La calidad de la energía es una medida de la facilidad con la que una forma de energía puede convertirse en trabajo útil o en otra forma de energía: es decir, su contenido de energía libre termodinámica . Una forma de energía de alta calidad tiene un alto contenido de energía libre termodinámica y, por lo tanto, una alta proporción de ella puede convertirse en trabajo; mientras que con las formas de energía de baja calidad, sólo una pequeña proporción puede convertirse en trabajo y el resto se disipa en forma de calor. El concepto de calidad de la energía también se utiliza en ecología , donde se utiliza para rastrear el flujo de energía entre diferentes niveles tróficos en una cadena alimentaria y en termoeconomía , donde se utiliza como una medida de la producción económica por unidad de energía. Los métodos para evaluar la calidad de la energía a menudo implican desarrollar una clasificación de las cualidades de la energía en orden jerárquico .
La consideración de la calidad de la energía fue un motor fundamental de la industrialización entre los siglos XVIII y XX. Consideremos, por ejemplo, la industrialización de Nueva Inglaterra en el siglo XVIII. Esto se refiere a la construcción de fábricas textiles que contienen telares mecánicos para tejer telas. La fuente de energía más simple, económica y directa la proporcionaban las ruedas hidráulicas , que extraían energía de un estanque detrás de una presa en un arroyo local. Si otro propietario cercano también decidiera construir un molino en el mismo arroyo, la construcción de su presa reduciría la altura hidráulica general para impulsar la rueda hidráulica existente, perjudicando así la generación y eficiencia de energía . Con el tiempo, esto se convirtió en un problema endémico en toda la región, reduciendo la rentabilidad general de las fábricas más antiguas a medida que se construían otras nuevas. La búsqueda de energía de mayor calidad fue un gran impulso a lo largo de los siglos XIX y XX. Por ejemplo, quemar carbón para producir vapor y generar energía mecánica no habría sido imaginable en el siglo XVIII; A finales del siglo XIX, el uso de ruedas hidráulicas estaba obsoleto. De manera similar, la calidad de la energía eléctrica ofrece inmensas ventajas sobre el vapor, pero no se volvió económica ni práctica hasta el siglo XX.
El ejemplo anterior se centró en los impactos económicos de la explotación de la energía. Un escenario similar se desarrolla en la naturaleza y la biología, donde los organismos vivos pueden extraer energía de diversa calidad de la naturaleza, impulsada en última instancia por la energía solar como principal impulsor del desequilibrio termodinámico en la Tierra. [1] [2] El equilibrio ecológico de los ecosistemas se basa en los flujos de energía a través del sistema. Por ejemplo, el agua de lluvia impulsa la erosión de las rocas , lo que libera sustancias químicas que pueden utilizarse como nutrientes; estos son absorbidos por el plancton , que utiliza la energía solar para crecer y prosperar; Las ballenas obtienen energía comiendo plancton, por lo que también utilizan indirectamente energía solar, pero esta vez en una forma mucho más concentrada y de mayor calidad.
Las ruedas hidráulicas también son impulsadas por el agua de lluvia, a través del ciclo del agua de evaporación-condensación solar ; por lo tanto, en última instancia, la fabricación industrial de telas fue impulsada por el ciclo día-noche de irradiación solar . Se trata de una visión holística de las fuentes de energía como un sistema en general. Así, a veces se pueden encontrar discusiones sobre la calidad de la energía en las Humanidades , como en la dialéctica , el marxismo y el posmodernismo . Esto se debe efectivamente a que disciplinas como la economía no lograron reconocer los insumos termodinámicos en la economía (ahora reconocida como termoeconomía ), mientras que disciplinas como la física y la ingeniería no pudieron abordar ni los impactos económicos de la actividad humana ni los impactos de los flujos termodinámicos en la economía. ecosistemas biológicos. Por lo tanto, las discusiones generales sobre el sistema global en general fueron asumidas por aquellos mejor capacitados para el razonamiento nebuloso y no específico que requieren sistemas tan complejos . La consiguiente discrepancia entre el vocabulario y las perspectivas entre disciplinas puede dar lugar a considerables conflictos.
Según Ohta (1994, págs. 90-91), la clasificación y el análisis científico de la calidad de la energía fue propuesto por primera vez en 1851 por William Thomson bajo el concepto de "disponibilidad". Este concepto fue continuado en Alemania por Z. Rant, quien lo desarrolló bajo el título "die Exergie" (la exergía ). Posteriormente fue continuado y estandarizado en Japón . El análisis de exergía forma ahora una parte común de muchos análisis de energía industrial y ecológica. Por ejemplo, I. Dincer y YA Cengel (2001, p. 132) afirman que actualmente se tratan comúnmente formas de energía de diferentes calidades en la industria de la ingeniería de energía a vapor . Aquí el "índice de calidad" es la relación entre la exergía y el contenido de energía (Ibid.). Sin embargo, los ingenieros energéticos eran conscientes de que la noción de calidad del calor implicaba la noción de valor ; por ejemplo, A. Thumann escribió: "La cualidad esencial del calor no es la cantidad sino más bien su 'valor'" (1984, p. 113), que pone en juego la cuestión de la teleología y funciones objetivo más amplias o de escala ecológica. En un contexto ecológico, SE Jorgensen y G.Bendoricchio dicen que la exergía se utiliza como función objetivo en los modelos ecológicos y expresa energía "con una medida incorporada de calidad como la energía" (2001, p. 392).
Parece haber dos tipos principales de metodología utilizada para el cálculo de la calidad de la energía. Estos pueden clasificarse como métodos receptores o donantes. Una de las principales diferencias que distingue a estas clases es la suposición de si la calidad de la energía se puede mejorar en un proceso de transformación energética.
Métodos receptores: consideran la calidad de la energía como una medida e indicador de la relativa facilidad con la que la energía se convierte de una forma a otra. Es decir, cuánta energía se recibe de un proceso de transformación o transferencia. Por ejemplo, A. Grubler [1] utilizó dos tipos de indicadores de calidad energética pars pro toto : la relación hidrógeno/carbono (H/C), y su inversa, la intensidad de carbono de la energía. Grubler utilizó este último como indicador de la calidad ambiental relativa. Sin embargo, Ohta dice que en los sistemas de conversión industrial de múltiples etapas, como un sistema de producción de hidrógeno que utiliza energía solar, la calidad de la energía no mejora (1994, p. 125).
Métodos de los donantes: ver la calidad de la energía como una medida de la cantidad de energía utilizada en una transformación energética y que se destina al mantenimiento de un producto o servicio ( HTOdum 1975, p. 3). Esa es la cantidad de energía que se dona a un proceso de transformación energética. Estos métodos se utilizan en química física ecológica y evaluación de ecosistemas. Desde este punto de vista, en contraste con el esbozado por Ohta, la calidad de la energía mejora en las conversiones tróficas de múltiples etapas de los sistemas ecológicos. Aquí, la calidad de la energía mejorada tiene una mayor capacidad de retroalimentar y controlar grados más bajos de calidad de la energía. Los métodos de donantes intentan comprender la utilidad de un proceso energético cuantificando en qué medida la energía de mayor calidad controla la energía de menor calidad.
T. Ohta sugirió que el concepto de calidad de la energía puede ser más intuitivo si se consideran ejemplos en los que la forma de la energía permanece constante pero la cantidad de energía que fluye o se transfiere varía. Por ejemplo, si consideramos sólo la forma inercial de la energía, entonces la calidad energética de un cuerpo en movimiento es mayor cuanto más se mueve con mayor velocidad. Si consideramos sólo la forma de energía calorífica, entonces una temperatura más alta tiene una calidad mayor. Y si consideramos sólo la forma de energía luminosa, entonces la luz con mayor frecuencia tiene mayor calidad (Ohta 1994, p. 90). Por lo tanto, todas estas diferencias en la calidad de la energía se pueden medir fácilmente con el instrumento científico adecuado.
La situación se vuelve más compleja cuando la forma de la energía no permanece constante. En este contexto, Ohta formuló la cuestión de la calidad de la energía en términos de la conversión de energía de una forma en otra, es decir, la transformación de energía. Aquí, la calidad de la energía se define por la relativa facilidad con la que la energía se transforma, de una forma a otra.
Si la energía A es relativamente más fácil de convertir en energía B pero la energía B es relativamente más difícil de convertir en energía A, entonces la calidad de la energía A se define como superior a la de B. La clasificación de la calidad de la energía también se define de manera similar. forma. (Ohta 1994, pág. 90).
Nomenclatura: antes de la definición anterior de Ohta, AW Culp produjo una tabla de conversión de energía que describe las diferentes conversiones de una energía a otra. El tratamiento de Culp utilizó un subíndice para indicar de qué forma de energía se está hablando. Por lo tanto, en lugar de escribir "energía A", como Ohta arriba, Culp se refirió a "J e ", para especificar la forma eléctrica de energía, donde "J" se refiere a "energía" y el subíndice " e " se refiere a la forma eléctrica de energía. La notación de Culp anticipó la máxima posterior de Scienceman (1997) de que toda energía debe especificarse como energía forma con el subíndice apropiado.
La noción de calidad de la energía también fue reconocida en las ciencias económicas. En el contexto de la economía biofísica, la calidad de la energía se medía por la cantidad de producción económica generada por unidad de entrada de energía (CJ Cleveland et al. 2000). La estimación de la calidad de la energía en un contexto económico también está asociada a metodologías energéticas incorporadas . Brian Fleay da otro ejemplo de la relevancia económica del concepto de calidad energética. Fleay dice que "el índice de beneficio energético (EPR) es una medida de la calidad de la energía y un índice fundamental para evaluar el desempeño económico de los combustibles. Tanto los insumos de energía directos como los indirectos incorporados en bienes y servicios deben incluirse en el denominador". (2006; p. 10) Fley calcula la EPR como la producción/entrada de energía.
Ohta buscó ordenar las conversiones de formas de energía según su calidad e introdujo una escala jerárquica para clasificar la calidad de la energía basada en la relativa facilidad de conversión de energía (ver tabla justo después de Ohta, p. 90). Es evidente que Ohta no analizó todas las formas de energía. Por ejemplo, el agua queda fuera de su evaluación. Es importante señalar que la clasificación de la calidad de la energía no se determina únicamente con referencia a la eficiencia de la conversión de energía. Es decir, la evaluación de la "facilidad relativa" de una conversión de energía depende sólo en parte de la eficiencia de la transformación. Como escribió Ohta, "el generador de turbina y el motor eléctrico tienen casi la misma eficiencia, por lo tanto no podemos decir cuál tiene mayor calidad" (1994, p. 90). Por lo tanto, Ohta también incluyó la "abundancia en la naturaleza" como otro criterio para determinar el rango de calidad de la energía. Por ejemplo, Ohta dijo que "la única energía eléctrica que existe en circunstancias naturales es el rayo, mientras que existen muchas energías mecánicas". (Ibídem.). (Consulte también la tabla 1 del artículo de Wall para ver otro ejemplo de clasificación de la calidad de la energía).
Al igual que Ohta, HTOdum también buscó ordenar las conversiones de formas de energía según su calidad; sin embargo, su escala jerárquica para la clasificación se basó en extender los conceptos de la cadena alimentaria del sistema ecológico a la termodinámica en lugar de simplemente la relativa facilidad de transformación. Para HTOdum, el rango de calidad de la energía se basa en la cantidad de energía de una forma necesaria para generar una unidad de otra forma de energía. La relación entre la entrada de una forma de energía y la salida de una forma de energía diferente era lo que HTOdum y sus colegas llamaron transformidad : "la EMERGÍA por unidad de energía en unidades de emjulios por julio" (HTOdum 1988, p. 1135).
