15 jul. 2018

QUÉ SALE MÁS BARATO UN COCHE ELÉCTRICO O UN COCHE DE GAS NATURAL

...Continuación posts anteriores.

Para terminar esta serie vamos a comparar que sale más barato un coche eléctrico o un coche de gas natural. Y la respuesta es depende, depende de lo eficiente que sea cada coche y de lo barata que te salga la electricidad; y sobre todo depende del precio de cada coche.

Obviamente si te comprar un coche eléctrico con un consumo malo y que encima es caro como pueda ser un Tesla modelo S, te va a salir más caro seguro. Por eso hay que hacer los números con un coche que tenga un consumo y precio contenido. El Nissan Leaf me parece una buena elección, cojamos este coche como referencia, y en concreto el modelo nuevo que tiene más batería que el modelo previo, y en particular el acabado más económico. Veamos las características de este coche en Km77:


Modelo Nissan LEAF 40 kWh Acenta
Precio 33.400€
Velocidad máxima 144Km/h
Aceleración de 0 a 100Km/h 7,9s
Peso 1.580kg
Volumen maletero 394 litros
Potencia máxima 110KW
Neumáticos 205/55 R16
Baterías iones de litio 40KWh

La primera pregunta: ¿qué autonomía tiene este coche? Pues según el ciclo NEDC 380 kilómetros. Como este ciclo no es nada representativo de la realidad mejor miramos datos de gente que lo ha conducido, como los que se registran en Spritmonitor. Y parece más realista pensar en los 300Km que correspondería con una conducción principalmente urbana. El límite bajo se da para un viaje en autopista, en este caso la autonomía es sólo de 200Km.  Es decir, consumos entre 20KWh/100Km y 13,3KWh/100Km.

Aquí tenemos que hacer un inciso, cuando cargamos una batería se caliente, ese calor son pérdidas. ¿cuál es el rendimiento de carga de un coche? Pues depende de varias cosas. Lo que sí hay consenso en la literatura es que las baterías de iones de litio son las que tienen mayor rendimiento. Otro fenómeno que hay que tener en cuenta es que las baterías se descargan con el paso del tiempo. Estimo estos dos efectos en el rango 90% y 80%. Por tanto, la electricidad que tenemos que pagar realmente estará en el rango:

Caso más desfavorable: 20/80% = 25KWh/100Km
Caso más favorable: 13,3/90% = 14,8KWh/100Km

Último paso, ¿cuánto nos cuesta la electricidad? Pues depende, y especialmente en España donde hay una especie de confabulación para que la factura de la luz sea incomprensible. Voy a proponer un escenario típico, con un poco de cuidado cualquiera pueda hacer números en cualquier otro escenario. Lo normal si te compras un coche eléctrico (al menos de momento) es que tengas una vivienda unifamiliar y lo recargues en casa. Lo lógico es que contrates una factura específica para un coche eléctrico. En estos momentos tenemos la tarifa supervalle. Esta tarifa dura únicamente 6 horas (01:00 a 07:00), lo que te obliga a instalar un cargador especial de 6,6KW. La instalación de este cargador cuesta unos 1000€. Además, otra ventaja de la tarifa supervalle es que aumenta poco la potencia contratada, ya que el consumo es (generalmente) en las horas que hay menor consumo en la casa. Supongamos una potencia contratada entre 4,6KW (20A) y 6,9KW (30A). Para estas potencias un incremento de 3 o 4KW de la potencia contratada parece suficiente, este aumento del término de potencia lo tenemos que añadir al coste de cargar el coche. Los números son los siguientes:

Escenario favorable: aumento potencia 3KW y consumo por el coche de 700KWh (unas 15 recargas al mes)
Precio real electricidad 0,10€/KWh

Escenario desfavorable: aumento 4KW y consumo por el coche de 140KWh (unas 3 cargas al mes)
Precio real electricidad 0,27€/KWh

NOTA: hay un inconveniente en escoger la tarifa supervalle, el resto de tu factura puede aumentar, ya que parte lo haremos durante el horario más desfavorable, he considerado un aumento de 5 euros/mes por este concepto, dependerá de cada casa. Pero podría darse el caso contrario si ajustas tu consumo a la tarifa contratada. Seguro que alguien dirá que cómo es posible que los números salgan tan malos. En el post anterior el dato que daba como mejor precio posible era de 0,089€/KWh; el principal problema es el término fijo de potencia que no tuve en cuenta en el coste de la energía.

Y por tanto esta es la horquilla para circular 100Km

Escenario más favorable: 14,8KWh/100Km×0,10€/KWh = 1,48€/100Km

Escenario más desfavorable: 25KWh/100Km×0,27€/KWh = 6,75€/100Km

Y sin revisar los números respecto al gas natural ya tenemos una conclusión clara: para que el coche eléctrico sea barato necesitas hacer bastantes kilómetros al año. Si te compras un coche eléctrico para hacer unos 12000Km/año (mi escenario desfavorable) y pretendes cargar el coche en unas horas los números no sale, porque el término de potencia que tienes que pagar cada mes a la compañía eléctrica te arruinan el precio real que pagas por la electricidad. Si ese es tu caso paciencia, poco a poco irán apareciendo más "electrolineras", tendrás que conformarte con mantener la potencia contratada que tengas, recargar tu coche con una potencia reducida (por ejemplo 3KW), y el día que tengas que cargar tu coche con rapidez, que se supone que será excepcional, tendrás que ir a la "electrolinera".

Para el coche de gas natural vamos a buscar un coche similar al Nissan Leaf:


Modelo Volkswagen Golf Variant Advance 1.4 TGI
Precio 26.540€
Velocidad máxima 196Km/h
Aceleración de 0 a 100Km/h 10,9s
Peso 1.363kg
Volumen maletero 424 litros
Potencia máxima 81KW
Neumáticos 205/55 R16
Deposito Gasolina 50 litros
Deposito Gas natural 15Kg

Este coche acelera menos que el Nissan, pero suficiente para la mayor parte de los usuarios, y a cambio corre mucho más de lo necesario para la mayor parte de los usuarios. Tiene un poco más de maletero, y es un poco más grande (lo necesita para que no penalice el depósito de gas) y es un poco más ligero. Las ruedas son exactamente las mismas.

¿Cuál es el consumo real de este coche? Pues casi no hay datos. En Spritmonitor sólo hay un usuario que ha circulado bastantes kilómetros moviéndose en el rango 3 y 5Kg/100Km. Afortunadamente hay muchos datos de coches similares del grupo VW (VW Golf carrocería normal, Seat Leon o Audi A3). Me parece más realista pensar en consumos entre 3,5 y 6Kg/100Km, que es la horquilla amplia entre un conductor ahorrador, y un conductor que no cuida el consumo. Voy a tomar como precio del combustible 0,98€/Kg para tener en cuenta el aumento del precio en las últimas semanas, el resultado es:

Escenario favorable: 3,5Kg/100Km×0,98€/Kg = 3,43€/100Km

Escenario desfavorable: 6Kg/100Km×0,98€/Kg = 5,88€/100Km

La conclusión en este ejemplo está clara, no compensa desde el punto de vista económico comprarse el coche eléctrico respecto al coche de gas natural. Comparando estos dos coches similares podemos esperar ahorros, en el escenario más favorable al coche eléctrico, de unos 4 euros cada 100Km. Que correspondería a conductor que circulas muchos kilómetros al año en un entorno mayoritariamente urbano con una conducción además poco cuidadosa. En este caso el consumo del eléctrico es mínimo y el consumo del coche convencional es máximo. En el lado opuesto, un conductor que realice pocos kilómetros por autopista el ahorro es mucho menor. como el coche eléctrico en este ejemplo cuesta 7000 euros más, es casi imposible recuperar esa diferencia ya que se necesita nada menos que:

7000/4 → 175.000Km

Y eso sin tener en cuenta la amortización de la toma de corriente de alta potencia, por que espero que esté suficientemente bien fabricada para que dure mucho más que el coche. Alguien puede decir que no he tenido en cuenta que un coche eléctrico es más barato de mantener, y esto es cierto, pero sólo es una verdad a medias. Desde el primer dia la capacidad de la batería empieza a deteriorarse y en algún momento hay que plantearse cambiar la batería, y esa cambio cuesta varios miles de euros, y entonces deja de ser cierto que el mantenimiento del coche eléctrico es bajo. ¿En qué momento llega ese cambio de la baterías? Pues depende del coche que te compres, del trato que le des al coche y los kilómetros que hagas al año. Pero sobretodo depende de cuánta pérdida de capacidad estás dispuesto a aceptar. Podemos esperar que el punto de cambio de baterías esté en el rango 150.000Km y 300.000Km. Aquí tenéis una entrevista a un taxista con el primer  modelo de Nissan Leaf, en esta caso la capacidad se ha reducido en un 40% después de 300.000Km.

No obstante sigue habiendo importantes razones que justifican comprarse un coche eléctrico, y el sobrecoste que tienes que pagar es moderado. Solo tienes que sobrellevar su principal problema: una autonomía limitada a 200-300Km. Problemática que no tiene solución técnica en estos momentos porque si Nissan fabricara un Leaf con 80KWh entonces el consumo empeoraría ligeramente (coche más pesado y voluminoso) y el precio aumentaría significativamente, y deja de ser cierto que es sobrecoste de un coche eléctrico es moderado.

Habrá que esperar que pasa en los próximos años. Salvo revolución tecnológica inesperada el margen de mejora de un coche de gas natural está limitado a motores híbridos con un poco más de rendimiento que los actuales que permitiría consumos de hasta 2,5Kg/100Km de gas natural. Para los coches eléctricos sólo hace falta que bajen los precios de las baterías y que aumente el número de electrolineras. Y esta tendencia ha sido visible en los últimos años. Por tanto el tiempo corre a favor del coche eléctrico.

Para los próximos años mi apuesta más probable es que se impondrá la solución intermedia, los coches híbridos enchufables, y si la fiscalidad sigue siendo favorable triunfarán los modelos de gas natural. No hay que ser un experto para ver que ya mismo estos coches son perfectamente viables. El único empujón que necesitamos es que se extiendan las gasolineras con gas natural, y entonces será posible eliminar el depósito de gasolina, o dejar un depósito de gasolina de un tamaño mínimo.

6 jul. 2018

EL GAS - EL HIDROCARBURO MÁS ECONÓMICO IV

...Continuación post anteriores.

Si habéis leído los posts anteriores, no hay duda, el gas natural es el hidrocarburo más económico que hay en España, únicamente el Gasóleo B puede competir en precio, pero sólo se puede utilizar en vehículos y maquinaria agrícola.

La duda que voy a intentar aclarar es que ocurre cuando se compara el gas natural con otros combustibles alternativos, y la respuesta es esta tabla:

COMBUSTIBLEPRECIODENSIDAD
ENERGÉTICA
PRECIO
ENERGíA
Gas natural0,923€/Kg47,1MJ/Kg1,96cent€/MJ
Hidrógeno10€/Kg119,96MJ/Kg8,34cent€/MJ
Electricidad tarifa económica0,089€/KWhN/A2,47cent€/MJ
Electricidad tarifa cara0,210€/KWhN/A5,85cent€/MJ
Biomasa económica100€/Ton19MJ/Kg0,53cent€/MJ
Biomasa cara200€/Ton19MJ/Kg1,05cent€/MJ
NOTA: disculpad, los datos están un poco pasados. En las últimas semanas el petróleo y la luz han subido, pero por coherencia comparo con los precios cuando se publicó el primer post de la seria. Tampoco tiene sentido obsesionarse, los precios de la energía fluctúan cada día.

Lo primero que quiero destacar es el caso del hidrógeno. El principal problema para revisar este combustible es que no hay mercado, no sabemos lo que costaría este gas si realmente se comercializara en cantidades elevadas. El precio que os muestro corresponde a Alemania, donde si existen "hidrogeneras". Seguro que este precio estás subvencionado, pero seguro también que los costes de producción se reducirían si se produjera a gran escala. No me atrevo a aventurar cuánto costaría un kilo de hidrógeno en un mercado real, pero partimos de un precio tan alto que, aunque baje, podemos descartarlo como alternativa al gas natural y la electricidad.

Lo siguiente que quiero destacar es lo extremadamente importante que es comprar el combustible a un buen precio. Las gasolineras son un mercado oligopólico y extremadamente controlado por el estado. Es importante buscar una gasolinera económica, pero sólo ahorrarás unos céntimos por litro de combustible respecto a una gasolinera cualquiera. Con la luz y la leña no ocurre lo mismo. Según donde y como lo compres los cambios pueden ser brutales, siendo típicas las horquillas que os muestro. A veces se pueda ahorrar un 50% respecto a una mala tarifa.

Continuemos con la biomasa. Lo primero que hay que entender es la siguiente regla del dedo gordo: da igual lo que quemes, toda la biomasa tiene más o menos la misma densidad energética. Un kilo del mejor roble o encina da el mismo calor que un kilo de pino, que un kilo de pellets y que un kilo de los rastrojos de jardín. El motivo es que la biomasa es básicamente celulosa. De hecho, las coníferas, que son maderas económicas, tienen una densidad energética un poco mayor que otras maderas porque tienen resina. Por eso el único parámetro verdaderamente importante (desde el punto de vista de ahorrar dinero) cuando quemas biomasa es la humedad. La leña tiene que estar todo lo seca que sea posible. Una leña húmeda pesa más y calienta mucho menos.

Como todo el mundo sabe la biomasa es con diferencia el combustible más barato que un particular puede comprar. Especialmente si buscas una leña barata, compras cantidades elevadas (siempre mínimo una tonelada) y te la colocas tú en la leñera. Pero también como todo el mundo sabe no sirve para impulsar un coche. Pero, ¿podríamos volver a la máquina de vapor? La respuesta es no, algún día hablaremos de la caldera de vapor, y lo justificaré. Sin embargo, la biomasa es tan barata que para vehículos muy pesados como un buque de marina mercante sería una solución más económica. Una caldera de vapor tiene un rendimiento un poco inferior a un motor de combustión interna, pero se compensa con creces con el ahorro en el precio del combustible. Y esto es así porque el mercado de la biomasa es un mercado sin interferencias fiscales. Si compras leña sólo estás pagando la leña y el IVA, si compras hidrocarburos o electricidad están pagando muchos impuestos, en el caso de la luz además enmascarados en un montón de conceptos oscuros.

Pero entonces ¿por qué no se ven barcos a vapor? Pues porque las reglas del juego no son las mismas para todos, y los ciudadanos somos tan torpes de aceptarlo. Los sufridos consumidores tenemos que pagar impuestos que otros no pagan. Si te compras un barco y vas a comprar gasoil o gasolina en cualquier puerto deportivo te cobrarán más o menos lo mismo que para tu coche. Si eres una naviera y compras gasoil marino (MFO - Marine Gas Oil) pagaras unos cientos de euros por toneladas. Si además te vas a un puerto franco, y preparas tu barco para el combustible más barato posible, es decir los residuos del destilado del petróleo, lo que se conoce como Fuel Oil residual (HFO - Heavy fuel oil) pagarás tan poco por este combustible muy contaminante que es un insulto para el sentido común. Por eso no esperéis que ningún armador ponga en sus buques una caldera de vapor alimentada con biomasa, por muy beneficioso que pueda ser para el medio ambiente, porque no le compensa económicamente.

Finalmente llegamos a la luz. La electricidad es cara, pero también es el combustible más eficiente, estamos comprando energía pura, y por tanto mucho más valiosa que cualquier combustible que tenemos que quemar, y para mostrarlo os voy a hacer unos números muy fáciles para calentar una casa que os pueden servir a cualquiera de vosotros (salvo los afortunados que vivan en regiones tropicales):

Caso biomasa:

Precio combustible si buscas una opción económica: 100 euros/toneladas.
Rendimiento calefacción si buscas una estufa de alto rendimiento: 70%.

Te cuesta la energía: 0,53cent€/MJ/70% = 0,76cent€/MJ


Caso electricidad:

Obviamente no te puedes calentar con un radiador eléctrico, te saldría mucho más caro. Necesitas una bomba de calor.

¿Cuál es el precio real de la energía? Pues coge tu factura y divide lo que pagas por lo que te dan. Por ejemplo, en mi caso tomando las últimas 3 facturas del invierno el promedio la electricidad me costó 0,122€/KWh. O lo que es lo mismo 3,40cent€/MJ.

¿Qué COP necesito para igualar a la biomasa? pues fácil: 3,40/COPmin = 0,76. Lo que exige un COP de al menos 4,5. Que por cierto es un COP extremadamente difícil de superar con una bomba de calor convencional (aerotermia), para conseguir un COP tan alto necesitarás una bomba que intercambie calor con la tierra (geotermia), pero os anticipo que esta solución es muy cara.
NOTA: en este post explicaba lo que es el COP (Coefficient of Performance) de una bomba de calor. Ojo que si quieres hacer números hay que tener en cuenta más cosas. A destacar los costes de amortización de las diferentes alternativas. También tienes que valorar las ventajas e inconvenientes. En particular una estufa te obliga a rellenar la tolva o cargarla de leña y retirar las cenizas periódicamente y no enfría en verano.

Resumiendo, simplemente os quería mostrar en este ejemplo que, aunque la electricidad sea una energía muy cara, también es la que mejor se aprovecha, hasta el punto que casi puede competir en precio con el combustible más barato, la biomasa.

Para el siguiente post concluyo esta serie comparando el coche eléctrico con el coche de gas natural.

Continuará...

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...