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, que a su vez puede variar según la aplicación, y este espectro de variación a menudo se ilustra como un perfil de energía continuo . Las aplicaciones no relacionadas con el 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 , el ahorro de combustible es la eficiencia energética de un vehículo en particular, expresada como una relación entre la distancia recorrida y la unidad de combustible consumido. Depende de varios factores, entre ellos la eficiencia del motor , el diseño de la transmisión y el diseño de los neumáticos . En la mayoría de los países que utilizan el sistema métrico , el ahorro 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 ahorro de combustible se expresa en millas por galón (mpg), por ejemplo en los EE. UU. y, por lo general, 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, se utilizaban litros por mil en Noruega y Suecia , 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 el ahorro de combustible conduce a distorsiones en las mejoras de eficiencia. [2] La eficiencia específica del peso (eficiencia por unidad de peso) se puede indicar para el transporte de carga y la eficiencia específica de los pasajeros (eficiencia del vehículo por pasajero) para los vehículos de pasajeros.
El ahorro de combustible depende de muchos parámetros del vehículo, incluidos los parámetros del motor , la resistencia aerodinámica , el peso, el uso del aire acondicionado, el combustible y la resistencia a la rodadura . En las últimas décadas se han producido avances en todas las áreas del diseño de vehículos. El ahorro de combustible de los vehículos también se puede mejorar con un mantenimiento cuidadoso y unos hábitos de conducción adecuados. [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 forma de 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 evite el 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 tendencia a utilizar vehículos más pesados que consumen menos combustible. [5]
La eficiencia energética es similar a la eficiencia del combustible, pero la entrada se suele expresar en unidades de energía como megajulios (MJ), kilovatios-hora (kW·h), kilocalorías (kcal) o unidades térmicas británicas (BTU). La inversa de la "eficiencia energética" es la " intensidad energética ", o la cantidad de energía de entrada necesaria para una unidad de salida como MJ/pasajero-km (de transporte de pasajeros), BTU/tonelada-milla o kJ/t-km (de transporte de mercancías), GJ/t (para la producción de acero y otros materiales), BTU/(kW·h) (para la generación de electricidad) o litros/100 km (de recorrido del vehículo). Los litros por cada 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 existen dos problemas con las comparaciones realizadas con unidades de energía:
El contenido de energía específica de un combustible es la energía térmica obtenida cuando se quema una cierta cantidad (como un galón, un litro, un kilogramo). A veces se lo 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 en el 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 alto y bajo es significativa, alrededor del 8 o 9%. Esto explica la mayor parte de la aparente discrepancia en el valor 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.
[8]
Ni el calor bruto de combustión ni el calor neto de combustión proporcionan la cantidad teórica de energía mecánica (trabajo) que se puede obtener de la reacción. (Esta se da 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 19,1 MJ/kg para un motor diésel. Consulte Consumo de combustible específico de los frenos para obtener más información. [ aclaración necesaria ]
La eficiencia energética en el transporte es la distancia útil recorrida , de pasajeros, mercancías o cualquier tipo de carga; dividida por la energía total introducida en el medio de propulsión del transporte . El aporte de energía puede presentarse de varios tipos diferentes dependiendo del 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] No obstante, el consumo de combustible está vinculado a 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 tienden a medir la energía en el Sistema Internacional de Unidades , es decir, julios .
Por 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 sea el vehículo, más metros recorre con un julio (más eficiencia), o menos julios utiliza para recorrer más de un metro (menor consumo). La eficiencia energética en el transporte varía en gran medida 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 .
Según el 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, CO2 / km).
El consumo de combustible de un automóvil se relaciona con la distancia recorrida por el vehículo y la cantidad de combustible consumido . El consumo se puede expresar en términos del volumen de combustible necesario 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 significativo en la contaminación del aire y que la importación de combustible para motores puede representar una parte importante del comercio exterior de una nación , muchos países imponen requisitos de ahorro de combustible.
Se utilizan distintos métodos para aproximarse al rendimiento real del vehículo. La energía del combustible es necesaria para superar diversas pérdidas ( resistencia del viento , arrastre de los neumáticos y otras) que se producen al impulsar el vehículo y al proporcionar energía a los sistemas del vehículo, como el encendido o el aire acondicionado. Se pueden emplear diversas 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 al ahorro de combustible; las maniobras como la aceleración repentina y el frenado brusco desperdician energía.
Los autos 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 de gasolina equivalente , para intentar compararlos.
Los conductores que desean reducir el consumo de combustible y, por lo tanto, maximizar la eficiencia energética utilizan técnicas de conducción energéticamente eficientes . Muchos conductores tienen el potencial de mejorar significativamente su eficiencia energética. [13] Cosas simples como mantener los neumáticos inflados correctamente, tener un vehículo bien mantenido y evitar el ralentí pueden mejorar drásticamente la eficiencia energética. [14] El uso cuidadoso de la aceleración y la desaceleración y, especialmente, limitar el uso de altas velocidades ayuda a la eficiencia. El uso de múltiples técnicas de este tipo se denomina " hypermiling ". [15]
Las técnicas simples de ahorro de combustible pueden resultar en una reducción del consumo de combustible sin recurrir a técnicas radicales de ahorro de combustible que pueden ser ilegales y peligrosas, como conducir demasiado cerca de otros vehículos más grandes.Las máquinas más eficientes para convertir energía en movimiento rotatorio 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 debe tenerse en cuenta la eficiencia de la producción de electricidad. Los trenes ferroviarios pueden funcionar con electricidad, suministrada a través de un raíl adicional, un sistema de catenaria aérea o mediante generadores a bordo utilizados en locomotoras diésel-eléctricas , como es habitual en las redes ferroviarias de Estados Unidos 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 con bajas emisiones de 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 de AEA Technology entre un tren Eurostar y viajes en avión entre Londres y París, que mostró que los trenes emitían en promedio 10 veces menos CO2 por pasajero que los aviones, ayudados en parte por la generación nuclear francesa. [16]
En el futuro, los coches de hidrógeno podrían estar disponibles comercialmente. Toyota está probando vehículos impulsados por células de combustible de hidrógeno en el sur de California, donde se han establecido una serie de estaciones de abastecimiento de hidrógeno. Impulsados ya sea por reacciones químicas en una célula de combustible que crean electricidad para impulsar motores eléctricos muy eficientes o quemando hidrógeno directamente en un motor de combustión (casi idéntico a un vehículo de gas natural , y de manera similar compatible tanto con gas natural como con gasolina); estos vehículos prometen tener una contaminación casi nula por el tubo de escape (tubo de escape). Potencialmente, la contaminación atmosférica podría ser mínima, siempre que el hidrógeno se produzca por electrólisis utilizando electricidad de fuentes no contaminantes como la solar, la eólica o la hidroeléctrica o nuclear. La producción comercial de hidrógeno utiliza combustibles fósiles y produce más dióxido de carbono que el hidrógeno.
Dado que en la fabricación y destrucción de un automóvil, así como en la producción, transmisión y almacenamiento de electricidad e hidrógeno, intervienen contaminantes, la etiqueta de "contaminación cero" se aplica únicamente a la conversión de la energía almacenada del automóvil en movimiento.
En 2004, un consorcio de los principales fabricantes de automóviles ( BMW , General Motors , Honda , Toyota y Volkswagen / Audi ) ideó un "Estándar de gasolina detergente de primer nivel" para las marcas de gasolina en los EE. UU. y Canadá que cumplen con sus estándares mínimos de contenido de detergente [17] y no contienen aditivos metálicos. La gasolina de primer nivel contiene niveles más altos de aditivos detergentes para evitar la acumulación de depósitos (normalmente, en el inyector de combustible y la válvula de admisión ) que se sabe que reducen el ahorro de combustible y el rendimiento del motor. [18]
La combustión del combustible afecta la cantidad de energía producida. La Administración Nacional de Aeronáutica y del Espacio (NASA) ha investigado el consumo de combustible en condiciones de microgravedad .
La distribución habitual de una llama en condiciones de gravedad normal depende de la convección , ya que el hollín tiende a subir a la parte superior de la llama, como en el caso de una vela, lo que hace que la llama se torne amarilla. En condiciones de 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. Existen varias explicaciones posibles para esta diferencia, de las cuales la más probable es la hipótesis de que la temperatura se distribuye de manera lo suficientemente uniforme como para que no se forme hollín y se produzca una combustión completa., National Aeronautics and Space Administration, abril de 2005. Los experimentos de la NASA en microgravedad revelan 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, National Aeronautics and Space Administration, abril de 2005. Las llamas premezcladas en microgravedad arden a un ritmo mucho más lento y de manera más eficiente que incluso una vela en la Tierra, y duran mucho más. [19]
