El motor diésel más grande del mundo y los límites de la eficiencia térmica

  el 4 de septiembre de 2012

Emma Maersk

Su nombre es Wärtsilä RT-flex96C y no es un motor cualquiera; según la web del fabricante es el motor alternativo más potente del mundo. Se trata de un bloque turbo-diésel common-rail de dos tiempos, 14 cilindros, algo más de 25.300 litros de cilindrada (25,3 millones de cm3) y una potencia máxima de unos 109.000 CV a 127 rpm. El par máximo son 7,6 MNm (millones de Nm). Para darnos una idea de su dimensión, la altura total son 13,5m lo que podría compararse a un edificio de 4 pisos, mientras que su longitud es de 25,6 m y su masa total asciende a 2.300 toneladas. Hablamos del motor, no del barco entero que lo incorpora (Emma Maersk) que mide 397m de eslora.

Pretendemos buscar un límite realista de la eficiencia de un motor de combustión interna

Pero no es todo esto lo que lo trae a nuestras páginas, sino su eficiencia. Para encontrar los límites de la eficiencia real de un motor diésel, entendida como trabajo realizado frente a combustible consumido, debemos irnos a motores muy lentos como este. Además, se da la circunstancia de que en motores navales es corriente publicar el dato de consumo mínimo por kWh obtenido, un dato totalmente inexistente en el mundo del automóvil. En este caso son 163,7 g/kWh, dato con el que vamos a calcular su rendimiento y sacar algunas conclusiones.

Algunas cuestiones básicas sobre eficiencia energética en motores de combustión

Antes de nada, cabría clarificar cuál es el interés de este extraño cálculo. La razón por la que lo hacemos es porque nos servirá como una especie de referencia absoluta del aprovechamiento que un motor diésel puede hacer de la energía química almacenada en el combustible. Como máquina térmica, su eficiencia teórica máxima está limitada por el principio de Carnot, pero incluso esta eficiencia teórica máxima queda muy lejos de la realidad.

Por otra parte, el motor de un automóvil, que está obligado a girar a regímenes mucho mayores para ser práctico, tendrá, a su vez, eficiencias mucho menores que esta que vamos a calcular. Así pues, quienes piensan que el consumo de combustible puede bajar y bajar mediante avances tecnológicos sin ningún tipo de limitación, deberían echar un vistazo a este sencillo cálculo para tomar referencias.

Es la eficiencia del motor aisladamente considerado la que estamos calculando

Aclarado esto, sólo necesitamos un par de datos que nos proporciona directamente el fabricante:
Consumo específico mínimo = 163,7 g/kWh
Densidad energética del combustible utilizado = 42,7 MJ/kg
A partir de aquí, el cálculo es trivial y nos da una eficiencia energética máxima del 51,5%

Esta eficiencia está calculada a la salida del motor, pero la eficiencia final del vehículo (barco en este caso) sería bastante menor debido a todas las resistencias que aún debe vencer para llegar a moverse realmente. Es la eficiencia del motor aisladamente considerado la que estamos calculando.

Algunas conclusiones sobre eficiencia energética en motores de combustión

Emma Maersk

El motor diésel es el motor térmico más eficiente de los usados normalmente en automoción, gracias a su elevada relación de compresión con respecto a un gasolina. De entre los diésel, son más eficientes aquellos cuya velocidad de funcionamiento sea lo más lenta posible (por razones termodinámicas) lo que nos lleva a los grandes motores navales como máximo exponente de trabajo realizado por cada gota de combustible consumida.

Aproximadamente la mitad de la energía del combustible se pierde en forma de calor

La eficiencia energética del motor diésel más grande del mundo, representativa como una de las máximas alcanzables tecnológicamente a día de hoy, apenas supera el 50 % lo que significa que, incluso en motores mucho más eficientes que los utilizados en automoción, aproximadamente la mitad de la energía del combustible se pierde en forma de calor. Este cálculo, además, corresponde al punto de máxima eficiencia del motor pero no a toda su gama de revoluciones y cargas posibles de funcionamiento real, así pues, es un máximo entre los máximos.

La eficiencia de un motor diésel automovilístico difícilmente podrá alcanzar jamás valores similares a los de un diésel naval de dos tiempos que gira a poco más de 100 rpm. Este motor está construído con el único propósito de mantener velocidades constantes con el mínimo coste posible durante días y días de travesía en línea recta.

Por último, cabe decir que la termodinámica es “cruel” con las máquinas térmicas, pero el motor eléctrico no es una de ellas, lo que nos da una idea de por dónde puede estar la salida a esta trampa de ineficiencia energética. Por supuesto, con los vehículos eléctricos los problemas a superar son otros, pero su eficiencia energética real superior al 90 % es una de sus indudables ventajas.

Si algún día la energía eléctrica se puediese almacenar y transportar razonablemente…

Fuente: Wärtislä | Autoblog | Jalopnik
En Tecmovia: La energía ¿no se crea ni se destruye?

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  • rjuanatey

    Felicidades por el artículo, realmente sería muy interesante que el dato de rendimiento real de los motores fuera publicado de manera habitual.
    La única pega que le veo es que la comparación con el eléctrico que hace es injusta, pues ese rendimiento teórico ha de incluir el rendimiento de las baterías que necesita para alimentarse, mientras en el de combustión el repostaje del motor y la alimentación posterior del motor apenas consume energía.
    No se el dato exacto, pero si la eficiencia de la carga de la batería es también 0,9 y la de la descarga para alimentar el motor es también de 0,9, el rendimiento se convierte en 0,90×0,90×0,90=0,729. Ese sería un dato más justo para la compararación.
    Además mucha de la energía eléctrica actual es producida por la combustión de hidrocarburos en centrales térmicas, por lo que la eficiencia real en un eléctrico puede ser inferior a la de uno de gasolina:
    Rendimiento aprox. motor diesel: 0,4
    Rendimiento aprox. motor eléctrico alimentado con centrales térmicas: 0,5×0,729=0,365
    Un saludo
    Raúl Juanatey

    • Anonymous

      Hola Raúl,
      Gracias por aportar contenido valioso a nuestro blog.
      Tienes razón en que el cálculo completo, denominado “well to wheel” (del pozo a la rueda) es más importante que el del rendimiento térmico del motor. Ese análisis, que iría desde el yacimiento o fuente original de energía hasta el movimiento final del vehículo es un análisis complejo en el que intervienen muchas más variables.
      El artículo se centra únicamente en el motor, probablemente el eslabón más importante entre el pozo y la rueda, por lo que la comparación es estrictamente entre motores y ese es el resultado que arroja.
      Saludos.

  • Zank

    Me uno a la felicitación por el artículo.
    Estoy de acuerdo con rjuanatey en el rendimiento real del motor eléctrico-batería (del 70 al 80%), pero no en el rendimiento medio del motor diesel de automoción, que se queda por debajo del 30 % real (aunque en zonas de par máximo pueda ser ligeramente superior). En cuanto al sistema eléctrico español, sólo el 20 % procede de hidrocarburos, mientras que más del 35% procede de fuentes renovables, por lo que no es correcta la comparativa de eficiencia.

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