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EFICIENCIA ENERGÉTICA Y USO RACIONAL DE
LA ENERGIA EN EL MARCO DEL PROGRAMA DE
PRODUCCION MAS LIMPIA DEL AREA
METROPOLITANA DEL VALLE DE ABURRA
www.metropol.gov.co
Módulo 6:
Energía, economía y medio
ambiente
Objetivos
• Analizar la relación energía y economía, particularmente
en los procesos industriales
• Analizar las interacciones entre los sistemas energético
y el ambiente, teniendo como referencia los procesos
industriales
Contenido
• Importancia de la energía en el desarrollo histórico de la
humanidad
• Formas en que se incorpora la energía en la economía y
la sociedad
• La energía en los procesos industriales
• Energía y economía
• Energía y ambiente
Importancia de la energía en el desarrollo histórico
de la humanidad
• Existe correlación directa entre la energía y el crecimiento
económico y calidad de vida de una sociedad.
• Su acceso se constituye en un factor de equidad social.
• Elemento dinamizador de la geopolítica mundial.
• Su examen ha motivado importantes desarrollos científicos
y tecnológicos.
• Referente ineludible cuando se plantea el tema del
desarrollo sostenible.
Visión sistémica de la energía
Economía
Energía
Sociedad
Ambiente
Formas en que se incorpora la energía en la
economía y la sociedad
• Energía
primaria
• Energía secundaria
• Energía final
• Energía útil
• Energía primaria:
Son aquellas energías provistas por la naturaleza, ya sea
en forma directa, como la hidráulica, eólica y solar, o
después de atravesar un´proceso minero, como el petróleo
crudo, el gas natural, el carbón mineral, los minerales
fisionables y la geoenergía, o a través de la fotosíntesis,
como es el caso de la leña y los otros combustibles
vegetales y de origen animal.
• Energía secundaria:
Son aquellos productos energéticos resultantes de los
diferentes centros de transformación, que tienen como
destino los diversos sectores de consumo y eventualmente
otro centro de transformación.
Energías primarias
Combustible nuclear: uranio
Energía disponible en fósiles y biomasa
Combustibles fósiles y paradigmas de
conversión energética
1.
Combustión → liberación de calor → conversión a
otras formas de energía.
2.
Conversión directa de la energía química de un
combustible a electricidad y calor: de la era del fuego
a la era de la electroquímica.
Paradigma basado en la combustión
• Energía final:
Es la energía transformada, de tal manera que ya se
encuentra disponible para un servicio especifico.
• Energía útil:
Es la forma que adquiere la energía al momento de
utilizarse durante un proceso determinado, iluminación,
locomoción, tracción, refrigeración, calentamiento, etc..
Configuración de los sistemas energéticos
Fuentes primarias
de energía
Adecuación y
procesamiento
Transporte
Medio
Ambiente
Transformación o
conversión energética
Cadena
ES
Almacenamiento
EP
Energética
EP
Transporte
EP
Distribución
EP
ES
Usos finales
Energéticos
No energéticos
Canasta energética nacional
Consumo final por fuente
Fuente UPME
Canasta energética nacional
Consumo por sectores
Fuente UPME
Consumo
Final
Sector
Consumo
Final Sector
IndustrialIndustrial
Principales
Ramas
Principales Ramas
(2003)(2003)
Otros
Maquinaria
Hierro Acero
Vidrio y Cer.
Cemento
Químicos
Papel
Textil
Alimentos
0.0
10.0
20.0
30.0
40.0
50.0
60.0
70.0
80.0
90.0
Peta Julios
Tomado de “OFERTA Y DEMANDA DE ENERGÍAEN EL SECTOR INDUSTRIAL”, II Conferencia
Internacional Expoenergia Bogotá Septiembre de 2004. Ismael A. Concha P. - UPME
Formas en que se incorpora la energía en la
economía y la sociedad: otros conceptos
• Fuentes renovables de energía:
Son las fuentes naturales de energía que por su propia
condición y característica se renuevan permanentemente como
producto de los ciclos normales de la naturaleza. Comúnmente,
se aceptan como fuentes renovables de energía las siguientes:
solar, eólica, hídrica, geotérmica y biomasa.
• Fuentes no renovables de energía:
Son aquellos productos de ciclos naturales antiguos, que tienen
una existencia limitada, y no se renuevan dentro del lapso de
tiempo aceptable para ser aprovechada permanentemente por
la humanidad. Normalmente se aceptan como fuentes no
renovables de energía al petróleo, el gas y el carbón.
Formas en que se incorpora la energía en la
economía y la sociedad: otros conceptos
• Fuentes no convencionales de energía :
Son aquellas fuentes de energía disponibles a nivel
mundial que son ambientalmente sostenibles, pero que en
el país no son empleadas o son utilizadas de manera
marginal y no se comercializan ampliamente. Estas fuentes
pueden ser renovables o no renovables.
• Fuentes alternas de energía:
Se entenderá como energía alternativa las fuentes no
convencionales de energía y las fuentes renovables de
energía.
Energía y procesos industriales
Tipos de energía final en procesos
industriales:
Energía mecánica rotacional
• Electricidad
Iluminación
Sistemas computacionales
Generación de calor
Inducción
Efecto Joule
Proceso de alta temperatura
• Calor
Generación de frío
Procesos de baja temperatura
Secado
Calentamiento
H2O
Procesos típicos consumidores de energía en
la industria
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Accionamiento de motores eléctricos.
Iluminación.
Procesamiento y almacenamiento de la información.
Calentamiento de materiales.
Generación de vapor.
Calentamiento de fluidos térmicos.
Fusión de materiales.
Generación de frío.
Secado.
Acondicionamiento de aire.
Perfil energético en la industria
• Muestra la relación de la utilización del calor y la
electricidad en los procesos de una industria en función
del tiempo.
• Permite identificar si una industria es intensiva en calor o
electricidad.
• Permite identificar las posibilidades de sustitución entre
el calor y la electricidad.
• Permite identificar las posibilidades de utilizar sistemas
de cogeneración o trigeneración.
Representación de un perfil energético
Algunos perfiles energéticos en el Valle
de Aburrá
Caso 1: Industria Textil - Acabado
Diagrama de procesos
E.E.(Iluminación)
E.E.(Iluminación,
E.E.(Iluminación,
Fuerza motriz)
Fuerza motriz)
TEÑIDO Y LAVADO
ALMACENAMIENTO M.P.
Carbón
(Vapor)
Agua
E.E.(Iluminación,
Fuerza motriz, AC)
Gas Natural
(Vapor)
EXPRIMIDO
ESTAMPADO
E.E.(Iluminación,
E.E.(Iluminación,
Fuerza motriz)
Fuerza motriz)
SECADO
Carbón
(Vapor)
CENTRIFUGADO
Carbón
(Vapor)
Gas Natural
(Aceite Térmico)
E.E.(Iluminación,
Fuerza motriz)
SECADO
E.E.(Iluminación,
Fuerza motriz)
TERMOFIJADO
Gas Natural (Productos de
combustión)
E.E.(Iluminación)
ALMACENAMIENTO
Y DESPACHO
Carbón
(Vapor)
E.E.(Iluminación,
Fuerza motriz)
ACABADOS ESPECIALES
Caso 1: Industria Textil - Acabado
Consumo de energía mensual
Consumo de energía
mensual (kWh/mes)
3.000.000
2.500.000
2.000.000
1.500.000
1.000.000
500.000
-
Enero
Feb
Marzo
Abril
Mayo
Junio
Julio
Agosto
Sep
Oct
Nov
Dic
EE 150.15 215.35 241.47 264.95 247.64 270.91 284.15 302.36 311.36 323.47 299.84 223.70
ET 607.25 1.104. 1.331. 1.037. 1.178. 1.456. 1.334. 2.246. 1.915. 2.025. 2.292. 1.655.
Caso 1: Industria Textil - Acabado
Promedio = 5,69
ET/EE Mínimo = 3,92
Máximo = 7,64
Relación Energía Térmica (ET) a Energía Eléctrica (EE)
9,00
Relación ET/EE
8,00
9,00
8,00
6,00
5,00
4,00
3,00
2,00
1,00
0,00
7,00
6,00
5,00
4,00
3,00
2,00
ET/EE
7,00
Promedio = 5,69
Mínimo = 3,92
Máximo = 7,64
ET/EE
Enero
Feb
Marzo
Abril
Mayo
Junio
Julio
Agosto
Sep
Oct
Nov
Dic
4,04
5,13
5,51
3,92
4,76
5,38
4,70
7,43
6,15
6,26
7,64
7,40
Caso 2: Industria Textil - Confecciones
Diagrama de proceso
E.E. (Iluminación)
Almacenamiento
de M.P.
E.E.
(Iluminación)
Revisión
de Tela
E.E.
(Iluminación,
motores, AC)
Extendido
E.E.
(Iluminación,
motores, AC)
Trazo y Corte
Confección
E.E.
(Iluminación,
motores, AC)
Colocación de
Botones
Colocación de
Cremalleras
Colocación de
Accesorios
Control de
Calidad
E.E.
(Iluminación,
motores, AC)
E.E.
(Iluminación, AC)
E.E.
(Iluminación,
motores, AC)
ET (GN)
E.E.
(Iluminación,
motores, AC)
Caso 2: Industria Textil - Confecciones
Consumo de energía mensual
Consumo de energía
mensual (kWh/mes)
300.000
250.000
200.000
150.000
100.000
50.000
-
Enero
Feb
Marzo
Abril
Mayo
Junio
Julio
Agos.
Sept.
Oct.
Nov.
Dic.
EE 214.37 214.16 215.32 236.04 236.88 239.34 262.84 261.97 265.39 253.61 228.54 187.01
ET 13.875 13.139 14.114 13.502 13.450 16.810 16.198 15.897 17.950 15.265 13.481
8.545
Caso 2: Industria Textil - Confecciones
Relación Energía Térmica (ET) a Energía Eléctrica (EE)
Promedio = 0,061
Promedio
= 0,061
Mínimo = 0,046
ET/EE Mínimo = 0,046
Máximo = 0,070
ET/EE
Máximo = 0,070
,080
,070
,060
,050
,040
,030
Relación ET/EE
0,080
0,070
0,060
0,050
0,040
0,030
0,020
0,010
-
,020
,010
-
ET/EE
ET/EE
Enero
Feb
Marzo
Abril
Mayo
Junio
Julio
Agos.
Sept.
Oct.
Nov.
Dic.
0,065
0,061
0,066
0,057
0,057
0,070
0,062
0,061
0,068
0,060
0,059
0,046
Enero
Feb
Marzo
Abril
Mayo
Junio
Julio
Agos.
Sept.
Oct.
Nov.
0,065
0,061
0,066
0,057
0,057
0,070
0,062
0,061
0,068
0,060
0,059
0
SIC
20
22
23
24
25
26
27
28
29
30
32
33
34
35
36
37
38
39
Descripción
Comida y productos
Alimentos
y bebidasafines
Textiles y productos mezclados
Ropa y productos textiles
Productos de madera
Muebles y adornos
Papel y productos relacionados
Litografia y publicidad
Productos químicos y afines
Derivados del carbón y petróleo
Caucho y productos plásticos
Piedra, arcilla y productos de vidrio
Industria de metales primarios
Fabricación de productos metálicos
Maquinaria industrial y equipos
Equipos eléctricos y electrónicos
Equipos de transporte
instrumentación y productos relacionados
Industria manufacturera variada
Proceso
Ensamblado
Horneado
Hervido
Bondeado
Enfriamiento
Curado
Cortado
Secado
Extrusión
rectificado
Tratamiento térmico
Incineración
Inyección y moldeo
Laminado
Maquinado
Fundición
Mezclado
Moldeado
Pintura
enchapado
Prensado
Impresión
Sinterizado
Soldado
Soldadura
Tomado de la revista “Applied Thermal Engineering” 26 (2006) 2079-2086 pg
2080. Department of Mechanical Engineering San Diego State University
20
10
Intensidad energética
30
(kWh/$1000)
40
Relación T/E
Intensidad energética y relación T/E por
SIC en California
0
1
2
3
4
5
6
7
Relación promedio T/E
Relación promedio T/E
Intensidad energética
Tomado de la revista “Applied Thermal Engineering” 26 (2006) 2079-2086 pg
2080. Department of Mechanical Engineering San Diego State University
40
30
Relación
T/E e Intensidad energética por
20
proceso
10
0
Relación T/E
2
3
4
5
6
Relación promedio T/E
Relación promedio T/E
Intensidad energética
7
Intensidad energética
(kWh/$1000)
1
Tomado de la revista “Applied Thermal Engineering” 26 (2006) 2079-2086 pg 2081.
Department of Mechanical Engineering San Diego State University
Relación entre el calor y la electricidad en la
industria del cemento
Clasificación según la temperatura del
proceso
• Baja temperatura:
• Calentamiento de líquidos industriales y producción de
agua caliente: 45 – 100ºC.
• Calentamiento de aire para secado industrial: 70 – 120ºC.
• Alta temperatura:
• Fusión de metales: 232ºC, 657ºC, 1083ºC, 1530ºC.
• Forja: 1000ºC.
• Tratamientos térmicos: 450ºC, 600ºC, 900ºC, 1000ºC.
• Procesos cerámicos: 1110 – 1370ºC
•Producción de cemento: 1400 °C
•Fusión de vidrio: 1500 °C
Parámetros para el manejo de la energía en la
industria
• Intensidad energética
• Factor de carga o utilización de los procesos
• Relación calor – electricidad
Nuevos criterios de clasificación de las industrias
del SIC
POEIC
SIC: Standard Industrial Classification
POEIC: Process Oriented Energy Intensity Classification
Relación T/E
Potencia de RCD
(termias/año)
50
40
30
20
10
0
Curado
1
Secado
2
Extrusión
3
4
5
Rectificado Incineración Laminación Fundición
6
7
Mezclado
Galvanizado
3 Incineración
4 Laminación5 Fundición 6 Mezclado
Secado1 Extrusión 2 Rectificado
7Galvanizado
Relación promedio T/E
Proceso
Potencial de RCD
50
40
30
20
10
0
Curado
Relación
promedio T/E
Proceso
Intensidad energética
Pico porcentual
Tomado de la revista “Applied Thermal Engineering” 26 (2006) 2079-2086 pg 2082.
Department of Mechanical Engineering San Diego State University
Reducción porcentual del
factor de carga
Intensidad energética
(kWh/$1000)
T/E
Energía y economía
Energía y economía: categorías básicas para
entender su relación.
– Intensidad energética.
– Impacto de la energía en la competitividad industrial
– Energía en la función de producción.
– La energía en los costos de producción
– Funciones de demanda de energía.
Intensidad energética en términos
macroeconómico
IG =
Energía primaria consumida en un período por una región o país
Cantidad de bienes y servicios (PIB)
IG =
Energí final consumida en un periodo por una región o país
Cantidad de bienes y servicios (PIB)
Unidades de energía ® TEP, Kw Ч h
Unidad monetaria del PIB ® $
TEP Kw Ч h
,
$
$
La intensidad energética de un país depende de:
 Nivel de crecimiento de la economía.
 Tecnología utilizada en los diferentes eslabones de la
cadena energética.
 Estructura productiva:
- Industria con alta intensidad sectorial.
- Transporte masivo vs. individual.
- Comportamiento de los usuarios en materia de:
calefacción, climatización, grado de informatización y
automatización.
 Situación geográfica y climatológica.
Conceptos para la valorización económica de
la producción de una industria
Volumen de producto (Q). Denota la cantidad física de producto,
generalmente dado en toneladas.
Valor de venta. Es el valor comercial del producto en moneda corriente
dividido por un índice de precio
VS = VSC / P
VS :Valor de venta del producto en moneda constante
VSC :Valor de venta del producto en moneda corriente
P : Indice de precio
Valor de producción. En moneda constante es el de la cantidad física
de producto por precio unitario en moneda corriente, dividido por el
índice de precio


VP = Q  PC / P
VP : Valor de la producción en moneda constante
Q : Cantidad física de producto
PC : Precio unitario en moneda corriente
P : Indice de precio
Valor agregado. Es el valor comercial de la producción menos los costos
variables, dividido por el índice de precio


VA = VSC  CvC / P
VA : Valor agregado en moneda constante
VSC :Valor de venta de la producción en moneda corriente
Cv : Costos variables en moneda corriente
P : Indice de precio
Intensidad energética en procesos industriales
Energía (E)
Productos
(Outpat: O)
Materiales (m)
Fuerza laboral (L)
Dada una medida de la energía (E) que entra al proceso y una medida
del producto obtenido (O), la intensidad energética (I) se define:
I=
Energía E
=
Outpat O
I :en unidad de energía : KJ, Btu, kwh, Kcal
E :es la energía total que usa el proceso
La unidad del Output puede estar dada en:
- En un indicador económico: valor agregado, valor comercial y
valor de la producción
- En un indicador físico: peso del producto, unidades de producto y
otras
Energía
kWh BTU KJ Kcal
I=
=
,
,
,
Indicador físico Ton Ton Ton Ton
Energía
kWh BTU KJ Kcal
I=
=
,
,
,
Indicador económico
$
$
$
$
Indicador económico: f (Valor de producción o el valor agregado)
Si
Energía
I=
:
Indicador físico
Indicador físico de intensidad energética
(Phisical Energy Intensity: PEI)
Intensidades energéticas en términos económicos
SEC promedio anual en las PyMES en Indonesia, 1996
Sector /
Código
ISIC
Consumo específico de
combustible (TJ/1000 ton de
producto)
Promedio
Rango
GJ/Millones de rupiah
31
32
33
34
35
36
38
12
5,9
31,8
2,8
0,4
8,2
6,8
12,6
10,38
Consumo específico de
electricidad (MWh/1000 ton de
productos)
Promedio
Rango
0,08-23,5
5-84,5
1,5-6
0,04-1,8
0,1-23,3
1,5-15,7
0,2-45,9
152,7
956,8
286,6
135,8
939,9
67,3
985,2
2,9-689,2
101,5-2755,6
48,86-694,2
1,5-195,2
52,1-4303,7
16,2-356,5
57,9-2944,6
SEC (TJ/1000 ton) del sector
industrial en Thailandia
(Consumo de combustible y
electricidad)
2,25
11,68
1,15
3,69
3,05
6,37
1,48
10,06
10
8
6
4,67
3,27
4
3,11
1,99
2
1,14
0
31
35
34
33
38
36
32
Código del sector industrial
Intensidad energética de algunos sectores industriales pequeños de Indonesia, 1993
Relación entre la intensidad energética y la
eficiencia técnica de un proceso
• La energía útil necesaria para transformar un material depende de
la naturaleza física, química y mecánica.
• Debido a que en toda transformación energética, ocurre
degradación de energía, se requiere una cantidad de energía
mayor que la útil
E
e
Eu
• Dadas las características del bien a producir, la energía total (E)
depende de la eficiencia de conversión energética del proceso o
equipo usado:
Eu
Eu
e=
 E=
E
e
Intensidad energética en función
de la eficiencia
- Dadas las características y cantidad del bien a producir (Eu y O
son constantes)
E Eu
C
I= =
I=
O e.O
e
 e ® I
Recomendaciones para determinar la
intensidad energética
•
•
Seleccionar en términos de que índice se va a definir
- Indicador físico
- Indicador económico
Si parte de la energía total es aportada por un combustible, cuantificar en
función del poder calorífico superior (PCS):
 KJ 
 ® KJ
Et = mc PCS ® kg
 kg 
Et : Energía térmica aportada por el combustible: KJ, kWh, BTU y Kcal
mc : Masa de combustible consumida en la producción del bien: Kg, toneladas,
libra-masa
PCS : Poder calorífico superior del combustible:
KJ kWh Kcal BTU
,
,
,
kg kg
kg lbm
Recomendaciones para determinar la
intensidad energética
• Convertir el consumo de energía eléctrica y energía
térmica a una misma unidad de energía:
Si Et KJ  ® kWh
EE kWh ® kWh
Si EE kWh ® KJ
Et KJ  ® KJ
• Determinar la energía total
ET = EE  Et
Factores que afectan la intensidad energética
industrial
La intensidad energética industrial depende de:
• Eficiencia energética de los procesos: EEP
- Tipo de tecnología de conversión energética
- Operación y mantenimiento
- Productividad laboral
• Componente estructural del sector: CES
- Características finales del bien a producir
- Características física, químicas, térmicas y mecánicas
de las materias primas
- Características y especificidades del conjunto de
procesos necesarios para producir el bien
IE= f (EEP, CES)
Factores que afectan la intensidad energética
industrial
• Problemas en la comparación de IE entre empresas de
un sector
- Si existe alta heterogeneidad en el CES, se puede
tener sesgo e imprecisiones: altos intervalos de
variabilidad
- Si el CES es homogéneo o igual, en el conjunto de
empresas a comparar
IE= f (EEP)
Metodología para el análisis comparativo de
intensidades energéticas en la industria*
Premisa: los indicadores estructurales, son determinantes para establecer
comparaciones entre intensidades energéticas de industrias de un
sector, en un mismo país o países diferentes.
Metodología
•
Definir los indicadores estructurales en el sector industrial que se
estudia
•
Definir criterios para seleccionar la intensidad energética de referencia
u óptima, para cada indicador estructural
•
Graficar la intensidad energética de referencia en función del indicador
estructural
•
Para el conjunto de industria con indicador estructural igual o
comparable, comparar su respectiva intensidad energética con el valor
de referencia referencia.
*(G.S.M Phylipsen y otros: Energy Policy V25, No 7 – 9, pp 715 – 725, pp 1997)
Indicador estructural
Comparación de eficiencia energética entre países: el SEC como una
función de la estructura del sector para la industria cementera. El punto
superior () representa el SEC presente, mientras que la línea sólida
representa el SEC de referencia (dependiendo de la estructura del sector,
esto es la relación de la producción de clinker a la producción de cemento)
Energy policy, Vol 25, Nos. 7-9, pp. 715 – 725, 1997. pg 719
Energía y competitividad industrial
• El impacto de la energía en la competitividad solo ha
sido examinado en función de los costos de producción
• Es evidente que la disminución de la intensidad
energética (aumento de la eficiencia) disminuye los
costos de producción
mayor competitividad
• Dependiendo de la naturaleza y especificidades de
algunos procesos productivos, es posible la existencia
de impactos “ocultos”, mas importantes que la incidencia
sobre los costos
Energía y competitividad industrial
• La internalización de nuevos costos (ambientales) en
la función de costos, implican repensar el impacto de
la energía en la competitividad.
• Es necesario desarrollar modelos mas integrales, para
examinar el impacto de la energía en la competitividad
• Energía:
Energético + “tecnología de conversión
energética apropiada”
Factores a considerar para analizar el impacto
integral de la energía sobre la competitividad
industrial
F1: Perfil energético y la función de costos de
producción.
F2: Incidencia de la eficiencia energética en la
función de costo.
F3: Incidencia de la energía en la calidad de los
productos.
F4: Incidencia de la energía sobre la productividad.
F5: Incidencia sobre la salud ocupacional.
F6: Incidencia sobre las emisiones contaminantes.
Identificación y ponderación de los
factores por sectores
Sector
1
2
n
F1
F2
F3
F4
F5
F6
Ejemplo 1: efectos múltiples de la energía en la
competitividad industrial
• Caso: calentamiento en procesos de alta temperatura
Opción A:
- Horno convencional sin recuperación de calor
- Combustible fuel oil
Opción B
- Horno compacto con quemadores de alta velocidad
- Recuperación de calor
- Gas natural
Horno de calentamiento rápido
• Es un horno que combina la utilización de un quemador
de alta velocidad y el diseño optimizado del volumen del
horno en función de la carga.
• El horno puede revertirse de material refractario de baja
masa que produce una menor inercia térmica al
calentamiento y evita el sobrecalentamiento de la carga.
• Características:
– Rango de temperatura de proceso: 500ºC – 1300ºC.
– Eficiencia térmica del 50%, se puede aumentar con
recuperación de calor.
Horno de calentamiento rápido de metal con
quemadores de alta velocidad.
• Que es un quemador de alta velocidad?
Es un quemador en donde los gases de combustión se
descargan de la cámara a muy alta velocidad (50 a 100 m/s),
lo cual al entrar en contacto con el objeto a calentar
transfieren por convección una gran cantidad de calor
directamente y garantizando un calentamiento homogéneo.
Análisis comparativos con hornos
convencionales
Análisis comparativos con hornos
convencionales. Régimen de transferencia de
calor
Análisis comparativos con hornos
convencionales. Tiempo de calentamiento.
Comparación del calentamiento de una barra de
acero de 2" de diámetro a 1200°C
Variables
1
2
Tiempo de calentamiento
mayor de 14
minutos
2
minutos
Eficiencias de combustión
10.5
81.7
Calidad del producto
menor
mayor
1: Horno convencional
2: Horno compacto con quemadores de alta
velocidad
Horno de calentamiento rápido
• Ventajas:
– Mejora la eficiencia que puede incrementarse en
quince puntos para una temperatura de proceso de
1200 ºC.
– Rápida puesta en temperatura del horno, lo cual
permite que sea de funcionamiento flexible frente a
posibles paradas de producción.
– Control directo de la temperatura del producto
calentado, actuando sobre la alimentación del gas o
del aire.
– Reduce la oxidación y descarburación del metal.
– Permite el diseño optimizado de la relación
horno/carga.
– Reduce los tiempos de calentamiento, lo cual permite
aumentar la productividad.
Ejemplo 2: efectos múltiples de la energía en la
competitividad industrial
• Caso: calentamiento en procesos de baja temperatura
Opción A
- Sistema centralizado con caldera y redes de
distribución de vapor
- Combustible: carbón, gas natural o fuel oil
Opción B
- Con sistemas de calentamiento directo
- Combustible gas natural
Utilización directa del gas natural como fuente de
calor.
• Esta tecnología no existe en el mercado para otros
combustibles (sólidos o líquidos) y por tanto son
exclusivos de los combustibles gaseosos.
• La principal ventaja que presenta el sistema de
calentamiento directo es el elevado rendimiento que
obtiene del combustible consumido.
• Los sistema de calentamiento directo dan lugar a un
segundo ahorro importante, el tiempo de puesta a
régimen de la instalación es muy inferior al que
requieren los sistemas indirectos.
Utilización directa del gas natural como
fuente de calor.
• El rendimiento en un sistema indirecto puede situarse
entre un 50% y un 60% (incluyendo puesta a régimen y
variaciones de la demanda), mientras que para los
sistemas directo este valor es del 90% al 93%.
RI
Ahorro % = 1 
RD
RI: rendimiento cuando el calentamiento es indirecto.
RD: rendimiento cuando el calentamiento es directo.
60
Ahorro% = 1 
= 35.5%
93
Tubos sumergidos compactos
• Configuración:
– Un quemador de
mezcla en el
cabezal.
– Cámara de
combustión.
– Tubo
intercambiador,
diámetro entre 40120mm.
– Temperatura de
proceso hasta
100°C
Quemadores de combustión sumergida
• Configuración
– Cuerpo del quemador.
Elemento metálico de acero
inoxidable en cuyo interior
se realiza la combustión.
– Rampa de dispersión. Tubo
o conjunto de tubos
agujerados por donde fluye
al líquido los gases de
combustión.
– Dispositivos de alimentación
y control.
– Temperaturas de procesos
hasta 65°C
Calentador de agua de contacto directo
• Configuración:
– Quemador
compacto.
– Tubo sumergido.
Sirve de
intercambiador de
calor sensible entre
los humos y el agua
de proceso.
– Parrillas de
intercambio y
condensación.
– Temperaturas de
proceso hasta 95ºC
Energía y economía: categorías básicas para
entender su relación
• Función de producción
 Relación matemática de los factores de producción
necesarios para producir un bien o servicio (Y)
-
Energía: E
Capital: K
Trabajo: L
Materias primas no energéticas: M
Y = f E , K , L , M 
 Complementariedad estricta de factores en Y: Leontief
 Sustituibilidad perfecta entre factores en Y: CobbDouglas
Costo de capital K
=
Costos laborales L
-
Intensidad de capital: Ik =
-
Productividad de capital Pc = Valor agregado = VA
Costo de capital K
Valor agregado VA
=
- Productividad laboral PL=
Costo laborales L
IE =
Costo de energía en proceso productivo
Valor agregado
I = f I c , PL , Pk ,Vo ,V A 
• Costo de producción
C = pE E  pK K  pLL  pM M
• Beneficio de un agente en la economía:
B = ( Y  pY )  ( pE E  pK K  pL L  pM M )
Energía y economía: categorías básicas para
entender su relación.
• Función de demanda de energía
 Correlación positiva entre la demanda de energía (E) y
el nivel de crecimiento económico (Y)
 Correlación negativa entre la demanda de energía y el
precio (pe)

E = f ( Y , pe )
 Elasticidad
er =
DE
E >0
DY
Y
ep =
DE
Dp
E <0
pe
Función de demanda de energía
 Si se asume una función de producción del tipo CobbDouglas y se minimiza la función de costo de los
agentes, la demanda optima de energía es:
a
1
E = B ЧY
a  b g
 p K  a  b g
Ч  
 pe 
b
 p L  a  b g
Ч  
 pe 
Demanda depende de:
 Nivel de producción: PIB
 Precios relativos de los diversos factores de
producción: E, K, L.
 Elasticidad del PIB con los factores.
Quién demanda energía le interesa conocer
• Las funciones de demanda de energía.
• La intensidad energética sectorial útil.
• Que representa el costo de la energía en la estructura
de costos de la empresa.
• La sensibilidad del beneficio de una rama industrial con
el costo de la energía.
• La sustitución entre capital, trabajo y energía.
• La viabilidad de sustitución entre energéticos.
Energía y ambiente
Energía y ambiente
interacciones e impactos
• Sistemas energéticos impactan al ambiente.
• Condiciones ambientales afectan la operación de los
sistemas energéticos.
Medio Ambiente
Sistema
energético
Impactos ambientales de los sistemas energéticos
• Efecto invernadero mundial.
• Contaminación de la atmósfera. Emisiones: SOx, NOx,
CO, HC, partículas.
• Contaminación de aguas y suelos.
• Desplazamiento de poblaciones.
• Destrucción de fauna y flora.
• Alteración de condiciones sicrométricas.
• Contaminación sonora.
• Efectos biológicos de los campos electromagnéticos.
• Alteración de los ciclos naturales
Efectos globales de los contaminantes
Medio sobre el que actúa
Efecto
Reducción de la visibilidad
Formación y precipitación de la neblina
Sobre la calidad atmosférica Reducción de la radiación solar
Alteración de las temperaturas
Alteración de la distribución de los vientos
Sobre la salud
Enfermedades respiratorias
Enfermedades digestivas
Enfermedades dérmicas
Sobre la vegetación
Interrumpen la fotosíntesis
Reducen el crecimiento
Muerte de las plantas
Acidificación de suelos
Ensuciamiento
Sobre los materiales
Corrosión
Efecto invernadero
Efecto invernadero
Efecto invernadero
Efecto invernadero
Gases de efecto invernadero
Potenciales de calentamiento atmosférico
GASES DE EFECTO
INVERNADERO (GEIi)
Símbolo
químico
Masa
molecular
Potencial
Calentamiento
Atmosférico (PCAi)
i
Dióxido de carbono
1
CO2
44
1
Metano
2
CH4
16
21
Oxido nitroso
3
N2O
30
310
Hidrofluorocarbonos
(HFC)
4
HFC 23
70
11700
5
HFC 125
120
2800
6
HFC 134a
102
1300
7
HFC 152a
66
140
Perfluorocarbonos
(PFC)
8
CF4
88
6500
9
C2F6
138
9200
Hexafluoruro de
azufre
10
SF6
146
23900
Factores de emisión de CO2 equivalente por
tipo de combustible
F E [tCO2/TJ]
Combustibles sólidos:
Antracita
Carbón de coque
Hulla
Carbones sub-bituminosos
Lignito
Turba
Combustibles líquidos:
98.3
94.6
94.6
96.1
101.2
106
Combustibles gaseosos:
Gas natural
Metano
Gas de refinería
Gas de horno de coque
Gas de horno alto
56.1
55.1
66.7
108/47
24.2
Crudo
Fuel oil
Diesel oil
Gasolinas
Querosenos (aviación)
Otros querosenos
GLP
GLN
Etano
Nafta
Asfaltos
Lubricantes
Coque de petróleo
Materia prima refinería
Orimulsión
Tomado de: IPCC (Intergovernmental Panel on Climate Change)
73.3
77.4
74.1
69.3
71.5
71.9
63.1
63.1
61.6
73.3
80.7
80.7
100.8
73.3
80.7
Factor de emisión cuando existen varios GEI
n
F E =  FE i  PCAi
i =1
FE = Factor de emisión en ton de CO2
FE i = Factor de emisión del i  esmo GEI
PCAi = Potencial de calentamiento del i  esimo GEI
Ejemplo: si en la combustión de fuel oil se produce CO2, N2O y CH4,
encontrar el factor de emisión.
Según el IPCC los factores de emisión del fuel oil
FECO2 =  77.4 tCO2   fo; FECH 4 = 0.003 tCH4 ; FEN2O = 0.0006 tN2O
TJ 
TJ
TJ

fo= factor de oxidación del carbón
Potencial de calentamiento atmosférico
PCACO2 = 1
PCACH 4 = 21
PCAN 2O = 310
Emisiones directas anuales de una industria
e CO2 = FC  CEF  fo
eCO2: Emisiones de CO2 en toneladas anuales equivalentes de carbono
Fc: Consumo anual de combustible en la planta en unidades
energéticas: TJ, kWh, BTU.
CEF: - Factor de emisión CO2 del combustible en TCO2/TJ; TC/kWh.
- Depende de la naturaleza y composición química del
combustible
Fo: - fracción de oxidación del carbono
- evalúa la fracción de carbono que no pasa a CO2, debido a la
combustión incompleta.
- fo < 1  fo = 1 Si la combustión es completa
Emisiones indirectas de CO2 en una industria
Hace referencia a las emisiones de CO2 en la generación de energía
eléctrica que compra la empresa
eCO2 =
EC  CEFc
TD
CEF: - factor de emisión debido a la generación eléctrica en tCO2/MWh
- depende del energético y tecnología usada para la generación
de electricidad
EC: consumo anual de electricidad en la planta en MWh
TD : Eficiencia por transmisión y distribución de electricidad
• Emisiones totales de CO2 de una industria
eCO2 t = e CO2 d  e CO2 i
TonCO2

año
• Emisiones especifica de CO2 de una industria
Emisiones totales anuales de CO2
EECO2  =
producción anual en toneladas
Ton de CO2
EECO2  ®
Ton de prod
Emisiones de CO2/unidad de producto en el
sector PyMES de Indonesia (1996)
Sector
Textil (32)
Fabricación de productos
metálicos (38)
Productos químicos (35)
Productos en madera (33)
Alimentos y bebidas (31)
Productos con minerales no
metálicos (36)
Pulpa y papel, se incluyen
productos en papel,
litografias y publicidad (34)
Emisiones específicas Emisiones específicas
anuales directas de CO2 anuales indirectas de
(ton de CO2/1000 ton de CO2 (ton de CO2/1000
ton de producto)
producto)
Emisiones específicas
anuales de CO2 (ton de
CO2/1000 ton de
producto)
2227.2
926.9
3154.1
998.7
923.3
1922
600.8
104.0
215.9
939.9
286.6
97.1
1540.7
390.6
313
228.1
67.3
295.4
31.8
135.8
167.6
Tomado de Energy Conversion and Management 42 (2001) 1335 - 1348
Emisiones
GEI
por
región
Emisionesdede
GEI
por
región
Europa
25%
Norteamérica
26%
Asia
35%
Oceanía
2%
Latinoamérica
6%
Africa
6%
TOTAL: 22.800 millones ton CO2 (1998)
Fuente: World Resources Institute
Atenuación de las emisiones de gases de
invernadero
 Disminuir el consumo de energía primaria aumentando
la eficiencia energética.
 Usar combustibles con mayor relación H/C implica
sustitución entre energéticos.
 Efecto combinado eficiencia energética y sustitución
energética
 Secuestro de CO2
 Fijación de CO2 por proceso de fotosíntesis
Estructura de los combustibles fósiles
H
  CO2
C
Emisiones contaminantes de la combustión de
combustibles fósiles
• Dióxido de carbono (CO2)
• Metano (CH4)
• Monóxido de carbono (CO)
• Oxido nitroso (NOx: NO, NO2,N2O)
• Óxidos de azufre (SOx: SO2, SO3)
• Hidrocarburos sin quemar: metánicos, y no metánicos
• Material particulado
Efectos de los contaminantes atmosféricos
Contaminante
Efecto y Problemática Ambiental
Monóxido de
carbono (CO)
Interfiere en el transporte de oxigeno en la sangre
Muerte por asfixia
Dióxido de
carbono
(CO2)
Los altos niveles atmosféricos alcanzados hacen que
contribuya en un 57% al efecto invernadero
.
Oxido nitroso
(N20)
Contribuye al efecto invernadero en la troposfera
Contribuye a la eliminación de ozono en la estratosfera
•
Oxido nítrico
(NO)
Precursor de la formación de NO2
Smog fotoquímico
Dióxido de
nitrógeno
(NO2)
Efectos anestésicos en humanos y animales
Irritación en ojos y nariz
Afecciones pulmonares
Caída de hojas en plantas
Reducción de frutos en plantas
Precursor de la lluvia ácida
Smog fotoquímico
Oxidos de
azufre
(SOx)
Irritación ocular y pulmonar
Cambio de color y caída de hojas en plantas
Corrosión de materiales (hierro, acero, zinc)
Precursor de la lluvia ácida
Compuestos
orgánicos
volátiles
(VOC)
y metano
(CH4)
Los HAP son carcinogénicos y mutagénicos
Irritan las membranas de las mucosas en humanos y
animales
Inhiben crecimiento de las plantas
El metano contribuye en la troposfera al efecto invernadero
El metano contribuye a la eliminación de ozono en la
estratosfera
Material
particulado
(MP)
Efectos fibrogénicos en organismos cuando las partículas
contienen cuarzo, asbestos, carbón, tungsteno, titanio,
berilio o aluminio
Irritan las mucosas oculares y respiratorias y pueden
convertirse en enfermedades crónicas si las partículas
contienen S02, vanadio, níquel, manganeso, aluminio o
cromo.
Carcinogénicas si las partículas contienen arsénico, cromo
Contaminantes atmosféricos adicionales
Contaminante
Oxidantes fotoquímicos
(O3, nitrato de
peroxiacilo)
Metales (plomo, zinc,
cadmio,
cobre, aluminio, hierro,
titanio,
níquel)
Fuentes antrópicas
Contaminantes
secundarios producidos
por los hidrocarburos y
los NOx emitidos
principalmente por
fuentes móviles.
Quema de combustibles
fósiles
En combustibles líquidos
está presente el plomo
Industrias metalúrgicas
Efecto
Smog fotoquímico,
produce dolores de
cabeza y sequedad
en la garganta
Acumulación de
plomo en los
organismos produce
anemia
Industria de la
construcción
Vapor de agua
Todos los procesos de
combustión
Calentamiento
global
Compuestos
clorofluorocarbonados
(freón 12)
Refrigerantes, spray,
disolventes, fabricación
de plástico, esterilizantes
Destrucción de
ozono estratosférico
Compuestos
cloroaromáticos
(dioxinas, furanos)
Producto de la
incineración del plástico,
fabricación de
fungicidas, insecticidas y
herbicidas
Tóxicos para los
organismos
aún a bajas
concentraciones
Metano
Combustión incompleta
de combustibles fósiles,
descomposición de
materia orgánica
Destrucción de
ozono estratosférico.
Calentamiento
global
Análisis comparativo de emisiones gas natural
(Guajira) y ACPM en una caldera de 20 BHP
Análisis comparativo de emisiones gas naturaldiesel en una caldera de 30 BHP
Análisis comparativo de emisiones gas naturaldiesel en una caldera de 30 BHP
CO
Fa ctor de
e misión
(ng/J)
800.00
785.56
600.00
451.22
400.00
200.00
81.74
33.34
16.58
0.00
1.07
1.16
1.26
Factor de aireación
1.34
1.45
CO GN
CO Diesel
Análisis comparativo de emisiones gas
natural-diesel en una caldera de 30 BHP
Factor de
em isión
(ng/J)
NO en GN y Diesel
30,00
25,00
20,00
15,00
10,00
5,00
0,00
NO GN
NO FO
1,07
1,16
1,26
1,34
Factor de aireación
1,45
Análisis comparativo de emisiones gas naturaldiesel en una caldera de 30 BHP
Análisis comparativo de emisiones gas naturaldiesel en una caldera de 30 BHP
Análisis comparativo de emisiones gas naturaldiesel en una caldera de 30 BHP
C o n cen tr ació n d e MP
A
1.25
g/m3
1 .5 0
1 .0 0
0 .5 0
0.08
0.08
0.15
0 .0 0
1 .3
1 .0 5
F a c to r d e a i r e a c i ó n
E m isió n d e MP
B
0.27
0.30
kg/h
0.25
0.20
0.15
0.10
0.05
0.02
0.02
1.05
1.3
0.03
0.00
F a c to r d e a i r e a c i ó n
Gas natural
Diesel
Factores de emisión y concentraciones base 3%
oxígeno encontrados en el proyecto para
calderas de tamaños de 30 BHP
n
1.07
1.16
1.26
1.34
1.45
Factores de emisión (ng/J)
CO
NO
HC
GN FO
GN
FO
GN
CO2
GN
FO
38549,2
37802,7
37907,7
38349,5
38504,8
53984,5 63,85
54216,3 10,97
54922,8 10,53
55350,8 6,88
55009,6 4,83
n
CO2 (%V)
GN FO
1.07
1.16
1.26
1.34
1.45
10,07
10,09
10,09
10,10
10,10
13,26
13,32
13,49
13,59
13,51
785,6
451,2
81,7
33,3
16,6
16,72
21,85
23,26
22,49
21,63
13,80
17,31
20,19
26,30
28,33
1781,6
1749,5
2070,9
1785,6
1222,5
CH4
GN
FO
2294,1
2429,1
2075,3
1942,7
1997,1
Concentración corregida base 3% oxígeno
CO (ppm)
NO (ppm)
HC (%V)
GN
FO
GN
FO
GN
FO
263,62 3031,9
45,96 1741,5
44,04 315,5
28,43 128,7
19,90
64,0
SO2
Factor de emisión
(ng/J)
Concentración corregida
base 3% oxígeno (ppm)
63,78
85,40
90,79
86,84
83,20
49,7
62,3
72,8
94,7
102,1
0,26
0,26
0,31
0,26
0,18
144,2
154,5
183,3
176,1
179,1
FO
238,3
183,5
201,2
206,3
225,5
CH4 (%V)
GN
FO
0,32
0,34
0,29
0,27
0,28
0,10
0,11
0,13
0,13
0,13
GN
0,94
FO
62,08
1,70
104,75
0,16
0,12
0,14
0,14
0,15
Principales fuentes de emisión de los contaminantes
Contaminante
Fuente Natural
Fuente Antrópica
Monóxido de
carbono (CO)
Oxidación
atmosférica del
metano
Océanos
Degradación de la
clorofila
Combustión incompleta de
hidrocarburos principalmente
en fuentes móviles
Dióxido de carbono
(CO2)
Deforestación
Respiración de las
plantas
Combustión de combustibles
fósiles
Oxido nitroso (N20)
Desnitrificación
Océanos
Procesos de combustión
Oxido nítrico (NO)
y dióxido de
nitrógeno (N02)
Incendios forestales
Procesos
anaerobios del
suelo
Descargas
eléctricas
Procesos de combustión
Oxidos de azufre
(SOx)
Erupciones
volcánicas
Procesos de combustión
Compuestos
orgánicos volátiles
(VOC) y metano
(CH4)
Material particulado
Descomposición
bacteriana
Océanos
Vegetación
Combustión de hidrocarburos
principalmente en fuentes
móviles que usan diesel
Calentadores domésticos que
queman carbón o madera
Refinación, transporte y
combustión del petróleo y sus
derivados
(MP)
Aerosoles de sal
marina
Arrastre de polvo
por el viento
Actividad volcánica
Incendios forestales
Procesos de combustión de
combustibles fósiles sólidos y
líquidos
Aerosoles secundarios a partir
de contaminantes primarios
como NOx, SOx e
hidrocarburos
Procesos de evaporación y
Connotaciones económicas de la relación energía
y ambiente
 Internalización de las externalidades.
 Costos ambientales y la estructura de costos.
 Nuevos mercados: Mecanismos de desarrollo limpio
(MDL).
 Precios diferenciales en función de lo ambiental
 kWh verde
 Sello verde
 Dependiendo de los insumos: energía y materia
prima
Disposiciones sobre la calidad del aire en
Colombia*
• Estimaciones preliminares señalan 6000 muertes al año por
contaminación del aire (Larsen, 2004). Esto representa para el año
2002, 3% del total de defunciones y 9% de las muertes asociadas a
afectaciones sobre el aparato respiratorio (65.615)(DANE, 2002).
• Por cada 100.000 niños menores de 5 años 8 mueren por infección
respiratoria aguda – IRA (MPS, 2002).
• En morbilidad se estiman al año 7.400 casos nuevos de bronquitis
crónica, 13.000 hospitalizaciones y 255.000 visitas a urgencias
(Larsen, 2004);
* Departamento Nacional de Planeación CONPES. 3344 – marzo 2005. Lineamientos para
la formulación de la política de prevención de la contaminación del aire (PPCA)
Emisiones por contaminante (2002)*
* Departamento Nacional de Planeación CONPES. 3344 – marzo 2005. Lineamientos
para la formulación de la política de prevención de la contaminación del aire (PPCA)
Emisiones por ciudad (2002)*
*Departamento Nacional de Planeación CONPES. 3344 – marzo 2005. Lineamientos
para la formulación de la política de prevención de la contaminación del aire (PPCA)
Calidad del aire para Bogotá, PM10*
*Departamento Nacional de Planeación CONPES. 3344 – marzo 2005. Lineamientos para la
formulación de la política de prevención de la contaminación del aire (PPCA)
Diagnostico sectorial*
*Departamento Nacional de Planeación CONPES. 3344 – marzo 2005. Lineamientos para la
formulación de la política de prevención de la contaminación del aire (PPCA)
LINEAMIENTOS
*
*Departamento Nacional de Planeación CONPES. 3344 – marzo 2005. Lineamientos para la
formulación de la política de prevención de la contaminación del aire (PPCA)
GRACIAS!