UNIDAD 4 Ahorro de Energía

UNIDAD 4 TÉCNICAS DE AHORRO DE ENERGÍA EN SISTEMAS TÉRMICOS Existen muchos métodos para la evaluación de proyectos, aunque los más difundidos en la actualidad, y los más confiables, son aquellos que toman en consideración el valor del dinero en el tiempo al analizar los beneficios y costos esperados durante la vida útil del equipamiento. Los métodos que toman en consideración el valor del dinero en el tiempo se conocen como Métodos de Descuento o Técnicas de Valor Descontado. Desarrollar y aplicar las técnicas económicas de evaluación de proyectos de ahorro de Energía, balances de materia, energía y realizar cálculos de la eficiencia energética en equipamiento térmico, calcular los potenciales de ahorro de energía en todo de tipo máquinas térmicas para optimizar los sistemas productores de energía y aplicar técnicas de ahorro.

4.1 TÉCNICAS ECONÓMICAS DE EVALUACIÓN DE PROYECTOS DE AHORRO DE ENERGÍA Existen varias técnicas económicas de evaluación de proyectos de ahorro de energía, como:        

Evaluación económica de proyectos de ahorro de energía. Valor del dinero en el tiempo. Métodos para la evaluación económica de proyectos de inversión. Evaluación del valor del dinero a través del tiempo. Valor presente neto (vpn). Tasa interna de retorno (tir). Periodo de recuperación de la inversión (pri). Relación costo-beneficio (rcb).

Evaluación económica de proyectos de ahorro de energía: Existen muchos métodos para la evaluación de proyectos, aunque los más infundidos en la actualidad, y los más confiables, son aquellos que toman en consideración el valor del dinero en el tiempo al analizar los beneficios y costos esperados durante la vida útil del equipamiento. Los métodos que toman en consideración el valor del dinero en el tiempo se conocen como métodos de descuento o técnicas de valor descontado. descontado.

Valor del dinero en el tiempo: El valor del dinero en el tiempo significa que un determinado capital que se tiene en la actualidad va incrementando su valor en el futuro a determinada tasa de interés fijada. Dicho de otra forma, una cantidad de dinero en la actualidad tiene más valor que otra a recibir en el futuro, debido a que la primera ganará cierto interés o rendimiento al ser invertida. Métodos para la evaluación económica de proyectos de inversión: Existen diversas técnicas de valor descontado, aunque todas ellas se basan en el descuento a valor presente de las cantidades futuras o flujos de caja. Los flujos de caja son la diferencia neta entre beneficios y costos en cada uno de los años, refleja el dinero real en caja. Para su determinación se toma como convenio que las entradas a caja (ingresos) son positivas, y las salidas (gastos) son negativas, lo cual quiere decir que los signos de los flujos de caja resultan del balance anual entre costos y beneficios. Evaluación del valor del dinero a través del tiempo:

F  P1 + ri Dónde: F- valor futuro de una cantidad presente (p) de dinero, $. R- tasa de interés fijada, fracción. I - año para el cual se desea determinar el valor futuro de la cantidad presente. El proceso de actualización a valor presente se realiza de la siguiente manera:

F P  1+r i La tasa r generalmente se denomina como tasa de interés cuando se trata de hallar el valor futuro o capitalizado de una cantidad, y tasa de descuento cuando se realiza el proceso inverso o de actualización, por lo que la representaremos en este último caso como d. Valor presente neto (vpn): Esta técnica se basa en calcular el valor presente neto de los flujos de caja proyectados para todos los años durante el período de evaluación del proyecto. Es una medida de las ganancias que puede reportar el proyecto, siendo positivo si el

saldo entre beneficios y gastos es favorable, y negativo en caso contrario. se determina como:

n

Fci VPN  −K + ∑ 1+D i i=

Dónde:

K- inversión o capital inicial. Fci- flujo de caja en el año i. D- tasa de descuento real utilizada. De forma general, el flujo de caja se puede calcular como:

t )+Dep Fci  Ii − Gi − Dep (1 − 100 Dónde: I- ingresos en el año i, $ G- gastos en el año i, $. T- tasa de impuestos sobre ganancia, %. Dep- depreciación del equipamiento o amortización de la inversión, $. Tasa interna de retorno (tir): Se define como aquella tasa de descuento que reduce a cero el valor presente neto. en términos económicos, la tir representa el porcentaje o tasa de interés que se gana sobre el saldo no recuperado de una inversión, de forma tal que al finalizar el período de evaluación o vida útil, el saldo no recuperado sea igual a cero. el saldo no recuperado de la inversión en cualquier punto del tiempo de la vida del proyecto es la fracción de la inversión original que aún permanece sin recuperar en ese momento.  Analíticamente la tir se determina como:

n

Fci 0  −K + ∑ 1+TIR i i=

Como se puede observar, esta ecuación no se puede resolver directamente, sino que se requiere de un análisis iterativo para obtener el valor de la tir.

4.2 BALANCES DE MATERIA, ENERGÍA Y EXERGÍA. Energía y exergia: Muchas formas de energía y transformaciones de energía intervienen en un proceso. Aunque todas obedecen a la primera ley de la termodinámica, diferencias se asoman en el tratamiento práctico y teórico de varios tipos de energía y trasformaciones de energía debido a la segunda ley de la termodinámica. La segunda ley es importante para la definición de eficiencia así como la correcta cuantificación de las diferentes formas de energía que pueden ser transformadas en trabajo. Los tipos de energía se dividen en dos grupos de acuerdo a la posibilidad de ser convertida en otros tipos. La clasificación de formas de energía es un problema físico, aquí se hace en base a la entropía, utilizada como una medida de las transformaciones de energía. El primer grupo se compone de las formas de energía que pueden transformarse en otras sin ningún límite El segundo grupo es de aquellas que no pueden transformarse completamente. Las entropías del primer grupo son iguales a cero. Y este tipo de energía es considerada como “energía ordenada”. La entrada o salida de calor a un cuerpo no cambia este tipo de energía. La energía del segundo grupo no tiene entropía cero, y se conoce como “energía desordenada”. La energía desordenada a diferencia de la ordenada es alterada con entradas o salidas de calor. La segunda ley de la termodinámica permite transformaciones donde haya incremento de entropía o no haya cambio (reversibilidad). Por ello todas las formas de energía ordenadas se pueden convertir en otra por tener entropía cero, mientras que las energías desordenadas no se pueden convertir en otra formas que tengan menor entropía, y en particular no pueden transformarse en energía ordenadas. Las energías ordenadas poseen una habilidad ilimitada para transformarse, con ello quiere decir que son de mejor calidad. Y son universales porque se pueden convertir en cualquier otra forma del segundo grupo.

Exergia: Es la cantidad de trabajo que puede ser extraído por un consumidor de energía externo durante una interacción reversible entre el sistema y sus alrededores hasta que un completo equilibrio es alcanzado. La exergia deben de los estados relativos de un sistema y sus alrededores, al ser definidos por cualquier conjunto relevante de parámetros. Bajo completo equilibrio, la exergia es cero.

 Ambiente: Es caracterizado porque sus parámetros permanecen sin cambios durante la interacción con el sistema bajo consideración. Esto quiere decir, que el ambiente es muy grande en comparación al sistema y puede amortiguar toda la energía dada a él por el sistema, de tal forma que su propio balance de energía permanece sin cambio. También existe completo equilibrio termodinámico entre todos sus componentes. No se debe olvidar que la exergia de un sistema es definida no solamente por sus acciones, sino simultáneamente por un efecto de parte del ambiente en ello. Tal vez existan situaciones en las cuales, sin dar energía, un sistema puede producir trabajo a expensas del ambiente. Un gas en una vasija con presión menor que la atmosférica es un ejemplo. Cuando hay completo equilibrio entre un sistema y el ambiente, la exergia es igual a cero. Ese estado de un sistema es llamado cero o estado muerto. Los objetos externos que son encontrados en el ambiente, que constituyen con el los alrededores de un sistema, pueden ser fuentes de energía o absorbedores de energía o ambos. Ellos están caracterizados por el hecho de que al menos uno de los parámetros intensivos dominantes es diferente de aquellos del ambiente. Por lo tanto, los objetos externos pueden ser una fuente de energía para alimentar al sistema y asegurar su funcionamiento. La exergia está sujeta reversibles; en todos los como resultado de la irreversibilidades. Entre proceso.

a la ley de la conservación solamente en procesos otros casos puede desaparecer parcial o completamente disipación de energía, la cual es consecuencia de menor sea la perdida de exergia más perfecto es el

La exergia de un sistema que interactúa con el ambiente, se mantiene invariable durante las transformaciones reversibles dentro del sistema o durante su interacción con el ambiente. La exergia del sistema decrece si cualquiera de las transformaciones interiores o interactivas son irreversibles. Por ende los procesos de interacción con el ambiente pueden estar conectados con entradas y salidas de calor pero no con entradas o salidas de exergia. Las ecuaciones de balance de exergia para un sistema son universales y por completo aplicables a cualquier sistema termodinámico, independientemente de los tipos de energía que toman parte en los procesos.

El balance de energía no puede reflejar por sí mismo las pérdidas por irreversibilidad, mientras que el balance de exergia muestra el valor de las pérdidas por irreversibilidad en el sistema en todos los casos. El coeficiente de eficiencia energética, es definido como:

La energía perdida y la exergia perdida (d) son diferentes. La energía no se pierde, sino que simplemente es la pérdida de un sistema dado o energía no disponible para un propósito dado debido a sus formas o parámetros. Por el contrario la perdida de exergia es una desaparición total la cual está conectada con la disipación de energía.

4.3 CALCULO DE LA EFICIENCIA ENERGÉTICA. (VAPOR, AGUA, GAS, NITRÓGENO, ACEITE TÉRMICO, AIRE, ETILENGLICOL). ¿Es lo mismo el ahorro que la eficiencia energética?  Ahorro de energía: evitar un consumo mayor de energía mediante cambios en las pautas de uso. Ejemplo: apagar la luz cuando se sale de una habitación. Eficiencia energética: consumir menos energía para obtener un mismo servicio (“hacer lo mismo con menos”). Para reducir al máximo el consumo energético habría que aunar medidas de ahorro y eficiencia energética Ejemplo: Utilizar una lavadora “clase energética A” y usar los programas cortos de lavado, lavadora llena y con agua fría (todas estas medidas permiten ahorrar energía al utilizar las lavadoras). ¿Por qué es necesario ahorrar energía? • Crisis energética: agot amiento y encarecimiento de los combustibles fósiles. • Reducción de emisiones contaminantes de CO2. • Disminución del grado de contaminación, riesgo de lluvia ácida, mareas negras y destrucción de bosques y espacios naturales. • Ahorro económico

Eficiencia energética en iluminación 1. Utilizar la mejor tecnología para ahorrar energía en la iluminación: el interruptor. Comprueba que están visibles y accesibles.

2. Nombrar a un responsable de apagar las luces: en aulas y en pasillos. 3. ¡Apagar los fluorescentes siempre! Nada de dejarlos si van a estar apagados menos de media hora. 4. Pintar las paredes y techos de colores claros. 5. Limpiar lámparas y pantallas: la suciedad disminuye la luminosidad. 6. Aprovecha la luz natural. 7. Desconectar o quitar las lámparas que no hacen falta o de donde hay más luz de la necesaria. En fluorescentes de doble lámpara, quitar una de ellas.

4.4 CALCULO DE LOS POTENCIALES DE AHORRO DE ENERGÍA. Se define potencial de ahorro como la “diferencia en tre la evolución del consumo de energía sin la introducción de medidas de ahorro y el caso en que todas las medidas del uso eficiente de la energía y gestión de la demanda (UEGD) estén incluidas en el patrón del consumo”.

El potencial de ahorro, brinda una medida de cuánta energía podría ahorrarse de llevar adelante una política de uso eficiente. Los potenciales de ahorro se calculan en base a ciertos supuestos: a) en ningún caso contemplan una disminución del servicio brindado por la electricidad o sea no implican «sacrificio» alguno; b) se basan en tecnologías actualmente disponibles en el mercado (aunque en algunos casos no necesariamente en el nacional) y; c) sólo incorpora los ahorros producidos en aquellas aplicaciones donde éstas son económicamente rentables. El potencial de ahorro varía con el tiempo, fundamentalmente por tres razones: 1. Pues crece la demanda de servicios energéticos (por ejemplo por el crecimiento de la población) creciendo también la demanda con eficiencia congelada—y proporcionalmente— el potencial del ahorro. 2. Debido al paulatino reemplazo de los artefactos actualmente en uso —al fin de su vida útil—por nuevo equipamiento más eficiente. 3. Ya que se desarrollan nuevas tecnologías de uso eficiente de la energía (esta razón no está considerada en nuestros cálculos). Por eso, para el cálculo del potencial de ahorro se parte de un año “base”, O (año base) y se llega hasta un determinado año límite, N (año horizonte). Este lapso debe ser comparable con —o mayor a— la vida útil de la mayoría de los artefactos

permitiendo una introducción substancial de los artefactos eficientes. Más allá de ese horizonte, las estimaciones se complicarían por varios factores: la introducción de nuevas tecnologías con capacidad de ampliar el potencial de ahorro, cambios estructurales en la economía que afectan la participación de distintas actividades en el producto nacional y la introducción de nuevos usos energéticos para los consumidores. El potencial de ahorro implica, en primer término, un menor consumo energético debido a la utilización de una tecnología más eficiente o a la modificación en la forma de utilización de un uso final estipulado. Pero la disminución del consumo energético produce además, una menor demanda de potencia (instalaciones eléctricas) y también una disminución en las emisiones de dióxido de carbono (CO2) a la atmósfera por menor utilización de combustibles en la generación de electricidad. La puesta en marcha de un plan de eficiencia energética puede tener como objetivos la reducción de cualquiera de los ítems mencionados en forma aislada o en cualquiera de las combinaciones posibles. Para poder proceder con el cálculo se deberá primeramente construir los dos escenarios alternativos como se desarrolla a continuación. El potencial de ahorro de energía —la diferencia entre los dos escenarios— depende entonces de la evolución futura de éstos, y permite conocer con aproximación la magnitud de los ahorros así como el beneficio económico o rentabilidad de la aplicación de las medidas. Se describirán entonces las presunciones básicas sobre las cuales se construyen cada uno de los escenarios. Eficiencia congelada (EC) La suposición fundamental de este escenario es que el crecimiento de la demanda energética sólo responde al crecimiento de la demanda por servicios energéticos. Este incremento puede depender de distintos factores tales como el aumento poblacional, cambios en la demanda del servicio, etc. La intensidad energética de los usos finales se mantiene constante en este escenario. Futuro eficiente (FE) La evolución de la demanda por servicios energéticos en este escenario es la misma que en el escenario de eficiencia congelada, pero a diferencia del anterior incorpora las alternativas tecnológicas de mayor eficiencia siempre y cuando éstas sean rentables. O sea en este escenario la intensidad energética es menor que en el de eficiencia congelada.

4.5 AHORRO DE ENERGÍA EN MÁQUINAS TÉRMICAS. (CALDERAS, TURBINAS DE VAPOR Y DE GAS, INTERCAMBIADORES DE CALOR, REDES TÉRMICAS, DUCTOS, COMPRESORES Y MOTORES DE COMBUSTIÓN INTERNA Y SISTEMAS DE REFRIGERACIÓN.)

En una planta es posible lograr ahorros en todo punto donde se la use. La experiencia dice que en toda planta se puede ahorrar energía. Los principales puntos donde se puede ahorrar energía son: • Calderas de vapor y aceite térmico. • Redes de vapor y condensado. • Hornos. • Secadores. • Procesos.

Existen mas de 30 formas de ahorrar energía en calderas, las más importantes son: 1. Reducir el exceso de aire (hasta 20% ahorro) Esta es la forma más efectiva de mejorar la eficiencia y ahorrar energía en calderas. 2. Reducir la presión de vapor (< 2%) 3. Reducir la formación de depósitos (< 8%) 4. Reducir la potencia del quemador (< 2%) 5. Administrar la carga de las calderas (< 3%) 6. Usar economizadores (< 5%) 7. Control automático de purgas (< 3%) 8. Reemplazar quemadores ON-OFF por modulantes (< 2%)  Ahorro en redes de vapor Las principales medidas para ahor rar energía son: 1. 2. 3. 4. 5.

Reparar fugas de vapor. Reparar o cambiar trampas de vapor. Aislar tuberías de vapor y condensado. Recuperar condensados. Usar vapor a la menor presión posible.

 Ahorro de energía en hornos: 1. 2. 3. 4. 5. 6.

Reducir el exceso de aire. Eliminar infiltraciones de aire. Reparar aislamientos. Recuperar calor para precalentamiento de aire o material. Controlar la presión interna. Operar en forma continua.

En el caso de secadores, las medidas son similares.

4.6 AHORRO DE ENERGÍA PARA GENERADOR DE ACEITE TÉRMICO. Se utiliza en instalaciones industriales. Se utilizan cuando se necesitan temperaturas elevadas sin necesidad de alcanzar presiones también elevadas. Su elevada viscosidad hace que los costes de bombeo sean mayores que con el agua.

4.7 AHORRO DE ENERGÍA PARA TORRES DE ENFRIAMIENTO. Las torres de enfriamiento regulan el proceso de enfriamiento mediante la evaporación controlada, reduciendo así la cantidad de agua consumida. Esto se logra cuando a la gota que se pone en contacto con el aire, se le evapora la película exterior, requiriendo para este proceso de absorber calor, el cual se toma de la propia gota, enfriándola consecuentemente. Es decir, el enfriamiento se realiza tanto por calor sensible (cambio de temperatura) como por calor latente (cambio de estado físico). El objeto que se persigue en la torre es que la gota este el mayor tiempo posible en contacto con el aire, lo cuál se logra con la altura de la misma y además interponiendo obstáculos (el relleno), que la van deteniendo y al mismo tiempo la van fragmentando facilitando más el proceso evaporativo. En los nuevos sistemas los obstáculos en lugar de romper la gota, hacen que se forme una película muy delgada en donde se lleva a cabo el mismo proceso. En términos generales, podemos decir que la capacidad de enfriamiento de una torre es una combinación de todas las variables involucradas en el diseño y selección de la misma y nos indica la cantidad de agua que enfría en condiciones de operación comparada con las condiciones de diseño, esto es entonces, el equivalente de la eficiencia térmica. La mayor parte de la información disponible para las torres de enfriamiento es de selección, no de diseño y el cliente no puede nunca determinar "a priori" si una torre está bien o mal diseñada y si a esto se le agrega que en mayor o menor grado las torres siempre enfrían, entendemos el por que la dificultad para evaluar éstos equipos.

4.8 AHORRO DE ENERGÍA EN COMPRESORES DE REFRIGERACIÓN. La refrigeración representa 40% -50% del costo total con energía eléctrica en una cervecería. La eficiencia de la refrigeración es altamente dependiente de las temperaturas de evaporación y condensación 1 El incremento de 1ºC en la temperatura de evaporación puede mejorar la eficiencia en 2-3%. Por ejemplo un chiller evaporando a + 3ºC es 6% más Eficiente que uno evaporando a + 1ºC.

4.9 AHORRO DE ENERGÍA PARA PLANTAS DE NITRÓGENO. El hidrógeno no se encuentra en la naturaleza en su estado elemental, sino que tiene que ser producido a partir de otras fuentes como pueden ser el agua y el gas natural, y con la aportación de energía. Idealmente, la energía aportada sería igual a la energía contenida en el gas sintetizado. Sin embargo, la producción de hidrógeno a partir de cualquier proceso implica una transformación de energía. Y desgraciadamente, las transformaciones de energía siempre tienen asociada pérdidas de energía. - Reformado de Vapor de Gas Natural: por cada MJ de combustible fósil consumido por el sistema, se producen 0.66MJ de hidrógeno. Electrolisis + Energía Eólica: por cada MJ de combustible fósil consumido por el sistema, se producen 13.2MJ de hidrógeno. En el caso del sistema Electrolisis + Energía Eólica se obtiene veinte veces más de hidrógeno por cada unidad energética de combustible fósil consumido en el caso del Reformado de Vapor de Gas Natural.

4.10 OPTIMIZACIÓN DE SISTEMAS PRODUCTORES DE ENERGÍA. Las soluciones de optimización de plantas y de eficiencia energética permiten que las compañías eléctricas maximicen el rendimiento de sus centrales generadoras y logren importantes beneficios y ahorros en todo tipo de situaciones: respuesta dinámica, carga base e integración de renovables. Debido a que las centrales térmicas tienen que hacer varios arranques y paradas al día, los operadores necesitan conocer el tiempo que transcurre desde el comienzo del proceso de arranque hasta que se produce la sincronización, con objeto de poder cumplir el programa de carga requerido. Necesitan también mantener tan bajo como sea posible el coste de estos arranques, que puede afectar negativamente al presupuesto. En las centrales que operan en carga básica, la forma más rápida y barata de mejorar la producción y reducir los costes operativos, es mejorando la eficiencia energética. No sólo es que se genere más electricidad y una mayor facturación, sino que también se reduce el consumo de combustible y las emisiones de gases de efecto invernadero.

4.11 APLICACIÓN DE TÉCNICAS DE AHORRO. EL FACTOR HUMANO, LA CAPACITACIÓN Y CONCIENTIZACIÓN). Tradicionalmente, la energía siempre ha sido considerada un costo, una factura que se debe pagar y un gasto que se debe controlar. No obstante, quienes están preparados para el futuro han madurado con una nueva perspectiva respecto a la energía y están cambiando sus operaciones, especialmente en el área de

fabricación, para aprovechar el valor total de la energía como “materia prima”, un recurso que puede aplicarse para hacer crecer y sostener sus negocios en el futuro. Las compañías grandes y pequeñas por igual necesitan saber exactamente dónde se está utilizando esa valiosa energía, hasta el punto de darle seguimiento como si fuera un ingrediente de sus recetas, o un componente tangible en el ensamblaje de un producto, y captarlo como un ítem en la lista de materiales, o mediante otro método de seguimiento similar, por ejemplo Giga Joules o BTU por tonelada de producto. Administrar esta información en tiempo real les permite gestionarla cuidadosamente a fin de que su negocio continúe siendo rentable.