La eficiencia del combustible (o economía de combustible ) es una forma de eficiencia térmica , es decir, la relación entre el esfuerzo y el resultado de un proceso que convierte la energía potencial química contenida en un portador ( combustible ) en energía cinética o trabajo . La eficiencia general del combustible puede variar según el dispositivo, lo que a su vez puede variar según la aplicación, y este espectro de variación a menudo se ilustra como un perfil energético continuo . Las aplicaciones ajenas al transporte, como la industria , se benefician de una mayor eficiencia del combustible, especialmente las centrales eléctricas de combustibles fósiles o las industrias que se ocupan de la combustión , como la producción de amoníaco durante el proceso Haber .
En el contexto del transporte , la economía de combustible es la eficiencia energética de un vehículo en particular, expresada como una relación entre la distancia recorrida por unidad de combustible consumida. Depende de varios factores, incluida la eficiencia del motor , el diseño de la transmisión y el diseño de los neumáticos . En la mayoría de los países, utilizando el sistema métrico , la economía de combustible se expresa como "consumo de combustible" en litros cada 100 kilómetros (L/100 km) o kilómetros por litro (km/L o kmpl). En varios países que todavía utilizan otros sistemas, el consumo de combustible se expresa en millas por galón (mpg), por ejemplo en EE.UU. y normalmente también en el Reino Unido ( galón imperial ); A veces hay confusión ya que el galón imperial es un 20% más grande que el galón estadounidense, por lo que los valores de mpg no son directamente comparables. Tradicionalmente, en Noruega y Suecia se utilizaban litros por mil , pero ambos se han alineado con el estándar de la UE de L/100 km. [1]
El consumo de combustible es una medida más precisa del rendimiento de un vehículo porque es una relación lineal, mientras que la economía de combustible genera distorsiones en las mejoras de eficiencia. [2] Puede indicarse la eficiencia específica del peso (eficiencia por unidad de peso) para el transporte de mercancías , y la eficiencia específica del pasajero (eficiencia del vehículo por pasajero) para los vehículos de pasajeros.
La eficiencia del combustible depende de muchos parámetros de un vehículo, incluidos los parámetros del motor , la resistencia aerodinámica , el peso, el uso de aire acondicionado, el combustible y la resistencia a la rodadura . En las últimas décadas se han producido avances en todos los ámbitos del diseño de vehículos. La eficiencia del combustible de los vehículos también puede mejorarse mediante un cuidadoso mantenimiento y hábitos de conducción. [3]
Los vehículos híbridos utilizan dos o más fuentes de energía para su propulsión. En muchos diseños, se combina un pequeño motor de combustión con motores eléctricos. La energía cinética que de otro modo se perdería en calor durante el frenado se recupera en forma de energía eléctrica para mejorar la eficiencia del combustible. Las baterías más grandes de estos vehículos alimentan los componentes electrónicos del automóvil , lo que permite que el motor se apague y evita un ralentí prolongado . [4]
La eficiencia de la flota describe la eficiencia promedio de una población de vehículos. Los avances tecnológicos en eficiencia pueden verse contrarrestados por un cambio en los hábitos de compra con una propensión a vehículos más pesados y menos eficientes en combustible. [5]
La eficiencia energética es similar a la eficiencia del combustible, pero la entrada suele estar en unidades de energía como megajulios (MJ), kilovatios-hora (kW·h), kilocalorías (kcal) o unidades térmicas británicas (BTU). La inversa de "eficiencia energética" es " intensidad energética ", o la cantidad de energía de entrada necesaria para una unidad de producción como MJ/pasajero-km (de transporte de pasajeros), BTU/tonelada-milla o kJ/t-km ( de transporte de mercancías), GJ/t (para producción de acero y otros materiales), BTU/(kW·h) (para generación de electricidad), o litros/100 km (de recorrido del vehículo). Los litros por 100 km también son una medida de "intensidad energética", donde la entrada se mide por la cantidad de combustible y la salida se mide por la distancia recorrida. Por ejemplo: Economía de combustible en automóviles .
Dado el valor calorífico de un combustible, sería trivial convertir unidades de combustible (como litros de gasolina) a unidades de energía (como MJ) y viceversa. Pero hay dos problemas con las comparaciones realizadas utilizando unidades de energía:
El contenido energético específico de un combustible es la energía calorífica que se obtiene cuando se quema una determinada cantidad (como un galón, un litro o un kilogramo). A veces se le llama calor de combustión . Existen dos valores diferentes de energía térmica específica para el mismo lote de combustible. Uno es el calor de combustión alto (o bruto) y el otro es el calor de combustión bajo (o neto). El valor alto se obtiene cuando, después de la combustión, el agua del escape está en forma líquida. Para el valor bajo, el escape tiene toda el agua en forma de vapor (vapor). Dado que el vapor de agua cede energía térmica cuando cambia de vapor a líquido, el valor del agua líquida es mayor ya que incluye el calor latente de vaporización del agua. La diferencia entre los valores altos y bajos es significativa, alrededor del 8 o 9%. Esto explica la mayor parte de la aparente discrepancia en el poder calorífico de la gasolina. En los EE. UU. (y en la tabla) tradicionalmente se han utilizado los valores caloríficos altos, pero en muchos otros países se utilizan comúnmente los valores caloríficos bajos.
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Ni el calor bruto de combustión ni el calor neto de combustión dan la cantidad teórica de energía mecánica (trabajo) que se puede obtener de la reacción. (Esto viene dado por el cambio en la energía libre de Gibbs y es de alrededor de 45,7 MJ/kg para la gasolina). La cantidad real de trabajo mecánico obtenido del combustible (la inversa del consumo específico de combustible ) depende del motor. Una cifra de 17,6 MJ/kg es posible con un motor de gasolina y de 19,1 MJ/kg con un motor diésel. Consulte Consumo de combustible específico de frenos para obtener más información. [ se necesita aclaración ]
La eficiencia energética en el transporte es la distancia útil recorrida , de pasajeros, mercancías o cualquier tipo de carga; dividido por la energía total invertida en los medios de propulsión de transporte . El aporte de energía puede presentarse en varios tipos diferentes según el tipo de propulsión, y normalmente dicha energía se presenta en combustibles líquidos , energía eléctrica o energía alimentaria . [9] [10] La eficiencia energética también se conoce ocasionalmente como intensidad energética . [11] La inversa de la eficiencia energética en el transporte es el consumo de energía en el transporte.
La eficiencia energética en el transporte se describe a menudo en términos de consumo de combustible , siendo el consumo de combustible el recíproco de la economía de combustible. [10] Sin embargo, el consumo de combustible está relacionado con un medio de propulsión que utiliza combustibles líquidos , mientras que la eficiencia energética es aplicable a cualquier tipo de propulsión. Para evitar dicha confusión, y poder comparar la eficiencia energética en cualquier tipo de vehículo, los expertos suelen medir la energía en el Sistema Internacional de Unidades , es decir, julios .
Por lo tanto, en el Sistema Internacional de Unidades, la eficiencia energética en el transporte se mide en términos de metros por julio, o m/J, mientras que el consumo de energía en el transporte se mide en términos de julios por metro, o J/m. Cuanto más eficiente es un vehículo, más metros recorre con un julio (más eficiencia), o menos julios utiliza para recorrer más de un metro (menos consumo). La eficiencia energética en el transporte varía mucho según el medio de transporte. Los diferentes tipos de transporte varían desde unos cientos de kilojulios por kilómetro (kJ/km) para una bicicleta hasta decenas de megajulios por kilómetro (MJ/km) para un helicóptero .
A través del tipo de combustible utilizado y la tasa de consumo de combustible, la eficiencia energética también suele estar relacionada con el costo operativo ($/km) y las emisiones ambientales (por ejemplo, CO 2 /km).
La economía de combustible de un automóvil se relaciona con la distancia recorrida por un vehículo y la cantidad de combustible consumido . El consumo se puede expresar en términos del volumen de combustible para recorrer una distancia, o la distancia recorrida por unidad de volumen de combustible consumido. Dado que el consumo de combustible de los vehículos es un factor importante en la contaminación del aire, y dado que la importación de combustible para motores puede ser una gran parte del comercio exterior de una nación , muchos países imponen requisitos para la economía de combustible. Se utilizan diferentes métodos para aproximarse al rendimiento real del vehículo. La energía del combustible es necesaria para superar diversas pérdidas ( resistencia del viento , resistencia de los neumáticos y otras) que se producen al impulsar el vehículo y para proporcionar energía a los sistemas del vehículo, como el encendido o el aire acondicionado. Se pueden emplear varias estrategias para reducir las pérdidas en cada una de las conversiones entre la energía química del combustible y la energía cinética del vehículo. El comportamiento del conductor puede afectar la economía de combustible; Maniobras como aceleraciones repentinas y frenadas bruscas desperdician energía.
Los automóviles eléctricos no queman combustible directamente y, por lo tanto, no tienen economía de combustible per se, pero se han creado medidas de equivalencia, como millas por galón equivalente de gasolina, para intentar compararlos.
Los conductores que desean reducir su consumo de combustible y así maximizar la eficiencia del combustible utilizan técnicas de conducción energéticamente eficientes . Muchos conductores tienen el potencial de mejorar significativamente su eficiencia de combustible. [13] Cosas simples como mantener los neumáticos correctamente inflados, tener un vehículo en buen estado y evitar el ralentí pueden mejorar drásticamente la eficiencia del combustible. [14] El uso cuidadoso de la aceleración y desaceleración y, especialmente, limitar el uso de altas velocidades ayuda a la eficiencia. El uso de múltiples técnicas de este tipo se denomina " hipermiling ". [15]
Técnicas simples de eficiencia de combustible pueden dar como resultado una reducción en el consumo de combustible sin recurrir a técnicas radicales de ahorro de combustible que pueden ser ilegales y peligrosas, como seguir a vehículos más grandes.Las máquinas más eficientes para convertir energía en movimiento giratorio son los motores eléctricos, como los que se utilizan en los vehículos eléctricos . Sin embargo, la electricidad no es una fuente de energía primaria, por lo que también se debe tener en cuenta la eficiencia de la producción de electricidad. Los trenes ferroviarios pueden funcionar con electricidad, suministrada a través de un riel adicional, un sistema de catenaria aérea o mediante generadores a bordo utilizados en locomotoras diésel-eléctricas , como es común en las redes ferroviarias de EE. UU. y el Reino Unido. La contaminación producida por la generación centralizada de electricidad se emite en una central eléctrica distante, en lugar de "in situ". La contaminación se puede reducir utilizando más electrificación ferroviaria y energía baja en carbono para la electricidad. Algunos ferrocarriles, como la SNCF francesa y los ferrocarriles federales suizos, obtienen la mayor parte, si no el 100%, de su energía de centrales hidroeléctricas o nucleares, por lo que la contaminación atmosférica de sus redes ferroviarias es muy baja. Esto se reflejó en un estudio realizado por AEA Technology entre un tren Eurostar y los viajes en avión entre Londres y París, que mostró que los trenes emiten en promedio 10 veces menos CO 2 por pasajero que los aviones, ayudado en parte por la generación nuclear francesa. [dieciséis]
En el futuro, es posible que se comercialicen coches de hidrógeno . Toyota está probando vehículos propulsados por pilas de combustible de hidrógeno en el sur de California, donde se han establecido una serie de estaciones de abastecimiento de hidrógeno. Impulsado a través de reacciones químicas en una celda de combustible que crea electricidad para impulsar motores eléctricos muy eficientes o quemando directamente hidrógeno en un motor de combustión (casi idéntico a un vehículo a gas natural , e igualmente compatible tanto con gas natural como con gasolina); Estos vehículos prometen tener una contaminación casi nula desde el tubo de escape (tubo de escape). Potencialmente, la contaminación atmosférica podría ser mínima, siempre que el hidrógeno se produzca por electrólisis utilizando electricidad procedente de fuentes no contaminantes como la solar, la eólica, la hidroeléctrica o la nuclear. La producción comercial de hidrógeno utiliza combustibles fósiles y produce más dióxido de carbono que hidrógeno.
Debido a que hay contaminantes involucrados en la fabricación y destrucción de un automóvil y en la producción, transmisión y almacenamiento de electricidad e hidrógeno, la etiqueta "contaminación cero" se aplica sólo a la conversión de la energía almacenada en movimiento por parte del automóvil.
En 2004, un consorcio de los principales fabricantes de automóviles ( BMW , General Motors , Honda , Toyota y Volkswagen / Audi ) creó el "Estándar de gasolina con detergente de primer nivel" para las marcas de gasolina en EE. UU. y Canadá que cumplen con sus estándares mínimos de contenido de detergente . [17] y no contienen aditivos metálicos. La gasolina Top Tier contiene niveles más altos de aditivos detergentes para evitar la acumulación de depósitos (generalmente, en el inyector de combustible y la válvula de admisión ) que se sabe que reducen la economía de combustible y el rendimiento del motor. [18]
La forma en que se quema el combustible afecta la cantidad de energía que se produce. La Administración Nacional de la Aeronáutica y del Espacio (NASA) ha investigado el consumo de combustible en microgravedad .
La distribución común de una llama en condiciones normales de gravedad depende de la convección , porque el hollín tiende a subir a la parte superior de una llama, como en una vela, haciendo que la llama sea amarilla. En microgravedad o gravedad cero , como un entorno en el espacio exterior , la convección ya no se produce y la llama se vuelve esférica , con tendencia a volverse más azul y más eficiente. Hay varias explicaciones posibles para esta diferencia, de las cuales la más probable es la hipótesis de que la temperatura se distribuye lo suficientemente uniformemente como para que no se forme hollín y se produzca una combustión completa., Administración Nacional de Aeronáutica y del Espacio, abril de 2005. Experiments by NASA in La microgravedad revela que las llamas de difusión en microgravedad permiten que se oxide completamente más hollín después de su producción que las llamas de difusión en la Tierra, debido a una serie de mecanismos que se comportaron de manera diferente en microgravedad en comparación con las condiciones de gravedad normales. Resultados del experimento LSP-1, Aeronáutica Nacional y Administración Espacial, abril de 2005. Las llamas premezcladas en microgravedad arden a un ritmo mucho más lento y más eficiente que incluso una vela en la Tierra, y duran mucho más. [19]
