Reduciendo el derroche de energía a 1 vatio (III)
Artículo escrito por Alan Meier, Wolfgang Huber y Karen Rosen, Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley, Berkeley (CA)
Aplicación Internet
En la primavera de 1998, trabajamos con una compañía de diseño de hardware y software que desarrolla una máquina de videojuegos que proporciona acceso a Internet a través de un juego de televisión ordinario. Esta investigación es particularmente relevante porque las máquinas de videojuego figuran entre las fuentes más grandes de pérdida de reserva en EEUU y pertenecen a la categoría de aparatos hogareños que más rápido crece. Es más, los valores de consumo de energía originales de la máquina de videojuego de prototipo son basados en aproximaciones del diseño real encontradas en el Slicon Valley a comienzos de 1998. Los valores del consumo reducidos presentados en nuestro proyecto propuesto, por consiguiente, reflejan economías obtenidas mejorando un diseño innovador, en lugar del ahorro obtenido mejorando un diseño más viejo u obsoleto.
El fabricante proporcionó información detallada sobre su producto, los componentes mayores se listan en la Tabla 2. El valor «Original» es el nivel de consumo en reserva tal como es diseñado por el fabricante. Valores «Propuestos» son los niveles de consumo de energía en reserva estimados de los componentes después de la aplicación de las mejoras en la ingeniería descriptas anteriormente.
| Componente | Original ( Watts) | Propuesto (Watts) | Cambio |
| Fuente de alimentación | 2.00 | 0.50 | Usa una fuente secundaria conmutada. |
| Circuitería | 4.06 | 0.01 | Sólo la energía crítica on/off de la circuitería |
| Osciladores | 0.25 | 0.001 | Reduce velocidad de reloj |
| Circuitería de Control | |||
| Chipset | 1.00 | 0.00 | Off |
| Modem (28.8k) | 0.50 | 0.00 | Off |
| Controladores E/S | 0.60 | 0.00 | Off |
| TTLs | 0.87 | 0.00 | Off |
| PAL | 0.63 | 0.00 | Off |
| Reguladores | 0.08 | 0.00 | Off |
| Decodificador I/R | 0.01 | 0.01 | No cambia |
| Memoria | |||
| Sistema (DRAM, 8 MB) | 0.05 | 0.00 | Off |
| Video (DRAM, 1 MB) | 0.02 | 0.00 | Off |
| Cache (SRAM, 0.2 MB) | 0.06 | 0.00 | Off |
| Flash (4 MB) | 0.01 | 0.00 | Off |
| Otro | 1.39 | 0.00 | Off |
| Entrada/Salida | 0.05 | 0.05 | |
| Sensor Infrarrojo | 0.05 | 0.05 | No cambia |
| Total | 7.50 | 0.56 | |
Tabla 2. Consumo de Energía en Reserva de Componentes en un Estudio de Máquinas de Videojuego
La mayoría de los ahorros en este estudio fue obtenida por simple discontinuamiento de la alimentación a los componentes que no son necesarios cuando el aparato se apaga. Más allá del suministro de energía, los únicos componentes que deben permanecer activos para mantener el mismo nivel de operación, son los componentes asociados con el encendido y apagado del aparato en forma remota: el receptor infrarrojo y el decodificador.
Apertura de Portón de Garaje con Control Remoto
El segundo caso de estudio presentado aquí es un abridor de portón de garaje típico controlado remotamente. Comparado con el aparato de Internet discutido arriba, un abridor de portón de garaje es a la vez más simple y un producto más completo. Los abridores de portón de garaje están presentes en aproximadamente el 28% de las casas (Sanchez 1997).
El abridor de portón estudiado aquí consiste de 4 componentes de reserva: una fuente de alimentación lineal, un receptor de radio para el telemando, un emisor infrarrojo y su receptor usado para sensar objetos (ej. un niño) en el recorrido de una puerta de cierre. Juntos, estos componentes consumen 3.6 vatios en estado de espera. El fabricante pudo rediseñar el producto para que consuma menos de un vatio en modo de reserva y estimó que el nuevo diseño aumentaría el costo al consumidor en aproximadamente cinco dólares (aproximadamente 5% del precio al menudeo). Aunque los ahorros en energía reembolsarían este costo en aproximadamente dos años, la división del mercadeo sentía que los consumidores no estarían dispuestos a pagar el costo extra y causarían a la compañía la pérdida de una porción del mercado. (Note que el costo incremental probablemente desaparecería dentro del próximo ciclo del producto.)
El Plan Global de 1 Watt
Este trabajo presenta evidencia de que es técnicamente factible reducir las pérdidas de reserva en aparatos domésticos a menos de un vatio. Los fabricantes innovadores de muchos productos, incluyendo los televisores y equipos de audio, ya están llegando, o están cerca de llegar, al objetivo de 1 Watt sin sacrificar servicios o aumentar el precio de la compra. El costo de tecnologías de bajas pérdidas importantes está cayendo rápidamente, de manera que el costo incremental para llegar al objetivo de 1 Watt también está cayendo. Si todos los aparatos fueran reemplazados por aquéllos que cumplan el objetivo de 1 watt, las pérdidas agregadas de reserva caerían 70% por lo menos (Webber 1998), ahorrando los EE.UU. anualmente más de $2 mil millones.
No es probable que las grandes reducciones en las pérdidas de reserva ocurran sin intervención. Algunas reducciones pueden ocurrir incidentalmente, como resultado de mejoras en las tecnologías, pero es probable que ellas sólo ocurran en ciertos aparatos y lentamente. Las fuerzas del mercado por sí solas no son eficaces para reducir el consumo de reserva porque los fabricantes no encuentran ninguna razón para considerar estas pérdidas incluso al diseñar productos. Por el lado de la demanda, a los consumidores les faltan medios para comparar el consumo de reserva de mercancías rivales. Las oportunidades para los ahorros significativos de energía, combinadas con la ausencia de incentivos e información en ambos lados del mercado, son buenas razones para la acción gubernamental.
Un plan global para reducir las pérdidas de reserva a un vatio por aparato ha sido propuesto por Alan Meier del Laboratorio National Lawrence Berkeley. En la figura 2 se muestran los elementos importantes del plan propuesto. Este plan reconoce que la situación de cada país es única y alienta una acción regional apropiada de acuerdo a sus condiciones. Algunos países pueden escoger confiar en regulaciones, mientras otros usan incentivos o compras masivas para transformar el mercado. En todo caso, los fabricantes todavía enfrentan las mismas metas globales y a largo plazo en todos los países. Algunos fabricantes continuarían ofreciendo productos con altas pérdidas en reserva, indudablemente porque los obstáculos técnicos son demasiado grandes o porque ellos simplemente no están interesados, pero un mercado transformado aseguraría que la mayoría de los componentes ofrecidos se diseñe para bajas pérdidas en reserva.
| Elementos importantes de un Plan Global para 1 Watt Las pérdidas en reserva son reducidas a menos de 1 vatio para todos los aparatos – 50% de todo el stock lo cumplirá en 2005 – 100% de todo el stock lo cumplirá en 2010 Cada país escoge los métodos para llegar a la meta de 1 Watt – programas voluntarios de señalización – programas de concreción del objetivo – regulaciones gubernamentales obligatorias – normas domésticas Colaboración internacional en definiciones y procedimientos de prueba. Discusión y desarrollo de un signo reconocido internacionalmente. |
Figura 2. Elementos importantes del Plan Global para 1 Watt propuestos por Alan Meier del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley
Obstáculos para el Límite de 1 Watt
Mientras es técnicamente factible reducir en gran medida las pérdidas en reserva en la mayoría de los aparatos, permanecen obstáculos que necesitarán ser tratados. Algunos obstáculos que han sido traídos a nuestra atención se discuten abajo.
Computadoras personales
Las computadoras personales (PCs) generalmente no son fabricadas por una sola compañía. Una variedad de componentes de varios fabricantes diferentes normalmente es ensamblada por una compañía del menudeo o incluso por el consumidor. La fuente de alimentación debe ser por consiguiente capaz de abastecer a un número indeterminado de componentes que tienen requisitos energéticos de estado de espera indeterminados. La especificación Intel NLX incluye una provisión por arriba de 3.6 vatios de consumo en el modo off estándar de la PC (Intel Corp. 1997).
Una manera de reducir este consumo de reserva máximo es usar tecnología existente corrientemente desarrollada para permitirles a las computadoras conectadas en una red de computadoras entrar en un modo de sueño profundo sin perder la habilidad de responder a las señales de la red (AMD 1998). Esta tecnología le da al receptor señalado, en este caso el chip de la red, la capacidad para descifrar signos e informar al resto de las computadoras cuándo necesita responder. De esta manera, todos los componentes están apagados cuando la computadora está en estado de espera y sólo son alimentados cuando un mensaje se aplica a esa computadora. El suministro de energía de reserva sólo sería exigido por consiguiente para proporcionar suficiente energía para mantener activa la red del chip, a lo sumo unos cientos de milliwatts. Puesto que la tecnología para resolver este problema ya existe, el mayor desafío en este caso es que la industria de la computadora lo acepte.
Sistema en un Chip
La circuitería interior de muchos aparatos está diseñándose con confianza creciente en un solo chip para realizar funciones que antes fueron hechas por chips múltiples. Este sistema de chip todos-en-uno normalmente es llamado como sistema-en-un-chip (SoC). Teóricamente, esta tendencia debería ahorrar energía pues las operaciones dentro de un chip usan substancialmente menos energía que las operaciones entre los chips. Además, los ingenieros pueden implementar técnicas de dirección de energía eficaces fácilmente dentro de un chip porque ellos no tienen que acomodar las especificaciones de chips de otras compañías. Se espera, sin embargo, que algunas compañías usarán arquitecturas existentes en el nuevo chip integrado, sin rediseñar la dirección de la energía (VSI 1998). El resultado sería que el SoC entero puede necesitar permanecer alimentado a un nivel relativamente alto para que las funciones individuales permanezcan disponibles.
Sistemas Satelitales Digitales
Existen normas que requieren que estos sistemas digitales satelitales transmitan energía a 18 voltios para activar el plato. Este voltaje de funcionamiento relativamente alto causa que sea difícil de conseguir bajar las pérdidas de reserva. En este caso, las características técnicas con respecto a las comunicaciones entre los componentes necesitarían ser reescritas antes de que las pérdidas en reserva puedan reducirse.
Razones para un Esfuerzo Internacional
La reducción de las pérdidas de reserva en electrodomésticos es conveniente a nivel global porque el mercado para estos bienes es internacional. Al mismo tiempo, un esfuerzo coordinado traería beneficios mucho mayores que los esfuerzos individuales de algunos países. Los ahorros serían en costos del consumidor, reducidos en el funcionamiento de los electrodomésticos, y medioambiental, en la forma de reducción de las emisiones de dióxido de carbono (CO2). Cumplir con el objetivo de 1 Watt, sólo en EE.UU. podría llevar eventualmente a una reducción de 9 megatoneladas en emisiones anuales de CO2 (Webber 1998). Aunque ésta es una contribución relativamente pequeña al total requerido para los EE.UU., ya que el tratado de Kioto requiere para el año 2010 una reducción de las emisiones previstas de CO2 en aproximadamente 600 megatoneladas, nosotros creemos que puede lograrse prácticamente sin ningún esfuerzo económico.
La acción global para reducir las pérdidas en reserva podría disminuir las emisiones globales de CO2 tanto como aproximadamente 3 veces, o 27 megatoneladas por año (Webber 1998). Esta es una reducción grande comparada a otras acciones en consideración. Al mismo tiempo, los proveedores de aparatos pueden fabricarlos con una única especificación global reduciendo así los costos de producción y de inventario. Estos beneficios no pueden subestimarse pues el mercado de los aparatos electrónicos es extraordinariamente global en ese plan, pues frecuentemente la fabricación de componentes, el montaje, y la compra final, tienen lugar en diferentes países.
Un esfuerzo internacional coordinado también puede transformar el mercado del aparato global entero. Todos los fabricantes de productos finales y componentes cambiarán hacia los componentes y diseños de bajas pérdidas. De esta manera, los países que no participan directamente en este plan se beneficiarán pues los dispositivos de bajas pérdidas se volverán la norma en lugar de la excepción. Los países más pobres disfrutarán por consiguiente también de los ahorros en la operación y de la reducción de las emisiones de CO2.
Finalmente, el mercado global del aparato electrónico está evolucionando rápidamente y los ciclos de vida de los mismos son cortos. Esto significa que las nuevas características técnicas pueden incorporarse en los nuevos diseños y podrán comercializarse dentro de unos años.
Conclusiones
Este estudio ha mostrado que la mayoría de las pérdidas en reserva ocurren como resultado de alimentar a relativamente pocos componentes. Los análisis de componentes individuales con pérdidas en reserva sugieren que ya están disponibles distintos caminos para disminuir las mismas. Los resultados de este estudio implican que es factible establecer un techo uniforme de 1 vatio para casi todos los aparatos. Para ciertos aparatos siguen existiendo obstáculos técnicos, pero éstos representan un fragmento pequeño del total de aparatos con pérdidas en reserva.
Un esfuerzo internacional por reducir las pérdidas en reserva tiene ventajas incomparables. La naturaleza global del mercado del electrodoméstico impide a cualquier país solo enfrentar el problema eficazmente. Al mismo tiempo, un acercamiento internacional mejora la probabilidad de transformar el mercado completamente, incluso en aquellos países que no participan formalmente. El próximo desafío será inventar un programa formal para lograr esta meta global. Semejantes esfuerzos se están realizando en la actualidad.
Reconocimientos
Este trabajo fue apoyado por la Secretaría Auxiliar para la Eficacia de Energía y la Energía Renovable de EE.UU. Departamento de Energía, bajo Contrato No. DE-AC03-76SF00098.
Ing. Sergio A. Luñansky Traducción y Adaptación
Ing. Raúl D. Triventi Colaboración en la traducción
Mirta N. Luñansky Colaboración en la revisión
