Evaluación exergética para tecnologías aplicadas a fuentes no convencionales de energía

Exergetic assessment for technologies applied to non-conventional energy sources

Edwin Monroy¹, Kellys Rodríguez ², Marlon Bastidas³

¹ Est. Ingeniería Ambiental, ² Ingeniera Agroindustrial, ^1,2 Facultad de Ingenierías y Tecnológica, Grupo de Energías Alternativas y Biomasa, Universidad Popular del Cesar, Valledupar, Colombia.
³ Doctor en Ingeniería, Facultad de Ingenierías, Grupo de Desarrollo de Estudios y Tecnologías Ambientales del Carbono, Universidad de La Guajira, Riohacha, Colombia.
E-mail: marlonjoseb@uniguajira.edu.co

Cite this article as: E. Monroy, K. Rodriguez, M. Bastidas, "Exergetic assessment for technologies applied to non-conventional energy sources", Prospect, Vol 14, N° 1, 7-14, 2016.

Doi: http://dx.doi.org/10.15665/rp.v14i1.645

Recibido 27/11/2014 Aceptado 30/10/2015

RESUMEN

Los principales esfuerzos para la evaluación de sistemas energéticos se han focalizado a tecnologías convencionales, especialmente para sistemas de conversión térmica; con metodologías ampliamente desarrolladas y resultados de interés para los investigadores del área y las comunidades consumidoras. Sin embargo, los sistemas emergentes de energía son especialmente obtenidos de sistemas no térmicos, aprovechando las Fuentes No Convencionales de Energía (FNCE) derivadas de recurso renovable con baja generación residual; es decir, se tiene una amplia metodología de evaluación energética pero no aplica a tecnologías que utilizan recursos renovables. En este trabajo, se muestra que hay un hilo conductor compatible para la evaluación de sistemas energéticos convencionales, los no convencionales e incluso híbridos. La metodología para evaluar sistemas térmicos parte de la exergía, propiedad energética que se produce de manera independiente al tipo de tecnología de conversión y el recurso energético primario; por lo tanto, fundamentalmente cabe la posibilidad de comparar mediante factores exergoeconómicos diferentes tipos de tecnologías de generación exergética. El resultado principal apuntó a la construcción de un factor teórico que permite involucrar y comparar simultáneamente sistemas energéticos independientemente al recurso requerido. Este factor plantea indicadores de madurez de la tecnología con base en información externa al sistema, aplicada en un mismo entorno para la evaluación.

Palabras clave: Exergoeconomía; Sistemas energéticos; Factor exegoeconómico; Fuentes no convencionales de energía; Energía renovable.

ABSTRACT

The main efforts for the energetic systems assessment have been focused to conventional technologies, especially for thermal energy systems; with methodologies extensively developed and important results for researchers of this area and the consumer communities. However, emergent energy systems are especially obtained from no thermal systems, taking advantage of Energy Non-conventional Sources (ENCS) derived from renewable resource with low residual generation; that means, there's a huge energetic assessment methodology but it doesn't apply for technologies which use renewable resources. This research shows there's a main topic in the conventional energetic systems assessment, the nonconventional and even hybrid systems. The methodology for assessing thermal systems comes from the exergy, which is generated of an independent way to the kind of conversion technology and the primary energetic resource; therefore exergoeconomic factors can be compared through different kinds of exergetic generation technology. The main result aimed at construction of a theoretical factor which let to involve and compare simultaneously energetic systems independently to the required resource. This factor proposes maturity indicators of the technology based on external information to the system, applied in a same contour for the assessment.

Key words: Exergoeconomy; Energy systems; Exergoeconomic factor; Not conventional sources of energy; Renewable energy.

1. INTRODUCCIÓN

La evaluación de los sistemas energéticos tiene su génesis teórica en la termodinámica, cuyo propósito básico es la conversión de energía calorífica en trabajo mecánico. El filósofo Rumford hizo las primeras alusiones sobre el efecto del calor y las vibraciones de las partículas para generar trabajo mecánico, pero fue Joule quien hizo estudios decisivos sobre la equivalencia entre estas dos formas de energía [1]. En adelante, el análisis de los sistemas energéticos se ha contextualizado en la termodinámica, a la cual se le han adherido conceptos nuevos y teorías emergentes como la termoeconomía (Exergoeconomía) [2].

Para explicar lo mencionado anteriormente, es importante tener en cuenta que un sistema energético evaluado desde el punto de vista de la termodinámica, permite establecer la cantidad ideal en la distribución de los flujos totales de energía (Primera Ley) con lo que se identifica pérdidas de energía; sin embargo, este análisis no es suficiente para estimar las magnitudes más significativas de las verdaderas ineficiencias termodinámicas-(VrT) y de los flujos de energía disponibles para producir trabajo, las cuales pueden ser estudiadas teniendo en cuenta las irreversibilidades del sistema (Segunda Ley) [2]. Las VIT están asociadas con los costos de los equipos, costos de operación y mantenimiento, por lo que los análisis de este orden, se han desarrollado dentro del contexto de la reducción de los costos y de las ineficiencias, simultáneamente [3]. A pesar que no se puede asegurar una reducción de costos mediante una reducción de ineficiencias, se ha encontrado que a través de metodologías para la optimización exergética, los sistemas pueden alcanzar un punto de bajo costo de operación a una eficiencia razonable [4]. De esta manera, actualmente el análisis de un sistema energético se desarrolla bajo dos criterios fundamentales; en primer lugar los balances económicos que implica la generación de energía de alta calidad y en segundo lugar los factores que contribuyen a la formación de las VIT, teniendo en cuenta que estas últimas son derivadas de las irreversibilidades estudiadas desde el punto de vista de la Segunda Ley de la Termodinámica. La fusión de termodinámica y la economía dio origen a la termoeconomía, pero ha sido específicamente sobre la exergoeconomía donde se han hecho la mayor parte de los aportes metodológicos de la termoeconomía. El término exergoeconomía, proviene de la fusión entre la exergía y la economía, con lo que se busca estimar, a partir del análisis exergético las VIT y los costos asociados a estas.

Por otra parte, a medida que emergen conceptos derivados de la termodinámica avanzada, se generan modelos energéticos más complejos que conllevan a desarrollar nuevas metodologías de análisis, evaluación y optimización de sistemas energéticos [5-7]. Los primeros métodos de optimización de sistemas energéticos se fundamentaron en el ensayo y error, luego se plantearon los multiplicadores de L'agrange y actualmente se ha recurrido a los algoritmos evolutivos [8-9].

La combinación de la termodinámica y la economía han sido fundamentales para establecer que el principio básico de la evaluación de los sistemas energéticos no es la energía sino la exergía, porque a fin de cuenta, la energía tiene calidades diferentes, dependiendo del origen, mientras que la exergía (energía útil) es la finalidad de utilizar los diferentes tipos de tecnologías y es igual, independientemente de la calidad del recurso energético, es decir, que las necesidades energéticas (productos) conserva la calidad requerida y puede ser obtenido de diferentes fuentes de energía (recursos) [7]. En este orden de ideas, las FNCE también están orientadas a generar exergía con las mismas calidades que las fuentes convencionales, por lo tanto, se puede definir un hilo conductor para evaluar las FNCE a partir de las bases teóricas que se han ido construyendo a través de la historia para evaluar sistemas que tradicionalmente utilizan fuentes térmicas. Este trabajo, tiene como finalidad construir factores exergoeconómicos para evaluar FNCE a partir de los desarrollos provenientes de la evaluación de sistemas térmicos.

2. METODOLOGÍA

Para el desarrollo de los factores exergoeconómicos aplicados al FNCE se utilizó la información secundaria de las bases de datos más importantes, en la que se analizaron los aspectos de mayor relevancia para la evaluación de los sistemas energéticos. Un trabajo central para la metodología fue el realizado por Paulus y Tsatsaronis (2006), en el que incluyó en el análisis los valores de los precios de la exergía para evaluar los ingresos en un sistema energético convencional [10]. Los autores aplicaron el F-Principio, el cual consiste en desarrollar un sistema de ecuaciones lineales para calcular los costos exergético unitarios de las corrientes que interconectan los equipos de un sistema térmico, con base en los costos del recurso (combustible-F) y los costos de los equipos utilizados [10-11]; y establecieron el homologo para el producto o P-Principio, en cual permite establecer un sistema de ecuaciones lineales con base en el precio exergético del producto (Trabajo Útil-P). Para explicar el P-Principio para FNCE se puede analizar la figura 1.

Para los sistemas energéticos derivados de FNCE, se tiene en cuenta como corriente de entrada los recursos no convencionales, los cuales por lo general no generan residuos, por lo tanto en la figura 1, se aprecia que solo hay una corriente de entrada (F) y una corriente de salida (P), porque se supone que las FNCE no generan residuos (R) o flujos másicos con contenido energético no aprovechable, los cuales si son relevantes en los sistemas energéticos convencionales. Del balance exergético de la figura 1 y teniendo en cuenta el P-Principio se puede obtener el balance expresado en la Ec. (1).

Donde É_f y É_p [kJ/s]son los flujos de exergía del recurso (FNCE) y del producto (trabajo), respectivamente; mientras c_F [$/kJ] es el costo exergético unitario del recurso, c_p [$/kJ] es el costo unitario del producto y Z_SE [$/s] es el flujo de costos de la tecnología utilizada incluyendo los costos de operación y mantenimiento, es decir, si la FNCE es eólica entonces sería el costo del (os) aerogenerador(es), la operación y el mantenimiento durante la vida útil [10]. Pero si el recurso es gratuito, entonces cF es cero, por lo tanto cP es igual a Z_SE / É_p.

Por otra parte, los recursos del sistema FNCE son totalmente "gratuitos" y son aportados por el entorno (medio), mientras que los sistemas convencionales los recursos por lo general tienen un costo y posteriormente generan residuos que contaminan el entorno. Esto hace que el sistema FNCE sea atractivo y se hagan numerosos esfuerzos para madurar la tecnología y reducir los costos de la misma para que la generación mediante FNCE sea competitiva frente a los costos de generación con tecnologías convencionales. Sin embargo, el precio impuesto por la relación oferta-demanda para la energía útil es igual para todos los casos, suponiendo que estos se interconectan con el sistema nacional, de tal manera que los usuarios pagan las tarifas del mercado independientemente de la fuente de generación.

El hecho que los sistemas FNCE aprovechen recursos gratuitos hace difícil realizar evaluaciones tecnológicas a partir de los costos, por lo tanto la metodología empleada en este trabajo toma como parámetro fundamental los precios de la energía útil (producto) para hacer la evaluación y las comparaciones con los sistemas convencionales. Con la inclusión del precio, se puede tener una aproximación de la capacidad real y potencial de ingresos, cuando el sistema está operando.

Para ello se considera que los ingresos potenciales, que podrían denominarse de mejor manera como beneficios potenciales, dependen del funcionamiento del sistema y de la venta del producto en el mercado; es decir, la primera parte de estos ingresos depende del valor de la exergía en el mercado y la segunda parte, se obtendría de lo que se deja de pagar por la exergía perdida y destruida si el sistema operara en condiciones ideales, por lo tanto los ingresos potenciales quedarían representados por la Ec. (2).

En la Ec. (2) R_PT, representa los ingresos potenciales, r_P el precio exergético unitario y É_L + É_D es la suma de la exergía perdida y destruida durante el funcionamiento del sistema FNCE. El flujo de ingresos potenciales depende directamente de la exergía producida y el precio de la exergía en el mercado; pero también depende del estado y funcionamiento del sistema, esto es de la cantidad de exergía perdida y destruida, debido a que sería el ingreso que se dejaría de recibir por el pago de la exergía no aprovechable.

En el caso que la Ec. (2) se divida por el factor r_PÉ_p se obtiene la Ec. 3, de la siguiente manera:

La Ec. 3 es una relación de los ingresos teóricos (R_PT) y los ingresos por la venta de la exergía en el mercado (r_p(E_P)^.), esto quiere decir que R_PT ≥ r_P (E_P). El factor entre paréntesis de la Ec. (3) se obtiene de la relación desarrollada por Bejan et. al (1996), en la que relaciona la eficiencia exergética (e) con las exergías de un sistema, tal como se muestra en la Ec. (4) [3, 12].

El factor de la Ec. 4 es una representación del funcionamiento del sistema, que permite establecer las necesidades de mantenimiento cuando la eficiencia exergética está con valores por debajo a la eficiencia exergética normal del equipo. Para este trabajo, el factor de la Ec. 4, permite mantener el control de la eficiencia exergética en los niveles de funcionamiento señalados por las FNCE y los sistemas convencionales reportados en la literatura.

La Ec. 5 resulta de sustituir la Ec. 4 en la Ec. 3 y reorganizando los factores para obtener la eficiencia potencial de ingresos (E_PI = r_P(E_P)^./R_PT).

La E_PI tiene valores entre cero y uno, estableciendo el porcentaje de ingresos que se deja de percibir a causa de la exergía perdida y destruida en el sistema, de tal manera que si el factor tiende a cero los ingresos que se obtienen serían bajos y el sistema requerirá mantenimiento, pero a la vez es una alternativa para establecer metas de optimización para mejorar la eficiencia del sistema y alcanzar mejores niveles de ingresos por FNCE, cuando se busca que este factor se acerque a los valores encontrados para los sistemas convencionales.

Mediante la Ec. 5 es posible evaluar diferentes sistemas de manera simultánea dentro de un mismo escenario. Para un primer modelo teórico se tomará como escenario los precios de exergía (electricidad) del mercado en Colombia, mientras que el rango de costos exergéticos unitarios y de las eficiencias exergéticas de las más modernas tecnologías de generación se tomarán de la literatura, tal como se muestra en la tabla 1.

Los valores reportados del costo exergético unitario y la eficiencia exergética de las diferentes tecnologías, depende del tamaño de los sistemas, la calidad de los materiales utilizados y la disponibilidad de los recursos. En este sentido, hay un rango de datos en la tabla 1, que busca satisfacer la mayor parte de las condiciones de las tecnologías incluidas en el análisis. Para el caso del precio exergético unitario del producto, corresponde a una variable incierta que depende de las condiciones del mercado, pero sería igual para todas las tecnologías. Finalmente, los valores de la tabla 1, se toman bajo el supuesto que se incluyen todos los costos necesarios para la operación y funcionamiento de cada sistema en un escenario favorable para que se desarrolle la tecnología; es decir, que se tenga la materia prima disponible y el sistema puesto a punto, con base en las diferentes evaluaciones relacionadas en la literatura.

En Colombia, se pueden plantear estudios más específicos donde se evalúe de manera simultánea diferentes tecnologías, como el caso de La Guajira, en el que se tienen las condiciones para generar con FNCE solar y eólica, pero a la vez se tiene la generación de electricidad con carbón y gas natural. En la figura 2, se muestra como los flujos porcentuales de energía para un escenario como La Guajira.

Es necesario aclarar que las eficiencias de las tecnologías, especialmente para las convencionales, mejoran con un aumento en la generación; por lo tanto en la figura 2, se muestra las necesidades de recurso energético por cada 10 MW generados para las mejores eficiencias alcanzadas en las tecnologías involucradas. En las tecnologías convencionales las necesidades de energía primaria son menores para producir una misma cantidad de exergía, lo que las hace favorables en un mercado común; por lo tanto, las FNCE deben enfocarse inicialmente a mercados emergentes que permitan explotar sus beneficios. En este orden de ideas, las FNCE están destinadas a emplearse en las Zonas No Interconectadas (ZNI) debido a que el recurso está disponible y las tecnologías se adecuan a las necesidades de los usuarios de estas zonas con base en condiciones de favorabilidad del estado. Adicionalmente, es importante destacar que las FNCE no tienen emisiones, factor de importancia que no se incluye habitualmente en la estructura de análisis de costos de la generación de energía, siendo un aspecto fundamental para tratar en próximos trabajos.

3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN

Un primer modelo planteado es la evaluación de la eficiencia exergética, con base en un precio exergético unitario fijado en el rango y los costos exergéticos unitarios para cada tecnología, tomados de la tabla 1. La figura 3, muestra la variación de la eficiencia potencial de ingresos con respecto a las eficiencias exergética típicas de cada tecnología.

La tecnología de gas natural presenta mayor eficiencia potencial de ingresos para todos los rangos de datos tomado de la tabla 1, siendo una de las razones de este efecto los mejores valores de eficiencia exergética, lo que da cuenta de una madurez de estos sistemas, al igual que la tecnología para carbón. Entre las FNCE evaluadas, la tecnología fotovoltaica requiere mayores esfuerzos para mejorar la eficiencia exergética y por ende la eficiencia potencial de ingresos, mientras que la tecnología de biomasa está cercana a los sistemas convencionales, sin embargo, requiere algún esfuerzo para hacerla competitiva y no como una alternativa para reducir las emisiones al medio. No obstante, la evaluación de la eficiencia potencial de ingresos debido a la variación de las eficiencias típicas de las tecnologías es suficiente para sacar conclusiones globales; por lo tanto, se analiza su comportamiento con la variación del precio exergético unitario, tal como se muestra en la figura 4.

La eficiencia potencial de ingresos es aproximadamente constante para todas las tecnologías a diferentes precios exergéticos unitarios, esto es una muestra que la mejora de la eficiencia exergética de las FNCE tiene mayor efecto en la eficiencia potencial de ingresos, que la ofrecida por el aumento en el precio exergético unitario; adicionalmente, se considera que el precio exergético unitario es una condición externa a los sistemas y afecta a todas las tecnologías con la misma intensidad, es decir, que un aumento en el precio aumentaría el ingreso de las FNCE, pero también lo haría para sistemas convencionales.

Otro aspecto importante de análisis es el comportamiento de la eficiencia potencial de ingresos considerando simultáneamente los rangos de costos y precios exergéticos unitarios para eficiencias exergéticas típicas de las diferentes tecnologías. En la figura 5, se muestra las líneas del precio exergético unitario inclinados hacia la derecha, es decir, con pendiente positiva, el caso contrario ocurre para el costo exergético unitario que tiene pendiente negativa para todas las tecnologías.

En la figura 5, se muestra que la eficiencia potencial de ingresos tiene rangos similares tanto para el costo y el precio exergético unitario en cada una de las tecnologías evaluadas, lo que significa que la madurez de las FNCE deben enfocarse en el mejoramiento de las tecnologías utilizadas, empleando materiales de bajo costo y en escenarios con recursos favorables para alcanzar los niveles potenciales de ingresos de los sistemas convencionales. Los sistemas convencionales tienen los rangos del precio exergético unitario por encima de los rangos de costos exergéticos unitarios, presentando un margen importante en la obtención de ingresos. Para las FNCE, en la biomasa las líneas de costos y precios exergéticos se cruzan en la mitad aproximadamente, lo que indica que esta tecnología ha avanzado y se acerca a los niveles de competitividad de los sistemas convencionales; para la fotovoltaica y la eólica las líneas de costo exergético unitario están por encima de las líneas de precio exergético unitario, por lo tanto, se nota que las tecnologías no son los suficientemente fuertes para competir en condiciones normales con la biomasa y con los sistemas convencionales.

Un escenario que reúna las condiciones para que las FNCE sea competitiva frente a las tecnologías convencionales, en la actualidad es poco probable; por lo tanto, es importante plantear evaluaciones de las FNCE incluyendo aspectos ambientales, como la inclusión del mercado de bonos de carbono, la producción energética con cero emisiones y la inclusión de subsidios e incentivos tributarios para la financiación de proyectos de FNCE.

Con la Ec. 5 se puede determinar que para la generación con eólica a los niveles potenciales de ingresos similares de energía convencional, es necesario que se cumplan varios criterios, principalmente que se den las condiciones de velocidad del viento sostenible para que se alcance el mayor rendimiento de los aerogeneradores con eficiencias exergéticas por encima del 40% y que los costos exergéticos sean el valor mínimo presentado en la tabla 1 ($100/kWh), lo cual solo ocurre para producción a gran escala.

4. CONCLUSIONES

• En primera instancia, los sistemas FNCE están en desventaja con respecto a los sistemas convencionales debido a que el precio de la energía eléctrica en la bolsa se establece por las variaciones que se presentan en los procesos de generación hidráulica y térmica, teniendo en cuenta que estos son los principales alimentadores al interconectado nacional. Los sistemas FNCE están madurando su tecnología para bajar los costos de generación, mientras que son empleados en Zonas No Interconectadas (ZNI) en sistemas independientes con miras a la producción energética limpia.
• Para que los sistemas FNCE sean competitivos se requiere que haya escenarios de favorabilidad y se utilicen sistemas de gran tamaño para bajar los costos exergéticos unitarios de generación, por ejemplo los sistemas eólicos para que sean competitivos requieren mantener la eficiencia exergética por encima del 40% y bajar los costos exergéticos unitarios hasta $100/kWh. Los sistemas FNCE tienen la ventaja que no generan contaminación de material particulado ni gases de efecto invernadero, por lo que el pago que deben hacer la medio ambiente es mínimo, contrario a las tecnologías convencionales que emplean recursos fósiles o materiales radioactivos, los cuales deben pagar al medio ambiente. No obstante, el medio ambiente no tiene capacidad de exigir los recursos por ser contaminada, pero intenta mantener el equilibrio manifestando cambios climáticos globales que afectan la humanidad.
• No es sencillo evaluar sistemas FNCE debido a que son tecnologías emergentes que requieren mayores desarrollos para ser competitivas frente a los sistemas convencionales, por eso es importante desarrollar factores exergoeconómicos, ampliamente empleados para evaluar fuentes energéticas de origen térmico [2122]. Los factores exergoeconómicos se basan en la generación de exergía (energía útil/electricidad), el cual es un producto de cualquier sistema energético, independientemente del origen del recurso y la tecnología utilizada; por lo tanto, aplicando estos factores, es posible comparar de manera simultánea los sistemas con fuentes convencionales de energía con las FNCE en un mismo escenario, con la posibilidad de establecer que tanto ha avanzado el desarrollo tecnológico de estas tecnologías para que puedan ser competitivas.
• Por otra parte, es importante establecer la manera de evaluar los costos que se deben pagar al medio por la contaminación derivada de la generación con combustibles fósiles, así como aquellos que utilizan las tecnologías convencionales de generación para la obtención de utilidades, haciendo los cálculos económicos, que actualmente representan con valor cero a los gases que van al medio ambiente.

AGRADECIMIENTOS

Los autores agradecen a la División de Investigación de la Universidad Popular del Cesar y Colciencias por aportar recursos para el desarrollo de este trabajo. Al Centro de Investigación de la Universidad de La Guajira por brindar la asesoría necesaria y permitir acceder a información de FNCE en zonas del departamento de La Guajira. Finalmente le agradecemos muy especialmente a la estudiante Liseth Carolina Gutiérrez Quiroz y el Semillero de Investigación del Grupo de Energías Alternativas y Biomasa por su colaboración para llevar a feliz término este trabajo.

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