28. Rendimiento, pérdidas y consumo de energía

28.1 Energía suministrada, útil y no útil

En un proceso de conversión, la energía suministrada se reparte entre una salida útil, pérdidas y posibles cambios de almacenamiento:

En régimen estacionario o en un ciclo que termina con el mismo almacenamiento, ΔE_almacenada = 0.

28.2 Definición de rendimiento

El rendimiento o eficiencia energética es la fracción de energía suministrada que se obtiene como salida útil:

Es adimensional y suele expresarse como porcentaje: η(%) = 100·η. Un rendimiento de 0,80 significa que 80 de cada 100 unidades de energía suministrada cumplen la función definida como útil.

28.3 Rendimiento usando potencias

Cuando entrada y salida se comparan durante el mismo intervalo y no cambia el almacenamiento:

Esta forma es habitual en motores que funcionan en régimen estable. Durante arranque, frenado o calentamiento debe incluirse la tasa de cambio de energía almacenada.

28.4 El balance completo

28.5 Límites del rendimiento

Para una máquina que solo convierte una entrada en salidas, sin aporte de energía almacenada:

Un resultado mayor que 100 % indica entradas omitidas, unidades incompatibles, intervalos distintos o una definición incorrecta. Algunos dispositivos térmicos usan coeficientes de desempeño mayores que uno, pero no son rendimientos de conversión en este sentido.

28.6 Qué se considera útil

La utilidad depende del objetivo. En un motor, puede ser potencia mecánica en el eje; en una lámpara, radiación visible; en un calefactor, energía térmica entregada al ambiente.

28.7 Mecanismos de pérdida

Las “pérdidas” no son energía destruida: son transferencias o transformaciones que no cumplen la función útil elegida.

28.8 Energía de pérdidas

Si no hay cambio de almacenamiento:

Para una máquina con 2 MJ de entrada y η = 75 %, la salida útil es 1,5 MJ y las pérdidas suman 0,5 MJ.

28.9 Cadenas de conversión

En una cadena, la salida útil de una etapa es entrada de la siguiente:

Tres etapas de 90 % producen 0,9³ = 72,9 %, no 70 % ni 90 %.

28.10 Rendimiento a carga parcial

El rendimiento suele variar con la carga y la velocidad. Las pérdidas fijas representan una fracción mayor cuando la salida útil es pequeña; otras pérdidas crecen con la corriente, la fuerza o la rapidez.

Por eso un valor nominal no describe necesariamente el funcionamiento cotidiano. Para estimar consumo hay que usar el perfil real de operación.

28.11 Consumo en espera

Un equipo puede consumir potencia aunque no entregue su salida principal. Si permanece t_espera con potencia P_espera:

Una potencia pequeña sostenida durante muchas horas puede representar una parte importante del consumo total.

28.12 Consumo en kilowatt-hora

Para potencia constante expresada en kilowatts y tiempo en horas:

El kWh es energía:

Un aparato de 1,5 kW durante 2 h consume 3 kWh, equivalentes a 10,8 MJ.

28.13 Costo de la energía

Con un precio unitario c_E:

La tarifa real puede incluir cargos fijos, bloques, impuestos, horarios y demanda máxima. El producto simple es una estimación cuando se conoce un precio medio por kWh.

28.14 Ejemplo: motor que eleva una carga

Un motor consume 12 kJ para elevar 150 kg una altura de 6 m a velocidad final nula:

28.15 Ejemplo: potencia eléctrica y mecánica

Un motor recibe 4,0 kW eléctricos y entrega 3,2 kW en su eje:

Durante una hora, consume 4 kWh, entrega 3,2 kWh útiles y transforma 0,8 kWh en otras formas.

28.16 Recuperación de energía

Un sistema regenerativo desvía parte de una energía que habría sido disipada hacia un almacenamiento útil. Si un vehículo pierde 500 kJ de K y recupera 300 kJ en su batería, la fracción recuperada es 60 %.

La recuperación no elimina todas las pérdidas: conversión, almacenamiento y uso posterior forman una cadena con eficiencias multiplicativas.

28.17 Actividad interactiva: consumo realista

Definí potencia activa, rendimiento, horas de uso, fracción activa, espera, cantidad de días y precio. El laboratorio separa energía útil, pérdidas operativas y consumo en espera.

28.18 Calcular consumo y rendimiento con JavaScript

function consumoEquipo({
  potenciaActivaKW, rendimiento, horasPorDia,
  fraccionActiva, potenciaEsperaKW, dias, precioKWh
}) {
  const horasActivas = horasPorDia * fraccionActiva * dias;
  const horasEspera = horasPorDia * (1 - fraccionActiva) * dias;
  const entradaActiva = potenciaActivaKW * horasActivas;
  const espera = potenciaEsperaKW * horasEspera;
  const util = entradaActiva * rendimiento;
  const perdidas = entradaActiva - util + espera;
  const total = entradaActiva + espera;

  return {
    totalKWh: total,
    utilKWh: util,
    perdidasKWh: perdidas,
    rendimientoGlobal: total > 0 ? util / total : 0,
    costo: total * precioKWh
  };
}

console.log(consumoEquipo({
  potenciaActivaKW: 2, rendimiento: 0.75,
  horasPorDia: 3, fraccionActiva: 0.6,
  potenciaEsperaKW: 0.05, dias: 30, precioKWh: 0.2
}));

Separar horas activas y de espera evita aplicar el rendimiento nominal al tiempo en que el equipo no realiza la tarea principal.

28.19 Comparar alternativas

Para comparar dos equipos debe mantenerse la misma salida útil requerida. Uno de menor potencia puede consumir más si trabaja durante mucho más tiempo; uno eficiente puede no ahorrar si permanece innecesariamente encendido.

1. Definir la tarea útil y su magnitud.
2. Construir el perfil de potencia y tiempo.
3. Incluir espera, arranque y carga parcial.
4. Calcular energía total, no solo potencia nominal.
5. Considerar vida útil y condiciones de operación.

28.20 Comprobaciones y errores frecuentes

• Restar porcentajes de etapas en lugar de multiplicar sus rendimientos.
• Interpretar pérdidas como energía destruida.
• Confundir rendimiento nominal con rendimiento en toda condición.
• Comparar consumos sin igualar la tarea útil.
• Usar un precio por kWh sin aclarar que es una estimación tarifaria.

28.21 Ejercicios propuestos

1. Una máquina recibe 5000 J y entrega 3600 J útiles. Hallar rendimiento y pérdidas.
2. Un motor recibe 8 kW con rendimiento de 85 %. Calcular potencia útil y pérdidas.
3. Dos etapas tienen rendimientos de 80 % y 90 %. Hallar el rendimiento total.
4. Un equipo de 1,2 kW funciona 2,5 h por día durante 30 días. Calcular su consumo.
5. Un dispositivo consume 8 W en espera durante 20 h diarias. Hallar el consumo de espera en 30 días.
6. Se requieren 12 kWh útiles. ¿Cuánta energía de entrada necesita una máquina de 75 %?

28.22 Ideas para recordar

• η = E_útil/E_entrada o P_útil/P_entrada en condiciones compatibles.
• Las pérdidas son energía transformada o transferida hacia destinos no útiles.
• La salida útil debe definirse según la tarea.
• Los rendimientos de etapas sucesivas se multiplican.
• El consumo depende de potencia y tiempo, incluido el modo de espera.
• El kWh es una unidad de energía equivalente a 3,6 MJ.
• Para comparar equipos se debe exigir la misma tarea útil.

En el próximo tema integraremos estos conceptos para calcular y verificar trabajo, energía y potencia con JavaScript.