Miguel Angel Villamañan by Uimp Pirineos

ENCUENTRO Sede Pirineos

METROLOGIA EN EL SECTOR ENERGÉTICO: UNA NUEVA VISION Titulo de la ponencia: Análisis de los sistemas energéticos. Calidad de la energía, metodología exergética e índices de eficiencia energética. Su relación con la metrología científica de propiedades termofísicas de materiales. Algunas técnicas de medida punteras Ponente: Miguel Angel Villamañán Olfos Fecha: 13/09/2012

Dirigido por: Fernando Ferrer Margalef Director del Centro Español de Metrología, CEM

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EL PROBLEMA ENERGÉTICO PROGRESO

TECNOLÓGICO

ECONÓMICO

CONSUMO ENERGÉTICO

¿SISTEMA ENERGÉTICO?

SOCIAL

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Conceptos básicos • Definiciones de energía: – Capacidad para realizar un trabajo. – Medida de la capacidad de un sistema para producir trabajo por medios mecánicos o calor por medios no mecánicos. • Formas de energía: • – Energía mecánica: cinética y potencial. • – Energía interna (térmica, química, nuclear, etc…). • El resto son mecanismos de transporte.

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Conceptos básicos

CALIDAD DE LA ENERGÍA 1 J (1000ºC)

0.76 J

CALOR

TRABAJO 1J

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Tipos de energía: (1) ALMACENADA • De forma externa o macroscópica: asociada a la velocidad y la posición gravitatoria.  Energía cinética.  Energía potencial.

•

De forma interna o microscópica: asociada a la estructura de la materia (= “esponja” energética)  Energía mecánica interna: cinética y potencial.  Energía eléctrica/ magnética: ‘universo’ atómico.  Energía química: enlaces.  Energía nuclear: núcleos atómicos.

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Tipos de energía: (2) TRANSPORTADA •

De forma MECÁNICA: a) Transporte de energía mediante la actuación de una fuerza que produce un desplazamiento: TRABAJO

•

De forma NO- MECÁNICA: a) Transporte de energía a través de una ‘pared’ por diferencia de temperaturas sistema- entorno: CALOR b) Transporte de energía por radiación electromagnética (térmica, fotónica): RADIACIÓN

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Unidades de ENERGÍA  S.I.: Joule (J) [Julio]. 1 J = 1 N·m = 1 kg·m 2/ s 2 • Potencia: Watio (W). 1 W = 1 J/s. 1 CV = 736W • Energía eléctrica: 1 kWh = 3,6 MJ • Comparación: 1 tep = 41,84·109 J= 41,84 GJ= 11,622 MWh 1 tec = 29,30·109 J= 29,30 GJ= 8,1389 MWh • Calor: 1 cal = 4,184 J (calentam.); termia= 106 cal= 103 kcal= 1 Mcal • Frío: frigoría, 1 fg= 4,184 J (enfriamiento) • Petróleo: 1 barril » 42 US galones » 160 l =1,7·103 kWh = 6,12 GJ • Uranio: 1 kg » 1,86·107 kWh  SISTEMA ANGLOSAJÓN: British Thermal Unit (1 lb-water, 1ºF) 1 Btu= 252 cal= 1.055,056 J= Aprox. 1 kJ

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Fuentes de energía (1)  Fuentes Convencionales: su transformación a energía final está plenamente desarrollada.  Fuentes No Convencionales: en etapa de desarrollo tecnológico para su utilización a gran escala.  Fuentes Renovables: proceden del flujo de energía del Sol. Inagotables, se renuevan constantemente o se generan en procesos cíclicos.  Fuentes No Renovables: cantidad de recursos limitados. Se agotarán.

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Fuentes de energía (2) Grupo Combustibles Fósiles

Energía Nuclear

Origen

Renovable

Convencional

Carbón

Petróleo

Gas Natural

Fisión

Magnética

Inercial

SI(?)

Fusión

Tipo

Energía Hidráulica

Megahidráulica Minihidráulica (<10MW)

Geotérmica

Desintegración radiactiva natural

Magma incandescente

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Fuentes de energía (2- cont.) Grupo Solar directa Solar indirecta

Origen

Renovable

Convencional

Térmica

Fotovoltaica

Eólica

Biocombustible

Residuos

Mareomotriz

Olas

Gradiente térmico

Biomasa Marina

Tipo

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Transformaciones energéticas [‘energy conversion’] (1) 

Energías primarias, fuentes de energía o recursos energéticos: obtenidas de la naturaleza, sin transformación. – Combustibles fósiles: carbón, petróleo y gas natural. – Combustibles nucleares: fisión y fusión. – Solar directa: térmica y fotovoltaica. – Solar indirecta: hidráulica (mega y mini), eólica, marina y biomasa. – Geotérmica.



Energías intermedias o secundarias: de transformación y transporte. Mecánica, térmica y eléctrica.



Energías finales o útiles: aprovechadas por los consumidores en forma de trabajo, calor o luz.

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Transformaciones energéticas [‘energy conversion’] (2) • Leyes que se aplican en las transformaciones energéticas: – 1er Principio de la Termodinámica:  la energía siempre se conserva (‘ni se crea, ni se destruye, sólo se transforma’). – 2º Principio de la Termodinámica:  Algunas formas de energía no son transformables al 100%: ‘calidad’ de la energía.  No toda transformación energética es posible.  En toda transformación energética real parte de la energía se degrada de forma no recuperable.

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Revisión del 1er Principio (1) • Sistema cerrado en reposo: W P Q +W

= ∆U Wt

• Sistema de flujo estacionario: •

•

Q + W t = m [(h + c s

/ 2 + g z s ) − (he + ce / 2 + g z e)] s

¡Q, W dependen del proceso! • Sistema aislado:

(∆E ) sist aislado = ∆E sist + ∆Eent = 0

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Revisión del 1er Principio ( y 2): limitaciones

- Considera calor y trabajo como formas de energía en tránsito equivalentes. - No justifica la dirección de los procesos espontáneos.

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Revisión del 2º Principio (1): su esencia

• Aparición: Existe una propiedad extensiva, S, “entropía”, que nunca puede disminuir en un sistema aislado: dS= δQ/ T. irreversible

(∆S ) sist aislado ≥ 0 reversible

(∆S ) sist aislado = ∆S sist + ∆S ent • Interpretación microscópica: Medida del desorden en el almacenamiento microscópico de la energía (en un número inmensamente grande de grados de libertad).

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Revisión del 2º Principio (2): reversibilidad e irreversibilidad

• Procesos: no existe ningún proceso real que pueda invertirse sin un coste adicional de energía útil. • Nuevo concepto: la irreversibilidad energética ⇒ en todo proceso existe una ‘degradación’ de energía desde ‘ordenada’ a ‘desordenada’. • Causas de la irreversibilidad: – –

Transformación de energía útil (‘ordenada’) en energía interna (‘desordenada’). Falta de equilibrio (mecánico, térmico y/o material) en cualquier interacción energética.

• Reversibilidad: proceso ideal ‘imaginario’ sin degradación energética ⇒ modelo sencillo (matemáticamente): referencia del proceso óptimo de comparación para evaluar su eficiencia.

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Revisión del 2º Principio ( y 3): consecuencias  No todo proceso imaginable es posible: la conservación de la energía no asegura su viabilidad.  Todo proceso real es mejorable: acercamiento a la perfección energética de los procesos (‘la reversibilidad’).  Introduce el concepto de ‘calidad’ energética: su cuantificación a través de un patrón universal, la ‘exergía’.  Aporta la esencia del ‘ahorro’ energético: insuficiencia de la ‘auditoria energética’, su complemento la ‘auditoria exergética’.  Crea las bases del análisis ‘termoeconómico’ y ‘termoecológico: combina simultáneamente Termodinámica, Economía y Sostenibilidad Ambiental.

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Secuenciación del método exergético

I. Los conceptos de EXERGÍA y ANERGÍA II. EXERGÍA DE LAS DIFERENTES FORMAS DE ENERGÍAS MECÁNICAS Y TÉRMICAS. EXERGÍA QUÍMICA. III. BALANCES DE EXERGÍA. Cálculos de la exergía destruida. IV. El concepto de RENDIMIENTO EXERGÉTICO

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Puntos clave del método exergético

• Supone una traducción del lenguaje entrópico (J/K) del 2P a un lenguaje energético (J) más fácilmente interpretable. • Herramienta práctica de gran utilidad para los ingenieros, la eficiencia exergética. • Al combinarlo con el análisis económico representa una metodología general y universal de los sistemas energéticos, análisis termoeconómico.

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Secuenciación del método exergético

I. Los conceptos de EXERGÍA y ANERGÍA II. EXERGÍA DE LAS DIFERENTES FORMAS DE ENERGÍAS MECÁNICAS Y TÉRMICAS. EXERGÍA QUÍMICA. III. BALANCES DE EXERGÍA. Cálculos de exergía destruida. IV. El concepto de RENDIMIENTO EXERGÉTICO

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I. Los conceptos de EXERGÍA y ANERGÍA (1) Wt = 100 J

Ec = 100 J

Welect = 100 J

Wt = 100 J Procesos reversibles

Ep = 100 J

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I. Los conceptos de EXERGÍA y ANERGÍA (2) FOCO CALIENTE

(1P) + (2P)

T=600K

Wmax  = Q·ηc = Q·(1 - T0/T)

Q = 100 J Procesos reversibles

MOTOR DE CARNOT

Q0= 50 J FOCO FRIO

T0=300K

 Wmax  = 100·(1-300/600) = 50 J

W = 50 J

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I. Los conceptos de EXERGÍA y ANERGÍA (3)

CALIDAD DE LA ENERGÍA TOTAL

PARCIAL

TOTALMENTE TRANSFORMABLE EN TRABAJO ÚTIL

PARCIALMENTE TRANSFORMABLE EN TRABAJO ÚTIL

TRANSFORMACIÓN NO DEPENDE DE LOS PARÁMETROS DEL AMBIENTE

TRANSFORMACIÓN DEPENDE DE LOS PARÁMETROS DEL AMBIENTE

Wt, Ep, Ec, ...

Q, H, U, ...

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I. Los conceptos de EXERGÍA y ANERGÍA (4) EXERGIA: trabajo útil máximo que puede obtenerse de una forma de energía a partir de un estado energético determinado hasta reducirlo al estado del entorno ambiental

CALIDAD DE LA ENERGÍA

EXERGIA: trabajo útil mínimo para generar un estado energético determinado a partir del estado del entorno ambiental

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I. Los conceptos de EXERGÍA y ANERGÍA (5)

ENERGÍA = EXERGÍA

TRABAJO ÚTIL MÁXIMO

ANERGÍA

PARTE INÚTIL NOTRANSFORMABLE

Contiene información de (1P) + (2P)

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I. Los conceptos de EXERGÍA y ANERGÍA (6) Traducción al lenguaje exergético del 1P y 2P

(1P)

ΣEnergía = 0

ΣExergía+ΣAnergía=0

(2P)

Sirr=Π = 0

Exergía = cte

PROCESOS REVERSIBLES

Sirr= Π> 0

Exergía  Anergía

PROCESOS IRREVERSIBLES

Sirr= Π < 0

Anergía  Exergía

NUNCA

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I. Los conceptos de EXERGÍA y ANERGÍA ( y 7) AMBIENTE: Medio en estado de perfecto equilibrio termodinámico entorno ambiente

INTERACCIÓN sistema T

TERMICA

MÉCÁNICA

QUÍMICA

μe

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II. Exergía de las diferentes formas de energías mecánicas y térmicas (1)

CLASIFICACIÓN ENERGÍAS MECÁNICAS Y TÉRMICAS

Energías Mecánicas

Energías Térmicas

Energías en tránsito

Energías almacenadas

Ec Ep

H U

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II. Exergía de las diferentes formas de energías mecánicas y térmicas (2)

Metodología: DEFINICIÓN DE EXERGÍA Wútil,máx que puede obtenerse de una determinada forma de energía en unas condiciones del entorno ambiental dadas

W Q Ec Ep H U

Estado actual (T, P; c, z) Proceso reversible Estado ambiente (T0, P0; c0, z0)

Wútil,máx

EW EQ EEc EEp E E*

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II. Exergía de las diferentes formas de energías mecánicas y térmicas (3)

Trabajo técnico o trabajo en el eje (‘shaft work’) Todo el trabajo técnico es trabajo útil Wt

E Wt ≡ Wt

A Wt = 0

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II. Exergía de las diferentes formas de energías mecánicas y térmicas (4)

Trabajo de cambio de volumen Proceso de expansión reversible P0 P

W V = − ∫ P·dV Trabajo contra el ambiente

W V ,amb = − ∫ P0·dV E W V ≡ Wútil = ∫ (P − P0 )dV

A W V = ∫ P0·dV

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II. Exergía de las diferentes formas de energías mecánicas y térmicas (5)

Flujo de calor desde un foco a la temperatura T > T0

EQ =  Wútil  = ηCarnot * Q Q

 T0  E Q = Q1 −  T 

MOTOR DE CARNOT

Wrev

Q A Q = T0· = T0·SQ T

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II. Exergía de las diferentes formas de energías mecánicas y térmicas (6)

T = 600 K

T = 400 K EQ = (1 - T0/T)·Q

Q=100 J

EQ = 50 J EQ=(1 - 300/600)·100

Q=100 J

EQ = 25 J EQ=(1 - 300/400)·100

MOTOR DE CARNOT

Wmax = 50 J Q0=50 J

T0 = 300 K

Wmax = 25 J

MOTOR DE CARNOT

Q0=75 J

T0 = 300 K

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II. Exergía de las diferentes formas de energías mecánicas y térmicas (7)

Diagramas de exergía-anergía. Diagramas de GRASSMANN

T = 600 K AQ = 50 J

EQ = 50 J

T = 400 K EQ = 25 J

AQ = 75 J

MOTOR DE CARNOT

Q=100 J

T0 = 300 K

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II. Exergía de las diferentes formas de energías mecánicas y térmicas (8)

Diagramas Diagramasdedeexergía-anergía. exergía-anergía.Diagramas Diagramas de de GRASSMANN GRASSMANN

T = 600 K AQ = 50 J

T = 400 K

EQ = 50 J

EQ = 25 J

MOTOR DE CARNOT

Q0=50 J

AQ = 75 J

MOTOR DE CARNOT

Wmax = 50 J

T0 = 300 K

Wmax = 25 J

Q0=75 J

T0 = 300 K

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II. Exergía de las diferentes formas de energías mecánicas y térmicas (9)

Exergía del calor: [Q: T > T0 ]

 T0  E Q = Q 1 −  T  

Q MOTOR DE CARNOT

Wrev

¡Capacidad exergética!

T > T0 ⇒ EQ < Q ; ↑ T ⇒↑ EQ

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II. Exergía de las diferentes formas de energías mecánicas y térmicas (10)

Exergía del frío: [Q: T < T0]

T0   EQ = Q  − 1 T 

T< T0 Q MOTOR DE CARNOT

¿Wrev= EQ?

EQ= 1000 J /[(300/273)-1]= 100 J-exergía

T0= 300 K (27ºC)

T= 273 K (0ºC)

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II. Exergía de las diferentes formas de energías mecánicas y térmicas (11)

Exergía del frio: [Q: T < T0]

T< T0 Q

T < T0 ⇒ EQ < 0

EQ ≥ ó ≤ Q ; ↓ T ⇒↑ EQ

MAQ. FRIG. CARNOT

Wrev

¡Necesidad Exergética!

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II. Exergía de las diferentes formas de energías mecánicas y térmicas (12)

Exergía de la producción de calor y de frio

calefacción

refrigeración

Q 1

T < T0

T > T0

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II. Exergía de las diferentes formas de energías mecánicas y térmicas (13)

Energía cinética Ec es totalmente transformable en trabajo útil

E Ec ≡ E c = 1 2 (m· v ) A Ec = 0 2

Energía potencial Ep es totalmente transformable en trabajo útil

E Ep ≡ E p = m·g· h

A Ep = 0

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II. Exergía de las diferentes formas de energías mecánicas y térmicas (14)

Exergía de la entalpía h(T, p) de un flujo de materia a T, P Flujo de materia (T, P) -> h, s, ...

V.C.

qrev

(1P) qrev + wrev = h0 - h -wrev= h-h0 + qrev

Proceso Reversible

wrev (2P) (qrev /T0) + P = s0 - s qrev= -T0(s-s0)

Flujo de materia (T0, P0) -> h0, s0, ...

Ambiente (T0, P0)

e = h − h0 − T0 ( s − s0 )

a = h 0 + T0 (s − s 0 )

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II. Exergía de las diferentes formas de energías mecánicas y térmicas (15)

Aire (2,5 bar, 127oC) e = (h - h0) - T0(s - s0) e = cp(T-T0) - T0(cplnT/ T0 -RlnP/ P0)

q0,rev

Máquina Reversible

wrev= e

Aire (gas perfecto) cp = 1.004 kJ/kgK R = 0,287 kJ/kgK

e = 92,6 kJ/kg Aire (1 bar, 27oC) Ambiente (1 bar, 27oC)

ENERGIA

EXERGIA

ANERGIA

100,4 kJ/kg

92,6 kJ/kg

7,8 kJ/kg

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II. Exergía de las diferentes formas de energías mecánicas y térmicas (16)

T,P

(i) Proceso de expansión reversible - d’Wrev = - dU +T·dS - P0·dV

d’Wrev

(ii) Motor reversible (de Carnot) - d’WMC = -T·dS + T0·dS

d’Qrev d’WMC M.C.

E* = ∫(- d’Wrev) + ∫(- d’WMC) E* = - ∫ dU + ∫ T·dS - ∫ P0·dV - ∫ T·dS + ∫ T0·dS

E * = U − U 0 − T0·(S − S0 ) + P0·(V − V0 ) A * = U 0 + T0·(S − S0 ) − P0·(V − V0 ) Ambiente (T0, P0)

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II. Exergía de las diferentes formas de energías mecánicas y térmicas (y 17)

Resumen de resultados TIPO DE ENERGÍA

WV Wt Ec Ep Q H U

EXERGÍA

EWv = ∫(P-P0)·dV EWt = Wt EEc = Ec EEp = Ep EQ = Q·(1-T0/T) E = H-H0 -T0·(S-S0) E* = U-U0 - T0·(S-S0) + P0(V-V0)

La metodología exergética Sede Pirineos

II. Exergía de las diferentes formas de energías mecánicas y térmicas (2)

Metodología: DEFINICIÓN DE EXERGÍA Wútil,máx que puede obtenerse de una determinada forma de energía en unas condiciones del entorno ambiental dadas

W Q Ec Ep H U

Estado actual (T, P; c, z) Proceso reversible Estado ambiente (T0, P0; c0, z0)

Wútil,máx

EW EQ EEc EEp E E*

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II. Exergía química (1)

Wútil,máx que puede obtenerse de una determinada sustancia cuando evoluciona su composición química desde el estado ambiente (T0, P0) el estado de descomposición físico- química ambiental de forma reversible (estado muerto) Estado ambiente

sustancia

Ech=Wútil,máx

Procesos fisico- químicos reversibles

Estado muerto (T0, P00,i, µ0i)

Composición del ambiente

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EXERGÍA QUÍMICA

II. Exergía química (y 2)

Cálculo de la exergía química de la materia

MATERIA Sustancia de referencia Combustible Mezcla gaseosa Mezcla líquida

EXERGÍA QUÍMICA Ech,i= RT0 ln (P0/ P00,i) Ech,i= -(∆RG)i +Σ (Ech)p -Σ (Ech)r (Ech)M = Σxi(Ech)i + RT0 Σxi ln xi (Ech)M = Σxi(Ech)i + RT0 Σxi lnγi xi

La metodología exergética Sede Pirineos

Secuenciación del método exergético

I. Los conceptos de EXERGÍA y ANERGÍA II. EXERGÍA DE LAS DIFERENTES FORMAS DE ENERGÍAS MECÁNICAS Y TÉRMICAS. EXERGÍA QUÍMICA. III. BALANCES DE EXERGÍA. Cálculo de la exergía destruida. IV. El concepto de RENDIMIENTO EXERGÉTICO

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III. Balances de exergía. Cálculo de la exergía destruida (1) Balance de exergía en un sistema abierto estacionario T1

Q1 . me

{

····

Q 2

Q r

hs SISTEMA ABIERTO (régimen estacionario)

W1

W 2

····

W r

}

. ms

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Balance de exergía en un sistema abierto estacionario he

····

Q r

m e

m s ····

Exergías entrantes: Exergías salientes: Exergía destruida:

W r

Σm e (e + c / 2 + gz )e + E Q ( + ) + W( + ) 2 Σm s (e + c / 2 + gz )s + E Q ( − ) + W( − ) E d = ΣE ent − ΣE sal 2

Ed = T0 ·Sirr = T0 ·Π TEOREMA DE GOUY-STODOLA

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III. Balances de exergía. Cálculo de la exergía destruida (2) Interrelación balance entrópico - balance exergético BALANCE ENTRÓPICO

BALANCE EXERGÉTICO

Proceso reversible

Sirr= Π = 0

Ed = 0

Proceso irreversible

Sirr= Π> 0

Ed > 0

Sirr= Π [=] J/K

Ed [=] J

Unidades

T0 ·Sirr = T0 ·Π = Ed TEOREMA DE GOUY-STODOLA

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III. Balances de exergía. Cálculo de la exergía destruida (3) Ejemplo de balances: transmisión de calor

BALANCE ENTRÓPICO

TH = 800 K

Q = 1OO J

Sirr

EQH = 62.5 J

 TH − TL   = Q  TH ·TL 

Sirr = 0.125 J/K

BALANCE EXERGÉTICO

EQL = 25 J

TL = 400 K Ambiente (T0=300K)

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Ejemplo de balances: transmisión de calor BALANCE ENTRÓPICO

Q = 1OO J

EQH = 62.5 J

 TH − TL   Sirr = Q  TH·TL  Sirr = 0.125 J/K

BALANCE EXERGÉTICO

TH = 800 K (527ºC)

EQL = 25 J Ed = EQH - EQL TL = 400 K (127ºC)

Ed = 62.5 - 25 = 37.5 J

Ambiente (T0=300K)

Ed = T0·Sirr 37.5 J = 300 K · 0.125 J/K

La metodología exergética Sede Pirineos

Secuenciación del método exergético

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IV. El concepto de rendimiento exergético (1) Energético GASTO energético= BENEFICIO energético + PÉRDIDAS energéticas

η=

BENEFICIO energético GASTO energético

Exergético GASTO exergético = BENEFICIO exergético+ RESIDUO exergético+ DESTRUCCIÓN exergética+ SUBPRODUCTOS exergéticos

ψ=

BENEFICIO exergético GASTO exergético

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IV. El concepto de rendimiento exergético (2) Ejemplo de rendimiento energético de un motor térmico (i)

T = 600 K Rendimiento energético (o térmico)

Q=100 J GASTO MOTOR TÉRMICO

PÉRDIDAS Q0=60 J

T0 = 300 K

W = 40 J

BENEFICIO

Wt 40 ηt = = = 0.4 Q 100

Calidad y eficiencia energéticas IV. El concepto de rendimiento exergético (3) Ejemplo de rendimiento energético de un motor térmico (ii)

Sede Pirineos

T = 600 K Q=100 J

Rendimiento energético EQ=50 J

MOTOR TÉRMICO

W = 40 J Q0=60 J

Wt 40 ηt = = = 0.4 Q 100 ηt ≤ ηc = 0.5 Rendimiento exergético

40 ψ = = = 0.8 EQ 50 Wt

T0 = 300 K

Calidad y eficiencia energéticas IV. El concepto de rendimiento exergético (4) Ejemplo de rendimiento energético de un motor térmico (iii) Rendimiento térmico

Sede Pirineos

T = 600 K

Q=100 J

EQ=50 J

ηt ≤ ηc = 0.5

MOTOR TÉRMICO

W = 40 J Q0=60 J

T0 = 300 K

Wt 40 ηt = = = 0.4 Q 100 Rendimiento exergético

Wt 40 ψ= = = 0.8 EQ 50 ψ ≤ψ C = 1

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IV. El concepto de rendimiento exergético (5) Energético

≈ ‘direccionamiento energético’

GASTO energético= BENEFICIO energético + PÉRDIDAS energéticas

η= Exergético

BENEFICIO energético GASTO energético ≈ ‘perfección energética’

GASTO exergético = BENEFICIO exergético+ RESIDUO exergético+ DESTRUCCIÓN exergética+ SUBPRODUCTOS exergéticos

ψ=

BENEFICIO exergético GASTO exergético

Calidad y eficiencia energéticas IV. El concepto de rendimiento exergético (6) Ejemplo de rendimiento energético de un motor térmico (ii)

Sede Pirineos

Consumo real

Modelado exergético

Mínimo teórico

Técnicamente asequible

Ahorro

Calidad y eficiencia energéticas IV. El concepto de rendimiento exergético (7) Causas de la destrucción de exergía: las irreversibilidades (i)

Sede Pirineos

Revisión del 2º Principio (2): reversibilidad e irreversibilidad • Procesos: no existe ningún proceso real que pueda invertirse sin un coste adicional de •

energía útil. Nuevo concepto: la irreversibilidad energética ⇒ en todo proceso existe una ‘degradación’ de energía desde ‘ordenada’ a ‘desordenada’.

• Causas de la irreversibilidad: – Transformación de energía útil (‘ordenada’) en energía interna (‘desordenada’): procesos disipativos (viscosidad, rozamiento, histéresis, deformación) – Falta de equilibrio (mecánico, térmico y/o material) en cualquier interacción energética: procesos con saltos finitos de presión, temperatura y/o composición fisico- química. •

Reversibilidad: proceso ideal ‘imaginario’ sin degradación energética ⇒ modelo sencillo (matemáticamente): referencia del proceso óptimo de comparación para evaluar su eficiencia.

Calidad y eficiencia energéticas IV. El concepto de rendimiento exergético (8) Causas de la destrucción de exergía: las irreversibilidades (ii)

Sede Pirineos

AMBIENTE: Medio en estado de perfecto equilibrio termodinámico entorno ambiente

INTERACCIÓN sistema T

TERMICA

MÉCÁNICA

QUÍMICA

μe

Calidad y eficiencia energéticas Sede Pirineos

IV. El concepto de rendimiento exergético (9)

Exergía destruida en el sector industrial por operaciones % Producción de energía térmica: Calderas

27.1

Hornos:fusión, calcinación, calentamiento

21.2

Reacción química: refino de petróleo

21.1

Procesos de seraración: destilación, secado

11.7

Procesos mecánicos

8.0

Producción de potencia

6.5

Transferencia de calor

2.9

Otros

1.5

Calidad y eficiencia energéticas Sede Pirineos

IV. El concepto de rendimiento exergético (10)

Cascada Térmica Convencional Gases de combustión (2000°C) Metalurgia

1500

Arcillas/cerámica

1200

Reacciones qcas

900

Destilación Combustión

600

Calefacción Aire acond.

Comb.fósiles

Ambiente

300 100

Calidad y eficiencia energéticas Sede Pirineos

IV. El concepto de rendimiento exergético (11)

Cascada Térmica Ideal Gases de combustión (2000°C) Metalurgia

1500

Arcillas/cerámica

1200

Reacciones qcas

900

Destilación Combustión

600

Calefacción Aire acond.

Comb.fósiles

Ambiente

300 100

Calidad y eficiencia energéticas Sede Pirineos

EL MÉTODO EXERGÉTICO

RESUMEN FINAL

Calidad y eficiencia energéticas Sede Pirineos

ENERGÍA vs. EXERGÍA ENERGÍA •Primer Principio •Nada desaparece •Capaz de producir movimiento •Se conserva •Medida de la cantidad

EXERGÍA •Segundo Principio •Todo se dispersa •Capaz de producir trabajo •No se conserva •Medida de la calidad

Calidad y eficiencia energéticas Sede Pirineos

Resumen final ANÁLISIS EXERGÉTICO

- CONCEPTO DE EXERGÍA - EXERGÍA DE W, Q, H, U

APLICACIONES COMBUSTIÓN

MOTORES TÉRMICOS

- BALANCES DE EXERGÍA - RENDIMIENTO EXERGÉTICO

MÁQUINAS FRIGORÍFICAS

Calidad y eficiencia energĂŠticas Sede Pirineos

MUCHAS GRACIAS