Calidad de la energía

La calidad energética es una medida de la facilidad con la que una forma de energía puede convertirse en trabajo útil o en otra forma de energía; es decir, su contenido de energía libre termodinámica . Una forma de energía de alta calidad tiene un alto contenido de energía libre termodinámica y, por lo tanto, una alta proporción de ella puede convertirse en trabajo; mientras que con las formas de energía de baja calidad, solo una pequeña proporción puede convertirse en trabajo y el resto se disipa en forma de calor. El concepto de calidad energética también se utiliza en ecología , donde se emplea para rastrear el flujo de energía entre diferentes niveles tróficos en una cadena alimentaria , y en termoeconomía , donde se utiliza como medida de la producción económica por unidad de energía. Los métodos para evaluar la calidad energética a menudo implican el desarrollo de una clasificación de las calidades energéticas en orden jerárquico .

La consideración de la calidad de la energía fue un factor fundamental en la industrialización desde el siglo XVIII hasta el XX. Consideremos, por ejemplo, la industrialización de Nueva Inglaterra en el siglo XVIII. Esto se refiere a la construcción de fábricas textiles con telares mecánicos para tejer telas. La fuente de energía más simple, económica y directa eran las ruedas hidráulicas , que extraían energía de un estanque detrás de una presa en un arroyo local. Si otro terrateniente cercano decidía construir un molino en el mismo arroyo, la construcción de su presa reduciría la altura hidráulica total necesaria para alimentar la rueda hidráulica existente, perjudicando así la generación de energía y la eficiencia . Esto se convirtió en un problema endémico en toda la región, reduciendo la rentabilidad general de los molinos más antiguos a medida que se construían otros nuevos.

La búsqueda de energía de mayor calidad fue un motor fundamental a lo largo de los siglos XIX y XX. Por ejemplo, quemar carbón para producir vapor y generar energía mecánica habría sido inimaginable en el siglo XVIII; a finales del siglo XIX, el uso de ruedas hidráulicas ya estaba obsoleto. De igual modo, la calidad de la energía eléctrica ofrece enormes ventajas sobre el vapor, pero no se volvió económicamente viable ni práctica hasta el siglo XX.

El ejemplo anterior se centró en los impactos económicos de la explotación de la energía. Un escenario similar se da en la naturaleza y la biología, donde los organismos vivos pueden extraer energía de calidad variable de la naturaleza, impulsados ​​en última instancia por la energía solar como principal impulsor del desequilibrio termodinámico en la Tierra. ^{[ 1 ] [ 2 ]} El equilibrio ecológico de los ecosistemas se basa en los flujos de energía a través del sistema. Por ejemplo, el agua de lluvia impulsa la erosión de las rocas , que libera sustancias químicas que pueden usarse como nutrientes; estas son absorbidas por el plancton , utilizando energía solar para crecer y prosperar; las ballenas obtienen energía al comer plancton, utilizando así indirectamente también energía solar, pero esta vez en una forma mucho más concentrada y de mayor calidad.

Las ruedas hidráulicas también se mueven con agua de lluvia, a través del ciclo de evaporación-condensación solar ; por lo tanto, en última instancia, la fabricación industrial de telas dependía del ciclo día-noche de la irradiación solar . Esta es una visión holística de las fuentes de energía como un sistema global. Así, los debates sobre la calidad de la energía a veces se encuentran en las Humanidades , como la dialéctica , el marxismo y el posmodernismo . Esto se debe, en efecto, a que disciplinas como la economía no reconocieron los aportes termodinámicos a la economía (ahora conocidos como termoeconomía ), mientras que disciplinas como la física y la ingeniería no pudieron abordar ni los impactos económicos de la actividad humana ni los impactos de los flujos termodinámicos en los ecosistemas biológicos. Por lo tanto, los debates generales sobre el sistema global fueron adoptados por aquellos mejor capacitados para el razonamiento nebuloso e inespecífico que requieren sistemas tan complejos . La consiguiente falta de coincidencia de vocabulario y perspectiva entre disciplinas puede generar una considerable controversia.

Según Ohta, ^{[ 3 ]} la clasificación y el análisis científico de la calidad de la energía fue propuesto por primera vez en 1851 por William Thomson bajo el concepto de "disponibilidad". Este concepto fue continuado en Alemania por Z. Rant, quien lo desarrolló bajo el título de "die Exergie" (la exergía ). Posteriormente, fue continuado y estandarizado en Japón . El análisis de exergía ahora forma parte común de muchos análisis de energía industriales y ecológicos. Por ejemplo, I. Dincer y YA Cengel (2001, p.  132) afirman que las formas de energía de diferentes calidades se manejan comúnmente en la industria de la ingeniería de energía de vapor . Aquí, el "índice de calidad" es la relación de la exergía con el contenido energético (Ibid.). Sin embargo, los ingenieros energéticos eran conscientes de que la noción de calidad del calor implicaba la noción de valor ; por ejemplo, A. Thumann escribió: "La cualidad esencial del calor no es la cantidad, sino su 'valor'" ^{[ 4 ]} , lo que introduce la cuestión de la teleología y las funciones objetivo más amplias o a escala ecológica. En un contexto ecológico, SE Jorgensen y G. Bendoricchio dicen que la energía se utiliza como una función objetivo en los modelos ecológicos y expresa la energía "con una medida de calidad incorporada como la energía" (2001, p. 392). 

Existen dos metodologías principales para el cálculo de la calidad energética: las del receptor y las del donante. Una de las principales diferencias radica en la suposición de si la calidad energética puede mejorarse mediante un proceso de transformación.

Métodos del receptor: consideran la calidad de la energía como una medida e indicador de la relativa facilidad con la que la energía se convierte de una forma a otra. Es decir, cuánta energía se recibe de un proceso de transformación o transferencia. Por ejemplo, A. GrublerSe utilizaron dos tipos de indicadores de calidad energética pars pro toto : la relación hidrógeno/carbono (H/C) y su inversa, la intensidad de carbono de la energía. Grubler utilizó esta última como indicador de la calidad ambiental relativa. Sin embargo, Ohta afirma que en los sistemas de conversión industrial multietapa, como un sistema de producción de hidrógeno que utiliza energía solar, la calidad de la energía no mejora. ^{[ 5 ]}

Métodos de donación: consideran la calidad de la energía como una medida de la cantidad de energía utilizada en una transformación energética, y que se destina al mantenimiento de un producto o servicio ( HT Odum 1975, p.  3). Es decir, cuánta energía se dona a un proceso de transformación energética. Estos métodos se utilizan en la fisicoquímica ecológica y la evaluación de ecosistemas. Desde esta perspectiva, a diferencia de la descrita por Ohta, la calidad de la energía se mejora en las conversiones tróficas multietapa de los sistemas ecológicos. En este caso, la energía de mayor calidad tiene una mayor capacidad de retroalimentación y control de niveles inferiores de calidad energética. Los métodos de donación intentan comprender la utilidad de un proceso energético cuantificando hasta qué punto la energía de mayor calidad controla la de menor calidad.

La noción de calidad energética también fue reconocida en las ciencias económicas. En el contexto de la economía biofísica, la calidad energética se medía por la cantidad de producción económica generada por unidad de energía de entrada. ^{[ 9 ]} La estimación de la calidad energética en un contexto económico también se asocia con metodologías de energía incorporada . Otro ejemplo de la relevancia económica del concepto de calidad energética lo proporciona Brian Fleay. Fleay afirma que el "Índice de Rentabilidad Energética (IRE) es una medida de la calidad energética y un índice fundamental para evaluar el desempeño económico de los combustibles. Tanto los insumos energéticos directos como indirectos incorporados en bienes y servicios deben incluirse en el denominador". (2006; p.  10) Fleay calcula el IRE como la energía de salida/energía de entrada.

• MT Brown y S. Ulgiati (2004) 'Calidad energética, emergía y transformidad: las contribuciones de HT Odum a la cuantificación y comprensión de los sistemas', Ecological Modelling , vol. 178, págs. 201-213.
• I. Dincer y YA Cengel (2001) 'Conceptos de energía, entropía y exergía y sus funciones en la ingeniería térmica', Entropy , vol. 3, págs.  116–149.
• B. Fleay (2006) Investigación del Comité de Asuntos Rurales y Regionales y Transporte del Senado sobre el futuro suministro de petróleo de Australia y los combustibles alternativos para el transporte. Archivado el 30 de agosto de 2007 en Wayback Machine.
• S. Glasstone (1937) La electroquímica de las soluciones , Methuen, Gran Bretaña.
• SE Jorgensen y G. Bendoricchio (2001) Fundamentos de modelado ecológico , Tercera edición, Desarrollos en modelado ambiental 21, Elsevier, Oxford, Reino Unido.
• HT Odum (1975a) Calidad energética y capacidad de carga de la Tierra , respuesta en la ceremonia de entrega de premios del Instituto La Vie, París.
• HT Odum (1975b) [Interacciones de la calidad energética de la luz solar, el agua, los combustibles fósiles y la tierra] , de las Actas de la conferencia sobre los requisitos de agua para las necesidades energéticas de la cuenca baja del río Colorado.
• HT Odum (1994) Sistemas ecológicos y generales: Una introducción a la ecología de sistemas , Colorado University Press, (especialmente página 251).