Eficiencia

Fig. 1. La potencia de entrada en un motor térmico se mide en megavatios térmicos, y la potencia de salida obtenida como electricidad se mide como megavatios eléctricos. La relación de "potencia de salida" sobre "potencia de entrada" es la eficiencia.

Aunque una palabra puede tener significados múltiples y ambiguos en el lenguaje cotidiano, puede tener significados precisos en la ciencia. La eficiencia en física (y a menudo en química) es una comparación entre la energía de salida y la energía de entrada en un sistema. Se define como la relación porcentual entre la energía de salida y la de entrada, dada por la ecuación

[math]\displaystyle{ Eficiencia = \frac{E_{out}}{E_{in}}\times 100\% }[/math]

Esta ecuación se utiliza habitualmente para representar la energía en forma de calor o potencia.

La "eficiencia" se confunde a menudo con la "eficacia", y ambas deben reconocerse como distintas al analizar los sistemas energéticos. La eficiencia energética mide el rendimiento que un sistema obtiene del combustible o del flujo de energía primaria que utiliza. Si el sistema energético es eficaz, está haciendo uso de esta energía hacia el objetivo correcto. Por ejemplo, un coche es una forma de transporte muy eficaz, ya que es capaz de trasladar a las personas a través de largas distancias y a lugares específicos. Sin embargo, un coche puede no transportar a las personas de forma muy eficiente debido a la forma en que utiliza el combustible.

Tipos de eficiencia

Eficiencia térmica

La eficiencia se utiliza muy a menudo en la ciencia para describir la eficiencia de un motor térmico, y se denomina eficiencia térmica. Esta eficiencia describe la cantidad de trabajo que un motor puede obtener del combustible que utiliza. Existen límites superiores a la eficiencia térmica de los motores, debido al segundo principio de la termodinámica, conocida como eficiencia de Carnot. Esta eficiencia de Carnot sólo depende de la temperatura de la fuente de calor y del sumidero frío, y describe un motor ideal (imposible) que no tenga cambios en la entropía. Aunque un motor así maximizaría la eficiencia, en términos de eficacia es muy impráctico, ya que sus procesos idealizados requieren mucho tiempo para producir una cantidad significativa de trabajo. Como dijo Schroeder, "no se moleste en instalar un motor Carnot en su coche; aunque aumentaría el kilometraje de la gasolina, le pasarían los peatones".

Eficiencia del transporte de electricidad

La electricidad tiende a perder energía en la red eléctrica cuando se transmite de un lugar a otro, dependiendo de la magnitud de la corriente eléctrica, los conductores específicos y la longitud de la línea de transmisión. A medida que aumentan las tensiones, estas pérdidas se reducen considerablemente debido a su relación con la corriente. Las pérdidas típicas desde una central eléctrica hasta un usuario en su casa oscilan entre el 8% y el 15%.

Eficiencia de las turbinas eólicas

Las turbinas eólicas están limitadas a una eficiencia teórica máxima del 59.3%, lo que se conoce como el límite de Betz. Esta ley se deriva de un análisis de conservación de la masa y el momento en el flujo de fluido alrededor de un actuador de turbina. La eficiencia de una turbina eólica se refiere a la cantidad de energía que puede obtener del viento que sopla a través de los rotores.

Implicaciones

La eficiencia se utiliza para describir la energía que un sistema puede extraer y hacer útil de su fuente de energía. Entre estos sistemas se encuentran las centrales eléctricas, los motores y las turbinas. Cualquier sistema que utilice energía de un combustible o flujo primario tiene una determinada eficiencia asociada.

La eficiencia de las centrales eléctricas de carbón y gas natural oscila entre el 32% y el 42%. Si una central eléctrica tiene una eficiencia del 35%, entonces por cada 100 J de calor del carbón, unos 35 J se convierten en electricidad y los otros 65 J en calor. Este calor se destina a calentar la atmósfera, o quizás una masa de agua como un río o un lago.

No se trata de un fallo de la ingeniería, sino de un límite impuesto por la termodinámica, cuya eficiencia máxima de tales centrales es dada por la eficiencia de Carnot. Cuanto menor sea la eficiencia de dichas centrales, más perjudiciales serán sus efectos para el medio ambiente, ya que es necesario utilizar más de estos combustibles para satisfacer las necesidades energéticas. La capacidad de aumentar la eficiencia es un tema del que se está investigando, sobre todo por el hecho de que la capacidad de aumentar la eficiencia disminuirá el impacto medioambiental del uso de la energía y reducirá las necesidades de recursos en el futuro. Junto con la eficiencia, es importante tanto para el medio ambiente como para la salud de las personas que se pueda acceder a los combustibles adecuados.

Las centrales de cogeneración hacen uso del calor residual de las centrales eléctricas y otros sistemas de calor (como el motor de un coche que hace funcionar un calentador) para alimentar otras partes del sistema, con lo que la eficiencia total es mayor.

Ver lecturas adicionales

• Segundo principio de la termodinámica
• Conservación de la energía
• Transformaciones energéticas
• Cogeneración
• Eficiencia de Carnot
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