16 jun. 2018

¿POR QUÉ, A DIFERENCIA DE LOS COCHES, LOS AVIONES VUELAN MUY RÁPIDO PARA CONSUMIR POCO?

Estimado lector este post es un off-topic al tema del blog, si no estás interesado estás a tiempo de parar de leer.

En este post en los inicios del blog expliqué porqué la velocidad es uno de los mayores enemigos del consumo, y como en un coche normal (con motor de combustión) el consumo mínimo se obtiene a velocidades bajas típicamente entre 40Km/h y 70Km/h y a partir de ahí el consumo aumenta potencialmente con la velocidad, y más concretamente con el cuadrado de la velocidad.

Hay gente a la que la realidad física del mundo le produce frustración, y ya sea por ignorancia o pura irracionalidad esgrimen absurdos argumentos tecnológicos, como que se conseguirían mayores velocidades si los coches se diseñaran mejor. Uno de esos argumentos es que los aviones vuelan muy rápido consumiendo poco. El objeto de este post es explicar porqué esto es una falacia.

La primera parte es la más fácil de demostrar, los aviones no consumen poco, volar es costoso en términos energéticos. Quien presenta esos números hace una trampa, compara un avión comercial, que es una de las máquinas más refinadas que el hombre es capaz de producir; con un coche, que es una máquina bastante ineficiente en términos relativos, a otros medios de transporte. Cojamos un autobús como referencia. En un autobús típico de 35 a 50 plazas el consumo estará en el entorno de 20l/100Km a 50l/100Km. No hace falta hacer números precisos, cualquier autobús razonablemente moderno en cualquier ruta consumirá como mucho 1l/100km por pasajero, siendo posible bajar ese valor. Y además es una máquina que tiene bastante margen de mejora; por ejemplo, con autobuses eléctricos y mejorando la aerodinámica. Los aviones más eficientes como un Airbus A350 o un Boeing 787 consumen más por pasajero, ya os adelanto que ni siquiera vale la pena hacer números.

Lo segundo en cambio es absolutamente cierto, la velocidad de mínimo consumo es muy muy alta. Aquí os presento 3 ejemplos:

el Airbus A350 es lo último que ha fabricado Airbus, avión de largo alcance (hasta 19000Km, media vuelta al mundo), fuselaje, estabilizadores y alas de carbono, motores también de última generación como el Rolls-Royce Trent XWB. No hace falta que os diga más, tenéis toda la información que queráis en la Wikipedia o en la página Web de Airbus.

Imagen relacionada
Foto gentileza Airbus

Pues bien, este avión puede volar a:

Velocidad de crucero máxima: Mach 0.89
Velocidad de crucero típica: Mach 0.85
Velocidad de crucero económico: Mach 0.84
NOTA: el número de Mach, o simplemente M, es la relación entre la velocidad del avión y la velocidad del sonido.

O lo que es lo mismo, el mínimo consumo se obtiene a casi 900Km/h, esto es 9 veces la velocidad de un autobús y 3 veces la velocidad de un tren de alta velocidad. No está nada mal. Para lo mucho que corre un avión consume muy poco.

Esta realidad suele ser extrapolable a otras aeronaves, veamos 2 ejemplos más:

Avión de transporte A400M lo último en aviones de transporte militar:

Malaysia A400M
Foto gentileza Airbus

Velocidad de crucero máxima: Mach 0,72
Velocidad de crucero económica: Mach 0,68

Helicóptero H160 probablemente el helicóptero con aerodinámica más refinada que existe, todavía no ha salido al mercado:

Resultado de imagen de www.airbus.com H160
Foto gentileza Airbus

Velocidad máxima: 325 km/h
Velocidad de crucero: 287 km/h

Como podéis ver se repite siempre el mismo patrón: las velocidades de consumo mínimo son muy altas y usualmente cercanas a las velocidades máximas. ¿Y eso por qué es así? Intuitivamente podemos decir que mantenerse volando requiere un gran esfuerzo, y cuesta (energéticamente) lo mismo volar despacio que rápido. Si tienes poca potencia (como por ejemplo un pájaro o un avión solar) sólo podrás volar despacio, en cambio si tienes mucha potencia (como un avión o un helicóptero que les impulsa unas turbinas de gas), y se proyecta la aeronave para ello, puedes volar muy rápido. Pero la intuición se puede equivocar, es mejor revisar la física del problema. Aquí tenemos un avión volando en condiciones de crucero:



El equilibrio de fuerzas es muy fácil de visualizar:

L - es la sustentación (se representa con la L de lift)
W - es el peso (se representa con la W de weight)
D - es la resistencia (se representa con la D de drag)
T - es el empuje (se representa con la T de thrust)

Obviamente en condiciones de crucero se tienen que satisfacer las siguientes igualdades:

L = W
D = T

A la relación E=L/D se le llama eficiencia aerodinámica. Indica lo buena que es la aerodinámica del avión. Por ejemplo, un buen planeador tiene una eficiencia entre 50 y 70; los pájaros con mejor aerodinámica se mueven en el rango 10 y 20.

Fijaros como queda el consumo de un avión:

Consumo µ T µ W/E

Por tanto, el consumo de un avión es proporcional al peso y la inversa de la eficiencia aerodinámica. Por eso, a diferencia de un coche, un avión tiene que ser tan ligero como sea posible, aunque sea muy muy caro que sea ligero. Pero ¿cómo afecta la velocidad a la eficiencia? Pues este es el milagro de la aerodinámica: E es bastante independiente de la velocidad. Si la velocidad de un avión aumenta entonces D y L aumentan más o menos en idéntica proporción, y simplemente hay que diseñar el avión con alas más estrechas.
NOTA:  en el post de la resistencia aerodinámica ya expliqué como D obedece a la siguiente fórmula D=½×ρ×V2×CD×S. L obedece exactamente a la misma fórmula L=½×ρ×V2×CL×S. Como CD y CL varían poco con la velocidad D y L aumentan más o menos en idéntica proporción. En realidad, existe un punto donde E es óptimo, la velocidad a la que se alcanza ese E óptimo varia con las condiciones de vuelo y se puede ajustar cuando se proyecta el avión, una vez tenemos el avión proyectado básicamente dado el peso de la aeronave existe una presión dinámica (término ½×ρ×V2) en la que se alcanza la E óptimo, por eso la V en la que el consumo es mínimo es muy dependiente de la altitud de vuelo.

Pero, ¿por qué los aviones comerciales vuelan hasta 800-900Km/h y los helicópteros (convencionales) hasta 250-300Km/h? La respuesta es que existe un límite hasta el que se cumple que E es bastante independiente de la velocidad. Si superamos esa velocidad límite entonces E empeora significativamente.

Hasta este punto todo lo que he dicho es fácil de entender sin conocimiento de mecánica de fluidos, desgraciadamente no se puede demostrar esta última afirmación sin hablar de mecánica de fluidos. Podéis simplemente creerme, o tendréis que leer los siguientes párrafos, donde intentaré ser lo más breve y claro posible, os anticipo que la clave están en entender que es la velocidad del sonido, y que implicaciones tiene.

Lo primero que hay que entender es que las perturbaciones se mueven por un fluido a la velocidad del sonido. Esto no solo es importante para la acústica, también es clave para la dinámica de fluidos.

Cuando un cuerpo se mueve por un fluido a velocidades subsónicas el fluido es capaz de "ver a distancia" el volumen del cuerpo, y las líneas de flujo simplemente lo evitan. De hecho, cuando la velocidad es claramente subsónica (hasta unos cientos de kilómetros por hora) se puede considerar que el gas es incompresible.
NOTA: suponer el aire incompresible implica que la velocidad del sonido es infinita. Y simplifica bastante las ecuaciones de la dinámica de fluidos. En esta aproximación se dice que despreciamos los efectos de compresibilidad, entre otras cosas implica que no varía la densidad ni la temperatura del fluido. Como esta aproximación es muy precisa a baja velocidad, es posible calcular el flujo aerodinámico de por ejemplo un coche mucho más fácilmente que el flujo de un avión volando a alta velocidad.

Recordemos que la velocidad del sonido en un gas obedece a la siguiente fórmula:

VM=1 = K × T1/2

Donde:
K es una constante que depende del tipo de gas
T es la temperatura absoluta. Que en el sistema internacional se mide en Kelvin (K)

A temperaturas normales y en el sistema internacional de unidades M = 1 son los famosos 340m/s, a las temperaturas típicas en las que se mueven los aviones comerciales la velocidad del sonido es menor, próxima a los 300m/s.

¿Qué ocurre cuando el cuerpo se mueve a velocidades supersónicas? Entonces las perturbaciones que produce el cuerpo no se pueden transmitir aguas arriba, el aire se da de bruces con el cuerpo, "no ha tenido tiempo a esquivar el objeto", se forman ondas de choque. ¿Qué es una onda de choque? Es una región del espacio muy estrecha en las que las propiedades del fluido cambian drásticamente, y son necesarias para que el aire pueda desviarse para evitar al cuerpo. A efectos prácticos una onda de choque es como una discontinuidad en el fluido. Antes de la onda tenemos al aire libre moviendo a velocidad supersónica, después de la onda de choque tenemos el aire moviéndose a velocidad menor (el aire se frena), y a una presión, temperatura y densidad mayor. La intensidad de la onda de choque es proporcional al número de Mach, en concreto proporcionales al cuadrado del número de Mach. Según la propiedad que analicemos aparecen proporciones de la forma (1+M2). Se escapa de este post entrar en más detalle. Lo que es importante es entender que las ondas de choque absorben gran cantidad de energía en cuanto el número de Mach es elevado. Lo que se traduce en un gran aumento de la resistencia aerodinámica.

Esta dependencia con el número de Mach hace que la capacidad de volar según aumenta M disminuya. La eficiencia aerodinámica de los aviones supersónicos es mala, y cuando pasamos a velocidades hipersónicas (M mayor de 4 o 5) empieza a tener poco sentido decir que la aeronave está volando, ya que E tiene valores próximos a 1.

Empecemos por lo que creo que es más fácil de ver: ¿Cómo afecta esto a un helicóptero?  Cuando tenemos un buen diseño aerodinámico la máxima velocidad de un helicóptero es aquella en la que la punta de las palas del rotor principal es próxima a M = 1, es decir próxima a 1000Km/h. La punta de pala se tiene que mover mucho más deprisa que la velocidad del helicóptero (pongamos por ejemplo 700Km/h), porque si no fuera así cuando la pala se mueve en el sentido de avance no sustentaría. Como las velocidades se suman en la pala que se mueve en sentido contrario al avance, la máxima velocidad en este ejemplo son 300Km/h (700+300 = 1000Km/h).

Pasemos al siguiente ejemplo que es un poco más esquivo, la máxima velocidad de un turbohélice como el A400M es aquella en la que las puntas de las palas de las hélices se mueven en el entorno de M = 1. En este caso las velocidades no se suman algebraicamente como en el helicóptero, ya que la velocidad de la punta de pala es perpendicular a la velocidad de avance. Además, a diferencia del helicóptero la velocidad de la hélice no tiene necesariamente que ser mayor que la velocidad de avance del avión, en este ejemplo la velocidad de rotación es de aproximadamente 700rpm, que cuando se multiplica por el radio del motor nos da una velocidad de aproximadamente 700Km/h, si volamos a una velocidad de crucero de 750Km/h entonces la velocidad del aire que ve la punta de la pala es de (7002+7502)1/2 = 1000Km/h.
NOTA: el A400M no es un turbohélice normal, es un avión diseñado para volar a alta velocidad, en los aviones impulsados con hélice la velocidad que ve la punta de la pala suele ser menor. Pero aún es posible conseguir velocidades de vuelo mayores si la hélice gira un poco más despacio. Por ejemplo, el famoso bombardero estratégico Tupolev Tu-95 puede volar aproximadamente 100Km/h más rápido.

Finalmente llegamos al ejemplo del A350, este avión como todos los aviones para grandes rutas comerciales está diseñado para volar tan cerca de Mach 1 como sea posible. Aquí también obtenemos el empuje con hélices, pero las hélices están carenadas (eso es lo que es un turbofán, una hélice carenada impulsada por un motor a reacción) de esta manera la velocidad que ven los álabes del fan de los motores es más baja (el aire se frena al entrar en los motores, en términos fluidodinámicos la entrada del motor es un difusor), y además la aerodinámica del avión está optimizada para el vuelo transónico. ¿Qué es el régimen transónico? Es un vuelo subsónico pero con determinadas regiones con velocidades ligeramente supersónicas. Esto es aceptable porque se generan ondas de choque débiles.

En particular os destaco tres detalles que veréis en cualquier avión comercial de este tipo: son grandes, tienen alas en flecha con ángulos de flecha grandes y utilizan perfiles aerodinámicos especiales para vuelo transónico (lo que se conoce como perfiles supercríticos).
NOTA: volar en transónico tiene una gran lista de inconvenientes, os enumero unos cuantos: se requieren velocidades de despegue y aterrizaje elevadas lo que a su vez requiere pistas largas, motores muy potentes, trenes de aterrizaje sofisticados, y para complicarlo más mecanismos hipersustentadores (flaps y slats) muy sofisticados y complejos que se utilizan en el despegue y aterrizaje. También necesitas un diseño aerodinámico muy sofisticado, y volar muy alto para que la densidad del aire sea muy baja, lo cual obliga a cabinas presurizadas y capacidad de soportar las temperaturas bajísimas que hay a esas altitudes. Por eso el vuelo transónico es incompatible con un avión económico.

Por tanto, ya sabéis porqué los aviones comerciales vuelan a velocidades comprendidas típicamente entre 800Km/h y 900Km/h: porque la mecánica de fluidos les permite mantener consumos bajos a esas velocidades. Desgraciadamente esto no es extrapolable a un coche.

1 jun. 2018

EL GAS - EL HIDROCARBURO MÁS ECONÓMICO III

...continuación posts anteriores.

En este post vamos a aclarar la duda de comprar un coche de GNC o GLP.

Si has leído los dos posts anteriores no hay duda, desde un punto de vista de ahorro en España hay que comprarse un coche de GNC. Sin embargo, hay que tener en cuenta una serie de inconvenientes. He construido la siguiente tabla resumen:

Coche GLP Coche GNC
Precio combustible Peor Mejor
Precio coche Mejor Peor
Autonomía Mejor Peor
Contaminación Peor Mejor
Potencia motor Mejor Peor
Disponibilidad gasolineras Mejor Peor
Perdida espacio maletero Mejor Peor

Por tanto, aunque haya una clara ventaja en el ahorro, hay una lista de pequeños, o no tan pequeños inconvenientes. Empecemos con lo más evidente, el impacto del depósito de gas. Un depósito de GLP penaliza en peso, espacio, precio y/o autonomía. ¿cuanto? Pues veamos un ejemplo, el Fiat Punto 5p Easy 1.4; en las 3 opciones posibles:

Fiat Punto 5p Easy 1.4
8v 77 CV Gasolina/GLP
Fiat Punto 5p Easy 1.4
70 CV Natural Power
Fiat Punto 5p 1.4
8v 77 CV
Precio 12.290 12.550 10.490
Peso 1.115Kg 1260Kg 1.040Kg
Maletero 252l 200l 275l
Deposito gasolina 38l 45l 45l
Deposito gas 21Kg 13Kg N/A
Potencia 57KW 51KW 57KW

Podéis ver como la diferencia de precio entre los 3 coches es pequeña, en unas pocas decenas de miles de kilómetros está amortizado el sobreprecio, especialmente en el modelo de GNC, pero las desventajas se ven también claramente: más peso, menos maletero y una autonomía bastante modesta. Con 13Kg la autonomía oscilará en el entorno 300Km y 400Km, mucho menos que con gasolina y bastante menos que con GLP.
Otra cosa que se ve es la perdida de potencia. Con GLP la potencia máxima que da el motor baja un poco, en este ejemplo del entorno del 10%.

Otro inconveniente, probablemente el mayor del GLP y GNC: hay relativamente pocas gasolineras con gas en España, y aún menos con GNC. Con el tiempo apuesto que mejorará, pero en estos momentos es un problema serio en muchas zonas de España, especialmente para el caso del GNC, donde sólo en la zona de Barcelona y Madrid existe una red de gasolineras, y encima la baja autonomía agrava el problema. Pero mejor una imagen del portal del Ministerio de Industria:

Gasolineras con GLP

Gasolineras con GNC

Finalmente tenemos el problema de la oferta de coches. Si queremos comprar un coche de fabrica preparado para GLP tienes una oferta limitada. Si realizas una búsqueda en Km77 puedes elegir entre 51 modelos de los siguientes fabricantes: Dacia, Hyundai, Fiat, Opel, Citroën, Ssangyong, Ford, Jeep y Alfa Romeo. Si te quieres comprar un coche preparado para GNC tienes una oferta igualmente limitada, si realizas una búsqueda el número de modelos es parecido, en concreto 55 modelos, pero sólo puedes elegir entre modelos de Fiat y del grupo Volkswagen, aunque al menos están representadas las marcas generalistas: Seat, Audi, Volkswagen y Skoda. De nuevo apuesto que la oferta se ampliará pronto.

En resumen, no hay combustible más barato que el GNC, si quieres ahorrar ese es el coche que te tienes que comprar, y de paso proteges el medio ambiente. Pero antes de tomar esa decisión sopesa cuidadosamente los inconvenientes, en estos momentos muchas personas no tendrán más opción razonable que comprar un coche Diesel. En el siguiente post compararé el GNC con las otras alternativas disponibles, a saber: coches eléctricos y coches con pilas de combustible de hidrógeno.

Continuará...


20 abr. 2018

EL GAS - EL HIDROCARBURO MÁS ECONÓMICO II

...Continuación post anterior.

Continuamos con el siguiente combustible que se comercializa en España:

Gas licuado del petróleo (GLP)
¿Qué es el GLP? Al igual que el gas natural es una mezcla de hidrocarburos ligeros en estado gaseoso. Pero a diferencia del gas natural, se busca las moléculas que son más pesadas que el metano ¿Por qué? Porque se puede licuar fácilmente al comprimirlo. En la práctica es un mezcla de prácticamente sólo butano y propano.

Inmediatamente se entiende cual es la ventaja del GLP, la densidad es bastante mayor que el caso del Gas Natural Comprimido (GNC). Mentas que la densidad del GNC es en el mejor de los caso 158Kg/m3 (a temperatura ambiente y una presión de 200Bar) la densidad del GLP es de 550Kg/m3, es decir sólo un poco menos que la gasolina, y además a una presión mucho más razonable de el entorno de 8Bar a 15Bar, por lo que el tanque es más ligero, más pequeño y más barato que en el caso del GNC.

¿Cuales son los inconvenientes del GLP? Yo veo principalmente dos:

El sensiblemente más caro que el GNC. De manera que cuando se compara con el gasóleo C, se comprueba que no hay ahorro, ya que la pequeña ventaja que tiene en precio se pierde cuando se tiene en cuenta que el rendimiento del motor es algo peor. En este post explicaba porque un motor Diesel es más eficiente. En cualquier caso hay un enorme ahorro respecto a la gasolina, y algunas otras ventajas que veremos más adelante.

Es más contaminante que el GNC. El motivo es fácil de entender, cuanto más hidrógeno tiene un combustible más agua se genera en la combustión, y menos dióxido de carbono, así de sencillo:

Combustión metano: 2CH4 + 3O2 => 2CO2 + 4H2O   (Ratio H2O/CO2 = 2)
Combustión propano: 2C3H8 + 10O2 => 6CO2 + 8H2O (Ratio H2O/CO2 = 4/3)
Combustión butano: 2C4H10 + 13O2 => 8CO2 + 10H2O (Ratio H2O/CO2 = 5/4)
NOTA: se concluye fácilmente que en el caso de los alcanos de cadena larga como el queroseno que se utiliza en aeronáutica o el fueloil que se utilizar en la marina mercante el ratio H2O/CO2 es muy próximo al 1.

Antes de empezar a hablar de coches, quiero señalar dos ventajas importantes del GNC y el GLP sobre la gasolina y el gasóleo:

Desde el punto de vista de la durabilidad del motor, la combustión es más limpia. Por tanto se forma menos carboncillo, y cabe esperar a largo plazo menos averías, y por tanto un coste de mantenimientos más bajo. Sin embargo no tengo muy claro si es buena idea comprar un kit de adaptación a gas. En estos momentos hay una oferta razonable de coches nuevos preparados para GNC o GLP, y ya he visto unos cuantas personas en internet que se quejan de averías prematuras en coches modificados con un kit.

Desde el punto de vista del uso, estos coches tiene un distintivo eco, lo cual tiene potencialmente muchas ventajas:

  • Menores impuestos tanto en la compra como normalmente en el impuesto de circulación (depende del ayuntamiento).
  • En muchas ciudades te permite estacionar con una tarifa más económica. En algunos casos hasta los peajes son más económicos.
  • Finalmente en algunas grandes ciudades te permite circular cuando hay restricciones de tráfico. Esto es una ventaja determinante para muchas personas. Pero ojo, hay que estudiar la regulación de tu ciudad que además cambia con el tiempo. La mejor opción para poder circular en zonas o periodos de restricción de tráfico es un vehículo de cero emisiones (es decir eléctrico o pila de combustible o probablemente híbrido que puede circular sólo en modo eléctrico).
Un último comentario bastante obvio, utilizar gas como combustible no está reñido con un sistema de propulsión híbrido. Sin embargo en práctica no he visto nada en el mercado. Me supongo que tiene que ver con el espacio. En estos momentos los modelos que venden tiene dos depósitos, uno de gasolina y otro de gas, debe ser muy complicado encajar esos dos depósitos en un coche híbrido que ya va de por si justos de espacio. Apuesto que es cuestión de tiempo que se comercialicen coches híbridos (me refiero con motor eléctrico) a gas. Lo que si que hay es usuarios que modifican híbridos para utilizar gas como combustible. Como ejemplo tuvo cierta repercusión mediática este accidente de un Toyota Prius modificado para usar GLP. Y esto nos recuerda que un combustible gaseoso entraña más riesgos que un combustible líquido, especialmente si el sistema instalado es un kit en vez de una instalación de fabrica, y más si comparamos con el gasóleo, que es un combustible muy estable.

Continuará...

8 abr. 2018

EL GAS - EL HIDROCARBURO MÁS ECONÓMICO I

Estimado lector, después de unos años de parón voy a retomar la actividad en el blog. En estos años han pasado una cuantas cosas interesantes y además aun me quedaban algunas cosas en el tintero.

Voy a empezar por un combustible que hasta hace muy poco estaba prácticamente restringido al mundo del taxi: el gas. La gran ventaja del gas es su excelente trato fiscal. Aquí os dejo una tabla comparativa de los diversos combustibles que se comercializan en las gasolineras españolas a fecha de hoy. Se puede consultar por ejemplo aquí:


COMBUSTIBLE PRECIO DENSIDAD
ENERGÉTICA
PRECIO
ENERGíA
1/DENSIDAD
Gasolina 98 octanos 1,259€/l 43,4MJ/Kg 3,94cent€/MJ 1,357Kg/l
Gasolina 95 octanos 1,149€/l 43,4MJ/Kg 3,59cent€/MJ 1,357Kg/l
Gasóleo automoción (A) 1,039€/l 43MJ/Kg 2,86cent€/MJ 1,182Kg/l
Gasóleo de
Calefacción (C)
0,935€/l 43MJ/Kg 2,57cent€/MJ 1,182Kg/l
Gas licuado del
petróleo (GLP)
0,635€/Kg 46MJ/Kg 2,51cent€/MJ 1,818Kg/l
Bombona doméstica
Butano (12.5 KG.)
13,96€ 45,75MJ/Kg 2,44cent€/MJ -
Bombona domestica
Propano (11 KG.)
12,28€ 46,35MJ/Kg 2,41cent€/MJ -
Gasóleo para
uso agrario (B)
0,772€/l 43MJ/Kg 2,12cent€/MJ 1,182Kg/l
Gas natural
comprimido (GNC)
0,923€/Kg 47,1MJ/Kg 1,96cent€/MJ -
Gas natural
licuado (GNL)
0,923€/Kg 47,1MJ/Kg 1,96cent€/MJ -
NOTA: el dato de densidad energética corresponde al poder calorífico inferior, es decir la energía que se obtiene al quemar el combustible con el agua resultante de la combustión en estado de vapor. Los precios corresponden a la semana pasada, y a las gasolineras más económicas que tengo cerca de mi casa.

Todos los combustibles que os muestro son combustibles fósiles, la mayoría resultado de la destilación del petróleo. El gas natural es la gran excepción.
NOTA: los hidrocarburos también se pueden obtener por transformación del carbón o de fuentes renovables, así tenemos el biogás equivalente al gas natural, el biodiésel equivalente al gasóleo o el etanol (o alcohol etílico) que puede remplazar a la gasolina.

Si os fijáis en la densidad energética veréis que es muy similar para todos los hidrocarburos. Es un poco más alta cuanto más hidrógeno contiene el combustible, pero las variaciones son modestas. Sin embargo cuando miramos la energía que obtenemos por cada euro que pagamos las diferencias son muy grandes:



La gasolina cuesta mucho más que la popular y un poco anacrónica bombona de butano, y dos veces lo que pagamos por el GNL. Únicamente el gasóleo B tiene un precio comparable a los combustibles gaseosos, pero en un coche sólo es legal utilizar gasóleo A (es cierto que los gasóleos B y C son de peor calidad, pero la diferencia de precio entre los 3 gasóleos viene determinada casi únicamente por la fiscalidad). Este trato fiscal favorable a los combustibles gaseosos es practica común en toda la unión europea y también en otros continentes. Pero si miráis por ejemplo aquí veréis que la fiscalidad en EEUU es muy diferente, y la ventaja del gas natural es mucho más modesta.

Revisemos las dos opciones que tenemos para utilizar en un coche:


El gas natural comprimido (GNC)

El gas natural es una combinación de hidrocarburos muy ligeros, pero en su mayor parte es metano. Por eso es el hidrocarburo que tiene una combustión más limpia y por tanto menos contaminante. Como combustible le veo dos puntos débiles:

Primero no se licua cuando se comprime, por eso normalmente se transporta por larguísimos gaseoductos y requieren depósitos grandes para su almacenamiento.
NOTA: cuando se requiere comprimir el gas natural en un volumen pequeño, por ejemplo para su transporte desde lugares remotos en buques gaseros, se recurre a licuarlo. Pero la temperatura de ebullición del metano a presión atmosférica es de la friolera de -160ºC. Os podéis hacer una idea del coste energético y las dificultades logísticas para manejar un producto a esas temperaturas. En cualquier caso como no venden coches que puedan funcionar con gas natural licuado (GNL) se escapa del contenido del blog. No obstante, se comercializa porque sí hay camiones y autobuses preparados para repostar GNL.

El segundo problema del metano es que contribuye enormemente al calentamiento global (mucho más que el dióxido de carbono), por eso de donde venga y según se ha obtenido tiene efecto en su impacto ambiental. Si el metano viene como subproducto de otra actividad utilizarlo como combustible es un gran servicio al medio ambiente (frente a expulsarlo a la atmósfera). Por ejemplo el metano extraído como biogás de purines de un granja, o el metano que aparece en pozos de petróleo.
NOTA: seguro que recordaréis fotos y vídeos sobre todo en el pasado de un pozo de petróleo con una torre soltando llamaradas a la atmósfera en su punto más alto. Esas llamas eran la combustión del metano que se extraía con el petróleo y simplemente se desechaba a la atmósfera.

En cambio podemos tener el caso contrario, un pozo de gas natural de baja calidad con un sistema de distribución de baja calidad, con perdidas de gas durante todo el proceso. En este escenario el beneficio para el medio ambiente de utilizar gas natural es más modesto.

Continuará...

26 sept. 2013

LOS CONSUMOS HOMOLOGADOS V - ¿NOS ENGAÑAN LOS FABRICANTES?

...Continuación posts anteriores.

Es fácil encontrar personas o información en internet en los que se acusa a los fabricantes de coches de realizar trampas para obtener los consumos homologados. Yo no quiero ser alarmista, ni conspiranoico, pero no me puedo olvidar de escándalos como por ejemplo el de Kia y Hyundai en 2012. La compañía acabó reconociendo que los consumos homologados según la EPA eran fraudulentos en varios de sus modelos (ver por ejemplo esta noticia en el New York Times).

Al menos se pueden constatar dos cosas:
  • Los fabricantes tienen enormes incentivos para conseguir consumos NDEC tan bajos como sea posible.
  • Incluso manteniéndose dentro de la legalidad, la norma permite consumos NDEC absurdamente bajos respecto a la conducción real debido a una serie de lagunas que los fabricantes aprovechan en su favor.

Empecemos por los incentivos para un consumo homologado bajo:

En estos momentos en España los impuestos de matriculación de un vehículo se calculan en función de las emisiones según la siguiente tabla:
  • 0%: vehículos de emisiones menores o iguales a 120gr/km de CO2
  • 4,75%: vehículos de emisiones mayores de 120 y menores de 160gr/km de CO2
  • 9,75%: vehículos de emisiones mayores o iguales a 160 y menores de 200gr/km CO2
  • 14,75%: vehículos de emisiones mayores o iguales a 200gr/km de CO2
Por ejemplo en un coche medio con un precio de 20.000euros, conseguir bajar de 160gr/km o 120gr/Km supone una disminución en el precio del 5%, es decir 1000euros, muchísimo dinero. En otros países europeos existe también esta progresividad en la fiscalidad de la compra de un coche.

Además, los fabricantes deben cumplir unos objetivos de emisiones totales, y en algunos paises1 el impuesto de circulación tiene en cuenta el nivel de emisiones. Por ejemplo en Alemania este impuesto es cero para emisiones menores a 110gr/km, y aumenta a partir de ahí a razón de 20euros por cada 10gr/Km que se supera el límite de 110gr/km.
NOTA 1: en estos momentos el impuesto de circulación en España no es proporcional a las emisiones, pero tiempo al tiempo.

También existen zonas urbanas en las que se restringe la circulación de vehículos con emisiones elevadas, y finalmente muchos compradores tienen en cuenta los consumos homologados al elegir un coche.

Por tanto, un fabricante tiene enormes incentivos para conseguir consumos homologados tan bajos como sea posible, aunque tenga que moverse al borde de la ley. De hecho, en el estudio que presenté en este post se observa que cuando los impuestos no dependían del consumo homologado, los consumos homologados eran mucho más parecidos a los consumos reales que ahora.

Respecto a las lagunas de la norma, sin ser exhaustivo, veamos algunas de las más evidentes:

UN CICLO DE CIRCULACIÓN ESQUEMÁTICO
Como comentaba en este post, uno de los puntos débiles de los consumos NDEC es utilizar un ciclo de circulación esquemático. Este tipo de ciclos en los que siempre se circula a las mismas velocidades, y se repiten las mismas aceleraciones y deceleraciones, invitan a ajustar la centralita que controla el motor o los desarrollos del cambio de marchas para minimizar los consumos homologados. Esta presión por bajar el consumo homologado podría incluso perjudicar a los consumos en condiciones reales. Por ejemplo los desarrollos en las marchas más largas casi siempre son demasiado cortos para minimizar el consumo a altas velocidades.

NO SE CONSIDERA EL CONSUMO DEL AIRE ACONDICIONADO
Como comenté en el post anterior los fabricantes no tienen ninguna obligación de reportar el consumo del aire acondicionado, lo cual incentiva muy poco la fabricación de sistemas de climatización eficientes. En realidad calcular el consumo del aire acondicionado es muy fácil, sólo hay que comparar los consumos al relentí con y sin aire acondicionado conectado, pero los fabricantes nunca dan ese dato, así que no lo sabes hasta que te compras el coche.

TOLERANCIAS DEMASIADO RELAJADAS Y FALTA DE DEFINICIÓN EN LA NORMA
Según este estudio de TNO2 de finales de 2012, explotando todas las lagunas y tolerancias permitidas en la norma se pueden conseguir ahorros espectaculares, al menos del 10%, y en algunos casos de más del 20%. Quien quiera profundizar le recomiendo que se lea el mencionado estudio, es bastante farragoso, pero también muy detallado y extenso.
NOTA 2: TNO es un centro de investigación independiente holandés. El estudio que recomiendo fue financiado por la Comisión Europea, y elaborado con la colaboración de otras instituciones.

La norma permite unas tolerancias muy holgadas en gran número de variables que impactan en el consumo homologado. Tal vez hace muchos años estas tolerancias tenían cierta justificación, pero con los equipos de medida actuales son demasiado laxas. Veamos un par de ejemplos:
  •  Se permite descontar un 4% la medida de emisiones obtenida en el test.
  • Al inicial el test la temperatura del aceite y líquido refrigerante puede estar comprendida entre 20ºC y 30ºC.
Existen numerosos parámetros y condiciones al realizar los ensayos que la norma no define suficientemente, o ni siquiera menciona. Veamos un par de ejemplos:
  • No se define el nivel de carga de la batería. Obviamente los fabricantes cargan la batería al máximo antes de empezar el ensayo, de esta manera el alternador trabaja menos. Esto es especialmente  provechoso en coches que utilizan mucho la batería, por ejemplo en los coches equipados con start & stop o los coches híbridos.
  • No se define suficientemente el ensayo de deceleración en punto muerto para obtener la resistencia aerodinámica y la resistencia de rodadura. En estos ensayos se optimizan numerosos parámetros para conseguir una resistencia mucho más baja que la que sufrimos al circula en condiciones normales. Uno de los parámetros que no está definido es el tipo de firme. Los fabricantes utilizan pistas preparadas como por ejemplo la pista de la Idiada situada en España (y más concretamente en Barcelona) donde la resistencia de rodadura es inferior a las carreteras normales.
Continuará...

13 sept. 2013

LOS CONSUMOS HOMOLOGADOS IV - ¿POR QUÉ SUBESTIMAN EL CONSUMO?

...Continuación posts anteriores

Existe una larga lista de motivos por el que un coche consume más que el consumo homologado NEDC, empecemos revisando los motivos más evidentes, dejo para el siguiente post los vericuetos de la norma de los que sacan partido los fabricantes:
  • Las pendientes: el ciclo homologado es en llano. Esto es una buena aproximación para un lugar plano como por ejemplo Holanda, pero puede ser una aproximación mala para un país montañoso como por ejemplo España. Cuando las pendientes son moderadas esto no es un problema, de hecho se puede hasta mejorar el consumo (ver este post y este otro post); pero cuando las pendientes son elevadas se convierte en misión imposible alcanzar los consumos homologados. El aumento de consumo será más significativo cuanto más pesado y aerodinámico sea el coche.
  • La carga del coche: el ciclo homologado se realiza sólo con el conductor y sin equipaje. Si tenemos que viajar con más peso (ya sea por equipaje, o por más ocupantes) aumentará el consumo.
  • El consumo de los elementos auxiliares: en el ciclo homologado no se tienen en cuenta ninguno de los elementos auxiliares que se alimentan del motor o el alternador. Por tanto, el aire acondicionado, las luces, el navegador, la radio, las lunetas térmicas etc. están apagados. Como en la conducción real tenemos que utilizar estos elementos, el consumo siempre será mayor. De todos estos elementos normalmente el aire acondicionado es el que aumenta más el consumo.
  • Las inclemencias meteorológicas. En el ciclo homologado no se considera el efecto del viento, la lluvia, la nieve etc.: 
    • Como veremos más adelante, en promedio el viento siempre aumenta el consumo.
    • La lluvia y la nieve aumentan el consumo por varios motivos, algunos evidentes, otros más sutiles. La resistencia de rodadura aumenta con carretera encharcada y se dispara con carretera nevada o helada. La resistencia aerodinámica aumenta con lluvia, y se dispara cuando la nieve se adhiere al coche. Pero la cosa no acaba aquí, con lluvia y nieve tenemos que activar limpiaparabrisas y a veces lunetas térmicas o luces que obviamente aumentan el consumo. La nieve a veces se acumula en la zona del guardabarros aumentando el rozamiento.
  • El frio: el ciclo homologado empieza con el motor a 20ºC. Cuando hace frio el consumo aumentará. Cuando arrancamos el motor con frio partimos de una temperatura inferior a 20ºC, y tardará más tiempo en alcanzar la temperatura óptima. Por otra parte, el aire más denso aumentará la resistencia aerodinámica; Además, cabe esperar un ligero aumento de la resistencia de rodadura, aunque este efecto es pequeño.
  • Las curvas: el ciclo homologado se realiza en un banco. Es como circular por una recta infinita. En realidad las carreteras tienen curvas, en las curvas incluso aunque se tomen a la misma velocidad que las rectas (por ejemplo en autopistas) el consumo aumenta, ya que aumenta la resistencia aerodinámica y la resistencia de rodadura. Obviamente a más cerrada la curva mayor aumento del consumo.
  • Las velocidades en carretera: la velocidad media del ciclo extra-urbano es de 62,6Km/h. Estás es una velocidad baja para las velocidades típicas de circulación por carretera (al menos para el caso de Europa). Especialmente si circulas por autopista (típicamente entre 110Km/h y 130Km/h según país y tramo de autopista) el consumo será significativamente mayor que el homologado.
Continuará...