamos del intento tecnológico de aprovechar la
mayor cantidad posible de energía para transformarla en trabajo útil
Nada escapa a las leyes de la termodinámica, tampoco el mundo del automóvil.
Cuando hablamos de eficiencia, hablamos del intento tecnológico de aprovechar la
mayor cantidad posible de energía para transformarla en trabajo útil. La mayor posible,
en general, no es ni puede ser mucha.
En un coche con motor de combustión esta eficiencia es extremadamente baja, un
despilfarro energético podríamos decir, pero no hay escapatoria y la dispersión de
calor es el principal destino de la energía química contenida en el combustible,
seguida a una distancia cada vez menor pero insalvable, por la deseada generación de
movimiento.
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“Si “despilfarramos” la energía solar o la eólica, o cualquier a de las llamadas
renovables, siempre estaremos haciendo algo mejor que no intentar aprovecharlas en
absoluto”
En un coche eléctrico, la eficiencia de su motor es mucho mayor. Hablamos de un
90% de rendimiento (frente al 40% de un diésel moderno), esto es, más del doble. Pero
la energía eléctrica de una batería proviene a su vez de la red de suministro, que
nos la trae desde centrales térmicas, nucleares, hidroeléctricas, solares, eólicas… en
cada una de las cuales se producen diferentes rendimientos energéticos y diferentes
“despilfarros” de calor. Tampoco hay escapatoria pero, en este caso, sí hay otro tipo de
esperanza.
Si “despilfarramos” la energía solar o la eólica, o cualquiera de las llamadas
renovables, siempre estaremos haciendo algo mejor que no intentar aprovecharlas en
absoluto. No es tan importante que perdamos energía en cada proceso, si esa energía iba
a perderse de todos modos de no existir paneles solares o molinos para intentar
recogerla, aún con sus limitadísimos rendimientos.
Esa es la gran diferencia, y en esas estamos.
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Motor combustión interna Vs. Motor eléctrico
Breve análisis comparativo del consumo de energía a partir de diferentes fuentes
de generación.
Fragmento de:
Titulo del trabajo: Auto eléctrico, Proyecto VER.
Autor: Ing. Ricardo Berizzo
…………………….En el caso de los vehículos con motor de combustión, se suele
utilizar la eficiencia del tramo “tanque – ruedas”, que consiste en calcularla para la fase
que va desde el tanque en el que está almacenado el combustible en la estación de
servicio hasta la energía mecánica final obtenida, que permite hacer girar las ruedas.
Esto es así porque se utilizan combustibles cuya transformación energética se produce
en el mismo vehículo.
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En los vehículos eléctricos se calcula la eficiencia energética para el tramo “planta –
ruedas”, que mide la eficiencia desde que el “combustible” se introduce en la planta de
generación eléctrica hasta que esa electricidad se utiliza para mover las ruedas.
El proceso incluye la generación, transmisión, distribución, carga del banco de baterías,
transformación de la energía eléctrica en mecánica por parte del motor.
En este caso influye de manera muy importante el tipo del parque generador, por
ejemplo, se va a considerar por un lado que la procedencia de la energía es de una
central térmica y por otro de una fuente renovable. En el caso de la central térmica,
alimentada con gas natural, consideramos una eficiencia del 40 % y de la fuente
renovable 100%.
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El vehiculo con motor de combustión interna tiene una eficiencia global del 25%. Es
decir por cada unidad de energía que provee el combustible liquido, el 25% del mismo
se transforma en energía mecánica que mueve el móvil. El otro 75% se disipa como
calor debido a refrigeración del motor o diversos rozamientos.
Considerando un 90% de eficiencia en el tramo transmisión y distribución. En el caso
del VER 80% de eficiencia de carga y 50% el rendimiento de la conversión. Los
resultados de la eficiencia en el “ planta - ruedas” es del 36% si la energía proviene
de una fuente renovables y si proviene de una central térmica en rendimiento es de
15%.
Si se mejora el rendimiento de la conversión al 90%, la
eficiencia “planta – ruedas” asciende al 65% en el caso de
origen de fuentes renovables y 26% en el caso de central
térmica.
Estos últimos datos nos indican que, sin lugar a dudas, que las
energías renovables son el aliado indiscutido de los vehículos
eléctricos y viceversa.
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