Energia y Eficiencia Energetica

8/17/2019 Energia y Eficiencia Energetica

1/73

Energía y eficienciaenergética en procesGustavo Restrepo IQ, PhD


2/73

Contenido

1. Energía y recursos energéticos

2. Balances de energía y criterios de uso eficiente de la energía

3. Sistemas de generación y distribución de energía

4. Eficiencia en la producción y distribución de energía térmica

5. Eficiencia en el suministro y consumo de energía eléctrica

6. Gestión energética


3/73

Gustavo Restrepo

Instituto de energía energética deMoscú – MEI

Doctor en Ciencias de la Ingeniería

Ingeniería termoenergética industrial

Universidad Nacional de Colombia

Ingeniero Químico

Tiger engineeringIngeniero de Procesos


4/73

Procedimiento/metodología

Presentación 60 minutos

Preguntas 20 minutos


5/73

¿Eficiencia energética?

Imagen tomada de: BRODYANSKY V. М. Vechny dvigatel’ — prezhde i teper’. Ot utopii – k nauke, ot nauki – k utopii. Moscú, e


6/73

Energía y recursosenergéticosEnergía y eficiencia energética en procesos


7/73

Concepto de energía

“Propiedaddelamateriaqueindicasucapacidadparasufrircambios”


8/73

Fuentes y vectores de energía Sol

Combustibles

BiomasaTurba

Gas

natural Carbón

Petróleo

Luz solar

Viento

Olas

Ciclo delagua

Tierra

Agua termal Uranio

Hidroeléctrica

Termoeléctrica

Celdasolar

Planta nuclearPlanta

geotérmicaMolino

Caldera HornoRefineríaPlantade gas

GLP

Baterías

Sintegas

Energíaeléctrica

Airecomprimido

Aguacaliente

Vapor

Gasolina

Diésel

Hidrógeno

Gasnatural

Aceitecombustible

Humos

Radiación

CompresorCargador

Refinería

Etanol

Biodiésel


9/73

Balance energético mundial 2012 [IEA]


10/73

Fuentes primarias de energía y consumo 2012 [IEA]

31%

29%

21%

10%

1%

2% 5% 1%

Fuentes primarias de energía

Crudo Carbón

Gas natural Biocombustibles y residuos

Geotérmica Hidroeléctrica

Nuclear Otros

28%

28%

23%

8%

2% 11%

Consumo de energía por sector

Industria Transporte Res idencial

Comercio Agrícola Otros


11/73

Vectores de energía por sector 2012 [IEA]

0%

12%

29%

20%

7%

27%

5%

Sector industrial

Total: 2542 Mtep

93%

0%4% 2% 1%

Sector transporte

Total: 2507

40%

21%

5%

0% 0

Sector r

Total: 2

12%

4%

24%

3%

51%

5% 0% 1%

Sector comercial

Total: 721 Mtep

57%

6%

4%

5%

1%

24%

3%

Sector Agrícola

Total: 186 Mtep


12/73

Generación de energía eléctrica mundial 2012 [IEA]

5% 1%

47%

23%

3%

1%

1%

6%13%

Fuentes primarias - generación eléctrica

Total: 5083 Mtep

Derivados del petróleo Crudo Carbón

Gas natural Biocombustibles y residuos Geotérmica

Solar/olas/eólica Hidroeléctrica Nuclear

2299

45%

Generación de energía eléctrica (

Pérdidas Energía eléctrica


13/73

Generación de energía eléctrica por países 2012 [IEA]

18%

4%

58%

3%

0%10%

7%

Argentina

Total: 25.4 Mtep / Eficiencia: 46%

2%

2%

Total: 1

1%

11%

24%

7%

57%

Colombia


2%

34%

18%

33%

0%

13%

Dinamarca


1%

50%

13%

10%

5%

1%

20%

Alemania


4%

0%

18%

61%

1%0%

4%

12%

Rusia


1%

43%

25%

3%

1%

1%3%

23%

EU

Total: 892 Mtep / Eficiencia: 42%


14/73

Consumo de energía percapita vs PIB percapita 2012

RCh

Din

AleJap

Cor

Hol

Nor

Sue

EU

Arg

Aus

Bra

Can

Chl

ChnColCR

Fra

Ind

Ita

KazMex

NZ

Pan

Per

Rus

Sui

GB

Ven

SAf

-

10,000

20,000

30,000

40,000

50,000

60,000

70,000

80,000

90,000

100,000

110,000

0 1 2 3 4 5 6 7

P

I B

p e r c a p i t a

( U S $ )

Consumo total de energía per capita (Мtep)

2 12


15/73

Balances de energía ycriterios de uso eficientde la energíaEnergía y eficiencia energética en procesos


16/73

Unidades de energía

• Combustibles (poder calorífico inferior)- Gas natural: MJ/sm3; Btu/sft3

- Petróleo y derivados: MJ/t; MJ/m3; Btu/bbl

- Carbón: MJ/kg; Btu/lb

• Flujo de calor: MJ/h; kcal/h

• Energía eléctrica: kW-h; MJ; Btu

• Potencia: kW; hp

• Tonelada equivalente de petróleo: tep (IEA)

• Barril equivalente de petróleo: bep (EU)

• Tonelada de combustible equivalente: tec(Rusia)

Equivalencias

1 tep =

7.11 bep

41.89 G

11.63 M

1.43 tec


17/73

Poder calorífico de combustibles

Combustible MJ/kg Btu/lb tep/t tec/t bep

Carbón 19 - 29.3 8168 – 12610 0.45 – 0.70 0.65 – 1.0 3.22 –

Turba 9.3 3998 0.22 0.32 1.5

MJ/kg MBtu/bbl tep/t tec/t bep/

Petróleo 41.9 6.31 1.00 1.43 1.0

Crudo combustible 40 5.12 0.95 1.36 0.8

Gasolina 42.1 4.82 1.00 1.44 0.7

Diésel 42.5 5.25 1.01 1.45 0.8

MJ/sm3 Btu/sft3 tep/t tec/t bep/M

Gas natural 34.5 926 0.58 0.83 172.


18/73

1ª Ley de la termodinámica

Э =

Эú +

Э +

ЭBalance general de proceso

SISTEMA CERRADO

SISTEMA ABIERTO


19/73

FLUIDO CALIENTE

FLUIDO FRÍO

Balance de energía (1ª Ley)Sistema hidráulico

Transferencia de calor

ℎ

ℎ

ℎ

ℎ

ℎ

ℎ

Reactor

ℎ

ℎ

∆ℎ


20/73

PROCESO

Eficiencia (1ª Ley)

Э =

Э +

Э +

ЭЭ Э

Э

Э

Coeficiente de acción útil o “eficiencia” ηI

Eficiencia energética según la 1ª Ley de la Termodinámica

=íℎí

= Э + Э

Э

PROCESO

Э

Э

Э

Э

Diagrama de Sankey


21/73

2ª Ley de la Termodinámica

Máquina de térmica ideal

= + = −


22/73

2ª Ley de la TermodinámicaMáquina de térmica ideal

Máquina de térmica real

= +

=

= 1 −


23/73

Eficiencia (2ª Ley)Coeficiente de desviación del caso ideal, “eficiencia según la Segunda Ley” ηII

=

áó

=

1 −

< 1 −


24/73


25/73

Componentes de la exergía

Exergía de la materia• Térmica

• Mecánica

• de Reacción

• de Concentración

Exergía del flujo de energía

• de flujo de Calor

• de flujo de Radiación

Exergía de flujo de materia

• = − −

Exergía de flujo de calor

•

= 1 −

Exergía del trabajo

• =


26/73

Exergía vs Energía

Exergía, E

• Su valor depende de las propiedades dela materia o flujo de energía y de lascondiciones del entorno

• Es igual a cero cuando el sistema está enequilibrio con el entorno

• Se destruye en procesos reales

Energía, Э• Es una propiedad asociada a la

al flujo de energía

• Siempre es diferente de cero

• Siempre se conserva

Э

Э


27/73

PROCESO

Eficiencia exergética

>

Coeficiente exergético de acción útil o “eficiencia exergética” ηE

=íí

=

= +


28/73

Eficiencia energética de procesos (1ª L


99%

10 W

10%

100 W

101 W

98%

103 W

10%

1031 W

95%

1085 W

95%

1142 W

99%

1154 W =10

1154 =0.87%

f é (


29/73

Eficiencia energética de procesos (2ª L


10 W103 W

=10%1031 W

=10

1154 =0.87%1154 W

_ =20+ 273 130 + 273 =27.3%

=10%24.8% =36.7%

f é d


30/73

Eficiencia exergética de procesos


10 W

=10

1154 =0.871154 W

1142 W

800°C

E = 830 W

1085 W

800°C

E = 789 W

1031 W

130°C

E = 281 W

103 W

=1085 1− 20+273800+273

1142 =69.1%

=281789 =35.7%

= 103281 =36.7%

100 W


31/73

Sistemas de generaci

y distribución deenergíaEnergía y eficiencia energética en procesos

S i i t f d í l


32/73

Suministro y formas de energía en plan

Combustibles fósiles

Caldera

Compresor

Refrigeración

Ilumunación

Agua caliente Vapor

Energía

eléctrica

Airecomprimido

Energía

eléctrica

Agua

Agua

PLANTA

Gases

RadiaciónGenerador Agua de

enfriamiento


33/73

Eficiencia en la

producción y distribude energía térmicaEnergía y eficiencia energética en procesos


34/73

Sistema de producción y distribución de va

Combustible

Gases decombustión

Agua desuministro

Caldera

Desaireador

Puntosconsum

Tratamientode agua

Colector decondensados

Si t d d ió di t ib ió d


35/73


Combustible

Gases decombustión

Agua desuministro

Caldera

Desaireador

Puntos dconsum

Tratamientode agua


Tratamiento deficiente:

• Deterioro de la caldera

• Incrustaciones en

superficies de transferencia

de calor

Recuperación parcial o nula

• Mayor consumo de

combustible

• Mayores costos de

tratamiento

Diseño deficiente de la red:

• Topología y geometría

• Elevada formación de

condensados

Deficiente aislamiento térmico

• Pérdidas de calor al entorno

• Formación elevada de condensados

Mantenimiento ineficiente:

• Incrustaciones en

superficies de transferencia

de calor

• Combustión incompleta


36/73

Pérdidas de calor y vapor


37/73

Aislamiento térmico

Pérdidas de calor (Btu/(h*100 ft))Pérdida con

aislamiento

Costo pérdida

incremental

(US$/a)

Costo aislamiento

2" (US$/100 ft)Sin

aislamiento

Con

aislamientoDiferencia

2" 41,479 3,607 37,872 8.7% 899 668

4" 61,912 5,519 56,393 8.9% 1,339 903

8" 92,856 9,024 83,833 9.7% 1,990 1,355


38/73


Combustible

Gases decombustión

Agua desuministro

Caldera

Desaireador

Puntos consum

Tratamientode agua


Conversión a gas

Redistribución de cargas entre unidades

Programa de mantenimiento y purgas

Optimización de aire de exceso

Recuperación de calor

Disposición correcta de ramales, válvulas

y trampas

Bolsillos para recolección de

condensados

Aislamiento térmico

Mantenimiento y reparación de fugas

Recuperación de condensados

Optimización de trampas de vapor

Control de la calidad del agua


39/73

Ineficiencias en sistemas térmicos


40/73



41/73



42/73

Eficiencia energética sistemas térm

Conversión de combustible

Automatización y control

Integración de flujos térmicos


Optimización de redes y superficies de transferencia de calor

Eficiencia energética sistemas de alta temperatura (ho


43/73

c e c a e e gét ca s ste as de a ta te pe atu a ( o

Implementación denuevas tecnologías

Reducción depérdidas de calor yemisiones de gases

calientes


residual

Aprovechamientoexterno de calor

residual

Mejoramiento delproceso

Mejoramiento de lacombustión

Precalentamiento deaire y/o combustible

Precalentamiento dematerias primas

Recirculación delproducto del proceso

Uso energético Uso en el proceso

Fundición en continuo

Turbinas recuperadoras sin compresión

Recursos energéticos secundarios


44/73

g

Recursos energéticossecundarios

Combustibles Presión enTérmicos

Combustión Calentamiento Enfriamiento Eléctric



45/73


HORNO

57%

43%Energía delcombustible

100%

HORNO

35%

43%

57% Repuperación 22%

Energía del

combustible

100%

Recuperación termoquímica de calor


46/73

Recuperación termoquímica de calor

HORNO

18%

43%

57% Recupera

RTQ

Energía delcombustible

100%



47/73


E-203

E-202

R-201

154 250

364 100

lps

cw

E-2

R

154

E-202 278

364

TIC

250

Síntesis de redes de intercambio de calor


48/73

Síntesis de redes de intercambio de calor

Optimización de superficie de intercam


49/73

p pde calor

Zonas convectivas en hornos de proces


50/73

Zonas convectivas en hornos de proces


51/73

Eficiencia en el

suministro y consumode energía eléctricaEnergía y eficiencia energética en procesos

Red eléctrica


52/73

Red eléctrica

G

T1 T2

RT

U

V1 V2 V3

Generación Transmisión Distribución

Sistema de suministro urbano


53/73

CHE

CTE

TE TR

TE

TE TR

TR TR

GTE TR

6-15 kV

220 kV

110 kV

LTE

Anillo

urbano

Subestación

LDE

110 kV

6-10 kV

400 V

Conexión a sist

interconectad

220 kV

LTE

6-15 kV

110 kV

TE/TR

110 kV6-10 kV

Determinación de cargas de consumo eléct


54/73

61.7%

2.1%

0.3%

13.2%

19.7%

0.6%

0.2% 1.4%

0.8%

Bombas ET Agitadores

PTAP OI VRU

Trat. agua Calderas Trat. lodos

Cargas de consumo eléctrico en una planta que maneja flujos líqu

Desviaciones de calidad de la energía el


55/73

Desviaciones de calidad de la energía el

Desviación de la tensión eléctrica de su valor nominal

- Cambios de demanda o en la red eléctrica

Oscilación de la tensión eléctrica

- Cambios repentinos de cargas

Desviación de la frecuencia de la corriente eléctrica

- Desbalance entre generación y consumo

Asimetría de cargas en sistemas trifásicos

- Mala distribución de cargas monofásicas entrefases

Baja potencia en motor

Cambios y oscilaciones

Baja productividad

Problemas de calidad e

Reducción del tiempo d

Mayor consumo de ene


56/73

Conexiones deficientes


57/73

Conexiones deficientes

Fugas de aire comprimido


58/73

Fugas de aire comprimido

Tamaño de la

fuga (mm)

Pérdidas de aire

(scfm)

Pérdida anual de

energía (MW-h/a)

1 2.1 3

3 40.3 34

5 57.2 73

Uso racional de la energía eléctrica


59/73

gReducción de pérdidas en sistemas de distribución

Optimización de horarios de cargas eléctricas

Ecualización de demanda de energía en diferentes equipos

Reducción de pérdidas en líneas de transmisión y transformadores

Aumento del factor de potencia en redes eléctricas

Revisión de calibres de conductores

Reducción de pérdidas en equipos eléctricos

Optimización de equipos de proceso (bombas, compresores, ventiladores)

Optimización de equipos termoeléctricos

Optimización de iluminación

Optimización de redes de aire comprimido

Optimización de sistemas de refrigeración y equipos fríos

Conversión tecnológica

Eficiencia energética bombas centrífugas


60/73

BEP

75%

75%

70%

65%60%

55%

70%65%

60%55%

C a b e z a

Caudal

Variación de frecuencia P A


61/73

M

R

S

T

RectificadorInversor

PWMEnlace DC con

filtro LC Motoreléctrico

VDF

Apertura FCV 0%

FTFC

Control de flujo por PV Control de flujo por VDF

FT FC

VDF


62/73

Gestión y auditoríaenergéticaEnergía y eficiencia energética en procesos

Sistema de gestión energética (ISO-50001)


63/73

Políticaenergética

Planificaciónenergética

Aplicación yoperación

Monitoreo demedición y

análisis

No conformidades,acciones inmediatas,

correctivas ypreventivas

Auditoríainterna del

SGE

Verificación

Revisión de lagestión

Mejoramientocontinuo

Auditoría energética


64/73

Diagnósticoenergético de la

planta

Formulación de medidas demejoramiento, financiación y

programa de ejecución

Ingeniería

Construcción ypuesta en marcha

Mantenimiento

Pasaporteenergético

H i


65/73

Herramientas

Datos históricos de consumo de energía eléctrica y combustibles

Diagramas de flujo de proceso

Hojas de datos de equipos

Hojas de vida de equipos

Balances de energía

Datos históricos de producciónTermografías

Registro fotográfico

Inventario de flujos energéticos de pro


66/73




67/73


61.7%

2.1%

0.3%

13.2%

19.7%

0.6%

0.2%

1.4%

0.8%

Bombas ET Agitadores

PTAP OI VRU

Trat. agua Calderas Trat. lodos

1.0%

4.5%

1.0%

65.8%

183.4%

5.3%

330-P-110A/B/C 330-P-310A/B/C

321-P-110/210/310/A/B/C 321-P-130A/B/C/230A/B

352-P-110A/B/C/D 731-P-110A/B

Consumo de energía eléctrica por tipo de equipo Consumo de energía eléctrica po

Inventario de flujos energéticos de proc


68/73

Inventario de flujos energéticos de procDemanda de energía térmica por equipos Demanda de enfriamiento por eq

17.0%

7.0%

60.3%

0.8%

0.2%

0.1%0.0%

6.8%

0.8%0.3%0.4%

6.0%

0.3%

321-TK-110/210/310 321-TK-120/220 323-HE-1X0 340-TK-110/210/310

731-TK-210 731-TK-110 411-TK-110/210/310 600-HE-1X0

722-TK-110/120 722-TK-210/220 724-TK-110/120 740-PK-110

732-D-110

3.6%

0.6%

5.6%

0.1%

0.0%

90

323-ET-110/210/310/410 323-ET-120/220/3

760-AE-110 /120/130 200-PK-110

Formulación de recomendaciones de mejoramieeficiencia energética


69/73

g


• Encender el bred eléctrica yde bombillo

• Si no cuenta celéctrica, mejode conversión(calor traba

Evaluación técnica de recomendaciones demejoramiento de eficiencia energética


70/73

CA Bo

j g


• Encender el bombillo con lared eléctrica y cambiar el tipo

de bombillo 99%

70%

15 W

15.1 W = =1015.5 =67%



71/73

Gas natural

Aire

Gases

Turbina de gas

j g


• Si no cuenta con energía eléctrica, mejorar el sistema de conversiónenergética (calor trabajo)

99%

15.1 W

= =1043 =2

99%15.3 W

35%

43.7 W



72/73

Gas natural

Aire

Gases

Turbina de gas


• Si no cuenta con energía eléctrica, mejorar el sistema de conversiónenergética (calor trabajo)

99%

15.1 W

= =

10

43

99%15.3 W

35%

43.7 W41.5 W

1200°C

E = 33.3 W

95%

=15.341.5 =36.8%


73/73

Energía y eficiencia energética en procesos

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