Eficiencia y Sostenibilidad: medir, comparar y mejorar

Introducción #

En sostenibilidad, “ser eficiente” no significa solo “gastar menos”, sino obtener el mismo (o mejor) resultado con menos recursos: energía, materiales, tiempo, agua o emisiones.

Una mirada física: por qué la eficiencia tiene límites #

En Física, la eficiencia aparece como una idea muy concreta: siempre que haya transformaciones, hay pérdidas. Por ejemplo, al convertir energía (química, térmica, luminosa, mecánica) en electricidad o trabajo útil, parte de la energía se “degrada” en forma de calor y no se puede recuperar íntegramente para el mismo fin.

Un ejemplo muy didáctico es la eficiencia de conversión de una célula solar: qué fracción de la energía de la radiación incidente se convierte en electricidad. Este gráfico (NREL) recopila récords de laboratorio a lo largo del tiempo para distintas tecnologías fotovoltaicas:

Fuente: National Renewable Energy Laboratory (NREL). Imagen en dominio público vía Wikimedia Commons: https://es.wikipedia.org/wiki/Archivo:NREL_PV_Cell_Record_Efficiency_Chart.png. Datos y versiones: https://www.nrel.gov/pv/cell-efficiency.html.

Ideas clave para conectar con “eficiencia” en sostenibilidad:

• Mejorar eficiencia suele ser una carrera de rendimientos decrecientes: cada punto porcentual extra cuesta más I+D, materiales, complejidad o control.
• Hay límites físicos (p. ej., en fotovoltaica, límites teóricos para ciertas arquitecturas como la unión simple; se superan con estrategias como multiunión o concentración, con más complejidad).
• La eficiencia “de dispositivo” no lo es todo: en un sistema real importan también las pérdidas de integración, el recurso disponible y el uso final.

La eficiencia es clave porque:

• Reduce consumos y costes (cuando el sistema está bien medido).
• Disminuye impactos ambientales (cuando la energía es fósil o hay escasez de recursos).
• Mejora la resiliencia (menos dependencia de recursos críticos).

Pero también tiene límites: si una mejora de eficiencia hace que consumamos más (porque es más barato o cómodo), el beneficio puede reducirse o desaparecer. Eso se llama efecto rebote.

1) Qué es (y qué no es) la eficiencia #

Una definición simple:

• Eficiencia (rendimiento):

$$ \eta = \frac{\text{salida útil}}{\text{entrada total}} $$

Ejemplos:

• Energía: $\eta = \frac{E_\text{útil}}{E_\text{entrada}}$ (adimensional, entre 0 y 1).
• Economía: $\text{€ por unidad producida}$ (cuanto menor, más eficiente económicamente).
• Informática: $\text{tareas por segundo por vatio}$ (performance/W) o $\text{ms por petición}$.

Conceptos que se confunden:

• Eficacia: lograr el objetivo (aunque sea gastando mucho).
• Suficiencia: reducir demanda (hacer menos) porque “hacer más” ya no aporta valor.
• Optimización local: mejorar un componente y empeorar el sistema (p. ej., “ahorro” en un punto que incrementa residuos en otro).

2) Eficiencia en sostenibilidad: tipos frecuentes #

• Eficiencia energética: menos kWh para el mismo servicio (iluminación, calefacción, computación).
• Eficiencia material: menos kg de material por unidad funcional (p. ej., embalaje).
• Eficiencia hídrica: menos litros por unidad producida.
• Eficiencia logística: menos km recorridos o más carga útil por viaje.
• Eficiencia computacional (TIC): mismo resultado con menos CPU/RAM/IO/red.

Una idea importante: en sostenibilidad conviene fijar una unidad funcional (por ejemplo, “1 kWh entregado”, “1.000 peticiones servidas”, “1 alumno atendido”) para comparar de forma justa.

3) Métricas útiles (las que ayudan a decidir) #

Algunas métricas típicas (y su unidad):

• Intensidad energética: kWh/unidad.
• Intensidad de carbono: gCO2e/kWh (depende del mix eléctrico).
• Rendimiento: % (por ejemplo, eficiencia de conversión en una central).
• Disponibilidad / factor de capacidad: % (cuánto produce respecto a su máximo teórico a lo largo del tiempo).
• Centros de datos:
  • PUE (Power Usage Effectiveness): energía total del CPD / energía de TI. Ideal: cercano a 1.
  • WUE (uso de agua), CUE (carbon usage effectiveness) si se trabaja el tema.

4) El “efecto rebote” (por qué eficiencia ≠ siempre menos impacto) #

Si una mejora hace que usar un recurso sea más barato o más cómodo, puede aumentar el consumo total. Ejemplos:

• Iluminación LED: consume menos por lumen, pero se instalan más puntos o se iluminan más horas.
• Software “más rápido”: se procesan más datos o se lanza más analítica sin replantear si aporta valor.

Para evitarlo, la eficiencia suele combinarse con:

• objetivos de reducción (kWh/año),
• límites (presupuesto de carbono),
• diseño orientado a suficiencia (hacer lo necesario, no lo máximo).

5) Ejemplo práctico: comparar “eficiencia” entre tecnologías energéticas #

Una comparación honesta requiere distinguir qué significa eficiencia en cada tecnología:

• En térmicas (carbón/fuel/gas), la eficiencia suele ser de conversión (calor → electricidad).
• En renovables como solar y eólica, tiene más sentido hablar de:
  • eficiencia de conversión del dispositivo (panel, aerogenerador), y
  • factor de capacidad (producción real a lo largo del año).

Para que la comparación sea “justa”, conviene separar dos preguntas distintas:

1. ¿Qué parte de la energía disponible se convierte en electricidad? (eficiencia de conversión)
2. ¿Cuánto produce de verdad a lo largo del año? (factor de capacidad y disponibilidad del recurso)

En otras palabras: una tecnología puede tener un rendimiento de conversión muy alto, pero producir poco si el recurso es escaso o muy variable (o si hay limitaciones operativas).

Recuadro: límites físicos (por qué no todo puede ser 100%)

• Fotovoltaica (unión simple): existe un límite teórico de eficiencia de conversión para una célula de unión simple (límite de Shockley–Queisser), debido a pérdidas inevitables (fotones que no se absorben, exceso de energía que se disipa como calor, recombinación, etc.). Las estrategias multiunión/concentración pueden superar el límite de la unión simple, a cambio de complejidad.
• Eólica: aunque parezca que “solo es poner aspas”, tampoco se puede capturar toda la energía del viento. El límite de Betz establece que, idealmente, un rotor no puede extraer más del 59,3% de la potencia cinética del viento que atraviesa su área.

Tabla orientativa (rangos típicos, pueden variar según tecnología, ubicación y antigüedad):

Complemento clave para comparar “lo que entrega” una instalación:

• Factor de capacidad (muy dependiente del sitio):
  • Solar: ~10–25%
  • Eólica: ~20–45% (a veces más en zonas muy favorables)
  • Hidráulica: variable (depende de caudales y gestión)

Qué aprender de la tabla:

• No existe una única “eficiencia universal”. Hay que fijar qué entrada y qué salida estás midiendo.
• Para sostenibilidad, además de eficiencia conviene mirar emisiones (CO2e), impactos locales y disponibilidad del recurso.

6) Eficiencia en informática: dónde se gana más #

En TIC, muchas mejoras de eficiencia no requieren “hardware nuevo”, sino mejor diseño:

• Reducir trabajo innecesario: cachés, evitar polling agresivo, paginación real.
• Elegir estructuras de datos/algoritmos: menos CPU y menos RAM.
• Optimizar IO y red: comprimir cuando toca, evitar transferencias redundantes, usar formatos eficientes.
• Medir primero: latencia, throughput, CPU%, RAM, lecturas/escrituras, consumo estimado.

Pista docente útil: rendimiento y sostenibilidad se conectan porque tiempo de CPU ≈ energía (aprox.).

🧪 Ejercicio práctico (Informática): “misma tarea, distinto coste” #

Objetivo: comparar dos soluciones que hacen lo mismo, midiendo tiempo, memoria y una estimación simple de energía/CO2e.

Enunciado #

Tienes un fichero grande de texto (por ejemplo, un log). Debes contar:

1. número de líneas,
2. número de palabras,
3. top 10 palabras más frecuentes.

(Sugerencia: en la entrega, escribe “las 10 palabras más frecuentes” para evitar anglicismos.)

Implementa dos versiones:

• Versión A: enfoque directo (leer todo a memoria y procesar).
• Versión B: enfoque eficiente (procesar en streaming/líneas, sin cargar todo de golpe).

Qué medir (mínimo) #

• Tiempo total (s): time.perf_counter().
• Memoria pico (MB): tracemalloc.

Estimación simple de energía (orientativa):

• Asume potencia media del equipo durante la prueba (por ejemplo, 30 W si es portátil en carga ligera).
• Energía: $E(Wh) = P(W) \times t(h)$.
• Conversión: $E(kWh) = E(Wh) / 1000$.
• CO2e: $\text{CO2e} = E(kWh) \times \text{factor de red (kgCO2e/kWh)}$ (cita el factor que uses).

Entrega #

• Una tabla comparando A vs B (tiempo, memoria pico, energía estimada, CO2e estimado).
• 5–8 líneas de conclusión: ¿qué cambió y por qué? ¿hay trade‑offs?

Rúbrica (0–10) #

• Corrección (3): resultados coinciden.
• Medición (3): método claro y repetible.
• Análisis (3): interpretación (por qué mejora y en qué condiciones).
• Reflexión (1): menciona incertidumbre del cálculo energético (supuestos).

Resumen (en 3 ideas) #

• Ser eficiente es hacer lo mismo (o mejor) con menos recursos, pero siempre con una unidad funcional clara.
• La eficiencia tiene límites físicos y, en la práctica, depende del sistema completo (incluido el recurso disponible y las pérdidas de integración).
• Para que la eficiencia se traduzca en sostenibilidad, hay que vigilar el efecto rebote y medir con métricas comparables.