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PLUVISOST. CTM2010-17365

PLUVISOST CTM2010-17365Análisis Exergético y Eficiencia Exergética

21 de Noviembre de 2011

Investigadores principales:Dr Xavier Gabarrell Dr Joan Rieradevall

Dr Maria Rosa Rovira Dr Diego Varga Dr Gara Villalba

Ms Sc Mohammad HoqueMs Sc Sara Angrill

Ms Sc Tito Morales

Doctorando:Ms Sc M. Violeta Vargas


ÍNDEX

1. Introducción

2. Objetivos

3. Límites y descripción del sistema

4. Análisis Exergético

5. Eficiencia Exergética

6. Resultados

7. Observaciones y comentarios



1. INTRODUCCIÓN


Exergía

La porción de la energía que puede ser transformada en trabajo mecánico.

Determina de forma cuantitativa el valor termodinámico de cualquier recurso.

Permite determinar el potencial de trabajo útil de una determinada cantidad de energía que se puedealcanzar por la interacción espontánea entre un sistema y su entorno.

Informa la utilidad potencial del sistema como fuente de trabajo.

Definiciones

Leyes de Termodinámica

La energía no se crea ni se destruye, solo se transforma.Primera Ley:

Segunda Ley:La calidad de una cantidad de energía en particular i.e. la cantidad de trabajo o acción, quepuede hacer, disminuye cada vez que esta energía es utilizada.

Basado en las leyes de termodinámica, la exergía cuantifica el cambio de una forma de energía a otra, ensu calidad.


Exergía

Tubo de pasta dental = Energía

Depresiones en el tubo = Entropía

Pasta dental = Exergía

http://www.holon.se/folke/kurs/Distans/Ekofys/fysbas/exergy/exergybasics.shtml

La exergía se puede encontrar en diversas formas, al igual que la energía, puede sercinética, potencial, física o química.


Balance de Energía

Balance de Exergía

Energía de entrada

Acumulación de energía

Energía de salida

Balance de energía

Balance de entropía

Balance de exergía

Exergía


Exergía y Análisis Exergético

[2] Talens L. (2009). Exergy analysis of biofuels. An application to biodiesel production. Universitat Autònoma de Barcelona. Barcelona, Spain.

Exergy methodologies applied to industrial system and the life cycle of a good. Modified. [2]



2. OBJETIVOS


Pasado: CORREGIR los efectos del tratamiento de residuos poco efectivo.

Presente: CONTROL de emisiones tóxicas

Futuro: DISEÑAR para una interacción mas eficiente entre la industria y los sistemas medio ambientales

Industria Medio ambiente

Objetivos


Objetivos

• Adaptar e integrar el análisis exergético, como herramienta deanálisis ambiental, en el análisis de recursos hídricosalternativos.

• Evaluar diferentes estrategias para la instalación de sistemas deaprovechamiento de agua pluvial con base en el consumoexergético.

• Evaluar la eficiencia exergética de las diferentes estrategias.

• Comparar, desde el punto de vista exergético, elaprovechamiento de pluviales con alternativas de referencia(desalinización, regeneración).

• Utilizar la exergía como índice del consumo de recursos (materiay energía) simplificando el proceso de decisión.

• Evaluar la dureza del agua de lluvia y compararla con agua deotras fuentes.



2. LÍMITES Y DESCRIPCIÓN DEL

SISTEMA

PLUVISOST.CTM2010-17365 www.sostenipra.cat. Demand: 5 wash loads per week using an A+ ecolabel washing machine = 25 m3 per household and year

Offer: Catchment only from roofs with average precipitation of 600 mm per year

Límites y descripción del sistema

BD1 BD2 BD3 BD4 AD1 AD2 AD3 AD4

Escala 1 Vivienda 1 Vivienda 1 Vivienda 4 Viviendas1 Edificio 24

Viviendas1 Edificio 24

Viviendas1 Edificio 24

Viviendas10 Edificios 240

Viviendas

Tanque SUBTERRÁNEO (5m3)

ALJIBE (5m3)

DIST. TECHO (9m3)

SUBTERRÁNEO (20m3)

SUBTERRÁNEO (21m3)

ALJIBE (21m3)

DIST. TECHO (37,8 m3)

SUBTERRÁNEO (209m3)

Area considerada 10,000 m2 10,000 m2

Area construida 10% 70%Agua suministrada para lavandería

1223,75 1223,75 1223,75 4950 14150 14150 14150 141200

Agua necesaria para lavandería 1250 1250 1250 5000 30000 30000 30000 300000

Oferta/DemandaUnidad de referencia

100% 100%

Baja densidad Alta densidad

250 m2 700 m2

47% 47%

1 m3/año

98% 98% 98% 99% 47% 47%


Límites y descripción del sistema



3. ANÁLISIS EXERGÉTICO


1. Determinar inventario de materiales y energía.2. Definir estado de referencia (Szargut et al. 1989) temperatura: 298 K y

presión: 1 atm.

3. Buscar valores de exergía en bibliografía (Szargut et al. 1989, Dewulf etal 2001). Si no está disponible:

2.1. Calcular la exergía del compuesto utilizando la fórmula adecuadapara cada caso.

4. Calcular la exergía de cada material a partir del inventario de materialesde construcción

5. Analizar el consumo de exergía de cada escenario.

Metodología


InventarioMetodología

ESCENARIO 1 ESCENARIO 2 ESCENARIO 3 ESCENARIO 4 ESCENARIO 1 ESCENARIO 2 ESCENARIO 3 ESCENARIO 41 VIVIENDA 1 VIVIENDA 1 VIVIENDA 4 VIVIENDA 1 EDIFICIO 1 EDIFICIO 1 EDIFICIO 10 EDIFICIO

24 VIVIENDAS 24 VIVIENDAS 24 VIVIENDAS 240 VIVIENDASDEPOSITO:

SUBTERRÁNEO (5m3)

DEPOSITO: ALJIBE (5m3)

DEPOSITO: DIST. TECHO

(9m3)

DEPOSITO: SUBTERRÁNEO

(20m3)


(21m3)



(37,8 m3)


(209m3)Acero galvanizado kg 92,90 92,90 - 370,42 176,40 176,40 - 1.215,20 PP kg 25,92 25,56 - 471,80 100,78 92,72 - 2.263,10 Madera (reciclada 25 veces)

kg 8,57 6,25 - 20,99 15,46 15,46 - 101,09 Hormigón CEM II/A-L 32.5R

kg 10.212,00 14.168,00 9.890,00 36.317,00 37.812,00 37.812,00 43.539,00 350.957,00 Acero (80% reciclado) kg 394,00 800,72 126,00 1.179,00 3.303,45 3.303,45 324,32 13.049,00 Lámina Impermeabilizante RhenofolCG

kg- - 104,00 - - - 429,36 -

Ladrillo kg - - 412,76 - - - 965,86 - Revestimiento de mortero

kg - - 49,60 - - - 116,06 - PP-copolimero kg 3,72 2,88 2,88 100,24 100,12 58,05 58,05 1.853,30 Acero Inoxidable kg 23,60 - - 47,20 104,00 - - 208,00

Energía Gasoil MJ 1.418,85 - - 20.655,60 5.668,67 - - 109.508,29 Gasolina kg 7,30 6,21 0,56 44,39 22,04 15,26 2,99 244,46 Diesel kg 1.545,89 2.158,77 1.509,16 4.086,28 4.315,00 4.319,76 6.452,55 38.710,02

Energía Energía eléctrica kWh 600,00 - - 4.800,00 59.304,96 - - 118.609,92 Agua de lluvia Agua m3 1.223,75 1.223,75 1.223,75 4.950,00 14.150,00 14.150,00 14.150,00 141.200,00

Energía Gasoil MJ 1.038,30 585,86 292,00 18.479,40 3.304,13 2.169,26 1.226,40 83.508,23 Gasolina kg 12,70 10,79 0,95 77,61 38,49 26,63 5,19 427,73 Diesel kg 1.986,73 2.764,27 1.924,81 7.150,09 7.550,34 7.558,67 8.221,92 67.741,64

BAJA DENSIDAD ALTA DENSIDAD

Producción

Materiales

Transporte

UNITSINPUTS

Uso

Fin-de-vidaTransporte


Consumo de combustible

• Para calcular el consumo de combustible de los diferentes vehículos de transporte de materiales, se utilizaron las siguientes ecuaciones propuestas por Volvo Truck Corporation, 2010:

Donde Cxt es el consumo de combustible con carga Qx.C0 es el consumo de combustible sin carga (L100 km-1),

Cf es el consumo de combustible con carga completa (L100 km-1) , Qt la máxima carga transportable(kg) y

Qx es la carga actual (kg).

• Y para calcular el consumo de combustible cuando el vehículo sale cargado de la instalación y regresa vacío al mismo lugar:

Donde Cxta es el consumo de combustible total (L100 km-1).

Metodología

1.Volvo Truck Corporation, Emission from Volvo’s Truck Emissions, standard diesel fuel, 2010. Available from:

*De acuerdo con Werner, et al. 2003, el 85% del combustible consumido es Diesel con una densidad de 0.84 kg/l y 15% Gasolina y con densidad de 0.75 kg/l

2. Werner, F., H.-J. Althaus, T. Künniger and K. Richter. 2003. Life Cycle Inventories of Wood as Fuel and Construction Material. Final report ecoinvent 2000 No. 9, EMPA Dübendorf, Swiss Centre for Life Cycle Inventories, Dübendorf, CH.


A. Balance exergético de reacciones de referencia estándar reversiblede formación de un compuesto.

B. Contribución de grupo

C. values basado en Szargut y Styrylska (para combustibles)

i

igibgE0,

LHVE

Metodología

La exergía química de productos industriales se puede calcular mediante las siguientes fórmulas:


Metodología

Contribución al contenido de exergíahecho por cada fracción de compuesto

puro

Variaciones de exergía debidas a la mezcla de diferentes especies, asumiendo una

solución ideal.


i

igibgE0,

Metodología

Cement CEM II/A-L 32,5 R Calcareous cement composition

Substance Molar fraction chemical exergy Exergy (kJ)

Gypsum 0,049 0,149 0,007Limestone 0,126 0,186 0,023

Clinker 0,825 0,656 0,541TOTAL 0,572


LHVE

*Utilizado particularmente para combustibles (carbón, madera, aceite combustible y gas natural)

CO

CNCHOCH

ZZZZZZZZZZ

C

2

2222

3035.010450.07884.012499.02160.00412.1

ZH2, ZC, ZO2,ZN2, fracción de masa de hidrógeno, carbono, oxigeno y nitrógeno en el combustible

Metodología

β LHV bGasoil 1,07 42,6 45,582Diesel 1,07 42,8 45,796Gasoline 1,07 42,5 45,475


Análisis de Exergía



SUBTERRÁNEO (5m3)


DEPOSITO: DIST. TECHO (9m3)


(20m3)


(21m3)



(37,8 m3)


(209m3)1223,75 1223,75 1223,75 4950 14150 14150 14150 141200

Acero galvanizado 7,29 677,23 677,23 - 2.700,33 1.285,94 1.285,94 - 8.858,71 PP 46,20 1.197,43 1.180,79 - 21.795,74 4.655,73 4.283,38 - 104.548,40 Madera (reciclada 25 veces) 20,24 173,40 126,49 - 424,75 312,92 312,92 - 2.045,88 Hormigón CEM II/A-L 32.5R 0,16 1.644,52 2.281,59 1.592,67 5.848,43 6.089,19 6.089,19 7.011,45 56.517,57 Acero (80% reciclado) 6,75 2.659,54 5.404,94 850,51 7.958,37 22.298,62 22.298,62 2.189,19 88.082,05 Lámina Impermeabilizante RhenofolCG 17,75 - - 1.845,59 - - - 7.619,46 - Ladrillo 0,06 - - 25,86 - - - 60,52 - Revestimiento de mortero 0,26 - - 13,12 - - - 30,69 - PP-copolimero 46,20 171,85 133,05 133,05 4.630,79 4.625,24 2.681,73 2.681,73 85.616,87 Acero Inoxidable 8,91 210,16 - - 420,33 926,14 - - 1.852,29

Energía Gasoil 45,58 64.674,02 - - 941.523,56 258.389,09 - - 4.991.606,65 Gasolina 45,48 331,88 282,29 25,59 2.018,58 1.002,07 693,87 135,91 11.116,65 Diesel 45,80 70.795,46 98.862,92 69.113,59 187.135,44 197.609,54 197.827,51 215.179,67 1.772.764,23

Energía Energía eléctrica 1,000 2.160,00 - - 17.280,00 213.497,86 - - 426.995,71 Agua de lluvia Agua 0,005 6,00 6,00 6,00 6,00 69,34 69,34 69,34 69,34

Energía Gasoil 45,58 47.327,79 26.704,58 13.309,94 842.328,01 150.608,63 98.879,12 55.901,76 3.806.471,91 Gasolina 45,48 577,49 490,70 43,13 3.529,22 1.750,31 1.210,96 236,18 19.450,83 Diesel 45,80 90.984,23 126.592,65 88.148,70 327.445,65 345.775,31 346.156,76 376.531,00 3.102.296,02

283.591,01 262.743,23 175.107,75 2.365.045,19 1.208.895,91 681.789,33 667.646,91 14.478.293,09 231,74 214,70 143,09 477,79 85,43 48,18 47,18 102,54

CONSUMO TOTAL DE EXERGÍA (50 AÑOS) (MJ) CONSUMO EXERGÉTICO POR CADA m3/año/vivienda (MJ)

Producción

Materiales

Transporte

Fin-de-vidaTransporte

Uso

Suministro de agua de lluvia en 50 años (m3)


EXERGÍA QUÍMICA (MJ/kg)

Descripción de materialesInputEtapa



4. EFICIENCIA EXERGÉTICA


Producción en serie

Eficiencia exergética

Eficiencia Exergética




SUBTERRÁNEO (5m3)


DEPOSITO: DIST. TECHO (9m3)


(20m3)


(21m3)


DEPOSITO: DIST. TECHO (37,8 m3)


(209m3)PRODUCCIÓN

Entradas 142.535,50 108.949,31 73.599,98 1.174.456,32 497.194,47 235.473,16 234.908,63 7.123.009,29

Materiales 6.734,14 9.804,09 4.460,80 43.778,73 40.193,78 36.951,78 19.593,05 347.521,77

Energía 64.674,02 - - 941.523,56 258.389,09 - - 4.991.606,65

Transporte 71.127,34 99.145,21 69.139,18 189.154,02 198.611,60 198.521,38 215.315,58 1.783.880,87

Salidas 6.734,14 9.804,09 4.460,80 43.778,73 40.193,78 36.951,78 19.593,05 347.521,77 Sistema de Recogida pluvial 6.734,14 9.804,09 4.460,80 43.778,73 40.193,78 36.951,78 19.593,05 347.521,77

Emisiones 135.801,36 99.145,21 69.139,18 1.130.677,58 457.000,69 198.521,38 215.315,58 6.775.487,52

Eficiencia de Producción 4,72% 9,00% 6,06% 3,73% 8,08% 15,69% 8,34% 4,88%

USO

Entradas 2.166,00 6,03 6,03 17.304,26 213.567,19 70,46 70,46 427.687,59

Energía (Eléctrica) 2.160,00 - - 17.280,00 213.497,86 - - 426.995,71

Agua de lluvia 6,00 6,03 6,03 24,26 69,34 70,46 70,46 691,88

Salidas 6,03 6,03 6,03 24,39 70,46 70,46 70,46 703,10

Agua lavandería 6,03 6,03 6,03 24,39 70,46 70,46 70,46 703,10

Emisiones 2.160,00 - - 17.280,00 213.497,86 - - 426.995,71

Eficiencia de Uso 0,28% 100,00% 100,00% 0,14% 0,03% 100,00% 100,00% 0,16%

FIN-DE-VIDA

Entradas 145.623,65 163.592,03 105.962,57 1.217.081,61 538.328,03 483.198,62 452.262,00 7.275.740,53

Energía 47.327,79 26.704,58 13.309,94 842.328,01 150.608,63 98.879,12 55.901,76 3.806.471,91

Transporte 91.561,72 127.083,35 88.191,82 330.974,86 347.525,62 347.367,72 376.767,18 3.121.746,85

Sistema de Recogida pluvial 6.734,14 9.804,09 4.460,80 43.778,73 40.193,78 36.951,78 19.593,05 347.521,77

Salidas 6.734,14 9.804,09 4.460,80 43.778,73 40.193,78 36.951,78 19.593,05 347.521,77 Desconstrucción del sistema de recogida

pluvial 6.734,14 9.804,09 4.460,80 43.778,73 40.193,78 36.951,78 19.593,05 347.521,77

Emisiones 138.889,51 153.787,93 101.501,77 1.173.302,87 498.134,25 446.246,84 432.668,95 6.928.218,76

Eficiencia de Fin-de-Vida 4,62% 5,99% 4,21% 3,60% 7,47% 7,65% 4,33% 4,78%

Eficiencia Total del escenario 0,00% 0,54% 0,26% 0,00% 0,00% 1,20% 0,36% 0,00%


Eficiencia Exergética




SUBTERRÁNEO (5m3)



(9m3)


(20m3)


(21m3)



(37,8 m3)


(209m3)PRODUCCIÓNEntradas 71.408,16 9.804,09 4.460,80 985.302,29 298.582,87 36.951,78 19.593,05 5.339.128,42

Materiales 6.734,14 9.804,09 4.460,80 43.778,73 40.193,78 36.951,78 19.593,05 347.521,77 Energía 64.674,02 - - 941.523,56 258.389,09 - - 4.991.606,65

Salidas 6.734,14 9.804,09 4.460,80 43.778,73 40.193,78 36.951,78 19.593,05 347.521,77 Sistema de Recogida pluvial 6.734,14 9.804,09 4.460,80 43.778,73 40.193,78 36.951,78 19.593,05 347.521,77

Emisiones 64.674,02 - - 941.523,56 258.389,09 - - 4.991.606,65 Eficiencia de Producción 9,43% 100,00% 100,00% 4,44% 13,46% 100,00% 100,00% 6,51%

USOEntradas 2.166,00 6,03 6,03 17.304,26 213.567,19 70,46 70,46 427.687,59

Energía (Eléctrica) 2.160,00 - - 17.280,00 213.497,86 - - 426.995,71 Agua de lluvia 6,00 6,03 6,03 24,26 69,34 70,46 70,46 691,88

Salidas 6,03 6,03 6,03 24,39 70,46 70,46 70,46 703,10 Agua lavandería 6,03 6,03 6,03 24,39 70,46 70,46 70,46 703,10

Emisiones 2.160,00 - - 17.280,00 213.497,86 - - 426.995,71 Eficiencia de Uso 0,28% 100,00% 100,00% 0,14% 0,03% 100,00% 100,00% 0,16%

FIN-DE-VIDAEntradas 54.061,93 36.508,67 17.770,75 886.106,74 190.802,41 135.830,90 75.494,82 4.153.993,68

Energía 47.327,79 26.704,58 13.309,94 842.328,01 150.608,63 98.879,12 55.901,76 3.806.471,91 Sistema de Recogida pluvial 6.734,14 9.804,09 4.460,80 43.778,73 40.193,78 36.951,78 19.593,05 347.521,77

Salidas 6.734,14 9.804,09 4.460,80 43.778,73 40.193,78 36.951,78 19.593,05 347.521,77 Desconstrucción del sistema de

recogida pluvial 6.734,14 9.804,09 4.460,80 43.778,73 40.193,78 36.951,78 19.593,05 347.521,77

Emisiones 47.327,79 26.704,58 13.309,94 842.328,01 150.608,63 98.879,12 55.901,76 3.806.471,91 Eficiencia de Fin-de-Vida 12,46% 26,85% 25,10% 4,94% 21,07% 27,20% 25,95% 8,37%

Eficiencia Total del escenario 0,00% 26,85% 25,10% 0,00% 0,00% 27,20% 25,95% 0,00%


Eficiencia Exergética sin transporte



5. RESULTADOS


Resultados Análisis Exergético

‐

100

200

300

400

500

600

ESCENARIO 1 ESCENARIO 2 ESCENARIO 3 ESCENARIO 4

Exergía consum

ida M

J por m

3 po

r año

Análisis Exergético

Baja Densidad

Alta Densidad


Resultados Eficiencia

0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

80%

90%

100%

DEPOSITO:SUBTERRÁNEO

(5m3)

DEPOSITO:ALJIBE (5m3)

DEPOSITO: DIST.TECHO (9m3)


(20m3)


(21m3)


DEPOSITO: DIST.TECHO (37,8 m3)


(209m3)

24 VIVIENDAS 24 VIVIENDAS 24 VIVIENDAS 240 VIVIENDAS

1 VIVIENDA 1 VIVIENDA 1 VIVIENDA 4 VIVIENDA 1 EDIFICIO 1 EDIFICIO 1 EDIFICIO 10 EDIFICIO

ESCENARIO 1 ESCENARIO 2 ESCENARIO 3 ESCENARIO 4 ESCENARIO 1 ESCENARIO 2 ESCENARIO 3 ESCENARIO 4


Etapa de Producción

Transporte

Energía

Materiales



0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

80%

90%

100%


(5m3)




(20m3)


(21m3)


DEPOSITO: DIST.TECHO (37,8

m3)


(209m3)





Etapa de Uso (%)

Agua de lluvia

Energía (Eléctrica)



0

100000

200000

300000

400000

500000


(5m3)


DEPOSITO:DIST. TECHO

(9m3)


(20m3)


(21m3)


DEPOSITO:DIST. TECHO(37,8 m3)


(209m3)





2.160 0 017.280

213.498

0 0

426.996

6 6 6 24 69 70 70 692

Consum

o de

exergía (M

J por m

3 po

r año

Etapa de Uso

Energía (Eléctrica)

Agua de lluvia



0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

80%

90%

100%


(5m3)

DEPOSITO: ALJIBE(5m3)



(20m3)


(21m3)




(209m3)





Etapa de Fin‐de‐vida

Sistema de Recogida pluvial

Transporte

Energía


• De acuerdo con el Análisis de Exergía el escenario 3 es el querequiere menor consumo de recursos en ambas densidades depoblación

• En general, los escenarios de alta densidad, obtienen mejoresresultados, en cuanto a consumo de recursos.

• Identificando el origen de los consumos de exergía,

– La etapa de producción obtuvo valores mas altos de eficiencia exergética en el escenario 2.

– En la etapa de uso, los escenarios 2 y 3 son 100% eficientes.

– Y en la etapa de Fin-de-vida, el escenario 2 también tiene una mayor eficiencia exergética

• El consumo de combustibles para transporte de materiales es muy elevado.

Resultados


0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

80%

90%

100%


(5m3)




(20m3)


(21m3)




(209m3)





Etapa de Producción

Energía

Materiales

Resultados Eficiencia sin transporte


0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

80%

90%

100%


(5m3)


DEPOSITO:DIST. TECHO

(9m3)


(20m3)


(21m3)


DEPOSITO:DIST. TECHO(37,8 m3)


(209m3)





Etapa de Fin‐de‐vida

Sistema de Recogida pluvial

Energía

Resultados Eficiencia sin transporte



6. OBSERVACIONES Y COMENTARIOS


Observaciones y comentarios

• El escenario 3 presenta un menor consumo de recursos debido

a que requiere menor refuerzo estructural, menor consumo de

combustible por transporte de materiales y utiliza la gravedad

para distribuir el agua, es decir, no necesita bombas.

• Los escenarios de alta densidad, obtienen mejores resultados,

debido a que consideran un mayor número de beneficiarios.

• El análisis de eficiencia exergética nos muestra las

oportunidades de mejora de nuestro sistema. El mayor consumo

de exergía está en los combustibles para transporte de

materiales.



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Gracias!

21 de Noviembre de 2011

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