Un coche y algunos números que le rodean

Sigamos hablando de coches y de sus números.

El amigo Lehningen se queja, sólo veladamente, de que use el kilowatio y no los caballos para dar la potencia del coche. Es la forma recta de proceder para poder comparar con otros dispositivos energéticos y entender sus tamaño.

Por ejemplo, comparado con lo grande: 110kW no son nada ante los 1000MW (megawatios) de un reactor nuclear típico como el de Almaraz. Hay como un factor 10000 de diferencia entre uno y otro. Comparado con lo pequeño 110kW son mucho frente a los 5kW que se contratan habitualmente para el consumo eléctrico de una casa. Un factor 20.

El factor interesante aquí es la densidad energética del combustible. La gasolina se quema dentro del motor según esta reacción

\underbrace{\frac{25}{2}\mathrm{O}_2}_{\text{aire}}+\overbrace{\mathrm{C}_8\mathrm{H}_{18}}^{\text{gasolina}}\rightarrow 8\mathrm{CO}_2+9\mathrm{H}_2\mathrm{O}

En ella el hidrocaburo (la gasolina) reacciona con el oxígeno del aire para producir dióxido de carbono, agua y liberar energía a razón de aproximadamente 32MJ/L (cada litro de gasolina combustionada libera 32 megajulios de energía). Esta magnitud es la densidad energética de la gasolina.

Hagamos entonces unos cálculos sencillos, los cincuenta litros del depóstito de combustible permiten almacenar 32x50MJ=1600MJ=1.6GJ. Esto no dice mucho porque no sabemos apreciar cuánto es un julio de energía: bueno yo si lo sé y les diré que un julio de energía es muy poco para este contexto, lo que necesita un coche para avanzar unas micras.

Los términos de potencia son más fáciles de entender. Pensemos entonces en el tiempo que tardamos en llenar el depósito con 50L de gasolina. Yo diría que no va mucho más allá de dos minutos. La razón entre la energía que suministramos y el tiempo que tardamos en suministrarla da la potencia del surtidor de gasolina:

50 \mathrm{L}\times{32}\frac{\mathrm{MJ}}{\mathrm{L}}\times\frac{1}{2\mathrm{min}}\times\frac{1\mathrm{min}}{60\mathrm{s}}=13\frac{\mathrm{MJ}}{\mathrm{s}}=13\mathrm{MW}

Esos 13 megawatios es una potencia descomunal medida bajo cualquier parámetro de consumo doméstico. Como un mega son mil kilos, supone unas 2000 veces la potencia nominal de un hogar. Esto (que no es más que la densidad energética de la gasolina unida a la facilidad de transporte y llenado por ser una sustancia fluida) explica el enorme éxito de este tipo de combustible.

Pero comparemos este potencia con otra cosita. Los alimentos que consumimos tienen el mismo origen y naturaleza que la gasolina que consume un coche. En un momento dado una plantita realiza una reacción de fotosíntesis y consume dióxido de carbono y energía en forma de luz solar para producir un hidrocarburo orgánico. Químicamente el hidrocarburo es carbono reducido y su oxidación (la reacción que ponía antes) es lo que genera energía. Esa oxidación puede producirse dentro de la cadena trófica o muchos millones de años después (si el hidrocarburo no ha llegado a ser oxidado en ese tiempo) dentro de un motor de explosión.

El consumo energético diario de una persona que no realiza una actividad física extra es de unos 10MJ. Supongamos que esa toma se realiza en una única comida que dura, aproximadamente, una hora y media. La potencia deglutiva máxima del sujeto sería sólo de

10\mathrm{MJ}\times\frac{1}{1.5\mathrm{h}}\times\frac{1\mathrm{h}}{3600\mathrm{s}}=1.85\mathrm{kW}

una cantidad irrisoria comparada con el llenado de un depósito.

Sigamos avanzando, he comprobado que mi coche mantiene un régimen de 100km/h con una eficiencia de 20km/L (la combustión de un litro de gasolina permite recorrer 20km en llano a 100km/h). Si dividimos un número por el otro obtenemos un consumo de:

\frac{100\mathrm{km}/\mathrm{h}}{20\mathrm{km}/\mathrm{L}}=5\mathrm{L}/\mathrm{h}

y si consideramos la densidad energética de la gasolina tendremos:

\underbrace{5\frac{\mathrm{L}}{\mathrm{h}}}_{\text{consumo}}\times\overbrace{32\frac{\mathrm{MJ}}{\mathrm{L}}}^{\text{densidad}}\times\frac{1\mathrm{h}}{3600\mathrm{s}}=44\frac{\mathrm{kJ}}{\mathrm{s}}=44\mathrm{kW}

Así que a ese régimen el coche está desarrollando la mitad de su potencia nominal. Digamos que el coche va muy desahogado. Podría acelerar, aumentar consumo y velocidad desarrollando más potencia sin mucho problema.

Esta potencia es el doble de la potencia nominal de una caldera de calefacción moderna de bajo NOx que suelen estar en los 20kW. Estas calderas aprovechan la combustión del gas natural (metano) o del propano (ambos son hidrocarburos) para calentar agua. La enorme potencia que necesitan se debe a que están pensadas para satisfacer demandas puntuales muy fuertes: cuando abrimos el grifo de agua caliente queremos que salga caliente (entre treinta y cuarenta grados más caliente de lo que entra) y queremos que calentar un flujo confortable de agua (hasta 13 litros de agua por minuto).

En ambos casos (coche y caldera) el sistema energético está funcionando sólo en determinadas horas del día. De hecho este es un hándicap económico del coche en forma de coste de oportunidad perdido. En mi caso puedo consumir un depósito en dos semanas, aproximadamente, si no estoy realizando viajes. La potencia media sería:

50 \mathrm{L}\times{32}\frac{\mathrm{MJ}}{\mathrm{L}}\times\frac{1}{15\mathrm{d}}\times\frac{1\mathrm{d}}{24\mathrm{h}}\times\frac{1\mathrm{h}}{3600\mathrm{s}}=1.23\mathrm{kW}

Frente a esto una persona está permantemente viva y consumiendo energía constantemente. Los 10MJ que consume de ingesta diaria suponen entonces un promedio diario de:

10\mathrm{MJ}\times\frac{1}{1\mathrm{d}}\times\frac{1\mathrm{d}}{24\mathrm{h}}\times\frac{1\mathrm{h}}{3600\mathrm{s}}=0.11\mathrm{kW}

Esta potencia explica que diez personas reunidas en una habitación la caldeen apreciablemente. Disipan aproximadamente 1000W, como un calentador mediano.

Anuncios

6 comentarios en “Un coche y algunos números que le rodean

  1. Estimado Tsevan:

    Le recomiendo la lectura del libro de Richard Muller “Física para futuros presidentes” (http://manuelalvarezlopez.blogspot.com.es/2012/09/fisica-para-futuros-presidentes-richard.html). En él se dan muchos útiles y necesarios datos relacionados con la energía y se entiende por qué usamos la gasolina. Por ejemplo:

    “- La gasolina proporciona 15 veces más energía que la misma cantidad de TNT.
    – A igualdad de energía producida, el carbón es 15 veces más barato que la gasolina.
    – Dos kilómetros y medio cuadrados de luz solar a mediodía podrían generar un gigavatio de electricidad: lo mismo que una central nuclear, eléctrica o de carbón de gran tamaño.
    – A igualdad de peso, la gasolina contiene mil veces más energía que las pilas convencionales -de linterna, radio, etc.-, y cien veces más que las baterías de ordenador.
    – El hidrógeno líquido, el combustible fundamental de una futura ‘economía de hidrógeno’, produce 4,5 veces menos energía por litro de gasolina.
    – La energía procedente de baterías no recargables es una diez mil veces más cara que la procedente de la red eléctrica”.

    Saludos.

  2. Muchas gracias por su espléndida respuesta, sr. Robot. Además, su aversión a los campos de fútbol nos obliga a hacer un esfuerzo extra, lo cual es un sano ejercicio.

    Aprovechando que está usted en racha, y abusando de su inteligencia y saber, me gustaría pedirle un artículo o comentario sobre lo siguiente:

    Siempre que veo una sala de spinning pienso: “cuánto trabajo y calor tirado”. ¿No podrían conectarse las bicis a generadores y así producir electricidad? Es más. No podría yo en mi casa producir energía en mis ratos libres? ¿Sería viable? ¿Cuánto tiempo de pedaleo tendría que estar para sacarme un sueldecito?

    Y ya, dejando volar la imaginación: ¿no podrían establecerse centros oficiales de pedaleo en los que a la gente se le pagar un dinero por cada kW producido. Imagínense: necesito dinero para invitar a la churri este fin de semana a la playa de Gandía. No problem. Una semanita en el gimnasio y asunto arreglado.

    En fin, tanto si le interesa el tema como si no, muchas gracias. Aquí me tiene para lo que quiera.

  3. Estos cálculos muestran un problema de los coches eléctricos del que no se suele hablar: aun si solventamos el problema de las baterías para hacerlas comparables a la gasolina en velocidad de recarga y autonomía… ¿qué red eléctrica aguanta esos picos locales de consumo de energía para hacer la recarga?…

  4. lehningen

    Una simple búsqueda en google (ni lo he visto, espero que no sea un churro).

    De toda la vida de dios una dinamo en la bici encendía el pilotito.

    Por cierto no hay que olvidar que cuando se engrana una bici al motor este ejerce una resistencia. Vamos que vas a pedalear contra el motor y no en “punto muerto”. Puede ser bueno para hacer piernas, claro.

    Sobre lo que pueda hacerse en centros oficiales de pedaleo prefiero no pronunciarme porque la cosa es compleja. El problema es cómo aprovechas una energía que no puede almacenarse fácilmente con fines útiles (sí para recargar una batería de móvil o cosas por el estilo). No es como la donación de sangre, que vas un día al centro te la extraen y la almacenan; e incluso podrían pagar. No puedes hacer eso fácilmente con la electricidad.

  5. drodriguezherrera

    Evidentemente la densidad de energía que tienen los hidrocaburos ya sean líquidos, gaseoso o sólidos es muy grande y por eso se usan.

    Ahora bien, yo tendría cuidado en trasladar el comportamiento que tenemos con ese tipo de combustible a otros tipos de energía. Si el coche eléctrico es un día un objeto de consumo masivo su uso no será parecido al del motor de explosión. O, seguramente, no lo será su repostaje o autonomía.

    Pero eso no quiere decir que no sea viable. Como decía en la entrada un coche típico pasa mucho tiempo parado sin consumir energía. Ese tiempo puede aprovecharse para recarga y los requerimiento de potencia son entonces menores, a costa de extender su duración.

    No es muy diferente a cómo tratamos un móvil o un ordenador. Tiramos de batería sabiendo que es limitada y que la recarga no es inmediata y tratamos (al menos yo) de adecuar su uso a la vida de la batería y a la disponibildad de una recarga.

    Hoy creo que es complicado comprar un coche eléctrico puro. Lo estuve valorando con el Golf-VII eléctrico. Para el 90% de mi uso valdría perfectamente. Circular, llegar a casa, cargar por la noche. Es exactamente lo mismo que hago con mi móvil.

    Pero claro, cuando piensas en que también te tiene que servir para hacer un viaje y te vas a tirar 10h a 40kW… pues nasti de plasti.

    Algunos se pueden plantear tener un kindle para leer libros, un iPad para otras ociedades y un portátil para trabajar. Cada uno bien diseñado para lo que tiene que hacer. Pero un coche eléctrico para diario y de explosión preparado sólo para viajar… supongo que está al alcance de unos pocos.

Responder

Introduce tus datos o haz clic en un icono para iniciar sesión:

Logo de WordPress.com

Estás comentando usando tu cuenta de WordPress.com. Cerrar sesión / Cambiar )

Imagen de Twitter

Estás comentando usando tu cuenta de Twitter. Cerrar sesión / Cambiar )

Foto de Facebook

Estás comentando usando tu cuenta de Facebook. Cerrar sesión / Cambiar )

Google+ photo

Estás comentando usando tu cuenta de Google+. Cerrar sesión / Cambiar )

Conectando a %s