viernes, 22 de noviembre de 2013

Qué es la densidad energética y por qué es tan importante



Queridos lectores,

Luis Cosin me ha hecho llegar un par de ensayos sobre dos conceptos clave para comprender las dificultades que tendremos que remontar en las próximas décadas: la densidad energética y la intensidad energética.

En el ensayo de hoy discutirá el primero de esos conceptos, la densidad energética. Con su estilo didáctico habitual, Luis nos explica el concepto y por qué algunas de las propuestas de sistemas energéticos que se discuten hoy en día no cumplen con las expectativas de un sistema que siempre necesita crecer. Espero que les resulte útil.

Salu2,
AMT

EL PROBLEMA DE LA DENSIDAD ENERGÉTICA
La energía para uso humano debe capturarse desde las fuentes de energía genuinas y transferirse minimizando el coste y las pérdidas hasta los lugares en los que se le va a dar el uso final.
Este proceso de captura y de transporte usa lo que se conoce como “vectores”, que son materiales y sustancias capaces de almacenar energía de forma recuperable, con pocas pérdidas y con una densidad energética que las haga usables en la práctica.
Cada uno de los vectores, como son la electricidad (que entenderemos como diferencia de potencial entre dos conductores eléctricos), los combustibles refinados, el gas extraído de pozo, el hidrógeno…etc. introduce además sus propias limitaciones físicas, que condicionan los usos para los que son adecuados.
Uno de los principales es la densidad energética, que es la cantidad de energía acumulada en un vector energético por unidad de volumen o de masa (según el contexto).
En general, son preferibles las fuentes de energía y los vectores de mayor densidad, ya que muchos usos finales requieren la concentración de dicha energía, y concentrar la energía de un vector requiere el consumo de una parte de dicha energía en el proceso.
El gasto energético del transporte y almacenamiento en condiciones adecuadas es función directa de la masa y el volumen, y de nuevo aparece la densidad energética como uno de los principales factores limitantes.
Por ejemplo, el gas natural descomprimido a la salida de pozo no es utilizable directamente en las aplicaciones humanas, sino que debe ser licuado a una milésima parte de su volumen normal, en un proceso de concentración que consume una parte significativa de la energía que contiene, para poder ser transportado y utilizado eficientemente.
El siguiente cuadro da una idea gráfica de las intensidades energéticas de varios vectores energéticos:
En general, los combustibles, especialmente los de bajo peso molecular, tienen densidades energéticas muy superiores (casi en dos órdenes de magnitud, es decir, una proporción de 100 a 1) a las de los dispositivos de almacenamiento eléctrico, entre los cuales los más eficientes en términos de energía almacenada por unidad de masa, siguen siendo las baterías de ión-litio.
Esto explica, por ejemplo, el elevado peso y la baja autonomía relativa de un vehículo eléctrico frente a un motor convencional de combustible derivado del petróleo o del gas natural.
Se trata de una limitación difícilmente salvable, a no ser que aparezcan nuevas tecnologías de almacenamiento de energía eléctrica mucho más eficientes y con una densidad energética de 10 a 100 veces mayor.
Los mejores acumuladores eléctricos apenas llegan a 1/100 de la energía acumulada en un peso equivalente de combustibles refinados del petróleo, y las más habituales (las de plomo y las de níquel), apenas alcanzan un 3/1000.
Tipo
Energía/ peso
Tensión por elemento (V)
Duración
(número de recargas)
Tiempo de carga
Auto-descarga
por mes (% del total)
Diésel
11700 Wh/Kg




Gas Natural
10800 Wh/m3




Plomo
30-40 Wh/kg
2 V
1000
8-16h
5 %
Ni-Fe
30-55 Wh/kg
1,2 V
+ de 10 000
4-8h
10 %
Ni-Cd
48-80 Wh/kg
1,25 V
500
10-14h *
30%
Ni-Mh
60-120 Wh/kg
1,25 V
1000
2h-4h *
20 %
Li-ion
110-160 Wh/kg
3,16 V
4000
2h-4h
25 %
Li-Po
100-130 Wh/kg
3,7 V
5000
1h-1,5h
10%

El hidrógeno, en teoría, presenta una densidad energética muy interesante, pero esta afirmación es sólo una media verdad, ya que obvia el hecho que aún no se conocen formas seguras y eficientes de almacenar dicho hidrógeno con una densidad energética suficientemente alta, que permita su uso en las aplicaciones a las que se pretende destinarlo.
Se descarta prácticamente el almacenamiento duradero en tanques o depósitos, por la peligrosidad de su manejo, la fatiga y envejecimiento a la que el hidrógeno somete los materiales (el hidrógeno elemental es muy reactivo y forma aleaciones quebradizas y frágiles con casi todos los metales, debilitando las estructuras), y la imposibilidad de contener las lentas y persistentes fugas a través de las paredes (el hidrógeno es la molécula más pequeña con diferencia, y se difunde con mucha facilidad a través de los poros y las grietas de casi todos los materiales).
Quedan por explorar las posibilidades del almacenamiento de hidrógeno por adsorción sobre materiales de muy elevada porosidad (por ejemplo, nanotubos de carbono), o la formación reversible de hidruros metálicos, sistemas que en la actualidad no consiguen superar, en las mejores condiciones de laboratorio, el 5-10% de peso en hidrógeno y tienen, por tanto, una densidad energética superior a la de las baterías de ión-litio, pero aún muy por debajo de la de los combustibles fósiles.
Los hidrocarburos y el carbón, en este sentido, siguen siendo los reyes por su gran densidad energética y la gran versatilidad de sus aplicaciones. La maquinaria pesada es, hoy en día, impensable sin estas sustancias. Sus cualidades hacen intuir que, en el futuro, quizá sigan siendo vectores energéticos muy usados, aunque su origen ya no sean los pozos petrolíferos o gasísticos, sino que provengan de procesos de síntesis (como el proceso Sabatier) a partir de la energía procedente de otras fuentes.

Referencias:

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