Gestión Energética (3.0 ECTS) Temas: 1. Energía, Industria, Gestión y Medioambiente 2. Auditoría Energética 3. Eficiencia Energética 4. Tecnologías de Energías Renovables 5. Biomasa y Biocombustible 6. Cogeneración Master en Ingeniería Ambiental: Gestión Energética

Tema 3. Eficiencia Energética Descriptor: Concepto de ahorro energético. Técnicas de ahorro energético: reciclaje, aislamientos, análisis de procesos. Sistemas eléctricos y térmicos más eficientes. Integración de procesos. Master en Ingeniería Ambiental: Gestión Energética

1. Eficiencia energética y ahorro energético Tema 3. Eficiencia Energética Capítulos 1. Eficiencia energética y ahorro energético 2. Técnicas de eficiencia y ahorro energético 3. Sistemas más eficientes 4. Integración de procesos Master en Ingeniería Ambiental: Gestión Energética

1. Eficiencia Energética y Ahorro Energético Tema 3. Eficiencia energética y cogeneración 1. Eficiencia Energética y Ahorro Energético Concepto: Conjunto de acciones que nos llevan a consumir menos energía  AHORRO ENERGÉTICO Capacidad de alcanzar mayores beneficios finales con menos recursos y con el menor impacto sobre el medio ambiente  EFICIENCIA ENERGETICA. Incorporación de variables sustentables para el desarrollo y el uso del sistema energético. Objetivos: Implementar medidas que permitan la reducción del consumo de energía. Promover el desarrollo de tecnologías limpias para la generación de energía. Cambiar hábitos y actitudes para lograr una mayor eficiencia en el uso de la energía, uso racional de los recursos energéticos y preservación de nuestro medio ambiente. Master en Ingeniería Ambiental: Gestión Energética

1. Eficiencia Energética y Ahorro Energético Tema 3. Eficiencia energética y cogeneración 1. Eficiencia Energética y Ahorro Energético CONCEPTO SENCILLO: hacer lo mismo con el menor uso de los recursos energéticos y el menor impacto ambiental. Pero ¿COMO MEDIR LA EFICIENCIA?.  divergencia en el uso de indicadores de intensidad energética. -¿Energía necesaria por unidad producida, por € producido, o por € invertido, o …? Master en Ingeniería Ambiental: Gestión Energética

1. Eficiencia Energética y Ahorro Energético Tema 3. Eficiencia energética y cogeneración 1. Eficiencia Energética y Ahorro Energético ¿Si el ahorro y la eficiencia energética son tan buenas ideas, porque no se aplican por sí solas? Master en Ingeniería Ambiental: Gestión Energética

1. Eficiencia Energética y Ahorro Energético Tema 3. Eficiencia energética y cogeneración 1. Eficiencia Energética y Ahorro Energético ¿Y qué se puede hacer? Apoyo Administrativo  subvenciones Gestión energética Concienciación Implicación alta dirección Master en Ingeniería Ambiental: Gestión Energética

1. Eficiencia Energética y Ahorro Energético Tema 3. Eficiencia energética y cogeneración 1. Eficiencia Energética y Ahorro Energético El plan de Acción 2008- 20012 de la Estrategia para el ahorro y la eficiencia energética 2004-2012, establece ayudas públicas (IDAE y CCAA) <22% del coste > Triple plan 05/07 Master en Ingeniería Ambiental: Gestión Energética

1. Eficiencia Energética y Ahorro Energético Tema 3. Eficiencia energética y cogeneración 1. Eficiencia Energética y Ahorro Energético El plan de Acción 2008- 20012 de la Estrategia para el ahorro y la eficiencia 9 Master en Ingeniería Ambiental: Gestión Energética 9

1. Eficiencia Energética y Ahorro Energético Tema 3. Eficiencia energética y cogeneración 1. Eficiencia Energética y Ahorro Energético Cálculo de la eficiencia energética 10 Master en Ingeniería Ambiental: Gestión Energética 10

1. Eficiencia Energética y Ahorro Energético Tema 3. Eficiencia energética y cogeneración 1. Eficiencia Energética y Ahorro Energético Cálculo de la eficiencia energética 11 Master en Ingeniería Ambiental: Gestión Energética 11

1. Eficiencia Energética y Ahorro Energético Tema 3. Eficiencia energética y cogeneración 1. Eficiencia Energética y Ahorro Energético Cálculo de la eficiencia energética 12 Master en Ingeniería Ambiental: Gestión Energética 12

1. Eficiencia Energética y Ahorro Energético Tema 3. Eficiencia energética y cogeneración 1. Eficiencia Energética y Ahorro Energético Cálculo de la eficiencia energética 13 Master en Ingeniería Ambiental: Gestión Energética 13

1. Eficiencia Energética y Ahorro Energético Tema 3. Eficiencia energética y cogeneración 1. Eficiencia Energética y Ahorro Energético La industria española debe mejorar la intensidad energética (Energía/PIB) para ser más competitivos  Mejorar la eficiencia y el ahorro Pese a todo la industria es el sector con mejor intensidad (energía es muy importante en el coste final ) Master en Ingeniería Ambiental: Gestión Energética

1. Eficiencia Energética y Ahorro Energético Tema 3. Eficiencia energética y cogeneración 1. Eficiencia Energética y Ahorro Energético La industria española debe mejorar la intensidad energética (Energía/PIB) para ser más competitivos  Mejorar la eficiencia y el ahorro Pese a todo la industria es el sector con mejor intensidad (energía es muy importante en el coste final ) 15 Master en Ingeniería Ambiental: Gestión Energética 15

2. Técnicas de Eficiencia y Ahorro Tema 3. Eficiencia energética y cogeneración 2. Técnicas de Eficiencia y Ahorro - Por inversiones: Equipos y tecnologías más eficientes: mejor tecnología disponible Cogeneración Control mediante nuevas tecnologías Por implantación de prácticas de operación: Medidas organizativas: Planificación, gestión, y auditorias energéticas Valorización de residuos, reciclado y recirculación. Análisis de procesos: Monitorización y control de procesos. Utilización de variadores de frecuencia en motores eléctricos. Sistemas de recuperación de calores residuales. Variación de los máximos en la curva de carga (potencia consumida vs tiempo) eléctrica a periodos de tarificación menor. Integración de procesos. Mejora de la eficiencia energética en compresores de aire. Mejora de la eficiencia energética en calderas, hornos y secaderos. Mejora del aislamiento térmico en las redes de distribución de fluidos térmicos Master en Ingeniería Ambiental: Gestión Energética

2. Técnicas de Eficiencia y Ahorro Tema 3. Eficiencia energética y cogeneración 2. Técnicas de Eficiencia y Ahorro Mejora eficacia calderas, quemadores, hornos y secaderos: Recirculación de gases de chimenea Aprovechamiento calor residual de gases (intercambiadores de calor) Mejoras en la combustión: mejores quemadores y menor exceso de aire Instalación y mantenimiento de trampas de vapor: separa condensado de vapor Ejemplo: secadero rotativo Master en Ingeniería Ambiental: Gestión Energética

2. Técnicas de Eficiencia y Ahorro Tema 3. Eficiencia energética y cogeneración 2. Técnicas de Eficiencia y Ahorro Aislamiento térmico: Las funciones del revestimiento térmico son las siguientes: Conservación de la energía mediante la reducción de calor perdido o ganado. Control en las temperaturas de superficie para protección personal (<60ºC) Control en la temperatura en las facilidades de proceso. Incremento en la eficiencia de transferencia de calor en los equipos. Prevención o reducción de daños en los equipos por exposición al fuego o atmósferas corrosivas Prevención en la condensación de agua en superficies frías Clasificación por temperaturas: - Baja (-40 a 15ºC): polietileno, poliuretano, fibra mineral, poli estireno, fibra de vidrio. - Media ( 15-300ºC): Silicato de calcio, perlita expandida, fibra de vidrio, espuma plástica elastomérica, poli estireno. - Alta (300-800ºC): : Silicato de calcio, cemento, perlita expandida, fibras de cerámica, fibra de vidrio, tierra diatomea 18 Master en Ingeniería Ambiental: Gestión Energética 18

2. Técnicas de Eficiencia y Ahorro Tema 3. Eficiencia energética y cogeneración 2. Técnicas de Eficiencia y Ahorro Aislamiento térmico: Clasificación por composición y estructura: - Fibroso: compuesto por fibras de diámetros pequeños finamente divididos. Ej. Fibras de vidrio y minerales - Celular: Compuesta de celdas individuales pequeñas separadas entre ellas. El material celular puede ser de vidrio o espuma tal como el poli estireno (Celdas cerradas) , poliuretano, etc. - Granular : Compuesto de pequeños nódulos que contienen espacios huecos. Silicato de calcio, perlita, celulosa, tierra diatomea y poli estireno expandido Fundamentos de transferencia de calor: - Fuerza impulsora: Diferencia de temperaturas - Resistencia a la transferencia de calor: Conducción  Conductividad (baja en aislantes), espesor. Convección  Coeficiente de superficial de transmisión de calor 19 Master en Ingeniería Ambiental: Gestión Energética 19

2. Técnicas de Eficiencia y Ahorro Tema 3. Eficiencia energética y cogeneración 2. Técnicas de Eficiencia y Ahorro Fórmulas de referencia cálculo de flujos térmicos: 20 Master en Ingeniería Ambiental: Gestión Energética 20

2. Técnicas de Eficiencia y Ahorro Tema 3. Eficiencia energética y cogeneración 2. Técnicas de Eficiencia y Ahorro Ejemplo de cálculo de las pérdidas de calor en una tubería: Los datos de partida son: • Temperatura interior = 200 °C • Temperatura ambiente = 20 °C • Tubería de acero galvanizado de 4’’ (114 mm de diámetro) • Coef. de conductividad medio aislante entre 20 y 400 °C, λ = 0,046 W/(m · K) • Coeficiente superficial externo, he = 12 W/(m2 · K) • Resistencias del fluido interior y del tubo de acero despreciables • Espesor del aislante d ¿Cuál es el espesor óptimo? d (m) q (W/m) 0.04 92 0.06 70 0.08 58 0.09 54 0.10 51 21 Master en Ingeniería Ambiental: Gestión Energética 21

2. Técnicas de Eficiencia y Ahorro Tema 3. Eficiencia energética y cogeneración 2. Técnicas de Eficiencia y Ahorro Ejemplo de cálculo del espesor óptimo económico: Los datos de partida son: Los del ejemplo anterior y • Inversión en aislamiento (€/m): 40 mm de espesor 21,33 60 mm de espesor 28,84 80 mm de espesor 37,20 100 mm de espesor 46,87 • Tiempo operación: Z= 8000 h/año • Coste energía: E=1,28 10-5 €/(W h) • Incremento coste Energía, b=3% • Interés dinero, 5%, inflación 3%  r= 5-3=2% 22 Master en Ingeniería Ambiental: Gestión Energética 22

3. Sistemas más eficientes Tema 3. Eficiencia energética y cogeneración 3. Sistemas más eficientes Eficiencia energética en sistemas y equipos eléctricos: Motores eléctricos consumen 3/4 de la energía eléctrica en industria Selección correcta del motor: reducción de potencia nominal. Los motores que trabajan < 50% de su potencia nominal tienen una eficiencia muy baja (ideal 70-90%). Motores de alto rendimiento: Nuevos motores más eficaces  etiquetado europeo (EFF1) Variador de frecuencia: Ventiladores, soplantes, bombas, etc. Métodos de compensación de energía reactiva: corrección del factor de potencia  condensadores de compensación Transformadores más eficientes Control Voltage regulation Líneas de distribución en corriente continua (HVDC) Integración de la generación distribuida FACTS Superconductores HUBS Industria Distribución Master en Ingeniería Ambiental: Gestión Energética

3. Sistemas más eficientes Tema 3. Eficiencia energética y cogeneración 3. Sistemas más eficientes Eficiencia energética en sistemas térmicos: Generadores de vapor y equipos auxiliares: Reguladores de la combustión (quemadores más eficientes, reducción del exceso de aire, etc.) Limpieza de calderas, etc. Instalación de economizador (precalentador de agua) Automatización y control Hornos y secaderos industriales: Nuevos diseños más eficientes Funcionamiento en continuo Reducir masa inertes Recuperación del calor de los gases de escape, productos , etc. Aislamiento térmico: Reducción de pérdidas de calor en el transporte de fluidos Master en Ingeniería Ambiental: Gestión Energética

4. Integración de procesos Tema 3. Eficiencia energética y cogeneración 4. Integración de procesos Ingeniería industrial de procesos diseño de operaciones unitarias y diseño del sistema completo. Optimización del sistema completo: especialmente optimización energética Optimización del uso de la energía térmica  Integración de procesos ¿Cómo se optimiza el uso de la energía? ¿Cuáles son los usos de la energía térmica (vapor?) en mi proceso? ¿Cuál es la menor cantidad de energía térmica que puedo usar en mi proceso global? ¿Cuál es la mejor manera de generar el vapor y la energía ? Empleo de técnicas de integración energética de procesos: El análisis de pliegue o tecnología Pinch es una de las más destacables Master en Ingeniería Ambiental: Gestión Energética

¿Qué es la Tecnología Pinch (Pinzamiento)? Tema 3. Eficiencia energética y cogeneración 4. Integración de procesos ¿Qué es la Tecnología Pinch (Pinzamiento)? Se basa en el análisis térmico del proceso en su conjunto Metodología de integración de los intercambios de calor entre diferentes corrientes de un proceso Optimizar consumo Energético El objetivo es conocer la energía mínima necesaria y cual debe ser la estrategia de intercambio Ahorro energético por su implantación  5-15% Permite integrar también con otros elementos: Hornos, cogeneración, destilación, compresores, etc. Aplicable a otros ámbitos: integración de consumos de agua o de hidrógeno Master en Ingeniería Ambiental: Gestión Energética

Elementos Básicos de la Tecnología Pinch Tema 3. Eficiencia energética y cogeneración 4. Integración de procesos Elementos Básicos de la Tecnología Pinch El circuito de intercambio de calor está constituido por corrientes calientes y frías Las primeras deben o pueden ser enfriadas (ej.: condensados, efluentes, etc.) Las frías necesitan subir sus temperaturas (ej.: alimentación a reactores, evaporadores, destiladores, etc.) El análisis “pinch” identifica todas las corrientes frías y calientes significativas. El punto “pinch” es una temperatura Se describe el proceso global de intercambio en un gráfico de estructura semejante a un intercambiador de calor Se basa en el diagrama temperatura/entalpía, ∆T vs ∆ h (J/s o W). ∆ h = m (kg/s) Cp (J/KgºC) (si no hay cambio de fase del fluido) Master en Ingeniería Ambiental: Gestión Energética

4. Integración de procesos Tema 3. Eficiencia energética y cogeneración 4. Integración de procesos Proceso sin integración térmica 210ºC 90ºC he=60 kW 120ºC 165ºC hc=90 kW Calentamiento Enfriamiento Temperatura ºC Flujo Térmico, h (kW) Master en Ingeniería Ambiental: Gestión Energética

4. Integración de procesos Tema 3. Eficiencia energética y cogeneración 4. Integración de procesos Proceso con integración térmica 140ºC 210ºC 90ºC 120ºC 137.5ºC 165ºC he=25 kW hint=35 kW hc=55 kW Intercambio Calentamiento Temperatura ºC ∆Tmin =15 K Enfriamiento Flujo Térmico, h (kW) Master en Ingeniería Ambiental: Gestión Energética

4. Integración de procesos Proceso con integración térmica: Tema 3. Eficiencia energética y cogeneración 4. Integración de procesos Proceso con integración térmica: El valor de diseño ∆Tmin definirá el calor intercambiable ∆Tmin10-20K Master en Ingeniería Ambiental: Gestión Energética

4. Integración de procesos Proceso con integración térmica: Tema 3. Eficiencia energética y cogeneración 4. Integración de procesos Proceso con integración térmica: ¿Cómo analizar un proceso con varias etapas de calentamiento y/o enfriamiento?  Ejemplo Corrientes frías (que se calientan): Feed : 50 210ºC h= 3200 kW CP =m Cp= 20 kW/K Recycle: 160  210ºC h= 2500 kW CP= 50 kW/K Corrientes calientes (que se enfrían): Reactor: 270  160ºC h= 1980 CP=18 kW/K Product: 220  60ºC h= 3520 CP=22 kW/K Master en Ingeniería Ambiental: Gestión Energética

4. Integración de procesos Tema 3. Eficiencia energética y cogeneración 4. Integración de procesos Solución clásica  minimización del número de cambiadores  ¿Es la óptima?  Análisis térmico del proceso Master en Ingeniería Ambiental: Gestión Energética

4. Integración de procesos Tema 3. Eficiencia energética y cogeneración 4. Integración de procesos ¿Cómo analizar un proceso con varias etapas de calentamiento y/o enfriamiento?  Curvas compuestas caliente y fría Reactor Product Recycle Feed Reactor Recycle Feed Product Master en Ingeniería Ambiental: Gestión Energética

4. Integración de procesos Curvas compuestas fría y caliente juntas Tema 3. Eficiencia energética y cogeneración 4. Integración de procesos Curvas compuestas fría y caliente juntas ∆Tmin  Pinch (factor diseño) Máxima aproximación curvas Punto de división del proceso: Arriba del pinch Debajo del pinch Reactor Product Recycle Feed Master en Ingeniería Ambiental: Gestión Energética

Reglas y Objetivos de la Tecnología Pinch Tema 3. Eficiencia energética y cogeneración 4. Integración de procesos Reglas y Objetivos de la Tecnología Pinch La temperatura “pinch” es la que corresponde a la mínima distancia entre las dos curvas El “target” es la mínima cantidad de vapor (u otra fuente externa de energía) absolutamente necesaria para el o los procesos La QCMín es la carga térmica mínima requerida por el sistema y entregada por una fuente externa (vapor u otra) La QFMín es la mínima capacidad de enfriamiento requerida por el sistema La lógica de la tecnología “pinch” consiste en “combinar” las corrientes calientes con las frías, para que intercambien calor: una vez que la recuperación térmica es maximizada, la necesidad restante de calor se satisface mediante la generación de vapor o algún aporte térmico similar Master en Ingeniería Ambiental: Gestión Energética

Reglas y Objetivos de la Tecnología Pinch Tema 3. Eficiencia energética y cogeneración 4. Integración de procesos Reglas y Objetivos de la Tecnología Pinch La temperatura “pinch” es única para cada sistema El “pinch” divide al sistema en dos subsistemas termodinámicamente diferentes: arriba y debajo del pinch Debajo del “pinch” existe más carga térmica de la que necesita el sistema  El proceso necesitará enfriamiento Arriba del “pinch” hay siempre menos calor de lo que el sistema necesita  El proceso necesitará calentamiento Reglas de diseño: No enfriar con servicios arriba del pinch No calentar con servicios abajo del pinch No transferir calor de la zona superior a la zona inferior Master en Ingeniería Ambiental: Gestión Energética

4. Integración de procesos Tema 3. Eficiencia energética y cogeneración 4. Integración de procesos La Tabla problema, la Cascada de flujo de calor y la Gran curva compuesta Q cal min=1000 270ºC 220ºC 210ºC 160ºC 60ºC 50ºC Q fría min=800 Corriente Tipo Tempe ¿+ o -? ∆T min/2 Temp Interval Producto Caliente 220/60 -10 210/50 Reactor 270/160 260/150 Feed Fría 50/210 +10 60/220 Recycle 160/210 170/220 Si fijamos ∆T min = 20 K Tabla problema 37

4. Integración de procesos Tema 3. Eficiencia energética y cogeneración 4. Integración de procesos La Tabla problema, la Cascada de flujo de calor y la Gran curva compuesta Reactor 2 260ºC 1 220ºC 2 Product 1 210ºC 3 170ºC 4 Recycle 4 150ºC 5 60ºC 6 Feed 3 50ºC 220ºC 210ºC 170ºC 150ºC 60ºC 50ºC 200 -1000 -600 -420 -200 1200 0  Pinch 400 580 800= Q fría min 1720 720 T ºC ∆h neto ∆h bruto  Qcal min= 2020 260ºC 1000= Q cal min Tempe. ºC/ºC ∆T Int CP neto (kW/K) ∑CPcalientes-∑CPfrías ∆h (kW) 260/220 40 1 18 720 220/210 10 2 18-20-50= -52 -520 210/170 3 22+18-20-50= -30 -1200 170/150 20 4 22+18-20= 20 400 150/60 90 5 22-20 = 2 180 60/50 6 22 220 Master en Ingeniería Ambiental: Gestión Energética 38

4. Integración de procesos Diseño de la red de cambiadores de calor: Tema 3. Eficiencia energética y cogeneración 4. Integración de procesos Diseño de la red de cambiadores de calor: Malla de diseño Se inicia el diseño cerca del Pinch, Regla de la desigualdad de CP CP salida pinch > CP entrada pinch Sobre PINCH Bajo Master en Ingeniería Ambiental: Gestión Energética

4. Integración de procesos Diseño de la red de cambiadores de calor: Tema 3. Eficiencia energética y cogeneración 4. Integración de procesos Diseño de la red de cambiadores de calor: Maximizar la carga de los cambiadores de calor Encima del Pinch HE1: CP3=20>CP2=18 h2=1620 kW h3 = 1000 kW HE2: -CP4=50>CP1=22 h4=2500 kW h1= 880 kW HE3: h4 rest=1620 kW h2 rest= 620 kW Corriente 4 necesita: + 1000 kW Master en Ingeniería Ambiental: Gestión Energética

4. Integración de procesos Diseño de la red de cambiadores de calor: Tema 3. Eficiencia energética y cogeneración 4. Integración de procesos Diseño de la red de cambiadores de calor: Maximizar la carga de los cambiadores de calor Debajo del Pinch HE4: CP1=22>CP3=20 h1=2640 kW h3 = 2200 kW Corrientes 1 y 2 Necesitan eliminar + 440 y 360 kW  refrigeración Master en Ingeniería Ambiental: Gestión Energética

4. Integración de procesos Tema 3. Eficiencia energética y cogeneración 4. Integración de procesos Diseño de la red de cambiadores de calor: sistema completo Master en Ingeniería Ambiental: Gestión Energética

4. Integración de procesos Tema 3. Eficiencia energética y cogeneración a 4. Integración de procesos Localización de servicios en la GCC: Ejemplos a) Posible usar servicios diferent. Temp.  costes b) Posible generar vapor a media presión a partir de vapor a baja presión c) Podemos utilizar gases de hornos  menor consumo de gases cuando línea de humos toca la GCC Vapor de agua a presión Baja  LP, Media MP y Alta  HP Refrigeración: Agua fría  CW, Refrigerante bajas temperaturas  R Master en Ingeniería Ambiental: Gestión Energética

4. Integración de procesos Localización de servicios Tema 3. Eficiencia energética y cogeneración 4. Integración de procesos Localización de servicios 44 Master en Ingeniería Ambiental: Gestión Energética 44

4. Integración de procesos Tema 3. Eficiencia energética y cogeneración 4. Integración de procesos Identificar modificaciones en unidades: ¿Dónde colocarlos? W 45 Master en Ingeniería Ambiental: Gestión Energética 45

4. Integración de procesos Tema 3. Eficiencia energética y cogeneración 4. Integración de procesos Integración con otros elementos: ¿Dónde colocarlos? HP LP W H T W Turbina de vapor  Obtener energía Bomba Calor  Obtener Calor con un poco de W Master en Ingeniería Ambiental: Gestión Energética

4. Integración de procesos Tema 3. Eficiencia energética y cogeneración 4. Integración de procesos Integración con otros elementos: ¿Dónde colocarlos? W 47 Master en Ingeniería Ambiental: Gestión Energética 47

4. Integración de procesos Tema 3. Eficiencia energética y cogeneración 4. Integración de procesos Diseño de la red de cambiadores de calor: Evaluación económica Total cost Annualized cost Energy cost Capital cost ∆Tmin Point of design Master en Ingeniería Ambiental: Gestión Energética

4. Integración de procesos Tema 3. Eficiencia energética y cogeneración 4. Integración de procesos Diseño de la red de cambiadores de calor: Limitación Pinch Alta interconectividad  Muchos cambiadores (¿es rentable?). Disminuir el número de intercambiadores puede ser también interesante Incertidumbre en variables de entrada: Pequeñas variaciones en entrada pueden provocar variaciones importantes en el resultado. Es necesario realizar un análisis de variabilidad El sistema suele ser más complejo, con mayores interacciones, y por lo tanto más inestable y difícil de controlar Longitud y ubicación de las tuberías: La conexión de partes muy diversas del proceso necesita de mayor longitud de conducciones. Será necesario tener en cuenta el fooling en el diseño. Podemos determinar el mínimo dispendio energético pero no siempre esa es la solución óptima Master en Ingeniería Ambiental: Gestión Energética