PLUVISOST CTM Análisis Exergético y Eficiencia Exergética
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- Vicente San Martín Muñoz
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1 21 de Noviembre de 2011 PLUVISOST CTM Análisis Exergético y Eficiencia Exergética Doctorando: Ms Sc M. Violeta Vargas Investigadores principales: Dr Xavier Gabarrell Dr Joan Rieradevall Dr Maria Rosa Rovira Dr Diego Varga Dr Gara Villalba Ms Sc Mohammad Hoque Ms Sc Sara Angrill Ms Sc Tito Morales PLUVISOST. CTM
2 ÍNDEX 1. Introducción 2. Objetivos 3. Límites y descripción del sistema 4. Análisis Exergético 5. Eficiencia Exergética 6. Resultados 7. Observaciones y comentarios
3 1. INTRODUCCIÓN PLUVISOST. CTM
4 Exergía Leyes de Termodinámica Primera Ley: La energía no se crea ni se destruye, solo se transforma. Segunda Ley: La calidad de una cantidad de energía en particular i.e. la cantidad de trabajo o acción, que puede hacer, disminuye cada vez que esta energía es utilizada. Definiciones Basado en las leyes de termodinámica, la exergía cuantifica el cambio de una forma de energía a otra, en su calidad. La porción de la energía que puede ser transformada en trabajo mecánico. Determina de forma cuantitativa el valor termodinámico de cualquier recurso. Permite determinar el potencial de trabajo útil de una determinada cantidad de energía que se puede alcanzar por la interacción espontánea entre un sistema y su entorno. Informa la utilidad potencial del sistema como fuente de trabajo.
5 Exergía La exergía se puede encontrar en diversas formas, al igual que la energía, puede ser cinética, potencial, física o química. Tubo de pasta dental = Energía Depresiones en el tubo = Entropía Pasta dental = Exergía
6 Exergía Balance de Energía Energía de entrada Acumulación de energía Energía de salida Balance de Exergía Balance de exergía Balance de energía Balance de entropía
![Exergía y Análisis Exergético Exergy methodologies applied to industrial system and the life cycle of a good. Modified. [2] [2] Talens L. (2009).](/docs-images/85/92974229/images/7-4.jpg "Exergy analysis PLUVISOST.CTM2010-17365 of biofuels. An application to biodiesel production. www.sostenipra.cat. Universitat Autònoma de Barcelona.")
7 Exergía y Análisis Exergético Exergy methodologies applied to industrial system and the life cycle of a good. Modified. [2] [2] Talens L. (2009). Exergy analysis PLUVISOST.CTM of biofuels. An application to biodiesel production. Universitat Autònoma de Barcelona. Barcelona, Spain.
8 2. OBJETIVOS PLUVISOST. CTM
9 Objetivos Industria Medio ambiente Pasado: CORREGIR los efectos del tratamiento de residuos poco efectivo. Presente: CONTROL de emisiones tóxicas Futuro: DISEÑAR para una interacción mas eficiente entre la industria y los sistemas medio ambientales
10 Objetivos Adaptar e integrar el análisis exergético, como herramienta de análisis ambiental, en el análisis de recursos hídricos alternativos. Evaluar diferentes estrategias para la instalación de sistemas de aprovechamiento de agua pluvial con base en el consumo exergético. Evaluar la eficiencia exergética de las diferentes estrategias. Comparar, desde el punto de vista exergético, el aprovechamiento de pluviales con alternativas de referencia (desalinización, regeneración). Utilizar la exergía como índice del consumo de recursos (materia y energía) simplificando el proceso de decisión. Evaluar la dureza del agua de lluvia y compararla con agua de otras fuentes.
11 2. LÍMITES Y DESCRIPCIÓN DEL SISTEMA PLUVISOST. CTM
12 Límites y descripción del sistema Baja densidad Alta densidad BD1 BD2 BD3 BD4 AD1 AD2 AD3 AD4 1 Edificio 24 1 Edificio 24 1 Edificio Edificios 240 Escala 1 Vivienda 1 Vivienda 1 Vivienda 4 Viviendas Viviendas Viviendas Viviendas Viviendas ALJIBE DIST. TECHO ALJIBE DIST. TECHO Tanque (5m3) (5m3) (9m3) (20m3) (21m3) (21m3) (37,8 m3) (209m3) Area considerada 250 m 2 10,000 m m 2 10,000 m 2 Area construida 100% 10% 100% 70% Agua suministrada 1223, , , para lavandería Agua necesaria para lavandería Oferta/ Demanda 98% 98% 98% 99% 47% 47% 47% 47% Unidad de referencia 1 m3/año Demand: 5 wash loads per week using an A+ ecolabel washing machine = 25 m 3 per household and year Offer: Catchment only from roofs PLUVISOST.CTM with average precipitation of 600 mm per year
13 Límites y descripción del sistema
14 3. ANÁLISIS EXERGÉTICO PLUVISOST. CTM
15 Metodología 1. Determinar inventario de materiales y energía. 2. Definir estado de referencia (Szargut et al. 1989) temperatura: 298 K y presión: 1 atm. 3. Buscar valores de exergía en bibliografía (Szargut et al. 1989, Dewulf et al 2001). Si no está disponible: 2.1. Calcular la exergía del compuesto utilizando la fórmula adecuada para cada caso. 4. Calcular la exergía de cada material a partir del inventario de materiales de construcción 5. Analizar el consumo de exergía de cada escenario.
16 Metodología Inventario Producción Uso Fin-de-vida INPUTS UNITS BAJA DENSIDAD ALTA DENSIDAD ESCENARIO 1 ESCENARIO 2 ESCENARIO 3 ESCENARIO 4 ESCENARIO 1 ESCENARIO 2 ESCENARIO 3 ESCENARIO 4 1 VIVIENDA 1 VIVIENDA 1 VIVIENDA 4 VIVIENDA 1 EDIFICIO 1 EDIFICIO 1 EDIFICIO 10 EDIFICIO 24 VIVIENDAS 24 VIVIENDAS 24 VIVIENDAS 240 VIVIENDAS DIST. TECHO DIST. TECHO ALJIBE (5m3) ALJIBE (21m3) (5m3) (9m3) (20m3) (21m3) (37,8 m3) (209m3) Acero galvanizado kg 92,90 92,90-370,42 176,40 176, ,20 PP kg 25,92 25,56-471,80 100,78 92, ,10 Madera (reciclada 25 kg veces) 8,57 6,25-20,99 15,46 15,46-101,09 Hormigón CEM II/A-L kg 32.5R , , , , , , , ,00 Acero (80% reciclado) kg 394,00 800,72 126, , , ,45 324, ,00 Materiales Lámina Impermeabilizante kg RhenofolCG , ,36 - Ladrillo kg , ,86 - Revestimiento de kg mortero , ,06 - PP-copolimero kg 3,72 2,88 2,88 100,24 100,12 58,05 58, ,30 Acero Inoxidable kg 23, ,20 104, ,00 Energía Gasoil MJ 1.418, , , ,29 Transporte Gasolina kg 7,30 6,21 0,56 44,39 22,04 15,26 2,99 244,46 Diesel kg 1.545, , , , , , , ,02 Energía Energía eléctrica kwh 600, , , ,92 Agua de lluvia Agua m , , , , , , , ,00 Energía Gasoil MJ 1.038,30 585,86 292, , , , , ,23 Transporte Gasolina kg 12,70 10,79 0,95 77,61 38,49 26,63 5,19 427,73 Diesel kg 1.986, , , , , , , ,64
17 Metodología Consumo de combustible Para calcular el consumo de combustible de los diferentes vehículos de transporte de materiales, se utilizaron las siguientes ecuaciones propuestas por Volvo Truck Corporation, 2010: Donde Cxt es el consumo de combustible con carga Qx. C0 es el consumo de combustible sin carga (L100 km-1), Cf es el consumo de combustible con carga completa (L100 km-1), Qt la máxima carga transportable(kg) y Qx es la carga actual (kg). Y para calcular el consumo de combustible cuando el vehículo sale cargado de la instalación y regresa vacío al mismo lugar: Donde Cxta es el consumo de combustible total (L100 km-1). *De acuerdo con Werner, et al. 2003, el 85% del combustible consumido es Diesel con una densidad de 0.84 kg/l y 15% Gasolina y con densidad de 0.75 kg/l 1.Volvo Truck Corporation, Emission from Volvo s Truck Emissions, standard diesel fuel, Available from: < 2. Werner, F., H.-J. Althaus, T. Künniger and K. Richter Life Cycle Inventories of Wood as Fuel and Construction Material. Final report ecoinvent 2000 No. 9, EMPA Dübendorf, Swiss Centre for Life Cycle Inventories, Dübendorf, CH.
18 Metodología La exergía química de productos industriales se puede calcular mediante las siguientes fórmulas: A. Balance exergético de reacciones de referencia estándar reversible de formación de un compuesto. B. Contribución de grupo E g b 0 i g, i i C. values basado en Szargut y Styrylska (para combustibles) E LHV
19 Metodología Contribución al contenido de exergía hecho por cada fracción de compuesto puro Variaciones de exergía debidas a la mezcla de diferentes especies, asumiendo una solución ideal.
20 Metodología E g b 0 i g, i i Cement CEM II/A-L 32,5 R Calcareous cement composition Substance Molar fraction chemical exergy Exergy (kj) Gypsum 0,049 0,149 0,007 Limestone 0,126 0,186 0,023 Clinker 0,825 0,656 0,541 TOTAL 0,572
21 Metodología E LHV Z H ZC Z O Z Z H ZC Z N ZC 2 2 C Z Z Z H2, Z C, Z O2,Z N2, fracción de masa de hidrógeno, carbono, oxigeno y nitrógeno en el combustible O 2 C β LHV b Gasoil 1,07 42,6 45,582 Diesel 1,07 42,8 45,796 Gasoline 1,07 42,5 45,475 *Utilizado particularmente para combustibles (carbón, madera, aceite combustible y gas natural)
22 Análisis de Exergía Etapa Producción Uso Fin-de-vida Input Descripción de materiales EXERGÍA QUÍMICA (MJ/kg) BAJA DENSIDAD ALTA DENSIDAD ESCENARIO 1 ESCENARIO 2 ESCENARIO 3 ESCENARIO 4 ESCENARIO 1 ESCENARIO 2 ESCENARIO 3 ESCENARIO 4 1 VIVIENDA 1 VIVIENDA 1 VIVIENDA 4 VIVIENDA 1 EDIFICIO 1 EDIFICIO 1 EDIFICIO 10 EDIFICIO 24 VIVIENDAS 24 VIVIENDAS 24 VIVIENDAS 240 VIVIENDAS (5m3) ALJIBE (5m3) DIST. TECHO (9m3) (20m3) (21m3) ALJIBE (21m3) DIST. TECHO (37,8 m3) (209m3) Suministro de agua de lluvia en 50 años (m3) 1223, , , Acero galvanizado 7,29 677,23 677, , , , ,71 PP 46, , , , , , ,40 Madera (reciclada 25 veces) 20,24 173,40 126,49-424,75 312,92 312, ,88 Hormigón CEM II/A-L 32.5R 0, , , , , , , , ,57 Materiales Acero (80% reciclado) 6, , ,94 850, , , , , ,05 Lámina Impermeabilizante RhenofolCG 17, , ,46 - Ladrillo 0, , ,52 - Revestimiento de mortero 0, , ,69 - PP-copolimero 46,20 171,85 133,05 133, , , , , ,87 Acero Inoxidable 8,91 210, ,33 926, ,29 Energía Gasoil 45, , , , ,65 Transporte Gasolina 45,48 331,88 282,29 25, , ,07 693,87 135, ,65 Diesel 45, , , , , , , , ,23 Energía Energía eléctrica 1, , , , ,71 Agua de lluvia Agua 0,005 6,00 6,00 6,00 6,00 69,34 69,34 69,34 69,34 Energía Gasoil 45, , , , , , , , ,91 Transporte Gasolina 45,48 577,49 490,70 43, , , ,96 236, ,83 Diesel 45, , , , , , , , ,02 CONSUMO TOTAL DE EXERGÍA (50 AÑOS) (MJ) , , , , , , , ,09 CONSUMO EXERGÉTICO POR CADA m3/año/vivienda (MJ) 231,74 214,70 143,09 477,79 85,43 48,18 47,18 102,54
23 4. EFICIENCIA EXERGÉTICA PLUVISOST. CTM
24 Eficiencia Exergética Producción en serie Eficiencia exergética
25 Eficiencia Exergética BAJA DENSIDAD ALTA DENSIDAD ESCENARIO 1 ESCENARIO 2 ESCENARIO 3 ESCENARIO 4 ESCENARIO 1 ESCENARIO 2 ESCENARIO 3 ESCENARIO 4 1 VIVIENDA 1 VIVIENDA 1 VIVIENDA 4 VIVIENDA 1 EDIFICIO 1 EDIFICIO 1 EDIFICIO 10 EDIFICIO 24 VIVIENDAS 24 VIVIENDAS 24 VIVIENDAS 240 VIVIENDAS DIST. DIST. ALJIBE (5m3) TECHO (9m3) ALJIBE (21m3) TECHO (37,8 m3) (5m3) (20m3) (21m3) (209m3) PRODUCCIÓN Entradas , , , , , , , ,29 Materiales 6.734, , , , , , , ,77 Energía , , , ,65 Transporte , , , , , , , ,87 Salidas 6.734, , , , , , , ,77 Sistema de Recogida pluvial 6.734, , , , , , , ,77 Emisiones , , , , , , , ,52 Eficiencia de Producción 4,72% 9,00% 6,06% 3,73% 8,08% 15,69% 8,34% 4,88% USO Entradas 2.166,00 6,03 6, , ,19 70,46 70, ,59 Energía (Eléctrica) 2.160, , , ,71 Agua de lluvia 6,00 6,03 6,03 24,26 69,34 70,46 70,46 691,88 Salidas 6,03 6,03 6,03 24,39 70,46 70,46 70,46 703,10 Agua lavandería 6,03 6,03 6,03 24,39 70,46 70,46 70,46 703,10 Emisiones 2.160, , , ,71 Eficiencia de Uso 0,28% 100,00% 100,00% 0,14% 0,03% 100,00% 100,00% 0,16% FIN-DE-VIDA Entradas , , , , , , , ,53 Energía , , , , , , , ,91 Transporte , , , , , , , ,85 Sistema de Recogida pluvial 6.734, , , , , , , ,77 Salidas 6.734, , , , , , , ,77 Desconstrucción del sistema de recogida pluvial 6.734, , , , , , , ,77 Emisiones , , , , , , , ,76 Eficiencia de Fin-de-Vida 4,62% 5,99% 4,21% 3,60% 7,47% 7,65% 4,33% 4,78% Eficiencia Total del escenario 0,00% 0,54% 0,26% 0,00% 0,00% 1,20% 0,36% 0,00%
26 Eficiencia Exergética sin transporte BAJA DENSIDAD ALTA DENSIDAD ESCENARIO 1 ESCENARIO 2 ESCENARIO 3 ESCENARIO 4 ESCENARIO 1 ESCENARIO 2 ESCENARIO 3 ESCENARIO 4 1 VIVIENDA 1 VIVIENDA 1 VIVIENDA 4 VIVIENDA 1 EDIFICIO 1 EDIFICIO 1 EDIFICIO 10 EDIFICIO 24 VIVIENDAS 24 VIVIENDAS 24 VIVIENDAS 240 VIVIENDAS (5m3) ALJIBE (5m3) DIST. TECHO (9m3) (20m3) (21m3) ALJIBE (21m3) DIST. TECHO (37,8 m3) (209m3) PRODUCCIÓN Entradas , , , , , , , ,42 Materiales 6.734, , , , , , , ,77 Energía , , , ,65 Salidas 6.734, , , , , , , ,77 Sistema de Recogida pluvial 6.734, , , , , , , ,77 Emisiones , , , ,65 Eficiencia de Producción 9,43% 100,00% 100,00% 4,44% 13,46% 100,00% 100,00% 6,51% USO Entradas 2.166,00 6,03 6, , ,19 70,46 70, ,59 Energía (Eléctrica) 2.160, , , ,71 Agua de lluvia 6,00 6,03 6,03 24,26 69,34 70,46 70,46 691,88 Salidas 6,03 6,03 6,03 24,39 70,46 70,46 70,46 703,10 Agua lavandería 6,03 6,03 6,03 24,39 70,46 70,46 70,46 703,10 Emisiones 2.160, , , ,71 Eficiencia de Uso 0,28% 100,00% 100,00% 0,14% 0,03% 100,00% 100,00% 0,16% FIN-DE-VIDA Entradas , , , , , , , ,68 Energía , , , , , , , ,91 Sistema de Recogida pluvial 6.734, , , , , , , ,77 Salidas 6.734, , , , , , , ,77 Desconstrucción del sistema de recogida pluvial 6.734, , , , , , , ,77 Emisiones , , , , , , , ,91 Eficiencia de Fin-de-Vida 12,46% 26,85% 25,10% 4,94% 21,07% 27,20% 25,95% 8,37% Eficiencia Total del escenario 0,00% 26,85% 25,10% 0,00% 0,00% 27,20% 25,95% 0,00%
27 5. RESULTADOS PLUVISOST. CTM
28 Resultados Análisis Exergético 600 Análisis Exergético Exergía consumida MJ por m3 por año Baja Densidad Alta Densidad ESCENARIO 1 ESCENARIO 2 ESCENARIO 3 ESCENARIO 4
29 Resultados Eficiencia Etapa de Producción 100% 90% 80% 70% 60% 50% 40% 30% 20% Transporte Energía Materiales 10% 0% (5m3) ALJIBE (5m3) DIST. TECHO (9m3) (20m3) (21m3) ALJIBE (21m3) DIST. TECHO (37,8 m3) (209m3) 24 VIVIENDAS 24 VIVIENDAS 24 VIVIENDAS 240 VIVIENDAS 1 VIVIENDA 1 VIVIENDA 1 VIVIENDA 4 VIVIENDA 1 EDIFICIO 1 EDIFICIO 1 EDIFICIO 10 EDIFICIO ESCENARIO 1 ESCENARIO 2 ESCENARIO 3 ESCENARIO 4 ESCENARIO 1 ESCENARIO 2 ESCENARIO 3 ESCENARIO 4 BAJA DENSIDAD ALTA DENSIDAD
30 Resultados Eficiencia Etapa de Uso (%) 100% 90% 80% 70% 60% 50% 40% 30% Agua de lluvia Energía (Eléctrica) 20% 10% 0% (5m3) ALJIBE (5m3) DIST. TECHO (9m3) (20m3) (21m3) ALJIBE (21m3) DIST. TECHO (37,8 m3) (209m3) 24 VIVIENDAS 24 VIVIENDAS 24 VIVIENDAS 240 VIVIENDAS 1 VIVIENDA 1 VIVIENDA 1 VIVIENDA 4 VIVIENDA 1 EDIFICIO 1 EDIFICIO 1 EDIFICIO 10 EDIFICIO ESCENARIO 1 ESCENARIO 2 ESCENARIO 3 ESCENARIO 4 ESCENARIO 1 ESCENARIO 2 ESCENARIO 3 ESCENARIO 4 BAJA DENSIDAD ALTA DENSIDAD
31 Resultados Eficiencia Etapa de Uso Consumo de exergía (MJ por m3 por año Energía (Eléctrica) Agua de lluvia (5m3) ALJIBE (5m3) DIST. TECHO (9m3) (20m3) (21m3) ALJIBE (21m3) DIST. TECHO (37,8 m3) (209m3) 24 VIVIENDAS 24 VIVIENDAS 24 VIVIENDAS 240 VIVIENDAS 1 VIVIENDA 1 VIVIENDA 1 VIVIENDA 4 VIVIENDA 1 EDIFICIO 1 EDIFICIO 1 EDIFICIO 10 EDIFICIO ESCENARIO 1 ESCENARIO 2 ESCENARIO 3 ESCENARIO 4 ESCENARIO 1 ESCENARIO 2 ESCENARIO 3 ESCENARIO 4 BAJA DENSIDAD ALTA DENSIDAD
32 Resultados Eficiencia Etapa de Fin de vida 100% 90% 80% 70% 60% 50% 40% 30% Sistema de Recogida pluvial Transporte Energía 20% 10% 0% (5m3) ALJIBE (5m3) DIST. TECHO (9m3) (20m3) (21m3) ALJIBE (21m3) DIST. TECHO (37,8 m3) (209m3) 24 VIVIENDAS 24 VIVIENDAS 24 VIVIENDAS 240 VIVIENDAS 1 VIVIENDA 1 VIVIENDA 1 VIVIENDA 4 VIVIENDA 1 EDIFICIO 1 EDIFICIO 1 EDIFICIO 10 EDIFICIO ESCENARIO 1 ESCENARIO 2 ESCENARIO 3 ESCENARIO 4 ESCENARIO 1 ESCENARIO 2 ESCENARIO 3 ESCENARIO 4 BAJA DENSIDAD ALTA DENSIDAD
33 Resultados De acuerdo con el Análisis de Exergía el escenario 3 es el que requiere menor consumo de recursos en ambas densidades de población En general, los escenarios de alta densidad, obtienen mejores resultados, en cuanto a consumo de recursos. Identificando el origen de los consumos de exergía, La etapa de producción obtuvo valores mas altos de eficiencia exergética en el escenario 2. En la etapa de uso, los escenarios 2 y 3 son 100% eficientes. Y en la etapa de Fin-de-vida, el escenario 2 también tiene una mayor eficiencia exergética El consumo de combustibles para transporte de materiales es muy elevado.
34 Resultados Eficiencia sin transporte Etapa de Producción 100% 90% 80% 70% 60% 50% 40% 30% Energía Materiales 20% 10% 0% (5m3) ALJIBE (5m3) DIST. TECHO (9m3) (20m3) (21m3) ALJIBE (21m3) DIST. TECHO (37,8 m3) (209m3) 24 VIVIENDAS 24 VIVIENDAS 24 VIVIENDAS 240 VIVIENDAS 1 VIVIENDA 1 VIVIENDA 1 VIVIENDA 4 VIVIENDA 1 EDIFICIO 1 EDIFICIO 1 EDIFICIO 10 EDIFICIO ESCENARIO 1 ESCENARIO 2 ESCENARIO 3 ESCENARIO 4 ESCENARIO 1 ESCENARIO 2 ESCENARIO 3 ESCENARIO 4 BAJA DENSIDAD ALTA DENSIDAD
35 Resultados Eficiencia sin transporte Etapa de Fin de vida 100% 90% 80% 70% 60% 50% 40% 30% Sistema de Recogida pluvial Energía 20% 10% 0% (5m3) ALJIBE (5m3) DIST. TECHO (9m3) (20m3) (21m3) ALJIBE (21m3) DIST. TECHO (37,8 m3) (209m3) 24 VIVIENDAS 24 VIVIENDAS 24 VIVIENDAS 240 VIVIENDAS 1 VIVIENDA 1 VIVIENDA 1 VIVIENDA 4 VIVIENDA 1 EDIFICIO 1 EDIFICIO 1 EDIFICIO 10 EDIFICIO ESCENARIO 1 ESCENARIO 2 ESCENARIO 3 ESCENARIO 4 ESCENARIO 1 ESCENARIO 2 ESCENARIO 3 ESCENARIO 4 BAJA DENSIDAD ALTA DENSIDAD
36 6. OBSERVACIONES Y COMENTARIOS PLUVISOST. CTM
37 Observaciones y comentarios El escenario 3 presenta un menor consumo de recursos debido a que requiere menor refuerzo estructural, menor consumo de combustible por transporte de materiales y utiliza la gravedad para distribuir el agua, es decir, no necesita bombas. Los escenarios de alta densidad, obtienen mejores resultados, debido a que consideran un mayor número de beneficiarios. El análisis de eficiencia exergética nos muestra las oportunidades de mejora de nuestro sistema. El mayor consumo de exergía está en los combustibles para transporte de materiales.
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