eficiencia energÉtica y uso racional de la energia en el marco del programa de produccion mas...

EFICIENCIA ENERGÉTICA Y USO RACIONAL DE LA ENERGIA EN EL MARCO DEL PROGRAMA DE

PRODUCCION MAS LIMPIA DEL AREA METROPOLITANA DEL VALLE DE ABURRA

www.metropol.gov.co

Módulo 6:

Energía, economía y medio ambiente

Objetivos

• Analizar la relación energía y economía, particularmente en los procesos industriales

• Analizar las interacciones entre los sistemas energético y el ambiente, teniendo como referencia los procesos industriales

Contenido

• Importancia de la energía en el desarrollo histórico de la

humanidad

• Formas en que se incorpora la energía en la economía y

la sociedad

• La energía en los procesos industriales

• Energía y economía

• Energía y ambiente

• Existe correlación directa entre la energía y el crecimiento

económico y calidad de vida de una sociedad.

• Su acceso se constituye en un factor de equidad social.

• Elemento dinamizador de la geopolítica mundial.

• Su examen ha motivado importantes desarrollos científicos

y tecnológicos.

• Referente ineludible cuando se plantea el tema del

desarrollo sostenible.

Importancia de la energía en el desarrollo histórico

de la humanidad

Visión sistémica de la energía

Economía

Sociedad

Ambiente

Energía

Formas en que se incorpora la energía en la economía y la sociedad

• Energía primaria

• Energía secundaria

• Energía final

• Energía útil

• Energía primaria:

Son aquellas energías provistas por la naturaleza, ya sea en forma directa, como la hidráulica, eólica y solar, o después de atravesar un´proceso minero, como el petróleo crudo, el gas natural, el carbón mineral, los minerales fisionables y la geoenergía, o a través de la fotosíntesis, como es el caso de la leña y los otros combustibles vegetales y de origen animal.

• Energía secundaria:

Son aquellos productos energéticos resultantes de los diferentes centros de transformación, que tienen como destino los diversos sectores de consumo y eventualmente

otro centro de transformación.

Energías primarias

Combustible nuclear: uranio

Energía disponible en fósiles y biomasa

Combustibles fósiles y paradigmas de conversión energética

1. Combustión → liberación de calor → conversión a otras formas de energía.

2. Conversión directa de la energía química de un combustible a electricidad y calor: de la era del fuego a la era de la electroquímica.

Paradigma basado en la combustión

• Energía final:Es la energía transformada, de tal manera que ya se encuentra disponible para un servicio especifico.

• Energía útil:Es la forma que adquiere la energía al momento de utilizarse durante un proceso determinado, iluminación, locomoción, tracción, refrigeración, calentamiento, etc..

Configuración de los sistemas energéticos

Cadena

Energética

Fuentes primariasde energía

Adecuación yprocesamiento

Transporte

Transformación oconversión energética

Almacenamiento

Distribución

Transporte

Usos finales

Energéticos No energéticos

MedioAmbiente

EP ES

ESEP

EP

EP

Canasta energética nacionalConsumo final por fuente

Fuente UPME

Canasta energética nacionalConsumo por sectores

Fuente UPME

0.0 10.0 20.0 30.0 40.0 50.0 60.0 70.0 80.0 90.0

Peta Julios

Alimentos

Textil

Papel

Químicos

Cemento

Vidrio y Cer.

Hierro Acero

Maquinaria

Otros

Consumo Final Sector IndustrialPrincipales Ramas (2003)

Tomado de “OFERTA Y DEMANDA DE ENERGÍAEN EL SECTOR INDUSTRIAL”, II Conferencia Internacional Expoenergia Bogotá Septiembre de 2004. Ismael A. Concha P. - UPME

Consumo Final Sector Industrial Principales Ramas (2003)

• Fuentes renovables de energía:Son las fuentes naturales de energía que por su propia condición y característica se renuevan permanentemente como producto de los ciclos normales de la naturaleza. Comúnmente, se aceptan como fuentes renovables de energía las siguientes: solar, eólica, hídrica, geotérmica y biomasa.

• Fuentes no renovables de energía:Son aquellos productos de ciclos naturales antiguos, que tienen una existencia limitada, y no se renuevan dentro del lapso de tiempo aceptable para ser aprovechada permanentemente por la humanidad. Normalmente se aceptan como fuentes no renovables de energía al petróleo, el gas y el carbón.

Formas en que se incorpora la energía en la economía y la sociedad: otros conceptos

• Fuentes no convencionales de energía :

Son aquellas fuentes de energía disponibles a nivel mundial que son ambientalmente sostenibles, pero que en el país no son empleadas o son utilizadas de manera marginal y no se comercializan ampliamente. Estas fuentes pueden ser renovables o no renovables.

• Fuentes alternas de energía:

Se entenderá como energía alternativa las fuentes no convencionales de energía y las fuentes renovables de energía.

Formas en que se incorpora la energía en la economía y la sociedad: otros conceptos

Energía y procesos industriales

Energía mecánica rotacional

• Electricidad Iluminación

Sistemas computacionales

Generación de calor

Proceso de alta temperatura

• Calor Generación de frío

Procesos de baja temperatura

Inducción

Efecto Joule

Secado

Calentamiento H2O

Tipos de energía final en procesos industriales:

Procesos típicos consumidores de energía en la industria

• Accionamiento de motores eléctricos.• Iluminación.• Procesamiento y almacenamiento de la información.• Calentamiento de materiales.• Generación de vapor.• Calentamiento de fluidos térmicos.• Fusión de materiales.• Generación de frío.• Secado.• Acondicionamiento de aire.

Perfil energético en la industria

• Muestra la relación de la utilización del calor y la electricidad en los procesos de una industria en función del tiempo.

• Permite identificar si una industria es intensiva en calor o electricidad.

• Permite identificar las posibilidades de sustitución entre el calor y la electricidad.

• Permite identificar las posibilidades de utilizar sistemas de cogeneración o trigeneración.

Representación de un perfil energético

Algunos perfiles energéticos en el Valle de Aburrá

Caso 1: Industria Textil - Acabado

ALMACENAMIENTO M.P. TEÑIDO Y LAVADO EXPRIMIDO

CENTRIFUGADO SECADO ESTAMPADO

E.E.(Iluminación)E.E.(Iluminación,

Fuerza motriz)

Carbón (Vapor)

Agua

E.E.(Iluminación,

Fuerza motriz)

E.E.(Iluminación,

Fuerza motriz)

E.E.(Iluminación,

Fuerza motriz)

E.E.(Iluminación)

ALMACENAMIENTO Y DESPACHO

TERMOFIJADO SECADO ACABADOS ESPECIALES

Carbón (Vapor)

Gas Natural (Productos de combustión)

E.E.(Iluminación,

Fuerza motriz)

E.E.(Iluminación, Fuerza motriz, AC)

Gas Natural (Vapor)

Carbón (Vapor)

E.E.(Iluminación,

Fuerza motriz)

Gas Natural

(Aceite Térmico)

E.E.(Iluminación,

Fuerza motriz)

Carbón (Vapor)

Diagrama de procesos

-

500.000

1.000.000

1.500.000

2.000.000

2.500.000

3.000.000

Co

nsu

mo

de

ener

gía

m

ensu

al (

kWh

/mes

)

EE 150.15 215.35 241.47 264.95 247.64 270.91 284.15 302.36 311.36 323.47 299.84 223.70

ET 607.25 1.104. 1.331. 1.037. 1.178. 1.456. 1.334. 2.246. 1.915. 2.025. 2.292. 1.655.

Enero Feb Marzo Abril Mayo Junio Julio Agosto Sep Oct Nov Dic


Consumo de energía mensual


0,00

1,00

2,00

3,00

4,00

5,00

6,00

7,00

8,00

9,00

Re

lac

ión

ET

/EE

ET/EE 4,04 5,13 5,51 3,92 4,76 5,38 4,70 7,43 6,15 6,26 7,64 7,40

Enero Feb Marzo Abril Mayo Junio Julio Agosto Sep Oct Nov Dic

ET/EE

Promedio = 5,69

Mínimo = 3,92

Máximo = 7,64

0,00

1,00

2,00

3,00

4,00

5,00

6,00

7,00

8,00

9,00

ET/EE

Promedio = 5,69

Mínimo = 3,92Máximo = 7,64

Relación Energía Térmica (ET) a Energía Eléctrica (EE)

Caso 2: Industria Textil - Confecciones

Extendido Trazo y CorteAlmacenamiento

de M.P.Revisión de Tela

E.E. (Iluminación)E.E. (Iluminación)

Confección

Colocación deAccesorios

Colocación deCremalleras

Colocación deBotones

Control de Calidad

E.E. (Iluminación, motores, AC)



E.E. (Iluminación, AC)




ET (GN)

Diagrama de proceso

-

50.000

100.000

150.000

200.000

250.000

300.000

Co

ns

um

o d

e e

ne

rgía

m

en

su

al

(kW

h/m

es

)

EE 214.37 214.16 215.32 236.04 236.88 239.34 262.84 261.97 265.39 253.61 228.54 187.01

ET 13.875 13.139 14.114 13.502 13.450 16.810 16.198 15.897 17.950 15.265 13.481 8.545

Enero Feb Marzo Abril Mayo Junio Julio Agos. Sept. Oct. Nov. Dic.


Consumo de energía mensual


-

0,010

0,020

0,030

0,040

0,050

0,060

0,070

0,080

Re

lac

ión

ET

/EE

ET/EE 0,065 0,061 0,066 0,057 0,057 0,070 0,062 0,061 0,068 0,060 0,059 0,046

Enero Feb Marzo Abril Mayo Junio Julio Agos. Sept. Oct. Nov. Dic.

ET/EE

Promedio = 0,061

Mínimo = 0,046

Máximo = 0,070

-

0,010

0,020

0,030

0,040

0,050

0,060

0,070

0,080

ET/EE

Promedio = 0,061

Mínimo = 0,046

Máximo = 0,070

Relación Energía Térmica (ET) a Energía Eléctrica (EE)

Tomado de la revista “Applied Thermal Engineering” 26 (2006) 2079-2086 pg 2080. Department of Mechanical Engineering San Diego State University

Proceso

EnsambladoHorneadoHervidoBondeadoEnfriamientoCuradoCortadoSecadoExtrusiónrectificadoTratamiento térmicoIncineraciónInyección y moldeoLaminadoMaquinadoFundiciónMezcladoMoldeado

PinturaenchapadoPrensadoImpresiónSinterizadoSoldadoSoldadura

SIC Descripción

20 Comida y productos afines22 Textiles y productos mezclados23 Ropa y productos textiles24 Productos de madera25 Muebles y adornos26 Papel y productos relacionados27 Litografia y publicidad28 Productos químicos y afines29 Derivados del carbón y petróleo30 Caucho y productos plásticos 32 Piedra, arcilla y productos de vidrio33 Industria de metales primarios34 Fabricación de productos metálicos35 Maquinaria industrial y equipos36 Equipos eléctricos y electrónicos37 Equipos de transporte38 instrumentación y productos relacionados39 Industria manufacturera variada

Alimentos y bebidas


Inten

sidad

energ

ética

(kWh

/$1000)Rel

ació

n T

/E

0

10

20

30

40

1 2 3 4 5 6 7

Relación promedio T/E

Relación promedio T/E Intensidad energética

Intensidad energética y relación T/E por SIC en California


Relación T/E e Intensidad energética por proceso

Inten

sidad

energ

ética (kW

h/$1000)R

elac

ión

T/E

Inci

nera

ción

Seca

doEn

fria

doFu

ndic

ión

Gal

vani

zado

Extr

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nLa

min

ació

nC

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icad

oM

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ado

Mez

clad

o

Trat

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Sint

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Inye

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n y

mol

dead

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, tro

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Impr

esió

nSo

ldad

ura

Cur

ado

Maq

uina

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ntur

a

Ensa

mbl

ado

Bon

dead

o

0

10

20

30

40

1 2 3 4 5 6 7


Relación promedio T/E Intensidad energética

Relación entre el calor y la electricidad en la industria del cemento

Clasificación según la temperatura del proceso

• Baja temperatura:

• Calentamiento de líquidos industriales y producción de agua caliente: 45 – 100ºC.

• Calentamiento de aire para secado industrial: 70 – 120ºC.

• Alta temperatura:

• Fusión de metales: 232ºC, 657ºC, 1083ºC, 1530ºC.

• Forja: 1000ºC.

• Tratamientos térmicos: 450ºC, 600ºC, 900ºC, 1000ºC.

• Procesos cerámicos: 1110 – 1370ºC

•Producción de cemento: 1400 °C

•Fusión de vidrio: 1500 °C

Parámetros para el manejo de la energía en la industria

• Intensidad energética

• Factor de carga o utilización de los procesos

• Relación calor – electricidad

Nuevos criterios de clasificación de las industrias

del SIC POEIC SIC: Standard Industrial Classification

POEIC: Process Oriented Energy Intensity Classification


Curado Secado Extrusión Rectificado Incineración Laminación Fundición Mezclado Galvanizado

Po

tencia

de R

CD

(term

ias/año

)Rel

aci

ón

T/E

0

10

20

30

40

50

1 2 3 4 5 6 7


T/E Potencial de RCD

Curado Secado Extrusión Rectificado Incineración Laminación Fundición Mezclado Galvanizado

Proceso

0

10

20

30

40

50

1 2 3 4 5 6 7

Intensidad energética Pico porcentual

Proceso

Red

ucció

n p

orcen

tual d

el

factor d

e carga

Inte

nsi

dad

en

erg

étic

a (k

Wh

/$1

000)

Energía y economía

Energía y economía: categorías básicas para entender su relación.

– Intensidad energética.

– Impacto de la energía en la competitividad industrial

– Energía en la función de producción.

– La energía en los costos de producción

– Funciones de demanda de energía.

hKw TEP, energía de Unidades

$ PIB del monetaria Unidad $

hKw

$TEP

,

(PIB) sy servicio bienes de Cantidad

país o región una por período un en consumida primaria EnergíaIG

)(PIBserviciosybienesdeCantidadpaísoregiónunaporperiodounenconsumidafinalEnergí

IG

Intensidad energética en términos macroeconómico

La intensidad energética de un país depende de:

Nivel de crecimiento de la economía.

Tecnología utilizada en los diferentes eslabones de la cadena energética.

Estructura productiva:

- Industria con alta intensidad sectorial.

- Transporte masivo vs. individual.- Comportamiento de los usuarios en materia de:

calefacción, climatización, grado de informatización y automatización.

Situación geográfica y climatológica.

Conceptos para la valorización económica de la producción de una industria

Volumen de producto (Q). Denota la cantidad física de producto,

generalmente dado en toneladas.

Valor de venta. Es el valor comercial del producto en moneda corriente

dividido por un índice de precio

Valor de venta del producto en moneda constante

Valor de venta del producto en moneda corriente

Indice de precio

PVV CSS /

:SV

:CSV

:P

Valor de la producción en moneda constante

Cantidad física de producto

Precio unitario en moneda corriente

Indice de precio

Valor agregado. Es el valor comercial de la producción menos los costos variables, dividido por el índice de precio

Valor agregado en moneda constante

Valor de venta de la producción en moneda corriente

Costos variables en moneda corriente

Indice de precio

:PV:Q:CP:P

:AV

:CSV

:Cv

:P

PCvVV CCSA /

PPQV CP /

Valor de producción. En moneda constante es el de la cantidad física de producto por precio unitario en moneda corriente, dividido por el índice de precio

Intensidad energética en procesos industriales

Dada una medida de la energía (E) que entra al proceso y una medida del producto obtenido (O), la intensidad energética (I) se define:

I :en unidad de energía : KJ, Btu, kwh, Kcal

E :es la energía total que usa el proceso

La unidad del Output puede estar dada en:

- En un indicador económico: valor agregado, valor comercial y valor de la producción

- En un indicador físico: peso del producto, unidades de producto y otras

OE

OutpatEnergía

I

Energía (E)

Materiales (m)Fuerza laboral (L)

Productos (Outpat: O)

TonKcal

TonKJ

TonBTU

TonkWh

físicoIndicadorEnergía

I ,,,

$,

$,

$,

$KcalKJBTUkWh

económicoIndicadorEnergía

I

:físicoIndicador

EnergíaI Indicador físico de intensidad energética

(Phisical Energy Intensity: PEI)Si

Indicador económico: f (Valor de producción o el valor agregado)

Intensidades energéticas en términos económicos

Promedio Rango Promedio Rango

31 5,9 0,08-23,5 152,7 2,9-689,2 2,2532 31,8 5-84,5 956,8 101,5-2755,6 11,6833 2,8 1,5-6 286,6 48,86-694,2 1,1534 0,4 0,04-1,8 135,8 1,5-195,2 3,6935 8,2 0,1-23,3 939,9 52,1-4303,7 3,0536 6,8 1,5-15,7 67,3 16,2-356,5 6,3738 12,6 0,2-45,9 985,2 57,9-2944,6 1,48

Consumo específico de combustible (TJ/1000 ton de

producto)

Consumo específico de electricidad (MWh/1000 ton de

productos)

Sector / Código

ISIC

SEC (TJ/1000 ton) del sector industrial en Thailandia

(Consumo de combustible y electricidad)

SEC promedio anual en las PyMES en Indonesia, 1996

10,38 10,06

4,673,27 3,11

1,991,14

0

2

4

6

8

10

12

31 35 34 33 38 36 32

Código del sector industrial

GJ/

Mill

on

es d

e ru

pia

h

Intensidad energética de algunos sectores industriales pequeños de Indonesia, 1993

Relación entre la intensidad energética y la eficiencia técnica de un proceso

• La energía útil necesaria para transformar un material depende de

la naturaleza física, química y mecánica.

• Debido a que en toda transformación energética, ocurre

degradación de energía, se requiere una cantidad de energía

mayor que la útil

• Dadas las características del bien a producir, la energía total (E) depende de la eficiencia de conversión energética del proceso o equipo usado:

eE

EEE

e uu

eE

Eu

- Dadas las características y cantidad del bien a producir (Eu y O

son constantes)

Ie

e

CI

Oe

E

O

EI u

.

Intensidad energética en función

de la eficiencia

Recomendaciones para determinar la intensidad energética

• Seleccionar en términos de que índice se va a definir

- Indicador físico

- Indicador económico

• Si parte de la energía total es aportada por un combustible, cuantificar en función del poder calorífico superior (PCS):

Energía térmica aportada por el combustible: KJ, kWh, BTU y Kcal

Masa de combustible consumida en la producción del bien: Kg, toneladas, libra-masa

Poder calorífico superior del combustible:

KJkgKJ

kgPCSmE ct

:tE:cm

:PCS

lbmBTU

kgKcal

kgkWh

kgKJ

,,,

Recomendaciones para determinar la intensidad energética

• Convertir el consumo de energía eléctrica y energía térmica a una misma unidad de energía:

Si

Si

• Determinar la energía total

kWhkWhE

kWhKJE

E

t

KJKJE

KJkWhE

t

E

tET EEE

Factores que afectan la intensidad energética industrial

La intensidad energética industrial depende de:• Eficiencia energética de los procesos: EEP

- Tipo de tecnología de conversión energética- Operación y mantenimiento- Productividad laboral

• Componente estructural del sector: CES- Características finales del bien a producir- Características física, químicas, térmicas y mecánicas de las materias primas- Características y especificidades del conjunto de procesos necesarios para producir el bien

IE= f (EEP, CES)

• Problemas en la comparación de IE entre empresas de un sector

- Si existe alta heterogeneidad en el CES, se puede tener sesgo e imprecisiones: altos intervalos de variabilidad

- Si el CES es homogéneo o igual, en el conjunto de empresas a comparar

IE= f (EEP)

Factores que afectan la intensidad energética industrial

Metodología para el análisis comparativo de intensidades energéticas en la industria*

Premisa: los indicadores estructurales, son determinantes para establecer comparaciones entre intensidades energéticas de industrias de un sector, en un mismo país o países diferentes.

Metodología

• Definir los indicadores estructurales en el sector industrial que se estudia

• Definir criterios para seleccionar la intensidad energética de referencia u óptima, para cada indicador estructural

• Graficar la intensidad energética de referencia en función del indicador estructural

• Para el conjunto de industria con indicador estructural igual o comparable, comparar su respectiva intensidad energética con el valor de referencia referencia.

*(G.S.M Phylipsen y otros: Energy Policy V25, No 7 – 9, pp 715 – 725, pp 1997)

Energy policy, Vol 25, Nos. 7-9, pp. 715 – 725, 1997. pg 719

Indicador estructural

Comparación de eficiencia energética entre países: el SEC como una función de la estructura del sector para la industria cementera. El punto superior () representa el SEC presente, mientras que la línea sólida representa el SEC de referencia (dependiendo de la estructura del sector, esto es la relación de la producción de clinker a la producción de cemento)

Energía y competitividad industrial

• El impacto de la energía en la competitividad solo ha sido examinado en función de los costos de producción

• Es evidente que la disminución de la intensidad energética (aumento de la eficiencia) disminuye los costos de producción mayor competitividad

• Dependiendo de la naturaleza y especificidades de algunos procesos productivos, es posible la existencia de impactos “ocultos”, mas importantes que la incidencia sobre los costos

Energía y competitividad industrial

• La internalización de nuevos costos (ambientales) en la función de costos, implican repensar el impacto de la energía en la competitividad.

• Es necesario desarrollar modelos mas integrales, para examinar el impacto de la energía en la competitividad

• Energía: Energético + “tecnología de conversión energética

apropiada”

Factores a considerar para analizar el impacto integral de la energía sobre la competitividad

industrial

F1: Perfil energético y la función de costos de producción.F2: Incidencia de la eficiencia energética en la función de costo.F3: Incidencia de la energía en la calidad de los productos.F4: Incidencia de la energía sobre la productividad.F5: Incidencia sobre la salud ocupacional.F6: Incidencia sobre las emisiones contaminantes.

Identificación y ponderación de los factores por sectores

Sector F1 F2 F3 F4 F5 F6

1

2

n

Ejemplo 1: efectos múltiples de la energía en la competitividad industrial

• Caso: calentamiento en procesos de alta temperatura

Opción A:

- Horno convencional sin recuperación de calor- Combustible fuel oil

Opción B

- Horno compacto con quemadores de alta velocidad- Recuperación de calor- Gas natural

Horno de calentamiento rápido

• Es un horno que combina la utilización de un quemador de alta velocidad y el diseño optimizado del volumen del horno en función de la carga.

• El horno puede revertirse de material refractario de baja masa que produce una menor inercia térmica al calentamiento y evita el sobrecalentamiento de la carga.

• Características:– Rango de temperatura de proceso: 500ºC – 1300ºC.– Eficiencia térmica del 50%, se puede aumentar con

recuperación de calor.

Horno de calentamiento rápido de metal con quemadores de alta velocidad.

• Que es un quemador de alta velocidad?Es un quemador en donde los gases de combustión se descargan de la cámara a muy alta velocidad (50 a 100 m/s), lo cual al entrar en contacto con el objeto a calentar transfieren por convección una gran cantidad de calor directamente y garantizando un calentamiento homogéneo.

Análisis comparativos con hornos convencionales

Análisis comparativos con hornos convencionales. Régimen de transferencia de

calor

Análisis comparativos con hornos convencionales. Tiempo de calentamiento.

Variables 1 2

Tiempo de calentamientomayor de 14

minutos2

minutos

Eficiencias de combustión 10.5 81.7

Calidad del producto menor mayor

Comparación del calentamiento de una barra de acero de 2" de diámetro a 1200°C

1: Horno convencional

2: Horno compacto con quemadores de alta velocidad

Horno de calentamiento rápido• Ventajas:

– Mejora la eficiencia que puede incrementarse en quince puntos para una temperatura de proceso de 1200 ºC.

– Rápida puesta en temperatura del horno, lo cual permite que sea de funcionamiento flexible frente a posibles paradas de producción.

– Control directo de la temperatura del producto calentado, actuando sobre la alimentación del gas o del aire.

– Reduce la oxidación y descarburación del metal.– Permite el diseño optimizado de la relación

horno/carga.– Reduce los tiempos de calentamiento, lo cual permite

aumentar la productividad.

Ejemplo 2: efectos múltiples de la energía en la competitividad industrial

• Caso: calentamiento en procesos de baja temperatura

Opción A

- Sistema centralizado con caldera y redes de

distribución de vapor

- Combustible: carbón, gas natural o fuel oil

Opción B

- Con sistemas de calentamiento directo

- Combustible gas natural

Utilización directa del gas natural como fuente de calor.

• Esta tecnología no existe en el mercado para otros combustibles (sólidos o líquidos) y por tanto son exclusivos de los combustibles gaseosos.

• La principal ventaja que presenta el sistema de calentamiento directo es el elevado rendimiento que obtiene del combustible consumido.

• Los sistema de calentamiento directo dan lugar a un segundo ahorro importante, el tiempo de puesta a régimen de la instalación es muy inferior al que requieren los sistemas indirectos.

Utilización directa del gas natural como fuente de calor.

• El rendimiento en un sistema indirecto puede situarse entre un 50% y un 60% (incluyendo puesta a régimen y variaciones de la demanda), mientras que para los sistemas directo este valor es del 90% al 93%.

RI: rendimiento cuando el calentamiento es indirecto.

RD: rendimiento cuando el calentamiento es directo.

RD

RIAhorro 1%

%5.3593

601% Ahorro

Tubos sumergidos compactos

• Configuración:– Un quemador de

mezcla en el cabezal.

– Cámara de combustión.

– Tubo intercambiador, diámetro entre 40-120mm.

– Temperatura de proceso hasta 100°C

Quemadores de combustión sumergida

• Configuración

– Cuerpo del quemador. Elemento metálico de acero inoxidable en cuyo interior se realiza la combustión.

– Rampa de dispersión. Tubo o conjunto de tubos agujerados por donde fluye al líquido los gases de combustión.

– Dispositivos de alimentación y control.

– Temperaturas de procesos hasta 65°C

Calentador de agua de contacto directo

• Configuración:– Quemador

compacto.– Tubo sumergido.

Sirve de intercambiador de calor sensible entre los humos y el agua de proceso.

– Parrillas de intercambio y condensación.

– Temperaturas de proceso hasta 95ºC

• Función de producción Relación matemática de los factores de producción

necesarios para producir un bien o servicio (Y)- Energía: E- Capital: K- Trabajo: L- Materias primas no energéticas: M

Complementariedad estricta de factores en Y: Leontief Sustituibilidad perfecta entre factores en Y: Cobb-

Douglas

M,L,K,EfY

Energía y economía: categorías básicas para entender su relación

- Intensidad de capital: Ik =

- Productividad de capital Pc =

- Productividad laboral PL=

L

K

laboralesCostos

capitaldeCosto

agregadoValorproductivoprocesoenenergíadeCosto

IE

AokLc VVPPIfI ,,,,

KV

capitaldeCostoagregadoValor A

LV

laboralesCostoagregadoValor A

• Costo de producción

• Beneficio de un agente en la economía:

MpLpKpEpC MLKE

)MpLpKpEp()pY(B MLKEY

Energía y economía: categorías básicas para entender su relación.

• Función de demanda de energía Correlación positiva entre la demanda de energía (E) y

el nivel de crecimiento económico (Y) Correlación negativa entre la demanda de energía y el

precio (pe)

Elasticidad

)p,Y(fE e

0Y

YE

Eer

0

e

p

pp

EE

e

Si se asume una función de producción del tipo Cobb-Douglas y se minimiza la función de costo de los agentes, la demanda optima de energía es:

b

e

L

a

e

K

p

p

p

pYBE

1

Función de demanda de energía

Demanda depende de:

Nivel de producción: PIB

Precios relativos de los diversos factores de producción: E, K, L.

Elasticidad del PIB con los factores.

Quién demanda energía le interesa conocer

• Las funciones de demanda de energía.

• La intensidad energética sectorial útil.

• Que representa el costo de la energía en la estructura

de costos de la empresa.

• La sensibilidad del beneficio de una rama industrial con

el costo de la energía.

• La sustitución entre capital, trabajo y energía.

• La viabilidad de sustitución entre energéticos.

Energía y ambiente

Energía y ambiente interacciones e impactos

• Sistemas energéticos impactan al ambiente.• Condiciones ambientales afectan la operación de los

sistemas energéticos.

Sistemaenergético

Medio Ambiente

Impactos ambientales de los sistemas energéticos

• Efecto invernadero mundial.• Contaminación de la atmósfera. Emisiones: SOx, NOx,

CO, HC, partículas.• Contaminación de aguas y suelos.• Desplazamiento de poblaciones.• Destrucción de fauna y flora.• Alteración de condiciones sicrométricas.• Contaminación sonora.• Efectos biológicos de los campos electromagnéticos.• Alteración de los ciclos naturales

Efectos globales de los contaminantes

Medio sobre el que actúa Efecto

Sobre la calidad atmosférica

Reducción de la visibilidad Formación y precipitación de la neblina Reducción de la radiación solar Alteración de las temperaturas Alteración de la distribución de los vientos

Sobre la salud Enfermedades respiratorias Enfermedades digestivas Enfermedades dérmicas

Sobre la vegetación

Interrumpen la fotosíntesis Reducen el crecimiento Muerte de las plantas Acidificación de suelos

Sobre los materiales Ensuciamiento

Corrosión

Efecto invernadero

Gases de efecto invernadero

Potenciales de calentamiento atmosférico

GASES DE EFECTO INVERNADERO (GEIi)

i

Símbolo químico

Masa

molecular

Potencial Calentamiento

Atmosférico (PCAi)

Dióxido de carbono 1 CO2 44 1

Metano 2 CH4 16 21

Oxido nitroso 3 N2O 30 310

Hidrofluorocarbonos

(HFC)

4 HFC 23 70 11700

5 HFC 125 120 2800

6 HFC 134a 102 1300

7 HFC 152a 66 140

Perfluorocarbonos

(PFC)

8 CF4 88 6500

9 C2F6 138 9200

Hexafluoruro de azufre

10 SF6 146 23900

F E [tCO2/TJ]

Combustibles sólidos:

Antracita

Carbón de coque

Hulla

Carbones sub-bituminosos

Lignito

Turba

98.3

94.6

94.6

96.1

101.2

106

Combustibles líquidos:

Crudo

Fuel oil

Diesel oil

Gasolinas

Querosenos (aviación)

Otros querosenos

GLP

GLN

Etano

Nafta

Asfaltos

Lubricantes

Coque de petróleo

Materia prima refinería

Orimulsión

73.3

77.4

74.1

69.3

71.5

71.9

63.1

63.1

61.6

73.3

80.7

80.7

100.8

73.3

80.7

Combustibles gaseosos:

Gas natural

Metano

Gas de refinería

Gas de horno de coque

Gas de horno alto

56.1

55.1

66.7

108/47

24.2

Factores de emisión de CO2 equivalente por tipo de combustible

Tomado de: IPCC (Intergovernmental Panel on Climate Change)

Factor de emisión cuando existen varios GEI

Ejemplo: si en la combustión de fuel oil se produce CO2, N2O y CH4, encontrar el factor de emisión.

Según el IPCC los factores de emisión del fuel oil

GEIesimoidelntocalentamiedePotencialPCAi

GEIesmoidelemisióndeFactoriF

COdetonenemisióndeFactorF

PCAiiFF

E

E

n

iEE

2

1

TJOtNFTJ

tCHFfoTJtCOF OENECHECO

242 0006.0;003.0;4.77242

fo= factor de oxidación del carbón

Potencial de calentamiento atmosférico

12COPCA 21

4CHPCA 310

2ONPCA

Emisiones directas anuales de una industria

eCO2: Emisiones de CO2 en toneladas anuales equivalentes de carbono

Fc: Consumo anual de combustible en la planta en unidades energéticas: TJ, kWh, BTU.

CEF: - Factor de emisión CO2 del combustible en TCO2/TJ; TC/kWh. - Depende de la naturaleza y composición química del

combustible

Fo: - fracción de oxidación del carbono

- evalúa la fracción de carbono que no pasa a CO2, debido a la combustión incompleta.

- fo < 1 fo = 1 Si la combustión es completa

foCEFFe CCO 2

Emisiones indirectas de CO2 en una industria

Hace referencia a las emisiones de CO2 en la generación de energía eléctrica que compra la empresa

CEF: - factor de emisión debido a la generación eléctrica en tCO2/MWh - depende del energético y tecnología usada para la generación

de electricidad

EC: consumo anual de electricidad en la planta en MWh

: Eficiencia por transmisión y distribución de electricidad

TD

cCO

CEFECe

2

TD

• Emisiones totales de CO2 de una industria

• Emisiones especifica de CO2 de una industria

año

TonCOeee iCOdCOtCO

2222

proddeTonCOdeTon

EE

toneladasenanualproducciónCOdeanualestotalesEmisiones

EE

CO

CO

2

2

2

2

Tomado de Energy Conversion and Management 42 (2001) 1335 - 1348

Emisiones de CO2/unidad de producto en el sector PyMES de Indonesia (1996)

Sector

Emisiones específicas anuales directas de CO2

(ton de CO2/1000 ton de

producto)

Emisiones específicas anuales indirectas de CO2 (ton de CO2/1000

ton de producto)

Emisiones específicas anuales de CO2 (ton de

CO2/1000 ton de

producto)

Textil (32) 2227.2 926.9 3154.1Fabricación de productos metálicos (38)

998.7 923.3 1922

Productos químicos (35) 600.8 939.9 1540.7Productos en madera (33) 104.0 286.6 390.6Alimentos y bebidas (31) 215.9 97.1 313Productos con minerales no metálicos (36)

228.1 67.3 295.4

Pulpa y papel, se incluyen productos en papel, litografias y publicidad (34)

31.8 135.8 167.6

TOTAL: 22.800 millones ton CO2 (1998)Fuente: World Resources Institute

Emisiones de GEI por región

Atenuación de las emisiones de gases de invernadero

Disminuir el consumo de energía primaria aumentando la eficiencia energética.

Usar combustibles con mayor relación H/C implica sustitución entre energéticos.

Efecto combinado eficiencia energética y sustitución energética

Secuestro de CO2

Fijación de CO2 por proceso de fotosíntesis

Estructura de los combustibles fósiles

2COCH

Emisiones contaminantes de la combustión de combustibles fósiles

• Dióxido de carbono (CO2)

• Metano (CH4)

• Monóxido de carbono (CO)

• Oxido nitroso (NOx: NO, NO2,N2O)

• Óxidos de azufre (SOx: SO2, SO3)

• Hidrocarburos sin quemar: metánicos, y no metánicos

• Material particulado

Efectos de los contaminantes atmosféricosContaminante Efecto y Problemática Ambiental

Monóxido de carbono (CO)

Interfiere en el transporte de oxigeno en la sangre Muerte por asfixia

Dióxido de carbono (CO2)

Los altos niveles atmosféricos alcanzados hacen que contribuya en un 57% al efecto invernadero

.

Oxido nitroso (N20)

Contribuye al efecto invernadero en la troposfera Contribuye a la eliminación de ozono en la estratosfera

•

Oxido nítrico (NO)

Precursor de la formación de NO2 Smog fotoquímico

Dióxido de nitrógeno (NO2)

Efectos anestésicos en humanos y animales Irritación en ojos y nariz Afecciones pulmonares Caída de hojas en plantas Reducción de frutos en plantas Precursor de la lluvia ácida Smog fotoquímico

Oxidos de azufre (SOx)

Irritación ocular y pulmonar Cambio de color y caída de hojas en plantas Corrosión de materiales (hierro, acero, zinc) Precursor de la lluvia ácida

Compuestos orgánicos volátiles (VOC) y metano (CH4)

Los HAP son carcinogénicos y mutagénicos Irritan las membranas de las mucosas en humanos y animales Inhiben crecimiento de las plantas El metano contribuye en la troposfera al efecto invernadero El metano contribuye a la eliminación de ozono en la estratosfera

Material particulado (MP)

Efectos fibrogénicos en organismos cuando las partículas contienen cuarzo, asbestos, carbón, tungsteno, titanio, berilio o aluminio Irritan las mucosas oculares y respiratorias y pueden convertirse en enfermedades crónicas si las partículas contienen S02, vanadio, níquel, manganeso, aluminio o cromo. Carcinogénicas si las partículas contienen arsénico, cromo

Contaminantes atmosféricos adicionales

Contaminante Fuentes antrópicas Efecto

Oxidantes fotoquímicos (O3, nitrato de peroxiacilo)

Contaminantes secundarios producidos por los hidrocarburos y los NOx emitidos principalmente por fuentes móviles.

Smog fotoquímico, produce dolores de cabeza y sequedad en la garganta

Metales (plomo, zinc, cadmio, cobre, aluminio, hierro, titanio, níquel)

Quema de combustibles fósiles En combustibles líquidos está presente el plomo Industrias metalúrgicas

Industria de la construcción

Acumulación de plomo en los organismos produce anemia

Vapor de agua Todos los procesos de combustión

Calentamiento global

Compuestos clorofluorocarbonados (freón 12)

Refrigerantes, spray, disolventes, fabricación de plástico, esterilizantes

Destrucción de ozono estratosférico

Compuestos cloroaromáticos (dioxinas, furanos)

Producto de la incineración del plástico, fabricación de fungicidas, insecticidas y herbicidas

Tóxicos para los organismos aún a bajas concentraciones

Metano

Combustión incompleta de combustibles fósiles, descomposición de materia orgánica

Destrucción de ozono estratosférico. Calentamiento global

Análisis comparativo de emisiones gas natural (Guajira) y ACPM en una caldera de 20 BHP

Análisis comparativo de emisiones gas natural-diesel en una caldera de 30 BHP

53984.46 54216.31 54922.82 55350.76 55009.60

0.00

10000.00

20000.00

30000.00

40000.00

50000.00

60000.00

1.07 1.16 1.26 1.34 1.45

Factor de aireación

CO2

CO2 GN

CO2 Diesel

785.56

451.22

81.7433.34 16.58

0.00

200.00

400.00

600.00

800.00

Facto

r de

emisió

n (ng

/J)

1.07 1.16 1.26 1.34 1.45


CO

CO GN

CO Diesel


0,005,00

10,0015,0020,0025,0030,00

Fact

or

de

e

mis

ión

(n

g/J

)

1,07 1,16 1,26 1,34 1,45


NO en GN y Diesel

NO GN

NO FO


2294.112429.12

2075.341942.74 1997.09

0.00

500.00

1000.00

1500.00

2000.00

2500.00

1.07 1.16 1.26 1.34 1.45


HC

HC GN

HC Diesel


238.30

183.48201.16 206.25

225.52

0.00

50.00

100.00

150.00

200.00

250.00

1.07 1.16 1.26 1.34 1.45


CH4

CH4 GN

CH4 Diesel



0.08

1.25

0.08 0.15

0.00

0.50

1.00

1.50g

/m3

1.05 1.3


Concentración de MP

0.02

0.27

0.02 0.03

0.000.050.100.150.200.250.30

kg

/h

1.05 1.3


Emisión de MP

Gas natural

Diesel

Factores de emisión y concentraciones base 3% oxígeno encontrados en el proyecto para

calderas de tamaños de 30 BHPFactores de emisión (ng/J)

n CO2 CO NO HC CH4GN FO GN FO GN FO GN FO GN FO

1.07 38549,2 53984,5 63,85 785,6 16,72 13,80 1781,6 2294,1 144,2 238,31.16 37802,7 54216,3 10,97 451,2 21,85 17,31 1749,5 2429,1 154,5 183,51.26 37907,7 54922,8 10,53 81,7 23,26 20,19 2070,9 2075,3 183,3 201,21.34 38349,5 55350,8 6,88 33,3 22,49 26,30 1785,6 1942,7 176,1 206,31.45 38504,8 55009,6 4,83 16,6 21,63 28,33 1222,5 1997,1 179,1 225,5

Concentración corregida base 3% oxígenon CO2 (%V) CO (ppm) NO (ppm) HC (%V) CH4 (%V)

GN FO GN FO GN FO GN FO GN FO1.07 10,07 13,26 263,62 3031,9 63,78 49,7 0,26 0,32 0,10 0,161.16 10,09 13,32 45,96 1741,5 85,40 62,3 0,26 0,34 0,11 0,121.26 10,09 13,49 44,04 315,5 90,79 72,8 0,31 0,29 0,13 0,141.34 10,10 13,59 28,43 128,7 86,84 94,7 0,26 0,27 0,13 0,141.45 10,10 13,51 19,90 64,0 83,20 102,1 0,18 0,28 0,13 0,15

SO2 GN FOFactor de emisión

(ng/J)0,94 62,08

Concentración corregidabase 3% oxígeno (ppm)

1,70 104,75

Principales fuentes de emisión de los contaminantes

Contaminante Fuente Natural Fuente Antrópica

Monóxido de carbono (CO)

Oxidación atmosférica del metano Océanos Degradación de la clorofila

Combustión incompleta de hidrocarburos principalmente en fuentes móviles

Dióxido de carbono (CO2)

Deforestación Respiración de las plantas

Combustión de combustibles fósiles

Oxido nitroso (N20) Desnitrificación Océanos

Procesos de combustión

Oxido nítrico (NO) y dióxido de nitrógeno (N02)

Incendios forestales Procesos anaerobios del suelo Descargas eléctricas


Oxidos de azufre (SOx)

Erupciones volcánicas


Compuestos orgánicos volátiles (VOC) y metano (CH4) Material particulado

Descomposición bacteriana Océanos Vegetación

Combustión de hidrocarburos principalmente en fuentes móviles que usan diesel Calentadores domésticos que queman carbón o madera Refinación, transporte y combustión del petróleo y sus derivados

(MP)

Aerosoles de sal marina Arrastre de polvo por el viento Actividad volcánica Incendios forestales

Procesos de combustión de combustibles fósiles sólidos y líquidos Aerosoles secundarios a partir de contaminantes primarios como NOx, SOx e hidrocarburos Procesos de evaporación y

Connotaciones económicas de la relación energía y ambiente

Internalización de las externalidades. Costos ambientales y la estructura de costos. Nuevos mercados: Mecanismos de desarrollo limpio

(MDL). Precios diferenciales en función de lo ambiental

kWh verde Sello verde Dependiendo de los insumos: energía y materia

prima

Disposiciones sobre la calidad del aire en Colombia*

• Estimaciones preliminares señalan 6000 muertes al año por

contaminación del aire (Larsen, 2004). Esto representa para el año

2002, 3% del total de defunciones y 9% de las muertes asociadas a

afectaciones sobre el aparato respiratorio (65.615)(DANE, 2002).

• Por cada 100.000 niños menores de 5 años 8 mueren por infección

respiratoria aguda – IRA (MPS, 2002).

• En morbilidad se estiman al año 7.400 casos nuevos de bronquitis

crónica, 13.000 hospitalizaciones y 255.000 visitas a urgencias

(Larsen, 2004);

* Departamento Nacional de Planeación CONPES. 3344 – marzo 2005. Lineamientos para la formulación de la política de prevención de la contaminación del aire (PPCA)

Emisiones por contaminante (2002)*

* Departamento Nacional de Planeación CONPES. 3344 – marzo 2005. Lineamientos para la formulación de la política de prevención de la contaminación del aire (PPCA)

Emisiones por ciudad (2002)*

*Departamento Nacional de Planeación CONPES. 3344 – marzo 2005. Lineamientos para la formulación de la política de prevención de la contaminación del aire (PPCA)

Calidad del aire para Bogotá, PM10*


Diagnostico sectorial*


LINEAMIENTOS *


GRACIAS!

eficiencia energÉtica y uso racional de la energia en el marco del programa de produccion mas...

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