Densidad energética

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La densidad energética de los combustibles se trata en esta página; para la densidad energética de los dispositivos de almacenamiento, como las baterías, haga clic aquí.
Fig. 1. Un cómic de XKCD que muestra la densidad energética comparativa del uranio.[1]

La densidad energética es la cantidad de energía que puede almacenarse en un sistema, sustancia o región de espacio.[2][3] La densidad energética puede medirse en energía por volumen o por masa. Cuanto mayor sea la densidad de energía de un sistema o material, mayor será la cantidad de energía que tiene almacenada.[4]

Un material puede liberar energía en cuatro tipos de reacciones. Estas reacciones son la nuclear, la química, la electroquímica y la eléctrica.[5] Cuando se calcula la cantidad de energía de un sistema, a menudo sólo se mide la energía útil o extraíble. En las ecuaciones científicas, la densidad de energía se suele denotar por U.[6]

La densidad de energía suele expresarse de dos maneras, aunque la primera es la más habitual:

  • Densidad energética volumétrica - la cantidad de energía que contiene un sistema en comparación con su volumen; suele expresarse en vatios-hora por litro (Wh/L) o Megajulios por litro (MJ/L).[7]

Tener una alta densidad de energía no da información sobre la rapidez con la que se puede utilizar esta energía. Este conocimiento está contenido en la densidad de potencia de una sustancia, que describe la rata (energía por unidad de tiempo) a la que se puede emitir su energía. Normalmente, una densidad de energía alta va acompañada de una densidad de potencia baja. Visite densidad de energía vs densidad de potencia para obtener más información y ejemplos.

Densidad energética del combustible

Hay muchos materiales diferentes que pueden almacenar energía, desde los alimentos hasta el diesel o el uranio. Estos materiales se conocen colectivamente como combustibles, y todos ellos se utilizan como fuentes de energía para diversos sistemas. Cuando los combustibles provienen directamente de la naturaleza (como el petróleo crudo) son combustibles primarios; cuando los combustibles tienen que ser modificados para poder ser utilizados (como la gasolina) se denominan combustibles secundarios. La siguiente tabla muestra la densidad energética de una serie de combustibles comunes.

Para una representación visual de estos valores, la fig. 1 y el gráfico de la derecha muestran comparaciones de las densidades energéticas de diferentes combustibles.

Tipo de Combustible Tipo de Reacción Densidad Energética
(MJ/kg)
Usos Típicos
Madera Químico 16 Calefacción, Cocina
Carbón Químico 24 Centrales eléctricas, Generación de electricidad
Etanol Químico 26.8 Mezcla de gasolina, Alcohol, Productos químicos
Biodiésel Químico 38 [8] Motor de automoción
Petróleo crudo Químico 44 Refinería, Productos petróleos
Diesel Químico 45 Motores diesel
Gasolina Químico 46 Motores de gasolina
Gas natural Químico 55 Calefacción domestica, Generación de electricidad
Uranio-235 Nuclear 3 900 000 Reactor nuclear
Generación de electricidad
Tabla 1: La densidad energética (MJ/kg) de una variedad de combustibles diferentes.[9]

¿Hasta dónde se puede llegar?

Las fuentes de energía no ceden su energía de la misma manera, pero suponiendo que pudieran, ¿hasta dónde movería un vehículo cada una de ellas? Para averiguarlo, se puede utilizar el carbón como línea de base, si la cantidad de energía en una determinada masa de carbón es igual a 10 metros, la longitud de un autobús escolar. Esto hace que la energía disponible en esa misma masa de uranio sea igual a la distancia entre Vancouver (Columbia Británica) y Saskatoon (Saskatchewan) (Fig. 2). A continuación se muestra una lista de otros combustibles comparados con el carbón para calcular la energía por distancia para comparar otros combustibles con el carbón.

  • Madera - 7 metros, aproximadamente el ancho de un garaje para dos coches
  • Carbón - 10 metros, aproximadamente la longitud de un autobús escolar
  • Petróleo - 18 metros, aproximadamente la longitud de una ballena jorobada
  • 235Uranio - 1,625,000 m (1,625 km), mayor que la distancia de Vancouver a Saskatoon
Fig. 2. La distancia de Vancouver, BC a Saskatoon, SK utilizando la densidad energética del uranio.

Para empezar con otro conjunto de cifras, un kilo de petróleo crudo permite a un coche recorrer unos 20 km. Los productos petrolíferos, como la gasolina, se utilizan porque son densos en energía. Un kilogramo de combustible nuclear, como el 235Uranio, permitiría a un coche recorrer 1.77 millones de kilómetros. ¿Qué distancia es esa? Es un viaje de ida y vuelta de la Tierra a la Luna. Dos veces.[10] Los combustibles nucleares son increíblemente densos en energía.

Ver lecturas adicionales

Referencias

  1. XKCD. Log Scale [Online], Available: http://xkcd.com/1162/
  2. C. Dillon. (2009, October). How Far Will Energy Go? - An Energy Density Comparison [Online]. Available: http://www.cleanenergyinsight.org/interesting/how-far-will-your-energy-go-an-energy-density-comparison/
  3. A. Golnik and G. Elert. (2003). Energy Density of Gasoline [Online]. Available: http://hypertextbook.com/facts/2003/ArthurGolnik.shtml.
  4. Uni. South Carolina. (2003, October). Description of Energy and Power [Online]. Available: http://www.che.sc.edu/centers/RCS/desc_e_and_p.htm
  5. B. E. Layton, "A comparison of Energy Densities of Prevalent Energy Sources in Units of Joules Per Cubic Meter," Int. J. Green Energy, vol. 5, no. 6, pp. 438-455, Dec. 2008.
  6. E. W. Weisstein. (2007). Energy Density -- from Eric Weisstein’s World of Physics [Online]. Available: http://scienceworld.wolfram.com/physics/EnergyDensity.html
  7. 7,0 7,1 C. Simpson, "Characteristics of Rechargeable Batteries," National Semiconductor. Texas Instruments Inc., Dallas, 2011.
  8. Y. Chisti, “Biodiesel from microalgae,” Biotechnol. Adv., vol. 25, no. 3, pp. 294–306, May-Jun. 2007.
  9. I. Hore-Lacy, "Future Energy Demand and Supply," in Nuclear Energy in the 21st Century, 2nd ed., London, UK: WNUP, 2011, ch.1, sec.6, pp.9
  10. Wolfram Alpha, entry: 1772727273 m

Autores y redactores

Ethan Boechler, Jonathan Elbaz, Alba Fano-trabanco, Jordan Hanania, Braden Heffernan, James Jenden, Ryan Leeson, Tamsin Mah, Jasper Martin, Kailyn Stenhouse, Luisa Vargas Suarez, Dayna Wiebe, Jason Donev
Última actualización: 9 noviembre, 2021
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