15.7: Conservación de Energía
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Particularmente con el desarrollo de una economía y sociedad basada en automóviles, la energía se ha desperdiciado en una medida impactante en Estados Unidos y algunas otras naciones industrializadas. Esto apunta a la oportunidad que brinda la conservación de energía como el medio más efectivo para proporcionar energía adecuada. El potencial para la conservación de energía se ilustra por el hecho de que algunas naciones que tienen niveles de vida cercanos o incluso superiores a los de Estados Unidos tienen un consumo de energía per cápita mucho menor.
En una nota positiva, el uso de energía en Estados Unidos cayó 5% a 94.6 cuatrillones de unidades térmicas británicas (BTU) en 2009 desde 99.2 cuatrillones de BTU en 2008, la mayor caída año a año desde que el gobierno de Estados Unidos comenzó a realizar un seguimiento del consumo de energía en 1949. Se registraron descensos en los sectores residencial, comercial, industrial y de transporte. Aunque gran parte de la disminución se debió a una fuerte disminución de la actividad económica, una parte significativa se debió a la mayor eficiencia energética de los electrodomésticos, automóviles y otros dispositivos que consumen energía. El año también mostró un aumento significativo en las fuentes renovables de energía eólica, solar e hidroeléctrica.
Como se ilustra en la Figura 15.8, los incrementos en la eficiencia de la utilización de la energía pueden contribuir favorablemente a mayores estándares económicos. Esta gráfica muestra estimaciones pasadas y futuras realistas de las tendencias de la relación de consumo de energía por unidad de producto interno bruto reflejando una disminución constante de la energía requerida por unidad de producción económica. Además, las economías bien desarrolladas son usuarios más eficientes de la energía. Para el año 2000, la producción de $1000 de producto interno bruto en naciones desarrolladas requirió 1.7 barriles de equivalentes de petróleo frente a 5.2 barriles para naciones con economías menos desarrolladas que carecen de medios para utilizar la energía de manera eficiente. Esto indica que a medida que las economías de las naciones menos avanzadas industrialmente evolucionan con la conservación de energía como prioridad máxima se puede lograr un desarrollo económico significativo con menor consumo de energía. Este tipo de desarrollo combinado con una utilización más eficiente de la energía en los países desarrollados, incluyendo medidas como viviendas y vehículos más pequeños y más eficientes en combustible, pueden tener un gran impacto favorable en la demanda de energía.
Aunque los usos domésticos y comerciales de la energía son relativamente eficientes, presentan un potencial significativo para aumentar la eficiencia energética. Considerando la energía desperdiciada en la generación de electricidad, la casa totalmente eléctrica requiere mucha más energía que una calentada directamente con combustibles fósiles. Una casa de construcción compacta (más en forma de cubo con un sótano completo) utiliza significativamente menos energía que una casa divagante “estilo rancho” construida sobre una losa. Los apartamentos y las casas adosadas son mucho más eficientes energéticamente que las casas autónomas. Medidas como un mayor aislamiento y sellado alrededor de las ventanas pueden ahorrar combustible. El calor residual de las centrales eléctricas ubicadas en el centro se puede utilizar para calefacción y refrigeración comercial y residencial. Con un adecuado control de la contaminación, estas plantas pueden utilizar residuos municipales para una fracción significativa de su combustible, reduciendo así las cantidades de desechos sólidos que requieren eliminación.
Ahorro de energía en el sector del transporte
El sector económico con mayor potencial para aumentar la eficiencia energética es el transporte. Los automóviles privados y los aviones comerciales son solo alrededor de un tercio más eficientes que los trenes y autobuses en el movimiento de personas. El movimiento de carga en camión requiere 5-6 veces más energía que el transporte en tren. Además, los ferrocarriles electrificados están mucho mejor adaptados al uso de fuentes de energía renovables que los automóviles privados, camiones y aviones.
Como se ilustra en la Figura 15.9, la economía de combustible automotriz estadounidense aumentó de manera impresionante desde la primera “crisis energética” de la década de 1970 hasta aproximadamente 1990. Esto se logró junto con emisiones mucho menores de contaminantes de escape. Desafortunadamente, la tendencia hacia una mejor economía de combustible, que de continuar habría significado cifras promedio de kilometraje de al menos 40 millas por galón (MPG) para 2010, dejó de ascender con una mayor popularidad de los vehículos descomunales, especialmente del tipo “vehículo utilitario deportivo”. En 2007 el Congreso de Estados Unidos aprobó una legislación que exige una mejor economía de combustible para los automóviles vendidos en Estados Unidos. Un promedio de 40 MPG es fácilmente alcanzable sin comprometer significativamente la seguridad y la comodidad y tiene el beneficio agregado de reducir sustancialmente las emisiones de dióxido de carbono de gases de efecto invernadero.
Los vehículos híbridos que son propulsados por un motor eléctrico conectado a una batería recargable con un pequeño motor de combustión interna ahora ofrecen una impresionante economía de combustible (Figura 15.10). La mejora es especialmente pronunciada para la conducción stop-and-go en el tráfico donde se han logrado al menos 50% mejores cifras de kilometraje. En funcionamiento, la batería principal del vehículo, que es mucho más grande que una batería de automóvil convencional, pero más pequeña que la requerida para un vehículo totalmente eléctrico, se mantiene cargada por el motor de combustión interna a bordo acoplado a un generador. También se hace una contribución por el frenado regenerativo que genera electricidad durante el frenado. Cuando el vehículo está desacelerando, bajando cuesta abajo o se detiene, el motor de combustión interna se apaga, lo que ahorra combustible.
Hasta hace poco, la batería de elección para vehículos híbridos ha sido la batería de níquel-metal hidruro. A partir de 2010, el desarrollo estaba activamente en marcha en vehículos híbridos que utilizaban baterías de iones de litio, que tienen una carga relativamente mayor por unidad de masa. Estas baterías se pueden cargar desde una fuente externa de electricidad que proporciona 40-50 km de autonomía antes de que el motor de combustión interna a bordo tenga que activarse. Cargar la batería desde una fuente externa es mucho menos costoso que usar un motor de combustión interna que ofrece una economía de combustible bastante espectacular.
Lo último en economía de combustible se podría lograr con un vehículo híbrido recargable externamente que utilice un motor diesel para recargarlo a bordo. El motor diesel de alta eficiencia, que funciona al ralentí con muy poco combustible, podría dejarse funcionando a un ritmo constante durante períodos de tiempo relativamente largos, manteniéndose caliente y reduciendo en gran medida las emisiones, que son las más altas para un motor diesel durante el arranque, el apagado y los cambios bruscos en la velocidad del motor.
Un motor de gas natural (metano) podría ser una excelente opción para un vehículo híbrido. Con los recientes desarrollos en la explotación de abundantes fuentes de gas natural de esquisto, este combustible se ha vuelto fácilmente disponible en varios países, incluido Estados Unidos. Una gran ventaja con el metano es que es un combustible muy poco contaminante. Una limitación con un motor de gas natural es el rango de crucero relativamente bajo. Pero, junto con una batería externamente recargable en un vehículo híbrido, un motor a gas natural podría proporcionar un alcance impresionante y economía de combustible. La economía podría mejorarse aún más mediante el encendido de carga estratificada en el que el combustible se inyecta directamente en la bujía permitiendo una combustión extremadamente eficiente con una mezcla de combustible/aire muy pobre en general. 2