¿Por qué no hay estufas eléctricas que se puedan usar para cocinar donde no se puede hacer fuego?

Comparando hidrocarburos con baterías

Como escribió Olin Lathrop, el gran problema es la densidad de energía: los combustibles de hidrocarburos simplemente ofrecen una gran cantidad de energía por unidad de masa, en comparación con cualquier tecnología de batería actual. Para poner algunos números en esto, podemos mirar la página de Wikipedia sobre densidad de energía . Comparemos el etanol (probablemente el combustible menos denso en energía de los combustibles para estufas de campamento comúnmente utilizados) con las baterías de litio no recargables (la tecnología de baterías actual con mayor densidad energética).

El combustible de etanol proporciona 26,4 MJ/kg; las baterías de litio proporcionan 1,8 MJ/kg, menos de un catorceavo por unidad de masa. Entonces, si tuviera 100 g de etanol (alrededor de 127 ml) para cocinar y quisiera sustituirlo por energía eléctrica, necesitaría alrededor de 1,4 kg de baterías de litio desechables . Si desea baterías recargables de iones de litio, necesitará alrededor de 2,8 kg (la densidad de energía es aproximadamente la mitad que las desechables). Como señaló Gerrit en los comentarios, también debe pensar en la densidad de energía: incluso si su batería contiene suficiente energía para cocinar, es posible que no pueda generar esa energía lo suficientemente rápido para cocinar de manera práctica.

La tecnología de las baterías está mejorando todo el tiempo, pero actualmente no hay tecnologías en desarrollo que proporcionen la mejora del orden de magnitud necesaria para que sean competitivas con los hidrocarburos en cuanto a densidad de energía.

Así que no es lo ideal, pero ¿es factible?

Está claro que las baterías son mucho menos densas en energía que los combustibles de hidrocarburos, pero eso no significa necesariamente que sean una causa perdida; tal vez el peso adicional sea lo suficientemente pequeño como para ser manejable, especialmente si va de excursión en un Bosque alemán donde las únicas alternativas a la calefacción sin llama son infringir la ley y comer alimentos fríos.

Comenzaré eligiendo un paquete de baterías, luego veré cuánto podemos cocinar con él. Este paquete de baterías para bicicletas eléctricas se vende actualmente en Amazon por alrededor de 277 USD. Sus estadísticas vitales son: 24 V, 11 Ah, 262 Watt-hora o 943 kJ de capacidad energética. Pesa unos 2,3 kg y puede producir 15 amperios de potencia continua, lo que da un máximo de 360 ​​vatios. (Específicamente busqué un paquete de baterías de bicicleta eléctrica, ya que tienden a estar diseñados para una potencia de salida relativamente alta). Para cocinar, hagámoslo simple y decidamos que solo queremos hervir agua, que luego podemos usar para bebidas, sopas instantáneas, fideos, comidas deshidratadas, etc. Entonces podemos conectar el paquete de baterías a un calentador de inmersión eléctrico de 24 voltios como este. Tiene una potencia nominal de 200 vatios, muy dentro de la capacidad de la batería. No veo un peso especificado en este, pero otros elementos calefactores similares que he visto en línea pesan menos de 100 g, por lo que toda nuestra configuración de calefacción eléctrica pesa menos de 2,4 kg.

¿Cuántas comidas calientes podemos hacer con esta configuración? El agua tiene una capacidad calorífica específica de alrededor de 4,18 J⋅g ⁻¹ ⋅K ⁻¹ . Digamos que para cada comida queremos calentar 500 ml de agua de 15°C a 100°C. Eso requerirá 4,18 × 500 × 85 = 177650 J de energía. Redondeemos hacia arriba y llamémoslo 200 kJ ya que el agua puede estar más fría y perderemos algo de calor en la olla. Como una doble verificación de este cálculo, acabo de programar mi hervidor de agua de 1 kW para que hierva 500 ml de agua del grifo a 11 °C; tardó 210 segundos, por lo que (suponiendo que la potencia nominal sea correcta) usó 210 kJ de energía. Recordando que la batería contiene 943 kJ y usando esta cifra más alta para el hervor del agua, obtenemos 943 / 210 =~ 4,5 hervores de medio litro de un sistema de calefacción eléctrica de 2,4 kg.

Si esto es práctico o no depende de las circunstancias y del juicio personal. En una caminata de dos días, esta configuración le daría como mínimo una bebida caliente todas las mañanas y una bebida caliente y una comida caliente todas las noches. Si puede administrar 560 ml de agua hirviendo por día, incluso podría estirarse hasta cuatro días. Los 2,4 kg probablemente serían impensables para un ultraligero de núcleo duro, pero claramente no es un peso imposible de llevar. Para caminatas más largas, por supuesto, rápidamente se vuelve poco práctico. En este punto, probablemente tengas que empezar a pensar en paneles solares para recargar en la naturaleza :-).

Las cosas están mejorando (pero muy lentamente)

La tecnología de iones de litio ha estado en el mercado desde 1991, con mejoras variables pero bastante continuas de un año a otro. La densidad de energía tiende a aumentar, en promedio, en un pequeño porcentaje por año. Esto genera mejoras significativas a largo plazo: como muestra el siguiente gráfico de Masias et al. (2013), la densidad de energía de la celda de batería común 18650 mejoró en un factor de más de 2,5 entre 1991 y 2013:

Se pueden observar tendencias similares en los datos de Jeong et al. (2011) y Pistoya (2014).

Probablemente podamos esperar que estas mejoras marginales continúen al menos durante algunos años más (Tesla parece bastante seguro de ello, por ejemplo). Por lo tanto, nuestro hervidor de agua de fin de semana de 2,4 kg probablemente descenderá por debajo de los 2 kg en un futuro previsible, pero más allá de eso es difícil saberlo. Incluso si la densidad de energía de los iones de litio pudiera continuar mejorando indefinidamente a un 10 % por año, se necesitarían más de dos décadas para alcanzar al etanol. Los aspirantes a excursionistas eléctricos harían mejor en depositar sus esperanzas en el desarrollo de un diseño de batería completamente nuevo. Hay muchos grupos de investigación que trabajan en nuevas tecnologías de baterías potencialmente revolucionarias, pero potencialmente es la palabra clave aquí: muy pocas ideas brillantes sobreviven el largo viaje desde la computadora portátil hasta el laboratorio y la fábrica.

Referencias

Jeong, G., Kim, YU, Kim, H., Kim, YJ y Sohn, HJ (2011). Posibles materiales y aplicaciones para baterías secundarias de Li. Energía y ciencia ambiental , 4(6), 1986-2002.

Masías, A., Snyder, K. y Miller, T. (2013). Necesidades de almacenamiento de energía de los fabricantes de automóviles para vehículos eléctricos. En Actas del Congreso Mundial Automotriz FISITA 2012 (págs. 729-741). Berlín: Springer.

Pistoia, G. (Ed.). (2014). Baterías de iones de litio: avances y aplicaciones . Ámsterdam: Elsevier.

No hay estufas eléctricas de campo porque no hay cables de extensión lo suficientemente largos.

En serio, ¿de dónde propones sacar la energía? Las baterías de tecnología actual no tienen la misma densidad de energía por peso o volumen que el combustible químico. La tecnología de las baterías avanza rápidamente, por lo que algún día esto ya no será así, pero hoy lo es.

Dicho de otra manera, no querrá cargar con las baterías que se necesitarían para encender su estufa eléctrica, por lo que volvemos a los cables de extensión largos.

Densidad de energia

No tuve tiempo ayer cuando escribí esta respuesta, pero aquí hay un análisis más detallado de las baterías versus el combustible químico para una estufa de campo.

No pude encontrar valores exactos de densidad de energía para el "combustible Coleman" como pretendía, pero la gasolina debería estar lo suficientemente cerca. 1 litro de gasolina contiene alrededor de 32 MJ de energía, tiene una masa de alrededor de 730 g y pesa alrededor de 1,6 libras. Requiere un contenedor, así que digamos que en general pesa 2 libras .

Si te tomas en serio el uso de baterías para hacer funcionar una estufa de campo, querrás usar baterías recargables. Creo que pocos aquí con una ética ambiental decente querrían gastar y luego tirar un montón de baterías de un solo uso en cada viaje.

Hoy (febrero de 2016), probablemente la batería recargable más disponible y accesible con una densidad de energía decente es algún tipo de litio en factor de forma 18650. Estos tienen un voltaje de servicio de alrededor de 3,5 - 4,3 V durante un ciclo de descarga. Hoy en día, puede obtener varias celdas clasificadas para 5 Ah de compañías anónimas. Las empresas de renombre prometen alrededor de la mitad de eso, por lo que la cifra de 5 Ah es bastante sospechosa. Aún así, sigamos con eso para ser lo más optimistas posible. Digamos también que el voltaje de descarga promedio será de 4.0, lo que nuevamente es optimista. Eso da como resultado 20 Wh, o 72 kJ por batería completamente cargada. Por lo tanto, se necesitarían 444 baterías para entregar la misma energía que el litro de gasolina.

Estas baterías tienen una masa de unos 50 g, por lo que son 22 kg de baterías para los 730 g de gasolina. Eso es 49 libras de peso en comparación con 2 libras de gasolina en un contenedor, o aproximadamente 24 veces más pesado .

El volumen es otro tema. Estas pilas son cilíndricas, de 65 mm de largo por 18 mm de diámetro, para un total de 16,5 ml cada una. No se pueden empaquetar sin espacio entre ellas, pero incluso si pudieran, las baterías 444 ocuparían 7,3 litros de espacio, probablemente más como 10 litros en realidad.

Digamos que el combustible mínimo que querrías llevar contigo sería 100 ml de gasolina . Eso es apenas suficiente para hervir una olla de agua con la mayoría de las estufas, y en realidad creo que nadie tomaría ese poco. Sin embargo, comparemos eso con las baterías de todos modos. Serían 44 celdas con una masa de 2,2 kg , con un peso de 4,8 libras .

Por supuesto, esto es un juicio personal, pero para mí sería "demasiado pesado y demasiado grande" para que valga la pena. O cargaba la gasolina o me las arreglaba sin estufa.

Las estufas y los hornos que funcionan con baterías están disponibles, pero no se calientan tanto como un horno normal. Están diseñados para enchufarse en el tomacorriente de 12 V de un automóvil, por lo que necesitan una batería de automóvil, lo cual no es práctico para alguien a pie. Como resultado, no están diseñados para ser livianos. Sin embargo, trabajan para autocaravanas. En los EE. UU., a menudo los usan los camioneros que viven fuera de sus vehículos durante días seguidos.

Es posible que pueda idear una forma de alimentar uno de estos dispositivos con una batería de iones de litio, lo que podría hacer que el peso sea aceptable para un excursionista dispuesto a llevar un peso adicional significativo. Pero para eso, necesitarías hablar con un electricista, no conmigo.

Como han señalado otros, el principal problema con los métodos de calentamiento eléctrico es que requieren mucha energía, y la tecnología actual de baterías está muy lejos de poder almacenar esa energía en una unidad portátil cómoda.

Dado que su objetivo principal parece ser obtener comida / agua caliente mientras acampa donde no se permiten fuego / llamas, le sugiero que busque bolsas de calentamiento químico no combustible. Estos calentadores de raciones sin llama liberan suficiente calor durante varios minutos para calentar una bolsa de comida o agua; está muy lejos de una fritura recién preparada, ¡pero podría ser lo mejor que puede obtener!

Como vimos en otras respuestas, la tecnología de batería actual requeriría alrededor de 1-2 libras de batería por medio litro de agua hervida (o simplemente, más batería que agua). La única forma práctica que tenemos hoy de obtener suficiente electricidad para un peso razonable sería usar una celda de combustible de hidrógeno. Gradualmente se están volviendo más pequeños y menos costosos, por lo que es posible que pueda usar uno, algún día, si es lo suficientemente joven (hoy) o lo suficientemente rico como para impulsar la I + D usted mismo.