Eficiencia de conversión de energía

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La eficiencia de conversión de energía ( η ) es la relación entre la salida útil de una máquina de conversión de energía y la entrada, en términos de energía . La entrada, así como la salida útil, pueden ser energía química , energía eléctrica , trabajo mecánico , luz (radiación) o calor . El valor resultante, η (eta), varía entre 0 y 1. ^{[1] [2] [3]}

La eficiencia de la conversión de energía depende de la utilidad del resultado. Todo o parte del calor producido al quemar un combustible puede convertirse en calor residual rechazado si, por ejemplo, el trabajo es el resultado deseado de un ciclo termodinámico . El convertidor de energía es un ejemplo de transformación de energía. Por ejemplo, una bombilla entra en la categoría de convertidor de energía. Aunque la definición incluye la noción de utilidad, la eficiencia se considera un término técnico o físico . Los términos orientados a objetivos o misiones incluyen efectividad y eficacia .${\displaystyle \eta ={\frac {P_{\mathrm {fuera} }}{P_{\mathrm {entrada} }}}}$

En general, la eficiencia de conversión de energía es un número adimensional entre 0 y 1,0, o entre 0% y 100%. Las eficiencias no pueden superar el 100%, lo que daría como resultado una máquina de movimiento perpetuo , lo cual es imposible.

Sin embargo, otras medidas de efectividad que pueden superar 1,0 se utilizan para refrigeradores , bombas de calor y otros dispositivos que mueven calor en lugar de convertirlo. No se llama eficiencia, sino coeficiente de rendimiento o COP . Es una relación entre la calefacción o refrigeración útil proporcionada en relación con el trabajo (energía) requerido. Los COP más altos equivalen a una mayor eficiencia, un menor consumo de energía (potencia) y, por lo tanto, menores costos operativos. El COP generalmente supera 1, especialmente en bombas de calor, porque en lugar de simplemente convertir trabajo en calor (lo que, si fuera 100% eficiente, sería un COP de 1), bombea calor adicional desde una fuente de calor hasta donde se requiere el calor. La mayoría de los acondicionadores de aire tienen un COP de 2,3 a 3,5. ^[4]

Cuando se habla de la eficiencia de los motores térmicos y las centrales eléctricas, se debe indicar la convención, es decir, HHV ( también conocido como valor calorífico bruto, etc.) o LCV (también conocido como valor calorífico neto), y si se está considerando la producción bruta (en los terminales del generador) o la producción neta (en la cerca de la central eléctrica). Las dos son independientes, pero ambas deben indicarse. De lo contrario, se genera una confusión interminable.

Los términos relacionados y más específicos incluyen:

• Eficiencia eléctrica , potencia útil por cada potencia eléctrica consumida;
• Eficiencia mecánica , donde una forma de energía mecánica (por ejemplo, la energía potencial del agua) se convierte en energía mecánica ( trabajo );
• Eficiencia térmica o eficiencia del combustible , calor útil y/o trabajo producido por cada energía de entrada, como el combustible consumido;
• 'Eficiencia total', por ejemplo, para la cogeneración , la energía eléctrica útil y la producción de calor por energía de combustible consumida. Lo mismo que la eficiencia térmica.
• Eficiencia luminosa , aquella parte de la radiación electromagnética emitida que es aprovechable para la visión humana.

El cambio de energía de Gibbs de una transformación química definida a una temperatura particular es la cantidad teórica mínima de energía requerida para que ocurra ese cambio (si el cambio de energía de Gibbs entre reactivos y productos es positivo) o la energía teórica máxima que podría obtenerse de ese cambio (si el cambio de energía de Gibbs entre reactivos y productos es negativo). La eficiencia energética de un proceso que implica un cambio químico puede expresarse en relación con estos mínimos o máximos teóricos. La diferencia entre el cambio de entalpía y el cambio de energía de Gibbs de una transformación química a una temperatura particular indica el aporte de calor requerido o la eliminación de calor (enfriamiento) requerida para mantener esa temperatura. ^[5]

Una pila de combustible puede considerarse como el proceso inverso de la electrólisis. Por ejemplo, una pila de combustible ideal que funcione a una temperatura de 25 °C y que tenga hidrógeno y oxígeno gaseosos como entradas y agua líquida como salida podría producir una cantidad máxima teórica de energía eléctrica de 237,129 kJ (0,06587 kWh) por gramo mol (18,0154 gramos) de agua producida y requeriría que se extrajeran de la pila 48,701 kJ (0,01353 kWh) por gramo mol de agua producida de energía térmica para mantener esa temperatura. ^[6]

Una unidad de electrólisis ideal que funcione a una temperatura de 25 °C con agua líquida como entrada e hidrógeno gaseoso y oxígeno gaseoso como productos requeriría una entrada mínima teórica de energía eléctrica de 237,129 kJ (0,06587 kWh) por gramo mol (18,0154 gramos) de agua consumida y requeriría 48,701 kJ (0,01353 kWh) por gramo mol de agua consumida de energía térmica que se añadiría a la unidad para mantener esa temperatura. ^[6] Funcionaría a un voltaje de celda de 1,24 V.

Para una unidad de electrólisis de agua que funcione a una temperatura constante de 25 °C sin el aporte de ninguna energía térmica adicional, se tendría que suministrar energía eléctrica a una tasa equivalente a la entalpía (calor) de reacción o 285,830 kJ (0,07940 kWh) por gramo mol de agua consumida. ^[6] Funcionaría a un voltaje de celda de 1,48 V. El aporte de energía eléctrica de esta celda es 1,20 veces mayor que el mínimo teórico, por lo que la eficiencia energética es de 0,83 en comparación con la celda ideal. 

Una unidad de electrólisis de agua que funcione con un voltaje superior a 1,48 V y a una temperatura de 25 °C tendría que eliminar energía térmica para mantener una temperatura constante y la eficiencia energética sería inferior a 0,83.

La gran diferencia de entropía entre el agua líquida y el hidrógeno gaseoso más el oxígeno gaseoso explica la diferencia significativa entre la energía de Gibbs de la reacción y la entalpía (calor) de la reacción.

En Europa, el contenido de energía utilizable de un combustible se calcula típicamente utilizando el valor calorífico inferior (LHV) de ese combustible, cuya definición supone que el vapor de agua producido durante la combustión del combustible (oxidación) permanece gaseoso y no se condensa en agua líquida, por lo que el calor latente de vaporización de esa agua no es utilizable. Usando el LHV, una caldera de condensación puede lograr una "eficiencia de calentamiento" superior al 100% (esto no viola la primera ley de la termodinámica siempre que se comprenda la convención LHV, pero causa confusión). Esto se debe a que el aparato recupera parte del calor de vaporización , que no está incluido en la definición del valor calorífico inferior de un combustible. ^{[ cita requerida ]} En los EE. UU. y en otros lugares, se utiliza el valor calorífico superior (HHV), que incluye el calor latente para condensar el vapor de agua y, por lo tanto, no se puede superar el máximo termodinámico de 100% de eficiencia.

En sistemas ópticos como la iluminación y los láseres , la eficiencia de conversión de energía se suele denominar eficiencia de conexión a tierra . La eficiencia de conexión a tierra es la medida de la energía radiativa de salida, en vatios ( julios por segundo), por la energía eléctrica de entrada total en vatios. La energía de salida se mide normalmente en términos de irradiancia absoluta y la eficiencia de conexión a tierra se da como un porcentaje de la energía de entrada total, donde el porcentaje inverso representa las pérdidas.

La eficiencia luminosa difiere de la eficiencia luminosa en que la eficiencia luminosa describe la conversión directa de energía de salida/entrada (la cantidad de trabajo que se puede realizar), mientras que la eficiencia luminosa tiene en cuenta la sensibilidad variable del ojo humano a diferentes longitudes de onda (qué tan bien puede iluminar un espacio). En lugar de utilizar vatios, la potencia de una fuente de luz para producir longitudes de onda proporcionales a la percepción humana se mide en lúmenes . El ojo humano es más sensible a longitudes de onda de 555 nanómetros (amarillo verdoso), pero la sensibilidad disminuye drásticamente a ambos lados de esta longitud de onda, siguiendo una curva de potencia gaussiana y cayendo a sensibilidad cero en los extremos rojo y violeta del espectro. Debido a esto, el ojo no suele ver todas las longitudes de onda emitidas por una fuente de luz en particular, ni ve todas las longitudes de onda dentro del espectro visual por igual. El amarillo y el verde, por ejemplo, constituyen más del 50% de lo que el ojo percibe como blanco, aunque en términos de energía radiante la luz blanca está hecha de porciones iguales de todos los colores (es decir: un láser verde de 5 mW parece más brillante que un láser rojo de 5 mW, pero el láser rojo se destaca mejor contra un fondo blanco). Por lo tanto, la intensidad radiante de una fuente de luz puede ser mucho mayor que su intensidad luminosa , lo que significa que la fuente emite más energía de la que el ojo puede utilizar. Del mismo modo, la eficiencia de la lámpara enchufada suele ser mayor que su eficiencia luminosa. La eficacia de una fuente de luz para convertir la energía eléctrica en longitudes de onda de luz visible, en proporción a la sensibilidad del ojo humano, se conoce como eficacia luminosa , que se mide en unidades de lúmenes por vatio (lm/w) de energía eléctrica de entrada.

A diferencia de la eficacia (efectividad), que es una unidad de medida , la eficiencia es un número sin unidades expresado como un porcentaje , que requiere únicamente que las unidades de entrada y salida sean del mismo tipo. La eficiencia luminosa de una fuente de luz es, por tanto, el porcentaje de eficacia luminosa por eficacia máxima teórica en una longitud de onda específica. La cantidad de energía transportada por un fotón de luz está determinada por su longitud de onda. En lúmenes, esta energía se compensa con la sensibilidad del ojo a las longitudes de onda seleccionadas. Por ejemplo, un puntero láser verde puede tener más de 30 veces el brillo aparente de un puntero rojo de la misma potencia de salida. A 555 nm de longitud de onda, 1 vatio de energía radiante equivale a 683 lúmenes, por lo que una fuente de luz monocromática en esta longitud de onda, con una eficacia luminosa de 683 lm/w, tendría una eficiencia luminosa del 100%. La eficacia máxima teórica disminuye para longitudes de onda a ambos lados de 555 nm. Por ejemplo, las lámparas de sodio de baja presión producen luz monocromática a 589 nm con una eficacia luminosa de 200 lm/w, la más alta de todas las lámparas. La eficacia máxima teórica a esa longitud de onda es de 525 lm/w, por lo que la lámpara tiene una eficiencia luminosa del 38,1 %. Como la lámpara es monocromática, la eficiencia luminosa casi coincide con la eficiencia de las lámparas convencionales, que es de < 40 %. ^{[7] [8]}

Los cálculos de la eficiencia luminosa se vuelven más complejos para las lámparas que producen luz blanca o una mezcla de líneas espectrales. Las lámparas fluorescentes tienen eficiencias de enchufe de pared más altas que las lámparas de sodio de baja presión, pero solo tienen la mitad de la eficacia luminosa de ~ 100 lm/w, por lo que la eficiencia luminosa de las fluorescentes es menor que las lámparas de sodio. Un tubo de flash de xenón tiene una eficiencia de enchufe de pared típica de 50-70%, superando la de la mayoría de las otras formas de iluminación. Debido a que el tubo de flash emite grandes cantidades de radiación infrarroja y ultravioleta, solo una parte de la energía de salida es utilizada por el ojo. Por lo tanto, la eficacia luminosa es típicamente alrededor de 50 lm/w. Sin embargo, no todas las aplicaciones de iluminación involucran al ojo humano ni están restringidas a longitudes de onda visibles. Para el bombeo láser , la eficacia no está relacionada con el ojo humano, por lo que no se llama eficacia "luminosa", sino simplemente "eficacia" en relación con las líneas de absorción del medio láser . Los tubos de destello de criptón se eligen a menudo para bombear láseres Nd:YAG , aunque su eficiencia de enchufe de pared es típicamente solo ~ 40%. Las líneas espectrales de criptón coinciden mejor con las líneas de absorción del cristal dopado con neodimio , por lo que la eficacia del criptón para este propósito es mucho mayor que la del xenón ; capaz de producir hasta el doble de salida láser para la misma entrada eléctrica. ^{[9] [10]} Todos estos términos se refieren a la cantidad de energía y lúmenes a medida que salen de la fuente de luz, sin tener en cuenta las pérdidas que puedan ocurrir dentro del dispositivo de iluminación o la óptica de salida posterior. La eficiencia de la luminaria se refiere a la salida total de lúmenes del dispositivo por la salida de la lámpara. ^[11]

Con la excepción de unas pocas fuentes de luz, como las bombillas incandescentes , la mayoría de las fuentes de luz tienen varias etapas de conversión de energía entre el "enchufe de pared" (punto de entrada eléctrica, que puede incluir baterías, cableado directo u otras fuentes) y la salida de luz final, y cada etapa produce una pérdida. Las lámparas de sodio de baja presión convierten inicialmente la energía eléctrica utilizando un balasto eléctrico para mantener la corriente y el voltaje adecuados, pero se pierde algo de energía en el balasto. De manera similar, las lámparas fluorescentes también convierten la electricidad utilizando un balasto (eficiencia electrónica). Luego, la electricidad se convierte en energía luminosa mediante el arco eléctrico (eficiencia del electrodo y eficiencia de descarga). Luego, la luz se transfiere a un revestimiento fluorescente que solo absorbe longitudes de onda adecuadas, con algunas pérdidas de esas longitudes de onda debido a la reflexión y la transmisión a través del revestimiento (eficiencia de transferencia). La cantidad de fotones absorbidos por el revestimiento no coincidirá con la cantidad que luego se reemite como fluorescencia ( eficiencia cuántica ). Finalmente, debido al fenómeno del desplazamiento de Stokes , los fotones reemitidos tendrán una longitud de onda más larga (y por lo tanto, menor energía) que los fotones absorbidos (eficiencia de fluorescencia). De manera muy similar, los láseres también experimentan muchas etapas de conversión entre el enchufe de pared y la abertura de salida . Por lo tanto, los términos "eficiencia del enchufe de pared" o "eficiencia de conversión de energía" se utilizan para indicar la eficiencia general del dispositivo de conversión de energía, deduciendo las pérdidas de cada etapa, aunque esto puede excluir los componentes externos necesarios para operar algunos dispositivos, como las bombas de refrigerante. ^{[12] [13]}

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