Año 17, núm. 43, noviembre 2021
doi: http://doi.org/10.30973/inventio/2021.17.43/1
Optimización de sistemas mediante análisis exergonómico
System optimization through exergonomic analysis
Ofir Lailani Álvarez Benítez Anilu Parrales Bahena Arianna Parrales Bahena Armando Huicochea Rodríguez José Alfredo Hernández Pérez Durante los últimos años ha aumentado el consumo energético mundial de manera sobresaliente debido principalmente al crecimiento económico y poblacional. La energía, tanto a nivel internacional como nacional, se genera, en gran medida, mediante la transformación de hidrocarburos (energía no renovable) como el carbón, el petróleo y el gas. En conjunto con otras acciones, el uso de estos insumos desencadena la emisión de gases de efecto invernadero (gei), lo que a su vez provoca impactos negativos en el medio ambiente y la población. In recent years, world energy consumption has increased considerably, mainly due to economic and population growth. As is well known, the generation of energy both internationally and nationally is obtained largely from the transformation of hydrocarbons (non-renewable energy), such as coal, oil or gas. The use of these supplies has triggered, together with other actions, the emission of greenhouse gases (ghg), which in turn has caused negative impacts on the environment and the population. exergonomía, sistemas energéticos, economía, energía, medio
ambiente, termodinámica exergonomy, energy systems, economy, energy, environment,
thermodynamics El consumo energético mundial se ha incrementado de manera notable durante los últimos
años, debido principalmente al crecimiento económico y poblacional. Como es sabido, la
energía, tanto en el ámbito internacional como en el nacional, se genera en gran medida mediante
la transformación de hidrocarburos (energía no renovable) como el carbón, el petróleo
y el gas. El uso de estos insumos desencadena, en conjunto con otras acciones, la emisión
de gases de efecto invernadero (gei), lo que a su vez provoca impactos negativos en el medio
ambiente y la población (Organización de las Naciones Unidas [onu], 2021). En la actualidad, la mayoría de los países industrializados son los principales responsables
de los altos niveles de emisiones de gei en la atmósfera, pues el aumento en la producción y
comercialización de bienes implica un incremento del consumo energético y, por lo tanto,
también en los niveles de contaminación. Particularmente, los gobiernos de los países desarrollados
sólo se enfocan en resolver aspectos económicos y políticos y dejan de lado la responsabilidad
ambiental que adquieren por su consumo energético (onu, 2021). Por ello, la onu propuso un plan de acción dirigido a los países miembros: la Agenda 2030
para el Desarrollo Sostenible, cuyo objetivo 7 establece la necesidad de garantizar que la
energía sea asequible y no contaminante. De esta forma fomenta la eficiencia energética y
la innovación en tecnologías aplicadas a energías renovables para lograr que sean ecológicamente
racionales (onu, 2020). Por su parte, la comunidad científica ha elaborado soluciones alternativas mediante el
análisis de eficiencia de sistemas energéticos. Un ejemplo de ello es el estudio que incluye
la aplicación del primer principio de la termodinámica, el cual enuncia que la energía no se
crea ni se destruye, sino que únicamente se transforma. Según este principio, la energía perdida
por el sistema es igual a la ganada por el entorno. Sin embargo, para lograr la cuantificación de la energía útil dentro de los sistemas no basta
con realizar análisis energéticos simples por medio de los cuales sólo se observe la cantidad
de energía (primer principio de la termodinámica), sino que también es necesario conocer
la calidad de ésta mediante el segundo principio de la termodinámica. Este segundo principio afirma que, dentro de un sistema, la calidad de la energía varía
desde un estado inicial cualquiera hasta un estado final, el cual sea coincidente con el ambiente
que lo rodea o bien al que se haga referencia (degradación de energía). Además, este
principio ofrece un margen suficiente para la mejora del sistema, por lo que ha demostrado
ser una herramienta eficaz para la optimización de sistemas termodinámicos complejos (Velasco
Callau et al., 2011). Una de las propiedades termodinámicas que nos ayuda en la optimización de procesos
es la exergía, es decir, el cálculo del trabajo disponible que se puede obtener en un sistema
dentro de un entorno definido. El análisis de la exergía ayuda a determinar no sólo los coeficientes
de eficiencia en el desempeño de los sistemas, sino también las irreversibilidades de los componentes principales, con la finalidad de mejorar las condiciones de operación y de
diseño o las configuraciones (Velasco Callau et al., 2011). Hoy en día es posible asignar un valor económico a la energía descartada de un sistema,
mediante un análisis costo-beneficio de su inversión. El impacto financiero derivado de
la operación y eficiencia de los sistemas energéticos influye en la satisfacción de los requerimientos
energéticos de la sociedad, al considerar un menor costo energético y ambiental
posible. Los análisis que incluyen valores económicos permiten establecer si existe un mercado
competitivo que minimice los costos generados pero que, a su vez, maximice los recursos
y utilidades (Azqueta et al., 2007). La asociación de la exergía a la economía se dio desde la década de 1980; no obstante, comenzó
a tener relevancia durante la Joint European Thermodynamics Conference en Roma
(1987), cuando Richard A. Gaggioli, Yehia M. El-Sayed y George Tsatsaronis realizaron un estudio
referente a la construcción y el diseño de una central eléctrica. Como parte de la problemática,
los científicos identificaron que la incertidumbre en la variación de los precios del
petróleo influye en gran medida en los análisis de los sistemas energéticos, por lo que consideraron
apto vincular los términos de exergía y economía, con lo que se creó una nueva área
de conocimiento: la exergonomía. Es importante recordar que durante esta década el mundo sufría una crisis energética
causada por el conflicto árabe-israelí, lo que implicó una reducción de producción petrolera
(Ruiz Caro, 2001) y provocó que el precio de este recurso fuera un arma de negociación y de
influencia de los países productores de hidrocarburos (figura 1). El término exergonomía se define como el costo de la unidad exergética expresado en
unidades monetarias (Tsatsaronis y Pisa, 1994), el cual toma como base la producción o destrucción
de exergía para otorgarle un valor a un proceso o sistema. Por consiguiente, el análisis
exergonómico combina los principios básicos de la termodinámica y de la economía para
determinar el costo de la exergía en un sistema. Diversos autores han hecho análisis exergonómicos para optimizar diferentes sistemas
de generación energética, como el desarrollado por Frangopoulos (1994), quien llevó a cabo
la optimización técnica y económica de un sistema de cogeneración utilizando un algoritmo
de programación no lineal. Por su parte, Tsatsaronis y Pisa (1994) mejoraron un sistema de cogeneración simple que
consistió en un proceso regenerativo de una turbina de gas y de un generador de vapor. En
este estudio, por medio de modelos matemáticos, calcularon las relaciones entre la inversión
de costos de los componentes y su operación. Por otro lado, Von Spakovsky (1994) se ocupó de construir un modelo de un sistema energético
que permitiría representar la economía interna del sistema, así como su comportamiento
óptimo. Dicho modelo ocupaba el análisis funcional de ingeniería (engineering functional
analysis), que descentralizaba la optimización o mejoramiento de los componentes y
establecía que éstos se comportaran aisladamente con respecto al sistema. En otro estudio desarrollado por Valero et al. (1994) se utilizó como estrategia de mejora
una teoría de costos exergéticos (tce), en conjunto con variables exergonómicas. La tce es
una técnica de contabilidad de costos que permite identificar el costo de cada flujo dentro
del sistema. El resultado de este trabajo aportó información valiosa acerca de la interacción
entre los componentes. El desarrollo de la exergonomía continúa con nuevos análisis; algunos
por destacar son los mostrados en la tabla 1. Algunos de los sistemas de generación de energía con mayores aplicaciones de modelos
exergonómicos son las plantas térmicas, los sistemas combinados y los sistemas de enfriamiento;
sin embargo, todavía un área de oportunidad vigente es la posibilidad de utilizarlos
en sistemas ecoindustriales, donde, además de evaluar el sistema tecnológica y económicamente,
se pueda hacerlo con estudios de impacto ambiental. Aunado a ello, los estudios
exergonómicos recientes también se han aplicado en áreas tan diversas como la arquitectura,
aeronáutica y ciencia cognitiva, e incluso se ha utilizado la inteligencia artificial como herramienta
auxiliar. Es una realidad que los análisis necesitarán de programas especiales para
un mejor procesamiento de datos, pero sobre todo para tener una interfaz que permita evaluar
sistemas con diferentes configuraciones y diversos combustibles. Un ejemplo de su aplicación en la arquitectura son los análisis realizados para evaluar
ciertas áreas de edificios y hospitales donde el uso eficiente de calderas es necesario, pues
permite el ahorro de gas y de recursos financieros (Bautista y Soto, 2018). Asimismo, la aplicación industrial propuesta por la empresa Airbus Operations GmbH permitió convertir la
energía de las naves de forma eficiente, tanto económica como ecológica y tecnológicamente,
por medio de un dispositivo que después fue patentado (God et al., 2012). Como se puede observar en la figura 2, en 2015 se incrementó el número de publicaciones
relacionadas con estudios de sistemas energéticos mediante análisis exergonómicos. Dicha
tendencia se debe principalmente a que durante ese año entraron en vigor programas
internacionales como la Agenda 2030, cuyo objetivo principal es mantener en buen estado
las condiciones climatológicas del planeta. Sin embargo, el cumplimiento de los objetivos ambientales ocurre a un ritmo lento. La
Unión Europea encabeza la lucha por este cumplimiento (figura 3) y se ha logrado que el bloque
establezca políticas que regulen a las industrias en materia ambiental. Por otro lado, el
continente americano no ha ratificado por completo su compromiso ambiental debido a que
la región, liderada por Estados Unidos, se ve influenciada por satisfacer en primer lugar los
requisitos de las industrias, dejando de lado los compromisos con el planeta. Para llevar a cabo un análisis exergonómico a un sistema energético, Tsatsaronis y Pisa
(1994) refieren que debe estar integrado por un análisis detallado de exergía, un análisis económico
a nivel de cada componente que integra el sistema, el cálculo del costo de cada
corriente —con ayuda de un método que determine el costo exergético— y la evaluación de
cada componente de acuerdo con las variables exergonómicas que se consideren relevantes. El análisis de exergía (figura 4) considera, en detalle, la exergía destruida y perdida en
cada componente, la exergía total suministrada en el sistema y la exergía total del sistema.
Para llevar a cabo este cálculo es necesario realizar un balance exergético. En lo que se refiere al aspecto económico (figura 5), el costo puede ser calculado por
medio de dos métodos de costeo de exergía: el de costo promedio y el de costo específico.
El primero asigna un valor promedio a cada unidad de exergía, ya sea física o química. El segundo
divide la exergía física en exergía térmica y mecánica, lo que aumenta el número de incógnitas en un sistema lineal de ecuaciones que se forma por las corrientes de flujo que
hay en el sistema energético (Tsatsaronis y Pisa, 1994). En definitiva, los análisis exergonómicos son una herramienta necesaria para aumentar la
optimización de los costos y mejorar el diseño tecnológico de los sistemas energéticos. Además,
se vuelven reportes con información valiosa para la toma de decisiones de inversionistas
e investigadores, ya que detallan el rendimiento energético del flujo, componentes y el sistema
en general, lo que permite conocer y mejorar las inversiones que se requieren para un
mejor funcionamiento o, en caso contrario, ubicar los puntos con mayor consumo financiero. La exergonomía continúa siendo una disciplina en desarrollo, ya que aún no cuenta con
un modelo estandarizado que permita simplificar la nomenclatura y los métodos de cálculo
exergético. Particularmente, se sugiere que el área de ingeniería siga ocupando este tipo
de análisis para reducir errores en el diseño e incrementar su entendimiento sobre los verdaderos
impactos económicos que se producen por una deficiente evaluación energética. Es necesario resaltar que en futuros proyectos energéticos se consideren evaluaciones
exergonómicas con la finalidad de conocer las especificaciones técnicas y económicas necesarias
para lograr maximizar la eficiencia energética y minimizar los costos de inversión de
los sistemas. La economía es un aspecto importante para los sistemas energéticos, pues minimiza los costos
de los componentes, analiza el impacto de los factores externos sobre el costo de los recursos utilizados y otorga valor económico al trabajo útil (exergía) producido en el sistema
principalmente. Asimismo, la exergonomía permite optimizar el funcionamiento y rentabilidad de los sistemas
energéticos desde un punto de vista tecnológico y económico. Aunado a ello, ofrece
ventajas; por ejemplo, la maximización de la eficiencia exergética, diseños de plantas con
puntos de operación óptimos, modificación de los componentes para obtener mejores rendimientos
energéticos y análisis del comportamiento energético del sistema. Lo anterior hace
que suscite interés como área de conocimiento. Los análisis exergonómicos posibilitan detectar las ineficiencias de la calidad energética
en los sistemas, lo cual ayuda a mejorar las condiciones de operación, diseño o configuraciones.
Con el avance de las investigaciones en la exergonomía se podrán implementar nuevas
herramientas que complementen dichos análisis para obtener mejores resultados en los
sistemas. Aghbashlo, M., Tabatabaei, M., Khalife, E., Shojaei, T. R. y Dadak, A. (2018). Exergoeconomic analysis of a di diesel engine fueled with diesel/biodiesel (B5) emulsions containing aqueous nano cerium oxide. Energy, 149, 967-978. https://doi.org/10.1016/j.energy.2018.02.082 Aghbashlo, M., Tabatabaei, M., Soltanian, S., Ghanavati, H. y Dadak, A. (2019). Comprehensive exergoeconomic analysis of a municipal solid waste digestion plant equipped with a biogas genset. Waste Management, 87, 485-498. https://doi.org/10.1016/j.wasman.2019.02.029 Azqueta, D., Alviar, M., Domínguez, L. y O’Ryan, R. (2007). Introducción a la economía ambiental. McGraw Hill. Baghernejad, A. y Yaghoubi, M. (2011). Exergoeconomic analysis and optimization of an Integrated Solar Combined Cycle System (isccs) using genetic algorithm. Energy Conversion and Management, 52(5), 2193-2203. https://doi.org/10.1016/j.enconman.2010.12.019 Bautista Culquipoma, M. A. y Soto Chirinos, G. A. (2018). Termoeconomía del reemplazo de combustible diésel-2 por glp en la caldera menor del Hospital Regional Docente las Mercedes-Chiclayo [tesis de ingeniería]. Universidad Señor de Sipán. Calise, F., d’Accadia, M. D., Macaluso, A., Piacentino, A. y Vanoli, L. (2016). Exergetic and exergoeconomic analysis of a novel hybrid solar-geothermal polygeneration system producing energy and water. Energy Conversion and Management, 115, 200-220. https://doi.org/10.1016/j.enconman.2016.02.029 Fals Acuña, M. M., Loret de Mola López, M. A. y Alonso Cervantes, D. (2010). Análisis exergoeconómico de la planta de cogeneración de la empresa azucarera “Carlos Manuel de Céspedes”. Centro Azúcar, 37(3), 11-17. Farshi, L. G., Mahmoudi, S. M. S., Rosen, M. A., Yari, M. y Amidpour, M. (2013). Exergoeconomic analysis of double effect absorption refrigeration systems. Energy Conversion and Management, 65, 13-25. https://doi.org/10.1016/j.enconman.2012.07.019 Fazelpour, F. y Morosuk, T. (2014). Exergoeconomic analysis of carbon dioxide transcritical refrigeration machines. International Journal of Refrigeration, 38, 128-139. https://doi.org/10.1016/j.ijrefrig.2013.09.016 Frangopoulos, C. A. (1994). Application of the thermoeconomic functional approach to the cgam problem. Energy, 19(3), 323-342. https://doi.org/10.1016/0360-5442(94)90114-7 God, R., Kurz, C. y Westenberger, A. (2012). Patente no. pct/ep2011/000275. Oficina Europea de Patentes.
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resumen
abstract
palabras clave
key words
Figura 1
Variación de precios de petróleo (1984-2019)
Fuente: Agencia Internacional de las Energías Renovable (irena, por sus siglas en inglés).
Tabla 1
Trabajos de análisis exergonómicos
Autor
Trabajo
Fals Acuña et al. (2010)
Se realizó un análisis exergonómico a una planta de cogeneración en una empresa azucarera. Se obtuvo una eficiencia exergética del 17%, con un costo termoeconómico de 0.55 ¢/s.
Baghernejad y Yaghoubi (2011)
Se aplicó un análisis termoeconómico usando algoritmos genéticos para la optimización de un sistema de energía solar de ciclo combinado. El resultado fue la optimización del sistema en un 11% y la unidad de costo eléctrico en un 13%.
Farshi et al. (2013)
Se analizaron tres sistemas de refrigeración por absorción de doble efecto con el fin de determinar la influencia de ciertos parámetros de operación sobre el costo de inversión del sistema.
Yildirim y Ozgener (2012)
Se calculó la eficiencia energética y exergética de una planta geotérmica. Asimismo, se determinó cuáles son los efectos de los fluidos utilizados,
considerando los costos de inversión y los costos de mantenimiento.
Fazelpour y Morosuk (2014)
Se evaluaron los aspectos energéticos, exergéticos, económicos y exergoeconómicos de una máquina de refrigeración, lo cual ayudó a disminuir el costo total del producto final en un 14%.
Calise et al. (2016)
Se realizó un modelo de simulación dinámica para un sistema de poligeneración de energía geotérmica solar. El modelo muestra que la eficiencia de exergía varía entre 40 y 50% durante la recuperación de calor y de 16 a 20% durante el enfriamiento.
Aghbashlo et al. (2018)
Se hizo un análisis exergonómico a un motor di de diésel monocilíndrico con diferentes combustibles y concentraciones de agua. El estudio determinó cuáles eran las composiciones de combustible y de operación óptimas en términos termodinámicos y económicos.
Aghbashlo et al. (2019)
Se llevó a cabo un análisis de rendimiento exergonómico de una planta municipal de residuos sólidos integrada con un sistema de biogás. Uno de los resultados indica que se debe minimizar el costo de inversión del digestor para obtener un mejor rendimiento exergoeconómico de la planta.
Fuente: Elaboración propia.
Figura 2
Publicaciones sobre análisis exergonómicos
Fuente: Elaboración propia.
Figura 3
Países referentes en materia de exergonomía
Fuente: Elaboración propia.
Figura 4
Diagrama de flujo exergético
Fuente: Golberg, 2015.
Figura 5
Exergonomía ambiental para sistemas de energía
Fuente: Golberg, 2015.
Conclusiones
Referencias