Ahorro de EnergíaUnidad 4. Técnicas de Ahorro de Energía en sistemas térmicos.4.1 Técnicas económicas de evaluación de proyectos de Ahorro de Energía.4.2 Balances de materia, energía y exergía.4.3 Calculo de la eficiencia energética.(vapor, agua, gas, nitrógeno, aceite térmico, aire, etilenglicol).4.4 Calculo de los potenciales de Ahorro de Energía.4.5 Ahorro de Energía en máquinas térmicas. (Calderas, turbinas de vapor y de gas, intercambiadores decalor, redes térmicas, ductos, compresores y motores de combustión interna y sistemas de refrigeración.)4.6 Ahorro de Energía para Generador de aceite térmico.4.7 Ahorro de Energía para Torres de enfriamiento.4.8 Ahorro de Energía en compresores de refrigeración.4.9 Ahorro de Energía para plantas de nitrógeno.4.10 Optimización de sistemas productores de energía.4.11 Aplicación de técnicas de ahorro. El factor humano, la capacitación y concientización).Abril 2015

Objetivo• Desarrollar y aplicar las técnicas económicasde evaluación de proyectos de Ahorro deEnergía, balances de materia, energía yexergía, realizar cálculos de la eficienciaenergética en equipamiento térmico, calcularlos potenciales de ahorro de energía en todode tipo máquinas térmicas para optimizar lossistemas productores de energía y aplicartécnicas de ahorro.

4.1 Técnicas económicas de evaluación de proyectos de Ahorrode Energía.Existen muchos métodos para la evaluación de proyectos, aunque los másdifundidos en la actualidad, y los más confiables, son aquellos que toman enconsideración el valor del dinero en el tiempo al analizar los beneficios y costosesperados durante la vida útil del equipamiento.Los métodos que toman en consideración el valor del dinero en el tiempo seconocen como Métodos de Descuento o Técnicas de Valor Descontado.DescontadoEl valor del dinero en el tiempo significa que un determinado capital que se tieneen la actualidad va incrementando su valor en el futuro a determinada tasa deinterés fijada. Dicho de otra forma, una cantidad de dinero en la actualidad tiene

más valor que otra a recibir en el futuro, debido a que la primera ganará ciertointerés o rendimiento al ser invertida.Existen diversas técnicas de valor descontado, aunque todas ellas se basan enel descuento a valor presente de las cantidades futuras o flujos de caja.Los flujos de caja son la diferencia neta entre beneficios y costos en cada uno delos años, refleja el dinero real en caja. Para su determinación se toma comoconvenio que las entradas a caja (ingresos) son positivas, y las salidas (gastos)son negativas, lo cual quiere decir que los signos de los flujos de caja resultandel balance anual entre costos y beneficios.

Evaluación del valor del dinero a través del tiempo

F = P ⋅ (1 + r )

i

Donde:F- Valor futuro de una cantidad presente(P) de dinero, $.r- Tasa de interés fijada, fracción.i - Año para el cual se desea determinar el valor futuro de la cantidad presente.El proceso de actualización a valor presente se realiza de la siguiente manera:

FP=(1 + r ) iLa tasa r generalmente se denomina como tasa de interés cuando se trata dehallar el valor futuro o capitalizado de una cantidad, y tasa de descuentocuando se realiza el proceso inverso o de actualización, por lo que larepresentaremos en este último caso como D.

Valor Presente Neto (VPN)Esta técnica se basa en calcular el valor presenteneto de los flujos de caja proyectados para todoslos años durante el período de evaluación delproyecto. Es una medida de las ganancias quepuede reportar el proyecto, siendo positivo si elsaldo entre beneficios y gastos es favorable, ynegativo en caso contrario. Se determina como:n

FciVPN = − K 0 + ∑i

i =1 (1 + D )

Donde:K0- Inversión o capital inicial.Fci- Flujo de caja en el año i.D- Tasa de descuento real utilizada.

Analíticamente la TIR se determina como:

n

Fci0 = −K0 + ∑ii =1 (1 + TIR )Como se puede observar, esta ecuación no sepuede resolver directamente, sino que se requierede un análisis iterativo para obtener el valor de laTIR.que para obtener el valor delPRI se le van adicionando gradualmente a lainversión inicial los flujos de caja anuales hastaque el resultado sea cero, en ese momento seha recuperado la inversión.

Relación Costo - Beneficio (RCB)Se determina como la relación entre el ValorPresente Neto de los Costos (VPNC) y el ValorPresente Neto de los Beneficios (VPNB).

VPNCRCB =VPNBEn la determinación del VPNC hay que sumar alvalor de los costos anuales descontados, el valorde la inversión inicial sin descontar.

Rango de valores límites para que elproyecto sea económicamente viableTécnica de Evaluación Rango adecuadoVPN, $VPN ≥ 0TIR, %

TIR ≥ DPRI, añosPRI ≤ nRCBRCB ≤ 0

4.2 Balances de materia, energía y exergía.

La importancia del desarrollo de los sistemas térmicos que utilicen eficazmente losrecursos energéticos, como el petróleo, la gasolina, el gas natural y el carbón, ha cobrado gran importancia, tanto por las razones de disminución de recursos, al ser los principales combustibles de fuentes no renovables, como sobre del impacto que se causan sobre el medio ambiente al utilizarlos. La eficacia de su uso, en un sistema específico, se determina con los dos principios fundamentales de la Termodinámica.

La energía que entra en un sistema con el combustible, electricidad flujos de materia, y otros, está presente en los productos finales que produce el sistema y por cada subproducto que genera dicho sistema ya que la energía no se destruye, conforme al primer principio de la Termodinámica.

Aparece así la idea de calidad de la energía, que puede definirse como la capacidad de originar una transformación. Consideremos, por ejemplo, la capacidad de producción de un cierto efecto (calentar un local, comprimir un gas, hacer progresar una reacción endotérmica, ...) con una cantidad dada de energía. Con 100 J de energía calorífica disponible a 1000 k se puede producir un efecto menor que con 100 J de energía eléctrica.

La exergía es un parámetro que mide la calidad de la energía. Este parámetro puede emplearse para analizar la eficiencia energética de los procesos industriales. Con un análisis de exergía pueden compararse diferentes alternativas para comprobar cuál tiene el mayor rendimiento energético. Sin embargo, debe quedar lo suficientemente claro que dichos análisis no proporcionan soluciones por sí mismos.

Con lo que podemos concluir que la exergía es el máximo trabajo útil que podemos obtener de un flujo de energía dado, en cualquiera de sus formas que sea almacenado o transferido; pero también lo podemos ver como la mínima energía necesaria que se requiera para obtener un producto final.

4.3 Calculo de la eficiencia energética.(vapor, agua, gas,nitrógeno, aceite térmico, aire, etilenglicol).¿ES LO MISMO EL AHORRO QUE LA EFICIENCIA ENERGÉTICA?

Ahorro de energía: evitar un consumo mayor de energíamediante cambios en las pautas de uso.Ejemplo:

apagar la luz cuando se sale de una habitación.Eficiencia energética: consumir menos energía paraobtener un mismo servicio (“hacer lo mismo con menos”) .Para reducir al máximo el consumo energético habríaque aunar medidas de ahorro y eficiencia energéticaEjemplo:Utilizar una lavadora “clase energética A” y usar los programas cortosde lavado, lavadora llena y con agua fría (todas estas medidas permitenahorrar energía al utilizar las lavadoras).

¿POR QUÉ ES NECESARIO AHORRAR ENERGÍA?

• Crisis energética: agotamiento y encarecimiento de loscombustibles fósiles.• Reducción de emisiones contaminantes de CO2.• Disminución del grado de contaminación, riesgo de lluviaácida, mareas negras y destrucción de bosques y espaciosnaturales.• Ahorro económico

EFICIENCIA ENERGÉTICA EN ILUMINACIÓN I

1.Utilizar la mejor tecnología para ahorrar energía en la iluminación: el interruptor.Comprueba que están visibles y accesibles.2.Nombrar a un responsable de apagar las luces: en aulas y en pasillos.3.¡Apagar los fluorescentes siempre! Nada de dejarlos si van a estar apagados menosde media hora.4.Pintar las paredes y techos de colores claros.5.Limpiar lámparas y pantallas: la suciedad disminuye la luminosidad.6.Aprovecha la luz natural.7.Desconectar o quitar las lámparas que no hacen falta o de donde hay más luz de lanecesaria. En fluorescentes de doble lámpara, quitar una de ellas.

EFICIENCIA ENERGÉTICA EN ILUMINACIÓN II

EFICIENCIA ENERGÉTICA EN ILUMINACIÓN IV¿Cuánto puedo ahorrar sustituyendo bombillas?

4.4 Calculo de los potenciales de Ahorro de Energía.Se define potencial de ahorro como la “diferencia entre la evolución del consumo deenergía sin la introducción de medidas de ahorro y el caso en que todas las medidasdel uso eficiente de la energía y gestión de la demanda (UEGD) estén incluidas en elpatrón del consumo”.El potencial de ahorro, brinda una medida de cuánta energía podría ahorrarse dellevar adelante una política de uso eficiente. Los potenciales de ahorro se calculan enbase a ciertos supuestos:a) en ningún caso contemplan una disminución del servicio brindado por laelectricidad o sea no implican «sacrificio» alguno;b) se basan en tecnologías actualmente disponibles en el mercado (aunque enalgunos casos no necesariamente en el nacional) y;c) sólo incorpora los ahorros producidos en aquellas aplicaciones donde éstas soneconómicamente rentables. (ver Capítulo 13. Análisis Económico de la IluminaciónEficiente.).El potencial de ahorro varía con el tiempo, fundamentalmente por tres razones:1. Pues crece la demanda de servicios energéticos (por ejemplo por el crecimiento dela población) creciendo también la demanda con eficiencia congelada—yproporcionalmente— el potencial del ahorro.2. Debido al paulatino reemplazo de los artefactos actualmente en uso—al fin de suvida útil—por nuevo equipamiento más eficiente.3. Ya que se desarrollan nuevas tecnologías de uso eficiente de la energía (esta razónno está considerada en nuestros cálculos).

Por eso, para el cálculo del potencial de ahorro se parte de un año “base”, O (año base) yse llega hasta un determinado año límite, N (año horizonte). Este lapso debe sercomparable con —o mayor a— la vida útil de la mayoría de los artefactos permitiendo unaintroducción substancial de los artefactos eficientes. Más allá de ese horizonte, lasestimaciones se complicarían por varios factores: la introducción de nuevas tecnologíascon capacidad de ampliar el potencial de ahorro, cambios estructurales en la

economíaque afectan la participación de distintas actividades en el producto nacional y laintroducción de nuevos usos energéticos para los consumidores.El potencial de ahorro implica, en primer término, un menor consumo energético debido ala utilización de una tecnología más eficiente o a la modificación en la forma de utilizaciónde un uso final estipulado. Pero la disminución del consumo energético produce además,una menor demanda de potencia (instalaciones eléctricas) y también una disminución enlas emisiones de dióxido de carbono (CO2) a la atmósfera por menor utilización decombustibles en la generación de electricidad. La puesta en marcha de un plan deeficiencia energética puede tener como objetivos la reducción de cualquiera de los ítemsmencionados en forma aislada o en cualquiera de las combinaciones posibles. Para poderproceder con el cálculo se deberá primeramente construir los dos escenarios alternativoscomo se desarrolla a continuación.

El potencial de ahorro de energía —la diferencia entre los dos escenarios— dependeentonces de la evolución futura de éstos, y permite conocer con aproximación lamagnitud de los ahorros así como el beneficio económico o rentabilidad de laaplicación de las medidas. Se describirán entonces las presunciones básicas sobre lascuales se construyen cada uno de los escenarios.Eficiencia congelada (EC)La suposición fundamental de este escenario es que el crecimiento de la demandaenergética sólo responde al crecimiento de la demanda por servicios energéticos. Esteincremento puede depender de distintos factores tales como el aumento poblacional,cambios en la demanda del servicio, etc. La intensidad energética de los usos finalesse mantiene constante en este escenario.Futuro eficiente (FE)La evolución de la demanda por servicios energéticos en este escenario es la mismaque en el escenario de eficiencia congelada, pero a diferencia del anterior incorpora lasalternativas tecnológicas de mayor eficiencia siempre y cuando éstas sean rentables. Osea en este escenario la intensidad energética es menor que en el de eficienciacongelada.

4.5 Ahorro de Energía en máquinas térmicas. (Calderas, turbinas de vapor yde gas, intercambiadores de calor, redes térmicas, ductos, compresores ymotores de combustión interna y sistemas de refrigeración.)En una planta es posible lograr ahorros en todo punto donde se la use. La experiencianos dice que en toda planta se puede ahorrar energía. Los principales puntos donde sepuede ahorrar energía son:• Calderas de vapor y aceite térmico.• Redes de vapor y condensado.• Hornos.• Secadores.• Procesos.

Existen mas de 30 formas de ahorrar energía en calderas, lasmás importantes son:1. Reducir el exceso de aire (hasta 20% ahorro) Esta es la forma más efectiva de

mejorarla eficiencia y ahorrar energía en calderas.• Es de fácil implementación.• Los ahorros son inmediatos.• Las inversiones son muy bajas o a veces nulas.• Debe realizarse periódicamente.

Otras formas de ahorrar energía en calderas son:2. Reducir la presión de vapor (< 2%)3. Reducir la formación de depósitos (< 8%)4. Reducir la potencia del quemador (< 2%)5. Administrar la carga de las calderas (< 3%)6. Usar economizadores (< 5%)7. Control automático de purgas (< 3%)8. Reemplazar quemadores ON-OFF por modulantes (< 2%)Ahorro en redes de vaporLas principales medidas para ahorrar energía son:1. Reparar fugas de vapor.2. Reparar o cambiar trampas de vapor.3. Aislar tuberías de vapor y condensado.4. Recuperar condensados.5. Usar vapor a la menor presión posible.Ahorro de energía en hornos:1. Reducir el exceso de aire.2. Eliminar infiltraciones de aire.3. Reparar aislamientos.4. Recuperar calor para precalentamiento de aire o material.5. Controlar la presión interna.6. Operar en forma continua.En el caso de secadores, las medidas son similares.

4.6 Ahorro de Energía para Generador de aceite térmico.Se utiliza en instalaciones industriales. Se utilizan cuando se necesitan temperaturaselevadas sin necesidad de alcanzar presiones también elevadas. Su elevada viscosidadhace que los costes de bombeo sean mayores que con el agua.

4.7 Ahorro de Energía para Torres de enfriamiento.Las torres de enfriamiento regulan el proceso de enfriamiento mediante la evaporacióncontrolada, reduciendo así la cantidad de agua consumida. Esto se logra cuando a la

gota que se pone en contacto con el aire, se le evapora la película exterior, requiriendopara este proceso de absorber calor, el cual se toma de la propia gota, enfriándolaconsecuentemente. Es decir, el enfriamiento se realiza tanto por calor sensible (cambiode temperatura) como por calor latente (cambio de estado físico).El objeto que se persigue en la torre es que la gota este el mayor tiempo posible encontacto con el aire, lo cuál se logra con la altura de la misma y además interponiendoobstáculos (el relleno), que la van deteniendo y al mismo tiempo la van fragmentandofacilitando más el proceso evaporativo. En los nuevos sistemas los obstáculos en lugarde romper la gota, hacen que se forme una película muy delgada en donde se lleva acabo el mismo proceso.

En términos generales, podemos decir que la capacidad de enfriamiento de una torrees una combinación de todas las variables involucradas en el diseño y selección de lamisma y nos indica la cantidad de agua que enfría en condiciones de operacióncomparada con las condiciones de diseño, esto es entonces, el equivalente de laeficiencia térmica.La mayor parte de la información disponible para las torres de enfriamiento es deselección, no de diseño y el cliente no puede nunca determinar "a priori" si una torreestá bien o mal diseñada y si a esto se le agrega que en mayor o menor grado las torressiempre enfrían, entendemos el porque la dificultad para evaluar éstos equipos.

4.8 Ahorro de Energía en compresores de refrigeración.La refrigeración representa 40% -50% del costo total con energía eléctrica en unacervecería. La eficiencia de la refrigeración es altamente dependiente de lastemperaturasde evaporación y condensación1El incremento de 1ºC en la temperatura de evaporación puede mejorar la eficiencia en2-3%. Por ejemplo un chiller evaporando a + 3ºC es 6% más Eficiente que unoevaporando a + 1ºC.

4.9 Ahorro de Energía para plantas de nitrógeno.El hidrógeno no se encuentra en la naturaleza en su estado elemental, sino que tiene

que ser producido a partir de otras fuentes como pueden ser el agua y el gas natural,y con la aportación de energía. Idealmente, la energía aportada sería igual a laenergía contenida en el gas sintetizado. Sin embargo, la producción de hidrógeno apartir de cualquier proceso

implica una transformación de energía. Ydesgraciadamente, las transformaciones de energía siempre tienen asociadapérdidas de energía.- Reformado de Vapor de Gas Natural: por cada MJ de combustible fósil consumidopor el sistema, se producen 0.66MJ de hidrógeno.- Electrolisis + Energía Eólica: por cada MJ de combustible fósil consumido por elsistema, se producen 13.2MJ de hidrógeno.En el caso del sistema Electrolisis + Energía Eólica se obtiene veinte veces más dehidrógeno por cada unidad energética de combustible fósil consumido en el caso delReformado de Vapor de Gas Natural.

4.10 Optimización de sistemas productores de energía.Las soluciones de optimización de plantas y de eficiencia energética permiten quelas compañías eléctricas maximicen el rendimiento de sus centrales generadoras ylogren importantes beneficios y ahorros en todo tipo de situaciones: respuestadinámica, carga base e integración de renovables.Debido a que las centrales térmicas tienen que hacer varios arranques y paradas aldía, los operadores necesitan conocer el tiempo que transcurre desde el comienzodel proceso de arranque hasta que se produce la sincronización, con objeto depoder cumplir el programa de carga requerido. Necesitan también mantener tanbajo como sea posible el coste de estos arranques, que puede afectarnegativamente al presupuesto.En las centrales que operan en carga básica, la forma más rápida y barata demejorar la producción y reducir los costes operativos, es mejorando la eficienciaenergética. No sólo es que se genere más electricidad y una mayor facturación, sinoque también se reduce el consumo de combustible y las emisiones de gases deefecto invernadero.

4.11 Aplicación de técnicas de ahorro. El factor humano, lacapacitación y concientización).Tradicionalmente, la energía siempre ha sido considerada un costo, una facturaque se debe pagar y un gasto que se debe controlar. No obstante, quienes estánpreparados para el futuro han madurado con una nueva perspectiva respecto a laenergía y están cambiando sus operaciones, especialmente en el área defabricación, para aprovechar el valor total de la energía como “materia prima”, unrecurso que puede aplicarse para hacer crecer y sostener sus negocios en elfuturo. Las compañías grandes y pequeñas por igual necesitan saber exactamentedónde se está utilizando esa valiosa energía, hasta el punto de darle seguimientocomo si fuera un ingrediente de sus recetas, o un componente tangible en elensamblaje de un producto, y captarlo como un ítem en la lista de materiales, omediante otro método de seguimiento similar, por ejemplo Giga Joules o BTU por

tonelada de producto. Administrar esta información en tiempo real les permitegestionarla cuidadosamente a fin de que su negocio continúe siendo rentable.