Propuesta de mejora basada en el cálculo exergoeconómico del grupo electrógeno de Barredera (página 2)

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1.3.1 Método exergético.

El análisis termodinámico persigue dos objetivos: el cálculo del grado de
perfección
termodinámica de los procesos de trabajo de las instalaciones
energéticas y la indicación de las vías para incrementar el ahorro de combustible
o energía eléctrica suministrada a las instalaciones.

El análisis termodinámico de los modernos y complejos esquemas de las
instalaciones energéticas, hasta hace pocas décadas, se ha desarrollado a partir
de sistemas de coeficientes energéticos que, aunque han jugado un rol muy
importante en la disminución y utilización de la energía, no lo han hecho así en el
perfeccionamiento termodinámico de los procesos, ya que estos no son capaces
de valorar totalmente el grado de perfección termodinámica de los mismos.

La limitación principal de los métodos energéticos de análisis radica en que los
mismos no establecen diferencia entre la calidad de la energía que se distribuye.
Esta calidad está relacionada con la capacidad para realizar trabajo útil y la
imposibilidad de realizar un análisis de los cambios de calidad de la energía a
través de la instalación, lo que nos deja una vía de perfeccionamiento no
explotada para el ahorro de combustible o energía eléctrica.

1.3.2 Metodología para la aplicación del análisis exergético.

Este método de análisis termodinámico tiene tres etapas fundamentales:
?
Primera etapa: Análisis energético.
El objetivo de esta etapa es conocer la distribución de la energía en el sistema
técnico, realizar el diagrama de los flujos de energía y conocer el coeficiente de
uso de la energía en cada subsistema y en el sistema en general.

Sistema técnico de análisis: Es una abstracción lógica del objeto real que permite
separar para el análisis cualquier parte del mismo, el conjunto de partes
interrelacionadas o también representar el objeto real en su totalidad mediante su
interconexión de todos los subsistemas técnicos que lo componen.

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Figura 1. Balance de Exergía.

El balance exergético en todos los casos permite determinar la magnitud de las
pérdidas por irreversibilidad del sistema y por lo tanto puede valorar el grado de
su perfección termodinámica.
El Rendimiento Exergético (?b) mide el grado de perfección termodinámica de un
sistema y se define como la relación entre el beneficio y el gasto exergético:

Aparatos que producen trabajo útil:
Wutil
?Bent ? Bsal?
?b ?
Pérdidas (L)
Bentra
Bútil sale
Bentra- Bútil sale– L = D > 0
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? Segunda etapa: Análisis exergético.

Los balances exergéticos para los estados estacionarios de los procesos son
construidos de la misma forma que los balances de energía, con una sola
excepción: mientras que la energía se conserva, la exergía al pasar por un
sistema técnico puede ser destruida o degradada.

En los balances de exergía, las cantidades de exergía que entran al sistema o
dispositivo deben convertirse en lo posible en exergía de las corrientes de salida
que constituyen el fin para el cual dicho dispositivo está concebido. Las
diferencias son debidas a las discrepancias de los procesos termodinámicos con
los reversibles y constituyen las irreversibilidades. La disminución de exergía por
causas internas recibe el nombre de Destrucción de exergía. La exergía de las
corrientes de energía que salen del sistema y que no tiene una utilización para los
fines concebidos para el sistema, recibe el nombre de Pérdidas de exergía.

Sistema
[D]

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Aparatos que no producen trabajo útil:
Bsal
Bent
?b ?
En cualquier caso, si los procesos son reversibles: ?e =1.
?
Tercera etapa: Análisis Entrópico:
El objetivo de esta etapa es conocer la distribución de las pérdidas exergéticas en
el sistema y caracterizar cada subsistema de análisis por el peso de sus pérdidas
con respecto a la exergía inicial invertida en el sistema, así como determinar la
influencia de las irreversibilidades en el consumo específico de combustible o de
energía eléctrica del objeto técnico de estudio.

Coeficiente absoluto de pérdidas exergéticas: (?i)
Di
Bentra
?i ?
1.4 Métodos termoeconómicos.

La Termoeconomía, combinando las herramientas termodinámicas y económicas,
permite
la
evaluación
objetiva
de
los
aspectos
económicos
de
las
transformaciones energéticas y, por lo tanto, da posibilidades de juzgar sobre el
grado de perfección de dichas transformaciones a la luz de los costos totales
implicados, dentro de los cuales es necesario considerar no sólo los consumos de
energía de diferentes calidades sino el valor que en recursos energéticos
primarios representan los demás costos en que necesariamente hay que incurrir
para efectuar dichas transformaciones.

La Termoeconomía estudia aspectos fundamentales relacionados con la
Ecología, ya que a partir de sus procedimientos de análisis puede racionalizarse
al máximo la explotación de los recursos energéticos primarios, la utilización de la

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energía transformada en servicios energéticos y el vertimiento de desperdicios
energéticos al entorno.

1.4.1 Teoría del costo exergético.

Se define como costo exergético a la cantidad real de trabajo (mayor que la
mínima) que debe invertirse para obtener cierto estado (y en general cierto
recurso material) a partir del estado muerto.

El costo exergético es mayor que la exergía, siendo la diferencia precisamente la
destrucción de exergía (D):

Costo exergético > Exergía

Exergía = Costo exergético mínimo (reversible)

1.4.2 Eficiencia exergética y costo exergético unitario.
Exergía
Costo exergético
? 1
?b ?
Costo exergético
Exergía
? 1
?
k ?
1
?b
Fuel (F)
Producto (P)
1.4.3 Producto, fuel, pérdida y destrucción.

Al analizar las instalaciones desde el punto de vista termoeconómico
convencionalmente se denomina Producto al conjunto de corrientes que
constituyen o reflejan el fin u objetivo del proceso y Fuel al conjunto de corrientes
que identifican los recursos externos invertidos para lograr dichos objetivos.

Destrucción (D)
Pérdidas (L)

Producto (P) = Fuel (F) – Pérdidas (L) – Destrucción (D)

Figura 2. Balance de Exergía en función del Fuel y el Producto.

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Esta convención permite definir de manera general la eficiencia exergética y el
costo exergético unitario ahora en función de estos términos:
1.5 Costo exergoeconómico.

El cálculo del costo monetario de los flujos en las plantas energéticas y químicas
constituye un problema de capital importancia por cuanto está ligado de manera
directa con la repercusión de los costos de producción de las distintas partes,
secciones o equipos que constituyen el proceso sobre el costo de los productos
finales

Tsatsaronis [1], fue el primero en utilizar este procedimiento de evaluación de los
costos monetarios de los flujos internos y productos de plantas complejas. Según
él, se puede plantear el balance del costo exergoeconómico de cualquier equipo
individual, designando por ? los costos monetarios (exergoeconómicos) de los
flujos y consecuentemente ?F y ?P como los costos monetarios del Fuel y
Producto respectivamente:

?P ? ?F ? Z

Teniendo en cuenta lo anterior se puede definir el costo exergoeconómico de un
flujo de exergía como la suma del costo monetario de la exergía de entrada
necesaria para producir dicho flujo más el resto de los costos originados en el
proceso productivo asociado a su obtención (capital, operación, mantenimiento,
etc.)

[Costo exergoecónomico del Producto] = [Costo exergoeconómico del Fuel]

+ [Capital] + [O&M]

De aquí se llega a la siguiente ecuación:

???? * ???? = ???? * ???? + ??

13
F
P
P
F
L ? D
P
?
kb ?
L ? D
F
?1?
?1?
1
?b
?b ?

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Donde:

CE:Costo exergoeconómico unitario del producto.

BE: Exergía del producto.

CF: Costo exergoeconómico unitario del Fuel.

BF: Exergía del fuel.

Z: Costos no energéticos.

Dentro de los costos no energéticos se incluyen el costo capital de la instalación,
los costos de operación y mantenimiento.

Despejando el Costo Exergoeconómico Unitario se obtiene:

???? = (???? * ???? + ??)/????

En general, la aplicación del procedimiento descrito dependerá del fin que
pretende alcanzarse.

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CAPÍTULO
2. Desarrollo de los cálculos. Análisis y propuesta de
soluciones.

2.1 Caracterización del área objeto de estudio.

En el emplazamiento de Barrederas (Central Eléctrica Diesel), se encuentra
instalado un grupo electrógeno MTU serie 2000 de 1150 KVA
con una
potencia disponible de 920 kW al 100 % y 690 kW al 75 % para servir una
carga en isla con las siguientes características:

Tabla2. Potencia activa, reactiva y aparente de la SE Barredera.
Los generadores MJB son generadores sincrónicos
de cuatro tiempos dos
válvulas de admisión y dos de escape (admisión- compresión- fuerza– escape),
principio de funcionamiento basado en la inducción electromagnética. El
combustible utilizado es diesel especial con una densidad de 843.9 g/l, un
consumo plan actual por motor de 235 g/kWh según plan pues este índice de
consumo se ha deteriorado, cuando se instalaron el plan era de 230 g/kWh. La
tecnología instalada está altamente automatizada y juega un papel protagónico en
la confiabilidad de la operación y el flujo de información en el grupo monitoreado
por el sistema de supervisión y control (EROS).

La frecuencia de realización del mantenimiento varía según los casos,
dependiendo de las dimensiones de la máquina y de las condiciones ambientales
y de uso. Geysel se ocupa del mantenimiento a equipos y paneles, diagnóstico,

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planificación y coordinación de los servicios de calibración y verificación de
instrumentos, así como de la solución de averías.

Por regla general se realizan después de 500 horas de funcionamiento (o no
menos de una vez al año), transcurridos 10 000 horas de trabajo se realiza
reparación capital.

2.2 Cálculos

Para el desarrollo de los cálculos se parte de los siguientes datos:
? El consumo de combustible total es de 35269
??
h
.
El combustible usado es diesel especial con una densidad de 843.9
??
??
.
Convirtiendo los litros de combustible a kg se logra multiplicando por la densidad
del mismo quedando:
35269
l
h
g g
* 843.9 l = 29763509.1 h
29763.51 (Expresado en kg al año )

? Se conoce que la Exergía del Fuel es igual al valor del poder calórico
superior:
????
PCS=43000
????

BF (Exergía del fuel) =43000
????
????
………………………..I
Para expresar la BF de los kg que se consumen al año se realiza el siguiente
análisis:
????
??ñ??
= ???? * ?????????????? ???? ??????????????????????(
????
??ñ??
)
????
??ñ??
= 43000
????
????
* 29763.51
????
??ñ??
????
??ñ??
= 1279830930
????
??ñ??
Por tanto esta es la exergía del combustible empleado en todo
el año.

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? La Generación bruta (Exergía del Producto) en el año 2014 es de 123859
kWh que coincide con la producción de energía eléctrica en el año.
????
??ñ??
= 123859 kWh……………………………….II
Eso está en kwh/año, por lo que hay que expresarlo en kJ para ello hay que tener en
cuenta que:

1kw=1kJ/s por lo que

1kJ=1kWs pero una hora tiene 3600 s por lo que hay que multiplicar los kj por 3600 para
que sea compatible con kWh y entonces se obtiene que:

3600kJ = 1kWh

Sustituyendo en II
????
????h
????
??ñ??

????
??ñ??
= 123859 kWh * 3600

= 445892400 kJ
2.2.1 Estimación de las irreversibilidades totales. (L + D)

?? + ?? = ?? – ??

?? + ?? = 355508.6 kW – 123859 kW

?? + ?? = 231649.6 kW

2.2.2 Estimación de la Eficiencia exergética.
???? =

???? =
????
????

445892400 ????
1279830930 ????
???? = 0.35

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La eficiencia Exergética del grupo electrógeno de Barrederas es del 35 % lo que
se traduce en que solo el 35 % del combustible pasa al producto en el proceso
tecnológico.

2.2.3 Estimación del costo exergético unitario.

??
??
K?? =
??
0.35
K?? = 2.85

El costo exergético unitario se interpreta como que se necesitan 2.85 unidades de
exergía en el Fuel para producir una unidad en el Producto (o que éste es
exergéticamente 2.85 veces más caro que aquel).

2.3 Evaluación de los costos exergo económico.

Para realizar este cálculo se parte de la ecuación planteada anteriormente:

?P ? ?F ? Z

[Costo exergoecónomico del Producto] = [Costo exergoeconómico del Fuel]

+ [Capital] + [O&M]

De aquí se llega a la siguiente ecuación:

???? * ???? = ???? * ???? + ??

Donde:

CE(Costo exergoeconómico unitario del producto) =?

BE (Exergía del producto) = 445892400 kJ pues la energía eléctrica se considera
exergía pura.

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0.8439 ??
???? = 123859 kWh = 0.803
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Para determinar los Costo exergoeconómico unitario del Fuel se procede de la
siguiente forma:
Cf = 0.8507
??????????????
??
*
1
????
*
29763.51
kg
??ñ??
Cf = 30003
??????????????
año
Este es el valor del combustible que emplea el Grupo Electrógeno al año.

Dentro de los costos asociados se incluyen:

El costo capital de la instalación (GEA) = 255000 dólares como el factor de
depreciación es del 10 % y ya han transcurrido 11 años, se considera que ya se
desprecio el valor total.

Los costos de operación que incluye el gasto de salario(CS = 99424 Dolares)

Los costos por mantenimiento (CM= 3918.31 dólares)

Estos valores se trabajan en relación al Dólar y se referirán a todo el año.
???? =
Salario total anual ( ??????????????)
Exergía producida al año (kWh
)
99424 ??????????????
??????????????
kWh
???? =
Costo Mantenimiento total anual ( ??????????????)
Exergía producida al año (kWh)
???? =
3918.31 ??????????????
123859 kWh
= 0.0316
??????????????
kWh
Se consideran además el costo de explotación y otros gastos a los cuales no se
tuvo acceso por lo que el resultado final se ve afectado por el valor total de los
costos asociados (Z).
Por lo que los costos asociados totales (Z= 0.834
??????????????
kWh año
)
Para referirlo a los kJ al año es necesario expresar los kW en kJ.

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445892400
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Z = 0,834 Dólares / (kWh Año) * (3600 kJ/kW)

Z =3002.4 Dólares /kJ.

Despejando el Costo Exergoeconómico Unitario se obtiene:
???? =
???? * ???? + ??
????
???? =
30003
??????????????
año
????
??ñ??
+ 3002.4
* 1279830930
????
??ñ??
???? = 86117
??????????????
??ñ??
Este es el costo total de la energía eléctrica producida en todo el año expresado en kJ.
Para determinar el costo en dinero de de la energía eléctrica producida en todo el año
expresado en kWh, se conoce que:

3,6kJ = 1kWh

Por tanto:

CE = (86117 Dólares – kJ año) / (3,6kJ /1kWh)

CE = 23921 Dólares/ kWh – año.

Para expresar el costo exergo económico respecto a un kWh debe dividirse el resultado
anterior por la cantidad de kW generados en el año que serían 123859 kWh.
CE/ kW =
23921 ??????????????
123859 ????h
= 0,19 Dólares/ kWh.
El costo exergético unitario del producto es de 0.19
??????????????
????h
.

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CONCLUSIONES

La realización del trabajo permite dar cumplimiento a los objetivos trazados en el
mismo ya que mediante los cálculos realizados se cuantifica la cantidad de fuel
necesario (Combustible Diesel especial) para obtener el producto (Energía
Eléctrica) así como se determinan las irreversibilidades del sistema (L+D) y el
valor de la eficiencia exergética lo que representa el grado de aprovechamiento
del combustible o sea el combustible que pasa al producto en el proceso
tecnológico para generar un kW en el del emplazamiento de Barrederas.

Se establece una comparación del costo exergoeconómico del producto con el
valor estándar que es de ???? = 0.10
??????????????
????h
a nivel de la generación aislada
Diesel,
se llega a la conclusión de que el mismo es ???? = 0.19
??????????????
????h
que
representa un 190 % del valor estándar el cual se ve afectado por valores que
inciden directamente como los costos asociados (Z) pues se estimaron muchos
datos ante la dificultad de obtener los reales.

Se puede plantear también la incidencia del consumo de combustible, ya que el
mimo se ha degradado de 230 g/kWh a 235 g/kWh para lo cual se proponen las
siguientes medidas para disminuirlo:

1. Realizar mantenimiento específico chequeando el correcto funcionamiento
del sistema de combustible del motor.
2. Chequear diario los problemas tecnológicos que no se visualizan en el
AGC ( Filtros de aire sucios, intercambiadores sucios, inyectores
defectuosos, mala calibración y turbos defectuosos)
3. Chequear diario los parámetros de trabajo de los motores fuera de
régimen que se visualizan en el AGC ( Presión de aire, temperatura del
diesel, temperatura del aire y % de carga de trabajo)

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RECOMENDACIONES

Se recomienda que este trabajo se haga extensivo a todos los emplazamientos de
la provincia para tener referencias de análisis exergéticos para lo cual se necesita
mayor facilidad de información y así poder obtener resultados más reales que se
puedan tener en cuenta para la toma de decisiones y acciones en aras de mejorar
la eficiencia de los mismos.

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BIBLIOGRAFÍA

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Zaragoza. 50015 Zaragoza.

Choy P., José Luis. Elementos de construcción y cálculo de los motores de
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Habana, 1994.

M. J. Lapido Rodríguez, M. A. Álvarez Guerra Plasencia, J. A. Castellanos
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M. Muñoz y A. Valero. “La valoración económica en base exergética”. Área de
Máquinas y Motores térmicos. Dpto de Ingeniería Mecánica. (E.T.S.I.I.).
Universidad de Zaragoza. España. 2008.

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Conferencia Provincial Sociedad Ingenieros Mecánicos, Eléctricos e Industriales.
UNAIC. Santiago de Cuba. 2007.

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ANEXOS

ANEXO I. Grupo Electrógeno. (Vista externa)

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ANEXO II. Grupo Electrógeno. (Vista interna)
ANEXO III. Sistema de combustible del motor MTU S-2000.