eficiencia de conversión de energía

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 energéticos . Tanto la entrada como la salida útil pueden ser energía química , energía eléctrica , trabajo mecánico , luz (radiación) o calor . El valor resultante, η (eta), oscila 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 por la combustión de un combustible puede convertirse en calor residual si, por ejemplo, el trabajo es el resultado deseado de un ciclo termodinámico . Un convertidor de energía es un ejemplo de transformación de energía. Por ejemplo, una bombilla entra en la categoría de convertidor de energía. ${\displaystyle \eta ={\frac {P_{\mathrm {fuera} }}{P_{\mathrm {entrada} }}}}$ 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 .

En general, la eficiencia de conversión de energía es un número adimensional entre 0 y 1,0, o entre el 0 % y el 100 %. Las eficiencias no pueden superar el 100 %, ya que esto daría lugar a 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 transfieren calor en lugar de convertirlo. No se denomina eficiencia, sino coeficiente de rendimiento ( COP ). Es una relación entre la calefacción o refrigeración útil proporcionada y el trabajo (energía) requerido. Un COP más alto equivale a una mayor eficiencia, un menor consumo de energía (potencia) y, por lo tanto, menores costos operativos. El COP suele superar 1, especialmente en las 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. La mayoría de los aires acondicionados tienen un COP de 2,3 a 3,5. ^{[ 4 ]}

Al hablar de la eficiencia de las máquinas térmicas y las centrales eléctricas, se debe especificar la convención utilizada: HHV ( también conocido como poder calorífico superior) o LCV (también conocido como poder calorífico inferior), e indicar si se considera la potencia bruta (en los terminales del generador) o la potencia neta (en la central eléctrica). Si bien son conceptos distintos, ambos deben mencionarse. De lo contrario, se genera una gran confusión.

Los términos relacionados y más específicos incluyen:

• Eficiencia eléctrica , potencia útil de salida por unidad de 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 de combustible , calor útil y/o trabajo producido por unidad de energía de entrada, como el combustible consumido;
• «Eficiencia total», por ejemplo, en la cogeneración , potencia eléctrica útil y producción de calor por unidad de energía de combustible consumida. Es lo mismo que la eficiencia térmica.
• La eficiencia luminosa es la porción de la radiación electromagnética emitida que es utilizable para la visión humana.

El cambio de energía de Gibbs de una transformación química definida a una temperatura determinada es la cantidad mínima teórica de energía necesaria para que se produzca dicho cambio (si el cambio de energía de Gibbs entre reactivos y productos es positivo) o la máxima energía teórica que podría obtenerse de dicho 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 determinada indica el aporte de calor necesario o la eliminación de calor (enfriamiento) necesaria para mantener dicha temperatura. ^{[ 5 ]}

Una pila de combustible puede considerarse el proceso inverso a la electrólisis. Por ejemplo, una pila de combustible ideal que opere a una temperatura de 25  °C, con 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 mol gramo (18,0154 gramos) de agua producida y requeriría 48,701 kJ (0,01353 kWh) por mol gramo de agua producida de energía térmica para ser extraída de la pila y mantener dicha temperatura. ^{[ 6 ]}

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

Para una unidad de electrólisis de agua que opera a una temperatura constante de 25  °C sin aporte de energía térmica adicional, se tendría que suministrar energía eléctrica a una velocidad equivalente a la entalpía (calor) de reacción o 285,830 kJ (0,07940 kWh) por mol gramo de agua consumida. ^{[ 6 ]} Operaría 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 requeriría la eliminación de energía térmica para mantener una temperatura constante, y su 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 libre de Gibbs de la reacción y la entalpía (calor) de la reacción.

En Europa, el contenido energético útil de un combustible se calcula normalmente utilizando su poder calorífico inferior (PCI). La definición de PCI presupone que el vapor de agua producido durante la combustión (oxidación) del combustible permanece en estado gaseoso y no se condensa en agua líquida, por lo que el calor latente de vaporización de dicha agua no es aprovechable. Utilizando el PCI, una caldera de condensación puede alcanzar una eficiencia de calefacción superior al 100 % (esto no infringe la primera ley de la termodinámica siempre que se comprenda la convención del PCI, pero sí genera confusión). Esto se debe a que el aparato recupera parte del calor de vaporización , que no está incluido en la definición del PCI. En Estados Unidos y otros países, se utiliza el poder calorífico superior (PCS), que incluye el calor latente de condensación del vapor de agua, por lo que no se puede superar el máximo termodinámico de eficiencia del 100 %.

En sistemas ópticos como la iluminación y los láseres , la eficiencia de conversión de energía se suele denominar eficiencia de conversión de energía . Esta eficiencia mide la energía radiativa de salida, en vatios ( julios por segundo), por cada unidad de energía eléctrica de entrada total, también en vatios. La energía de salida se suele medir en términos de irradiancia absoluta , y la eficiencia de conversión de energía se expresa como un porcentaje de la energía de entrada total, donde el inverso representa las pérdidas.

La eficiencia de la toma de corriente difiere de la eficiencia luminosa en que la primera describe la conversión directa de energía de entrada/salida (la cantidad de trabajo que se puede realizar), mientras que la segunda tiene en cuenta la sensibilidad variable del ojo humano a las diferentes longitudes de onda (qué tan bien puede iluminar un espacio). En lugar de usar 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 las longitudes de onda de 555 nanómetros (verde amarillento), 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 generalmente no ve 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 se compone de proporciones 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 destaca mejor sobre 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 energética de la lámpara 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 denomina eficacia luminosa , que se mide en unidades de lúmenes por vatio (lm/w) de energía eléctrica de entrada.

A diferencia de la eficacia (o efectividad), que es una unidad de medida , la eficiencia es un número adimensional expresado como porcentaje , que solo requiere que las unidades de entrada y salida sean del mismo tipo. La eficiencia luminosa de una fuente de luz es, por lo tanto, el porcentaje de eficacia luminosa por cada eficacia máxima teórica a una longitud de onda específica. La cantidad de energía que transporta un fotón de luz está determinada por su longitud de onda. En lúmenes, esta energía se ve compensada por 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. A  una longitud de onda de 555 nm, 1 vatio de energía radiante equivale a 683 lúmenes; por lo tanto, una fuente de luz monocromática a 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 los 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 cualquier lámpara. 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 %. Debido a que la lámpara es monocromática, la eficiencia luminosa casi coincide con la eficiencia de la toma de corriente de pared, que es <  40 %. ^{[ 7 ] [ 8 ]}

Los cálculos de eficiencia luminosa se vuelven más complejos para lámparas que producen luz blanca o una mezcla de líneas espectrales. Las lámparas fluorescentes tienen una mayor eficiencia de conexión a la red eléctrica 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 la de las lámparas de sodio. Un tubo de destello de xenón tiene una eficiencia de conexión a la red eléctrica típica del 50-70%, superando la de la mayoría de las demás formas de iluminación. Debido a que el tubo de destello 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 de alrededor de 50  lm/w. Sin embargo, no todas las aplicaciones de iluminación involucran al ojo humano ni se limitan a longitudes de onda visibles. Para el bombeo láser , la eficacia no está relacionada con el ojo humano, por lo que no se denomina eficacia "luminosa", sino simplemente "eficacia", ya que se relaciona con las líneas de absorción del medio láser . Los tubos de destello de kriptón se eligen a menudo para bombear láseres Nd:YAG , aunque su eficiencia de conversión de energía suele ser de solo ~40%. Las líneas espectrales del kriptón coinciden mejor con las líneas de absorción del cristal dopado con neodimio , por lo que la eficacia del kriptón para este propósito es mucho mayor que la del xenón ; capaz de producir hasta el doble de salida láser con 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 producirse dentro de la luminaria o la óptica de salida posterior. La eficiencia de la luminaria se refiere a la salida total de lúmenes de la luminaria por la salida de la lámpara. ^{[ 11 ]}

Con la excepción de algunas fuentes de luz, como las bombillas incandescentes , la mayoría de las fuentes de luz tienen múltiples 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 mediante 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 mediante un balasto (eficiencia electrónica). La electricidad se convierte luego en energía luminosa mediante el arco eléctrico (eficiencia del electrodo y eficiencia de descarga). La luz se transfiere a un recubrimiento fluorescente que solo absorbe las longitudes de onda adecuadas, con algunas pérdidas de esas longitudes de onda debido a la reflexión y la transmisión a través del recubrimiento (eficiencia de transferencia). El número de fotones absorbidos por el recubrimiento no coincidirá con el número de fotones reemitidos como fluorescencia ( eficiencia cuántica ). Finalmente, debido al fenómeno del desplazamiento de Stokes , los fotones reemitidos tendrán una longitud de onda mayor (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 la toma de corriente y la apertura de salida . Por consiguiente, los términos "eficiencia de la toma de corriente" o "eficiencia de conversión de energía" se utilizan para denotar la eficiencia global del dispositivo de conversión de energía, deduciendo las pérdidas de cada etapa, aunque esto puede excluir los componentes externos necesarios para el funcionamiento de algunos dispositivos, como las bombas de refrigerante. ^{[ 12 ] [ 13 ]}

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