Sostenibilidad energética

Energía: pasado, presente y futuro

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Evolución en el desempeño energético de tecnologías

Desempeño en producción de energíaAdemás de hacer un consumo eficiente de la energía, es necesario lograr producirla con eficiencia.

Si se analiza la evolución de las máquinas de vapor, los motores de combustión interna y las turbinas de combustión a gas a través del tiempo, se puede observar una mejora sustancial en su eficiencia energética.

Se ha logrado reducir la pérdida de energía inherente a los diseños originales de cada tecnología, por ejemplo, se han alcanzado mayores temperaturas de trabajo, sistemas mejor aislados para aprovechar el calor generado y mecanismos con menores pérdidas por la fricción. De esta manera, los diseños se acercan cada vez más a los límites físicos (termodinámicos) de dichos sistemas.

En la siguiente gráfica se presenta la eficiencia de algunas máquinas de vapor a través del tiempo, empezando por la máquina de Savery, cuya eficiencia era de 0.33%, hasta la máquina Cornish de 1840 con una eficiencia de 11%.

Mejoras en la eficiencia de máquinas de vapor y motores de combustión interna

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La eficiencia de estas máquinas era baja, además de tener tamaños grandes en comparación con la turbina de vapor, pero es importante señalar su evolución hacia valores mayores de la eficiencia. Hacia 1920 las turbinas de vapor tenían una eficiencia del orden de 14% a altas revoluciones (Locock, 2001).

Como ya se mencionó en el curso, la ventaja tecnológica de estas máquinas radica en que proporcionan igual potencia que las máquinas de vapor, pero con tamaños menores.

Por otro lado, la evolución de los motores de combustión interna que en años recientes tenían una eficiencia alrededor del 42% ha logrado mejorar a una eficiencia cercana al 53% bajo condiciones extremas.

Sin embargo, es notable que la curva de aumento de eficiencia ha tendido a nivelarse en años recientes. Esto quiere decir que cada vez es más difícil aumentar puntos porcentuales de eficiencia ya que nos estamos acercando a los límites físicos de las máquinas.

Efici

enci

a

0.00%

10.00%

20.00%

30.00%

40.00%

50.00%

60.00%

1700 1720 1740 1760 1780 1800 1820 1840 1860 1880 1900 1920 1940 1960 1980 2000 2020

Año

Eficiencia de diversos motores. Máquinas de vapor, Combustión Interna (tipo Otto y Diesel)

Savery Newcomen Smeaton Watt

Trevithick

Cornish(1830)

Cornish(1840)

Otto/Langen

Diesel

Wärtsila-Sulzer

Pratt &Whitney

Junkers Jumo

WrightR-3350

Klöckner-Humboldt-Deutz

NapierNomad

BMW

Toyota

Audi

GM

Lycoming

Efici

enci

a

Nota: Línea de tiempo de la eficiencia de máquinas de vapor y motores de combustión interna

Ford Ecoboosty

Cada vez es más difícil aumentar la eficiencia ya

que nos estamos acercando a los límites físicos de las

máquinas.

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Nota: Eficiencia promedio para turbinas de combustión de gas. Obtenido de Hunt, R. (2011). The History of the Industrial Gas Turbine. (Part 1 The First Fifty Years 1940-1990). The independent technical forum of power generation. Recuperado de https://goo.gl/oXgYKw

Ahora bien, las turbinas de combustión de gas que comercialmente iniciaron en 1939 también han mejorado su eficiencia a través del tiempo, aunque no de manera tan importante como los motores de combustión interna. En la siguiente figura se muestra la eficiencia promedio de estas turbinas a través de 5 décadas, pasando de 17% a 39%.

La relevancia de estas tecnologías radica en que han sido utilizadas como motores en diferentes aplicaciones a través de los años, han proporcionado una gama amplia de potencias para un sinfín de actividades para los seres humanos y han sido un parteaguas en las revoluciones.

Sería imposible lograr lo que un solo motor diésel Wärtsilä-Sulzer RTA96-C de 34,320 kW puede hacer continuamente y en amplios períodos de tiempo con el uso de los músculos de los seres humanos (0.080 kW por persona) o de animales de tiro (0.75 kW de un caballo).

Mejoras en la eficiencia de máquinas de vapor y motores de combustión interna

0.0%

5.0%

10.0%

15.0%

20.0%

25.0%

30.0%

35.0%

40.0%

45.0%

196019501940 1970 1980

Año

1990 2000

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Si revisamos con detalle la evolución tecnológica que está sucediendo actualmente con las celdas fotovoltaicas, como representante de las tecnologías de energía renovable, también podemos notar mejoras.

Existen celdas fotovoltaicas que utilizan silicio en dos tipos, y la eficiencia de estos ha evolucionado notablemente en las últimas décadas:

Estas no son las únicas tecnologías disponibles, pero sí son las que se han comercializado.

En el caso de las celdas multi-unión, por ejemplo, para 3 uniones (3 capas diferentes de semiconductores que absorben luz en diferentes longitudes de onda o colores) su eficiencia ha ido de 28% en 1989 a 38% en 2016. Claro su manufactura es más costosa y hay varios laboratorios de diferentes organizaciones mejorando el desarrollo de dichas celdas.

Eficiencia de producción de energía con celdas fotovoltaicas

198414%

Silicio multicristalino Silicio monocristalino

201625%

201621%

197713%

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De manera general también se aprecia un fenómeno parecido a las tecnologías térmicas: Existe un límite físico que no se puede vencer con un tipo de tecnología, por lo que para incrementar eficiencias es necesario nuevas tecnologías disruptivas para brincar las barreras físicas.

El avance en la ciencia y en la tecnología es sustancial en el desarrollo humano, y aunque estas tecnologías estén llegando a los límites físicos de la naturaleza, el ser humano continuará buscando mejorar la tecnología y los procesos para lograr mayores eficiencias en lo que construye.

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Referencias• Hunt, R. (2011). The History of the Industrial Gas Turbine. (Part 1 The First Fifty Years 1940-1990). The

independent technical forum of power generation. Recuperado de https://goo.gl/oXgYKw

• Locock, G. (2001). Fuel consumption and efficiency of prime movers in 1920. NavWeaps. Recuperado

el 17 de noviembre de 2016 de http://www.navweaps.com/index_tech/tech-077.htm

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Trabajo realizado en el marco del Proyecto 266632 “Laboratorio Binacional para la Gestión Inteligente de la Sustentabilidad Energética y la Formación Tecnológica”, con

financiamiento del Fondo de Sustentabilidad Energética CONACYT-SENER (Convocatoria: S001920101).

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