El Blog de Ignacio Mártil

Algunos números prácticos sobre los paneles fotovoltaicos

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La energía solar fotovoltaica, junto con la eólica, son las dos tecnologías renovables que más están contribuyendo a la transición hacia un modelo energético sostenible en el planeta. Los principales países industrializados (China, EEUU, Japón, Alemania, etc.) baten records, un año tras otro, de nueva potencia fotovoltaica instalada.

Todos los sistemas fotovoltaicos, desde los destinados a autoconsumo personal a los grandes huertos solares, están integrados por paneles solares, en cantidades variables, desde unas pocas decenas en el primer caso, hasta varios millones en el segundo. En este post, describo algunas peculiaridades de los paneles.

  1. – ¿Cómo es y cuánta electricidad produce un panel solar?

Un módulo fotovoltaico se construye mediante la conexión eléctrica de células solares con objeto de incrementar la potencia de salida del conjunto, ya que una célula aislada produce una cantidad de potencia pequeña (4 – 4,5 W), de escasa utilidad práctica. El módulo debe protegerse del ambiente y también se debe proteger a sus usuarios de posibles descargas eléctricas.

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Dificultades para una transición energética sostenible

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Parece más que evidente que, si queremos un futuro energético sostenible en un planeta amable, el actual modelo energético es inviable. Ahora bien, ¿cómo podemos cambiar el mix energético global?, ¿qué tecnologías se pueden utilizar?, ¿qué dificultades aparecen para esa transición? Veamos…

Fuentes de energía renovables
Fuente de la imagen: news.energysage.com.

  1. Tecnologías renovables para una transición energética

Al día de hoy, no existen otras fuentes de energía alternativas a las basadas en combustibles fósiles y a nuestro alcance que las fuentes renovables, entre las que destacan, tanto por su grado creciente de utilización, como por su cada vez mayor desarrollo y maduración tecnológica, las “nuevas” renovables: eólica, solar fotovoltaica y termosolar; a las que debemos unir las renovables clásicas: hidráulica y biomasa.

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El concepto de Paridad de Red en el mercado eléctrico

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La “paridad de red” se define como el momento temporal en el que una fuente de energía renovable produce electricidad a un coste igual o menor al precio de compra de energía de la red eléctrica.

Establecer los condicionantes que determinan el precio de la electricidad es una cuestión compleja, que varía mucho de un país a otro y que en el caso de España he explicado con algún detalle en este artículo. En general, en cualquier país, el precio de la electricidad se ve fuertemente influido por factores tales como el nivel de la demanda, el precio de los combustibles fósiles (petróleo, carbón y gas), los costes indirectos (muy variables de una nación a otra), etc. Como consecuencia, el precio de la electricidad varía de hora en hora, por lo que no se puede hablar de un precio de ésta sino de un margen para el mismo.

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¿Qué razones hay para promover el autoconsumo de energía eléctrica?

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Continúo en este post el análisis del autoconsumo de energía eléctrica. Tras describir en el anterior post en qué consiste, en esta ocasión desgrano las principales razones para promoverlo y las dificultades a las que se enfrenta en España.

Además de obtener toda o parte de la energía requerida al cabo del día, el autoconsumo doméstico de energía eléctrica presenta otras ventajas:

– Permite y posibilita la independencia energética, con lo que disminuye la factura por la importación de combustibles fósiles, principalmente gas. El gas es el combustible que utilizan las centrales de ciclo combinado de las que hay instalados 27.000 MW en la actualidad, la cuarta parte de toda la potencia instalada en España. Los principales suministradores de gas natural son Argelia, Nigeria y Rusia, países con situaciones políticas frecuentemente inestables, lo que puede comprometer el suministro de manera regular y continuada en el tiempo.

– Facilita el desarrollo de industrias propias, que promueven empleos de alta cualificación. El autoconsumo favorecería al sector renovable, lo que a su vez llevaría aparejado un impulso a la creación de empleo cualificado, estable y repartido por todo el territorio nacional.

– Promueve un tipo de consumo distribuido y cercano al punto de consumo, evitando los impactos de toda índole de las grandes redes de distribución (daños medioambientales, pérdidas de energía en el transporte). La energía fotovoltaica es esencialmente simple y modular en lo que a instalación se refiere y se puede adaptar perfectamente a las necesidades de diferentes tipologías de hogar sin sobrecostes significativos. Además, favorece un consumo responsable y eficiente, al ser cada ciudadano autosuficiente en sus necesidades y, por lo tanto, facilita la toma de conciencia respecto a un consumo limitado y ajustado, minimizando el derroche energético propio de los países industrializados.

– Minimiza las emisiones de CO2, asociadas al consumo energético en los hogares, al eliminarse la electricidad generada mediante combustibles fósiles.

– Es rentable en términos económicos. Como tuve ocasión de detallar en otro artículo, una instalación de autoconsumo puede costar cerca de 6.000 euros –sin elementos de almacenamiento– para un hogar medio integrado por tres personas. Con los niveles de irradiación anuales de la mitad meridional de la península, Baleares y Canarias y al coste actual de los diferentes elementos que integran la instalación (paneles solares, inversor, regulador, etc.), con los tipos de interés vigentes y una evolución de inflación en el entorno del 2%, la inversión se amortizaría en un plazo de 6-8 años, siempre y cuando el balance neto esté regulado adecuadamente, es decir, el usuario de una instalación de autoconsumo pueda volcar a la red el exceso que produce en las horas centrales del día, recibiendo remuneración por ello, mientras que en los días nublados y por la noche, consume de la red la energía necesaria.

La figura muestra un esquema de la instalación con el doble contador para gestionar el tráfico de energía bidireccional (de la instalación a la red y viceversa):

autoconsumo fotovoltaico
Esquema de una instalación de autoconsumo con balance neto. Imagen: Autoconsumo fotovoltaico.

¿Qué dificultades encuentra el autoconsumo?

Principalmente dos:

Legales: el Real Decreto 900/2015 de 9 de octubre de 2015, regula las condiciones, procedimientos, penalizaciones, etc. al autoconsumo de electricidad. El Decreto necesita ¡¡44 páginas!! para describir la casuística y las trabas de todo tipo a las instalaciones, al volcado de energía a la red, a los pagos por la utilización de ésta, etc.

Arquitectónicas: una de las principales limitaciones que tiene la energía solar fotovoltaica es que para producir cantidades significativas de energía requiere de apreciables cantidades de terreno. Tal y como he descrito en este artículo, para unos niveles de iluminación como los que tenemos en promedio, en la Península Ibérica y con un consumo energético también promedio, se necesitan alrededor de 8-10 metros cuadrados de paneles fotovoltaicos por persona para cubrir ese consumo.

Dado que en España, alrededor del 65% de la población vive en bloques de pisos, frente al 46% de la media europea, el problema es muy evidente. Para poder ser una práctica generalizada, el autoconsumo debería plantearse en términos colectivos, tipo cooperativa; no parece sencillo poder llevarlo a cabo en el corto plazo.

¿Qué es el autoconsumo de energía eléctrica?

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En el año que está a punto de finalizar, hemos asistido en España a una escalada de los precios de la electricidad en el mercado mayorista como no se alcanzaban desde hace tres años. Se invocan diversas causas para justificar ese incremento: poco viento, escasez de lluvia, altos precios del gas, exportaciones a Francia que ha mantenido cerradas varias centrales nucleares durante largo tiempo, etc. El problema no es exclusivo de España, en Francia y en Bélgica ha habido momentos en los que se han alcanzado precios con valores de pico por encima de 200 €/MWh.

El asunto está en todos los medios de comunicación y ha reabierto un debate que nunca se ha cerrado del todo: el autoconsumo de energía eléctrica. Sobre el papel, parece una solución casi mágica: si fuéramos capaces de producir en nuestros domicilios la electricidad que consumimos, todo sería maravilloso. El problema es que, salvo en contadas excepciones, esto no es posible, o al menos, no es una cuestión exenta de dificultades de diversa índole.

En un intento de clarificar algunos de los aspectos relacionados con el autoconsumo de energía eléctrica, en este post y en el próximo voy a explicar tres cuestiones clave: en éste analizaré qué es el autoconsumo de energía eléctrica, y en el siguiente, el porqué sería recomendable incentivarlo y a qué dificultades se enfrenta en la actualidad.

  1. ¿Qué es el autoconsumo de energía eléctrica?

El balance energético diario en un día soleado de una ciudad meridional genérica de España para un hogar típico, se muestra en la siguiente gráfica, que explico con detalle a continuación:

Distribución horaria de los períodos de consumo principal de energía eléctrica (área marrón) y de generación de energía fotovoltaica (área roja) a lo largo de un día soleado. El área azul indica la energía excedente; con balance neto, esa energía se vuelca a la red y se retribuye al precio de la electricidad en ese momento; en instalaciones desconectadas de la red, esa energía se almacena en baterías de las que se hace uso en las horas que no hay sol. Imagen: adaptado del blog de Gesternova.

La mayor parte del consumo de energía eléctrica en los hogares se produce por la mañana (desayunos) y por la tarde-noche (vida familiar, tareas domésticas, cenas…), pero el sol luce en su máximo al mediodía, cuando la demanda de energía es menor.

Una instalación de autoconsumo energético dispone de paneles fotovoltaicos que transforman la energía proveniente del sol en energía eléctrica, con una eficiencia energética que se puede cifrar en el entorno del 15%, es decir, de cada 100 kWh de energía solar, los paneles transforman efectivamente en electricidad 15. Parte de esa energía se consume en el momento, pero hay un gran exceso que si no se almacena o se vuelca a la red, se pierde. Con sistemas de almacenamiento adecuados, como por ejemplo la batería Tesla u otros sistemas equivalentes, se puede guardar la energía sobrante en las horas de máxima irradiación solar para disponer de ella en los períodos de mayor demanda.

Una alternativa lógica a esa situación es simplificar la instalación, no disponer de sistemas de almacenamiento y estar conectado a la red eléctrica, de manera que en las horas centrales del día, cuando se produce más energía de la requerida, el exceso se vuelca a la red y se recibe retribución por ella –si el balance neto está regulado–, y en las horas o días con déficit de sol, se toma de la red la energía necesaria. Así pues, hay dos posibilidades para una instalación de autoconsumo: desconectada de la red (con baterías) o conectada a ésta. El esquema de las instalaciones en cada caso sería el siguiente:

Izquierda: Sistema de autoconsumo desconectado de la red. Derecha: sistema de autoconsumo con conexión a la red eléctrica; nótese en este segundo caso la ausencia de baterías de almacenamiento. Imagen: adaptada de PanelesSolaresPR.com.

En próximos post mostraré las ventajas añadidas de promover el autoconsumo eléctrico y, también, las dificultades a las que se enfrenta en la actualidad en España.

Algunas cuestiones económicas relativas a la energía solar fotovoltaica

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Como indiqué en la anterior entrada de este blog, el mercado fotovoltaico está dominado en la actualidad por la tecnología de silicio. El silicio es el elemento más abundante de la corteza terrestre, ya que cerca del 30% de ésta es silicio, pero para poder utilizarlo en la fabricación de las células solares debe estar purificado y ser de una calidad elevada. El proceso de purificación es muy costoso y la célula solar se obtiene tras múltiples pasos de fabricación, algunos delicados y que necesitan el uso de maquinarias también muy costosas. Como consecuencia, el precio de las células solares es elevado, aunque se ha reducido significativamente en el último decenio. Así, el coste en el año 2000 era de 4-5 euros/W y hoy en día es de 0,5-0,6 euros/W.

Una  célula solar genera poca potencia eléctrica, dado su reducido tamaño (~4 W), por lo que debe unirse adecuadamente con otras para hacer módulos fotovoltaicos (en los módulos estándar, hay 60, 6 x 10, que tienen unas dimensiones de ~1, 5 m2) y así, obtener potencias más altas. Un módulo suele generar, en condiciones óptimas de iluminación y dependiendo del fabricante, alrededor de 250 W. La eficiencia de conversión de la energía solar en energía eléctrica de los módulos comerciales está comprendida en la margen de 14-22%. Por lo tanto, si se quieren emplear células solares en instalaciones de edificios con objeto de autoabastecer de energía un domicilio típico de una familia integrada por cuatro personas y equipada con todos los electrodomésticos habituales, es preciso utilizar del orden de 20-25 m2 de módulos (12-16 módulos, dependiendo de la irradiación solar).

De otra parte, si lo que se pretende es obtener energía eléctrica en cantidades equiparables a las que generan las centrales térmicas convencionales, por las razones apuntadas en el párrafo precedente, es preciso utilizar decenas de miles de paneles solares y, por lo tanto, millones de células solares. Puesto que, además, el sol solo luce la mitad del día y no lo hace cuando esta nublado, el resultado de todos estos condicionantes es que obtener energía eléctrica a partir de células solares es más costoso que con fuentes de energía basadas en combustibles fósiles o uranio. Como consecuencia de lo indicado, hoy en día el precio de la electricidad de origen fotovoltaico es del orden de 0,15-0,4 euros/kWh. Por comparación, el precio de la energía eléctrica de origen nuclear es 0,05-0,1 euros/kWh. Para situar esos datos, en los últimos meses el precio medio al que estamos pagando la energía eléctrica que consumimos en nuestros hogares es de ~ 0,12-0,14 €/kWh, aunque últimamente y debido a la gran sequía que padecemos (entre otros factores), ha habido repuntes espectaculares, alcanzando el precio de la electricidad puntualmente valores de hasta 0,18 euros/kWh hace pocas semanas.

La energía eléctrica obtenida con células solares tiene contrapartidas muy evidentes a su coste, siendo las dos principales que es una energía limpia, lo que evita emisiones de CO2 a la atmósfera, y que permite mayor independencia energética, aspecto muy importante para un país como España, que importa cerca del 80% de la energía primaria que necesita para hacer funcionar las industrias, los automóviles, las cocinas, las lavadoras…

  1. Los mayores fabricantes del mundo de células solares

Al comienzo de este siglo, cuando aún no había empezado a generalizarse su uso, entre los principales fabricantes del mundo había empresas de varios continentes y países, España entre ellos (Isofotón). En la actualidad, los fabricantes europeos o han desaparecido (la británica BP Solar) o han sido absorbidos por fabricantes asiáticos (la alemana Q-Cell, adquirida en 2012 por la surcoreana Hanwha, es uno de los ejemplos más representativos de esta situación). Pero la ciencia que hay detrás de las células solares para mejorar sus características se lleva a cabo en laboratorios de todo el mundo y las aportaciones a la misma de países como el nuestro son muy significativas y obtienen gran reconocimiento internacional.

La siguiente tabla recoge la lista de los diez primeros fabricantes del mundo en el año 2016, entre los que solo hay dos que no están instalados en Asia, la canadiense Canadian Solar y First Solar, de EEUU:

Diez primeros fabricantes del mundo de células solares.

Se tienen sospechas de que en los últimos años los fabricantes chinos han practicado “dumping”, proceso de venta por debajo de costes incentivado por su propio gobierno, para penetrar decisivamente la mayoría de los mercados mundiales.

Lo que conviene saber sobre las células solares

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Una célula solar es un dispositivo electrónico, que pertenece a la familia de los conocidos como diodos de unión, de área relativamente grande (~250 cm2, habitualmente). Las células solares se fabrican con una clase de materiales denominados semiconductores, que están presentes en nuestra vida cotidiana desde hace muchos años. Sin ellos, no serían posibles aparatos tales como los ordenadores, los teléfonos móviles, los televisores y un largo etcétera.

Célula solar comercial de silicio.

Las células solares se hacen habitualmente con silicio, ya que el 95% de las que se encuentran en el mercado se fabrican con él. Sin entrar en detalles técnicos, la célula solar está constituida por la unión de dos áreas denominadas zona P y zona N; cada una de ellas tiene incorporados en su interior otros elementos químicos, generalmente boro la primera y fósforo la segunda; la incorporación de estos elementos hace que las propiedades electrónicas de cada lado sean diferentes: en la zona P la conducción de la corriente eléctrica es debida a cargas “positivas” (denominadas huecos), mientras que en la zona N, la corriente la transportan cargas “negativas” (electrones).

Cuando una célula solar se ilumina con radiación solar, se produce el denominado efecto fotovoltaico. Debido a él, la iluminación provoca que los portadores de carga del semiconductor se muevan y circulen por el circuito exterior al que se conecta, generando una corriente. Asimismo, se produce una tensión entre los extremos de la célula. Como resultado del proceso, la célula genera tensión y corriente, que es lo que se necesita para obtener potencia eléctrica (la potencia eléctrica se obtiene como producto de tensión y corriente). A su vez, esa potencia produce energía eléctrica, sin más que hacer funcionar la célula un cierto tiempo (la energía eléctrica se obtiene como el producto de la potencia por el tiempo de funcionamiento). Por lo tanto, la célula solar convierte la energía emitida por el sol y absorbida por ella en energía eléctrica.

La tecnología de las células solares tiene su origen en la carrera espacial, cuando al comienzo de los años 60 del siglo pasado se empezaron a lanzar al espacio los satélites artificiales y los vehículos tripulados con los que el hombre llegó a la Luna. En esos ingenios se necesitaban baterías de energía eléctrica autónomas, ligeras y fiables. Aunque la electricidad obtenida con estos dispositivos era carísima (del orden de 100 euros/kWh, con precios actualizados al presente), el coste que representaban las baterías fabricadas con las células solares era muy bajo en comparación con el resto de los componentes de los satélites.

En años posteriores, las sucesivas crisis del petróleo de los años 1973 (guerra del Yom Kipur) y 1979 (revolución de los ayatollahs en Irán) hicieron plantearse a los principales países industrializados la necesidad de buscar fuentes de energía alternativas al petróleo. Posteriormente, el movimiento ecologista comenzó a plantear la necesidad de limitar las emisiones de gases de efecto invernadero a la atmósfera, principalmente CO2. En años más recientes, estas ideas han ido cobrando fuerza y el uso de energías limpias y no dependientes de los combustibles fósiles está más extendido en el mundo, en general, y en los países desarrollados, en particular, de modo que el uso de células solares para obtener energía eléctrica en la Tierra se ha ido generalizando, de manera que al día de hoy es una fuente energética competitiva y con unas enormes expectativas de futuro.

En post sucesivos, describiré diversos aspectos de esta fuente energética: cómo es la energía que producen, cuál es la eficiencia energética de la energía solar fotovoltaica, qué perspectivas tiene el autoconsumo energético basado en paneles solares, etc.

Problemas y frenos al desarrollo del vehículo eléctrico

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En los dos post anteriores de este blog he realizado un análisis de la eficiencia energética del Vehículo Eléctrico (en lo que sigue, VE) y de algunos de sus costes, relacionados esencialmente con el combustible. En este analizaré cuáles son en la actualidad los frenos que impiden su uso generalizado.

¿Por qué no están ya rodando masivamente los VE por nuestras carreteras?  Hay un gran número de problemas aún por resolver para hacer realidad el VE. Sin entrar en detalles ni ser exhaustivo, los principales factores que al día de hoy limitan su desarrollo son los siguientes:

  1. Autonomía de las baterías.

Es uno de los principales factores que limitan el desarrollo del Vehículo Eléctrico. Los modelos más vendidos como el Nissan Leaf o el Think City disponen de baterías con unos 150 kilómetros de autonomía. Solo los vehículos de alta gama Tesla disponen de baterías con autonomía cercana a los 400 kilómetros. Las previsiones estiman que en un plazo de 10-15 años, la autonomía para vehículos de gama media estará en los 300-400 kilómetros.

  1. Materias primas para la fabricación de las baterías.

Las de más autonomía están fabricadas con litio, elemento químico cuyos yacimientos más numerosos se encuentran en unos pocos países como Bolivia, Chile y Afganistán. Las previsiones indican que, en un futuro próximo, el litio se reciclará, con lo que no será un problema encontrar yacimientos. Hay un mínimo de 35 millones de toneladas de reservas de litio reconocidas a nivel mundial. Las baterías de litio para los coches eléctricos necesitan menos de 15 kilogramos por batería y uno de los principales fabricantes, Renault-Nissan, indica que sólo necesita 4 kilogramos, por lo que muchos de los agentes implicados en el sector del Vehículo Eléctrico esperan que este factor no suponga un freno excesivo.

  1. Infraestructura de recarga y cargadores rápidos.

El tiempo de recarga de las baterías se presenta como un factor crítico en el desarrollo del VE. Mientras haya incertidumbres o dudas sobre dónde se podrá recargar la batería si se hacen muchos kilómetros, el VE no se generalizará. Además, a esta limitación severa se unen unos tiempos de recarga muy elevados, entre 6 y 8 horas. Con una infraestructura de “electrolineras” distribuidas por todo el territorio y cargadores rápidos de 20-30 minutos todo sería más fácil, pero en este momento no deja de ser una utopía, lo que sitúa a estos factores como los principales escollos a superar para lograr la generalización del uso del Vehículo Eléctrico.

No obstante, la apuesta por el VE por parte de algunos de los grandes fabricantes del mundo parece clara y en un período de tiempo no muy lejano los veremos circular masivamente por las carreteras de todo el mundo. En la siguiente figura se muestra la evolución esperada hasta el año 2050 para el número de vehículos en circulación según el tipo de combustible utilizado:

 

Hoja de ruta del VE. Fuente: International Energy Agency.

4. Unas breves conclusiones

Es obvio que unas previsiones a tan largo plazo pueden cumplirse en parte, apenas o nada, pero como es bien sabido, las previsiones se cumplen si se hacen los esfuerzos necesarios para que se cumplan.

Es preciso hacer una apuesta decidida por sistemas de transporte que eviten emisiones, reduzcan nuestra descomunal factura de petróleo (en 2015, cerca de 25.000 millones de euros en combustibles fósiles, la mayor parte petróleo) y nos permita desarrollar nuestra propia infraestructura energética. De manera inmediata, lo agradecerá nuestra economía y a medio plazo, nuestro medio ambiente.

Algunas ventajas del vehículo eléctrico

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En el anterior post de este blog analicé la eficiencia energética del vehículo eléctrico (VE) y la puse en comparación con dicho parámetro para los vehículos de motor de combustión interna (VMCI). En esta entrada, analizo nuevos detalles comparativos entre ambos tipos de vehículos.

  1. Eficiencia económica del VE

Este punto es en el que las ventajas del VE frente al VMCI son más evidentes. En el cuadro siguiente se presentan unos datos comparativos entre los dos tipos de vehículos en el supuesto de realizar con ambos 100 kilómetros. En concreto, se analiza el gasto que representa el combustible a partir de los supuestos detallados en el cuadro. Se indica así mismo el consumo energético de los tres motores, expresado en kWh. Para efectuar ese cálculo se han supuesto las equivalencias que figuran en la nota [1] al final de este artículo:

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Comparativa del vehículo eléctrico con el tradicional de gasoil o gasolina

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El vehículo eléctrico avanza lentamente, mucho más de lo que algunos desearíamos. Para tratar de entender sus características principales y las razones que frenan su desarrollo en la actualidad, inauguro con este post una serie de tres en los que iré analizando diversos aspectos del mismo. En esta entrada me centraré en el análisis del vehículo eléctrico desde el punto de vista de su eficiencia energética y lo comparo con el motor de combustión interna.

  1. Eficiencia energética del motor

En los vehículos de motor de combustión interna (en lo que sigue, VMCI) se transforma la energía química del combustible que se quema (gasolina, diésel, keroseno) en energía mecánica, es decir, se transforma calor en trabajo. Es imposible que una máquina convierta toda la energía térmica en trabajo o viceversa, pues siempre hay una parte que se pierde. La relación que hay entre la energía mecánica obtenida a la salida del motor y la energía térmica que tiene el combustible se denomina rendimiento o eficiencia energética. En los motores de combustión esta eficiencia no supera el 25%-30%, el resto de la energía se pierde en forma de calor a través del radiador, escape, bloque motor, etc. Esto significa que, de cada cuatro litros que consume un automóvil, únicamente uno se emplea en moverlo y los otros tres se pierden calentando el motor, sin que se aprovechen de ningún modo. Pero se queman y, por lo tanto, emiten CO2 y otros gases contaminantes a la atmósfera. El detalle de las emisiones producidas por los VMCI lo analizaré en un post posterior.

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