Webinar Red LAC-EE

Tema: EXERGÍA El VALOR AGREGADO DE LA

ENERGIA

BIENVENIDOS

Ing. Alejandro Espin

Director Ejecutivo RED LAC EE

E-mail: alejandro.espin@olade.org

Skype: alejandro.espin

http://red-lac-ee.org/

S

EXERGIA EL VALOR AGREGADO DE LA

ENERGIA

ENERGIA Y PRIMERA LEY DE LA TERMODINAMICA

S  La energía se explica con la 1ra Ley de la Termodinámica (PLT) cuya ecuación es:

dQ = dU+dW

Donde:

dU: Energía Interna de la substancia

dW: Trabajo realizado por la substancia

dQ: Calor disipado por la substancia

S  En general la PLT plantea que el calor puede aumentar la Energía Potencial y Generar Trabajo Útil. También puede la Energía Potencial generar Trabajo Útil y Calor. Es decir la PLT no especifica la dirección de los procesos energéticos

Aplicaciones de la PLT

S  ¨LA ENERGIA NO SE CREA NI SE DESTRUYE SOLO SE TRANSFORMA¨ (Postulado PLT)

S  Sirve para determinar los balances de masa y de energía de un sistema .

S  Cuantifica la cantidad de energía que se moviliza dentro de cada parte involucrada en un sistema.

S  Permite comprender que la energía se transforma de Energía Potencial gravitacional, eléctrica, elástica, térmica, etc. a flujo (velocidad, corriente (eléctrica o hidráulica), elástico, calor, etc.)

S  Y no distingue si hay un sentido o no del flujo de energía

BALANCE DE MASA Y ENERGIA EN UN SISTEMA

Balance de masa

Balance de Energía

Eingresa = E sale

Qi+ Wi+ ∑ himi = Qs + Ws +∑hsms

hi/s = Entalpía de la substancia entrada/salida

Wi/s= Trabajo de la substancia entrada/salida

Qi/s= Calor de la substancia entrada/salida

Entalpía: propiedad intensiva de la substancia cuya expresión es: h = u + pv

u : Energía interna P: Presión v Volumen específico

Ejemplos contradictorios de la PLT

S  Un motor de combustión interna produce trabajo y disipa calor. Si al motor de combustión interna se le añade calor la experiencia demuestra que no genera trabajo.

S  Una resistencia eléctrica genera calor cuando circula una corriente eléctrica. Pero si se calienta la resistencia eléctrica esta no genera corriente eléctrica

SEGUNDA LEY DE LA TERMODINAMICA (SLT)

S  “Es imposible que construir cualquier aparato pueda operar en un ciclo tomando calor de una fuente en equilibrio y solo producir trabajo” (Enunciado de Kelvin – Plank)

S  “Es imposible construir un aparato que opere en un ciclo que tenga como objetivo trasferir calor de una fuente de baja temperatura a una fuente de alta temperatura” (Enunciado de Clausius)

(Cengel, Boles ¨Termodinámica” MG 3 ed 1998)

Kelvin - Plank

Trabajo útil

Clausius

DESIGUALDAD DE CLAUSIUS

∫ dQ/dt <= 0

S  La desigualdad de Clausius dice: Si cualquier sistema cerrado realiza un proceso cíclico la integral cíclica del proceso de dQ/dt1

2 siempre será menor que cero. (Wark

“Termodinámica” Mc Graw Hill 1990)

SEGUNDA LEY DE LA TERMODINAMICA (SLT)

S  De acuerdo a los postulados de Kelvin – Plank y Clausius está claro que la energía para que se vuelva útil es necesario que parte de esa se use para ser entregada en un sumidero de menor temperatura.

S  Límite de Carnot

η= (1-Tb/Ta)

Trabajo Útil

Flujo de calor Ta

Flujo de calor Tb

Ta= Temperatura alta

Tb= Temperatura de la fuente baja

Maquina de Carnot Inversa

S  Si se requiere mover energía de baja temperatura a energía de alta temperatura se requiere una máquina de Carnot invertida.

S  La eficiencia de esta máquina suele ser mayor a la unidad por eso se utiliza el COP, en los sistemas de compresión. En las máquinas de absorción tiene valores menores a la unidad.

S  COP (Coefficient of Performance)

COP=Ta/ (Ta-Tb)

Trabajo Útil

Flujo de calor Ta

Flujo de calor Tb

Ta= Temperatura alta

Tb= Temperatura de la fuente baja

ENTROPIA

S  Definición difusa (magnitud medible pero poco definible: caso gravedad)

S  Propiedad intensiva de la materia que permite determinar el sentido de movimiento de la energía.

S  Impide que todos los procesos de la física sean reversibles.

S  Impide la reversibilidad de los procesos.

S  Controla la dirección del tiempo

dS≥0

dSgen = dQ/To

dS ≤0 proceso no posible

dS =0 proceso Ideal

dS > 0 proceso real

Balance de Entropía

S  Para analizar el flujo de entropía de una substancia a través de cualquier dispositivo es necesario establecer un Balance de Entropía el cual es:

S  Si se trata de dispositivos que operan en estado estable el término Δssistema = 0.

Si – Ss + Sgen = ΔSsistema

Pérdidas Contaminación

EXERGIA

S  Con el criterio de la PLT y conjuntamente con los postulados de la SLT se puede establecer qué nivel de energía es útil!. Siempre tomando en cuenta el medio ambiente

S  A la energía útil se le ha nombrado como EXERGIA (las raíces Griegas ex y ergon proviene de trabajo). También se promovió el uso de esta palabra en los años 1940 en las escuelas de ingeniería del M.I.T.

S  La medición de la EXERGIA es con respecto al Estado Muerto (Equilibrio con el Medio Ambiente) tanto para alta temperatura como para baja temperatura.

EXERGIA

ENTROPIA ENERGIA

Medio Ambiente

Eficiencia de Segunda Ley (ESL)

S  La medición correcta de la eficiencia de un sistema debe ser evaluada con con respecto a la máxima disponibilidad del proceso.

S  Para estas máquinas térmicas se tiene:

ηII= ηth/ηthC

ηII= Exergía Recuperada/ Exergía suministrada

ηII= 1- (Exergía destruida/Exergía suministrada)

1000 K

A B

ηth: 30% ηth: 30%

ηthC: 50% ηthC: 70%

ηIIA=43% ηIIB=60%

ηthC= (1- Tb/Ta)

Definición Matemática de EXERGIA

S  La Exergía es medida con la siguiente ecuación:

S  Donde:

S  Δxi: Cambio de Exergía entre los estados de entrada salida del proceso

S  hi : Entalpía en la entrada y salida de un proceso

S  si: Entropía de entrada y salida

S  To: Temperatura del Medio Ambiente

ΔX12=(h2-h1)-To(s2-s1)

Energía Entropía

Medio Ambiente

Principio de Destrucción de la EXERGIA

S  La ecuación explica que en dos instantes de tiempo consecutivos t1 < t2 cualesquiera, la EXERGIA del sistema siempre es destruida. Es decir la potencialidad de generar trabajo decae a lo largo del tiempo.

ΔXaislado=(X2 –X1)aislado ≤ 0

X1 ≥X2

Balance de EXERGIA

S  El balance muestra la cantidad de Exergía transferida al Medio Ambiente. En otras palabras la energía degradada siempre genera contaminación.

Total de Exergía que entra

- Total de Exergía que sale

- Total de Exergía destruida

= Cambio de Exergía Total en el Medio Ambiente

Xentra – Xsale- Xdestruida = ΔXSistema

Xdestruida= ToSge n≥ 0

Energía vs. Exergía ENERGIA EXERGIA

Depende de la propiedades de la materia, y su flujo, y no toma en cuenta el medio ambiente

Depende de las propiedades de la materia, flujo y medio ambiente.

Tiene un valor cero cuando está en equilibrio con el medio ambiente

Es igual a cero en el Estado Muerto que está en completo equilibrio con el medio ambiente.

Se conserva durante todo el proceso (PLT)

Se conserva en los procesos reversibles y se destruye en los procesos reales

No puede ser producida ni destruida Siempre es destruida en los procesos reales

Tiene muchas manifestaciones (potencial, cinética, trabajo, calor, etc.) y es medida.

Tiene muchas manifestaciones (potencial, cinética, trabajo, calor, etc.) y es medida en base al trabajo o la disponibilidad de generar trabajo.

Es una medida solo de CANTIDAD Es una medida de CANTIDAD y CALIDAD

Relaciones de la EXERGIA …

S  La EXERGIA tiene que ver con la energía.

S  Tiene una estrecha relación con el Medio Ambiente

S  Su comprensión permitirá optar por un Desarrollo Sustentable

S  La energía tan solo es una arista de la Exergía.

Fuente: Dincer, Rosen “EXERGIA” ed.Elsevier 2013

Energía Medio

Ambiente

EXERGIA

Desarrollo Sustentable

S

Valor Agregado

Definición de Valor Agregado

S  El Valor Agregado es lo que el mercado está dispuesto a transar a cambio de bienes/servicios.

S  Si un bien/servicio no tiene valoración en un mercado se puede decir que este bien/servicio carece de Valor Agregado.

Matemática del Valor Agregado

VA = K + W + C

VA: Valor Agregado (USD) y es f(t,m) K: Conocimiento USD y es f(t) C: Capital USD W: Trabajo valorado por el mercado m: percepción del mercado

∂VA/∂t = ∂K/∂t + ∂W/∂t + ∂C/∂t = 0

K función creciente

W es función decreciente.

C: Capital en el período

∂K/∂t = - ∂W/∂t (Fuente: elaboración propia)

∂C/∂t =0 Debido a que no hay cambios en el período Optimización con

respecto al tiempo

EXERGIA Y VALOR AGREGADO

S  El Principio de Destrucción de la EXERGIA mismo que establece que X2 < X1

S  Por otro lado se tiene que

∂W/∂t ≤0

Este efecto es muy visible en el mercado de equipos electrónicos siempre el mercado paga menos por más prestaciones (caso I Phones, Autos, Computadores, Tv).

Es interesante que una función termodinámica explique el comportamiento del mercado. Esto se debe a que los bienes/servicios son manifestaciones energéticas

S  Estos conceptos nos lleva a entender que la velocidad con que se debe innovar debe ser por lo menos igual a la velocidad con la que el mercado degrada el trabajo.

S  Implica en el mundo energético que si se destruye Exergía la probabilidad de protección del Medio Ambiente es nula y no se podría abordar nunca el Desarrollo Sustentable

S  La solución del óptimo del Valor Agregado es cuando:

∂K/∂t = - ∂W/∂t

S

Caso de Estudio Bomba de Calor

Generación de Calor

S  Desde la Revolución Industrial que se generó en Inglaterra a mediados del siglo XVII se utilizaron combustibles para generar vapor y poder transformar los insumos en productos de Valor Agregado.

S  Se usa hasta nuestros días combustibles con alto poder calórico y altas temperaturas de combustión para generar calentamiento de agua a baja temperatura ≤ 100 C.

S  Destruyendo la Exergía del combustible.

Bomba de Calor

S  Con la aplicación de las SLT es muy claro que se puede utilizar la Bomba de Calor para transferir calor de un sumidero de baja temperatura a uno de alta temperatura.

S  En sistemas normales se trabajan temperatura hasta 60ºC. Actualmente se está desarrollando sistemas de 105ºC con COP ≈ 2.5

372 K

BOMBA DE CALOR

COP =4 - 5

20% a 25%

Electricidad

75% a 80%

Energía del Medio Ambiente

100% de Energía Util

Flujo común de Energía y Exergía

S  El peor escenario es que se utilice energía proveniente de fuentes no renovables.

S  En los dos casos se destruye Exergía que contamina el Medio Ambiente

13.21 kWh/kgc 3,87 kWhelec/kgc

3,87 kWhelec/kgc

9.34 kWh/kgc Exergía destruida

71.2%

Exergía

13.21 kWh/kgc 10.57 kWhelec/kgc

2.64 kWh/kgc Exergía destruida

20%

Exergía

η= 29.3%

Siempre se pierde toda la energía del combustible 13.21 kWh/kgc

Destrucción de EXERGIA

S  La destrucción de EXERGIA se presenta cuando existe generación de ENTROPIA. Estos procesos ocurren cuando se desecha calor al medio ambiente como: pérdidas convectivas, enfriamiento de procesos, etc.

S  El calor desechado que genera ENTROPIA y destruye EXERGIA tiene muy poca aplicabilidad para un proceso en particular.

S  La destrucción de EXERGIA provoca contaminación ya que se desecha energía al medio ambiente.

S  La contaminación puede ser química o térmica.

Flujo adecuado de Energía y Exergía

S  Si la fuente de energía es con energía no renovable se tiene:

S  Con Energía Renovable este efecto se amplifica virtuosamente

13.21 kWh/kgc 3,87 kWhelec/kgc

17.42 kWhelec/kgc

9.34 kWh/kgc Exergía destruida

71.2%

Energía

COP 4.5

13.55 kWh/kgc Energía tomada del Medio Ambiente

Balance incrementa en 32% la Energía del Combustible descontaminando el medio ambiente. 4.21 kWh/kgc de Valor Agregado

Exergía

CONCLUSIONES

S  El concepto de energía es un concepto simple sin dirección ni uso adecuado

S  El manejo de la EXERGIA permite potenciar el uso energético al punto óptimo.

S  Plantearse estudios energéticos sin la visión EXERGETICA implica dejar de lado la visión Medio Ambiental y el Desarrollo Sustentable.

S  La EXERGIA es es la energía útil es el VALOR AGREGADO de la energía. Es la parte que valorable de la Energía.

S  Como especie humana si no se comprende la visión holística de la EXERGIA peligra nuestra supervivencia en el planeta.

S  Finalmente el desperdicio de energía se traduce en pérdida de Valor Agregado y con eso implica pobreza.