Examen final.termoeconomía monografia-2017
28
“TERMOECONOMÍA” 14 DE ENERO DE 2017 UNIVERSIDAD NACIONAL HERMILIO VALDIZAN ESCUELA DE POST GRADO INTEGRANTES: - ARTEAGA VEGA, ADDERLIN. - CABRERA MONTALVO ABRAHAMS. - GARGATE ATANACIO MAURA GABRIELA. - LAZARO TACUCHI PAVEL. - RAMIREZ CHÍA OMHAYRA. MAESTRIA EN MEDIO AMBIENTE Y DESARROLLO SOSTENIBLE MENCION GESTIÓN AMBIENTAL
-
Upload
isidro-teodolfo-enciso-gutierrez -
Category
Environment
-
view
22 -
download
1
Transcript of Examen final.termoeconomía monografia-2017
ldquoTERMOECONOMIacuteArdquo
14 DE ENERO DE 2017
UNIVERSIDAD NACIONAL HERMILIO VALDIZAN ESCUELA DE POST GRADO
INTEGRANTES - ARTEAGA VEGA ADDERLIN - CABRERA MONTALVO ABRAHAMS - GARGATE ATANACIO MAURA GABRIELA - LAZARO TACUCHI PAVEL - RAMIREZ CHIacuteA OMHAYRA
MAESTRIA EN MEDIO AMBIENTE Y DESARROLLO SOSTENIBLE
MENCION GESTIOacuteN AMBIENTAL
ldquoTERMOECONOMIacuteArdquo
2
INTRODUCCIOacuteN
En toda instalacioacuten industrial se debe procurar minimizar el consumo de energiacutea
y otros recursos asiacute como la produccioacuten de efluentes y residuos Estos uacuteltimos
no son siempre consecuencias inevitables de su funcionamiento Cuanto menos
eficiente es una planta maacutes residuos genera y reciacuteprocamente Los efluentes y
residuos no producidos por ser la planta maacutes eficiente ahorran costosos
equipos de depuracioacuten y aminoran su impacto ambiental En el presente trabajo
se plasma los conceptos maacutes resaltantes tecnologiacuteas limpias que han de ser
siempre eficientes El proyecto de sistemas limpios y eficientes requiere un
empleo riguroso de los recursos cientiacuteficos y tecnoloacutegicos adecuados Por lo
general cuanto maacutes limpio y eficiente es un sistema tanto mayor es la inversioacuten
que requiere con la consiguiente repercusioacuten en los costes de la
Termoeconomiacutea que facilita el logro del coste oacuteptimo conjugando las mejoras
en el consumo de recursos y la eficiencia energeacutetica con los requerimientos de
capital
La Termoeconomiacutea mediante una aplicacioacuten integrada y rigurosa de la
economiacutea y la termodinaacutemica proporciona una herramienta muy potente y
rigurosa para el anaacutelisis la evaluacioacuten y la optimizacioacuten de sistemas industriales
Todo ingeniero ha de ser capaz de analizar y evaluar los equipos e instalaciones
que encuentre en su campo de actividad con el fin de optimizar los costes
La Termoeconomiacutea se aplica a una extraordinaria variedad de sistemas tales
como los que pueden encontrarse en la industria petrolera quiacutemica o
metaluacutergica generacioacuten de energiacutea eleacutectrica climatizacioacuten etc Su utilizacioacuten
se extiende tanto al disentildeo de nuevas plantas como al anaacutelisis de instalaciones
existentes para diagnosticar y valorar las deficiencias y la evaluacioacuten de
mejoras ampliaciones o modificaciones todo ello se puede apreciar en el
siguiente trabajo monograacutefico
ldquoTERMOECONOMIacuteArdquo
3
TERMOECONOMIacuteA
1 MARCO TEOacuteRICO
En el anaacutelisis termodinaacutemico tradicional de sistemas industriales se viene
aplicando baacutesicamente el Primer Principio de la Termodinaacutemica Este principio
establece como es sabido que la energiacutea no se crea ni se destruye sino que
simplemente se transforma cambia de forma Por tanto la energiacutea perdida por
un sistema en un proceso cualquiera es igual a la ganada por su entorno Este
hecho permite formular balances de energiacutea que son muy uacutetiles por ejemplo
para valorar las peacuterdidas de calor de un sistema Los balances energeacuteticos
manejan como equivalentes las diversas formas de energiacutea Soacutelo importan sus
valores y no su mayor o menor utilidad Para ilustrar esto consideraremos por
ejemplo el grupo teacutermico que produce energiacutea eleacutectrica a partir de un
combustible mediante una caldera de vapor y un turboalternador
2 OBJETIVOS
21 Objetivo General
- Determinar a traveacutes del anaacutelisis exergeacutetico la dinaacutemica energeacutetica
de los procesos industriales y naturales en el Peruacute dentro de la
conceptualizacioacuten de Termoeconomiacutea
22 Objetivos Especiacuteficos
- Determinar el valor potencial del ahorro energeacutetico en un sector a
traveacutes de la informacioacuten recopilada
- Analizar termoeconomicamente para determinar si es posible la
cuantificacioacuten intangible de contables y fiacutesicos representados en el
exergiacutea
- Establecer conceptos generales A partir de la primera ley de la
termodinaacutemica y asociarla al anaacutelisis real
- Conocer las herramientas de caacutelculo energeacutetico y exergeacutetico los
cuales sirven en el desarrollo dentro de un proceso energeacutetico
ldquoTERMOECONOMIacuteArdquo
4
3 DEFINICIONES CONCEPTUALES
31 Termodinaacutemica
La palabra termodinaacutemica se origina del griego y significa literalmente
el estudio de las fuerzas (dynamis dunamiz) que originan el calor (thermo
termh) Hoy en diacutea esta traduccioacuten no tiene mucho que ver con la esencia
de lo que estudiamos bajo el concepto de termodinaacutemica La definicioacuten
original ya no es vaacutelida pues la termodinaacutemica no soacutelo estudia el calor sino
todo tipo de formas de energiacutea (mecaacutenica eleacutectrica quiacutemica nuclear etc)
Ademaacutes la termodinaacutemica claacutesica (de la que trata este curso) se ocupa de
estados de equilibrio y no de estados dinaacutemicos para los cuales las fuerzas
son importantes Hoy en diacutea la termodinaacutemica abarca campos tan diversos
como la ingenieriacutea la biologiacutea la quiacutemica la medicina entre otras Se podriacutea
decir que la termodinaacutemica es la ciencia que estudia las transformaciones
energeacuteticas
La termodinaacutemica es una ciencia exacta que se origina a mediados del
siglo XVIII como consecuencia de una necesidad de describir predecir y
optimizar la operacioacuten de las maacutequinas de vapor Las leyes de la
termodinaacutemica como las planteamos hoy son el resultado de maacutes de 250
antildeos de experimentacioacuten e interpretacioacuten teoacuterica El hecho de que la
termodinaacutemica pretenda describir matemaacuteticamente hechos observables
nos da a nosotros una gran ventaja ya que inadvertidamente conocemos
muchos aspectos de nuestra propia experiencia cotidiana
La termodinaacutemica se fundamenta en cuatro leyes universales
denominadas las leyes cero primera segunda y tercera Cronoloacutegicamente
soacutelo la tercera estaacute correctamente numerada La segunda ley fue formulada
en 1824 y la primera ley unos veinte antildeos despueacutes La tercera y la ley cero
se enunciaron a comienzos del siglo XX
32 Economiacutea
La economiacutea es una ciencia social que se encarga de estudiar la forma
en que los seres humanos como individuos o grupos tratan de adaptar
recursos escasos a sus necesidades mediante los procesos de produccioacuten
distribucioacuten sustitucioacuten consumo e intercambio Son muchas las
ldquoTERMOECONOMIacuteArdquo
5
definiciones que se han hecho de la economiacutea a lo largo del tiempo En las
primeras se afirmaba que consistiacutea en el estudio de la riqueza
33 Energiacutea
Etimoloacutegicamente la palabra energiacutea se acuntildeoacute en el siglo XIX tomando
del griego ldquoergonrdquo que significa ldquotrabajo accioacutenrdquo con el prefijo ldquoenrdquo que
quiere decir ldquodentrordquo
34 Ecologiacutea
La ecologiacutea es la especialidad cientiacutefica centrada en el estudio y anaacutelisis
del viacutenculo que surge entre los seres vivos y el entorno que los rodea
entendido como la combinacioacuten de los factores abioacuteticos (entre los cuales
se puede mencionar al clima y a la geologiacutea) y los factores bioacuteticos
(organismos que comparten el haacutebitat) La ecologiacutea analiza tambieacuten la
distribucioacuten y la cantidad de organismos vivos como resultado de la citada
relacioacuten
Cabe destacar que Oumlkologie es un concepto que data de fines de la
deacutecada de 1860 y fue acuntildeado por el bioacutelogo y filoacutesofo de origen alemaacuten
Ernst Haeckel Esta palabra estaacute compuesta por dos vocablos griegos oikos
(que significa ldquocasardquo ldquoresidenciardquo u ldquohogarrdquo) y logos (teacutermino que
traducido al espantildeol se entiende como ldquoestudiordquo) Por eso la ecologiacutea se
define con precisioacuten como ldquoel estudio de los hogaresrdquo
Actualmente se considera que la ecologiacutea es una rama de las ciencias
bioloacutegicas y es la encargada de estudiar las interacciones entre los
organismos vivos y el entorno natural en el que habitan Es una ciencia
multidisciplinaria que para desarrollarse como tal necesita de otras ciencias
para comprender la totalidad del estudio del medio ambiente Entre estas
otras ciencias se encuentran la climatologiacutea la biologiacutea la eacutetica y la
ingenieriacutea quiacutemica
35 Termoeconomiacutea
Es la rama de la ingenieriacutea energeacutetica que mediante la aplicacioacuten
combinada de los recursos de la termodinaacutemica y la economiacutea permite
lograr unos resultados que no se habriacutean obtenido con los meacutetodos de
anaacutelisis termodinaacutemico y econoacutemico tradicionales La diferencia
ldquoTERMOECONOMIacuteArdquo
6
fundamental radica en el uso del Segundo Principio de la Termodinaacutemica y
la nocioacuten de exergiacutea Se toma la exergiacutea como base racional para asignacioacuten
de costes econoacutemicos a los recursos y productos que intervienen en los
procesos industriales y para la valoracioacuten econoacutemica de las imperfecciones
termodinaacutemicas de dichos procesos Todo esto constituye una aportacioacuten
sustancial al anaacutelisis evaluacioacuten y optimizacioacuten de sistemas
351 Objeto de la Termoeconomiacutea
La Termoeconomiacutea mediante una aplicacioacuten integrada y rigurosa
de la economiacutea y la termodinaacutemica proporciona una herramienta muy
potente y rigurosa para el anaacutelisis la evaluacioacuten y la optimizacioacuten de
sistemas industriales Todo ingeniero ha de ser capaz de analizar y
evaluar los equipos e instalaciones que encuentre en su campo de
actividad con el fin - entre otros - de optimizar los costes Por otra parte
la actividad distintiva del ingeniero es el proyecto Eacuteste tiene por objeto
sintetizar algo que antes no existiacutea y evaluarlo con criterios basados por
ejemplo en la economiacutea la seguridad la fiabilidad y el impacto
ambiental Las capacidades de siacutentesis y evaluacioacuten son la esencia misma
de la actividad creadora del ingeniero
352 Fines de la termoeconomiacutea
En general la termoeconomiacutea tiene los siguientes fines
Calcular los costes de los productos intermedios y finales de los
procesos
Analizar el proceso de formacioacuten y el flujo de los costes en los
procesos
Valorar los costes de las destrucciones y peacuterdidas de exergiacutea
Optimizar el funcionamiento de cada componente de un
sistema y el de eacuteste en su conjunto
Optimizar el coste de los productos de un sistema
Por ejemplo las comparaciones de costes de la destruccioacuten de
exergiacutea en los equipos con sus respectivos costes de inversioacuten permiten
juzgar si el ahorro exergeacutetico aportado por una cierta mejora de
eficiencia justifica la mayor inversioacuten que probablemente se requiera
ldquoTERMOECONOMIacuteArdquo
7
Estos caacutelculos son sumamente uacutetiles en la toma de decisiones de
mejora Cuando se trata de un sistema complejo el uso de
aproximaciones sucesivas guiadas por la termoeconomiacutea constituye
probablemente el mejor recurso praacutectico de optimizacioacuten existente en
la actualidad
Seguacuten Valero y Torres (2005) la Termoeconomiacutea proporciona
meacutetodos para
Evaluar la cantidad y calidad de las peacuterdidas energeacuteticas
Evaluar el coste de las peacuterdidas en teacuterminos de consumo de
recursos
Aplicar a diferentes niveles de decisioacuten sobre sistemas
energeacuteticos Sus aplicaciones principales son las siguientes
(Valero y Torres 2005)
Asignacioacuten de precios a productos en base a criterios fiacutesicos
Optimizacioacuten de variables especiacuteficas de procesos para
minimizar el coste de produccioacuten bull Detectar ineficiencias y
calcular sus efectos econoacutemicos
Evaluacioacuten de varias alternativas de disentildeo u operacioacuten
Sintetizar e integrar procesos
El anaacutelisis termoeconoacutemico permite aplicar las herramientas de la
Termoeconomiacutea al diagnoacutestico y a la optimizacioacuten de sistemas
energeacuteticos complejos Sin embargo el diagnoacutestico termoeconoacutemico es
probablemente la aplicacioacuten maacutes desarrollada Diagnoacutestico es el arte de
descubrir y entender los signos de malfuncioacuten y cuantificar sus efectos
En el caso de la Termoeconomiacutea el efecto de dicha malfuncioacuten se
cuantifica en teacuterminos de consumo adicional de recursos para
mantener la produccioacuten en calidad y cantidad (Uche 2000) Por
consiguiente el diagnoacutestico termoeconoacutemico de la operacioacuten de
sistemas energeacuteticos complejos se aplica para diagnosticar las causas
del consumo adicional de fuel de una planta en operacioacuten debido a las
ineficiencias de sus componentes
Los objetivos del diagnoacutestico termoeconoacutemico son los siguientes
(Valero y Torres 2005)
ldquoTERMOECONOMIacuteArdquo
8
Identificar las malfunciones de cada componente de un sistema
teacutermico
Evaluar sus efectos sobre la eficiencia global de la planta
Determinar doacutende coacutemo y queacute cantidad de recursos
consumidos pueden ser ahorrados
36 Exergiacutea
La exergiacutea en cambio lleva el prefijo ldquoexrdquo que indica ldquofuerardquo La
introdujo Rant a mediados del siglo XX para designar la capacidad de
realizar trabajo uacutetil sobre el entorno Esta capacidad es lo que caracteriza la
calidad de la energiacutea Hay formas de energiacutea tales como la cineacutetica
eleacutectrica o quiacutemica que pueden transformarse iacutentegramente en trabajo uacutetil
y son pura exergiacutea Hay otras por el contrario tales como el calor o la
radiacioacuten que soacutelo pueden convertirse parcialmente en exergiacutea
Las discrepancias entre la energiacutea y la exergiacutea pueden ser radicales Por
ejemplo cuando se calienta un cuerpo aumenta siempre su energiacutea Lo
mismo ocurre con la exergiacutea cuando la temperatura del cuerpo es superior
al ambiente Al calentarlo aumenta su capacidad de producir trabajo uacutetil
Pero si el cuerpo se encontrase a una temperatura inferior al ambiente es
evidente que dicha capacidad disminuiriacutea aunque su energiacutea aumente La
exergiacutea aumenta al alejarse del equilibrio con el ambiente en uno u otro
sentido Este ejemplo ilustra el hecho de que la exergiacutea depende de los
estados del sistema y de su ambiente y se anula cuando ambos se
encuentran en equilibrio termodinaacutemico
La exergiacutea hace referencia a la utilidad potencial de una determinada
fuente de energiacutea Se puede definir como el trabajo maacuteximo teoacuterico que
podriacutea obtenerse de la interaccioacuten entre un determinado sistema
termodinaacutemico y el ambiente de referencia Si el estado de una cantidad
de materia es diferente al del ambiente existiraacute la posibilidad de producir
trabajo Conforme el sistema evolucione hacia el equilibrio con el
ambiente dicha posibilidad se reduciraacute
El ambiente de referencia hace alusioacuten a una porcioacuten de entorno cuyas
propiedades intensivas no cambian significativamente como resultado de
cualquier proceso que se considere Se consideraraacute como tal un sistema
ldquoTERMOECONOMIacuteArdquo
9
simple compresible de enormes dimensiones con presioacuten p0 y
temperatura T0 uniformes y constantes
Conviene tener en cuenta algunos aspectos adicionales de la exergiacutea
La exergiacutea es una propiedad de los sistemas cerrados
El valor de la exergiacutea no puede ser negativo Las transferencias de
exergiacutea asociadas a flujos de energiacutea en traacutensito (en forma de calor
o trabajo) pueden tener uno u otro signo dependiendo del sentido
y naturaleza de dichos flujos
La exergiacutea no se conserva sino que se destruye a causa de las
irreversibilidades
361 EFICIENCIA EXERGEacuteTICA
Se puede definir como
La dificultad reside en identificar estos teacuterminos para un sistema o
instalacioacuten particular En muchos casos pueden existir distintas
interpretaciones vaacutelidas dentro de un orden loacutegico que suelen depender
de si los flujos exergeacuteticos residuales que abandonan el sistema son o no
aprovechados para otros usos en otra instalacioacuten o en otro elemento de la
misma instalacioacuten
4 SISTEMA Y AMBIENTE
Empezaremos por las nociones de sistema y ambiente
Sistema es aquella parte del Universo que se somete a estudio Ambiente
aquella parte del resto del Universo que puede ejercer alguna accioacuten sobre
el sistema Interesa clasificar los sistemas seguacuten sus posibilidades de
interaccioacuten con su ambiente Un sistema se denomina abierto si puede
intercambiar materia calor y trabajo con su ambiente Se le llama cerrado si
no puede intercambiar materia pero son posibles las transferencias de calor
ldquoTERMOECONOMIacuteArdquo
10
y trabajo Finalmente se le llama aislado cuando no es posible interaccioacuten
alguna con el resto del Universo
Obedeciendo al grado de separacioacuten que estos sistemas presenten respecto
a su entorno es posible reconocer tres tipos distintos
Sistemas abiertos Los maacutes predominantes de todos se caracterizan
por intercambiar energiacutea yo materia con el entorno que los rodea ya
sea tomando de eacutel expulsando hacia eacutel o las dos cosas
Sistemas cerrados A diferencia de los anteriores intercambian energiacutea
(calor trabajo) con el exterior pero nunca materia (su masa permanece
intacta)
Sistemas aislados Se les llama asiacute porque no intercambian ni energiacutea ni
materia de ninguacuten tipo con su entorno se los considera un sistema
desconectado de las dinaacutemicas a su alrededor No existen realmente en
el universo los sistemas totalmente aislados por lo que se consideran
casos de abstraccioacuten en periacuteodos determinados de tiempo Se suponen
en equilibrio termodinaacutemico
41 Sistemas abiertos
ndash El cuerpo humano En tanto estaacute necesitado de materia para
descomponer y obtener energiacutea el cuerpo es un sistema abierto
que requiere de disponibilidad de insumos orgaacutenicos Por otro
lado requiere de expulsar la materia sobrante desechada de
vuelta al medio ambiente De no poder realizar ambas acciones
durante un periacuteodo muy prolongado el sistema falla y se produce
la muerte
ndash Una olla de agua hirviendo La energiacutea introducida al sistema por
el fuego transforma el agua en gas que es liberado de vuelta al
medio ambiente Sin esa inyeccioacuten de calor constante el agua
dejaraacute de hervir y sin espacio para salir el vapor (materia)
aumentaraacute la presioacuten hasta reventar la olla
ndash Una hoguera Para mantener el fuego ardiendo es necesario
proveer a la hoguera de material inflamable ya sea carboacuten o ramas
secas Sin esa materia que consumir el fuego se apagaraacute
ldquoTERMOECONOMIacuteArdquo
11
ndash Un motor a combustioacuten Los motores son sistemas complejos que
generan movimiento a partir de un suministro constante de
combustible gasolina gasoil etc ameacuten de diversos aceites que
reducen la friccioacuten entre sus partes Sin estos aditivos el motor
simplemente no anda o andaraacute poco hasta romperse
ndash La mayoriacutea de las plantas Asiacute como el cuerpo humano las plantas
requieren de materia para su subsistencia (en forma de agua y
nutrientes) y de energiacutea (solar) para llevar a cabo la fotosiacutentesis
vital
ndash Una maacutequina de hacer palomitas de maiacutez En este caso se
requiere del insumo material de los granos de maiacutez que deben
antildeadirse junto con energiacutea eleacutectrica que se traduce en calor y los
hace estallar El resultado por demaacutes vuelve al exterior en forma
de palomitas (pochoclo cotufas etc)
ndash Un compostero El proceso de compost que produce abono para
fertilizar sembradiacuteos opera en base a la introduccioacuten constante en
el compostero de materia orgaacutenica de desecho caacutescaras restos
de comida etc Sin ellos los procesos de degradacioacuten de la materia
se detendriacutean y tambieacuten la produccioacuten del abono
ndash Una trituradora de papel Este artefacto de oficina opera como un
sistema abierto pues requiere de la introduccioacuten de materia
(papel) para triturar y de energiacutea (eleacutectrica) para operar sobre ella
Sin ellos simplemente no sirve para nada
ndash Las saunas Para producir el vapor contenido en los saunas se
requiere de agua (materia) y energiacutea (fuego) para producir el vapor
de agua y permitir que se acumule en el recinto cerrado Despueacutes
de un periacuteodo el vapor desapareceraacute y se necesitaraacute una nueva
inyeccioacuten de insumos al sistema
ndash Un reactor nuclear La electricidad generada en el reactor y que es
conducida hacia el ambiente es producto de la fisioacuten del uranio (u
otros elementos materiales) en una reaccioacuten atoacutemica
controlada que permite generar mucha energiacutea caloacuterica
aprovechable pero tambieacuten muchos desechos toacutexicos que deben
ir a dar a alguacuten lugar del entorno
42 Sistemas cerrados
ldquoTERMOECONOMIacuteArdquo
12
ndash Los bombillos o focos No necesitan materia para operar pero siacute
energiacutea eleacutectrica constante en el momento en que se la corte
cesaraacuten en su emisioacuten de luz que dicho sea de paso es tambieacuten
una forma de energiacutea transmitida al entorno
ndash Una botella de agua friacutea Al estar cerrada la botella la
transferencia de materia entre el sistema y el entorno es
imposible no puede entrar ni salir liacutequido Sin embargo es posible
intercambiar energiacutea el agua se iraacute calentando gradualmente
hasta perder su frialdad
ndash Un teleacutefono celular Si bien no requiere para su funcionamiento
cotidiano que se le introduzca materia (no consume nada) siacute
precisa de electricidad a diario pues al agotarse la bateriacutea dejaraacute
de funcionar Eso claro si tomamos como muestra un periacuteodo
diario en que no haya necesidad de repuestos
ndash Un termoacutemetro Ya que estaacute cerrado hermeacuteticamente el
contenido de un termoacutemetro no variacutea jamaacutes pero siacute reacciona de
acuerdo a la temperatura que percibe es decir es sensible a la
entrada de calor (energiacutea)
ndash El sol A menos que se lo piense en teacuterminos de millares de antildeos
al cabo de los cuales habraacute consumido todo su material y moriraacute el
astro rey es un ejemplo de sistema cerrado que no intercambia
materia con su entorno pero siacute expulsa energiacutea (radiacioacuten solar
luz solar calor) a borbotones
ndash El planeta tierra De forma similar la Tierra opera sin intercambios
de materia con respecto al vaciacuteo que la circunda o a los demaacutes
planetas y objetos celestes pero recibe energiacutea solar
constantemente sin la cual la vida seriacutea un planeta inhabitable
ndash Un envase con comida caliente Cerrado de manera hermeacutetica el
envase impediraacute que la materia en su interior se salga o que entre
nada hacia ella pero incluso asiacute irradiaraacute el calor de la comida hacia
afuera pudiendo quemarnos si fuera el caso
ndash Una bateriacutea Los quiacutemicos en su interior reaccionan y generan
energiacutea que es dirigida hacia el exterior y consumida pero la
materia en su interior no sufre variaciones
ldquoTERMOECONOMIacuteArdquo
13
ndash Los televisores Estos artefactos funcionan a partir del consumo de
energiacutea eleacutectrica para emitir luz de diversos tipos y modulaciones
junto con ondas sonoras al medio externo Pero no requieren de
inyeccioacuten de materia ni la masa en su interior es alterada
ndash Las ollas de presioacuten Dado que no permiten el escape de los gases
generados en su interior para que actuacuteen sobre la comida
cocinaacutendose estos recipientes actuacutean como sistemas cerrados
que impiden el escape de la materia pero no de la energiacutea que
escapa como calor ni de la necesaria para iniciar la coccioacuten
tambieacuten proveniente del afuera
43 Sistemas aislados
ndash Una caja fuerte El contenido en las cajas fuertes estaacute separado
por gruesas capas hermeacuteticas de metal de su entorno aislado de
la materia y de la energiacutea al menos en condiciones normales si la
arrojamos a un volcaacuten es seguro que se derrita y se incinere su
contenido
ndash Los trajes de neopreno Un hombre embutido en estos trajes
usualmente para el buceo o submarinismo se encuentra
protegido durante un periacuteodo de tiempo del intercambio caloacuterico
entre el agua y su cuerpo ameacuten de impedir que eacutesta (materia)
penetre al interior del mismo
ndash Los termos Durante un periacuteodo puntual de tiempo los termos
logran aislar el calor contenido en su interior y evitar la fuga de
energiacutea hacia el medio ambiente a la par que impidiendo el
derramamiento del contenido o la introduccioacuten del mismo No
obstante dado el tiempo suficiente la inevitable fuga del calor
ocurriraacute y el contenido volveraacute a estar friacuteo
ndash Una cava teacutermica Como las empleadas para transportar
alimentos operan en base a la reduccioacuten extrema de la entrada de
calor manteniendo su contenido friacuteo durante un periacuteodo
determinado Una vez superado ese rango de tiempo el contenido
empezaraacute a calentarse
ndash El igluacute de los esquimales Disentildeado para mantener a salvo a sus
habitantes de la materia en movimiento (viento nieve lluvia) y
ademaacutes del enfriamiento extremo de dichos climas puede
ldquoTERMOECONOMIacuteArdquo
14
considerarse un sistema aisladohellip hasta que el habitante tenga que
salir
ndash Una bombona de gas Contenido a presioacuten en su interior el gas
estaacute aislado de la materia y la energiacutea a su alrededor en
condiciones normales ya que es posible que el calentamiento de
la bombona obligue el gas a expandirse y ocurra una tragedia
ndash El universo Dado que no sabemos queacute hay afuera de eacutel ni si hay
un afuera de eacutel debemos suponer que el universo es un sistema
aislado en el que no ingresa ni egresa materia o energiacutea sino que
opera de manera independiente de su entorno
ndash Los alimentos enlatados En condiciones normales estos
alimentos se encuentran lejos de cualquier intercambio de materia
o de energiacutea Claro que seriacutea posible someter la lata a
calentamiento o enfriamiento e incluso fundirla en temperaturas
extremas pero incluso asiacute durante unos (breves) instantes la
comida estaraacute aislada por completo del calor
ndash Una caacutemara hiperbaacuterica Uacutetiles justamente para aislar de las
condiciones atmosfeacutericas a los buzos con burbujas de nitroacutegeno en
la sangre no permiten cuando en funcionamiento el intercambio
de materia ni de energiacutea o al menos no en cantidades apreciables
y significativas
ndash La mente humana Dado que no requiere del intercambio de
materia ni de energiacutea es quizaacute uno de los ejemplos de sistema
aislado maacutes factibles Esto claro sin tomar en cuenta el lado fiacutesico
de la misma el cerebro y el cuerpo humanos en absoluto
En el anaacutelisis de un sistema es preciso conocer y manejar un conjunto
de magnitudes que son las llamadas propiedades termodinaacutemicas del
sistema Estas propiedades pueden ser de dos tipos
ndash Intensivas que miden propiedades locales tales como la presioacuten
temperatura densidad etc y no dependen de la cantidad de
materia contenida en el sistema o cualquiera de sus partes
ndash Extensivas que siacute dependen de la cantidad de materia tales como
la masa el volumen o la energiacutea Si no se toman en consideracioacuten
los efectos en los liacutemites o fronteras del sistema ni las acciones a
ldquoTERMOECONOMIacuteArdquo
15
distancia su valor total para el conjunto del sistema es igual a la
suma de sus valores en cada una de las partes que lo formen
Se dice que un sistema es homogeacuteneo cuando sus propiedades
intensivas no variacutean al pasar de unos puntos a otros del mismo El
sistema es heterogeacuteneo en caso contrario Frecuentemente los
sistemas heterogeacuteneos estaacuten formados por dos o maacutes porciones
homogeacuteneas llamadas fases tales que al pasar de unas a otras sufren
un salto brusco las propiedades intensivas Las propiedades extensivas
de los sistemas homogeacuteneos son proporcionales a su cantidad de
materia Igual ocurre con cada una de las fases que forman uno
heterogeacuteneo
El estado de un sistema o de una fase queda determinado por el
conjunto de sus propiedades termodinaacutemicas las cuales ndashpor ellondash se
llaman tambieacuten variables o funciones de estado Una de las cuestiones
a que da respuesta la termodinaacutemica es la determinacioacuten del nuacutemero
necesario y suficiente de variables independientes precisas para
determinar el estado de un sistema La termodinaacutemica maneja tambieacuten
magnitudes que se refieren a procesos o transformaciones y por tanto
no son propiedades de ninguacuten sistema Por ejemplo el trabajo
realizado por un sistema durante una cierta transformacioacuten es algo
caracteriacutestico de eacutesta y no del sistema o su ambiente Esto ocurre en
general con todos los intercambios
Cuando un sistema se deja abandonado a siacute mismo sin otras
interacciones que las que puedan producirse con su ambiente sus
propiedades termodinaacutemicas podraacuten ir variando con el tiempo Es
posible que llegue un instante a partir del cual se mantengan
inalteradas todas sus propiedades y cese cualquier intercambio de
materia y energiacutea con el ambiente Se dice entonces que el sistema se
encuentra en equilibrio termodinaacutemico Eacuteste es un concepto muy
general de equilibrio y comprende como aspectos particulares todos
los tipos especiacuteficos de equilibrio considerados en Fiacutesica o en Quiacutemica
Toda diferencia de valores en alguna propiedad intensiva ndash dentro del
sistema o entre eacuteste y su ambiente ndash constituye un desequilibrio El
sistema tiende hacia el equilibrio reduciendo tales diferencias Las
diferencias de presioacuten provocan flujos de materia las de temperatura
ldquoTERMOECONOMIacuteArdquo
16
flujos de calor etc El estado de equilibrio termodinaacutemico
corresponde a la eliminacioacuten de todas las diferencias posibles entre los
valores locales de cualquiera de sus propiedades intensivas en su
interior o en relacioacuten con su ambiente Asiacute puede hablarse de equilibrio
mecaacutenico teacutermico quiacutemico etc que no son maacutes que aspectos
parciales del equilibrio termodinaacutemico
Para que se produzca espontaacuteneamente un proceso es necesaria la
existencia previa de alguacuten desequilibrio bien dentro del sistema o
entre eacuteste y su ambiente Como caso liacutemite puede concebirse un
proceso ideal formado por una sucesioacuten continua de estados de
equilibrio Tal proceso se denomina reversible Aunque en rigor todo
proceso real es irreversible el anaacutelisis de procesos reversibles es muy
uacutetil como aproximacioacuten en caacutelculos teoacutericos y para obtener patrones de
referencia en muchas situaciones
Como acabamos de ver durante el proceso de aproximacioacuten al
equilibrio pueden ir variando en general las propiedades
termodinaacutemicas intensivas y extensivas del sistema En tal caso se dice
que el proceso se produce en reacutegimen transitorio o variable En
procesos industriales en sistemas abiertos es usual que se mantengan
deliberadamente constantes ciertos desequilibrios (en presiones o
temperaturas por ejemplo) permitiendo al mismo tiempo
intercambios de materia y energiacutea con el ambiente de modo que las
propiedades termodinaacutemicas del sistema permanezcan invariables en
el tiempo Los procesos tienen lugar entonces en reacutegimen permanente
o estacionario En tal caso en particular se conservan constantes las
propiedades extensivas del sistema tales como su masa o su volumen
y esto obliga a que las cantidades de materia entrantes y salientes sean
iguales La mayoriacutea de los procesos industriales se desarrollan la mayor
parte del tiempo en reacutegimen permanente que es el maacutes faacutecil de
gobernar y con el que se controla mejor la cantidad y calidad de la
produccioacuten
44 Temperatura
La termodinaacutemica antildeade una cuarta magnitud fundamental a las
tres aportadas por la mecaacutenica (longitud masa y tiempo) Es eacutesta
ldquoTERMOECONOMIacuteArdquo
17
la temperatura cuya definicioacuten estaacute vinculada al equilibrio
teacutermico Para desarrollar este concepto tomamos dos sistemas
homogeacuteneos cerrados ndash cada uno de ellos en equilibrio y los
ponemos en contacto de tal modo que ninguno de ellos pueda
realizar trabajo sobre el otro (el llamado contacto teacutermico) Si
permanecen en equilibrio sin experimentar alteracioacuten alguna en
sus respectivos estados diremos que se encuentran a una misma
temperatura En general se llama temperatura a la magnitud que
determina si un sistema permaneceraacute en equilibrio al llevarlo al
contacto teacutermico con otros Se dice que dos sistemas tienen
iguales temperaturas si sus estados iniciales de equilibrio no se
alteran al ponerlos en contacto teacutermico Si no permanecen en
equilibrio sus temperaturas seraacuten diferentes En este uacuteltimo caso
desde el momento en que se ponen en contacto ambos sistemas
experimentan una serie de alteraciones hasta llegar a un nuevo
estado de equilibrio en el cual sus temperaturas se habraacuten hecho
iguales
Consideremos ahora dos sistemas A y B cuyas temperaturas
queremos comparar Para ello tomamos un tercer sistema C y lo
llevamos sucesivamente al contacto teacutermico con A y B Si el estado
de C no se altera en ninguna de estas operaciones se observa
experimentalmente que tampoco se alteran los de A y B si se les
pone directamente en contacto Este hecho experimental no
evidente por siacute mismo se establece como un principio
fundamental con el nombre de Principio Cero de la
Termodinaacutemica Si un sistema estaacute en equilibrio teacutermico con otros
dos eacutestos lo estaraacuten a su vez entre siacute Asiacute puede darse un valor
cuantitativo a la nocioacuten de temperatura (temperatura empiacuterica)
mediante una seleccioacuten conveniente del tercer sistema que seriacutea
el termoacutemetro
Usualmente se emplean dos escalas termomeacutetricas la de Celsius y
la de Kelvin Los valores t y T respectivos estaacuten relacionados por la
expresioacuten
ldquoTERMOECONOMIacuteArdquo
18
T = 27315 K + t helliphellip(expresioacuten 1)
La unidad internacional de temperatura es el Kelvin (K) Cuando se
emplea la escala de Celsius la unidad se representa por degC igual al
K ya que la uacutenica diferencia entre ambas escalas es la posicioacuten del
cero El empleo de siacutembolos diferentes sirve uacutenicamente para
caracterizar este hecho Cuando revisemos el Segundo Principio de
la Termodinaacutemica apreciaremos la base teoacuterica en que se sustenta
la escala de Kelvin o absoluta
Usualmente se emplean dos escalas termomeacutetricas la de Celsius y
la de Kelvin Los valores t y respectivos estaacuten relacionados por la
expresioacuten
441 El Primer Principio de la Termodinaacutemica
Su formulacioacuten no es maacutes que una expresioacuten del Principio de
la Conservacioacuten de la Energiacutea en la que se hace aparecer
expliacutecitamente la transferencia de calor Para todo proceso en
el sistema cerrado de la figura adjunta se verifica
en donde el primer miembro representa el intercambio neto
de energiacutea con su ambiente y el segundo el incremento de la
propiedad termodinaacutemica energiacutea En esta foacutermula hemos
seguido el convenio de considerar positivos el calor entrante
en el sistema y el trabajo realizado por eacuteste El Primer
Principio consiste precisamente en el reconocimiento de la
energiacutea como una propiedad termodinaacutemica del sistema Por
lo tanto los intercambios energeacuteticos del primer miembro de
la ecuacioacuten anterior dependen de los estados extremos 1 y 2
y del proceso seguido para pasar como se observa en la
siguiente figura
ldquoTERMOECONOMIacuteArdquo
19
Repasemos brevemente el significado de las magnitudes que
aparecen en la expresioacuten del Primer principio
Calor Es la forma de intercambio energeacutetico que se
produce entre dos sistemas cerrados a distintas
temperaturas cuando se les pone en contacto teacutermico
Equivale a afirmar que el flujo de calor se debe a los
desequilibrios teacutermicos Maacutes adelante volveremos sobre
esta cuestioacuten
Trabajo Muchas de las formas de trabajo que se
manejan habitualmente en ingenieriacutea termodinaacutemica
obedecen a la siguiente definicioacuten Trabajo es el
intercambio energeacutetico que se produce cuando se
desplaza una superficie de control a traveacutes de la cual
actuacutea una fuerza Si consideramos una fuerza F ejercida
por el sistema sobre el ambiente a traveacutes de la superficie
de control la cual experimenta un desplazamiento
elemental (vectorial) dr el trabajo elemental realizado
por el sistema seraacute el producto escalar de F por dr
Energiacutea La energiacutea de un sistema queda determinada
por factores muy diversos su posicioacuten en un campo de
fuerzas (energiacutea potencial mgz en donde m es la
masa g la aceleracioacuten de la gravedad y z la altitud si nos
referimos al campo gravitatorio terrestre) su
movimiento como un todo (energiacutea cineacutetica mc22 en
donde c es la velocidad) o la energiacutea debida a la
estructura el movimiento y las interacciones de las
ldquoTERMOECONOMIacuteArdquo
20
moleacuteculas aacutetomos y partiacuteculas que lo constituyen
(energiacutea interna U)
442 El Segundo Principio de la Termodinaacutemica
Puede afirmarse que el Primer Principio postula la existencia
de la funcioacuten de estado energiacutea cuya diferencial verifica De
una forma similar enunciaremos el Segundo Principio para
un sistema cerrado como sigue
Existe una funcioacuten de estado extensiva S llamada entropiacutea
con las dimensiones energiacuteatemperatura caracterizada por
las siguientes propiedades
a) Puede variar uacutenicamente por intercambio de calor con el
ambiente o por generacioacuten o creacioacuten interna en el propio
sistema
b) La entropiacutea debida al intercambio de calor con el ambiente
verifica
El valor de este teacutermino puede ser por tanto positivo
negativo o nulo seguacuten lo sea δQ
c) La entropiacutea generada en el sistema no puede ser negativa
y soacutelo seraacute nula cuando el proceso sea reversible En caso contrario
es siempre positiva Por tanto δS g es positiva para todo proceso
espontaacuteneo
5 ECOLOGIA INDUSTRIAL
Desde finales del siglo XX se abre paso el innovador concepto de la Ecologiacutea Industrial
Tradicionalmente se ha considerado que la fabricacioacuten comienza cuando las materias
primas entran en el proceso de produccioacuten y termina con la expedicioacuten del producto
acabado La Ecologiacutea Industrial va maacutes lejos considera las fuentes de abastecimiento de
materias primas los efectos de su extraccioacuten y el destino final del producto una vez agotada
su vida uacutetil entre otros aspectos
51 Aplicacioacuten de la Termoeconomiacutea a la Ecologiacutea Industrial
Definido el objeto del presente trabajo y una vez introducida la Ecologiacutea Industrial y
la Termoeconomiacutea surge la siguiente cuestioacuten iquestpor queacute aplicar la Termoeconomiacutea a
la Ecologiacutea Industrial La respuesta parte de la base de que la integracioacuten de procesos
industriales mediante intercambios mutuos de recursos productos y residuos
implica entre otros beneficios ahorros energeacuteticos Y el modo maacutes objetivo para
cuantificar dichos ahorros es mediante las leyes de la termodinaacutemica (Valero et al
2010) Es decir se trata de tener en consideracioacuten no soacutelo la primera ley de la
termodinaacutemica la cual indica que la energiacutea se conserva transformaacutendose de una
forma a otra sino tambieacuten la segunda ley de la termodinaacutemica que reconoce la
existencia de formas de energiacutea maacutes uacutetiles y menos degradadas que otras Por tanto
la combinacioacuten de ambas leyes indica que no es una cuestioacuten de cantidad de energiacutea
ahorrada sino de la calidad de esa energiacutea es decir de su contenido exergeacutetico El
presente trabajo trata de explicar las metodologiacuteas que la Termoeconomiacutea
actualmente estaacute aplicando al anaacutelisis optimizacioacuten y diagnoacutestico de sistemas
energeacuteticos tales como centrales teacutermicas a la Ecologiacutea Industrial y complejo
modelo de Simbiosis Industrial El anaacutelisis termoeconoacutemico puede ayudar a resolver
problemas importantes tales como identificar posibles integraciones mejorar la
eficiencia cuantificar los beneficios obtenidos por la integracioacuten o determinar los
precios en base a criterios fiacutesicos (Valero et al 2010) Conviene describir tambieacuten la
utilizacioacuten de la Termoeconomiacutea como herramienta de anaacutelisis en ecoparques
industriales Por tanto se puede afirmar que la Ecologiacutea Industrial representa un
campo de aplicacioacuten emergente para el anaacutelisis termoeconoacutemico
ldquoTERMOECONOMIacuteArdquo
1
52 Modelo de Simbiosis Industrial de Kalundborg
El ejemplo praacutectico maacutes reconocido mundialmente en el aacutembito de la Ecologiacutea
Industrial es el de la ciudad danesa de Kalundborg en el cual se acuntildeoacute la palabra de
Simbiosis Industrial Constituye la primera referencia de creacioacuten de una red de
ntercambios entre diversas industrias localizadas en un aacuterea comuacuten y su eacutexito
ha generado un aumento del apoyo institucional para la implantacioacuten de esta
estrategia en otros lugares
La experiencia empezoacute cuando unas pocas empresas trataron de minimizar el
consumo de agua subterraacutenea empleando agua de un lago cercano A raiacutez de ello
con el tiempo se ha establecido una compleja red de intercambios cooperativos en
tres aacutereas agua energiacutea y subproductos adoptando tambieacuten la denominacioacuten
de ecoparque o ecosistema industrial
Integrantes
Actualmente el modelo de Simbiosis Industrial de Kalundborg estaacute constituido
por cinco participantes principales maacutes otros diez participantes secundarios
Principales Participantes
Flujos
La red de intercambio de recursos entre los distintos participantes de la Simbiosis
Industrial estaacute compuesta por 31 flujos los cuales se pueden clasificar en tres
categoriacuteas
ldquoTERMOECONOMIacuteArdquo
2
a) Flujos hiacutedricos
Imagen de Flujos Hiacutedricos
Fuente httpwwwbdigitalunaleduco466731089410732015pdf
b) Flujos energeacuteticos
Imagen de Flujos Energeacuteticos
Fuente httpwwwbdigitalunaleduco466731089410732015pdf
ldquoTERMOECONOMIacuteArdquo
3
c) Flujos de subproductos
Imagen de Flujos de Subproductos
Fuente httpwwwbdigitalunaleduco466731089410732015pdf
53 Beneficios ambientales
Los beneficios ambientales asociados a la Simbiosis Industrial estaacuten determinados
por ahorros en el consumo de agua combustible y materia prima dichos
ahorros conllevan disminuir los residuos generados asiacute como las emisiones de
contaminantes como se muestra en la tabla siguiente
Sin embargo es complejo determinar todos los beneficios globales de la Simbiosis
Industrial puesto que muchos de los flujos presentes en el ecosistema
industrial generan un doble beneficio En el caso de los flujos de residuos su
valorizacioacuten conlleva por un lado evitar la ldquoeliminacioacutenrdquo de dicho residuo y por el
otro se evita el consumo de la materia prima asiacute como de todos los recursos
ldquoTERMOECONOMIacuteArdquo
4
asociados a la obtencioacuten de la misma que seriacutea necesario si no se llevara a cabo la
valorizacioacuten
Por ejemplo los procesos de desulfuracioacuten en la central teacutermica y la refineriacutea
ademaacutes de evitar la emisioacuten de dioacutexido de azufre a la atmoacutesfera producen yeso y
tiosulfato de amonio respectivamente La valorizacioacuten de estos dos residuos
supone para los emisores evitar su ldquoeliminacioacutenrdquo y para los receptores en el caso
del yeso se reduce la importacioacuten de yeso natural mientras que en el caso del
tiosulfato de amonio se ahorra en materias primas y recursos correspondientes a
su obtencioacuten Con las cenizas ocurre exactamente lo mismo su valorizacioacuten
repercute en una menor necesidad de clinker y por tanto de los recursos
necesarios para su fabricacioacuten El fertilizante y la levadura suministrada por Novo
Group disminuyen la cantidad de residuos generados y a su vez evitan el
consumo de nuevas materias primas y recursos asociados a la fabricacioacuten de
ambos productos
En el caso de los flujos energeacuteticos como por ejemplo el gas excedente de la
refineriacutea o la energiacutea teacutermica residual de la central en origen conlleva evitar su
disipacioacuten al medioambiente mientras que para los receptores repercute en un
ahorro sustancial de combustible
En cuanto a los flujos hiacutedricos el principal beneficio ambiental alcanzado es el
ahorro en el consumo de agua focalizado en sus inicios en la sustitucioacuten de
agua subterraacutenea por agua superficial y maacutes tarde en la reutilizacioacuten
Ademaacutes en teacuterminos econoacutemicos tambieacuten se han alcanzado beneficios
sustanciales
Como ejemplo para el antildeo 2000 ya se habiacutean invertido 75 millones de doacutelares en
19 proyectos con un ahorro estimado de 15 millones de doacutelares (Cervantes et al
2009) 6 Caso de estudio La aplicacioacuten de la Termoeconomiacutea al modelo de
Simbiosis Industrial de Kalundborg precisa de la definicioacuten de un caso de estudio
sobre dicho modelo que permita su caracterizacioacuten en teacuterminos de exergiacutea
En este sentido la informacioacuten teacutecnica recopilada sobre los flujos
intercambiados limita el alcance del caso de estudio establecido Sin embargo
fruto de una extensa y laboriosa buacutesqueda bibliograacutefica se ha elaborado un caso
de estudio que incluye los flujos maacutes representativos de la Simbiosis Industrial
de Kalundborg
ldquoTERMOECONOMIacuteArdquo
5
6 CONCLUSIONES
El anaacutelisis exergeacutetico se constituye en una soacutelida herramienta para entender la dinaacutemica
energeacutetica de los procesos de la naturaleza y de los procesos artificiales Sus aplicaciones
son ilimitadas en el sentido que toda accioacuten microscoacutepica o macroscoacutepica demanda un
consumo energeacutetico valioso
El verdadero potencial de ahorro energeacutetico de un sector industrial no se puede valorar
uacutenicamente a partir de la sustitucioacuten de energeacuteticos como consecuencia del
comportamiento del mercado o por la sustitucioacuten de tecnologiacuteas por el efecto de
nuevos desarrollos sino a traveacutes de un balance exergeacutetico que determine las
condiciones maacuteximas de operacioacuten a partir del propoacutesito de cada accioacuten o proceso
Por medio del anaacutelisis termoeconoacutemico es posible la cuantificacioacuten de intangibles
contables y fiacutesicos representados en la destruccioacuten de exergiacutea causada por muacuteltiples
factores como erroacutenea eleccioacuten de un combustible de un mecanismo de un lugar de
operacioacuten fallas de operacioacuten en los procesos erroacuteneos paraacutemetros de operacioacuten etc
A partir de la primera ley de la termodinaacutemica se establecioacute el precepto baacutesico de la
transformacioacuten de energiacutea no se crea no se destruye se transforma en calor en
trabajo aumenta o disminuye la energiacutea interna la segunda ley direcciona los procesos
e integra una nueva propiedad termodinaacutemica denominada entropiacutea asociada al
desorden y a las condiciones de irreversibilidad de los procesos reales El anaacutelisis
exergeacutetico complementa las leyes anteriores considerando el propoacutesito y coacutemo a traveacutes
de su desarrollo se destruye la exergiacutea pese a la conservacioacuten de la energiacutea
La metodologiacutea desarrollada para el anaacutelisis termoeconoacutemico del caso tiene validez para
cualquier proceso industrial porque contempla la valoracioacuten exergeacutetica del uso de los
recursos Si la valoracioacuten fuera de caraacutecter sectorial la metodologiacutea seriacutea la misma soacutelo
que tendriacutea que apoyarse en las estadiacutesticas de consumo energeacutetico por sector y se hariacutea
necesario evaluar la exergiacutea fiacutesica y quiacutemica de todos los recursos involucradosComo
punto de partida seriacutea recomendable valorar la exergiacutea quiacutemica de los hidrocarburos
producidos en Peruacute
Las herramientas de caacutelculo favorecen las evaluaciones termoeconoacutemicas de los
procesos faacutecilmente la teoriacutea exergeacutetica puede articularse a traveacutes de ecuaciones
simples En el caso particular el desarrollo es vaacutelido para un proceso de combustioacuten
externa con secado directo Sin embargo actualmente se consiguen en el mercado
herramientas robustas como el Aspen Process Economic Analyzer (APEA) que con la
informacioacuten baacutesica de operacioacuten realiza un anaacutelisis profundo de la destruccioacuten
exergeacutetica asiacute como de la valoracioacuten de alternativas de disentildeo operacioacuten y cambios
tecnoloacutegicos
La Termoeconomiacutea trata de costes bien monetarios (ptaskJ)o puramente energeacuteticos
(kJ de recursokJ de producto) y se utiliza principalmente para la contabilidad
diagnoacutestico mejora y disentildeo y optimizacioacuten de sistemas teacutermicos Pero en mi opinioacuten
abarca maacutes es la ciencia en la que la Termodinaacutemica y en particular el segundo
principio se une con la Economiacutea ambas en un sentido amplio Ahora estamos en el
principio y esta ciencia se construiraacute con las aportaciones de muchos autores no soacutelo
ingenieros mecaacutenicos En el futuro habraacute que poner orden y sistemaacutetica a la gran
cantidad de contribuciones que tanto economistas como fiacutesicos bioacutelogos quiacutemicos o
ldquoTERMOECONOMIacuteArdquo
6
ingenieros quieren encontrar en las analogiacuteas y explicaciones entre la Termodinaacutemica y
la Economiacutea
Vivimos en un mundo finito y pequentildeo para la gente que somos y seremos y los recursos
naturales son un bien escaso Si queremos sobrevivir debemos conservarlos y aprender
a conservarlos mejor y en este propoacutesito la Termoeconomiacutea jugaraacute un papel clave
Debemos conocer los mecanismos por los cuales la energiacutea y los recursos en general se
degradan y debemos tambieacuten aprender y ensentildear a juzgar queacute sistemas trabajan mejor
con objeto de mejorar sistemaacuteticamente los disentildeos y reducir el consumo per capita
Ademaacutes debemos aprender a reutilizar los residuos para evitar dantildeos al ambiente Esto
lo necesitamos urgentemente ya que al menos dos tercios de la humanidad actual vive
maacutes pobremente que el mundo desarrollado actual
Una contabilidad sistemaacutetica de los recursos naturales que se estaacuten consumiendo seriacutea
una herramienta clave para que tomaacuteramos una consciencia global del problema Y en
esta tarea la Termoeconomiacutea jugariacutea un papel clave
ldquoTERMOECONOMIacuteArdquo
7
7 REFERENCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS
Termoeconomiacutea y Optimizacioacuten Energeacutetica mdash OCW UPMocwupmes rsaquo Explotacioacuten de
Minas
La termoeconomiacutea como alternativa para mejorar la competitividad
wwwbdigitalunaleduco466731089410732015pdf
JR Silva Larrottaaplicaciones termoeconoacutemicas del meacutetodo -
PublicationsListorgpublicationslistorgAplicaciones20termoeconomicas20del
20metodo20exer
Termoeconomiacuteahttpszaguanunizaresrecord45719filesguiapdf
Analisis termoeconomico - ResearchGate https wwwresearchgatenet profile
0c960520b5ead8d544000000pdf
MAL SERRANO - 1993 - Universidad de Sevilla Termoeconomiacutea de Sistemas Energ
wwwuses estudiosgradosplan_221asignatura_2210057
Fundamentos de termodinaacutemica teacutecnica https booksgooglecompe booksisbn=
8429143130
Michael J Moran Howard N Shapiro - 2004 - Science-Termoeconomia
la termoeconomiacutea https wwwehueushelburuak-gaitasunak
La Termoeconomiacutea en plantas energeacuteticaswwwscieloclpdfinfotecv21n4art06pdf
ldquoTERMOECONOMIacuteArdquo
2
INTRODUCCIOacuteN
En toda instalacioacuten industrial se debe procurar minimizar el consumo de energiacutea
y otros recursos asiacute como la produccioacuten de efluentes y residuos Estos uacuteltimos
no son siempre consecuencias inevitables de su funcionamiento Cuanto menos
eficiente es una planta maacutes residuos genera y reciacuteprocamente Los efluentes y
residuos no producidos por ser la planta maacutes eficiente ahorran costosos
equipos de depuracioacuten y aminoran su impacto ambiental En el presente trabajo
se plasma los conceptos maacutes resaltantes tecnologiacuteas limpias que han de ser
siempre eficientes El proyecto de sistemas limpios y eficientes requiere un
empleo riguroso de los recursos cientiacuteficos y tecnoloacutegicos adecuados Por lo
general cuanto maacutes limpio y eficiente es un sistema tanto mayor es la inversioacuten
que requiere con la consiguiente repercusioacuten en los costes de la
Termoeconomiacutea que facilita el logro del coste oacuteptimo conjugando las mejoras
en el consumo de recursos y la eficiencia energeacutetica con los requerimientos de
capital
La Termoeconomiacutea mediante una aplicacioacuten integrada y rigurosa de la
economiacutea y la termodinaacutemica proporciona una herramienta muy potente y
rigurosa para el anaacutelisis la evaluacioacuten y la optimizacioacuten de sistemas industriales
Todo ingeniero ha de ser capaz de analizar y evaluar los equipos e instalaciones
que encuentre en su campo de actividad con el fin de optimizar los costes
La Termoeconomiacutea se aplica a una extraordinaria variedad de sistemas tales
como los que pueden encontrarse en la industria petrolera quiacutemica o
metaluacutergica generacioacuten de energiacutea eleacutectrica climatizacioacuten etc Su utilizacioacuten
se extiende tanto al disentildeo de nuevas plantas como al anaacutelisis de instalaciones
existentes para diagnosticar y valorar las deficiencias y la evaluacioacuten de
mejoras ampliaciones o modificaciones todo ello se puede apreciar en el
siguiente trabajo monograacutefico
ldquoTERMOECONOMIacuteArdquo
3
TERMOECONOMIacuteA
1 MARCO TEOacuteRICO
En el anaacutelisis termodinaacutemico tradicional de sistemas industriales se viene
aplicando baacutesicamente el Primer Principio de la Termodinaacutemica Este principio
establece como es sabido que la energiacutea no se crea ni se destruye sino que
simplemente se transforma cambia de forma Por tanto la energiacutea perdida por
un sistema en un proceso cualquiera es igual a la ganada por su entorno Este
hecho permite formular balances de energiacutea que son muy uacutetiles por ejemplo
para valorar las peacuterdidas de calor de un sistema Los balances energeacuteticos
manejan como equivalentes las diversas formas de energiacutea Soacutelo importan sus
valores y no su mayor o menor utilidad Para ilustrar esto consideraremos por
ejemplo el grupo teacutermico que produce energiacutea eleacutectrica a partir de un
combustible mediante una caldera de vapor y un turboalternador
2 OBJETIVOS
21 Objetivo General
- Determinar a traveacutes del anaacutelisis exergeacutetico la dinaacutemica energeacutetica
de los procesos industriales y naturales en el Peruacute dentro de la
conceptualizacioacuten de Termoeconomiacutea
22 Objetivos Especiacuteficos
- Determinar el valor potencial del ahorro energeacutetico en un sector a
traveacutes de la informacioacuten recopilada
- Analizar termoeconomicamente para determinar si es posible la
cuantificacioacuten intangible de contables y fiacutesicos representados en el
exergiacutea
- Establecer conceptos generales A partir de la primera ley de la
termodinaacutemica y asociarla al anaacutelisis real
- Conocer las herramientas de caacutelculo energeacutetico y exergeacutetico los
cuales sirven en el desarrollo dentro de un proceso energeacutetico
ldquoTERMOECONOMIacuteArdquo
4
3 DEFINICIONES CONCEPTUALES
31 Termodinaacutemica
La palabra termodinaacutemica se origina del griego y significa literalmente
el estudio de las fuerzas (dynamis dunamiz) que originan el calor (thermo
termh) Hoy en diacutea esta traduccioacuten no tiene mucho que ver con la esencia
de lo que estudiamos bajo el concepto de termodinaacutemica La definicioacuten
original ya no es vaacutelida pues la termodinaacutemica no soacutelo estudia el calor sino
todo tipo de formas de energiacutea (mecaacutenica eleacutectrica quiacutemica nuclear etc)
Ademaacutes la termodinaacutemica claacutesica (de la que trata este curso) se ocupa de
estados de equilibrio y no de estados dinaacutemicos para los cuales las fuerzas
son importantes Hoy en diacutea la termodinaacutemica abarca campos tan diversos
como la ingenieriacutea la biologiacutea la quiacutemica la medicina entre otras Se podriacutea
decir que la termodinaacutemica es la ciencia que estudia las transformaciones
energeacuteticas
La termodinaacutemica es una ciencia exacta que se origina a mediados del
siglo XVIII como consecuencia de una necesidad de describir predecir y
optimizar la operacioacuten de las maacutequinas de vapor Las leyes de la
termodinaacutemica como las planteamos hoy son el resultado de maacutes de 250
antildeos de experimentacioacuten e interpretacioacuten teoacuterica El hecho de que la
termodinaacutemica pretenda describir matemaacuteticamente hechos observables
nos da a nosotros una gran ventaja ya que inadvertidamente conocemos
muchos aspectos de nuestra propia experiencia cotidiana
La termodinaacutemica se fundamenta en cuatro leyes universales
denominadas las leyes cero primera segunda y tercera Cronoloacutegicamente
soacutelo la tercera estaacute correctamente numerada La segunda ley fue formulada
en 1824 y la primera ley unos veinte antildeos despueacutes La tercera y la ley cero
se enunciaron a comienzos del siglo XX
32 Economiacutea
La economiacutea es una ciencia social que se encarga de estudiar la forma
en que los seres humanos como individuos o grupos tratan de adaptar
recursos escasos a sus necesidades mediante los procesos de produccioacuten
distribucioacuten sustitucioacuten consumo e intercambio Son muchas las
ldquoTERMOECONOMIacuteArdquo
5
definiciones que se han hecho de la economiacutea a lo largo del tiempo En las
primeras se afirmaba que consistiacutea en el estudio de la riqueza
33 Energiacutea
Etimoloacutegicamente la palabra energiacutea se acuntildeoacute en el siglo XIX tomando
del griego ldquoergonrdquo que significa ldquotrabajo accioacutenrdquo con el prefijo ldquoenrdquo que
quiere decir ldquodentrordquo
34 Ecologiacutea
La ecologiacutea es la especialidad cientiacutefica centrada en el estudio y anaacutelisis
del viacutenculo que surge entre los seres vivos y el entorno que los rodea
entendido como la combinacioacuten de los factores abioacuteticos (entre los cuales
se puede mencionar al clima y a la geologiacutea) y los factores bioacuteticos
(organismos que comparten el haacutebitat) La ecologiacutea analiza tambieacuten la
distribucioacuten y la cantidad de organismos vivos como resultado de la citada
relacioacuten
Cabe destacar que Oumlkologie es un concepto que data de fines de la
deacutecada de 1860 y fue acuntildeado por el bioacutelogo y filoacutesofo de origen alemaacuten
Ernst Haeckel Esta palabra estaacute compuesta por dos vocablos griegos oikos
(que significa ldquocasardquo ldquoresidenciardquo u ldquohogarrdquo) y logos (teacutermino que
traducido al espantildeol se entiende como ldquoestudiordquo) Por eso la ecologiacutea se
define con precisioacuten como ldquoel estudio de los hogaresrdquo
Actualmente se considera que la ecologiacutea es una rama de las ciencias
bioloacutegicas y es la encargada de estudiar las interacciones entre los
organismos vivos y el entorno natural en el que habitan Es una ciencia
multidisciplinaria que para desarrollarse como tal necesita de otras ciencias
para comprender la totalidad del estudio del medio ambiente Entre estas
otras ciencias se encuentran la climatologiacutea la biologiacutea la eacutetica y la
ingenieriacutea quiacutemica
35 Termoeconomiacutea
Es la rama de la ingenieriacutea energeacutetica que mediante la aplicacioacuten
combinada de los recursos de la termodinaacutemica y la economiacutea permite
lograr unos resultados que no se habriacutean obtenido con los meacutetodos de
anaacutelisis termodinaacutemico y econoacutemico tradicionales La diferencia
ldquoTERMOECONOMIacuteArdquo
6
fundamental radica en el uso del Segundo Principio de la Termodinaacutemica y
la nocioacuten de exergiacutea Se toma la exergiacutea como base racional para asignacioacuten
de costes econoacutemicos a los recursos y productos que intervienen en los
procesos industriales y para la valoracioacuten econoacutemica de las imperfecciones
termodinaacutemicas de dichos procesos Todo esto constituye una aportacioacuten
sustancial al anaacutelisis evaluacioacuten y optimizacioacuten de sistemas
351 Objeto de la Termoeconomiacutea
La Termoeconomiacutea mediante una aplicacioacuten integrada y rigurosa
de la economiacutea y la termodinaacutemica proporciona una herramienta muy
potente y rigurosa para el anaacutelisis la evaluacioacuten y la optimizacioacuten de
sistemas industriales Todo ingeniero ha de ser capaz de analizar y
evaluar los equipos e instalaciones que encuentre en su campo de
actividad con el fin - entre otros - de optimizar los costes Por otra parte
la actividad distintiva del ingeniero es el proyecto Eacuteste tiene por objeto
sintetizar algo que antes no existiacutea y evaluarlo con criterios basados por
ejemplo en la economiacutea la seguridad la fiabilidad y el impacto
ambiental Las capacidades de siacutentesis y evaluacioacuten son la esencia misma
de la actividad creadora del ingeniero
352 Fines de la termoeconomiacutea
En general la termoeconomiacutea tiene los siguientes fines
Calcular los costes de los productos intermedios y finales de los
procesos
Analizar el proceso de formacioacuten y el flujo de los costes en los
procesos
Valorar los costes de las destrucciones y peacuterdidas de exergiacutea
Optimizar el funcionamiento de cada componente de un
sistema y el de eacuteste en su conjunto
Optimizar el coste de los productos de un sistema
Por ejemplo las comparaciones de costes de la destruccioacuten de
exergiacutea en los equipos con sus respectivos costes de inversioacuten permiten
juzgar si el ahorro exergeacutetico aportado por una cierta mejora de
eficiencia justifica la mayor inversioacuten que probablemente se requiera
ldquoTERMOECONOMIacuteArdquo
7
Estos caacutelculos son sumamente uacutetiles en la toma de decisiones de
mejora Cuando se trata de un sistema complejo el uso de
aproximaciones sucesivas guiadas por la termoeconomiacutea constituye
probablemente el mejor recurso praacutectico de optimizacioacuten existente en
la actualidad
Seguacuten Valero y Torres (2005) la Termoeconomiacutea proporciona
meacutetodos para
Evaluar la cantidad y calidad de las peacuterdidas energeacuteticas
Evaluar el coste de las peacuterdidas en teacuterminos de consumo de
recursos
Aplicar a diferentes niveles de decisioacuten sobre sistemas
energeacuteticos Sus aplicaciones principales son las siguientes
(Valero y Torres 2005)
Asignacioacuten de precios a productos en base a criterios fiacutesicos
Optimizacioacuten de variables especiacuteficas de procesos para
minimizar el coste de produccioacuten bull Detectar ineficiencias y
calcular sus efectos econoacutemicos
Evaluacioacuten de varias alternativas de disentildeo u operacioacuten
Sintetizar e integrar procesos
El anaacutelisis termoeconoacutemico permite aplicar las herramientas de la
Termoeconomiacutea al diagnoacutestico y a la optimizacioacuten de sistemas
energeacuteticos complejos Sin embargo el diagnoacutestico termoeconoacutemico es
probablemente la aplicacioacuten maacutes desarrollada Diagnoacutestico es el arte de
descubrir y entender los signos de malfuncioacuten y cuantificar sus efectos
En el caso de la Termoeconomiacutea el efecto de dicha malfuncioacuten se
cuantifica en teacuterminos de consumo adicional de recursos para
mantener la produccioacuten en calidad y cantidad (Uche 2000) Por
consiguiente el diagnoacutestico termoeconoacutemico de la operacioacuten de
sistemas energeacuteticos complejos se aplica para diagnosticar las causas
del consumo adicional de fuel de una planta en operacioacuten debido a las
ineficiencias de sus componentes
Los objetivos del diagnoacutestico termoeconoacutemico son los siguientes
(Valero y Torres 2005)
ldquoTERMOECONOMIacuteArdquo
8
Identificar las malfunciones de cada componente de un sistema
teacutermico
Evaluar sus efectos sobre la eficiencia global de la planta
Determinar doacutende coacutemo y queacute cantidad de recursos
consumidos pueden ser ahorrados
36 Exergiacutea
La exergiacutea en cambio lleva el prefijo ldquoexrdquo que indica ldquofuerardquo La
introdujo Rant a mediados del siglo XX para designar la capacidad de
realizar trabajo uacutetil sobre el entorno Esta capacidad es lo que caracteriza la
calidad de la energiacutea Hay formas de energiacutea tales como la cineacutetica
eleacutectrica o quiacutemica que pueden transformarse iacutentegramente en trabajo uacutetil
y son pura exergiacutea Hay otras por el contrario tales como el calor o la
radiacioacuten que soacutelo pueden convertirse parcialmente en exergiacutea
Las discrepancias entre la energiacutea y la exergiacutea pueden ser radicales Por
ejemplo cuando se calienta un cuerpo aumenta siempre su energiacutea Lo
mismo ocurre con la exergiacutea cuando la temperatura del cuerpo es superior
al ambiente Al calentarlo aumenta su capacidad de producir trabajo uacutetil
Pero si el cuerpo se encontrase a una temperatura inferior al ambiente es
evidente que dicha capacidad disminuiriacutea aunque su energiacutea aumente La
exergiacutea aumenta al alejarse del equilibrio con el ambiente en uno u otro
sentido Este ejemplo ilustra el hecho de que la exergiacutea depende de los
estados del sistema y de su ambiente y se anula cuando ambos se
encuentran en equilibrio termodinaacutemico
La exergiacutea hace referencia a la utilidad potencial de una determinada
fuente de energiacutea Se puede definir como el trabajo maacuteximo teoacuterico que
podriacutea obtenerse de la interaccioacuten entre un determinado sistema
termodinaacutemico y el ambiente de referencia Si el estado de una cantidad
de materia es diferente al del ambiente existiraacute la posibilidad de producir
trabajo Conforme el sistema evolucione hacia el equilibrio con el
ambiente dicha posibilidad se reduciraacute
El ambiente de referencia hace alusioacuten a una porcioacuten de entorno cuyas
propiedades intensivas no cambian significativamente como resultado de
cualquier proceso que se considere Se consideraraacute como tal un sistema
ldquoTERMOECONOMIacuteArdquo
9
simple compresible de enormes dimensiones con presioacuten p0 y
temperatura T0 uniformes y constantes
Conviene tener en cuenta algunos aspectos adicionales de la exergiacutea
La exergiacutea es una propiedad de los sistemas cerrados
El valor de la exergiacutea no puede ser negativo Las transferencias de
exergiacutea asociadas a flujos de energiacutea en traacutensito (en forma de calor
o trabajo) pueden tener uno u otro signo dependiendo del sentido
y naturaleza de dichos flujos
La exergiacutea no se conserva sino que se destruye a causa de las
irreversibilidades
361 EFICIENCIA EXERGEacuteTICA
Se puede definir como
La dificultad reside en identificar estos teacuterminos para un sistema o
instalacioacuten particular En muchos casos pueden existir distintas
interpretaciones vaacutelidas dentro de un orden loacutegico que suelen depender
de si los flujos exergeacuteticos residuales que abandonan el sistema son o no
aprovechados para otros usos en otra instalacioacuten o en otro elemento de la
misma instalacioacuten
4 SISTEMA Y AMBIENTE
Empezaremos por las nociones de sistema y ambiente
Sistema es aquella parte del Universo que se somete a estudio Ambiente
aquella parte del resto del Universo que puede ejercer alguna accioacuten sobre
el sistema Interesa clasificar los sistemas seguacuten sus posibilidades de
interaccioacuten con su ambiente Un sistema se denomina abierto si puede
intercambiar materia calor y trabajo con su ambiente Se le llama cerrado si
no puede intercambiar materia pero son posibles las transferencias de calor
ldquoTERMOECONOMIacuteArdquo
10
y trabajo Finalmente se le llama aislado cuando no es posible interaccioacuten
alguna con el resto del Universo
Obedeciendo al grado de separacioacuten que estos sistemas presenten respecto
a su entorno es posible reconocer tres tipos distintos
Sistemas abiertos Los maacutes predominantes de todos se caracterizan
por intercambiar energiacutea yo materia con el entorno que los rodea ya
sea tomando de eacutel expulsando hacia eacutel o las dos cosas
Sistemas cerrados A diferencia de los anteriores intercambian energiacutea
(calor trabajo) con el exterior pero nunca materia (su masa permanece
intacta)
Sistemas aislados Se les llama asiacute porque no intercambian ni energiacutea ni
materia de ninguacuten tipo con su entorno se los considera un sistema
desconectado de las dinaacutemicas a su alrededor No existen realmente en
el universo los sistemas totalmente aislados por lo que se consideran
casos de abstraccioacuten en periacuteodos determinados de tiempo Se suponen
en equilibrio termodinaacutemico
41 Sistemas abiertos
ndash El cuerpo humano En tanto estaacute necesitado de materia para
descomponer y obtener energiacutea el cuerpo es un sistema abierto
que requiere de disponibilidad de insumos orgaacutenicos Por otro
lado requiere de expulsar la materia sobrante desechada de
vuelta al medio ambiente De no poder realizar ambas acciones
durante un periacuteodo muy prolongado el sistema falla y se produce
la muerte
ndash Una olla de agua hirviendo La energiacutea introducida al sistema por
el fuego transforma el agua en gas que es liberado de vuelta al
medio ambiente Sin esa inyeccioacuten de calor constante el agua
dejaraacute de hervir y sin espacio para salir el vapor (materia)
aumentaraacute la presioacuten hasta reventar la olla
ndash Una hoguera Para mantener el fuego ardiendo es necesario
proveer a la hoguera de material inflamable ya sea carboacuten o ramas
secas Sin esa materia que consumir el fuego se apagaraacute
ldquoTERMOECONOMIacuteArdquo
11
ndash Un motor a combustioacuten Los motores son sistemas complejos que
generan movimiento a partir de un suministro constante de
combustible gasolina gasoil etc ameacuten de diversos aceites que
reducen la friccioacuten entre sus partes Sin estos aditivos el motor
simplemente no anda o andaraacute poco hasta romperse
ndash La mayoriacutea de las plantas Asiacute como el cuerpo humano las plantas
requieren de materia para su subsistencia (en forma de agua y
nutrientes) y de energiacutea (solar) para llevar a cabo la fotosiacutentesis
vital
ndash Una maacutequina de hacer palomitas de maiacutez En este caso se
requiere del insumo material de los granos de maiacutez que deben
antildeadirse junto con energiacutea eleacutectrica que se traduce en calor y los
hace estallar El resultado por demaacutes vuelve al exterior en forma
de palomitas (pochoclo cotufas etc)
ndash Un compostero El proceso de compost que produce abono para
fertilizar sembradiacuteos opera en base a la introduccioacuten constante en
el compostero de materia orgaacutenica de desecho caacutescaras restos
de comida etc Sin ellos los procesos de degradacioacuten de la materia
se detendriacutean y tambieacuten la produccioacuten del abono
ndash Una trituradora de papel Este artefacto de oficina opera como un
sistema abierto pues requiere de la introduccioacuten de materia
(papel) para triturar y de energiacutea (eleacutectrica) para operar sobre ella
Sin ellos simplemente no sirve para nada
ndash Las saunas Para producir el vapor contenido en los saunas se
requiere de agua (materia) y energiacutea (fuego) para producir el vapor
de agua y permitir que se acumule en el recinto cerrado Despueacutes
de un periacuteodo el vapor desapareceraacute y se necesitaraacute una nueva
inyeccioacuten de insumos al sistema
ndash Un reactor nuclear La electricidad generada en el reactor y que es
conducida hacia el ambiente es producto de la fisioacuten del uranio (u
otros elementos materiales) en una reaccioacuten atoacutemica
controlada que permite generar mucha energiacutea caloacuterica
aprovechable pero tambieacuten muchos desechos toacutexicos que deben
ir a dar a alguacuten lugar del entorno
42 Sistemas cerrados
ldquoTERMOECONOMIacuteArdquo
12
ndash Los bombillos o focos No necesitan materia para operar pero siacute
energiacutea eleacutectrica constante en el momento en que se la corte
cesaraacuten en su emisioacuten de luz que dicho sea de paso es tambieacuten
una forma de energiacutea transmitida al entorno
ndash Una botella de agua friacutea Al estar cerrada la botella la
transferencia de materia entre el sistema y el entorno es
imposible no puede entrar ni salir liacutequido Sin embargo es posible
intercambiar energiacutea el agua se iraacute calentando gradualmente
hasta perder su frialdad
ndash Un teleacutefono celular Si bien no requiere para su funcionamiento
cotidiano que se le introduzca materia (no consume nada) siacute
precisa de electricidad a diario pues al agotarse la bateriacutea dejaraacute
de funcionar Eso claro si tomamos como muestra un periacuteodo
diario en que no haya necesidad de repuestos
ndash Un termoacutemetro Ya que estaacute cerrado hermeacuteticamente el
contenido de un termoacutemetro no variacutea jamaacutes pero siacute reacciona de
acuerdo a la temperatura que percibe es decir es sensible a la
entrada de calor (energiacutea)
ndash El sol A menos que se lo piense en teacuterminos de millares de antildeos
al cabo de los cuales habraacute consumido todo su material y moriraacute el
astro rey es un ejemplo de sistema cerrado que no intercambia
materia con su entorno pero siacute expulsa energiacutea (radiacioacuten solar
luz solar calor) a borbotones
ndash El planeta tierra De forma similar la Tierra opera sin intercambios
de materia con respecto al vaciacuteo que la circunda o a los demaacutes
planetas y objetos celestes pero recibe energiacutea solar
constantemente sin la cual la vida seriacutea un planeta inhabitable
ndash Un envase con comida caliente Cerrado de manera hermeacutetica el
envase impediraacute que la materia en su interior se salga o que entre
nada hacia ella pero incluso asiacute irradiaraacute el calor de la comida hacia
afuera pudiendo quemarnos si fuera el caso
ndash Una bateriacutea Los quiacutemicos en su interior reaccionan y generan
energiacutea que es dirigida hacia el exterior y consumida pero la
materia en su interior no sufre variaciones
ldquoTERMOECONOMIacuteArdquo
13
ndash Los televisores Estos artefactos funcionan a partir del consumo de
energiacutea eleacutectrica para emitir luz de diversos tipos y modulaciones
junto con ondas sonoras al medio externo Pero no requieren de
inyeccioacuten de materia ni la masa en su interior es alterada
ndash Las ollas de presioacuten Dado que no permiten el escape de los gases
generados en su interior para que actuacuteen sobre la comida
cocinaacutendose estos recipientes actuacutean como sistemas cerrados
que impiden el escape de la materia pero no de la energiacutea que
escapa como calor ni de la necesaria para iniciar la coccioacuten
tambieacuten proveniente del afuera
43 Sistemas aislados
ndash Una caja fuerte El contenido en las cajas fuertes estaacute separado
por gruesas capas hermeacuteticas de metal de su entorno aislado de
la materia y de la energiacutea al menos en condiciones normales si la
arrojamos a un volcaacuten es seguro que se derrita y se incinere su
contenido
ndash Los trajes de neopreno Un hombre embutido en estos trajes
usualmente para el buceo o submarinismo se encuentra
protegido durante un periacuteodo de tiempo del intercambio caloacuterico
entre el agua y su cuerpo ameacuten de impedir que eacutesta (materia)
penetre al interior del mismo
ndash Los termos Durante un periacuteodo puntual de tiempo los termos
logran aislar el calor contenido en su interior y evitar la fuga de
energiacutea hacia el medio ambiente a la par que impidiendo el
derramamiento del contenido o la introduccioacuten del mismo No
obstante dado el tiempo suficiente la inevitable fuga del calor
ocurriraacute y el contenido volveraacute a estar friacuteo
ndash Una cava teacutermica Como las empleadas para transportar
alimentos operan en base a la reduccioacuten extrema de la entrada de
calor manteniendo su contenido friacuteo durante un periacuteodo
determinado Una vez superado ese rango de tiempo el contenido
empezaraacute a calentarse
ndash El igluacute de los esquimales Disentildeado para mantener a salvo a sus
habitantes de la materia en movimiento (viento nieve lluvia) y
ademaacutes del enfriamiento extremo de dichos climas puede
ldquoTERMOECONOMIacuteArdquo
14
considerarse un sistema aisladohellip hasta que el habitante tenga que
salir
ndash Una bombona de gas Contenido a presioacuten en su interior el gas
estaacute aislado de la materia y la energiacutea a su alrededor en
condiciones normales ya que es posible que el calentamiento de
la bombona obligue el gas a expandirse y ocurra una tragedia
ndash El universo Dado que no sabemos queacute hay afuera de eacutel ni si hay
un afuera de eacutel debemos suponer que el universo es un sistema
aislado en el que no ingresa ni egresa materia o energiacutea sino que
opera de manera independiente de su entorno
ndash Los alimentos enlatados En condiciones normales estos
alimentos se encuentran lejos de cualquier intercambio de materia
o de energiacutea Claro que seriacutea posible someter la lata a
calentamiento o enfriamiento e incluso fundirla en temperaturas
extremas pero incluso asiacute durante unos (breves) instantes la
comida estaraacute aislada por completo del calor
ndash Una caacutemara hiperbaacuterica Uacutetiles justamente para aislar de las
condiciones atmosfeacutericas a los buzos con burbujas de nitroacutegeno en
la sangre no permiten cuando en funcionamiento el intercambio
de materia ni de energiacutea o al menos no en cantidades apreciables
y significativas
ndash La mente humana Dado que no requiere del intercambio de
materia ni de energiacutea es quizaacute uno de los ejemplos de sistema
aislado maacutes factibles Esto claro sin tomar en cuenta el lado fiacutesico
de la misma el cerebro y el cuerpo humanos en absoluto
En el anaacutelisis de un sistema es preciso conocer y manejar un conjunto
de magnitudes que son las llamadas propiedades termodinaacutemicas del
sistema Estas propiedades pueden ser de dos tipos
ndash Intensivas que miden propiedades locales tales como la presioacuten
temperatura densidad etc y no dependen de la cantidad de
materia contenida en el sistema o cualquiera de sus partes
ndash Extensivas que siacute dependen de la cantidad de materia tales como
la masa el volumen o la energiacutea Si no se toman en consideracioacuten
los efectos en los liacutemites o fronteras del sistema ni las acciones a
ldquoTERMOECONOMIacuteArdquo
15
distancia su valor total para el conjunto del sistema es igual a la
suma de sus valores en cada una de las partes que lo formen
Se dice que un sistema es homogeacuteneo cuando sus propiedades
intensivas no variacutean al pasar de unos puntos a otros del mismo El
sistema es heterogeacuteneo en caso contrario Frecuentemente los
sistemas heterogeacuteneos estaacuten formados por dos o maacutes porciones
homogeacuteneas llamadas fases tales que al pasar de unas a otras sufren
un salto brusco las propiedades intensivas Las propiedades extensivas
de los sistemas homogeacuteneos son proporcionales a su cantidad de
materia Igual ocurre con cada una de las fases que forman uno
heterogeacuteneo
El estado de un sistema o de una fase queda determinado por el
conjunto de sus propiedades termodinaacutemicas las cuales ndashpor ellondash se
llaman tambieacuten variables o funciones de estado Una de las cuestiones
a que da respuesta la termodinaacutemica es la determinacioacuten del nuacutemero
necesario y suficiente de variables independientes precisas para
determinar el estado de un sistema La termodinaacutemica maneja tambieacuten
magnitudes que se refieren a procesos o transformaciones y por tanto
no son propiedades de ninguacuten sistema Por ejemplo el trabajo
realizado por un sistema durante una cierta transformacioacuten es algo
caracteriacutestico de eacutesta y no del sistema o su ambiente Esto ocurre en
general con todos los intercambios
Cuando un sistema se deja abandonado a siacute mismo sin otras
interacciones que las que puedan producirse con su ambiente sus
propiedades termodinaacutemicas podraacuten ir variando con el tiempo Es
posible que llegue un instante a partir del cual se mantengan
inalteradas todas sus propiedades y cese cualquier intercambio de
materia y energiacutea con el ambiente Se dice entonces que el sistema se
encuentra en equilibrio termodinaacutemico Eacuteste es un concepto muy
general de equilibrio y comprende como aspectos particulares todos
los tipos especiacuteficos de equilibrio considerados en Fiacutesica o en Quiacutemica
Toda diferencia de valores en alguna propiedad intensiva ndash dentro del
sistema o entre eacuteste y su ambiente ndash constituye un desequilibrio El
sistema tiende hacia el equilibrio reduciendo tales diferencias Las
diferencias de presioacuten provocan flujos de materia las de temperatura
ldquoTERMOECONOMIacuteArdquo
16
flujos de calor etc El estado de equilibrio termodinaacutemico
corresponde a la eliminacioacuten de todas las diferencias posibles entre los
valores locales de cualquiera de sus propiedades intensivas en su
interior o en relacioacuten con su ambiente Asiacute puede hablarse de equilibrio
mecaacutenico teacutermico quiacutemico etc que no son maacutes que aspectos
parciales del equilibrio termodinaacutemico
Para que se produzca espontaacuteneamente un proceso es necesaria la
existencia previa de alguacuten desequilibrio bien dentro del sistema o
entre eacuteste y su ambiente Como caso liacutemite puede concebirse un
proceso ideal formado por una sucesioacuten continua de estados de
equilibrio Tal proceso se denomina reversible Aunque en rigor todo
proceso real es irreversible el anaacutelisis de procesos reversibles es muy
uacutetil como aproximacioacuten en caacutelculos teoacutericos y para obtener patrones de
referencia en muchas situaciones
Como acabamos de ver durante el proceso de aproximacioacuten al
equilibrio pueden ir variando en general las propiedades
termodinaacutemicas intensivas y extensivas del sistema En tal caso se dice
que el proceso se produce en reacutegimen transitorio o variable En
procesos industriales en sistemas abiertos es usual que se mantengan
deliberadamente constantes ciertos desequilibrios (en presiones o
temperaturas por ejemplo) permitiendo al mismo tiempo
intercambios de materia y energiacutea con el ambiente de modo que las
propiedades termodinaacutemicas del sistema permanezcan invariables en
el tiempo Los procesos tienen lugar entonces en reacutegimen permanente
o estacionario En tal caso en particular se conservan constantes las
propiedades extensivas del sistema tales como su masa o su volumen
y esto obliga a que las cantidades de materia entrantes y salientes sean
iguales La mayoriacutea de los procesos industriales se desarrollan la mayor
parte del tiempo en reacutegimen permanente que es el maacutes faacutecil de
gobernar y con el que se controla mejor la cantidad y calidad de la
produccioacuten
44 Temperatura
La termodinaacutemica antildeade una cuarta magnitud fundamental a las
tres aportadas por la mecaacutenica (longitud masa y tiempo) Es eacutesta
ldquoTERMOECONOMIacuteArdquo
17
la temperatura cuya definicioacuten estaacute vinculada al equilibrio
teacutermico Para desarrollar este concepto tomamos dos sistemas
homogeacuteneos cerrados ndash cada uno de ellos en equilibrio y los
ponemos en contacto de tal modo que ninguno de ellos pueda
realizar trabajo sobre el otro (el llamado contacto teacutermico) Si
permanecen en equilibrio sin experimentar alteracioacuten alguna en
sus respectivos estados diremos que se encuentran a una misma
temperatura En general se llama temperatura a la magnitud que
determina si un sistema permaneceraacute en equilibrio al llevarlo al
contacto teacutermico con otros Se dice que dos sistemas tienen
iguales temperaturas si sus estados iniciales de equilibrio no se
alteran al ponerlos en contacto teacutermico Si no permanecen en
equilibrio sus temperaturas seraacuten diferentes En este uacuteltimo caso
desde el momento en que se ponen en contacto ambos sistemas
experimentan una serie de alteraciones hasta llegar a un nuevo
estado de equilibrio en el cual sus temperaturas se habraacuten hecho
iguales
Consideremos ahora dos sistemas A y B cuyas temperaturas
queremos comparar Para ello tomamos un tercer sistema C y lo
llevamos sucesivamente al contacto teacutermico con A y B Si el estado
de C no se altera en ninguna de estas operaciones se observa
experimentalmente que tampoco se alteran los de A y B si se les
pone directamente en contacto Este hecho experimental no
evidente por siacute mismo se establece como un principio
fundamental con el nombre de Principio Cero de la
Termodinaacutemica Si un sistema estaacute en equilibrio teacutermico con otros
dos eacutestos lo estaraacuten a su vez entre siacute Asiacute puede darse un valor
cuantitativo a la nocioacuten de temperatura (temperatura empiacuterica)
mediante una seleccioacuten conveniente del tercer sistema que seriacutea
el termoacutemetro
Usualmente se emplean dos escalas termomeacutetricas la de Celsius y
la de Kelvin Los valores t y T respectivos estaacuten relacionados por la
expresioacuten
ldquoTERMOECONOMIacuteArdquo
18
T = 27315 K + t helliphellip(expresioacuten 1)
La unidad internacional de temperatura es el Kelvin (K) Cuando se
emplea la escala de Celsius la unidad se representa por degC igual al
K ya que la uacutenica diferencia entre ambas escalas es la posicioacuten del
cero El empleo de siacutembolos diferentes sirve uacutenicamente para
caracterizar este hecho Cuando revisemos el Segundo Principio de
la Termodinaacutemica apreciaremos la base teoacuterica en que se sustenta
la escala de Kelvin o absoluta
Usualmente se emplean dos escalas termomeacutetricas la de Celsius y
la de Kelvin Los valores t y respectivos estaacuten relacionados por la
expresioacuten
441 El Primer Principio de la Termodinaacutemica
Su formulacioacuten no es maacutes que una expresioacuten del Principio de
la Conservacioacuten de la Energiacutea en la que se hace aparecer
expliacutecitamente la transferencia de calor Para todo proceso en
el sistema cerrado de la figura adjunta se verifica
en donde el primer miembro representa el intercambio neto
de energiacutea con su ambiente y el segundo el incremento de la
propiedad termodinaacutemica energiacutea En esta foacutermula hemos
seguido el convenio de considerar positivos el calor entrante
en el sistema y el trabajo realizado por eacuteste El Primer
Principio consiste precisamente en el reconocimiento de la
energiacutea como una propiedad termodinaacutemica del sistema Por
lo tanto los intercambios energeacuteticos del primer miembro de
la ecuacioacuten anterior dependen de los estados extremos 1 y 2
y del proceso seguido para pasar como se observa en la
siguiente figura
ldquoTERMOECONOMIacuteArdquo
19
Repasemos brevemente el significado de las magnitudes que
aparecen en la expresioacuten del Primer principio
Calor Es la forma de intercambio energeacutetico que se
produce entre dos sistemas cerrados a distintas
temperaturas cuando se les pone en contacto teacutermico
Equivale a afirmar que el flujo de calor se debe a los
desequilibrios teacutermicos Maacutes adelante volveremos sobre
esta cuestioacuten
Trabajo Muchas de las formas de trabajo que se
manejan habitualmente en ingenieriacutea termodinaacutemica
obedecen a la siguiente definicioacuten Trabajo es el
intercambio energeacutetico que se produce cuando se
desplaza una superficie de control a traveacutes de la cual
actuacutea una fuerza Si consideramos una fuerza F ejercida
por el sistema sobre el ambiente a traveacutes de la superficie
de control la cual experimenta un desplazamiento
elemental (vectorial) dr el trabajo elemental realizado
por el sistema seraacute el producto escalar de F por dr
Energiacutea La energiacutea de un sistema queda determinada
por factores muy diversos su posicioacuten en un campo de
fuerzas (energiacutea potencial mgz en donde m es la
masa g la aceleracioacuten de la gravedad y z la altitud si nos
referimos al campo gravitatorio terrestre) su
movimiento como un todo (energiacutea cineacutetica mc22 en
donde c es la velocidad) o la energiacutea debida a la
estructura el movimiento y las interacciones de las
ldquoTERMOECONOMIacuteArdquo
20
moleacuteculas aacutetomos y partiacuteculas que lo constituyen
(energiacutea interna U)
442 El Segundo Principio de la Termodinaacutemica
Puede afirmarse que el Primer Principio postula la existencia
de la funcioacuten de estado energiacutea cuya diferencial verifica De
una forma similar enunciaremos el Segundo Principio para
un sistema cerrado como sigue
Existe una funcioacuten de estado extensiva S llamada entropiacutea
con las dimensiones energiacuteatemperatura caracterizada por
las siguientes propiedades
a) Puede variar uacutenicamente por intercambio de calor con el
ambiente o por generacioacuten o creacioacuten interna en el propio
sistema
b) La entropiacutea debida al intercambio de calor con el ambiente
verifica
El valor de este teacutermino puede ser por tanto positivo
negativo o nulo seguacuten lo sea δQ
c) La entropiacutea generada en el sistema no puede ser negativa
y soacutelo seraacute nula cuando el proceso sea reversible En caso contrario
es siempre positiva Por tanto δS g es positiva para todo proceso
espontaacuteneo
5 ECOLOGIA INDUSTRIAL
Desde finales del siglo XX se abre paso el innovador concepto de la Ecologiacutea Industrial
Tradicionalmente se ha considerado que la fabricacioacuten comienza cuando las materias
primas entran en el proceso de produccioacuten y termina con la expedicioacuten del producto
acabado La Ecologiacutea Industrial va maacutes lejos considera las fuentes de abastecimiento de
materias primas los efectos de su extraccioacuten y el destino final del producto una vez agotada
su vida uacutetil entre otros aspectos
51 Aplicacioacuten de la Termoeconomiacutea a la Ecologiacutea Industrial
Definido el objeto del presente trabajo y una vez introducida la Ecologiacutea Industrial y
la Termoeconomiacutea surge la siguiente cuestioacuten iquestpor queacute aplicar la Termoeconomiacutea a
la Ecologiacutea Industrial La respuesta parte de la base de que la integracioacuten de procesos
industriales mediante intercambios mutuos de recursos productos y residuos
implica entre otros beneficios ahorros energeacuteticos Y el modo maacutes objetivo para
cuantificar dichos ahorros es mediante las leyes de la termodinaacutemica (Valero et al
2010) Es decir se trata de tener en consideracioacuten no soacutelo la primera ley de la
termodinaacutemica la cual indica que la energiacutea se conserva transformaacutendose de una
forma a otra sino tambieacuten la segunda ley de la termodinaacutemica que reconoce la
existencia de formas de energiacutea maacutes uacutetiles y menos degradadas que otras Por tanto
la combinacioacuten de ambas leyes indica que no es una cuestioacuten de cantidad de energiacutea
ahorrada sino de la calidad de esa energiacutea es decir de su contenido exergeacutetico El
presente trabajo trata de explicar las metodologiacuteas que la Termoeconomiacutea
actualmente estaacute aplicando al anaacutelisis optimizacioacuten y diagnoacutestico de sistemas
energeacuteticos tales como centrales teacutermicas a la Ecologiacutea Industrial y complejo
modelo de Simbiosis Industrial El anaacutelisis termoeconoacutemico puede ayudar a resolver
problemas importantes tales como identificar posibles integraciones mejorar la
eficiencia cuantificar los beneficios obtenidos por la integracioacuten o determinar los
precios en base a criterios fiacutesicos (Valero et al 2010) Conviene describir tambieacuten la
utilizacioacuten de la Termoeconomiacutea como herramienta de anaacutelisis en ecoparques
industriales Por tanto se puede afirmar que la Ecologiacutea Industrial representa un
campo de aplicacioacuten emergente para el anaacutelisis termoeconoacutemico
ldquoTERMOECONOMIacuteArdquo
1
52 Modelo de Simbiosis Industrial de Kalundborg
El ejemplo praacutectico maacutes reconocido mundialmente en el aacutembito de la Ecologiacutea
Industrial es el de la ciudad danesa de Kalundborg en el cual se acuntildeoacute la palabra de
Simbiosis Industrial Constituye la primera referencia de creacioacuten de una red de
ntercambios entre diversas industrias localizadas en un aacuterea comuacuten y su eacutexito
ha generado un aumento del apoyo institucional para la implantacioacuten de esta
estrategia en otros lugares
La experiencia empezoacute cuando unas pocas empresas trataron de minimizar el
consumo de agua subterraacutenea empleando agua de un lago cercano A raiacutez de ello
con el tiempo se ha establecido una compleja red de intercambios cooperativos en
tres aacutereas agua energiacutea y subproductos adoptando tambieacuten la denominacioacuten
de ecoparque o ecosistema industrial
Integrantes
Actualmente el modelo de Simbiosis Industrial de Kalundborg estaacute constituido
por cinco participantes principales maacutes otros diez participantes secundarios
Principales Participantes
Flujos
La red de intercambio de recursos entre los distintos participantes de la Simbiosis
Industrial estaacute compuesta por 31 flujos los cuales se pueden clasificar en tres
categoriacuteas
ldquoTERMOECONOMIacuteArdquo
2
a) Flujos hiacutedricos
Imagen de Flujos Hiacutedricos
Fuente httpwwwbdigitalunaleduco466731089410732015pdf
b) Flujos energeacuteticos
Imagen de Flujos Energeacuteticos
Fuente httpwwwbdigitalunaleduco466731089410732015pdf
ldquoTERMOECONOMIacuteArdquo
3
c) Flujos de subproductos
Imagen de Flujos de Subproductos
Fuente httpwwwbdigitalunaleduco466731089410732015pdf
53 Beneficios ambientales
Los beneficios ambientales asociados a la Simbiosis Industrial estaacuten determinados
por ahorros en el consumo de agua combustible y materia prima dichos
ahorros conllevan disminuir los residuos generados asiacute como las emisiones de
contaminantes como se muestra en la tabla siguiente
Sin embargo es complejo determinar todos los beneficios globales de la Simbiosis
Industrial puesto que muchos de los flujos presentes en el ecosistema
industrial generan un doble beneficio En el caso de los flujos de residuos su
valorizacioacuten conlleva por un lado evitar la ldquoeliminacioacutenrdquo de dicho residuo y por el
otro se evita el consumo de la materia prima asiacute como de todos los recursos
ldquoTERMOECONOMIacuteArdquo
4
asociados a la obtencioacuten de la misma que seriacutea necesario si no se llevara a cabo la
valorizacioacuten
Por ejemplo los procesos de desulfuracioacuten en la central teacutermica y la refineriacutea
ademaacutes de evitar la emisioacuten de dioacutexido de azufre a la atmoacutesfera producen yeso y
tiosulfato de amonio respectivamente La valorizacioacuten de estos dos residuos
supone para los emisores evitar su ldquoeliminacioacutenrdquo y para los receptores en el caso
del yeso se reduce la importacioacuten de yeso natural mientras que en el caso del
tiosulfato de amonio se ahorra en materias primas y recursos correspondientes a
su obtencioacuten Con las cenizas ocurre exactamente lo mismo su valorizacioacuten
repercute en una menor necesidad de clinker y por tanto de los recursos
necesarios para su fabricacioacuten El fertilizante y la levadura suministrada por Novo
Group disminuyen la cantidad de residuos generados y a su vez evitan el
consumo de nuevas materias primas y recursos asociados a la fabricacioacuten de
ambos productos
En el caso de los flujos energeacuteticos como por ejemplo el gas excedente de la
refineriacutea o la energiacutea teacutermica residual de la central en origen conlleva evitar su
disipacioacuten al medioambiente mientras que para los receptores repercute en un
ahorro sustancial de combustible
En cuanto a los flujos hiacutedricos el principal beneficio ambiental alcanzado es el
ahorro en el consumo de agua focalizado en sus inicios en la sustitucioacuten de
agua subterraacutenea por agua superficial y maacutes tarde en la reutilizacioacuten
Ademaacutes en teacuterminos econoacutemicos tambieacuten se han alcanzado beneficios
sustanciales
Como ejemplo para el antildeo 2000 ya se habiacutean invertido 75 millones de doacutelares en
19 proyectos con un ahorro estimado de 15 millones de doacutelares (Cervantes et al
2009) 6 Caso de estudio La aplicacioacuten de la Termoeconomiacutea al modelo de
Simbiosis Industrial de Kalundborg precisa de la definicioacuten de un caso de estudio
sobre dicho modelo que permita su caracterizacioacuten en teacuterminos de exergiacutea
En este sentido la informacioacuten teacutecnica recopilada sobre los flujos
intercambiados limita el alcance del caso de estudio establecido Sin embargo
fruto de una extensa y laboriosa buacutesqueda bibliograacutefica se ha elaborado un caso
de estudio que incluye los flujos maacutes representativos de la Simbiosis Industrial
de Kalundborg
ldquoTERMOECONOMIacuteArdquo
5
6 CONCLUSIONES
El anaacutelisis exergeacutetico se constituye en una soacutelida herramienta para entender la dinaacutemica
energeacutetica de los procesos de la naturaleza y de los procesos artificiales Sus aplicaciones
son ilimitadas en el sentido que toda accioacuten microscoacutepica o macroscoacutepica demanda un
consumo energeacutetico valioso
El verdadero potencial de ahorro energeacutetico de un sector industrial no se puede valorar
uacutenicamente a partir de la sustitucioacuten de energeacuteticos como consecuencia del
comportamiento del mercado o por la sustitucioacuten de tecnologiacuteas por el efecto de
nuevos desarrollos sino a traveacutes de un balance exergeacutetico que determine las
condiciones maacuteximas de operacioacuten a partir del propoacutesito de cada accioacuten o proceso
Por medio del anaacutelisis termoeconoacutemico es posible la cuantificacioacuten de intangibles
contables y fiacutesicos representados en la destruccioacuten de exergiacutea causada por muacuteltiples
factores como erroacutenea eleccioacuten de un combustible de un mecanismo de un lugar de
operacioacuten fallas de operacioacuten en los procesos erroacuteneos paraacutemetros de operacioacuten etc
A partir de la primera ley de la termodinaacutemica se establecioacute el precepto baacutesico de la
transformacioacuten de energiacutea no se crea no se destruye se transforma en calor en
trabajo aumenta o disminuye la energiacutea interna la segunda ley direcciona los procesos
e integra una nueva propiedad termodinaacutemica denominada entropiacutea asociada al
desorden y a las condiciones de irreversibilidad de los procesos reales El anaacutelisis
exergeacutetico complementa las leyes anteriores considerando el propoacutesito y coacutemo a traveacutes
de su desarrollo se destruye la exergiacutea pese a la conservacioacuten de la energiacutea
La metodologiacutea desarrollada para el anaacutelisis termoeconoacutemico del caso tiene validez para
cualquier proceso industrial porque contempla la valoracioacuten exergeacutetica del uso de los
recursos Si la valoracioacuten fuera de caraacutecter sectorial la metodologiacutea seriacutea la misma soacutelo
que tendriacutea que apoyarse en las estadiacutesticas de consumo energeacutetico por sector y se hariacutea
necesario evaluar la exergiacutea fiacutesica y quiacutemica de todos los recursos involucradosComo
punto de partida seriacutea recomendable valorar la exergiacutea quiacutemica de los hidrocarburos
producidos en Peruacute
Las herramientas de caacutelculo favorecen las evaluaciones termoeconoacutemicas de los
procesos faacutecilmente la teoriacutea exergeacutetica puede articularse a traveacutes de ecuaciones
simples En el caso particular el desarrollo es vaacutelido para un proceso de combustioacuten
externa con secado directo Sin embargo actualmente se consiguen en el mercado
herramientas robustas como el Aspen Process Economic Analyzer (APEA) que con la
informacioacuten baacutesica de operacioacuten realiza un anaacutelisis profundo de la destruccioacuten
exergeacutetica asiacute como de la valoracioacuten de alternativas de disentildeo operacioacuten y cambios
tecnoloacutegicos
La Termoeconomiacutea trata de costes bien monetarios (ptaskJ)o puramente energeacuteticos
(kJ de recursokJ de producto) y se utiliza principalmente para la contabilidad
diagnoacutestico mejora y disentildeo y optimizacioacuten de sistemas teacutermicos Pero en mi opinioacuten
abarca maacutes es la ciencia en la que la Termodinaacutemica y en particular el segundo
principio se une con la Economiacutea ambas en un sentido amplio Ahora estamos en el
principio y esta ciencia se construiraacute con las aportaciones de muchos autores no soacutelo
ingenieros mecaacutenicos En el futuro habraacute que poner orden y sistemaacutetica a la gran
cantidad de contribuciones que tanto economistas como fiacutesicos bioacutelogos quiacutemicos o
ldquoTERMOECONOMIacuteArdquo
6
ingenieros quieren encontrar en las analogiacuteas y explicaciones entre la Termodinaacutemica y
la Economiacutea
Vivimos en un mundo finito y pequentildeo para la gente que somos y seremos y los recursos
naturales son un bien escaso Si queremos sobrevivir debemos conservarlos y aprender
a conservarlos mejor y en este propoacutesito la Termoeconomiacutea jugaraacute un papel clave
Debemos conocer los mecanismos por los cuales la energiacutea y los recursos en general se
degradan y debemos tambieacuten aprender y ensentildear a juzgar queacute sistemas trabajan mejor
con objeto de mejorar sistemaacuteticamente los disentildeos y reducir el consumo per capita
Ademaacutes debemos aprender a reutilizar los residuos para evitar dantildeos al ambiente Esto
lo necesitamos urgentemente ya que al menos dos tercios de la humanidad actual vive
maacutes pobremente que el mundo desarrollado actual
Una contabilidad sistemaacutetica de los recursos naturales que se estaacuten consumiendo seriacutea
una herramienta clave para que tomaacuteramos una consciencia global del problema Y en
esta tarea la Termoeconomiacutea jugariacutea un papel clave
ldquoTERMOECONOMIacuteArdquo
7
7 REFERENCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS
Termoeconomiacutea y Optimizacioacuten Energeacutetica mdash OCW UPMocwupmes rsaquo Explotacioacuten de
Minas
La termoeconomiacutea como alternativa para mejorar la competitividad
wwwbdigitalunaleduco466731089410732015pdf
JR Silva Larrottaaplicaciones termoeconoacutemicas del meacutetodo -
PublicationsListorgpublicationslistorgAplicaciones20termoeconomicas20del
20metodo20exer
Termoeconomiacuteahttpszaguanunizaresrecord45719filesguiapdf
Analisis termoeconomico - ResearchGate https wwwresearchgatenet profile
0c960520b5ead8d544000000pdf
MAL SERRANO - 1993 - Universidad de Sevilla Termoeconomiacutea de Sistemas Energ
wwwuses estudiosgradosplan_221asignatura_2210057
Fundamentos de termodinaacutemica teacutecnica https booksgooglecompe booksisbn=
8429143130
Michael J Moran Howard N Shapiro - 2004 - Science-Termoeconomia
la termoeconomiacutea https wwwehueushelburuak-gaitasunak
La Termoeconomiacutea en plantas energeacuteticaswwwscieloclpdfinfotecv21n4art06pdf
ldquoTERMOECONOMIacuteArdquo
3
TERMOECONOMIacuteA
1 MARCO TEOacuteRICO
En el anaacutelisis termodinaacutemico tradicional de sistemas industriales se viene
aplicando baacutesicamente el Primer Principio de la Termodinaacutemica Este principio
establece como es sabido que la energiacutea no se crea ni se destruye sino que
simplemente se transforma cambia de forma Por tanto la energiacutea perdida por
un sistema en un proceso cualquiera es igual a la ganada por su entorno Este
hecho permite formular balances de energiacutea que son muy uacutetiles por ejemplo
para valorar las peacuterdidas de calor de un sistema Los balances energeacuteticos
manejan como equivalentes las diversas formas de energiacutea Soacutelo importan sus
valores y no su mayor o menor utilidad Para ilustrar esto consideraremos por
ejemplo el grupo teacutermico que produce energiacutea eleacutectrica a partir de un
combustible mediante una caldera de vapor y un turboalternador
2 OBJETIVOS
21 Objetivo General
- Determinar a traveacutes del anaacutelisis exergeacutetico la dinaacutemica energeacutetica
de los procesos industriales y naturales en el Peruacute dentro de la
conceptualizacioacuten de Termoeconomiacutea
22 Objetivos Especiacuteficos
- Determinar el valor potencial del ahorro energeacutetico en un sector a
traveacutes de la informacioacuten recopilada
- Analizar termoeconomicamente para determinar si es posible la
cuantificacioacuten intangible de contables y fiacutesicos representados en el
exergiacutea
- Establecer conceptos generales A partir de la primera ley de la
termodinaacutemica y asociarla al anaacutelisis real
- Conocer las herramientas de caacutelculo energeacutetico y exergeacutetico los
cuales sirven en el desarrollo dentro de un proceso energeacutetico
ldquoTERMOECONOMIacuteArdquo
4
3 DEFINICIONES CONCEPTUALES
31 Termodinaacutemica
La palabra termodinaacutemica se origina del griego y significa literalmente
el estudio de las fuerzas (dynamis dunamiz) que originan el calor (thermo
termh) Hoy en diacutea esta traduccioacuten no tiene mucho que ver con la esencia
de lo que estudiamos bajo el concepto de termodinaacutemica La definicioacuten
original ya no es vaacutelida pues la termodinaacutemica no soacutelo estudia el calor sino
todo tipo de formas de energiacutea (mecaacutenica eleacutectrica quiacutemica nuclear etc)
Ademaacutes la termodinaacutemica claacutesica (de la que trata este curso) se ocupa de
estados de equilibrio y no de estados dinaacutemicos para los cuales las fuerzas
son importantes Hoy en diacutea la termodinaacutemica abarca campos tan diversos
como la ingenieriacutea la biologiacutea la quiacutemica la medicina entre otras Se podriacutea
decir que la termodinaacutemica es la ciencia que estudia las transformaciones
energeacuteticas
La termodinaacutemica es una ciencia exacta que se origina a mediados del
siglo XVIII como consecuencia de una necesidad de describir predecir y
optimizar la operacioacuten de las maacutequinas de vapor Las leyes de la
termodinaacutemica como las planteamos hoy son el resultado de maacutes de 250
antildeos de experimentacioacuten e interpretacioacuten teoacuterica El hecho de que la
termodinaacutemica pretenda describir matemaacuteticamente hechos observables
nos da a nosotros una gran ventaja ya que inadvertidamente conocemos
muchos aspectos de nuestra propia experiencia cotidiana
La termodinaacutemica se fundamenta en cuatro leyes universales
denominadas las leyes cero primera segunda y tercera Cronoloacutegicamente
soacutelo la tercera estaacute correctamente numerada La segunda ley fue formulada
en 1824 y la primera ley unos veinte antildeos despueacutes La tercera y la ley cero
se enunciaron a comienzos del siglo XX
32 Economiacutea
La economiacutea es una ciencia social que se encarga de estudiar la forma
en que los seres humanos como individuos o grupos tratan de adaptar
recursos escasos a sus necesidades mediante los procesos de produccioacuten
distribucioacuten sustitucioacuten consumo e intercambio Son muchas las
ldquoTERMOECONOMIacuteArdquo
5
definiciones que se han hecho de la economiacutea a lo largo del tiempo En las
primeras se afirmaba que consistiacutea en el estudio de la riqueza
33 Energiacutea
Etimoloacutegicamente la palabra energiacutea se acuntildeoacute en el siglo XIX tomando
del griego ldquoergonrdquo que significa ldquotrabajo accioacutenrdquo con el prefijo ldquoenrdquo que
quiere decir ldquodentrordquo
34 Ecologiacutea
La ecologiacutea es la especialidad cientiacutefica centrada en el estudio y anaacutelisis
del viacutenculo que surge entre los seres vivos y el entorno que los rodea
entendido como la combinacioacuten de los factores abioacuteticos (entre los cuales
se puede mencionar al clima y a la geologiacutea) y los factores bioacuteticos
(organismos que comparten el haacutebitat) La ecologiacutea analiza tambieacuten la
distribucioacuten y la cantidad de organismos vivos como resultado de la citada
relacioacuten
Cabe destacar que Oumlkologie es un concepto que data de fines de la
deacutecada de 1860 y fue acuntildeado por el bioacutelogo y filoacutesofo de origen alemaacuten
Ernst Haeckel Esta palabra estaacute compuesta por dos vocablos griegos oikos
(que significa ldquocasardquo ldquoresidenciardquo u ldquohogarrdquo) y logos (teacutermino que
traducido al espantildeol se entiende como ldquoestudiordquo) Por eso la ecologiacutea se
define con precisioacuten como ldquoel estudio de los hogaresrdquo
Actualmente se considera que la ecologiacutea es una rama de las ciencias
bioloacutegicas y es la encargada de estudiar las interacciones entre los
organismos vivos y el entorno natural en el que habitan Es una ciencia
multidisciplinaria que para desarrollarse como tal necesita de otras ciencias
para comprender la totalidad del estudio del medio ambiente Entre estas
otras ciencias se encuentran la climatologiacutea la biologiacutea la eacutetica y la
ingenieriacutea quiacutemica
35 Termoeconomiacutea
Es la rama de la ingenieriacutea energeacutetica que mediante la aplicacioacuten
combinada de los recursos de la termodinaacutemica y la economiacutea permite
lograr unos resultados que no se habriacutean obtenido con los meacutetodos de
anaacutelisis termodinaacutemico y econoacutemico tradicionales La diferencia
ldquoTERMOECONOMIacuteArdquo
6
fundamental radica en el uso del Segundo Principio de la Termodinaacutemica y
la nocioacuten de exergiacutea Se toma la exergiacutea como base racional para asignacioacuten
de costes econoacutemicos a los recursos y productos que intervienen en los
procesos industriales y para la valoracioacuten econoacutemica de las imperfecciones
termodinaacutemicas de dichos procesos Todo esto constituye una aportacioacuten
sustancial al anaacutelisis evaluacioacuten y optimizacioacuten de sistemas
351 Objeto de la Termoeconomiacutea
La Termoeconomiacutea mediante una aplicacioacuten integrada y rigurosa
de la economiacutea y la termodinaacutemica proporciona una herramienta muy
potente y rigurosa para el anaacutelisis la evaluacioacuten y la optimizacioacuten de
sistemas industriales Todo ingeniero ha de ser capaz de analizar y
evaluar los equipos e instalaciones que encuentre en su campo de
actividad con el fin - entre otros - de optimizar los costes Por otra parte
la actividad distintiva del ingeniero es el proyecto Eacuteste tiene por objeto
sintetizar algo que antes no existiacutea y evaluarlo con criterios basados por
ejemplo en la economiacutea la seguridad la fiabilidad y el impacto
ambiental Las capacidades de siacutentesis y evaluacioacuten son la esencia misma
de la actividad creadora del ingeniero
352 Fines de la termoeconomiacutea
En general la termoeconomiacutea tiene los siguientes fines
Calcular los costes de los productos intermedios y finales de los
procesos
Analizar el proceso de formacioacuten y el flujo de los costes en los
procesos
Valorar los costes de las destrucciones y peacuterdidas de exergiacutea
Optimizar el funcionamiento de cada componente de un
sistema y el de eacuteste en su conjunto
Optimizar el coste de los productos de un sistema
Por ejemplo las comparaciones de costes de la destruccioacuten de
exergiacutea en los equipos con sus respectivos costes de inversioacuten permiten
juzgar si el ahorro exergeacutetico aportado por una cierta mejora de
eficiencia justifica la mayor inversioacuten que probablemente se requiera
ldquoTERMOECONOMIacuteArdquo
7
Estos caacutelculos son sumamente uacutetiles en la toma de decisiones de
mejora Cuando se trata de un sistema complejo el uso de
aproximaciones sucesivas guiadas por la termoeconomiacutea constituye
probablemente el mejor recurso praacutectico de optimizacioacuten existente en
la actualidad
Seguacuten Valero y Torres (2005) la Termoeconomiacutea proporciona
meacutetodos para
Evaluar la cantidad y calidad de las peacuterdidas energeacuteticas
Evaluar el coste de las peacuterdidas en teacuterminos de consumo de
recursos
Aplicar a diferentes niveles de decisioacuten sobre sistemas
energeacuteticos Sus aplicaciones principales son las siguientes
(Valero y Torres 2005)
Asignacioacuten de precios a productos en base a criterios fiacutesicos
Optimizacioacuten de variables especiacuteficas de procesos para
minimizar el coste de produccioacuten bull Detectar ineficiencias y
calcular sus efectos econoacutemicos
Evaluacioacuten de varias alternativas de disentildeo u operacioacuten
Sintetizar e integrar procesos
El anaacutelisis termoeconoacutemico permite aplicar las herramientas de la
Termoeconomiacutea al diagnoacutestico y a la optimizacioacuten de sistemas
energeacuteticos complejos Sin embargo el diagnoacutestico termoeconoacutemico es
probablemente la aplicacioacuten maacutes desarrollada Diagnoacutestico es el arte de
descubrir y entender los signos de malfuncioacuten y cuantificar sus efectos
En el caso de la Termoeconomiacutea el efecto de dicha malfuncioacuten se
cuantifica en teacuterminos de consumo adicional de recursos para
mantener la produccioacuten en calidad y cantidad (Uche 2000) Por
consiguiente el diagnoacutestico termoeconoacutemico de la operacioacuten de
sistemas energeacuteticos complejos se aplica para diagnosticar las causas
del consumo adicional de fuel de una planta en operacioacuten debido a las
ineficiencias de sus componentes
Los objetivos del diagnoacutestico termoeconoacutemico son los siguientes
(Valero y Torres 2005)
ldquoTERMOECONOMIacuteArdquo
8
Identificar las malfunciones de cada componente de un sistema
teacutermico
Evaluar sus efectos sobre la eficiencia global de la planta
Determinar doacutende coacutemo y queacute cantidad de recursos
consumidos pueden ser ahorrados
36 Exergiacutea
La exergiacutea en cambio lleva el prefijo ldquoexrdquo que indica ldquofuerardquo La
introdujo Rant a mediados del siglo XX para designar la capacidad de
realizar trabajo uacutetil sobre el entorno Esta capacidad es lo que caracteriza la
calidad de la energiacutea Hay formas de energiacutea tales como la cineacutetica
eleacutectrica o quiacutemica que pueden transformarse iacutentegramente en trabajo uacutetil
y son pura exergiacutea Hay otras por el contrario tales como el calor o la
radiacioacuten que soacutelo pueden convertirse parcialmente en exergiacutea
Las discrepancias entre la energiacutea y la exergiacutea pueden ser radicales Por
ejemplo cuando se calienta un cuerpo aumenta siempre su energiacutea Lo
mismo ocurre con la exergiacutea cuando la temperatura del cuerpo es superior
al ambiente Al calentarlo aumenta su capacidad de producir trabajo uacutetil
Pero si el cuerpo se encontrase a una temperatura inferior al ambiente es
evidente que dicha capacidad disminuiriacutea aunque su energiacutea aumente La
exergiacutea aumenta al alejarse del equilibrio con el ambiente en uno u otro
sentido Este ejemplo ilustra el hecho de que la exergiacutea depende de los
estados del sistema y de su ambiente y se anula cuando ambos se
encuentran en equilibrio termodinaacutemico
La exergiacutea hace referencia a la utilidad potencial de una determinada
fuente de energiacutea Se puede definir como el trabajo maacuteximo teoacuterico que
podriacutea obtenerse de la interaccioacuten entre un determinado sistema
termodinaacutemico y el ambiente de referencia Si el estado de una cantidad
de materia es diferente al del ambiente existiraacute la posibilidad de producir
trabajo Conforme el sistema evolucione hacia el equilibrio con el
ambiente dicha posibilidad se reduciraacute
El ambiente de referencia hace alusioacuten a una porcioacuten de entorno cuyas
propiedades intensivas no cambian significativamente como resultado de
cualquier proceso que se considere Se consideraraacute como tal un sistema
ldquoTERMOECONOMIacuteArdquo
9
simple compresible de enormes dimensiones con presioacuten p0 y
temperatura T0 uniformes y constantes
Conviene tener en cuenta algunos aspectos adicionales de la exergiacutea
La exergiacutea es una propiedad de los sistemas cerrados
El valor de la exergiacutea no puede ser negativo Las transferencias de
exergiacutea asociadas a flujos de energiacutea en traacutensito (en forma de calor
o trabajo) pueden tener uno u otro signo dependiendo del sentido
y naturaleza de dichos flujos
La exergiacutea no se conserva sino que se destruye a causa de las
irreversibilidades
361 EFICIENCIA EXERGEacuteTICA
Se puede definir como
La dificultad reside en identificar estos teacuterminos para un sistema o
instalacioacuten particular En muchos casos pueden existir distintas
interpretaciones vaacutelidas dentro de un orden loacutegico que suelen depender
de si los flujos exergeacuteticos residuales que abandonan el sistema son o no
aprovechados para otros usos en otra instalacioacuten o en otro elemento de la
misma instalacioacuten
4 SISTEMA Y AMBIENTE
Empezaremos por las nociones de sistema y ambiente
Sistema es aquella parte del Universo que se somete a estudio Ambiente
aquella parte del resto del Universo que puede ejercer alguna accioacuten sobre
el sistema Interesa clasificar los sistemas seguacuten sus posibilidades de
interaccioacuten con su ambiente Un sistema se denomina abierto si puede
intercambiar materia calor y trabajo con su ambiente Se le llama cerrado si
no puede intercambiar materia pero son posibles las transferencias de calor
ldquoTERMOECONOMIacuteArdquo
10
y trabajo Finalmente se le llama aislado cuando no es posible interaccioacuten
alguna con el resto del Universo
Obedeciendo al grado de separacioacuten que estos sistemas presenten respecto
a su entorno es posible reconocer tres tipos distintos
Sistemas abiertos Los maacutes predominantes de todos se caracterizan
por intercambiar energiacutea yo materia con el entorno que los rodea ya
sea tomando de eacutel expulsando hacia eacutel o las dos cosas
Sistemas cerrados A diferencia de los anteriores intercambian energiacutea
(calor trabajo) con el exterior pero nunca materia (su masa permanece
intacta)
Sistemas aislados Se les llama asiacute porque no intercambian ni energiacutea ni
materia de ninguacuten tipo con su entorno se los considera un sistema
desconectado de las dinaacutemicas a su alrededor No existen realmente en
el universo los sistemas totalmente aislados por lo que se consideran
casos de abstraccioacuten en periacuteodos determinados de tiempo Se suponen
en equilibrio termodinaacutemico
41 Sistemas abiertos
ndash El cuerpo humano En tanto estaacute necesitado de materia para
descomponer y obtener energiacutea el cuerpo es un sistema abierto
que requiere de disponibilidad de insumos orgaacutenicos Por otro
lado requiere de expulsar la materia sobrante desechada de
vuelta al medio ambiente De no poder realizar ambas acciones
durante un periacuteodo muy prolongado el sistema falla y se produce
la muerte
ndash Una olla de agua hirviendo La energiacutea introducida al sistema por
el fuego transforma el agua en gas que es liberado de vuelta al
medio ambiente Sin esa inyeccioacuten de calor constante el agua
dejaraacute de hervir y sin espacio para salir el vapor (materia)
aumentaraacute la presioacuten hasta reventar la olla
ndash Una hoguera Para mantener el fuego ardiendo es necesario
proveer a la hoguera de material inflamable ya sea carboacuten o ramas
secas Sin esa materia que consumir el fuego se apagaraacute
ldquoTERMOECONOMIacuteArdquo
11
ndash Un motor a combustioacuten Los motores son sistemas complejos que
generan movimiento a partir de un suministro constante de
combustible gasolina gasoil etc ameacuten de diversos aceites que
reducen la friccioacuten entre sus partes Sin estos aditivos el motor
simplemente no anda o andaraacute poco hasta romperse
ndash La mayoriacutea de las plantas Asiacute como el cuerpo humano las plantas
requieren de materia para su subsistencia (en forma de agua y
nutrientes) y de energiacutea (solar) para llevar a cabo la fotosiacutentesis
vital
ndash Una maacutequina de hacer palomitas de maiacutez En este caso se
requiere del insumo material de los granos de maiacutez que deben
antildeadirse junto con energiacutea eleacutectrica que se traduce en calor y los
hace estallar El resultado por demaacutes vuelve al exterior en forma
de palomitas (pochoclo cotufas etc)
ndash Un compostero El proceso de compost que produce abono para
fertilizar sembradiacuteos opera en base a la introduccioacuten constante en
el compostero de materia orgaacutenica de desecho caacutescaras restos
de comida etc Sin ellos los procesos de degradacioacuten de la materia
se detendriacutean y tambieacuten la produccioacuten del abono
ndash Una trituradora de papel Este artefacto de oficina opera como un
sistema abierto pues requiere de la introduccioacuten de materia
(papel) para triturar y de energiacutea (eleacutectrica) para operar sobre ella
Sin ellos simplemente no sirve para nada
ndash Las saunas Para producir el vapor contenido en los saunas se
requiere de agua (materia) y energiacutea (fuego) para producir el vapor
de agua y permitir que se acumule en el recinto cerrado Despueacutes
de un periacuteodo el vapor desapareceraacute y se necesitaraacute una nueva
inyeccioacuten de insumos al sistema
ndash Un reactor nuclear La electricidad generada en el reactor y que es
conducida hacia el ambiente es producto de la fisioacuten del uranio (u
otros elementos materiales) en una reaccioacuten atoacutemica
controlada que permite generar mucha energiacutea caloacuterica
aprovechable pero tambieacuten muchos desechos toacutexicos que deben
ir a dar a alguacuten lugar del entorno
42 Sistemas cerrados
ldquoTERMOECONOMIacuteArdquo
12
ndash Los bombillos o focos No necesitan materia para operar pero siacute
energiacutea eleacutectrica constante en el momento en que se la corte
cesaraacuten en su emisioacuten de luz que dicho sea de paso es tambieacuten
una forma de energiacutea transmitida al entorno
ndash Una botella de agua friacutea Al estar cerrada la botella la
transferencia de materia entre el sistema y el entorno es
imposible no puede entrar ni salir liacutequido Sin embargo es posible
intercambiar energiacutea el agua se iraacute calentando gradualmente
hasta perder su frialdad
ndash Un teleacutefono celular Si bien no requiere para su funcionamiento
cotidiano que se le introduzca materia (no consume nada) siacute
precisa de electricidad a diario pues al agotarse la bateriacutea dejaraacute
de funcionar Eso claro si tomamos como muestra un periacuteodo
diario en que no haya necesidad de repuestos
ndash Un termoacutemetro Ya que estaacute cerrado hermeacuteticamente el
contenido de un termoacutemetro no variacutea jamaacutes pero siacute reacciona de
acuerdo a la temperatura que percibe es decir es sensible a la
entrada de calor (energiacutea)
ndash El sol A menos que se lo piense en teacuterminos de millares de antildeos
al cabo de los cuales habraacute consumido todo su material y moriraacute el
astro rey es un ejemplo de sistema cerrado que no intercambia
materia con su entorno pero siacute expulsa energiacutea (radiacioacuten solar
luz solar calor) a borbotones
ndash El planeta tierra De forma similar la Tierra opera sin intercambios
de materia con respecto al vaciacuteo que la circunda o a los demaacutes
planetas y objetos celestes pero recibe energiacutea solar
constantemente sin la cual la vida seriacutea un planeta inhabitable
ndash Un envase con comida caliente Cerrado de manera hermeacutetica el
envase impediraacute que la materia en su interior se salga o que entre
nada hacia ella pero incluso asiacute irradiaraacute el calor de la comida hacia
afuera pudiendo quemarnos si fuera el caso
ndash Una bateriacutea Los quiacutemicos en su interior reaccionan y generan
energiacutea que es dirigida hacia el exterior y consumida pero la
materia en su interior no sufre variaciones
ldquoTERMOECONOMIacuteArdquo
13
ndash Los televisores Estos artefactos funcionan a partir del consumo de
energiacutea eleacutectrica para emitir luz de diversos tipos y modulaciones
junto con ondas sonoras al medio externo Pero no requieren de
inyeccioacuten de materia ni la masa en su interior es alterada
ndash Las ollas de presioacuten Dado que no permiten el escape de los gases
generados en su interior para que actuacuteen sobre la comida
cocinaacutendose estos recipientes actuacutean como sistemas cerrados
que impiden el escape de la materia pero no de la energiacutea que
escapa como calor ni de la necesaria para iniciar la coccioacuten
tambieacuten proveniente del afuera
43 Sistemas aislados
ndash Una caja fuerte El contenido en las cajas fuertes estaacute separado
por gruesas capas hermeacuteticas de metal de su entorno aislado de
la materia y de la energiacutea al menos en condiciones normales si la
arrojamos a un volcaacuten es seguro que se derrita y se incinere su
contenido
ndash Los trajes de neopreno Un hombre embutido en estos trajes
usualmente para el buceo o submarinismo se encuentra
protegido durante un periacuteodo de tiempo del intercambio caloacuterico
entre el agua y su cuerpo ameacuten de impedir que eacutesta (materia)
penetre al interior del mismo
ndash Los termos Durante un periacuteodo puntual de tiempo los termos
logran aislar el calor contenido en su interior y evitar la fuga de
energiacutea hacia el medio ambiente a la par que impidiendo el
derramamiento del contenido o la introduccioacuten del mismo No
obstante dado el tiempo suficiente la inevitable fuga del calor
ocurriraacute y el contenido volveraacute a estar friacuteo
ndash Una cava teacutermica Como las empleadas para transportar
alimentos operan en base a la reduccioacuten extrema de la entrada de
calor manteniendo su contenido friacuteo durante un periacuteodo
determinado Una vez superado ese rango de tiempo el contenido
empezaraacute a calentarse
ndash El igluacute de los esquimales Disentildeado para mantener a salvo a sus
habitantes de la materia en movimiento (viento nieve lluvia) y
ademaacutes del enfriamiento extremo de dichos climas puede
ldquoTERMOECONOMIacuteArdquo
14
considerarse un sistema aisladohellip hasta que el habitante tenga que
salir
ndash Una bombona de gas Contenido a presioacuten en su interior el gas
estaacute aislado de la materia y la energiacutea a su alrededor en
condiciones normales ya que es posible que el calentamiento de
la bombona obligue el gas a expandirse y ocurra una tragedia
ndash El universo Dado que no sabemos queacute hay afuera de eacutel ni si hay
un afuera de eacutel debemos suponer que el universo es un sistema
aislado en el que no ingresa ni egresa materia o energiacutea sino que
opera de manera independiente de su entorno
ndash Los alimentos enlatados En condiciones normales estos
alimentos se encuentran lejos de cualquier intercambio de materia
o de energiacutea Claro que seriacutea posible someter la lata a
calentamiento o enfriamiento e incluso fundirla en temperaturas
extremas pero incluso asiacute durante unos (breves) instantes la
comida estaraacute aislada por completo del calor
ndash Una caacutemara hiperbaacuterica Uacutetiles justamente para aislar de las
condiciones atmosfeacutericas a los buzos con burbujas de nitroacutegeno en
la sangre no permiten cuando en funcionamiento el intercambio
de materia ni de energiacutea o al menos no en cantidades apreciables
y significativas
ndash La mente humana Dado que no requiere del intercambio de
materia ni de energiacutea es quizaacute uno de los ejemplos de sistema
aislado maacutes factibles Esto claro sin tomar en cuenta el lado fiacutesico
de la misma el cerebro y el cuerpo humanos en absoluto
En el anaacutelisis de un sistema es preciso conocer y manejar un conjunto
de magnitudes que son las llamadas propiedades termodinaacutemicas del
sistema Estas propiedades pueden ser de dos tipos
ndash Intensivas que miden propiedades locales tales como la presioacuten
temperatura densidad etc y no dependen de la cantidad de
materia contenida en el sistema o cualquiera de sus partes
ndash Extensivas que siacute dependen de la cantidad de materia tales como
la masa el volumen o la energiacutea Si no se toman en consideracioacuten
los efectos en los liacutemites o fronteras del sistema ni las acciones a
ldquoTERMOECONOMIacuteArdquo
15
distancia su valor total para el conjunto del sistema es igual a la
suma de sus valores en cada una de las partes que lo formen
Se dice que un sistema es homogeacuteneo cuando sus propiedades
intensivas no variacutean al pasar de unos puntos a otros del mismo El
sistema es heterogeacuteneo en caso contrario Frecuentemente los
sistemas heterogeacuteneos estaacuten formados por dos o maacutes porciones
homogeacuteneas llamadas fases tales que al pasar de unas a otras sufren
un salto brusco las propiedades intensivas Las propiedades extensivas
de los sistemas homogeacuteneos son proporcionales a su cantidad de
materia Igual ocurre con cada una de las fases que forman uno
heterogeacuteneo
El estado de un sistema o de una fase queda determinado por el
conjunto de sus propiedades termodinaacutemicas las cuales ndashpor ellondash se
llaman tambieacuten variables o funciones de estado Una de las cuestiones
a que da respuesta la termodinaacutemica es la determinacioacuten del nuacutemero
necesario y suficiente de variables independientes precisas para
determinar el estado de un sistema La termodinaacutemica maneja tambieacuten
magnitudes que se refieren a procesos o transformaciones y por tanto
no son propiedades de ninguacuten sistema Por ejemplo el trabajo
realizado por un sistema durante una cierta transformacioacuten es algo
caracteriacutestico de eacutesta y no del sistema o su ambiente Esto ocurre en
general con todos los intercambios
Cuando un sistema se deja abandonado a siacute mismo sin otras
interacciones que las que puedan producirse con su ambiente sus
propiedades termodinaacutemicas podraacuten ir variando con el tiempo Es
posible que llegue un instante a partir del cual se mantengan
inalteradas todas sus propiedades y cese cualquier intercambio de
materia y energiacutea con el ambiente Se dice entonces que el sistema se
encuentra en equilibrio termodinaacutemico Eacuteste es un concepto muy
general de equilibrio y comprende como aspectos particulares todos
los tipos especiacuteficos de equilibrio considerados en Fiacutesica o en Quiacutemica
Toda diferencia de valores en alguna propiedad intensiva ndash dentro del
sistema o entre eacuteste y su ambiente ndash constituye un desequilibrio El
sistema tiende hacia el equilibrio reduciendo tales diferencias Las
diferencias de presioacuten provocan flujos de materia las de temperatura
ldquoTERMOECONOMIacuteArdquo
16
flujos de calor etc El estado de equilibrio termodinaacutemico
corresponde a la eliminacioacuten de todas las diferencias posibles entre los
valores locales de cualquiera de sus propiedades intensivas en su
interior o en relacioacuten con su ambiente Asiacute puede hablarse de equilibrio
mecaacutenico teacutermico quiacutemico etc que no son maacutes que aspectos
parciales del equilibrio termodinaacutemico
Para que se produzca espontaacuteneamente un proceso es necesaria la
existencia previa de alguacuten desequilibrio bien dentro del sistema o
entre eacuteste y su ambiente Como caso liacutemite puede concebirse un
proceso ideal formado por una sucesioacuten continua de estados de
equilibrio Tal proceso se denomina reversible Aunque en rigor todo
proceso real es irreversible el anaacutelisis de procesos reversibles es muy
uacutetil como aproximacioacuten en caacutelculos teoacutericos y para obtener patrones de
referencia en muchas situaciones
Como acabamos de ver durante el proceso de aproximacioacuten al
equilibrio pueden ir variando en general las propiedades
termodinaacutemicas intensivas y extensivas del sistema En tal caso se dice
que el proceso se produce en reacutegimen transitorio o variable En
procesos industriales en sistemas abiertos es usual que se mantengan
deliberadamente constantes ciertos desequilibrios (en presiones o
temperaturas por ejemplo) permitiendo al mismo tiempo
intercambios de materia y energiacutea con el ambiente de modo que las
propiedades termodinaacutemicas del sistema permanezcan invariables en
el tiempo Los procesos tienen lugar entonces en reacutegimen permanente
o estacionario En tal caso en particular se conservan constantes las
propiedades extensivas del sistema tales como su masa o su volumen
y esto obliga a que las cantidades de materia entrantes y salientes sean
iguales La mayoriacutea de los procesos industriales se desarrollan la mayor
parte del tiempo en reacutegimen permanente que es el maacutes faacutecil de
gobernar y con el que se controla mejor la cantidad y calidad de la
produccioacuten
44 Temperatura
La termodinaacutemica antildeade una cuarta magnitud fundamental a las
tres aportadas por la mecaacutenica (longitud masa y tiempo) Es eacutesta
ldquoTERMOECONOMIacuteArdquo
17
la temperatura cuya definicioacuten estaacute vinculada al equilibrio
teacutermico Para desarrollar este concepto tomamos dos sistemas
homogeacuteneos cerrados ndash cada uno de ellos en equilibrio y los
ponemos en contacto de tal modo que ninguno de ellos pueda
realizar trabajo sobre el otro (el llamado contacto teacutermico) Si
permanecen en equilibrio sin experimentar alteracioacuten alguna en
sus respectivos estados diremos que se encuentran a una misma
temperatura En general se llama temperatura a la magnitud que
determina si un sistema permaneceraacute en equilibrio al llevarlo al
contacto teacutermico con otros Se dice que dos sistemas tienen
iguales temperaturas si sus estados iniciales de equilibrio no se
alteran al ponerlos en contacto teacutermico Si no permanecen en
equilibrio sus temperaturas seraacuten diferentes En este uacuteltimo caso
desde el momento en que se ponen en contacto ambos sistemas
experimentan una serie de alteraciones hasta llegar a un nuevo
estado de equilibrio en el cual sus temperaturas se habraacuten hecho
iguales
Consideremos ahora dos sistemas A y B cuyas temperaturas
queremos comparar Para ello tomamos un tercer sistema C y lo
llevamos sucesivamente al contacto teacutermico con A y B Si el estado
de C no se altera en ninguna de estas operaciones se observa
experimentalmente que tampoco se alteran los de A y B si se les
pone directamente en contacto Este hecho experimental no
evidente por siacute mismo se establece como un principio
fundamental con el nombre de Principio Cero de la
Termodinaacutemica Si un sistema estaacute en equilibrio teacutermico con otros
dos eacutestos lo estaraacuten a su vez entre siacute Asiacute puede darse un valor
cuantitativo a la nocioacuten de temperatura (temperatura empiacuterica)
mediante una seleccioacuten conveniente del tercer sistema que seriacutea
el termoacutemetro
Usualmente se emplean dos escalas termomeacutetricas la de Celsius y
la de Kelvin Los valores t y T respectivos estaacuten relacionados por la
expresioacuten
ldquoTERMOECONOMIacuteArdquo
18
T = 27315 K + t helliphellip(expresioacuten 1)
La unidad internacional de temperatura es el Kelvin (K) Cuando se
emplea la escala de Celsius la unidad se representa por degC igual al
K ya que la uacutenica diferencia entre ambas escalas es la posicioacuten del
cero El empleo de siacutembolos diferentes sirve uacutenicamente para
caracterizar este hecho Cuando revisemos el Segundo Principio de
la Termodinaacutemica apreciaremos la base teoacuterica en que se sustenta
la escala de Kelvin o absoluta
Usualmente se emplean dos escalas termomeacutetricas la de Celsius y
la de Kelvin Los valores t y respectivos estaacuten relacionados por la
expresioacuten
441 El Primer Principio de la Termodinaacutemica
Su formulacioacuten no es maacutes que una expresioacuten del Principio de
la Conservacioacuten de la Energiacutea en la que se hace aparecer
expliacutecitamente la transferencia de calor Para todo proceso en
el sistema cerrado de la figura adjunta se verifica
en donde el primer miembro representa el intercambio neto
de energiacutea con su ambiente y el segundo el incremento de la
propiedad termodinaacutemica energiacutea En esta foacutermula hemos
seguido el convenio de considerar positivos el calor entrante
en el sistema y el trabajo realizado por eacuteste El Primer
Principio consiste precisamente en el reconocimiento de la
energiacutea como una propiedad termodinaacutemica del sistema Por
lo tanto los intercambios energeacuteticos del primer miembro de
la ecuacioacuten anterior dependen de los estados extremos 1 y 2
y del proceso seguido para pasar como se observa en la
siguiente figura
ldquoTERMOECONOMIacuteArdquo
19
Repasemos brevemente el significado de las magnitudes que
aparecen en la expresioacuten del Primer principio
Calor Es la forma de intercambio energeacutetico que se
produce entre dos sistemas cerrados a distintas
temperaturas cuando se les pone en contacto teacutermico
Equivale a afirmar que el flujo de calor se debe a los
desequilibrios teacutermicos Maacutes adelante volveremos sobre
esta cuestioacuten
Trabajo Muchas de las formas de trabajo que se
manejan habitualmente en ingenieriacutea termodinaacutemica
obedecen a la siguiente definicioacuten Trabajo es el
intercambio energeacutetico que se produce cuando se
desplaza una superficie de control a traveacutes de la cual
actuacutea una fuerza Si consideramos una fuerza F ejercida
por el sistema sobre el ambiente a traveacutes de la superficie
de control la cual experimenta un desplazamiento
elemental (vectorial) dr el trabajo elemental realizado
por el sistema seraacute el producto escalar de F por dr
Energiacutea La energiacutea de un sistema queda determinada
por factores muy diversos su posicioacuten en un campo de
fuerzas (energiacutea potencial mgz en donde m es la
masa g la aceleracioacuten de la gravedad y z la altitud si nos
referimos al campo gravitatorio terrestre) su
movimiento como un todo (energiacutea cineacutetica mc22 en
donde c es la velocidad) o la energiacutea debida a la
estructura el movimiento y las interacciones de las
ldquoTERMOECONOMIacuteArdquo
20
moleacuteculas aacutetomos y partiacuteculas que lo constituyen
(energiacutea interna U)
442 El Segundo Principio de la Termodinaacutemica
Puede afirmarse que el Primer Principio postula la existencia
de la funcioacuten de estado energiacutea cuya diferencial verifica De
una forma similar enunciaremos el Segundo Principio para
un sistema cerrado como sigue
Existe una funcioacuten de estado extensiva S llamada entropiacutea
con las dimensiones energiacuteatemperatura caracterizada por
las siguientes propiedades
a) Puede variar uacutenicamente por intercambio de calor con el
ambiente o por generacioacuten o creacioacuten interna en el propio
sistema
b) La entropiacutea debida al intercambio de calor con el ambiente
verifica
El valor de este teacutermino puede ser por tanto positivo
negativo o nulo seguacuten lo sea δQ
c) La entropiacutea generada en el sistema no puede ser negativa
y soacutelo seraacute nula cuando el proceso sea reversible En caso contrario
es siempre positiva Por tanto δS g es positiva para todo proceso
espontaacuteneo
5 ECOLOGIA INDUSTRIAL
Desde finales del siglo XX se abre paso el innovador concepto de la Ecologiacutea Industrial
Tradicionalmente se ha considerado que la fabricacioacuten comienza cuando las materias
primas entran en el proceso de produccioacuten y termina con la expedicioacuten del producto
acabado La Ecologiacutea Industrial va maacutes lejos considera las fuentes de abastecimiento de
materias primas los efectos de su extraccioacuten y el destino final del producto una vez agotada
su vida uacutetil entre otros aspectos
51 Aplicacioacuten de la Termoeconomiacutea a la Ecologiacutea Industrial
Definido el objeto del presente trabajo y una vez introducida la Ecologiacutea Industrial y
la Termoeconomiacutea surge la siguiente cuestioacuten iquestpor queacute aplicar la Termoeconomiacutea a
la Ecologiacutea Industrial La respuesta parte de la base de que la integracioacuten de procesos
industriales mediante intercambios mutuos de recursos productos y residuos
implica entre otros beneficios ahorros energeacuteticos Y el modo maacutes objetivo para
cuantificar dichos ahorros es mediante las leyes de la termodinaacutemica (Valero et al
2010) Es decir se trata de tener en consideracioacuten no soacutelo la primera ley de la
termodinaacutemica la cual indica que la energiacutea se conserva transformaacutendose de una
forma a otra sino tambieacuten la segunda ley de la termodinaacutemica que reconoce la
existencia de formas de energiacutea maacutes uacutetiles y menos degradadas que otras Por tanto
la combinacioacuten de ambas leyes indica que no es una cuestioacuten de cantidad de energiacutea
ahorrada sino de la calidad de esa energiacutea es decir de su contenido exergeacutetico El
presente trabajo trata de explicar las metodologiacuteas que la Termoeconomiacutea
actualmente estaacute aplicando al anaacutelisis optimizacioacuten y diagnoacutestico de sistemas
energeacuteticos tales como centrales teacutermicas a la Ecologiacutea Industrial y complejo
modelo de Simbiosis Industrial El anaacutelisis termoeconoacutemico puede ayudar a resolver
problemas importantes tales como identificar posibles integraciones mejorar la
eficiencia cuantificar los beneficios obtenidos por la integracioacuten o determinar los
precios en base a criterios fiacutesicos (Valero et al 2010) Conviene describir tambieacuten la
utilizacioacuten de la Termoeconomiacutea como herramienta de anaacutelisis en ecoparques
industriales Por tanto se puede afirmar que la Ecologiacutea Industrial representa un
campo de aplicacioacuten emergente para el anaacutelisis termoeconoacutemico
ldquoTERMOECONOMIacuteArdquo
1
52 Modelo de Simbiosis Industrial de Kalundborg
El ejemplo praacutectico maacutes reconocido mundialmente en el aacutembito de la Ecologiacutea
Industrial es el de la ciudad danesa de Kalundborg en el cual se acuntildeoacute la palabra de
Simbiosis Industrial Constituye la primera referencia de creacioacuten de una red de
ntercambios entre diversas industrias localizadas en un aacuterea comuacuten y su eacutexito
ha generado un aumento del apoyo institucional para la implantacioacuten de esta
estrategia en otros lugares
La experiencia empezoacute cuando unas pocas empresas trataron de minimizar el
consumo de agua subterraacutenea empleando agua de un lago cercano A raiacutez de ello
con el tiempo se ha establecido una compleja red de intercambios cooperativos en
tres aacutereas agua energiacutea y subproductos adoptando tambieacuten la denominacioacuten
de ecoparque o ecosistema industrial
Integrantes
Actualmente el modelo de Simbiosis Industrial de Kalundborg estaacute constituido
por cinco participantes principales maacutes otros diez participantes secundarios
Principales Participantes
Flujos
La red de intercambio de recursos entre los distintos participantes de la Simbiosis
Industrial estaacute compuesta por 31 flujos los cuales se pueden clasificar en tres
categoriacuteas
ldquoTERMOECONOMIacuteArdquo
2
a) Flujos hiacutedricos
Imagen de Flujos Hiacutedricos
Fuente httpwwwbdigitalunaleduco466731089410732015pdf
b) Flujos energeacuteticos
Imagen de Flujos Energeacuteticos
Fuente httpwwwbdigitalunaleduco466731089410732015pdf
ldquoTERMOECONOMIacuteArdquo
3
c) Flujos de subproductos
Imagen de Flujos de Subproductos
Fuente httpwwwbdigitalunaleduco466731089410732015pdf
53 Beneficios ambientales
Los beneficios ambientales asociados a la Simbiosis Industrial estaacuten determinados
por ahorros en el consumo de agua combustible y materia prima dichos
ahorros conllevan disminuir los residuos generados asiacute como las emisiones de
contaminantes como se muestra en la tabla siguiente
Sin embargo es complejo determinar todos los beneficios globales de la Simbiosis
Industrial puesto que muchos de los flujos presentes en el ecosistema
industrial generan un doble beneficio En el caso de los flujos de residuos su
valorizacioacuten conlleva por un lado evitar la ldquoeliminacioacutenrdquo de dicho residuo y por el
otro se evita el consumo de la materia prima asiacute como de todos los recursos
ldquoTERMOECONOMIacuteArdquo
4
asociados a la obtencioacuten de la misma que seriacutea necesario si no se llevara a cabo la
valorizacioacuten
Por ejemplo los procesos de desulfuracioacuten en la central teacutermica y la refineriacutea
ademaacutes de evitar la emisioacuten de dioacutexido de azufre a la atmoacutesfera producen yeso y
tiosulfato de amonio respectivamente La valorizacioacuten de estos dos residuos
supone para los emisores evitar su ldquoeliminacioacutenrdquo y para los receptores en el caso
del yeso se reduce la importacioacuten de yeso natural mientras que en el caso del
tiosulfato de amonio se ahorra en materias primas y recursos correspondientes a
su obtencioacuten Con las cenizas ocurre exactamente lo mismo su valorizacioacuten
repercute en una menor necesidad de clinker y por tanto de los recursos
necesarios para su fabricacioacuten El fertilizante y la levadura suministrada por Novo
Group disminuyen la cantidad de residuos generados y a su vez evitan el
consumo de nuevas materias primas y recursos asociados a la fabricacioacuten de
ambos productos
En el caso de los flujos energeacuteticos como por ejemplo el gas excedente de la
refineriacutea o la energiacutea teacutermica residual de la central en origen conlleva evitar su
disipacioacuten al medioambiente mientras que para los receptores repercute en un
ahorro sustancial de combustible
En cuanto a los flujos hiacutedricos el principal beneficio ambiental alcanzado es el
ahorro en el consumo de agua focalizado en sus inicios en la sustitucioacuten de
agua subterraacutenea por agua superficial y maacutes tarde en la reutilizacioacuten
Ademaacutes en teacuterminos econoacutemicos tambieacuten se han alcanzado beneficios
sustanciales
Como ejemplo para el antildeo 2000 ya se habiacutean invertido 75 millones de doacutelares en
19 proyectos con un ahorro estimado de 15 millones de doacutelares (Cervantes et al
2009) 6 Caso de estudio La aplicacioacuten de la Termoeconomiacutea al modelo de
Simbiosis Industrial de Kalundborg precisa de la definicioacuten de un caso de estudio
sobre dicho modelo que permita su caracterizacioacuten en teacuterminos de exergiacutea
En este sentido la informacioacuten teacutecnica recopilada sobre los flujos
intercambiados limita el alcance del caso de estudio establecido Sin embargo
fruto de una extensa y laboriosa buacutesqueda bibliograacutefica se ha elaborado un caso
de estudio que incluye los flujos maacutes representativos de la Simbiosis Industrial
de Kalundborg
ldquoTERMOECONOMIacuteArdquo
5
6 CONCLUSIONES
El anaacutelisis exergeacutetico se constituye en una soacutelida herramienta para entender la dinaacutemica
energeacutetica de los procesos de la naturaleza y de los procesos artificiales Sus aplicaciones
son ilimitadas en el sentido que toda accioacuten microscoacutepica o macroscoacutepica demanda un
consumo energeacutetico valioso
El verdadero potencial de ahorro energeacutetico de un sector industrial no se puede valorar
uacutenicamente a partir de la sustitucioacuten de energeacuteticos como consecuencia del
comportamiento del mercado o por la sustitucioacuten de tecnologiacuteas por el efecto de
nuevos desarrollos sino a traveacutes de un balance exergeacutetico que determine las
condiciones maacuteximas de operacioacuten a partir del propoacutesito de cada accioacuten o proceso
Por medio del anaacutelisis termoeconoacutemico es posible la cuantificacioacuten de intangibles
contables y fiacutesicos representados en la destruccioacuten de exergiacutea causada por muacuteltiples
factores como erroacutenea eleccioacuten de un combustible de un mecanismo de un lugar de
operacioacuten fallas de operacioacuten en los procesos erroacuteneos paraacutemetros de operacioacuten etc
A partir de la primera ley de la termodinaacutemica se establecioacute el precepto baacutesico de la
transformacioacuten de energiacutea no se crea no se destruye se transforma en calor en
trabajo aumenta o disminuye la energiacutea interna la segunda ley direcciona los procesos
e integra una nueva propiedad termodinaacutemica denominada entropiacutea asociada al
desorden y a las condiciones de irreversibilidad de los procesos reales El anaacutelisis
exergeacutetico complementa las leyes anteriores considerando el propoacutesito y coacutemo a traveacutes
de su desarrollo se destruye la exergiacutea pese a la conservacioacuten de la energiacutea
La metodologiacutea desarrollada para el anaacutelisis termoeconoacutemico del caso tiene validez para
cualquier proceso industrial porque contempla la valoracioacuten exergeacutetica del uso de los
recursos Si la valoracioacuten fuera de caraacutecter sectorial la metodologiacutea seriacutea la misma soacutelo
que tendriacutea que apoyarse en las estadiacutesticas de consumo energeacutetico por sector y se hariacutea
necesario evaluar la exergiacutea fiacutesica y quiacutemica de todos los recursos involucradosComo
punto de partida seriacutea recomendable valorar la exergiacutea quiacutemica de los hidrocarburos
producidos en Peruacute
Las herramientas de caacutelculo favorecen las evaluaciones termoeconoacutemicas de los
procesos faacutecilmente la teoriacutea exergeacutetica puede articularse a traveacutes de ecuaciones
simples En el caso particular el desarrollo es vaacutelido para un proceso de combustioacuten
externa con secado directo Sin embargo actualmente se consiguen en el mercado
herramientas robustas como el Aspen Process Economic Analyzer (APEA) que con la
informacioacuten baacutesica de operacioacuten realiza un anaacutelisis profundo de la destruccioacuten
exergeacutetica asiacute como de la valoracioacuten de alternativas de disentildeo operacioacuten y cambios
tecnoloacutegicos
La Termoeconomiacutea trata de costes bien monetarios (ptaskJ)o puramente energeacuteticos
(kJ de recursokJ de producto) y se utiliza principalmente para la contabilidad
diagnoacutestico mejora y disentildeo y optimizacioacuten de sistemas teacutermicos Pero en mi opinioacuten
abarca maacutes es la ciencia en la que la Termodinaacutemica y en particular el segundo
principio se une con la Economiacutea ambas en un sentido amplio Ahora estamos en el
principio y esta ciencia se construiraacute con las aportaciones de muchos autores no soacutelo
ingenieros mecaacutenicos En el futuro habraacute que poner orden y sistemaacutetica a la gran
cantidad de contribuciones que tanto economistas como fiacutesicos bioacutelogos quiacutemicos o
ldquoTERMOECONOMIacuteArdquo
6
ingenieros quieren encontrar en las analogiacuteas y explicaciones entre la Termodinaacutemica y
la Economiacutea
Vivimos en un mundo finito y pequentildeo para la gente que somos y seremos y los recursos
naturales son un bien escaso Si queremos sobrevivir debemos conservarlos y aprender
a conservarlos mejor y en este propoacutesito la Termoeconomiacutea jugaraacute un papel clave
Debemos conocer los mecanismos por los cuales la energiacutea y los recursos en general se
degradan y debemos tambieacuten aprender y ensentildear a juzgar queacute sistemas trabajan mejor
con objeto de mejorar sistemaacuteticamente los disentildeos y reducir el consumo per capita
Ademaacutes debemos aprender a reutilizar los residuos para evitar dantildeos al ambiente Esto
lo necesitamos urgentemente ya que al menos dos tercios de la humanidad actual vive
maacutes pobremente que el mundo desarrollado actual
Una contabilidad sistemaacutetica de los recursos naturales que se estaacuten consumiendo seriacutea
una herramienta clave para que tomaacuteramos una consciencia global del problema Y en
esta tarea la Termoeconomiacutea jugariacutea un papel clave
ldquoTERMOECONOMIacuteArdquo
7
7 REFERENCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS
Termoeconomiacutea y Optimizacioacuten Energeacutetica mdash OCW UPMocwupmes rsaquo Explotacioacuten de
Minas
La termoeconomiacutea como alternativa para mejorar la competitividad
wwwbdigitalunaleduco466731089410732015pdf
JR Silva Larrottaaplicaciones termoeconoacutemicas del meacutetodo -
PublicationsListorgpublicationslistorgAplicaciones20termoeconomicas20del
20metodo20exer
Termoeconomiacuteahttpszaguanunizaresrecord45719filesguiapdf
Analisis termoeconomico - ResearchGate https wwwresearchgatenet profile
0c960520b5ead8d544000000pdf
MAL SERRANO - 1993 - Universidad de Sevilla Termoeconomiacutea de Sistemas Energ
wwwuses estudiosgradosplan_221asignatura_2210057
Fundamentos de termodinaacutemica teacutecnica https booksgooglecompe booksisbn=
8429143130
Michael J Moran Howard N Shapiro - 2004 - Science-Termoeconomia
la termoeconomiacutea https wwwehueushelburuak-gaitasunak
La Termoeconomiacutea en plantas energeacuteticaswwwscieloclpdfinfotecv21n4art06pdf
ldquoTERMOECONOMIacuteArdquo
4
3 DEFINICIONES CONCEPTUALES
31 Termodinaacutemica
La palabra termodinaacutemica se origina del griego y significa literalmente
el estudio de las fuerzas (dynamis dunamiz) que originan el calor (thermo
termh) Hoy en diacutea esta traduccioacuten no tiene mucho que ver con la esencia
de lo que estudiamos bajo el concepto de termodinaacutemica La definicioacuten
original ya no es vaacutelida pues la termodinaacutemica no soacutelo estudia el calor sino
todo tipo de formas de energiacutea (mecaacutenica eleacutectrica quiacutemica nuclear etc)
Ademaacutes la termodinaacutemica claacutesica (de la que trata este curso) se ocupa de
estados de equilibrio y no de estados dinaacutemicos para los cuales las fuerzas
son importantes Hoy en diacutea la termodinaacutemica abarca campos tan diversos
como la ingenieriacutea la biologiacutea la quiacutemica la medicina entre otras Se podriacutea
decir que la termodinaacutemica es la ciencia que estudia las transformaciones
energeacuteticas
La termodinaacutemica es una ciencia exacta que se origina a mediados del
siglo XVIII como consecuencia de una necesidad de describir predecir y
optimizar la operacioacuten de las maacutequinas de vapor Las leyes de la
termodinaacutemica como las planteamos hoy son el resultado de maacutes de 250
antildeos de experimentacioacuten e interpretacioacuten teoacuterica El hecho de que la
termodinaacutemica pretenda describir matemaacuteticamente hechos observables
nos da a nosotros una gran ventaja ya que inadvertidamente conocemos
muchos aspectos de nuestra propia experiencia cotidiana
La termodinaacutemica se fundamenta en cuatro leyes universales
denominadas las leyes cero primera segunda y tercera Cronoloacutegicamente
soacutelo la tercera estaacute correctamente numerada La segunda ley fue formulada
en 1824 y la primera ley unos veinte antildeos despueacutes La tercera y la ley cero
se enunciaron a comienzos del siglo XX
32 Economiacutea
La economiacutea es una ciencia social que se encarga de estudiar la forma
en que los seres humanos como individuos o grupos tratan de adaptar
recursos escasos a sus necesidades mediante los procesos de produccioacuten
distribucioacuten sustitucioacuten consumo e intercambio Son muchas las
ldquoTERMOECONOMIacuteArdquo
5
definiciones que se han hecho de la economiacutea a lo largo del tiempo En las
primeras se afirmaba que consistiacutea en el estudio de la riqueza
33 Energiacutea
Etimoloacutegicamente la palabra energiacutea se acuntildeoacute en el siglo XIX tomando
del griego ldquoergonrdquo que significa ldquotrabajo accioacutenrdquo con el prefijo ldquoenrdquo que
quiere decir ldquodentrordquo
34 Ecologiacutea
La ecologiacutea es la especialidad cientiacutefica centrada en el estudio y anaacutelisis
del viacutenculo que surge entre los seres vivos y el entorno que los rodea
entendido como la combinacioacuten de los factores abioacuteticos (entre los cuales
se puede mencionar al clima y a la geologiacutea) y los factores bioacuteticos
(organismos que comparten el haacutebitat) La ecologiacutea analiza tambieacuten la
distribucioacuten y la cantidad de organismos vivos como resultado de la citada
relacioacuten
Cabe destacar que Oumlkologie es un concepto que data de fines de la
deacutecada de 1860 y fue acuntildeado por el bioacutelogo y filoacutesofo de origen alemaacuten
Ernst Haeckel Esta palabra estaacute compuesta por dos vocablos griegos oikos
(que significa ldquocasardquo ldquoresidenciardquo u ldquohogarrdquo) y logos (teacutermino que
traducido al espantildeol se entiende como ldquoestudiordquo) Por eso la ecologiacutea se
define con precisioacuten como ldquoel estudio de los hogaresrdquo
Actualmente se considera que la ecologiacutea es una rama de las ciencias
bioloacutegicas y es la encargada de estudiar las interacciones entre los
organismos vivos y el entorno natural en el que habitan Es una ciencia
multidisciplinaria que para desarrollarse como tal necesita de otras ciencias
para comprender la totalidad del estudio del medio ambiente Entre estas
otras ciencias se encuentran la climatologiacutea la biologiacutea la eacutetica y la
ingenieriacutea quiacutemica
35 Termoeconomiacutea
Es la rama de la ingenieriacutea energeacutetica que mediante la aplicacioacuten
combinada de los recursos de la termodinaacutemica y la economiacutea permite
lograr unos resultados que no se habriacutean obtenido con los meacutetodos de
anaacutelisis termodinaacutemico y econoacutemico tradicionales La diferencia
ldquoTERMOECONOMIacuteArdquo
6
fundamental radica en el uso del Segundo Principio de la Termodinaacutemica y
la nocioacuten de exergiacutea Se toma la exergiacutea como base racional para asignacioacuten
de costes econoacutemicos a los recursos y productos que intervienen en los
procesos industriales y para la valoracioacuten econoacutemica de las imperfecciones
termodinaacutemicas de dichos procesos Todo esto constituye una aportacioacuten
sustancial al anaacutelisis evaluacioacuten y optimizacioacuten de sistemas
351 Objeto de la Termoeconomiacutea
La Termoeconomiacutea mediante una aplicacioacuten integrada y rigurosa
de la economiacutea y la termodinaacutemica proporciona una herramienta muy
potente y rigurosa para el anaacutelisis la evaluacioacuten y la optimizacioacuten de
sistemas industriales Todo ingeniero ha de ser capaz de analizar y
evaluar los equipos e instalaciones que encuentre en su campo de
actividad con el fin - entre otros - de optimizar los costes Por otra parte
la actividad distintiva del ingeniero es el proyecto Eacuteste tiene por objeto
sintetizar algo que antes no existiacutea y evaluarlo con criterios basados por
ejemplo en la economiacutea la seguridad la fiabilidad y el impacto
ambiental Las capacidades de siacutentesis y evaluacioacuten son la esencia misma
de la actividad creadora del ingeniero
352 Fines de la termoeconomiacutea
En general la termoeconomiacutea tiene los siguientes fines
Calcular los costes de los productos intermedios y finales de los
procesos
Analizar el proceso de formacioacuten y el flujo de los costes en los
procesos
Valorar los costes de las destrucciones y peacuterdidas de exergiacutea
Optimizar el funcionamiento de cada componente de un
sistema y el de eacuteste en su conjunto
Optimizar el coste de los productos de un sistema
Por ejemplo las comparaciones de costes de la destruccioacuten de
exergiacutea en los equipos con sus respectivos costes de inversioacuten permiten
juzgar si el ahorro exergeacutetico aportado por una cierta mejora de
eficiencia justifica la mayor inversioacuten que probablemente se requiera
ldquoTERMOECONOMIacuteArdquo
7
Estos caacutelculos son sumamente uacutetiles en la toma de decisiones de
mejora Cuando se trata de un sistema complejo el uso de
aproximaciones sucesivas guiadas por la termoeconomiacutea constituye
probablemente el mejor recurso praacutectico de optimizacioacuten existente en
la actualidad
Seguacuten Valero y Torres (2005) la Termoeconomiacutea proporciona
meacutetodos para
Evaluar la cantidad y calidad de las peacuterdidas energeacuteticas
Evaluar el coste de las peacuterdidas en teacuterminos de consumo de
recursos
Aplicar a diferentes niveles de decisioacuten sobre sistemas
energeacuteticos Sus aplicaciones principales son las siguientes
(Valero y Torres 2005)
Asignacioacuten de precios a productos en base a criterios fiacutesicos
Optimizacioacuten de variables especiacuteficas de procesos para
minimizar el coste de produccioacuten bull Detectar ineficiencias y
calcular sus efectos econoacutemicos
Evaluacioacuten de varias alternativas de disentildeo u operacioacuten
Sintetizar e integrar procesos
El anaacutelisis termoeconoacutemico permite aplicar las herramientas de la
Termoeconomiacutea al diagnoacutestico y a la optimizacioacuten de sistemas
energeacuteticos complejos Sin embargo el diagnoacutestico termoeconoacutemico es
probablemente la aplicacioacuten maacutes desarrollada Diagnoacutestico es el arte de
descubrir y entender los signos de malfuncioacuten y cuantificar sus efectos
En el caso de la Termoeconomiacutea el efecto de dicha malfuncioacuten se
cuantifica en teacuterminos de consumo adicional de recursos para
mantener la produccioacuten en calidad y cantidad (Uche 2000) Por
consiguiente el diagnoacutestico termoeconoacutemico de la operacioacuten de
sistemas energeacuteticos complejos se aplica para diagnosticar las causas
del consumo adicional de fuel de una planta en operacioacuten debido a las
ineficiencias de sus componentes
Los objetivos del diagnoacutestico termoeconoacutemico son los siguientes
(Valero y Torres 2005)
ldquoTERMOECONOMIacuteArdquo
8
Identificar las malfunciones de cada componente de un sistema
teacutermico
Evaluar sus efectos sobre la eficiencia global de la planta
Determinar doacutende coacutemo y queacute cantidad de recursos
consumidos pueden ser ahorrados
36 Exergiacutea
La exergiacutea en cambio lleva el prefijo ldquoexrdquo que indica ldquofuerardquo La
introdujo Rant a mediados del siglo XX para designar la capacidad de
realizar trabajo uacutetil sobre el entorno Esta capacidad es lo que caracteriza la
calidad de la energiacutea Hay formas de energiacutea tales como la cineacutetica
eleacutectrica o quiacutemica que pueden transformarse iacutentegramente en trabajo uacutetil
y son pura exergiacutea Hay otras por el contrario tales como el calor o la
radiacioacuten que soacutelo pueden convertirse parcialmente en exergiacutea
Las discrepancias entre la energiacutea y la exergiacutea pueden ser radicales Por
ejemplo cuando se calienta un cuerpo aumenta siempre su energiacutea Lo
mismo ocurre con la exergiacutea cuando la temperatura del cuerpo es superior
al ambiente Al calentarlo aumenta su capacidad de producir trabajo uacutetil
Pero si el cuerpo se encontrase a una temperatura inferior al ambiente es
evidente que dicha capacidad disminuiriacutea aunque su energiacutea aumente La
exergiacutea aumenta al alejarse del equilibrio con el ambiente en uno u otro
sentido Este ejemplo ilustra el hecho de que la exergiacutea depende de los
estados del sistema y de su ambiente y se anula cuando ambos se
encuentran en equilibrio termodinaacutemico
La exergiacutea hace referencia a la utilidad potencial de una determinada
fuente de energiacutea Se puede definir como el trabajo maacuteximo teoacuterico que
podriacutea obtenerse de la interaccioacuten entre un determinado sistema
termodinaacutemico y el ambiente de referencia Si el estado de una cantidad
de materia es diferente al del ambiente existiraacute la posibilidad de producir
trabajo Conforme el sistema evolucione hacia el equilibrio con el
ambiente dicha posibilidad se reduciraacute
El ambiente de referencia hace alusioacuten a una porcioacuten de entorno cuyas
propiedades intensivas no cambian significativamente como resultado de
cualquier proceso que se considere Se consideraraacute como tal un sistema
ldquoTERMOECONOMIacuteArdquo
9
simple compresible de enormes dimensiones con presioacuten p0 y
temperatura T0 uniformes y constantes
Conviene tener en cuenta algunos aspectos adicionales de la exergiacutea
La exergiacutea es una propiedad de los sistemas cerrados
El valor de la exergiacutea no puede ser negativo Las transferencias de
exergiacutea asociadas a flujos de energiacutea en traacutensito (en forma de calor
o trabajo) pueden tener uno u otro signo dependiendo del sentido
y naturaleza de dichos flujos
La exergiacutea no se conserva sino que se destruye a causa de las
irreversibilidades
361 EFICIENCIA EXERGEacuteTICA
Se puede definir como
La dificultad reside en identificar estos teacuterminos para un sistema o
instalacioacuten particular En muchos casos pueden existir distintas
interpretaciones vaacutelidas dentro de un orden loacutegico que suelen depender
de si los flujos exergeacuteticos residuales que abandonan el sistema son o no
aprovechados para otros usos en otra instalacioacuten o en otro elemento de la
misma instalacioacuten
4 SISTEMA Y AMBIENTE
Empezaremos por las nociones de sistema y ambiente
Sistema es aquella parte del Universo que se somete a estudio Ambiente
aquella parte del resto del Universo que puede ejercer alguna accioacuten sobre
el sistema Interesa clasificar los sistemas seguacuten sus posibilidades de
interaccioacuten con su ambiente Un sistema se denomina abierto si puede
intercambiar materia calor y trabajo con su ambiente Se le llama cerrado si
no puede intercambiar materia pero son posibles las transferencias de calor
ldquoTERMOECONOMIacuteArdquo
10
y trabajo Finalmente se le llama aislado cuando no es posible interaccioacuten
alguna con el resto del Universo
Obedeciendo al grado de separacioacuten que estos sistemas presenten respecto
a su entorno es posible reconocer tres tipos distintos
Sistemas abiertos Los maacutes predominantes de todos se caracterizan
por intercambiar energiacutea yo materia con el entorno que los rodea ya
sea tomando de eacutel expulsando hacia eacutel o las dos cosas
Sistemas cerrados A diferencia de los anteriores intercambian energiacutea
(calor trabajo) con el exterior pero nunca materia (su masa permanece
intacta)
Sistemas aislados Se les llama asiacute porque no intercambian ni energiacutea ni
materia de ninguacuten tipo con su entorno se los considera un sistema
desconectado de las dinaacutemicas a su alrededor No existen realmente en
el universo los sistemas totalmente aislados por lo que se consideran
casos de abstraccioacuten en periacuteodos determinados de tiempo Se suponen
en equilibrio termodinaacutemico
41 Sistemas abiertos
ndash El cuerpo humano En tanto estaacute necesitado de materia para
descomponer y obtener energiacutea el cuerpo es un sistema abierto
que requiere de disponibilidad de insumos orgaacutenicos Por otro
lado requiere de expulsar la materia sobrante desechada de
vuelta al medio ambiente De no poder realizar ambas acciones
durante un periacuteodo muy prolongado el sistema falla y se produce
la muerte
ndash Una olla de agua hirviendo La energiacutea introducida al sistema por
el fuego transforma el agua en gas que es liberado de vuelta al
medio ambiente Sin esa inyeccioacuten de calor constante el agua
dejaraacute de hervir y sin espacio para salir el vapor (materia)
aumentaraacute la presioacuten hasta reventar la olla
ndash Una hoguera Para mantener el fuego ardiendo es necesario
proveer a la hoguera de material inflamable ya sea carboacuten o ramas
secas Sin esa materia que consumir el fuego se apagaraacute
ldquoTERMOECONOMIacuteArdquo
11
ndash Un motor a combustioacuten Los motores son sistemas complejos que
generan movimiento a partir de un suministro constante de
combustible gasolina gasoil etc ameacuten de diversos aceites que
reducen la friccioacuten entre sus partes Sin estos aditivos el motor
simplemente no anda o andaraacute poco hasta romperse
ndash La mayoriacutea de las plantas Asiacute como el cuerpo humano las plantas
requieren de materia para su subsistencia (en forma de agua y
nutrientes) y de energiacutea (solar) para llevar a cabo la fotosiacutentesis
vital
ndash Una maacutequina de hacer palomitas de maiacutez En este caso se
requiere del insumo material de los granos de maiacutez que deben
antildeadirse junto con energiacutea eleacutectrica que se traduce en calor y los
hace estallar El resultado por demaacutes vuelve al exterior en forma
de palomitas (pochoclo cotufas etc)
ndash Un compostero El proceso de compost que produce abono para
fertilizar sembradiacuteos opera en base a la introduccioacuten constante en
el compostero de materia orgaacutenica de desecho caacutescaras restos
de comida etc Sin ellos los procesos de degradacioacuten de la materia
se detendriacutean y tambieacuten la produccioacuten del abono
ndash Una trituradora de papel Este artefacto de oficina opera como un
sistema abierto pues requiere de la introduccioacuten de materia
(papel) para triturar y de energiacutea (eleacutectrica) para operar sobre ella
Sin ellos simplemente no sirve para nada
ndash Las saunas Para producir el vapor contenido en los saunas se
requiere de agua (materia) y energiacutea (fuego) para producir el vapor
de agua y permitir que se acumule en el recinto cerrado Despueacutes
de un periacuteodo el vapor desapareceraacute y se necesitaraacute una nueva
inyeccioacuten de insumos al sistema
ndash Un reactor nuclear La electricidad generada en el reactor y que es
conducida hacia el ambiente es producto de la fisioacuten del uranio (u
otros elementos materiales) en una reaccioacuten atoacutemica
controlada que permite generar mucha energiacutea caloacuterica
aprovechable pero tambieacuten muchos desechos toacutexicos que deben
ir a dar a alguacuten lugar del entorno
42 Sistemas cerrados
ldquoTERMOECONOMIacuteArdquo
12
ndash Los bombillos o focos No necesitan materia para operar pero siacute
energiacutea eleacutectrica constante en el momento en que se la corte
cesaraacuten en su emisioacuten de luz que dicho sea de paso es tambieacuten
una forma de energiacutea transmitida al entorno
ndash Una botella de agua friacutea Al estar cerrada la botella la
transferencia de materia entre el sistema y el entorno es
imposible no puede entrar ni salir liacutequido Sin embargo es posible
intercambiar energiacutea el agua se iraacute calentando gradualmente
hasta perder su frialdad
ndash Un teleacutefono celular Si bien no requiere para su funcionamiento
cotidiano que se le introduzca materia (no consume nada) siacute
precisa de electricidad a diario pues al agotarse la bateriacutea dejaraacute
de funcionar Eso claro si tomamos como muestra un periacuteodo
diario en que no haya necesidad de repuestos
ndash Un termoacutemetro Ya que estaacute cerrado hermeacuteticamente el
contenido de un termoacutemetro no variacutea jamaacutes pero siacute reacciona de
acuerdo a la temperatura que percibe es decir es sensible a la
entrada de calor (energiacutea)
ndash El sol A menos que se lo piense en teacuterminos de millares de antildeos
al cabo de los cuales habraacute consumido todo su material y moriraacute el
astro rey es un ejemplo de sistema cerrado que no intercambia
materia con su entorno pero siacute expulsa energiacutea (radiacioacuten solar
luz solar calor) a borbotones
ndash El planeta tierra De forma similar la Tierra opera sin intercambios
de materia con respecto al vaciacuteo que la circunda o a los demaacutes
planetas y objetos celestes pero recibe energiacutea solar
constantemente sin la cual la vida seriacutea un planeta inhabitable
ndash Un envase con comida caliente Cerrado de manera hermeacutetica el
envase impediraacute que la materia en su interior se salga o que entre
nada hacia ella pero incluso asiacute irradiaraacute el calor de la comida hacia
afuera pudiendo quemarnos si fuera el caso
ndash Una bateriacutea Los quiacutemicos en su interior reaccionan y generan
energiacutea que es dirigida hacia el exterior y consumida pero la
materia en su interior no sufre variaciones
ldquoTERMOECONOMIacuteArdquo
13
ndash Los televisores Estos artefactos funcionan a partir del consumo de
energiacutea eleacutectrica para emitir luz de diversos tipos y modulaciones
junto con ondas sonoras al medio externo Pero no requieren de
inyeccioacuten de materia ni la masa en su interior es alterada
ndash Las ollas de presioacuten Dado que no permiten el escape de los gases
generados en su interior para que actuacuteen sobre la comida
cocinaacutendose estos recipientes actuacutean como sistemas cerrados
que impiden el escape de la materia pero no de la energiacutea que
escapa como calor ni de la necesaria para iniciar la coccioacuten
tambieacuten proveniente del afuera
43 Sistemas aislados
ndash Una caja fuerte El contenido en las cajas fuertes estaacute separado
por gruesas capas hermeacuteticas de metal de su entorno aislado de
la materia y de la energiacutea al menos en condiciones normales si la
arrojamos a un volcaacuten es seguro que se derrita y se incinere su
contenido
ndash Los trajes de neopreno Un hombre embutido en estos trajes
usualmente para el buceo o submarinismo se encuentra
protegido durante un periacuteodo de tiempo del intercambio caloacuterico
entre el agua y su cuerpo ameacuten de impedir que eacutesta (materia)
penetre al interior del mismo
ndash Los termos Durante un periacuteodo puntual de tiempo los termos
logran aislar el calor contenido en su interior y evitar la fuga de
energiacutea hacia el medio ambiente a la par que impidiendo el
derramamiento del contenido o la introduccioacuten del mismo No
obstante dado el tiempo suficiente la inevitable fuga del calor
ocurriraacute y el contenido volveraacute a estar friacuteo
ndash Una cava teacutermica Como las empleadas para transportar
alimentos operan en base a la reduccioacuten extrema de la entrada de
calor manteniendo su contenido friacuteo durante un periacuteodo
determinado Una vez superado ese rango de tiempo el contenido
empezaraacute a calentarse
ndash El igluacute de los esquimales Disentildeado para mantener a salvo a sus
habitantes de la materia en movimiento (viento nieve lluvia) y
ademaacutes del enfriamiento extremo de dichos climas puede
ldquoTERMOECONOMIacuteArdquo
14
considerarse un sistema aisladohellip hasta que el habitante tenga que
salir
ndash Una bombona de gas Contenido a presioacuten en su interior el gas
estaacute aislado de la materia y la energiacutea a su alrededor en
condiciones normales ya que es posible que el calentamiento de
la bombona obligue el gas a expandirse y ocurra una tragedia
ndash El universo Dado que no sabemos queacute hay afuera de eacutel ni si hay
un afuera de eacutel debemos suponer que el universo es un sistema
aislado en el que no ingresa ni egresa materia o energiacutea sino que
opera de manera independiente de su entorno
ndash Los alimentos enlatados En condiciones normales estos
alimentos se encuentran lejos de cualquier intercambio de materia
o de energiacutea Claro que seriacutea posible someter la lata a
calentamiento o enfriamiento e incluso fundirla en temperaturas
extremas pero incluso asiacute durante unos (breves) instantes la
comida estaraacute aislada por completo del calor
ndash Una caacutemara hiperbaacuterica Uacutetiles justamente para aislar de las
condiciones atmosfeacutericas a los buzos con burbujas de nitroacutegeno en
la sangre no permiten cuando en funcionamiento el intercambio
de materia ni de energiacutea o al menos no en cantidades apreciables
y significativas
ndash La mente humana Dado que no requiere del intercambio de
materia ni de energiacutea es quizaacute uno de los ejemplos de sistema
aislado maacutes factibles Esto claro sin tomar en cuenta el lado fiacutesico
de la misma el cerebro y el cuerpo humanos en absoluto
En el anaacutelisis de un sistema es preciso conocer y manejar un conjunto
de magnitudes que son las llamadas propiedades termodinaacutemicas del
sistema Estas propiedades pueden ser de dos tipos
ndash Intensivas que miden propiedades locales tales como la presioacuten
temperatura densidad etc y no dependen de la cantidad de
materia contenida en el sistema o cualquiera de sus partes
ndash Extensivas que siacute dependen de la cantidad de materia tales como
la masa el volumen o la energiacutea Si no se toman en consideracioacuten
los efectos en los liacutemites o fronteras del sistema ni las acciones a
ldquoTERMOECONOMIacuteArdquo
15
distancia su valor total para el conjunto del sistema es igual a la
suma de sus valores en cada una de las partes que lo formen
Se dice que un sistema es homogeacuteneo cuando sus propiedades
intensivas no variacutean al pasar de unos puntos a otros del mismo El
sistema es heterogeacuteneo en caso contrario Frecuentemente los
sistemas heterogeacuteneos estaacuten formados por dos o maacutes porciones
homogeacuteneas llamadas fases tales que al pasar de unas a otras sufren
un salto brusco las propiedades intensivas Las propiedades extensivas
de los sistemas homogeacuteneos son proporcionales a su cantidad de
materia Igual ocurre con cada una de las fases que forman uno
heterogeacuteneo
El estado de un sistema o de una fase queda determinado por el
conjunto de sus propiedades termodinaacutemicas las cuales ndashpor ellondash se
llaman tambieacuten variables o funciones de estado Una de las cuestiones
a que da respuesta la termodinaacutemica es la determinacioacuten del nuacutemero
necesario y suficiente de variables independientes precisas para
determinar el estado de un sistema La termodinaacutemica maneja tambieacuten
magnitudes que se refieren a procesos o transformaciones y por tanto
no son propiedades de ninguacuten sistema Por ejemplo el trabajo
realizado por un sistema durante una cierta transformacioacuten es algo
caracteriacutestico de eacutesta y no del sistema o su ambiente Esto ocurre en
general con todos los intercambios
Cuando un sistema se deja abandonado a siacute mismo sin otras
interacciones que las que puedan producirse con su ambiente sus
propiedades termodinaacutemicas podraacuten ir variando con el tiempo Es
posible que llegue un instante a partir del cual se mantengan
inalteradas todas sus propiedades y cese cualquier intercambio de
materia y energiacutea con el ambiente Se dice entonces que el sistema se
encuentra en equilibrio termodinaacutemico Eacuteste es un concepto muy
general de equilibrio y comprende como aspectos particulares todos
los tipos especiacuteficos de equilibrio considerados en Fiacutesica o en Quiacutemica
Toda diferencia de valores en alguna propiedad intensiva ndash dentro del
sistema o entre eacuteste y su ambiente ndash constituye un desequilibrio El
sistema tiende hacia el equilibrio reduciendo tales diferencias Las
diferencias de presioacuten provocan flujos de materia las de temperatura
ldquoTERMOECONOMIacuteArdquo
16
flujos de calor etc El estado de equilibrio termodinaacutemico
corresponde a la eliminacioacuten de todas las diferencias posibles entre los
valores locales de cualquiera de sus propiedades intensivas en su
interior o en relacioacuten con su ambiente Asiacute puede hablarse de equilibrio
mecaacutenico teacutermico quiacutemico etc que no son maacutes que aspectos
parciales del equilibrio termodinaacutemico
Para que se produzca espontaacuteneamente un proceso es necesaria la
existencia previa de alguacuten desequilibrio bien dentro del sistema o
entre eacuteste y su ambiente Como caso liacutemite puede concebirse un
proceso ideal formado por una sucesioacuten continua de estados de
equilibrio Tal proceso se denomina reversible Aunque en rigor todo
proceso real es irreversible el anaacutelisis de procesos reversibles es muy
uacutetil como aproximacioacuten en caacutelculos teoacutericos y para obtener patrones de
referencia en muchas situaciones
Como acabamos de ver durante el proceso de aproximacioacuten al
equilibrio pueden ir variando en general las propiedades
termodinaacutemicas intensivas y extensivas del sistema En tal caso se dice
que el proceso se produce en reacutegimen transitorio o variable En
procesos industriales en sistemas abiertos es usual que se mantengan
deliberadamente constantes ciertos desequilibrios (en presiones o
temperaturas por ejemplo) permitiendo al mismo tiempo
intercambios de materia y energiacutea con el ambiente de modo que las
propiedades termodinaacutemicas del sistema permanezcan invariables en
el tiempo Los procesos tienen lugar entonces en reacutegimen permanente
o estacionario En tal caso en particular se conservan constantes las
propiedades extensivas del sistema tales como su masa o su volumen
y esto obliga a que las cantidades de materia entrantes y salientes sean
iguales La mayoriacutea de los procesos industriales se desarrollan la mayor
parte del tiempo en reacutegimen permanente que es el maacutes faacutecil de
gobernar y con el que se controla mejor la cantidad y calidad de la
produccioacuten
44 Temperatura
La termodinaacutemica antildeade una cuarta magnitud fundamental a las
tres aportadas por la mecaacutenica (longitud masa y tiempo) Es eacutesta
ldquoTERMOECONOMIacuteArdquo
17
la temperatura cuya definicioacuten estaacute vinculada al equilibrio
teacutermico Para desarrollar este concepto tomamos dos sistemas
homogeacuteneos cerrados ndash cada uno de ellos en equilibrio y los
ponemos en contacto de tal modo que ninguno de ellos pueda
realizar trabajo sobre el otro (el llamado contacto teacutermico) Si
permanecen en equilibrio sin experimentar alteracioacuten alguna en
sus respectivos estados diremos que se encuentran a una misma
temperatura En general se llama temperatura a la magnitud que
determina si un sistema permaneceraacute en equilibrio al llevarlo al
contacto teacutermico con otros Se dice que dos sistemas tienen
iguales temperaturas si sus estados iniciales de equilibrio no se
alteran al ponerlos en contacto teacutermico Si no permanecen en
equilibrio sus temperaturas seraacuten diferentes En este uacuteltimo caso
desde el momento en que se ponen en contacto ambos sistemas
experimentan una serie de alteraciones hasta llegar a un nuevo
estado de equilibrio en el cual sus temperaturas se habraacuten hecho
iguales
Consideremos ahora dos sistemas A y B cuyas temperaturas
queremos comparar Para ello tomamos un tercer sistema C y lo
llevamos sucesivamente al contacto teacutermico con A y B Si el estado
de C no se altera en ninguna de estas operaciones se observa
experimentalmente que tampoco se alteran los de A y B si se les
pone directamente en contacto Este hecho experimental no
evidente por siacute mismo se establece como un principio
fundamental con el nombre de Principio Cero de la
Termodinaacutemica Si un sistema estaacute en equilibrio teacutermico con otros
dos eacutestos lo estaraacuten a su vez entre siacute Asiacute puede darse un valor
cuantitativo a la nocioacuten de temperatura (temperatura empiacuterica)
mediante una seleccioacuten conveniente del tercer sistema que seriacutea
el termoacutemetro
Usualmente se emplean dos escalas termomeacutetricas la de Celsius y
la de Kelvin Los valores t y T respectivos estaacuten relacionados por la
expresioacuten
ldquoTERMOECONOMIacuteArdquo
18
T = 27315 K + t helliphellip(expresioacuten 1)
La unidad internacional de temperatura es el Kelvin (K) Cuando se
emplea la escala de Celsius la unidad se representa por degC igual al
K ya que la uacutenica diferencia entre ambas escalas es la posicioacuten del
cero El empleo de siacutembolos diferentes sirve uacutenicamente para
caracterizar este hecho Cuando revisemos el Segundo Principio de
la Termodinaacutemica apreciaremos la base teoacuterica en que se sustenta
la escala de Kelvin o absoluta
Usualmente se emplean dos escalas termomeacutetricas la de Celsius y
la de Kelvin Los valores t y respectivos estaacuten relacionados por la
expresioacuten
441 El Primer Principio de la Termodinaacutemica
Su formulacioacuten no es maacutes que una expresioacuten del Principio de
la Conservacioacuten de la Energiacutea en la que se hace aparecer
expliacutecitamente la transferencia de calor Para todo proceso en
el sistema cerrado de la figura adjunta se verifica
en donde el primer miembro representa el intercambio neto
de energiacutea con su ambiente y el segundo el incremento de la
propiedad termodinaacutemica energiacutea En esta foacutermula hemos
seguido el convenio de considerar positivos el calor entrante
en el sistema y el trabajo realizado por eacuteste El Primer
Principio consiste precisamente en el reconocimiento de la
energiacutea como una propiedad termodinaacutemica del sistema Por
lo tanto los intercambios energeacuteticos del primer miembro de
la ecuacioacuten anterior dependen de los estados extremos 1 y 2
y del proceso seguido para pasar como se observa en la
siguiente figura
ldquoTERMOECONOMIacuteArdquo
19
Repasemos brevemente el significado de las magnitudes que
aparecen en la expresioacuten del Primer principio
Calor Es la forma de intercambio energeacutetico que se
produce entre dos sistemas cerrados a distintas
temperaturas cuando se les pone en contacto teacutermico
Equivale a afirmar que el flujo de calor se debe a los
desequilibrios teacutermicos Maacutes adelante volveremos sobre
esta cuestioacuten
Trabajo Muchas de las formas de trabajo que se
manejan habitualmente en ingenieriacutea termodinaacutemica
obedecen a la siguiente definicioacuten Trabajo es el
intercambio energeacutetico que se produce cuando se
desplaza una superficie de control a traveacutes de la cual
actuacutea una fuerza Si consideramos una fuerza F ejercida
por el sistema sobre el ambiente a traveacutes de la superficie
de control la cual experimenta un desplazamiento
elemental (vectorial) dr el trabajo elemental realizado
por el sistema seraacute el producto escalar de F por dr
Energiacutea La energiacutea de un sistema queda determinada
por factores muy diversos su posicioacuten en un campo de
fuerzas (energiacutea potencial mgz en donde m es la
masa g la aceleracioacuten de la gravedad y z la altitud si nos
referimos al campo gravitatorio terrestre) su
movimiento como un todo (energiacutea cineacutetica mc22 en
donde c es la velocidad) o la energiacutea debida a la
estructura el movimiento y las interacciones de las
ldquoTERMOECONOMIacuteArdquo
20
moleacuteculas aacutetomos y partiacuteculas que lo constituyen
(energiacutea interna U)
442 El Segundo Principio de la Termodinaacutemica
Puede afirmarse que el Primer Principio postula la existencia
de la funcioacuten de estado energiacutea cuya diferencial verifica De
una forma similar enunciaremos el Segundo Principio para
un sistema cerrado como sigue
Existe una funcioacuten de estado extensiva S llamada entropiacutea
con las dimensiones energiacuteatemperatura caracterizada por
las siguientes propiedades
a) Puede variar uacutenicamente por intercambio de calor con el
ambiente o por generacioacuten o creacioacuten interna en el propio
sistema
b) La entropiacutea debida al intercambio de calor con el ambiente
verifica
El valor de este teacutermino puede ser por tanto positivo
negativo o nulo seguacuten lo sea δQ
c) La entropiacutea generada en el sistema no puede ser negativa
y soacutelo seraacute nula cuando el proceso sea reversible En caso contrario
es siempre positiva Por tanto δS g es positiva para todo proceso
espontaacuteneo
5 ECOLOGIA INDUSTRIAL
Desde finales del siglo XX se abre paso el innovador concepto de la Ecologiacutea Industrial
Tradicionalmente se ha considerado que la fabricacioacuten comienza cuando las materias
primas entran en el proceso de produccioacuten y termina con la expedicioacuten del producto
acabado La Ecologiacutea Industrial va maacutes lejos considera las fuentes de abastecimiento de
materias primas los efectos de su extraccioacuten y el destino final del producto una vez agotada
su vida uacutetil entre otros aspectos
51 Aplicacioacuten de la Termoeconomiacutea a la Ecologiacutea Industrial
Definido el objeto del presente trabajo y una vez introducida la Ecologiacutea Industrial y
la Termoeconomiacutea surge la siguiente cuestioacuten iquestpor queacute aplicar la Termoeconomiacutea a
la Ecologiacutea Industrial La respuesta parte de la base de que la integracioacuten de procesos
industriales mediante intercambios mutuos de recursos productos y residuos
implica entre otros beneficios ahorros energeacuteticos Y el modo maacutes objetivo para
cuantificar dichos ahorros es mediante las leyes de la termodinaacutemica (Valero et al
2010) Es decir se trata de tener en consideracioacuten no soacutelo la primera ley de la
termodinaacutemica la cual indica que la energiacutea se conserva transformaacutendose de una
forma a otra sino tambieacuten la segunda ley de la termodinaacutemica que reconoce la
existencia de formas de energiacutea maacutes uacutetiles y menos degradadas que otras Por tanto
la combinacioacuten de ambas leyes indica que no es una cuestioacuten de cantidad de energiacutea
ahorrada sino de la calidad de esa energiacutea es decir de su contenido exergeacutetico El
presente trabajo trata de explicar las metodologiacuteas que la Termoeconomiacutea
actualmente estaacute aplicando al anaacutelisis optimizacioacuten y diagnoacutestico de sistemas
energeacuteticos tales como centrales teacutermicas a la Ecologiacutea Industrial y complejo
modelo de Simbiosis Industrial El anaacutelisis termoeconoacutemico puede ayudar a resolver
problemas importantes tales como identificar posibles integraciones mejorar la
eficiencia cuantificar los beneficios obtenidos por la integracioacuten o determinar los
precios en base a criterios fiacutesicos (Valero et al 2010) Conviene describir tambieacuten la
utilizacioacuten de la Termoeconomiacutea como herramienta de anaacutelisis en ecoparques
industriales Por tanto se puede afirmar que la Ecologiacutea Industrial representa un
campo de aplicacioacuten emergente para el anaacutelisis termoeconoacutemico
ldquoTERMOECONOMIacuteArdquo
1
52 Modelo de Simbiosis Industrial de Kalundborg
El ejemplo praacutectico maacutes reconocido mundialmente en el aacutembito de la Ecologiacutea
Industrial es el de la ciudad danesa de Kalundborg en el cual se acuntildeoacute la palabra de
Simbiosis Industrial Constituye la primera referencia de creacioacuten de una red de
ntercambios entre diversas industrias localizadas en un aacuterea comuacuten y su eacutexito
ha generado un aumento del apoyo institucional para la implantacioacuten de esta
estrategia en otros lugares
La experiencia empezoacute cuando unas pocas empresas trataron de minimizar el
consumo de agua subterraacutenea empleando agua de un lago cercano A raiacutez de ello
con el tiempo se ha establecido una compleja red de intercambios cooperativos en
tres aacutereas agua energiacutea y subproductos adoptando tambieacuten la denominacioacuten
de ecoparque o ecosistema industrial
Integrantes
Actualmente el modelo de Simbiosis Industrial de Kalundborg estaacute constituido
por cinco participantes principales maacutes otros diez participantes secundarios
Principales Participantes
Flujos
La red de intercambio de recursos entre los distintos participantes de la Simbiosis
Industrial estaacute compuesta por 31 flujos los cuales se pueden clasificar en tres
categoriacuteas
ldquoTERMOECONOMIacuteArdquo
2
a) Flujos hiacutedricos
Imagen de Flujos Hiacutedricos
Fuente httpwwwbdigitalunaleduco466731089410732015pdf
b) Flujos energeacuteticos
Imagen de Flujos Energeacuteticos
Fuente httpwwwbdigitalunaleduco466731089410732015pdf
ldquoTERMOECONOMIacuteArdquo
3
c) Flujos de subproductos
Imagen de Flujos de Subproductos
Fuente httpwwwbdigitalunaleduco466731089410732015pdf
53 Beneficios ambientales
Los beneficios ambientales asociados a la Simbiosis Industrial estaacuten determinados
por ahorros en el consumo de agua combustible y materia prima dichos
ahorros conllevan disminuir los residuos generados asiacute como las emisiones de
contaminantes como se muestra en la tabla siguiente
Sin embargo es complejo determinar todos los beneficios globales de la Simbiosis
Industrial puesto que muchos de los flujos presentes en el ecosistema
industrial generan un doble beneficio En el caso de los flujos de residuos su
valorizacioacuten conlleva por un lado evitar la ldquoeliminacioacutenrdquo de dicho residuo y por el
otro se evita el consumo de la materia prima asiacute como de todos los recursos
ldquoTERMOECONOMIacuteArdquo
4
asociados a la obtencioacuten de la misma que seriacutea necesario si no se llevara a cabo la
valorizacioacuten
Por ejemplo los procesos de desulfuracioacuten en la central teacutermica y la refineriacutea
ademaacutes de evitar la emisioacuten de dioacutexido de azufre a la atmoacutesfera producen yeso y
tiosulfato de amonio respectivamente La valorizacioacuten de estos dos residuos
supone para los emisores evitar su ldquoeliminacioacutenrdquo y para los receptores en el caso
del yeso se reduce la importacioacuten de yeso natural mientras que en el caso del
tiosulfato de amonio se ahorra en materias primas y recursos correspondientes a
su obtencioacuten Con las cenizas ocurre exactamente lo mismo su valorizacioacuten
repercute en una menor necesidad de clinker y por tanto de los recursos
necesarios para su fabricacioacuten El fertilizante y la levadura suministrada por Novo
Group disminuyen la cantidad de residuos generados y a su vez evitan el
consumo de nuevas materias primas y recursos asociados a la fabricacioacuten de
ambos productos
En el caso de los flujos energeacuteticos como por ejemplo el gas excedente de la
refineriacutea o la energiacutea teacutermica residual de la central en origen conlleva evitar su
disipacioacuten al medioambiente mientras que para los receptores repercute en un
ahorro sustancial de combustible
En cuanto a los flujos hiacutedricos el principal beneficio ambiental alcanzado es el
ahorro en el consumo de agua focalizado en sus inicios en la sustitucioacuten de
agua subterraacutenea por agua superficial y maacutes tarde en la reutilizacioacuten
Ademaacutes en teacuterminos econoacutemicos tambieacuten se han alcanzado beneficios
sustanciales
Como ejemplo para el antildeo 2000 ya se habiacutean invertido 75 millones de doacutelares en
19 proyectos con un ahorro estimado de 15 millones de doacutelares (Cervantes et al
2009) 6 Caso de estudio La aplicacioacuten de la Termoeconomiacutea al modelo de
Simbiosis Industrial de Kalundborg precisa de la definicioacuten de un caso de estudio
sobre dicho modelo que permita su caracterizacioacuten en teacuterminos de exergiacutea
En este sentido la informacioacuten teacutecnica recopilada sobre los flujos
intercambiados limita el alcance del caso de estudio establecido Sin embargo
fruto de una extensa y laboriosa buacutesqueda bibliograacutefica se ha elaborado un caso
de estudio que incluye los flujos maacutes representativos de la Simbiosis Industrial
de Kalundborg
ldquoTERMOECONOMIacuteArdquo
5
6 CONCLUSIONES
El anaacutelisis exergeacutetico se constituye en una soacutelida herramienta para entender la dinaacutemica
energeacutetica de los procesos de la naturaleza y de los procesos artificiales Sus aplicaciones
son ilimitadas en el sentido que toda accioacuten microscoacutepica o macroscoacutepica demanda un
consumo energeacutetico valioso
El verdadero potencial de ahorro energeacutetico de un sector industrial no se puede valorar
uacutenicamente a partir de la sustitucioacuten de energeacuteticos como consecuencia del
comportamiento del mercado o por la sustitucioacuten de tecnologiacuteas por el efecto de
nuevos desarrollos sino a traveacutes de un balance exergeacutetico que determine las
condiciones maacuteximas de operacioacuten a partir del propoacutesito de cada accioacuten o proceso
Por medio del anaacutelisis termoeconoacutemico es posible la cuantificacioacuten de intangibles
contables y fiacutesicos representados en la destruccioacuten de exergiacutea causada por muacuteltiples
factores como erroacutenea eleccioacuten de un combustible de un mecanismo de un lugar de
operacioacuten fallas de operacioacuten en los procesos erroacuteneos paraacutemetros de operacioacuten etc
A partir de la primera ley de la termodinaacutemica se establecioacute el precepto baacutesico de la
transformacioacuten de energiacutea no se crea no se destruye se transforma en calor en
trabajo aumenta o disminuye la energiacutea interna la segunda ley direcciona los procesos
e integra una nueva propiedad termodinaacutemica denominada entropiacutea asociada al
desorden y a las condiciones de irreversibilidad de los procesos reales El anaacutelisis
exergeacutetico complementa las leyes anteriores considerando el propoacutesito y coacutemo a traveacutes
de su desarrollo se destruye la exergiacutea pese a la conservacioacuten de la energiacutea
La metodologiacutea desarrollada para el anaacutelisis termoeconoacutemico del caso tiene validez para
cualquier proceso industrial porque contempla la valoracioacuten exergeacutetica del uso de los
recursos Si la valoracioacuten fuera de caraacutecter sectorial la metodologiacutea seriacutea la misma soacutelo
que tendriacutea que apoyarse en las estadiacutesticas de consumo energeacutetico por sector y se hariacutea
necesario evaluar la exergiacutea fiacutesica y quiacutemica de todos los recursos involucradosComo
punto de partida seriacutea recomendable valorar la exergiacutea quiacutemica de los hidrocarburos
producidos en Peruacute
Las herramientas de caacutelculo favorecen las evaluaciones termoeconoacutemicas de los
procesos faacutecilmente la teoriacutea exergeacutetica puede articularse a traveacutes de ecuaciones
simples En el caso particular el desarrollo es vaacutelido para un proceso de combustioacuten
externa con secado directo Sin embargo actualmente se consiguen en el mercado
herramientas robustas como el Aspen Process Economic Analyzer (APEA) que con la
informacioacuten baacutesica de operacioacuten realiza un anaacutelisis profundo de la destruccioacuten
exergeacutetica asiacute como de la valoracioacuten de alternativas de disentildeo operacioacuten y cambios
tecnoloacutegicos
La Termoeconomiacutea trata de costes bien monetarios (ptaskJ)o puramente energeacuteticos
(kJ de recursokJ de producto) y se utiliza principalmente para la contabilidad
diagnoacutestico mejora y disentildeo y optimizacioacuten de sistemas teacutermicos Pero en mi opinioacuten
abarca maacutes es la ciencia en la que la Termodinaacutemica y en particular el segundo
principio se une con la Economiacutea ambas en un sentido amplio Ahora estamos en el
principio y esta ciencia se construiraacute con las aportaciones de muchos autores no soacutelo
ingenieros mecaacutenicos En el futuro habraacute que poner orden y sistemaacutetica a la gran
cantidad de contribuciones que tanto economistas como fiacutesicos bioacutelogos quiacutemicos o
ldquoTERMOECONOMIacuteArdquo
6
ingenieros quieren encontrar en las analogiacuteas y explicaciones entre la Termodinaacutemica y
la Economiacutea
Vivimos en un mundo finito y pequentildeo para la gente que somos y seremos y los recursos
naturales son un bien escaso Si queremos sobrevivir debemos conservarlos y aprender
a conservarlos mejor y en este propoacutesito la Termoeconomiacutea jugaraacute un papel clave
Debemos conocer los mecanismos por los cuales la energiacutea y los recursos en general se
degradan y debemos tambieacuten aprender y ensentildear a juzgar queacute sistemas trabajan mejor
con objeto de mejorar sistemaacuteticamente los disentildeos y reducir el consumo per capita
Ademaacutes debemos aprender a reutilizar los residuos para evitar dantildeos al ambiente Esto
lo necesitamos urgentemente ya que al menos dos tercios de la humanidad actual vive
maacutes pobremente que el mundo desarrollado actual
Una contabilidad sistemaacutetica de los recursos naturales que se estaacuten consumiendo seriacutea
una herramienta clave para que tomaacuteramos una consciencia global del problema Y en
esta tarea la Termoeconomiacutea jugariacutea un papel clave
ldquoTERMOECONOMIacuteArdquo
7
7 REFERENCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS
Termoeconomiacutea y Optimizacioacuten Energeacutetica mdash OCW UPMocwupmes rsaquo Explotacioacuten de
Minas
La termoeconomiacutea como alternativa para mejorar la competitividad
wwwbdigitalunaleduco466731089410732015pdf
JR Silva Larrottaaplicaciones termoeconoacutemicas del meacutetodo -
PublicationsListorgpublicationslistorgAplicaciones20termoeconomicas20del
20metodo20exer
Termoeconomiacuteahttpszaguanunizaresrecord45719filesguiapdf
Analisis termoeconomico - ResearchGate https wwwresearchgatenet profile
0c960520b5ead8d544000000pdf
MAL SERRANO - 1993 - Universidad de Sevilla Termoeconomiacutea de Sistemas Energ
wwwuses estudiosgradosplan_221asignatura_2210057
Fundamentos de termodinaacutemica teacutecnica https booksgooglecompe booksisbn=
8429143130
Michael J Moran Howard N Shapiro - 2004 - Science-Termoeconomia
la termoeconomiacutea https wwwehueushelburuak-gaitasunak
La Termoeconomiacutea en plantas energeacuteticaswwwscieloclpdfinfotecv21n4art06pdf
ldquoTERMOECONOMIacuteArdquo
5
definiciones que se han hecho de la economiacutea a lo largo del tiempo En las
primeras se afirmaba que consistiacutea en el estudio de la riqueza
33 Energiacutea
Etimoloacutegicamente la palabra energiacutea se acuntildeoacute en el siglo XIX tomando
del griego ldquoergonrdquo que significa ldquotrabajo accioacutenrdquo con el prefijo ldquoenrdquo que
quiere decir ldquodentrordquo
34 Ecologiacutea
La ecologiacutea es la especialidad cientiacutefica centrada en el estudio y anaacutelisis
del viacutenculo que surge entre los seres vivos y el entorno que los rodea
entendido como la combinacioacuten de los factores abioacuteticos (entre los cuales
se puede mencionar al clima y a la geologiacutea) y los factores bioacuteticos
(organismos que comparten el haacutebitat) La ecologiacutea analiza tambieacuten la
distribucioacuten y la cantidad de organismos vivos como resultado de la citada
relacioacuten
Cabe destacar que Oumlkologie es un concepto que data de fines de la
deacutecada de 1860 y fue acuntildeado por el bioacutelogo y filoacutesofo de origen alemaacuten
Ernst Haeckel Esta palabra estaacute compuesta por dos vocablos griegos oikos
(que significa ldquocasardquo ldquoresidenciardquo u ldquohogarrdquo) y logos (teacutermino que
traducido al espantildeol se entiende como ldquoestudiordquo) Por eso la ecologiacutea se
define con precisioacuten como ldquoel estudio de los hogaresrdquo
Actualmente se considera que la ecologiacutea es una rama de las ciencias
bioloacutegicas y es la encargada de estudiar las interacciones entre los
organismos vivos y el entorno natural en el que habitan Es una ciencia
multidisciplinaria que para desarrollarse como tal necesita de otras ciencias
para comprender la totalidad del estudio del medio ambiente Entre estas
otras ciencias se encuentran la climatologiacutea la biologiacutea la eacutetica y la
ingenieriacutea quiacutemica
35 Termoeconomiacutea
Es la rama de la ingenieriacutea energeacutetica que mediante la aplicacioacuten
combinada de los recursos de la termodinaacutemica y la economiacutea permite
lograr unos resultados que no se habriacutean obtenido con los meacutetodos de
anaacutelisis termodinaacutemico y econoacutemico tradicionales La diferencia
ldquoTERMOECONOMIacuteArdquo
6
fundamental radica en el uso del Segundo Principio de la Termodinaacutemica y
la nocioacuten de exergiacutea Se toma la exergiacutea como base racional para asignacioacuten
de costes econoacutemicos a los recursos y productos que intervienen en los
procesos industriales y para la valoracioacuten econoacutemica de las imperfecciones
termodinaacutemicas de dichos procesos Todo esto constituye una aportacioacuten
sustancial al anaacutelisis evaluacioacuten y optimizacioacuten de sistemas
351 Objeto de la Termoeconomiacutea
La Termoeconomiacutea mediante una aplicacioacuten integrada y rigurosa
de la economiacutea y la termodinaacutemica proporciona una herramienta muy
potente y rigurosa para el anaacutelisis la evaluacioacuten y la optimizacioacuten de
sistemas industriales Todo ingeniero ha de ser capaz de analizar y
evaluar los equipos e instalaciones que encuentre en su campo de
actividad con el fin - entre otros - de optimizar los costes Por otra parte
la actividad distintiva del ingeniero es el proyecto Eacuteste tiene por objeto
sintetizar algo que antes no existiacutea y evaluarlo con criterios basados por
ejemplo en la economiacutea la seguridad la fiabilidad y el impacto
ambiental Las capacidades de siacutentesis y evaluacioacuten son la esencia misma
de la actividad creadora del ingeniero
352 Fines de la termoeconomiacutea
En general la termoeconomiacutea tiene los siguientes fines
Calcular los costes de los productos intermedios y finales de los
procesos
Analizar el proceso de formacioacuten y el flujo de los costes en los
procesos
Valorar los costes de las destrucciones y peacuterdidas de exergiacutea
Optimizar el funcionamiento de cada componente de un
sistema y el de eacuteste en su conjunto
Optimizar el coste de los productos de un sistema
Por ejemplo las comparaciones de costes de la destruccioacuten de
exergiacutea en los equipos con sus respectivos costes de inversioacuten permiten
juzgar si el ahorro exergeacutetico aportado por una cierta mejora de
eficiencia justifica la mayor inversioacuten que probablemente se requiera
ldquoTERMOECONOMIacuteArdquo
7
Estos caacutelculos son sumamente uacutetiles en la toma de decisiones de
mejora Cuando se trata de un sistema complejo el uso de
aproximaciones sucesivas guiadas por la termoeconomiacutea constituye
probablemente el mejor recurso praacutectico de optimizacioacuten existente en
la actualidad
Seguacuten Valero y Torres (2005) la Termoeconomiacutea proporciona
meacutetodos para
Evaluar la cantidad y calidad de las peacuterdidas energeacuteticas
Evaluar el coste de las peacuterdidas en teacuterminos de consumo de
recursos
Aplicar a diferentes niveles de decisioacuten sobre sistemas
energeacuteticos Sus aplicaciones principales son las siguientes
(Valero y Torres 2005)
Asignacioacuten de precios a productos en base a criterios fiacutesicos
Optimizacioacuten de variables especiacuteficas de procesos para
minimizar el coste de produccioacuten bull Detectar ineficiencias y
calcular sus efectos econoacutemicos
Evaluacioacuten de varias alternativas de disentildeo u operacioacuten
Sintetizar e integrar procesos
El anaacutelisis termoeconoacutemico permite aplicar las herramientas de la
Termoeconomiacutea al diagnoacutestico y a la optimizacioacuten de sistemas
energeacuteticos complejos Sin embargo el diagnoacutestico termoeconoacutemico es
probablemente la aplicacioacuten maacutes desarrollada Diagnoacutestico es el arte de
descubrir y entender los signos de malfuncioacuten y cuantificar sus efectos
En el caso de la Termoeconomiacutea el efecto de dicha malfuncioacuten se
cuantifica en teacuterminos de consumo adicional de recursos para
mantener la produccioacuten en calidad y cantidad (Uche 2000) Por
consiguiente el diagnoacutestico termoeconoacutemico de la operacioacuten de
sistemas energeacuteticos complejos se aplica para diagnosticar las causas
del consumo adicional de fuel de una planta en operacioacuten debido a las
ineficiencias de sus componentes
Los objetivos del diagnoacutestico termoeconoacutemico son los siguientes
(Valero y Torres 2005)
ldquoTERMOECONOMIacuteArdquo
8
Identificar las malfunciones de cada componente de un sistema
teacutermico
Evaluar sus efectos sobre la eficiencia global de la planta
Determinar doacutende coacutemo y queacute cantidad de recursos
consumidos pueden ser ahorrados
36 Exergiacutea
La exergiacutea en cambio lleva el prefijo ldquoexrdquo que indica ldquofuerardquo La
introdujo Rant a mediados del siglo XX para designar la capacidad de
realizar trabajo uacutetil sobre el entorno Esta capacidad es lo que caracteriza la
calidad de la energiacutea Hay formas de energiacutea tales como la cineacutetica
eleacutectrica o quiacutemica que pueden transformarse iacutentegramente en trabajo uacutetil
y son pura exergiacutea Hay otras por el contrario tales como el calor o la
radiacioacuten que soacutelo pueden convertirse parcialmente en exergiacutea
Las discrepancias entre la energiacutea y la exergiacutea pueden ser radicales Por
ejemplo cuando se calienta un cuerpo aumenta siempre su energiacutea Lo
mismo ocurre con la exergiacutea cuando la temperatura del cuerpo es superior
al ambiente Al calentarlo aumenta su capacidad de producir trabajo uacutetil
Pero si el cuerpo se encontrase a una temperatura inferior al ambiente es
evidente que dicha capacidad disminuiriacutea aunque su energiacutea aumente La
exergiacutea aumenta al alejarse del equilibrio con el ambiente en uno u otro
sentido Este ejemplo ilustra el hecho de que la exergiacutea depende de los
estados del sistema y de su ambiente y se anula cuando ambos se
encuentran en equilibrio termodinaacutemico
La exergiacutea hace referencia a la utilidad potencial de una determinada
fuente de energiacutea Se puede definir como el trabajo maacuteximo teoacuterico que
podriacutea obtenerse de la interaccioacuten entre un determinado sistema
termodinaacutemico y el ambiente de referencia Si el estado de una cantidad
de materia es diferente al del ambiente existiraacute la posibilidad de producir
trabajo Conforme el sistema evolucione hacia el equilibrio con el
ambiente dicha posibilidad se reduciraacute
El ambiente de referencia hace alusioacuten a una porcioacuten de entorno cuyas
propiedades intensivas no cambian significativamente como resultado de
cualquier proceso que se considere Se consideraraacute como tal un sistema
ldquoTERMOECONOMIacuteArdquo
9
simple compresible de enormes dimensiones con presioacuten p0 y
temperatura T0 uniformes y constantes
Conviene tener en cuenta algunos aspectos adicionales de la exergiacutea
La exergiacutea es una propiedad de los sistemas cerrados
El valor de la exergiacutea no puede ser negativo Las transferencias de
exergiacutea asociadas a flujos de energiacutea en traacutensito (en forma de calor
o trabajo) pueden tener uno u otro signo dependiendo del sentido
y naturaleza de dichos flujos
La exergiacutea no se conserva sino que se destruye a causa de las
irreversibilidades
361 EFICIENCIA EXERGEacuteTICA
Se puede definir como
La dificultad reside en identificar estos teacuterminos para un sistema o
instalacioacuten particular En muchos casos pueden existir distintas
interpretaciones vaacutelidas dentro de un orden loacutegico que suelen depender
de si los flujos exergeacuteticos residuales que abandonan el sistema son o no
aprovechados para otros usos en otra instalacioacuten o en otro elemento de la
misma instalacioacuten
4 SISTEMA Y AMBIENTE
Empezaremos por las nociones de sistema y ambiente
Sistema es aquella parte del Universo que se somete a estudio Ambiente
aquella parte del resto del Universo que puede ejercer alguna accioacuten sobre
el sistema Interesa clasificar los sistemas seguacuten sus posibilidades de
interaccioacuten con su ambiente Un sistema se denomina abierto si puede
intercambiar materia calor y trabajo con su ambiente Se le llama cerrado si
no puede intercambiar materia pero son posibles las transferencias de calor
ldquoTERMOECONOMIacuteArdquo
10
y trabajo Finalmente se le llama aislado cuando no es posible interaccioacuten
alguna con el resto del Universo
Obedeciendo al grado de separacioacuten que estos sistemas presenten respecto
a su entorno es posible reconocer tres tipos distintos
Sistemas abiertos Los maacutes predominantes de todos se caracterizan
por intercambiar energiacutea yo materia con el entorno que los rodea ya
sea tomando de eacutel expulsando hacia eacutel o las dos cosas
Sistemas cerrados A diferencia de los anteriores intercambian energiacutea
(calor trabajo) con el exterior pero nunca materia (su masa permanece
intacta)
Sistemas aislados Se les llama asiacute porque no intercambian ni energiacutea ni
materia de ninguacuten tipo con su entorno se los considera un sistema
desconectado de las dinaacutemicas a su alrededor No existen realmente en
el universo los sistemas totalmente aislados por lo que se consideran
casos de abstraccioacuten en periacuteodos determinados de tiempo Se suponen
en equilibrio termodinaacutemico
41 Sistemas abiertos
ndash El cuerpo humano En tanto estaacute necesitado de materia para
descomponer y obtener energiacutea el cuerpo es un sistema abierto
que requiere de disponibilidad de insumos orgaacutenicos Por otro
lado requiere de expulsar la materia sobrante desechada de
vuelta al medio ambiente De no poder realizar ambas acciones
durante un periacuteodo muy prolongado el sistema falla y se produce
la muerte
ndash Una olla de agua hirviendo La energiacutea introducida al sistema por
el fuego transforma el agua en gas que es liberado de vuelta al
medio ambiente Sin esa inyeccioacuten de calor constante el agua
dejaraacute de hervir y sin espacio para salir el vapor (materia)
aumentaraacute la presioacuten hasta reventar la olla
ndash Una hoguera Para mantener el fuego ardiendo es necesario
proveer a la hoguera de material inflamable ya sea carboacuten o ramas
secas Sin esa materia que consumir el fuego se apagaraacute
ldquoTERMOECONOMIacuteArdquo
11
ndash Un motor a combustioacuten Los motores son sistemas complejos que
generan movimiento a partir de un suministro constante de
combustible gasolina gasoil etc ameacuten de diversos aceites que
reducen la friccioacuten entre sus partes Sin estos aditivos el motor
simplemente no anda o andaraacute poco hasta romperse
ndash La mayoriacutea de las plantas Asiacute como el cuerpo humano las plantas
requieren de materia para su subsistencia (en forma de agua y
nutrientes) y de energiacutea (solar) para llevar a cabo la fotosiacutentesis
vital
ndash Una maacutequina de hacer palomitas de maiacutez En este caso se
requiere del insumo material de los granos de maiacutez que deben
antildeadirse junto con energiacutea eleacutectrica que se traduce en calor y los
hace estallar El resultado por demaacutes vuelve al exterior en forma
de palomitas (pochoclo cotufas etc)
ndash Un compostero El proceso de compost que produce abono para
fertilizar sembradiacuteos opera en base a la introduccioacuten constante en
el compostero de materia orgaacutenica de desecho caacutescaras restos
de comida etc Sin ellos los procesos de degradacioacuten de la materia
se detendriacutean y tambieacuten la produccioacuten del abono
ndash Una trituradora de papel Este artefacto de oficina opera como un
sistema abierto pues requiere de la introduccioacuten de materia
(papel) para triturar y de energiacutea (eleacutectrica) para operar sobre ella
Sin ellos simplemente no sirve para nada
ndash Las saunas Para producir el vapor contenido en los saunas se
requiere de agua (materia) y energiacutea (fuego) para producir el vapor
de agua y permitir que se acumule en el recinto cerrado Despueacutes
de un periacuteodo el vapor desapareceraacute y se necesitaraacute una nueva
inyeccioacuten de insumos al sistema
ndash Un reactor nuclear La electricidad generada en el reactor y que es
conducida hacia el ambiente es producto de la fisioacuten del uranio (u
otros elementos materiales) en una reaccioacuten atoacutemica
controlada que permite generar mucha energiacutea caloacuterica
aprovechable pero tambieacuten muchos desechos toacutexicos que deben
ir a dar a alguacuten lugar del entorno
42 Sistemas cerrados
ldquoTERMOECONOMIacuteArdquo
12
ndash Los bombillos o focos No necesitan materia para operar pero siacute
energiacutea eleacutectrica constante en el momento en que se la corte
cesaraacuten en su emisioacuten de luz que dicho sea de paso es tambieacuten
una forma de energiacutea transmitida al entorno
ndash Una botella de agua friacutea Al estar cerrada la botella la
transferencia de materia entre el sistema y el entorno es
imposible no puede entrar ni salir liacutequido Sin embargo es posible
intercambiar energiacutea el agua se iraacute calentando gradualmente
hasta perder su frialdad
ndash Un teleacutefono celular Si bien no requiere para su funcionamiento
cotidiano que se le introduzca materia (no consume nada) siacute
precisa de electricidad a diario pues al agotarse la bateriacutea dejaraacute
de funcionar Eso claro si tomamos como muestra un periacuteodo
diario en que no haya necesidad de repuestos
ndash Un termoacutemetro Ya que estaacute cerrado hermeacuteticamente el
contenido de un termoacutemetro no variacutea jamaacutes pero siacute reacciona de
acuerdo a la temperatura que percibe es decir es sensible a la
entrada de calor (energiacutea)
ndash El sol A menos que se lo piense en teacuterminos de millares de antildeos
al cabo de los cuales habraacute consumido todo su material y moriraacute el
astro rey es un ejemplo de sistema cerrado que no intercambia
materia con su entorno pero siacute expulsa energiacutea (radiacioacuten solar
luz solar calor) a borbotones
ndash El planeta tierra De forma similar la Tierra opera sin intercambios
de materia con respecto al vaciacuteo que la circunda o a los demaacutes
planetas y objetos celestes pero recibe energiacutea solar
constantemente sin la cual la vida seriacutea un planeta inhabitable
ndash Un envase con comida caliente Cerrado de manera hermeacutetica el
envase impediraacute que la materia en su interior se salga o que entre
nada hacia ella pero incluso asiacute irradiaraacute el calor de la comida hacia
afuera pudiendo quemarnos si fuera el caso
ndash Una bateriacutea Los quiacutemicos en su interior reaccionan y generan
energiacutea que es dirigida hacia el exterior y consumida pero la
materia en su interior no sufre variaciones
ldquoTERMOECONOMIacuteArdquo
13
ndash Los televisores Estos artefactos funcionan a partir del consumo de
energiacutea eleacutectrica para emitir luz de diversos tipos y modulaciones
junto con ondas sonoras al medio externo Pero no requieren de
inyeccioacuten de materia ni la masa en su interior es alterada
ndash Las ollas de presioacuten Dado que no permiten el escape de los gases
generados en su interior para que actuacuteen sobre la comida
cocinaacutendose estos recipientes actuacutean como sistemas cerrados
que impiden el escape de la materia pero no de la energiacutea que
escapa como calor ni de la necesaria para iniciar la coccioacuten
tambieacuten proveniente del afuera
43 Sistemas aislados
ndash Una caja fuerte El contenido en las cajas fuertes estaacute separado
por gruesas capas hermeacuteticas de metal de su entorno aislado de
la materia y de la energiacutea al menos en condiciones normales si la
arrojamos a un volcaacuten es seguro que se derrita y se incinere su
contenido
ndash Los trajes de neopreno Un hombre embutido en estos trajes
usualmente para el buceo o submarinismo se encuentra
protegido durante un periacuteodo de tiempo del intercambio caloacuterico
entre el agua y su cuerpo ameacuten de impedir que eacutesta (materia)
penetre al interior del mismo
ndash Los termos Durante un periacuteodo puntual de tiempo los termos
logran aislar el calor contenido en su interior y evitar la fuga de
energiacutea hacia el medio ambiente a la par que impidiendo el
derramamiento del contenido o la introduccioacuten del mismo No
obstante dado el tiempo suficiente la inevitable fuga del calor
ocurriraacute y el contenido volveraacute a estar friacuteo
ndash Una cava teacutermica Como las empleadas para transportar
alimentos operan en base a la reduccioacuten extrema de la entrada de
calor manteniendo su contenido friacuteo durante un periacuteodo
determinado Una vez superado ese rango de tiempo el contenido
empezaraacute a calentarse
ndash El igluacute de los esquimales Disentildeado para mantener a salvo a sus
habitantes de la materia en movimiento (viento nieve lluvia) y
ademaacutes del enfriamiento extremo de dichos climas puede
ldquoTERMOECONOMIacuteArdquo
14
considerarse un sistema aisladohellip hasta que el habitante tenga que
salir
ndash Una bombona de gas Contenido a presioacuten en su interior el gas
estaacute aislado de la materia y la energiacutea a su alrededor en
condiciones normales ya que es posible que el calentamiento de
la bombona obligue el gas a expandirse y ocurra una tragedia
ndash El universo Dado que no sabemos queacute hay afuera de eacutel ni si hay
un afuera de eacutel debemos suponer que el universo es un sistema
aislado en el que no ingresa ni egresa materia o energiacutea sino que
opera de manera independiente de su entorno
ndash Los alimentos enlatados En condiciones normales estos
alimentos se encuentran lejos de cualquier intercambio de materia
o de energiacutea Claro que seriacutea posible someter la lata a
calentamiento o enfriamiento e incluso fundirla en temperaturas
extremas pero incluso asiacute durante unos (breves) instantes la
comida estaraacute aislada por completo del calor
ndash Una caacutemara hiperbaacuterica Uacutetiles justamente para aislar de las
condiciones atmosfeacutericas a los buzos con burbujas de nitroacutegeno en
la sangre no permiten cuando en funcionamiento el intercambio
de materia ni de energiacutea o al menos no en cantidades apreciables
y significativas
ndash La mente humana Dado que no requiere del intercambio de
materia ni de energiacutea es quizaacute uno de los ejemplos de sistema
aislado maacutes factibles Esto claro sin tomar en cuenta el lado fiacutesico
de la misma el cerebro y el cuerpo humanos en absoluto
En el anaacutelisis de un sistema es preciso conocer y manejar un conjunto
de magnitudes que son las llamadas propiedades termodinaacutemicas del
sistema Estas propiedades pueden ser de dos tipos
ndash Intensivas que miden propiedades locales tales como la presioacuten
temperatura densidad etc y no dependen de la cantidad de
materia contenida en el sistema o cualquiera de sus partes
ndash Extensivas que siacute dependen de la cantidad de materia tales como
la masa el volumen o la energiacutea Si no se toman en consideracioacuten
los efectos en los liacutemites o fronteras del sistema ni las acciones a
ldquoTERMOECONOMIacuteArdquo
15
distancia su valor total para el conjunto del sistema es igual a la
suma de sus valores en cada una de las partes que lo formen
Se dice que un sistema es homogeacuteneo cuando sus propiedades
intensivas no variacutean al pasar de unos puntos a otros del mismo El
sistema es heterogeacuteneo en caso contrario Frecuentemente los
sistemas heterogeacuteneos estaacuten formados por dos o maacutes porciones
homogeacuteneas llamadas fases tales que al pasar de unas a otras sufren
un salto brusco las propiedades intensivas Las propiedades extensivas
de los sistemas homogeacuteneos son proporcionales a su cantidad de
materia Igual ocurre con cada una de las fases que forman uno
heterogeacuteneo
El estado de un sistema o de una fase queda determinado por el
conjunto de sus propiedades termodinaacutemicas las cuales ndashpor ellondash se
llaman tambieacuten variables o funciones de estado Una de las cuestiones
a que da respuesta la termodinaacutemica es la determinacioacuten del nuacutemero
necesario y suficiente de variables independientes precisas para
determinar el estado de un sistema La termodinaacutemica maneja tambieacuten
magnitudes que se refieren a procesos o transformaciones y por tanto
no son propiedades de ninguacuten sistema Por ejemplo el trabajo
realizado por un sistema durante una cierta transformacioacuten es algo
caracteriacutestico de eacutesta y no del sistema o su ambiente Esto ocurre en
general con todos los intercambios
Cuando un sistema se deja abandonado a siacute mismo sin otras
interacciones que las que puedan producirse con su ambiente sus
propiedades termodinaacutemicas podraacuten ir variando con el tiempo Es
posible que llegue un instante a partir del cual se mantengan
inalteradas todas sus propiedades y cese cualquier intercambio de
materia y energiacutea con el ambiente Se dice entonces que el sistema se
encuentra en equilibrio termodinaacutemico Eacuteste es un concepto muy
general de equilibrio y comprende como aspectos particulares todos
los tipos especiacuteficos de equilibrio considerados en Fiacutesica o en Quiacutemica
Toda diferencia de valores en alguna propiedad intensiva ndash dentro del
sistema o entre eacuteste y su ambiente ndash constituye un desequilibrio El
sistema tiende hacia el equilibrio reduciendo tales diferencias Las
diferencias de presioacuten provocan flujos de materia las de temperatura
ldquoTERMOECONOMIacuteArdquo
16
flujos de calor etc El estado de equilibrio termodinaacutemico
corresponde a la eliminacioacuten de todas las diferencias posibles entre los
valores locales de cualquiera de sus propiedades intensivas en su
interior o en relacioacuten con su ambiente Asiacute puede hablarse de equilibrio
mecaacutenico teacutermico quiacutemico etc que no son maacutes que aspectos
parciales del equilibrio termodinaacutemico
Para que se produzca espontaacuteneamente un proceso es necesaria la
existencia previa de alguacuten desequilibrio bien dentro del sistema o
entre eacuteste y su ambiente Como caso liacutemite puede concebirse un
proceso ideal formado por una sucesioacuten continua de estados de
equilibrio Tal proceso se denomina reversible Aunque en rigor todo
proceso real es irreversible el anaacutelisis de procesos reversibles es muy
uacutetil como aproximacioacuten en caacutelculos teoacutericos y para obtener patrones de
referencia en muchas situaciones
Como acabamos de ver durante el proceso de aproximacioacuten al
equilibrio pueden ir variando en general las propiedades
termodinaacutemicas intensivas y extensivas del sistema En tal caso se dice
que el proceso se produce en reacutegimen transitorio o variable En
procesos industriales en sistemas abiertos es usual que se mantengan
deliberadamente constantes ciertos desequilibrios (en presiones o
temperaturas por ejemplo) permitiendo al mismo tiempo
intercambios de materia y energiacutea con el ambiente de modo que las
propiedades termodinaacutemicas del sistema permanezcan invariables en
el tiempo Los procesos tienen lugar entonces en reacutegimen permanente
o estacionario En tal caso en particular se conservan constantes las
propiedades extensivas del sistema tales como su masa o su volumen
y esto obliga a que las cantidades de materia entrantes y salientes sean
iguales La mayoriacutea de los procesos industriales se desarrollan la mayor
parte del tiempo en reacutegimen permanente que es el maacutes faacutecil de
gobernar y con el que se controla mejor la cantidad y calidad de la
produccioacuten
44 Temperatura
La termodinaacutemica antildeade una cuarta magnitud fundamental a las
tres aportadas por la mecaacutenica (longitud masa y tiempo) Es eacutesta
ldquoTERMOECONOMIacuteArdquo
17
la temperatura cuya definicioacuten estaacute vinculada al equilibrio
teacutermico Para desarrollar este concepto tomamos dos sistemas
homogeacuteneos cerrados ndash cada uno de ellos en equilibrio y los
ponemos en contacto de tal modo que ninguno de ellos pueda
realizar trabajo sobre el otro (el llamado contacto teacutermico) Si
permanecen en equilibrio sin experimentar alteracioacuten alguna en
sus respectivos estados diremos que se encuentran a una misma
temperatura En general se llama temperatura a la magnitud que
determina si un sistema permaneceraacute en equilibrio al llevarlo al
contacto teacutermico con otros Se dice que dos sistemas tienen
iguales temperaturas si sus estados iniciales de equilibrio no se
alteran al ponerlos en contacto teacutermico Si no permanecen en
equilibrio sus temperaturas seraacuten diferentes En este uacuteltimo caso
desde el momento en que se ponen en contacto ambos sistemas
experimentan una serie de alteraciones hasta llegar a un nuevo
estado de equilibrio en el cual sus temperaturas se habraacuten hecho
iguales
Consideremos ahora dos sistemas A y B cuyas temperaturas
queremos comparar Para ello tomamos un tercer sistema C y lo
llevamos sucesivamente al contacto teacutermico con A y B Si el estado
de C no se altera en ninguna de estas operaciones se observa
experimentalmente que tampoco se alteran los de A y B si se les
pone directamente en contacto Este hecho experimental no
evidente por siacute mismo se establece como un principio
fundamental con el nombre de Principio Cero de la
Termodinaacutemica Si un sistema estaacute en equilibrio teacutermico con otros
dos eacutestos lo estaraacuten a su vez entre siacute Asiacute puede darse un valor
cuantitativo a la nocioacuten de temperatura (temperatura empiacuterica)
mediante una seleccioacuten conveniente del tercer sistema que seriacutea
el termoacutemetro
Usualmente se emplean dos escalas termomeacutetricas la de Celsius y
la de Kelvin Los valores t y T respectivos estaacuten relacionados por la
expresioacuten
ldquoTERMOECONOMIacuteArdquo
18
T = 27315 K + t helliphellip(expresioacuten 1)
La unidad internacional de temperatura es el Kelvin (K) Cuando se
emplea la escala de Celsius la unidad se representa por degC igual al
K ya que la uacutenica diferencia entre ambas escalas es la posicioacuten del
cero El empleo de siacutembolos diferentes sirve uacutenicamente para
caracterizar este hecho Cuando revisemos el Segundo Principio de
la Termodinaacutemica apreciaremos la base teoacuterica en que se sustenta
la escala de Kelvin o absoluta
Usualmente se emplean dos escalas termomeacutetricas la de Celsius y
la de Kelvin Los valores t y respectivos estaacuten relacionados por la
expresioacuten
441 El Primer Principio de la Termodinaacutemica
Su formulacioacuten no es maacutes que una expresioacuten del Principio de
la Conservacioacuten de la Energiacutea en la que se hace aparecer
expliacutecitamente la transferencia de calor Para todo proceso en
el sistema cerrado de la figura adjunta se verifica
en donde el primer miembro representa el intercambio neto
de energiacutea con su ambiente y el segundo el incremento de la
propiedad termodinaacutemica energiacutea En esta foacutermula hemos
seguido el convenio de considerar positivos el calor entrante
en el sistema y el trabajo realizado por eacuteste El Primer
Principio consiste precisamente en el reconocimiento de la
energiacutea como una propiedad termodinaacutemica del sistema Por
lo tanto los intercambios energeacuteticos del primer miembro de
la ecuacioacuten anterior dependen de los estados extremos 1 y 2
y del proceso seguido para pasar como se observa en la
siguiente figura
ldquoTERMOECONOMIacuteArdquo
19
Repasemos brevemente el significado de las magnitudes que
aparecen en la expresioacuten del Primer principio
Calor Es la forma de intercambio energeacutetico que se
produce entre dos sistemas cerrados a distintas
temperaturas cuando se les pone en contacto teacutermico
Equivale a afirmar que el flujo de calor se debe a los
desequilibrios teacutermicos Maacutes adelante volveremos sobre
esta cuestioacuten
Trabajo Muchas de las formas de trabajo que se
manejan habitualmente en ingenieriacutea termodinaacutemica
obedecen a la siguiente definicioacuten Trabajo es el
intercambio energeacutetico que se produce cuando se
desplaza una superficie de control a traveacutes de la cual
actuacutea una fuerza Si consideramos una fuerza F ejercida
por el sistema sobre el ambiente a traveacutes de la superficie
de control la cual experimenta un desplazamiento
elemental (vectorial) dr el trabajo elemental realizado
por el sistema seraacute el producto escalar de F por dr
Energiacutea La energiacutea de un sistema queda determinada
por factores muy diversos su posicioacuten en un campo de
fuerzas (energiacutea potencial mgz en donde m es la
masa g la aceleracioacuten de la gravedad y z la altitud si nos
referimos al campo gravitatorio terrestre) su
movimiento como un todo (energiacutea cineacutetica mc22 en
donde c es la velocidad) o la energiacutea debida a la
estructura el movimiento y las interacciones de las
ldquoTERMOECONOMIacuteArdquo
20
moleacuteculas aacutetomos y partiacuteculas que lo constituyen
(energiacutea interna U)
442 El Segundo Principio de la Termodinaacutemica
Puede afirmarse que el Primer Principio postula la existencia
de la funcioacuten de estado energiacutea cuya diferencial verifica De
una forma similar enunciaremos el Segundo Principio para
un sistema cerrado como sigue
Existe una funcioacuten de estado extensiva S llamada entropiacutea
con las dimensiones energiacuteatemperatura caracterizada por
las siguientes propiedades
a) Puede variar uacutenicamente por intercambio de calor con el
ambiente o por generacioacuten o creacioacuten interna en el propio
sistema
b) La entropiacutea debida al intercambio de calor con el ambiente
verifica
El valor de este teacutermino puede ser por tanto positivo
negativo o nulo seguacuten lo sea δQ
c) La entropiacutea generada en el sistema no puede ser negativa
y soacutelo seraacute nula cuando el proceso sea reversible En caso contrario
es siempre positiva Por tanto δS g es positiva para todo proceso
espontaacuteneo
5 ECOLOGIA INDUSTRIAL
Desde finales del siglo XX se abre paso el innovador concepto de la Ecologiacutea Industrial
Tradicionalmente se ha considerado que la fabricacioacuten comienza cuando las materias
primas entran en el proceso de produccioacuten y termina con la expedicioacuten del producto
acabado La Ecologiacutea Industrial va maacutes lejos considera las fuentes de abastecimiento de
materias primas los efectos de su extraccioacuten y el destino final del producto una vez agotada
su vida uacutetil entre otros aspectos
51 Aplicacioacuten de la Termoeconomiacutea a la Ecologiacutea Industrial
Definido el objeto del presente trabajo y una vez introducida la Ecologiacutea Industrial y
la Termoeconomiacutea surge la siguiente cuestioacuten iquestpor queacute aplicar la Termoeconomiacutea a
la Ecologiacutea Industrial La respuesta parte de la base de que la integracioacuten de procesos
industriales mediante intercambios mutuos de recursos productos y residuos
implica entre otros beneficios ahorros energeacuteticos Y el modo maacutes objetivo para
cuantificar dichos ahorros es mediante las leyes de la termodinaacutemica (Valero et al
2010) Es decir se trata de tener en consideracioacuten no soacutelo la primera ley de la
termodinaacutemica la cual indica que la energiacutea se conserva transformaacutendose de una
forma a otra sino tambieacuten la segunda ley de la termodinaacutemica que reconoce la
existencia de formas de energiacutea maacutes uacutetiles y menos degradadas que otras Por tanto
la combinacioacuten de ambas leyes indica que no es una cuestioacuten de cantidad de energiacutea
ahorrada sino de la calidad de esa energiacutea es decir de su contenido exergeacutetico El
presente trabajo trata de explicar las metodologiacuteas que la Termoeconomiacutea
actualmente estaacute aplicando al anaacutelisis optimizacioacuten y diagnoacutestico de sistemas
energeacuteticos tales como centrales teacutermicas a la Ecologiacutea Industrial y complejo
modelo de Simbiosis Industrial El anaacutelisis termoeconoacutemico puede ayudar a resolver
problemas importantes tales como identificar posibles integraciones mejorar la
eficiencia cuantificar los beneficios obtenidos por la integracioacuten o determinar los
precios en base a criterios fiacutesicos (Valero et al 2010) Conviene describir tambieacuten la
utilizacioacuten de la Termoeconomiacutea como herramienta de anaacutelisis en ecoparques
industriales Por tanto se puede afirmar que la Ecologiacutea Industrial representa un
campo de aplicacioacuten emergente para el anaacutelisis termoeconoacutemico
ldquoTERMOECONOMIacuteArdquo
1
52 Modelo de Simbiosis Industrial de Kalundborg
El ejemplo praacutectico maacutes reconocido mundialmente en el aacutembito de la Ecologiacutea
Industrial es el de la ciudad danesa de Kalundborg en el cual se acuntildeoacute la palabra de
Simbiosis Industrial Constituye la primera referencia de creacioacuten de una red de
ntercambios entre diversas industrias localizadas en un aacuterea comuacuten y su eacutexito
ha generado un aumento del apoyo institucional para la implantacioacuten de esta
estrategia en otros lugares
La experiencia empezoacute cuando unas pocas empresas trataron de minimizar el
consumo de agua subterraacutenea empleando agua de un lago cercano A raiacutez de ello
con el tiempo se ha establecido una compleja red de intercambios cooperativos en
tres aacutereas agua energiacutea y subproductos adoptando tambieacuten la denominacioacuten
de ecoparque o ecosistema industrial
Integrantes
Actualmente el modelo de Simbiosis Industrial de Kalundborg estaacute constituido
por cinco participantes principales maacutes otros diez participantes secundarios
Principales Participantes
Flujos
La red de intercambio de recursos entre los distintos participantes de la Simbiosis
Industrial estaacute compuesta por 31 flujos los cuales se pueden clasificar en tres
categoriacuteas
ldquoTERMOECONOMIacuteArdquo
2
a) Flujos hiacutedricos
Imagen de Flujos Hiacutedricos
Fuente httpwwwbdigitalunaleduco466731089410732015pdf
b) Flujos energeacuteticos
Imagen de Flujos Energeacuteticos
Fuente httpwwwbdigitalunaleduco466731089410732015pdf
ldquoTERMOECONOMIacuteArdquo
3
c) Flujos de subproductos
Imagen de Flujos de Subproductos
Fuente httpwwwbdigitalunaleduco466731089410732015pdf
53 Beneficios ambientales
Los beneficios ambientales asociados a la Simbiosis Industrial estaacuten determinados
por ahorros en el consumo de agua combustible y materia prima dichos
ahorros conllevan disminuir los residuos generados asiacute como las emisiones de
contaminantes como se muestra en la tabla siguiente
Sin embargo es complejo determinar todos los beneficios globales de la Simbiosis
Industrial puesto que muchos de los flujos presentes en el ecosistema
industrial generan un doble beneficio En el caso de los flujos de residuos su
valorizacioacuten conlleva por un lado evitar la ldquoeliminacioacutenrdquo de dicho residuo y por el
otro se evita el consumo de la materia prima asiacute como de todos los recursos
ldquoTERMOECONOMIacuteArdquo
4
asociados a la obtencioacuten de la misma que seriacutea necesario si no se llevara a cabo la
valorizacioacuten
Por ejemplo los procesos de desulfuracioacuten en la central teacutermica y la refineriacutea
ademaacutes de evitar la emisioacuten de dioacutexido de azufre a la atmoacutesfera producen yeso y
tiosulfato de amonio respectivamente La valorizacioacuten de estos dos residuos
supone para los emisores evitar su ldquoeliminacioacutenrdquo y para los receptores en el caso
del yeso se reduce la importacioacuten de yeso natural mientras que en el caso del
tiosulfato de amonio se ahorra en materias primas y recursos correspondientes a
su obtencioacuten Con las cenizas ocurre exactamente lo mismo su valorizacioacuten
repercute en una menor necesidad de clinker y por tanto de los recursos
necesarios para su fabricacioacuten El fertilizante y la levadura suministrada por Novo
Group disminuyen la cantidad de residuos generados y a su vez evitan el
consumo de nuevas materias primas y recursos asociados a la fabricacioacuten de
ambos productos
En el caso de los flujos energeacuteticos como por ejemplo el gas excedente de la
refineriacutea o la energiacutea teacutermica residual de la central en origen conlleva evitar su
disipacioacuten al medioambiente mientras que para los receptores repercute en un
ahorro sustancial de combustible
En cuanto a los flujos hiacutedricos el principal beneficio ambiental alcanzado es el
ahorro en el consumo de agua focalizado en sus inicios en la sustitucioacuten de
agua subterraacutenea por agua superficial y maacutes tarde en la reutilizacioacuten
Ademaacutes en teacuterminos econoacutemicos tambieacuten se han alcanzado beneficios
sustanciales
Como ejemplo para el antildeo 2000 ya se habiacutean invertido 75 millones de doacutelares en
19 proyectos con un ahorro estimado de 15 millones de doacutelares (Cervantes et al
2009) 6 Caso de estudio La aplicacioacuten de la Termoeconomiacutea al modelo de
Simbiosis Industrial de Kalundborg precisa de la definicioacuten de un caso de estudio
sobre dicho modelo que permita su caracterizacioacuten en teacuterminos de exergiacutea
En este sentido la informacioacuten teacutecnica recopilada sobre los flujos
intercambiados limita el alcance del caso de estudio establecido Sin embargo
fruto de una extensa y laboriosa buacutesqueda bibliograacutefica se ha elaborado un caso
de estudio que incluye los flujos maacutes representativos de la Simbiosis Industrial
de Kalundborg
ldquoTERMOECONOMIacuteArdquo
5
6 CONCLUSIONES
El anaacutelisis exergeacutetico se constituye en una soacutelida herramienta para entender la dinaacutemica
energeacutetica de los procesos de la naturaleza y de los procesos artificiales Sus aplicaciones
son ilimitadas en el sentido que toda accioacuten microscoacutepica o macroscoacutepica demanda un
consumo energeacutetico valioso
El verdadero potencial de ahorro energeacutetico de un sector industrial no se puede valorar
uacutenicamente a partir de la sustitucioacuten de energeacuteticos como consecuencia del
comportamiento del mercado o por la sustitucioacuten de tecnologiacuteas por el efecto de
nuevos desarrollos sino a traveacutes de un balance exergeacutetico que determine las
condiciones maacuteximas de operacioacuten a partir del propoacutesito de cada accioacuten o proceso
Por medio del anaacutelisis termoeconoacutemico es posible la cuantificacioacuten de intangibles
contables y fiacutesicos representados en la destruccioacuten de exergiacutea causada por muacuteltiples
factores como erroacutenea eleccioacuten de un combustible de un mecanismo de un lugar de
operacioacuten fallas de operacioacuten en los procesos erroacuteneos paraacutemetros de operacioacuten etc
A partir de la primera ley de la termodinaacutemica se establecioacute el precepto baacutesico de la
transformacioacuten de energiacutea no se crea no se destruye se transforma en calor en
trabajo aumenta o disminuye la energiacutea interna la segunda ley direcciona los procesos
e integra una nueva propiedad termodinaacutemica denominada entropiacutea asociada al
desorden y a las condiciones de irreversibilidad de los procesos reales El anaacutelisis
exergeacutetico complementa las leyes anteriores considerando el propoacutesito y coacutemo a traveacutes
de su desarrollo se destruye la exergiacutea pese a la conservacioacuten de la energiacutea
La metodologiacutea desarrollada para el anaacutelisis termoeconoacutemico del caso tiene validez para
cualquier proceso industrial porque contempla la valoracioacuten exergeacutetica del uso de los
recursos Si la valoracioacuten fuera de caraacutecter sectorial la metodologiacutea seriacutea la misma soacutelo
que tendriacutea que apoyarse en las estadiacutesticas de consumo energeacutetico por sector y se hariacutea
necesario evaluar la exergiacutea fiacutesica y quiacutemica de todos los recursos involucradosComo
punto de partida seriacutea recomendable valorar la exergiacutea quiacutemica de los hidrocarburos
producidos en Peruacute
Las herramientas de caacutelculo favorecen las evaluaciones termoeconoacutemicas de los
procesos faacutecilmente la teoriacutea exergeacutetica puede articularse a traveacutes de ecuaciones
simples En el caso particular el desarrollo es vaacutelido para un proceso de combustioacuten
externa con secado directo Sin embargo actualmente se consiguen en el mercado
herramientas robustas como el Aspen Process Economic Analyzer (APEA) que con la
informacioacuten baacutesica de operacioacuten realiza un anaacutelisis profundo de la destruccioacuten
exergeacutetica asiacute como de la valoracioacuten de alternativas de disentildeo operacioacuten y cambios
tecnoloacutegicos
La Termoeconomiacutea trata de costes bien monetarios (ptaskJ)o puramente energeacuteticos
(kJ de recursokJ de producto) y se utiliza principalmente para la contabilidad
diagnoacutestico mejora y disentildeo y optimizacioacuten de sistemas teacutermicos Pero en mi opinioacuten
abarca maacutes es la ciencia en la que la Termodinaacutemica y en particular el segundo
principio se une con la Economiacutea ambas en un sentido amplio Ahora estamos en el
principio y esta ciencia se construiraacute con las aportaciones de muchos autores no soacutelo
ingenieros mecaacutenicos En el futuro habraacute que poner orden y sistemaacutetica a la gran
cantidad de contribuciones que tanto economistas como fiacutesicos bioacutelogos quiacutemicos o
ldquoTERMOECONOMIacuteArdquo
6
ingenieros quieren encontrar en las analogiacuteas y explicaciones entre la Termodinaacutemica y
la Economiacutea
Vivimos en un mundo finito y pequentildeo para la gente que somos y seremos y los recursos
naturales son un bien escaso Si queremos sobrevivir debemos conservarlos y aprender
a conservarlos mejor y en este propoacutesito la Termoeconomiacutea jugaraacute un papel clave
Debemos conocer los mecanismos por los cuales la energiacutea y los recursos en general se
degradan y debemos tambieacuten aprender y ensentildear a juzgar queacute sistemas trabajan mejor
con objeto de mejorar sistemaacuteticamente los disentildeos y reducir el consumo per capita
Ademaacutes debemos aprender a reutilizar los residuos para evitar dantildeos al ambiente Esto
lo necesitamos urgentemente ya que al menos dos tercios de la humanidad actual vive
maacutes pobremente que el mundo desarrollado actual
Una contabilidad sistemaacutetica de los recursos naturales que se estaacuten consumiendo seriacutea
una herramienta clave para que tomaacuteramos una consciencia global del problema Y en
esta tarea la Termoeconomiacutea jugariacutea un papel clave
ldquoTERMOECONOMIacuteArdquo
7
7 REFERENCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS
Termoeconomiacutea y Optimizacioacuten Energeacutetica mdash OCW UPMocwupmes rsaquo Explotacioacuten de
Minas
La termoeconomiacutea como alternativa para mejorar la competitividad
wwwbdigitalunaleduco466731089410732015pdf
JR Silva Larrottaaplicaciones termoeconoacutemicas del meacutetodo -
PublicationsListorgpublicationslistorgAplicaciones20termoeconomicas20del
20metodo20exer
Termoeconomiacuteahttpszaguanunizaresrecord45719filesguiapdf
Analisis termoeconomico - ResearchGate https wwwresearchgatenet profile
0c960520b5ead8d544000000pdf
MAL SERRANO - 1993 - Universidad de Sevilla Termoeconomiacutea de Sistemas Energ
wwwuses estudiosgradosplan_221asignatura_2210057
Fundamentos de termodinaacutemica teacutecnica https booksgooglecompe booksisbn=
8429143130
Michael J Moran Howard N Shapiro - 2004 - Science-Termoeconomia
la termoeconomiacutea https wwwehueushelburuak-gaitasunak
La Termoeconomiacutea en plantas energeacuteticaswwwscieloclpdfinfotecv21n4art06pdf
ldquoTERMOECONOMIacuteArdquo
6
fundamental radica en el uso del Segundo Principio de la Termodinaacutemica y
la nocioacuten de exergiacutea Se toma la exergiacutea como base racional para asignacioacuten
de costes econoacutemicos a los recursos y productos que intervienen en los
procesos industriales y para la valoracioacuten econoacutemica de las imperfecciones
termodinaacutemicas de dichos procesos Todo esto constituye una aportacioacuten
sustancial al anaacutelisis evaluacioacuten y optimizacioacuten de sistemas
351 Objeto de la Termoeconomiacutea
La Termoeconomiacutea mediante una aplicacioacuten integrada y rigurosa
de la economiacutea y la termodinaacutemica proporciona una herramienta muy
potente y rigurosa para el anaacutelisis la evaluacioacuten y la optimizacioacuten de
sistemas industriales Todo ingeniero ha de ser capaz de analizar y
evaluar los equipos e instalaciones que encuentre en su campo de
actividad con el fin - entre otros - de optimizar los costes Por otra parte
la actividad distintiva del ingeniero es el proyecto Eacuteste tiene por objeto
sintetizar algo que antes no existiacutea y evaluarlo con criterios basados por
ejemplo en la economiacutea la seguridad la fiabilidad y el impacto
ambiental Las capacidades de siacutentesis y evaluacioacuten son la esencia misma
de la actividad creadora del ingeniero
352 Fines de la termoeconomiacutea
En general la termoeconomiacutea tiene los siguientes fines
Calcular los costes de los productos intermedios y finales de los
procesos
Analizar el proceso de formacioacuten y el flujo de los costes en los
procesos
Valorar los costes de las destrucciones y peacuterdidas de exergiacutea
Optimizar el funcionamiento de cada componente de un
sistema y el de eacuteste en su conjunto
Optimizar el coste de los productos de un sistema
Por ejemplo las comparaciones de costes de la destruccioacuten de
exergiacutea en los equipos con sus respectivos costes de inversioacuten permiten
juzgar si el ahorro exergeacutetico aportado por una cierta mejora de
eficiencia justifica la mayor inversioacuten que probablemente se requiera
ldquoTERMOECONOMIacuteArdquo
7
Estos caacutelculos son sumamente uacutetiles en la toma de decisiones de
mejora Cuando se trata de un sistema complejo el uso de
aproximaciones sucesivas guiadas por la termoeconomiacutea constituye
probablemente el mejor recurso praacutectico de optimizacioacuten existente en
la actualidad
Seguacuten Valero y Torres (2005) la Termoeconomiacutea proporciona
meacutetodos para
Evaluar la cantidad y calidad de las peacuterdidas energeacuteticas
Evaluar el coste de las peacuterdidas en teacuterminos de consumo de
recursos
Aplicar a diferentes niveles de decisioacuten sobre sistemas
energeacuteticos Sus aplicaciones principales son las siguientes
(Valero y Torres 2005)
Asignacioacuten de precios a productos en base a criterios fiacutesicos
Optimizacioacuten de variables especiacuteficas de procesos para
minimizar el coste de produccioacuten bull Detectar ineficiencias y
calcular sus efectos econoacutemicos
Evaluacioacuten de varias alternativas de disentildeo u operacioacuten
Sintetizar e integrar procesos
El anaacutelisis termoeconoacutemico permite aplicar las herramientas de la
Termoeconomiacutea al diagnoacutestico y a la optimizacioacuten de sistemas
energeacuteticos complejos Sin embargo el diagnoacutestico termoeconoacutemico es
probablemente la aplicacioacuten maacutes desarrollada Diagnoacutestico es el arte de
descubrir y entender los signos de malfuncioacuten y cuantificar sus efectos
En el caso de la Termoeconomiacutea el efecto de dicha malfuncioacuten se
cuantifica en teacuterminos de consumo adicional de recursos para
mantener la produccioacuten en calidad y cantidad (Uche 2000) Por
consiguiente el diagnoacutestico termoeconoacutemico de la operacioacuten de
sistemas energeacuteticos complejos se aplica para diagnosticar las causas
del consumo adicional de fuel de una planta en operacioacuten debido a las
ineficiencias de sus componentes
Los objetivos del diagnoacutestico termoeconoacutemico son los siguientes
(Valero y Torres 2005)
ldquoTERMOECONOMIacuteArdquo
8
Identificar las malfunciones de cada componente de un sistema
teacutermico
Evaluar sus efectos sobre la eficiencia global de la planta
Determinar doacutende coacutemo y queacute cantidad de recursos
consumidos pueden ser ahorrados
36 Exergiacutea
La exergiacutea en cambio lleva el prefijo ldquoexrdquo que indica ldquofuerardquo La
introdujo Rant a mediados del siglo XX para designar la capacidad de
realizar trabajo uacutetil sobre el entorno Esta capacidad es lo que caracteriza la
calidad de la energiacutea Hay formas de energiacutea tales como la cineacutetica
eleacutectrica o quiacutemica que pueden transformarse iacutentegramente en trabajo uacutetil
y son pura exergiacutea Hay otras por el contrario tales como el calor o la
radiacioacuten que soacutelo pueden convertirse parcialmente en exergiacutea
Las discrepancias entre la energiacutea y la exergiacutea pueden ser radicales Por
ejemplo cuando se calienta un cuerpo aumenta siempre su energiacutea Lo
mismo ocurre con la exergiacutea cuando la temperatura del cuerpo es superior
al ambiente Al calentarlo aumenta su capacidad de producir trabajo uacutetil
Pero si el cuerpo se encontrase a una temperatura inferior al ambiente es
evidente que dicha capacidad disminuiriacutea aunque su energiacutea aumente La
exergiacutea aumenta al alejarse del equilibrio con el ambiente en uno u otro
sentido Este ejemplo ilustra el hecho de que la exergiacutea depende de los
estados del sistema y de su ambiente y se anula cuando ambos se
encuentran en equilibrio termodinaacutemico
La exergiacutea hace referencia a la utilidad potencial de una determinada
fuente de energiacutea Se puede definir como el trabajo maacuteximo teoacuterico que
podriacutea obtenerse de la interaccioacuten entre un determinado sistema
termodinaacutemico y el ambiente de referencia Si el estado de una cantidad
de materia es diferente al del ambiente existiraacute la posibilidad de producir
trabajo Conforme el sistema evolucione hacia el equilibrio con el
ambiente dicha posibilidad se reduciraacute
El ambiente de referencia hace alusioacuten a una porcioacuten de entorno cuyas
propiedades intensivas no cambian significativamente como resultado de
cualquier proceso que se considere Se consideraraacute como tal un sistema
ldquoTERMOECONOMIacuteArdquo
9
simple compresible de enormes dimensiones con presioacuten p0 y
temperatura T0 uniformes y constantes
Conviene tener en cuenta algunos aspectos adicionales de la exergiacutea
La exergiacutea es una propiedad de los sistemas cerrados
El valor de la exergiacutea no puede ser negativo Las transferencias de
exergiacutea asociadas a flujos de energiacutea en traacutensito (en forma de calor
o trabajo) pueden tener uno u otro signo dependiendo del sentido
y naturaleza de dichos flujos
La exergiacutea no se conserva sino que se destruye a causa de las
irreversibilidades
361 EFICIENCIA EXERGEacuteTICA
Se puede definir como
La dificultad reside en identificar estos teacuterminos para un sistema o
instalacioacuten particular En muchos casos pueden existir distintas
interpretaciones vaacutelidas dentro de un orden loacutegico que suelen depender
de si los flujos exergeacuteticos residuales que abandonan el sistema son o no
aprovechados para otros usos en otra instalacioacuten o en otro elemento de la
misma instalacioacuten
4 SISTEMA Y AMBIENTE
Empezaremos por las nociones de sistema y ambiente
Sistema es aquella parte del Universo que se somete a estudio Ambiente
aquella parte del resto del Universo que puede ejercer alguna accioacuten sobre
el sistema Interesa clasificar los sistemas seguacuten sus posibilidades de
interaccioacuten con su ambiente Un sistema se denomina abierto si puede
intercambiar materia calor y trabajo con su ambiente Se le llama cerrado si
no puede intercambiar materia pero son posibles las transferencias de calor
ldquoTERMOECONOMIacuteArdquo
10
y trabajo Finalmente se le llama aislado cuando no es posible interaccioacuten
alguna con el resto del Universo
Obedeciendo al grado de separacioacuten que estos sistemas presenten respecto
a su entorno es posible reconocer tres tipos distintos
Sistemas abiertos Los maacutes predominantes de todos se caracterizan
por intercambiar energiacutea yo materia con el entorno que los rodea ya
sea tomando de eacutel expulsando hacia eacutel o las dos cosas
Sistemas cerrados A diferencia de los anteriores intercambian energiacutea
(calor trabajo) con el exterior pero nunca materia (su masa permanece
intacta)
Sistemas aislados Se les llama asiacute porque no intercambian ni energiacutea ni
materia de ninguacuten tipo con su entorno se los considera un sistema
desconectado de las dinaacutemicas a su alrededor No existen realmente en
el universo los sistemas totalmente aislados por lo que se consideran
casos de abstraccioacuten en periacuteodos determinados de tiempo Se suponen
en equilibrio termodinaacutemico
41 Sistemas abiertos
ndash El cuerpo humano En tanto estaacute necesitado de materia para
descomponer y obtener energiacutea el cuerpo es un sistema abierto
que requiere de disponibilidad de insumos orgaacutenicos Por otro
lado requiere de expulsar la materia sobrante desechada de
vuelta al medio ambiente De no poder realizar ambas acciones
durante un periacuteodo muy prolongado el sistema falla y se produce
la muerte
ndash Una olla de agua hirviendo La energiacutea introducida al sistema por
el fuego transforma el agua en gas que es liberado de vuelta al
medio ambiente Sin esa inyeccioacuten de calor constante el agua
dejaraacute de hervir y sin espacio para salir el vapor (materia)
aumentaraacute la presioacuten hasta reventar la olla
ndash Una hoguera Para mantener el fuego ardiendo es necesario
proveer a la hoguera de material inflamable ya sea carboacuten o ramas
secas Sin esa materia que consumir el fuego se apagaraacute
ldquoTERMOECONOMIacuteArdquo
11
ndash Un motor a combustioacuten Los motores son sistemas complejos que
generan movimiento a partir de un suministro constante de
combustible gasolina gasoil etc ameacuten de diversos aceites que
reducen la friccioacuten entre sus partes Sin estos aditivos el motor
simplemente no anda o andaraacute poco hasta romperse
ndash La mayoriacutea de las plantas Asiacute como el cuerpo humano las plantas
requieren de materia para su subsistencia (en forma de agua y
nutrientes) y de energiacutea (solar) para llevar a cabo la fotosiacutentesis
vital
ndash Una maacutequina de hacer palomitas de maiacutez En este caso se
requiere del insumo material de los granos de maiacutez que deben
antildeadirse junto con energiacutea eleacutectrica que se traduce en calor y los
hace estallar El resultado por demaacutes vuelve al exterior en forma
de palomitas (pochoclo cotufas etc)
ndash Un compostero El proceso de compost que produce abono para
fertilizar sembradiacuteos opera en base a la introduccioacuten constante en
el compostero de materia orgaacutenica de desecho caacutescaras restos
de comida etc Sin ellos los procesos de degradacioacuten de la materia
se detendriacutean y tambieacuten la produccioacuten del abono
ndash Una trituradora de papel Este artefacto de oficina opera como un
sistema abierto pues requiere de la introduccioacuten de materia
(papel) para triturar y de energiacutea (eleacutectrica) para operar sobre ella
Sin ellos simplemente no sirve para nada
ndash Las saunas Para producir el vapor contenido en los saunas se
requiere de agua (materia) y energiacutea (fuego) para producir el vapor
de agua y permitir que se acumule en el recinto cerrado Despueacutes
de un periacuteodo el vapor desapareceraacute y se necesitaraacute una nueva
inyeccioacuten de insumos al sistema
ndash Un reactor nuclear La electricidad generada en el reactor y que es
conducida hacia el ambiente es producto de la fisioacuten del uranio (u
otros elementos materiales) en una reaccioacuten atoacutemica
controlada que permite generar mucha energiacutea caloacuterica
aprovechable pero tambieacuten muchos desechos toacutexicos que deben
ir a dar a alguacuten lugar del entorno
42 Sistemas cerrados
ldquoTERMOECONOMIacuteArdquo
12
ndash Los bombillos o focos No necesitan materia para operar pero siacute
energiacutea eleacutectrica constante en el momento en que se la corte
cesaraacuten en su emisioacuten de luz que dicho sea de paso es tambieacuten
una forma de energiacutea transmitida al entorno
ndash Una botella de agua friacutea Al estar cerrada la botella la
transferencia de materia entre el sistema y el entorno es
imposible no puede entrar ni salir liacutequido Sin embargo es posible
intercambiar energiacutea el agua se iraacute calentando gradualmente
hasta perder su frialdad
ndash Un teleacutefono celular Si bien no requiere para su funcionamiento
cotidiano que se le introduzca materia (no consume nada) siacute
precisa de electricidad a diario pues al agotarse la bateriacutea dejaraacute
de funcionar Eso claro si tomamos como muestra un periacuteodo
diario en que no haya necesidad de repuestos
ndash Un termoacutemetro Ya que estaacute cerrado hermeacuteticamente el
contenido de un termoacutemetro no variacutea jamaacutes pero siacute reacciona de
acuerdo a la temperatura que percibe es decir es sensible a la
entrada de calor (energiacutea)
ndash El sol A menos que se lo piense en teacuterminos de millares de antildeos
al cabo de los cuales habraacute consumido todo su material y moriraacute el
astro rey es un ejemplo de sistema cerrado que no intercambia
materia con su entorno pero siacute expulsa energiacutea (radiacioacuten solar
luz solar calor) a borbotones
ndash El planeta tierra De forma similar la Tierra opera sin intercambios
de materia con respecto al vaciacuteo que la circunda o a los demaacutes
planetas y objetos celestes pero recibe energiacutea solar
constantemente sin la cual la vida seriacutea un planeta inhabitable
ndash Un envase con comida caliente Cerrado de manera hermeacutetica el
envase impediraacute que la materia en su interior se salga o que entre
nada hacia ella pero incluso asiacute irradiaraacute el calor de la comida hacia
afuera pudiendo quemarnos si fuera el caso
ndash Una bateriacutea Los quiacutemicos en su interior reaccionan y generan
energiacutea que es dirigida hacia el exterior y consumida pero la
materia en su interior no sufre variaciones
ldquoTERMOECONOMIacuteArdquo
13
ndash Los televisores Estos artefactos funcionan a partir del consumo de
energiacutea eleacutectrica para emitir luz de diversos tipos y modulaciones
junto con ondas sonoras al medio externo Pero no requieren de
inyeccioacuten de materia ni la masa en su interior es alterada
ndash Las ollas de presioacuten Dado que no permiten el escape de los gases
generados en su interior para que actuacuteen sobre la comida
cocinaacutendose estos recipientes actuacutean como sistemas cerrados
que impiden el escape de la materia pero no de la energiacutea que
escapa como calor ni de la necesaria para iniciar la coccioacuten
tambieacuten proveniente del afuera
43 Sistemas aislados
ndash Una caja fuerte El contenido en las cajas fuertes estaacute separado
por gruesas capas hermeacuteticas de metal de su entorno aislado de
la materia y de la energiacutea al menos en condiciones normales si la
arrojamos a un volcaacuten es seguro que se derrita y se incinere su
contenido
ndash Los trajes de neopreno Un hombre embutido en estos trajes
usualmente para el buceo o submarinismo se encuentra
protegido durante un periacuteodo de tiempo del intercambio caloacuterico
entre el agua y su cuerpo ameacuten de impedir que eacutesta (materia)
penetre al interior del mismo
ndash Los termos Durante un periacuteodo puntual de tiempo los termos
logran aislar el calor contenido en su interior y evitar la fuga de
energiacutea hacia el medio ambiente a la par que impidiendo el
derramamiento del contenido o la introduccioacuten del mismo No
obstante dado el tiempo suficiente la inevitable fuga del calor
ocurriraacute y el contenido volveraacute a estar friacuteo
ndash Una cava teacutermica Como las empleadas para transportar
alimentos operan en base a la reduccioacuten extrema de la entrada de
calor manteniendo su contenido friacuteo durante un periacuteodo
determinado Una vez superado ese rango de tiempo el contenido
empezaraacute a calentarse
ndash El igluacute de los esquimales Disentildeado para mantener a salvo a sus
habitantes de la materia en movimiento (viento nieve lluvia) y
ademaacutes del enfriamiento extremo de dichos climas puede
ldquoTERMOECONOMIacuteArdquo
14
considerarse un sistema aisladohellip hasta que el habitante tenga que
salir
ndash Una bombona de gas Contenido a presioacuten en su interior el gas
estaacute aislado de la materia y la energiacutea a su alrededor en
condiciones normales ya que es posible que el calentamiento de
la bombona obligue el gas a expandirse y ocurra una tragedia
ndash El universo Dado que no sabemos queacute hay afuera de eacutel ni si hay
un afuera de eacutel debemos suponer que el universo es un sistema
aislado en el que no ingresa ni egresa materia o energiacutea sino que
opera de manera independiente de su entorno
ndash Los alimentos enlatados En condiciones normales estos
alimentos se encuentran lejos de cualquier intercambio de materia
o de energiacutea Claro que seriacutea posible someter la lata a
calentamiento o enfriamiento e incluso fundirla en temperaturas
extremas pero incluso asiacute durante unos (breves) instantes la
comida estaraacute aislada por completo del calor
ndash Una caacutemara hiperbaacuterica Uacutetiles justamente para aislar de las
condiciones atmosfeacutericas a los buzos con burbujas de nitroacutegeno en
la sangre no permiten cuando en funcionamiento el intercambio
de materia ni de energiacutea o al menos no en cantidades apreciables
y significativas
ndash La mente humana Dado que no requiere del intercambio de
materia ni de energiacutea es quizaacute uno de los ejemplos de sistema
aislado maacutes factibles Esto claro sin tomar en cuenta el lado fiacutesico
de la misma el cerebro y el cuerpo humanos en absoluto
En el anaacutelisis de un sistema es preciso conocer y manejar un conjunto
de magnitudes que son las llamadas propiedades termodinaacutemicas del
sistema Estas propiedades pueden ser de dos tipos
ndash Intensivas que miden propiedades locales tales como la presioacuten
temperatura densidad etc y no dependen de la cantidad de
materia contenida en el sistema o cualquiera de sus partes
ndash Extensivas que siacute dependen de la cantidad de materia tales como
la masa el volumen o la energiacutea Si no se toman en consideracioacuten
los efectos en los liacutemites o fronteras del sistema ni las acciones a
ldquoTERMOECONOMIacuteArdquo
15
distancia su valor total para el conjunto del sistema es igual a la
suma de sus valores en cada una de las partes que lo formen
Se dice que un sistema es homogeacuteneo cuando sus propiedades
intensivas no variacutean al pasar de unos puntos a otros del mismo El
sistema es heterogeacuteneo en caso contrario Frecuentemente los
sistemas heterogeacuteneos estaacuten formados por dos o maacutes porciones
homogeacuteneas llamadas fases tales que al pasar de unas a otras sufren
un salto brusco las propiedades intensivas Las propiedades extensivas
de los sistemas homogeacuteneos son proporcionales a su cantidad de
materia Igual ocurre con cada una de las fases que forman uno
heterogeacuteneo
El estado de un sistema o de una fase queda determinado por el
conjunto de sus propiedades termodinaacutemicas las cuales ndashpor ellondash se
llaman tambieacuten variables o funciones de estado Una de las cuestiones
a que da respuesta la termodinaacutemica es la determinacioacuten del nuacutemero
necesario y suficiente de variables independientes precisas para
determinar el estado de un sistema La termodinaacutemica maneja tambieacuten
magnitudes que se refieren a procesos o transformaciones y por tanto
no son propiedades de ninguacuten sistema Por ejemplo el trabajo
realizado por un sistema durante una cierta transformacioacuten es algo
caracteriacutestico de eacutesta y no del sistema o su ambiente Esto ocurre en
general con todos los intercambios
Cuando un sistema se deja abandonado a siacute mismo sin otras
interacciones que las que puedan producirse con su ambiente sus
propiedades termodinaacutemicas podraacuten ir variando con el tiempo Es
posible que llegue un instante a partir del cual se mantengan
inalteradas todas sus propiedades y cese cualquier intercambio de
materia y energiacutea con el ambiente Se dice entonces que el sistema se
encuentra en equilibrio termodinaacutemico Eacuteste es un concepto muy
general de equilibrio y comprende como aspectos particulares todos
los tipos especiacuteficos de equilibrio considerados en Fiacutesica o en Quiacutemica
Toda diferencia de valores en alguna propiedad intensiva ndash dentro del
sistema o entre eacuteste y su ambiente ndash constituye un desequilibrio El
sistema tiende hacia el equilibrio reduciendo tales diferencias Las
diferencias de presioacuten provocan flujos de materia las de temperatura
ldquoTERMOECONOMIacuteArdquo
16
flujos de calor etc El estado de equilibrio termodinaacutemico
corresponde a la eliminacioacuten de todas las diferencias posibles entre los
valores locales de cualquiera de sus propiedades intensivas en su
interior o en relacioacuten con su ambiente Asiacute puede hablarse de equilibrio
mecaacutenico teacutermico quiacutemico etc que no son maacutes que aspectos
parciales del equilibrio termodinaacutemico
Para que se produzca espontaacuteneamente un proceso es necesaria la
existencia previa de alguacuten desequilibrio bien dentro del sistema o
entre eacuteste y su ambiente Como caso liacutemite puede concebirse un
proceso ideal formado por una sucesioacuten continua de estados de
equilibrio Tal proceso se denomina reversible Aunque en rigor todo
proceso real es irreversible el anaacutelisis de procesos reversibles es muy
uacutetil como aproximacioacuten en caacutelculos teoacutericos y para obtener patrones de
referencia en muchas situaciones
Como acabamos de ver durante el proceso de aproximacioacuten al
equilibrio pueden ir variando en general las propiedades
termodinaacutemicas intensivas y extensivas del sistema En tal caso se dice
que el proceso se produce en reacutegimen transitorio o variable En
procesos industriales en sistemas abiertos es usual que se mantengan
deliberadamente constantes ciertos desequilibrios (en presiones o
temperaturas por ejemplo) permitiendo al mismo tiempo
intercambios de materia y energiacutea con el ambiente de modo que las
propiedades termodinaacutemicas del sistema permanezcan invariables en
el tiempo Los procesos tienen lugar entonces en reacutegimen permanente
o estacionario En tal caso en particular se conservan constantes las
propiedades extensivas del sistema tales como su masa o su volumen
y esto obliga a que las cantidades de materia entrantes y salientes sean
iguales La mayoriacutea de los procesos industriales se desarrollan la mayor
parte del tiempo en reacutegimen permanente que es el maacutes faacutecil de
gobernar y con el que se controla mejor la cantidad y calidad de la
produccioacuten
44 Temperatura
La termodinaacutemica antildeade una cuarta magnitud fundamental a las
tres aportadas por la mecaacutenica (longitud masa y tiempo) Es eacutesta
ldquoTERMOECONOMIacuteArdquo
17
la temperatura cuya definicioacuten estaacute vinculada al equilibrio
teacutermico Para desarrollar este concepto tomamos dos sistemas
homogeacuteneos cerrados ndash cada uno de ellos en equilibrio y los
ponemos en contacto de tal modo que ninguno de ellos pueda
realizar trabajo sobre el otro (el llamado contacto teacutermico) Si
permanecen en equilibrio sin experimentar alteracioacuten alguna en
sus respectivos estados diremos que se encuentran a una misma
temperatura En general se llama temperatura a la magnitud que
determina si un sistema permaneceraacute en equilibrio al llevarlo al
contacto teacutermico con otros Se dice que dos sistemas tienen
iguales temperaturas si sus estados iniciales de equilibrio no se
alteran al ponerlos en contacto teacutermico Si no permanecen en
equilibrio sus temperaturas seraacuten diferentes En este uacuteltimo caso
desde el momento en que se ponen en contacto ambos sistemas
experimentan una serie de alteraciones hasta llegar a un nuevo
estado de equilibrio en el cual sus temperaturas se habraacuten hecho
iguales
Consideremos ahora dos sistemas A y B cuyas temperaturas
queremos comparar Para ello tomamos un tercer sistema C y lo
llevamos sucesivamente al contacto teacutermico con A y B Si el estado
de C no se altera en ninguna de estas operaciones se observa
experimentalmente que tampoco se alteran los de A y B si se les
pone directamente en contacto Este hecho experimental no
evidente por siacute mismo se establece como un principio
fundamental con el nombre de Principio Cero de la
Termodinaacutemica Si un sistema estaacute en equilibrio teacutermico con otros
dos eacutestos lo estaraacuten a su vez entre siacute Asiacute puede darse un valor
cuantitativo a la nocioacuten de temperatura (temperatura empiacuterica)
mediante una seleccioacuten conveniente del tercer sistema que seriacutea
el termoacutemetro
Usualmente se emplean dos escalas termomeacutetricas la de Celsius y
la de Kelvin Los valores t y T respectivos estaacuten relacionados por la
expresioacuten
ldquoTERMOECONOMIacuteArdquo
18
T = 27315 K + t helliphellip(expresioacuten 1)
La unidad internacional de temperatura es el Kelvin (K) Cuando se
emplea la escala de Celsius la unidad se representa por degC igual al
K ya que la uacutenica diferencia entre ambas escalas es la posicioacuten del
cero El empleo de siacutembolos diferentes sirve uacutenicamente para
caracterizar este hecho Cuando revisemos el Segundo Principio de
la Termodinaacutemica apreciaremos la base teoacuterica en que se sustenta
la escala de Kelvin o absoluta
Usualmente se emplean dos escalas termomeacutetricas la de Celsius y
la de Kelvin Los valores t y respectivos estaacuten relacionados por la
expresioacuten
441 El Primer Principio de la Termodinaacutemica
Su formulacioacuten no es maacutes que una expresioacuten del Principio de
la Conservacioacuten de la Energiacutea en la que se hace aparecer
expliacutecitamente la transferencia de calor Para todo proceso en
el sistema cerrado de la figura adjunta se verifica
en donde el primer miembro representa el intercambio neto
de energiacutea con su ambiente y el segundo el incremento de la
propiedad termodinaacutemica energiacutea En esta foacutermula hemos
seguido el convenio de considerar positivos el calor entrante
en el sistema y el trabajo realizado por eacuteste El Primer
Principio consiste precisamente en el reconocimiento de la
energiacutea como una propiedad termodinaacutemica del sistema Por
lo tanto los intercambios energeacuteticos del primer miembro de
la ecuacioacuten anterior dependen de los estados extremos 1 y 2
y del proceso seguido para pasar como se observa en la
siguiente figura
ldquoTERMOECONOMIacuteArdquo
19
Repasemos brevemente el significado de las magnitudes que
aparecen en la expresioacuten del Primer principio
Calor Es la forma de intercambio energeacutetico que se
produce entre dos sistemas cerrados a distintas
temperaturas cuando se les pone en contacto teacutermico
Equivale a afirmar que el flujo de calor se debe a los
desequilibrios teacutermicos Maacutes adelante volveremos sobre
esta cuestioacuten
Trabajo Muchas de las formas de trabajo que se
manejan habitualmente en ingenieriacutea termodinaacutemica
obedecen a la siguiente definicioacuten Trabajo es el
intercambio energeacutetico que se produce cuando se
desplaza una superficie de control a traveacutes de la cual
actuacutea una fuerza Si consideramos una fuerza F ejercida
por el sistema sobre el ambiente a traveacutes de la superficie
de control la cual experimenta un desplazamiento
elemental (vectorial) dr el trabajo elemental realizado
por el sistema seraacute el producto escalar de F por dr
Energiacutea La energiacutea de un sistema queda determinada
por factores muy diversos su posicioacuten en un campo de
fuerzas (energiacutea potencial mgz en donde m es la
masa g la aceleracioacuten de la gravedad y z la altitud si nos
referimos al campo gravitatorio terrestre) su
movimiento como un todo (energiacutea cineacutetica mc22 en
donde c es la velocidad) o la energiacutea debida a la
estructura el movimiento y las interacciones de las
ldquoTERMOECONOMIacuteArdquo
20
moleacuteculas aacutetomos y partiacuteculas que lo constituyen
(energiacutea interna U)
442 El Segundo Principio de la Termodinaacutemica
Puede afirmarse que el Primer Principio postula la existencia
de la funcioacuten de estado energiacutea cuya diferencial verifica De
una forma similar enunciaremos el Segundo Principio para
un sistema cerrado como sigue
Existe una funcioacuten de estado extensiva S llamada entropiacutea
con las dimensiones energiacuteatemperatura caracterizada por
las siguientes propiedades
a) Puede variar uacutenicamente por intercambio de calor con el
ambiente o por generacioacuten o creacioacuten interna en el propio
sistema
b) La entropiacutea debida al intercambio de calor con el ambiente
verifica
El valor de este teacutermino puede ser por tanto positivo
negativo o nulo seguacuten lo sea δQ
c) La entropiacutea generada en el sistema no puede ser negativa
y soacutelo seraacute nula cuando el proceso sea reversible En caso contrario
es siempre positiva Por tanto δS g es positiva para todo proceso
espontaacuteneo
5 ECOLOGIA INDUSTRIAL
Desde finales del siglo XX se abre paso el innovador concepto de la Ecologiacutea Industrial
Tradicionalmente se ha considerado que la fabricacioacuten comienza cuando las materias
primas entran en el proceso de produccioacuten y termina con la expedicioacuten del producto
acabado La Ecologiacutea Industrial va maacutes lejos considera las fuentes de abastecimiento de
materias primas los efectos de su extraccioacuten y el destino final del producto una vez agotada
su vida uacutetil entre otros aspectos
51 Aplicacioacuten de la Termoeconomiacutea a la Ecologiacutea Industrial
Definido el objeto del presente trabajo y una vez introducida la Ecologiacutea Industrial y
la Termoeconomiacutea surge la siguiente cuestioacuten iquestpor queacute aplicar la Termoeconomiacutea a
la Ecologiacutea Industrial La respuesta parte de la base de que la integracioacuten de procesos
industriales mediante intercambios mutuos de recursos productos y residuos
implica entre otros beneficios ahorros energeacuteticos Y el modo maacutes objetivo para
cuantificar dichos ahorros es mediante las leyes de la termodinaacutemica (Valero et al
2010) Es decir se trata de tener en consideracioacuten no soacutelo la primera ley de la
termodinaacutemica la cual indica que la energiacutea se conserva transformaacutendose de una
forma a otra sino tambieacuten la segunda ley de la termodinaacutemica que reconoce la
existencia de formas de energiacutea maacutes uacutetiles y menos degradadas que otras Por tanto
la combinacioacuten de ambas leyes indica que no es una cuestioacuten de cantidad de energiacutea
ahorrada sino de la calidad de esa energiacutea es decir de su contenido exergeacutetico El
presente trabajo trata de explicar las metodologiacuteas que la Termoeconomiacutea
actualmente estaacute aplicando al anaacutelisis optimizacioacuten y diagnoacutestico de sistemas
energeacuteticos tales como centrales teacutermicas a la Ecologiacutea Industrial y complejo
modelo de Simbiosis Industrial El anaacutelisis termoeconoacutemico puede ayudar a resolver
problemas importantes tales como identificar posibles integraciones mejorar la
eficiencia cuantificar los beneficios obtenidos por la integracioacuten o determinar los
precios en base a criterios fiacutesicos (Valero et al 2010) Conviene describir tambieacuten la
utilizacioacuten de la Termoeconomiacutea como herramienta de anaacutelisis en ecoparques
industriales Por tanto se puede afirmar que la Ecologiacutea Industrial representa un
campo de aplicacioacuten emergente para el anaacutelisis termoeconoacutemico
ldquoTERMOECONOMIacuteArdquo
1
52 Modelo de Simbiosis Industrial de Kalundborg
El ejemplo praacutectico maacutes reconocido mundialmente en el aacutembito de la Ecologiacutea
Industrial es el de la ciudad danesa de Kalundborg en el cual se acuntildeoacute la palabra de
Simbiosis Industrial Constituye la primera referencia de creacioacuten de una red de
ntercambios entre diversas industrias localizadas en un aacuterea comuacuten y su eacutexito
ha generado un aumento del apoyo institucional para la implantacioacuten de esta
estrategia en otros lugares
La experiencia empezoacute cuando unas pocas empresas trataron de minimizar el
consumo de agua subterraacutenea empleando agua de un lago cercano A raiacutez de ello
con el tiempo se ha establecido una compleja red de intercambios cooperativos en
tres aacutereas agua energiacutea y subproductos adoptando tambieacuten la denominacioacuten
de ecoparque o ecosistema industrial
Integrantes
Actualmente el modelo de Simbiosis Industrial de Kalundborg estaacute constituido
por cinco participantes principales maacutes otros diez participantes secundarios
Principales Participantes
Flujos
La red de intercambio de recursos entre los distintos participantes de la Simbiosis
Industrial estaacute compuesta por 31 flujos los cuales se pueden clasificar en tres
categoriacuteas
ldquoTERMOECONOMIacuteArdquo
2
a) Flujos hiacutedricos
Imagen de Flujos Hiacutedricos
Fuente httpwwwbdigitalunaleduco466731089410732015pdf
b) Flujos energeacuteticos
Imagen de Flujos Energeacuteticos
Fuente httpwwwbdigitalunaleduco466731089410732015pdf
ldquoTERMOECONOMIacuteArdquo
3
c) Flujos de subproductos
Imagen de Flujos de Subproductos
Fuente httpwwwbdigitalunaleduco466731089410732015pdf
53 Beneficios ambientales
Los beneficios ambientales asociados a la Simbiosis Industrial estaacuten determinados
por ahorros en el consumo de agua combustible y materia prima dichos
ahorros conllevan disminuir los residuos generados asiacute como las emisiones de
contaminantes como se muestra en la tabla siguiente
Sin embargo es complejo determinar todos los beneficios globales de la Simbiosis
Industrial puesto que muchos de los flujos presentes en el ecosistema
industrial generan un doble beneficio En el caso de los flujos de residuos su
valorizacioacuten conlleva por un lado evitar la ldquoeliminacioacutenrdquo de dicho residuo y por el
otro se evita el consumo de la materia prima asiacute como de todos los recursos
ldquoTERMOECONOMIacuteArdquo
4
asociados a la obtencioacuten de la misma que seriacutea necesario si no se llevara a cabo la
valorizacioacuten
Por ejemplo los procesos de desulfuracioacuten en la central teacutermica y la refineriacutea
ademaacutes de evitar la emisioacuten de dioacutexido de azufre a la atmoacutesfera producen yeso y
tiosulfato de amonio respectivamente La valorizacioacuten de estos dos residuos
supone para los emisores evitar su ldquoeliminacioacutenrdquo y para los receptores en el caso
del yeso se reduce la importacioacuten de yeso natural mientras que en el caso del
tiosulfato de amonio se ahorra en materias primas y recursos correspondientes a
su obtencioacuten Con las cenizas ocurre exactamente lo mismo su valorizacioacuten
repercute en una menor necesidad de clinker y por tanto de los recursos
necesarios para su fabricacioacuten El fertilizante y la levadura suministrada por Novo
Group disminuyen la cantidad de residuos generados y a su vez evitan el
consumo de nuevas materias primas y recursos asociados a la fabricacioacuten de
ambos productos
En el caso de los flujos energeacuteticos como por ejemplo el gas excedente de la
refineriacutea o la energiacutea teacutermica residual de la central en origen conlleva evitar su
disipacioacuten al medioambiente mientras que para los receptores repercute en un
ahorro sustancial de combustible
En cuanto a los flujos hiacutedricos el principal beneficio ambiental alcanzado es el
ahorro en el consumo de agua focalizado en sus inicios en la sustitucioacuten de
agua subterraacutenea por agua superficial y maacutes tarde en la reutilizacioacuten
Ademaacutes en teacuterminos econoacutemicos tambieacuten se han alcanzado beneficios
sustanciales
Como ejemplo para el antildeo 2000 ya se habiacutean invertido 75 millones de doacutelares en
19 proyectos con un ahorro estimado de 15 millones de doacutelares (Cervantes et al
2009) 6 Caso de estudio La aplicacioacuten de la Termoeconomiacutea al modelo de
Simbiosis Industrial de Kalundborg precisa de la definicioacuten de un caso de estudio
sobre dicho modelo que permita su caracterizacioacuten en teacuterminos de exergiacutea
En este sentido la informacioacuten teacutecnica recopilada sobre los flujos
intercambiados limita el alcance del caso de estudio establecido Sin embargo
fruto de una extensa y laboriosa buacutesqueda bibliograacutefica se ha elaborado un caso
de estudio que incluye los flujos maacutes representativos de la Simbiosis Industrial
de Kalundborg
ldquoTERMOECONOMIacuteArdquo
5
6 CONCLUSIONES
El anaacutelisis exergeacutetico se constituye en una soacutelida herramienta para entender la dinaacutemica
energeacutetica de los procesos de la naturaleza y de los procesos artificiales Sus aplicaciones
son ilimitadas en el sentido que toda accioacuten microscoacutepica o macroscoacutepica demanda un
consumo energeacutetico valioso
El verdadero potencial de ahorro energeacutetico de un sector industrial no se puede valorar
uacutenicamente a partir de la sustitucioacuten de energeacuteticos como consecuencia del
comportamiento del mercado o por la sustitucioacuten de tecnologiacuteas por el efecto de
nuevos desarrollos sino a traveacutes de un balance exergeacutetico que determine las
condiciones maacuteximas de operacioacuten a partir del propoacutesito de cada accioacuten o proceso
Por medio del anaacutelisis termoeconoacutemico es posible la cuantificacioacuten de intangibles
contables y fiacutesicos representados en la destruccioacuten de exergiacutea causada por muacuteltiples
factores como erroacutenea eleccioacuten de un combustible de un mecanismo de un lugar de
operacioacuten fallas de operacioacuten en los procesos erroacuteneos paraacutemetros de operacioacuten etc
A partir de la primera ley de la termodinaacutemica se establecioacute el precepto baacutesico de la
transformacioacuten de energiacutea no se crea no se destruye se transforma en calor en
trabajo aumenta o disminuye la energiacutea interna la segunda ley direcciona los procesos
e integra una nueva propiedad termodinaacutemica denominada entropiacutea asociada al
desorden y a las condiciones de irreversibilidad de los procesos reales El anaacutelisis
exergeacutetico complementa las leyes anteriores considerando el propoacutesito y coacutemo a traveacutes
de su desarrollo se destruye la exergiacutea pese a la conservacioacuten de la energiacutea
La metodologiacutea desarrollada para el anaacutelisis termoeconoacutemico del caso tiene validez para
cualquier proceso industrial porque contempla la valoracioacuten exergeacutetica del uso de los
recursos Si la valoracioacuten fuera de caraacutecter sectorial la metodologiacutea seriacutea la misma soacutelo
que tendriacutea que apoyarse en las estadiacutesticas de consumo energeacutetico por sector y se hariacutea
necesario evaluar la exergiacutea fiacutesica y quiacutemica de todos los recursos involucradosComo
punto de partida seriacutea recomendable valorar la exergiacutea quiacutemica de los hidrocarburos
producidos en Peruacute
Las herramientas de caacutelculo favorecen las evaluaciones termoeconoacutemicas de los
procesos faacutecilmente la teoriacutea exergeacutetica puede articularse a traveacutes de ecuaciones
simples En el caso particular el desarrollo es vaacutelido para un proceso de combustioacuten
externa con secado directo Sin embargo actualmente se consiguen en el mercado
herramientas robustas como el Aspen Process Economic Analyzer (APEA) que con la
informacioacuten baacutesica de operacioacuten realiza un anaacutelisis profundo de la destruccioacuten
exergeacutetica asiacute como de la valoracioacuten de alternativas de disentildeo operacioacuten y cambios
tecnoloacutegicos
La Termoeconomiacutea trata de costes bien monetarios (ptaskJ)o puramente energeacuteticos
(kJ de recursokJ de producto) y se utiliza principalmente para la contabilidad
diagnoacutestico mejora y disentildeo y optimizacioacuten de sistemas teacutermicos Pero en mi opinioacuten
abarca maacutes es la ciencia en la que la Termodinaacutemica y en particular el segundo
principio se une con la Economiacutea ambas en un sentido amplio Ahora estamos en el
principio y esta ciencia se construiraacute con las aportaciones de muchos autores no soacutelo
ingenieros mecaacutenicos En el futuro habraacute que poner orden y sistemaacutetica a la gran
cantidad de contribuciones que tanto economistas como fiacutesicos bioacutelogos quiacutemicos o
ldquoTERMOECONOMIacuteArdquo
6
ingenieros quieren encontrar en las analogiacuteas y explicaciones entre la Termodinaacutemica y
la Economiacutea
Vivimos en un mundo finito y pequentildeo para la gente que somos y seremos y los recursos
naturales son un bien escaso Si queremos sobrevivir debemos conservarlos y aprender
a conservarlos mejor y en este propoacutesito la Termoeconomiacutea jugaraacute un papel clave
Debemos conocer los mecanismos por los cuales la energiacutea y los recursos en general se
degradan y debemos tambieacuten aprender y ensentildear a juzgar queacute sistemas trabajan mejor
con objeto de mejorar sistemaacuteticamente los disentildeos y reducir el consumo per capita
Ademaacutes debemos aprender a reutilizar los residuos para evitar dantildeos al ambiente Esto
lo necesitamos urgentemente ya que al menos dos tercios de la humanidad actual vive
maacutes pobremente que el mundo desarrollado actual
Una contabilidad sistemaacutetica de los recursos naturales que se estaacuten consumiendo seriacutea
una herramienta clave para que tomaacuteramos una consciencia global del problema Y en
esta tarea la Termoeconomiacutea jugariacutea un papel clave
ldquoTERMOECONOMIacuteArdquo
7
7 REFERENCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS
Termoeconomiacutea y Optimizacioacuten Energeacutetica mdash OCW UPMocwupmes rsaquo Explotacioacuten de
Minas
La termoeconomiacutea como alternativa para mejorar la competitividad
wwwbdigitalunaleduco466731089410732015pdf
JR Silva Larrottaaplicaciones termoeconoacutemicas del meacutetodo -
PublicationsListorgpublicationslistorgAplicaciones20termoeconomicas20del
20metodo20exer
Termoeconomiacuteahttpszaguanunizaresrecord45719filesguiapdf
Analisis termoeconomico - ResearchGate https wwwresearchgatenet profile
0c960520b5ead8d544000000pdf
MAL SERRANO - 1993 - Universidad de Sevilla Termoeconomiacutea de Sistemas Energ
wwwuses estudiosgradosplan_221asignatura_2210057
Fundamentos de termodinaacutemica teacutecnica https booksgooglecompe booksisbn=
8429143130
Michael J Moran Howard N Shapiro - 2004 - Science-Termoeconomia
la termoeconomiacutea https wwwehueushelburuak-gaitasunak
La Termoeconomiacutea en plantas energeacuteticaswwwscieloclpdfinfotecv21n4art06pdf
ldquoTERMOECONOMIacuteArdquo
7
Estos caacutelculos son sumamente uacutetiles en la toma de decisiones de
mejora Cuando se trata de un sistema complejo el uso de
aproximaciones sucesivas guiadas por la termoeconomiacutea constituye
probablemente el mejor recurso praacutectico de optimizacioacuten existente en
la actualidad
Seguacuten Valero y Torres (2005) la Termoeconomiacutea proporciona
meacutetodos para
Evaluar la cantidad y calidad de las peacuterdidas energeacuteticas
Evaluar el coste de las peacuterdidas en teacuterminos de consumo de
recursos
Aplicar a diferentes niveles de decisioacuten sobre sistemas
energeacuteticos Sus aplicaciones principales son las siguientes
(Valero y Torres 2005)
Asignacioacuten de precios a productos en base a criterios fiacutesicos
Optimizacioacuten de variables especiacuteficas de procesos para
minimizar el coste de produccioacuten bull Detectar ineficiencias y
calcular sus efectos econoacutemicos
Evaluacioacuten de varias alternativas de disentildeo u operacioacuten
Sintetizar e integrar procesos
El anaacutelisis termoeconoacutemico permite aplicar las herramientas de la
Termoeconomiacutea al diagnoacutestico y a la optimizacioacuten de sistemas
energeacuteticos complejos Sin embargo el diagnoacutestico termoeconoacutemico es
probablemente la aplicacioacuten maacutes desarrollada Diagnoacutestico es el arte de
descubrir y entender los signos de malfuncioacuten y cuantificar sus efectos
En el caso de la Termoeconomiacutea el efecto de dicha malfuncioacuten se
cuantifica en teacuterminos de consumo adicional de recursos para
mantener la produccioacuten en calidad y cantidad (Uche 2000) Por
consiguiente el diagnoacutestico termoeconoacutemico de la operacioacuten de
sistemas energeacuteticos complejos se aplica para diagnosticar las causas
del consumo adicional de fuel de una planta en operacioacuten debido a las
ineficiencias de sus componentes
Los objetivos del diagnoacutestico termoeconoacutemico son los siguientes
(Valero y Torres 2005)
ldquoTERMOECONOMIacuteArdquo
8
Identificar las malfunciones de cada componente de un sistema
teacutermico
Evaluar sus efectos sobre la eficiencia global de la planta
Determinar doacutende coacutemo y queacute cantidad de recursos
consumidos pueden ser ahorrados
36 Exergiacutea
La exergiacutea en cambio lleva el prefijo ldquoexrdquo que indica ldquofuerardquo La
introdujo Rant a mediados del siglo XX para designar la capacidad de
realizar trabajo uacutetil sobre el entorno Esta capacidad es lo que caracteriza la
calidad de la energiacutea Hay formas de energiacutea tales como la cineacutetica
eleacutectrica o quiacutemica que pueden transformarse iacutentegramente en trabajo uacutetil
y son pura exergiacutea Hay otras por el contrario tales como el calor o la
radiacioacuten que soacutelo pueden convertirse parcialmente en exergiacutea
Las discrepancias entre la energiacutea y la exergiacutea pueden ser radicales Por
ejemplo cuando se calienta un cuerpo aumenta siempre su energiacutea Lo
mismo ocurre con la exergiacutea cuando la temperatura del cuerpo es superior
al ambiente Al calentarlo aumenta su capacidad de producir trabajo uacutetil
Pero si el cuerpo se encontrase a una temperatura inferior al ambiente es
evidente que dicha capacidad disminuiriacutea aunque su energiacutea aumente La
exergiacutea aumenta al alejarse del equilibrio con el ambiente en uno u otro
sentido Este ejemplo ilustra el hecho de que la exergiacutea depende de los
estados del sistema y de su ambiente y se anula cuando ambos se
encuentran en equilibrio termodinaacutemico
La exergiacutea hace referencia a la utilidad potencial de una determinada
fuente de energiacutea Se puede definir como el trabajo maacuteximo teoacuterico que
podriacutea obtenerse de la interaccioacuten entre un determinado sistema
termodinaacutemico y el ambiente de referencia Si el estado de una cantidad
de materia es diferente al del ambiente existiraacute la posibilidad de producir
trabajo Conforme el sistema evolucione hacia el equilibrio con el
ambiente dicha posibilidad se reduciraacute
El ambiente de referencia hace alusioacuten a una porcioacuten de entorno cuyas
propiedades intensivas no cambian significativamente como resultado de
cualquier proceso que se considere Se consideraraacute como tal un sistema
ldquoTERMOECONOMIacuteArdquo
9
simple compresible de enormes dimensiones con presioacuten p0 y
temperatura T0 uniformes y constantes
Conviene tener en cuenta algunos aspectos adicionales de la exergiacutea
La exergiacutea es una propiedad de los sistemas cerrados
El valor de la exergiacutea no puede ser negativo Las transferencias de
exergiacutea asociadas a flujos de energiacutea en traacutensito (en forma de calor
o trabajo) pueden tener uno u otro signo dependiendo del sentido
y naturaleza de dichos flujos
La exergiacutea no se conserva sino que se destruye a causa de las
irreversibilidades
361 EFICIENCIA EXERGEacuteTICA
Se puede definir como
La dificultad reside en identificar estos teacuterminos para un sistema o
instalacioacuten particular En muchos casos pueden existir distintas
interpretaciones vaacutelidas dentro de un orden loacutegico que suelen depender
de si los flujos exergeacuteticos residuales que abandonan el sistema son o no
aprovechados para otros usos en otra instalacioacuten o en otro elemento de la
misma instalacioacuten
4 SISTEMA Y AMBIENTE
Empezaremos por las nociones de sistema y ambiente
Sistema es aquella parte del Universo que se somete a estudio Ambiente
aquella parte del resto del Universo que puede ejercer alguna accioacuten sobre
el sistema Interesa clasificar los sistemas seguacuten sus posibilidades de
interaccioacuten con su ambiente Un sistema se denomina abierto si puede
intercambiar materia calor y trabajo con su ambiente Se le llama cerrado si
no puede intercambiar materia pero son posibles las transferencias de calor
ldquoTERMOECONOMIacuteArdquo
10
y trabajo Finalmente se le llama aislado cuando no es posible interaccioacuten
alguna con el resto del Universo
Obedeciendo al grado de separacioacuten que estos sistemas presenten respecto
a su entorno es posible reconocer tres tipos distintos
Sistemas abiertos Los maacutes predominantes de todos se caracterizan
por intercambiar energiacutea yo materia con el entorno que los rodea ya
sea tomando de eacutel expulsando hacia eacutel o las dos cosas
Sistemas cerrados A diferencia de los anteriores intercambian energiacutea
(calor trabajo) con el exterior pero nunca materia (su masa permanece
intacta)
Sistemas aislados Se les llama asiacute porque no intercambian ni energiacutea ni
materia de ninguacuten tipo con su entorno se los considera un sistema
desconectado de las dinaacutemicas a su alrededor No existen realmente en
el universo los sistemas totalmente aislados por lo que se consideran
casos de abstraccioacuten en periacuteodos determinados de tiempo Se suponen
en equilibrio termodinaacutemico
41 Sistemas abiertos
ndash El cuerpo humano En tanto estaacute necesitado de materia para
descomponer y obtener energiacutea el cuerpo es un sistema abierto
que requiere de disponibilidad de insumos orgaacutenicos Por otro
lado requiere de expulsar la materia sobrante desechada de
vuelta al medio ambiente De no poder realizar ambas acciones
durante un periacuteodo muy prolongado el sistema falla y se produce
la muerte
ndash Una olla de agua hirviendo La energiacutea introducida al sistema por
el fuego transforma el agua en gas que es liberado de vuelta al
medio ambiente Sin esa inyeccioacuten de calor constante el agua
dejaraacute de hervir y sin espacio para salir el vapor (materia)
aumentaraacute la presioacuten hasta reventar la olla
ndash Una hoguera Para mantener el fuego ardiendo es necesario
proveer a la hoguera de material inflamable ya sea carboacuten o ramas
secas Sin esa materia que consumir el fuego se apagaraacute
ldquoTERMOECONOMIacuteArdquo
11
ndash Un motor a combustioacuten Los motores son sistemas complejos que
generan movimiento a partir de un suministro constante de
combustible gasolina gasoil etc ameacuten de diversos aceites que
reducen la friccioacuten entre sus partes Sin estos aditivos el motor
simplemente no anda o andaraacute poco hasta romperse
ndash La mayoriacutea de las plantas Asiacute como el cuerpo humano las plantas
requieren de materia para su subsistencia (en forma de agua y
nutrientes) y de energiacutea (solar) para llevar a cabo la fotosiacutentesis
vital
ndash Una maacutequina de hacer palomitas de maiacutez En este caso se
requiere del insumo material de los granos de maiacutez que deben
antildeadirse junto con energiacutea eleacutectrica que se traduce en calor y los
hace estallar El resultado por demaacutes vuelve al exterior en forma
de palomitas (pochoclo cotufas etc)
ndash Un compostero El proceso de compost que produce abono para
fertilizar sembradiacuteos opera en base a la introduccioacuten constante en
el compostero de materia orgaacutenica de desecho caacutescaras restos
de comida etc Sin ellos los procesos de degradacioacuten de la materia
se detendriacutean y tambieacuten la produccioacuten del abono
ndash Una trituradora de papel Este artefacto de oficina opera como un
sistema abierto pues requiere de la introduccioacuten de materia
(papel) para triturar y de energiacutea (eleacutectrica) para operar sobre ella
Sin ellos simplemente no sirve para nada
ndash Las saunas Para producir el vapor contenido en los saunas se
requiere de agua (materia) y energiacutea (fuego) para producir el vapor
de agua y permitir que se acumule en el recinto cerrado Despueacutes
de un periacuteodo el vapor desapareceraacute y se necesitaraacute una nueva
inyeccioacuten de insumos al sistema
ndash Un reactor nuclear La electricidad generada en el reactor y que es
conducida hacia el ambiente es producto de la fisioacuten del uranio (u
otros elementos materiales) en una reaccioacuten atoacutemica
controlada que permite generar mucha energiacutea caloacuterica
aprovechable pero tambieacuten muchos desechos toacutexicos que deben
ir a dar a alguacuten lugar del entorno
42 Sistemas cerrados
ldquoTERMOECONOMIacuteArdquo
12
ndash Los bombillos o focos No necesitan materia para operar pero siacute
energiacutea eleacutectrica constante en el momento en que se la corte
cesaraacuten en su emisioacuten de luz que dicho sea de paso es tambieacuten
una forma de energiacutea transmitida al entorno
ndash Una botella de agua friacutea Al estar cerrada la botella la
transferencia de materia entre el sistema y el entorno es
imposible no puede entrar ni salir liacutequido Sin embargo es posible
intercambiar energiacutea el agua se iraacute calentando gradualmente
hasta perder su frialdad
ndash Un teleacutefono celular Si bien no requiere para su funcionamiento
cotidiano que se le introduzca materia (no consume nada) siacute
precisa de electricidad a diario pues al agotarse la bateriacutea dejaraacute
de funcionar Eso claro si tomamos como muestra un periacuteodo
diario en que no haya necesidad de repuestos
ndash Un termoacutemetro Ya que estaacute cerrado hermeacuteticamente el
contenido de un termoacutemetro no variacutea jamaacutes pero siacute reacciona de
acuerdo a la temperatura que percibe es decir es sensible a la
entrada de calor (energiacutea)
ndash El sol A menos que se lo piense en teacuterminos de millares de antildeos
al cabo de los cuales habraacute consumido todo su material y moriraacute el
astro rey es un ejemplo de sistema cerrado que no intercambia
materia con su entorno pero siacute expulsa energiacutea (radiacioacuten solar
luz solar calor) a borbotones
ndash El planeta tierra De forma similar la Tierra opera sin intercambios
de materia con respecto al vaciacuteo que la circunda o a los demaacutes
planetas y objetos celestes pero recibe energiacutea solar
constantemente sin la cual la vida seriacutea un planeta inhabitable
ndash Un envase con comida caliente Cerrado de manera hermeacutetica el
envase impediraacute que la materia en su interior se salga o que entre
nada hacia ella pero incluso asiacute irradiaraacute el calor de la comida hacia
afuera pudiendo quemarnos si fuera el caso
ndash Una bateriacutea Los quiacutemicos en su interior reaccionan y generan
energiacutea que es dirigida hacia el exterior y consumida pero la
materia en su interior no sufre variaciones
ldquoTERMOECONOMIacuteArdquo
13
ndash Los televisores Estos artefactos funcionan a partir del consumo de
energiacutea eleacutectrica para emitir luz de diversos tipos y modulaciones
junto con ondas sonoras al medio externo Pero no requieren de
inyeccioacuten de materia ni la masa en su interior es alterada
ndash Las ollas de presioacuten Dado que no permiten el escape de los gases
generados en su interior para que actuacuteen sobre la comida
cocinaacutendose estos recipientes actuacutean como sistemas cerrados
que impiden el escape de la materia pero no de la energiacutea que
escapa como calor ni de la necesaria para iniciar la coccioacuten
tambieacuten proveniente del afuera
43 Sistemas aislados
ndash Una caja fuerte El contenido en las cajas fuertes estaacute separado
por gruesas capas hermeacuteticas de metal de su entorno aislado de
la materia y de la energiacutea al menos en condiciones normales si la
arrojamos a un volcaacuten es seguro que se derrita y se incinere su
contenido
ndash Los trajes de neopreno Un hombre embutido en estos trajes
usualmente para el buceo o submarinismo se encuentra
protegido durante un periacuteodo de tiempo del intercambio caloacuterico
entre el agua y su cuerpo ameacuten de impedir que eacutesta (materia)
penetre al interior del mismo
ndash Los termos Durante un periacuteodo puntual de tiempo los termos
logran aislar el calor contenido en su interior y evitar la fuga de
energiacutea hacia el medio ambiente a la par que impidiendo el
derramamiento del contenido o la introduccioacuten del mismo No
obstante dado el tiempo suficiente la inevitable fuga del calor
ocurriraacute y el contenido volveraacute a estar friacuteo
ndash Una cava teacutermica Como las empleadas para transportar
alimentos operan en base a la reduccioacuten extrema de la entrada de
calor manteniendo su contenido friacuteo durante un periacuteodo
determinado Una vez superado ese rango de tiempo el contenido
empezaraacute a calentarse
ndash El igluacute de los esquimales Disentildeado para mantener a salvo a sus
habitantes de la materia en movimiento (viento nieve lluvia) y
ademaacutes del enfriamiento extremo de dichos climas puede
ldquoTERMOECONOMIacuteArdquo
14
considerarse un sistema aisladohellip hasta que el habitante tenga que
salir
ndash Una bombona de gas Contenido a presioacuten en su interior el gas
estaacute aislado de la materia y la energiacutea a su alrededor en
condiciones normales ya que es posible que el calentamiento de
la bombona obligue el gas a expandirse y ocurra una tragedia
ndash El universo Dado que no sabemos queacute hay afuera de eacutel ni si hay
un afuera de eacutel debemos suponer que el universo es un sistema
aislado en el que no ingresa ni egresa materia o energiacutea sino que
opera de manera independiente de su entorno
ndash Los alimentos enlatados En condiciones normales estos
alimentos se encuentran lejos de cualquier intercambio de materia
o de energiacutea Claro que seriacutea posible someter la lata a
calentamiento o enfriamiento e incluso fundirla en temperaturas
extremas pero incluso asiacute durante unos (breves) instantes la
comida estaraacute aislada por completo del calor
ndash Una caacutemara hiperbaacuterica Uacutetiles justamente para aislar de las
condiciones atmosfeacutericas a los buzos con burbujas de nitroacutegeno en
la sangre no permiten cuando en funcionamiento el intercambio
de materia ni de energiacutea o al menos no en cantidades apreciables
y significativas
ndash La mente humana Dado que no requiere del intercambio de
materia ni de energiacutea es quizaacute uno de los ejemplos de sistema
aislado maacutes factibles Esto claro sin tomar en cuenta el lado fiacutesico
de la misma el cerebro y el cuerpo humanos en absoluto
En el anaacutelisis de un sistema es preciso conocer y manejar un conjunto
de magnitudes que son las llamadas propiedades termodinaacutemicas del
sistema Estas propiedades pueden ser de dos tipos
ndash Intensivas que miden propiedades locales tales como la presioacuten
temperatura densidad etc y no dependen de la cantidad de
materia contenida en el sistema o cualquiera de sus partes
ndash Extensivas que siacute dependen de la cantidad de materia tales como
la masa el volumen o la energiacutea Si no se toman en consideracioacuten
los efectos en los liacutemites o fronteras del sistema ni las acciones a
ldquoTERMOECONOMIacuteArdquo
15
distancia su valor total para el conjunto del sistema es igual a la
suma de sus valores en cada una de las partes que lo formen
Se dice que un sistema es homogeacuteneo cuando sus propiedades
intensivas no variacutean al pasar de unos puntos a otros del mismo El
sistema es heterogeacuteneo en caso contrario Frecuentemente los
sistemas heterogeacuteneos estaacuten formados por dos o maacutes porciones
homogeacuteneas llamadas fases tales que al pasar de unas a otras sufren
un salto brusco las propiedades intensivas Las propiedades extensivas
de los sistemas homogeacuteneos son proporcionales a su cantidad de
materia Igual ocurre con cada una de las fases que forman uno
heterogeacuteneo
El estado de un sistema o de una fase queda determinado por el
conjunto de sus propiedades termodinaacutemicas las cuales ndashpor ellondash se
llaman tambieacuten variables o funciones de estado Una de las cuestiones
a que da respuesta la termodinaacutemica es la determinacioacuten del nuacutemero
necesario y suficiente de variables independientes precisas para
determinar el estado de un sistema La termodinaacutemica maneja tambieacuten
magnitudes que se refieren a procesos o transformaciones y por tanto
no son propiedades de ninguacuten sistema Por ejemplo el trabajo
realizado por un sistema durante una cierta transformacioacuten es algo
caracteriacutestico de eacutesta y no del sistema o su ambiente Esto ocurre en
general con todos los intercambios
Cuando un sistema se deja abandonado a siacute mismo sin otras
interacciones que las que puedan producirse con su ambiente sus
propiedades termodinaacutemicas podraacuten ir variando con el tiempo Es
posible que llegue un instante a partir del cual se mantengan
inalteradas todas sus propiedades y cese cualquier intercambio de
materia y energiacutea con el ambiente Se dice entonces que el sistema se
encuentra en equilibrio termodinaacutemico Eacuteste es un concepto muy
general de equilibrio y comprende como aspectos particulares todos
los tipos especiacuteficos de equilibrio considerados en Fiacutesica o en Quiacutemica
Toda diferencia de valores en alguna propiedad intensiva ndash dentro del
sistema o entre eacuteste y su ambiente ndash constituye un desequilibrio El
sistema tiende hacia el equilibrio reduciendo tales diferencias Las
diferencias de presioacuten provocan flujos de materia las de temperatura
ldquoTERMOECONOMIacuteArdquo
16
flujos de calor etc El estado de equilibrio termodinaacutemico
corresponde a la eliminacioacuten de todas las diferencias posibles entre los
valores locales de cualquiera de sus propiedades intensivas en su
interior o en relacioacuten con su ambiente Asiacute puede hablarse de equilibrio
mecaacutenico teacutermico quiacutemico etc que no son maacutes que aspectos
parciales del equilibrio termodinaacutemico
Para que se produzca espontaacuteneamente un proceso es necesaria la
existencia previa de alguacuten desequilibrio bien dentro del sistema o
entre eacuteste y su ambiente Como caso liacutemite puede concebirse un
proceso ideal formado por una sucesioacuten continua de estados de
equilibrio Tal proceso se denomina reversible Aunque en rigor todo
proceso real es irreversible el anaacutelisis de procesos reversibles es muy
uacutetil como aproximacioacuten en caacutelculos teoacutericos y para obtener patrones de
referencia en muchas situaciones
Como acabamos de ver durante el proceso de aproximacioacuten al
equilibrio pueden ir variando en general las propiedades
termodinaacutemicas intensivas y extensivas del sistema En tal caso se dice
que el proceso se produce en reacutegimen transitorio o variable En
procesos industriales en sistemas abiertos es usual que se mantengan
deliberadamente constantes ciertos desequilibrios (en presiones o
temperaturas por ejemplo) permitiendo al mismo tiempo
intercambios de materia y energiacutea con el ambiente de modo que las
propiedades termodinaacutemicas del sistema permanezcan invariables en
el tiempo Los procesos tienen lugar entonces en reacutegimen permanente
o estacionario En tal caso en particular se conservan constantes las
propiedades extensivas del sistema tales como su masa o su volumen
y esto obliga a que las cantidades de materia entrantes y salientes sean
iguales La mayoriacutea de los procesos industriales se desarrollan la mayor
parte del tiempo en reacutegimen permanente que es el maacutes faacutecil de
gobernar y con el que se controla mejor la cantidad y calidad de la
produccioacuten
44 Temperatura
La termodinaacutemica antildeade una cuarta magnitud fundamental a las
tres aportadas por la mecaacutenica (longitud masa y tiempo) Es eacutesta
ldquoTERMOECONOMIacuteArdquo
17
la temperatura cuya definicioacuten estaacute vinculada al equilibrio
teacutermico Para desarrollar este concepto tomamos dos sistemas
homogeacuteneos cerrados ndash cada uno de ellos en equilibrio y los
ponemos en contacto de tal modo que ninguno de ellos pueda
realizar trabajo sobre el otro (el llamado contacto teacutermico) Si
permanecen en equilibrio sin experimentar alteracioacuten alguna en
sus respectivos estados diremos que se encuentran a una misma
temperatura En general se llama temperatura a la magnitud que
determina si un sistema permaneceraacute en equilibrio al llevarlo al
contacto teacutermico con otros Se dice que dos sistemas tienen
iguales temperaturas si sus estados iniciales de equilibrio no se
alteran al ponerlos en contacto teacutermico Si no permanecen en
equilibrio sus temperaturas seraacuten diferentes En este uacuteltimo caso
desde el momento en que se ponen en contacto ambos sistemas
experimentan una serie de alteraciones hasta llegar a un nuevo
estado de equilibrio en el cual sus temperaturas se habraacuten hecho
iguales
Consideremos ahora dos sistemas A y B cuyas temperaturas
queremos comparar Para ello tomamos un tercer sistema C y lo
llevamos sucesivamente al contacto teacutermico con A y B Si el estado
de C no se altera en ninguna de estas operaciones se observa
experimentalmente que tampoco se alteran los de A y B si se les
pone directamente en contacto Este hecho experimental no
evidente por siacute mismo se establece como un principio
fundamental con el nombre de Principio Cero de la
Termodinaacutemica Si un sistema estaacute en equilibrio teacutermico con otros
dos eacutestos lo estaraacuten a su vez entre siacute Asiacute puede darse un valor
cuantitativo a la nocioacuten de temperatura (temperatura empiacuterica)
mediante una seleccioacuten conveniente del tercer sistema que seriacutea
el termoacutemetro
Usualmente se emplean dos escalas termomeacutetricas la de Celsius y
la de Kelvin Los valores t y T respectivos estaacuten relacionados por la
expresioacuten
ldquoTERMOECONOMIacuteArdquo
18
T = 27315 K + t helliphellip(expresioacuten 1)
La unidad internacional de temperatura es el Kelvin (K) Cuando se
emplea la escala de Celsius la unidad se representa por degC igual al
K ya que la uacutenica diferencia entre ambas escalas es la posicioacuten del
cero El empleo de siacutembolos diferentes sirve uacutenicamente para
caracterizar este hecho Cuando revisemos el Segundo Principio de
la Termodinaacutemica apreciaremos la base teoacuterica en que se sustenta
la escala de Kelvin o absoluta
Usualmente se emplean dos escalas termomeacutetricas la de Celsius y
la de Kelvin Los valores t y respectivos estaacuten relacionados por la
expresioacuten
441 El Primer Principio de la Termodinaacutemica
Su formulacioacuten no es maacutes que una expresioacuten del Principio de
la Conservacioacuten de la Energiacutea en la que se hace aparecer
expliacutecitamente la transferencia de calor Para todo proceso en
el sistema cerrado de la figura adjunta se verifica
en donde el primer miembro representa el intercambio neto
de energiacutea con su ambiente y el segundo el incremento de la
propiedad termodinaacutemica energiacutea En esta foacutermula hemos
seguido el convenio de considerar positivos el calor entrante
en el sistema y el trabajo realizado por eacuteste El Primer
Principio consiste precisamente en el reconocimiento de la
energiacutea como una propiedad termodinaacutemica del sistema Por
lo tanto los intercambios energeacuteticos del primer miembro de
la ecuacioacuten anterior dependen de los estados extremos 1 y 2
y del proceso seguido para pasar como se observa en la
siguiente figura
ldquoTERMOECONOMIacuteArdquo
19
Repasemos brevemente el significado de las magnitudes que
aparecen en la expresioacuten del Primer principio
Calor Es la forma de intercambio energeacutetico que se
produce entre dos sistemas cerrados a distintas
temperaturas cuando se les pone en contacto teacutermico
Equivale a afirmar que el flujo de calor se debe a los
desequilibrios teacutermicos Maacutes adelante volveremos sobre
esta cuestioacuten
Trabajo Muchas de las formas de trabajo que se
manejan habitualmente en ingenieriacutea termodinaacutemica
obedecen a la siguiente definicioacuten Trabajo es el
intercambio energeacutetico que se produce cuando se
desplaza una superficie de control a traveacutes de la cual
actuacutea una fuerza Si consideramos una fuerza F ejercida
por el sistema sobre el ambiente a traveacutes de la superficie
de control la cual experimenta un desplazamiento
elemental (vectorial) dr el trabajo elemental realizado
por el sistema seraacute el producto escalar de F por dr
Energiacutea La energiacutea de un sistema queda determinada
por factores muy diversos su posicioacuten en un campo de
fuerzas (energiacutea potencial mgz en donde m es la
masa g la aceleracioacuten de la gravedad y z la altitud si nos
referimos al campo gravitatorio terrestre) su
movimiento como un todo (energiacutea cineacutetica mc22 en
donde c es la velocidad) o la energiacutea debida a la
estructura el movimiento y las interacciones de las
ldquoTERMOECONOMIacuteArdquo
20
moleacuteculas aacutetomos y partiacuteculas que lo constituyen
(energiacutea interna U)
442 El Segundo Principio de la Termodinaacutemica
Puede afirmarse que el Primer Principio postula la existencia
de la funcioacuten de estado energiacutea cuya diferencial verifica De
una forma similar enunciaremos el Segundo Principio para
un sistema cerrado como sigue
Existe una funcioacuten de estado extensiva S llamada entropiacutea
con las dimensiones energiacuteatemperatura caracterizada por
las siguientes propiedades
a) Puede variar uacutenicamente por intercambio de calor con el
ambiente o por generacioacuten o creacioacuten interna en el propio
sistema
b) La entropiacutea debida al intercambio de calor con el ambiente
verifica
El valor de este teacutermino puede ser por tanto positivo
negativo o nulo seguacuten lo sea δQ
c) La entropiacutea generada en el sistema no puede ser negativa
y soacutelo seraacute nula cuando el proceso sea reversible En caso contrario
es siempre positiva Por tanto δS g es positiva para todo proceso
espontaacuteneo
5 ECOLOGIA INDUSTRIAL
Desde finales del siglo XX se abre paso el innovador concepto de la Ecologiacutea Industrial
Tradicionalmente se ha considerado que la fabricacioacuten comienza cuando las materias
primas entran en el proceso de produccioacuten y termina con la expedicioacuten del producto
acabado La Ecologiacutea Industrial va maacutes lejos considera las fuentes de abastecimiento de
materias primas los efectos de su extraccioacuten y el destino final del producto una vez agotada
su vida uacutetil entre otros aspectos
51 Aplicacioacuten de la Termoeconomiacutea a la Ecologiacutea Industrial
Definido el objeto del presente trabajo y una vez introducida la Ecologiacutea Industrial y
la Termoeconomiacutea surge la siguiente cuestioacuten iquestpor queacute aplicar la Termoeconomiacutea a
la Ecologiacutea Industrial La respuesta parte de la base de que la integracioacuten de procesos
industriales mediante intercambios mutuos de recursos productos y residuos
implica entre otros beneficios ahorros energeacuteticos Y el modo maacutes objetivo para
cuantificar dichos ahorros es mediante las leyes de la termodinaacutemica (Valero et al
2010) Es decir se trata de tener en consideracioacuten no soacutelo la primera ley de la
termodinaacutemica la cual indica que la energiacutea se conserva transformaacutendose de una
forma a otra sino tambieacuten la segunda ley de la termodinaacutemica que reconoce la
existencia de formas de energiacutea maacutes uacutetiles y menos degradadas que otras Por tanto
la combinacioacuten de ambas leyes indica que no es una cuestioacuten de cantidad de energiacutea
ahorrada sino de la calidad de esa energiacutea es decir de su contenido exergeacutetico El
presente trabajo trata de explicar las metodologiacuteas que la Termoeconomiacutea
actualmente estaacute aplicando al anaacutelisis optimizacioacuten y diagnoacutestico de sistemas
energeacuteticos tales como centrales teacutermicas a la Ecologiacutea Industrial y complejo
modelo de Simbiosis Industrial El anaacutelisis termoeconoacutemico puede ayudar a resolver
problemas importantes tales como identificar posibles integraciones mejorar la
eficiencia cuantificar los beneficios obtenidos por la integracioacuten o determinar los
precios en base a criterios fiacutesicos (Valero et al 2010) Conviene describir tambieacuten la
utilizacioacuten de la Termoeconomiacutea como herramienta de anaacutelisis en ecoparques
industriales Por tanto se puede afirmar que la Ecologiacutea Industrial representa un
campo de aplicacioacuten emergente para el anaacutelisis termoeconoacutemico
ldquoTERMOECONOMIacuteArdquo
1
52 Modelo de Simbiosis Industrial de Kalundborg
El ejemplo praacutectico maacutes reconocido mundialmente en el aacutembito de la Ecologiacutea
Industrial es el de la ciudad danesa de Kalundborg en el cual se acuntildeoacute la palabra de
Simbiosis Industrial Constituye la primera referencia de creacioacuten de una red de
ntercambios entre diversas industrias localizadas en un aacuterea comuacuten y su eacutexito
ha generado un aumento del apoyo institucional para la implantacioacuten de esta
estrategia en otros lugares
La experiencia empezoacute cuando unas pocas empresas trataron de minimizar el
consumo de agua subterraacutenea empleando agua de un lago cercano A raiacutez de ello
con el tiempo se ha establecido una compleja red de intercambios cooperativos en
tres aacutereas agua energiacutea y subproductos adoptando tambieacuten la denominacioacuten
de ecoparque o ecosistema industrial
Integrantes
Actualmente el modelo de Simbiosis Industrial de Kalundborg estaacute constituido
por cinco participantes principales maacutes otros diez participantes secundarios
Principales Participantes
Flujos
La red de intercambio de recursos entre los distintos participantes de la Simbiosis
Industrial estaacute compuesta por 31 flujos los cuales se pueden clasificar en tres
categoriacuteas
ldquoTERMOECONOMIacuteArdquo
2
a) Flujos hiacutedricos
Imagen de Flujos Hiacutedricos
Fuente httpwwwbdigitalunaleduco466731089410732015pdf
b) Flujos energeacuteticos
Imagen de Flujos Energeacuteticos
Fuente httpwwwbdigitalunaleduco466731089410732015pdf
ldquoTERMOECONOMIacuteArdquo
3
c) Flujos de subproductos
Imagen de Flujos de Subproductos
Fuente httpwwwbdigitalunaleduco466731089410732015pdf
53 Beneficios ambientales
Los beneficios ambientales asociados a la Simbiosis Industrial estaacuten determinados
por ahorros en el consumo de agua combustible y materia prima dichos
ahorros conllevan disminuir los residuos generados asiacute como las emisiones de
contaminantes como se muestra en la tabla siguiente
Sin embargo es complejo determinar todos los beneficios globales de la Simbiosis
Industrial puesto que muchos de los flujos presentes en el ecosistema
industrial generan un doble beneficio En el caso de los flujos de residuos su
valorizacioacuten conlleva por un lado evitar la ldquoeliminacioacutenrdquo de dicho residuo y por el
otro se evita el consumo de la materia prima asiacute como de todos los recursos
ldquoTERMOECONOMIacuteArdquo
4
asociados a la obtencioacuten de la misma que seriacutea necesario si no se llevara a cabo la
valorizacioacuten
Por ejemplo los procesos de desulfuracioacuten en la central teacutermica y la refineriacutea
ademaacutes de evitar la emisioacuten de dioacutexido de azufre a la atmoacutesfera producen yeso y
tiosulfato de amonio respectivamente La valorizacioacuten de estos dos residuos
supone para los emisores evitar su ldquoeliminacioacutenrdquo y para los receptores en el caso
del yeso se reduce la importacioacuten de yeso natural mientras que en el caso del
tiosulfato de amonio se ahorra en materias primas y recursos correspondientes a
su obtencioacuten Con las cenizas ocurre exactamente lo mismo su valorizacioacuten
repercute en una menor necesidad de clinker y por tanto de los recursos
necesarios para su fabricacioacuten El fertilizante y la levadura suministrada por Novo
Group disminuyen la cantidad de residuos generados y a su vez evitan el
consumo de nuevas materias primas y recursos asociados a la fabricacioacuten de
ambos productos
En el caso de los flujos energeacuteticos como por ejemplo el gas excedente de la
refineriacutea o la energiacutea teacutermica residual de la central en origen conlleva evitar su
disipacioacuten al medioambiente mientras que para los receptores repercute en un
ahorro sustancial de combustible
En cuanto a los flujos hiacutedricos el principal beneficio ambiental alcanzado es el
ahorro en el consumo de agua focalizado en sus inicios en la sustitucioacuten de
agua subterraacutenea por agua superficial y maacutes tarde en la reutilizacioacuten
Ademaacutes en teacuterminos econoacutemicos tambieacuten se han alcanzado beneficios
sustanciales
Como ejemplo para el antildeo 2000 ya se habiacutean invertido 75 millones de doacutelares en
19 proyectos con un ahorro estimado de 15 millones de doacutelares (Cervantes et al
2009) 6 Caso de estudio La aplicacioacuten de la Termoeconomiacutea al modelo de
Simbiosis Industrial de Kalundborg precisa de la definicioacuten de un caso de estudio
sobre dicho modelo que permita su caracterizacioacuten en teacuterminos de exergiacutea
En este sentido la informacioacuten teacutecnica recopilada sobre los flujos
intercambiados limita el alcance del caso de estudio establecido Sin embargo
fruto de una extensa y laboriosa buacutesqueda bibliograacutefica se ha elaborado un caso
de estudio que incluye los flujos maacutes representativos de la Simbiosis Industrial
de Kalundborg
ldquoTERMOECONOMIacuteArdquo
5
6 CONCLUSIONES
El anaacutelisis exergeacutetico se constituye en una soacutelida herramienta para entender la dinaacutemica
energeacutetica de los procesos de la naturaleza y de los procesos artificiales Sus aplicaciones
son ilimitadas en el sentido que toda accioacuten microscoacutepica o macroscoacutepica demanda un
consumo energeacutetico valioso
El verdadero potencial de ahorro energeacutetico de un sector industrial no se puede valorar
uacutenicamente a partir de la sustitucioacuten de energeacuteticos como consecuencia del
comportamiento del mercado o por la sustitucioacuten de tecnologiacuteas por el efecto de
nuevos desarrollos sino a traveacutes de un balance exergeacutetico que determine las
condiciones maacuteximas de operacioacuten a partir del propoacutesito de cada accioacuten o proceso
Por medio del anaacutelisis termoeconoacutemico es posible la cuantificacioacuten de intangibles
contables y fiacutesicos representados en la destruccioacuten de exergiacutea causada por muacuteltiples
factores como erroacutenea eleccioacuten de un combustible de un mecanismo de un lugar de
operacioacuten fallas de operacioacuten en los procesos erroacuteneos paraacutemetros de operacioacuten etc
A partir de la primera ley de la termodinaacutemica se establecioacute el precepto baacutesico de la
transformacioacuten de energiacutea no se crea no se destruye se transforma en calor en
trabajo aumenta o disminuye la energiacutea interna la segunda ley direcciona los procesos
e integra una nueva propiedad termodinaacutemica denominada entropiacutea asociada al
desorden y a las condiciones de irreversibilidad de los procesos reales El anaacutelisis
exergeacutetico complementa las leyes anteriores considerando el propoacutesito y coacutemo a traveacutes
de su desarrollo se destruye la exergiacutea pese a la conservacioacuten de la energiacutea
La metodologiacutea desarrollada para el anaacutelisis termoeconoacutemico del caso tiene validez para
cualquier proceso industrial porque contempla la valoracioacuten exergeacutetica del uso de los
recursos Si la valoracioacuten fuera de caraacutecter sectorial la metodologiacutea seriacutea la misma soacutelo
que tendriacutea que apoyarse en las estadiacutesticas de consumo energeacutetico por sector y se hariacutea
necesario evaluar la exergiacutea fiacutesica y quiacutemica de todos los recursos involucradosComo
punto de partida seriacutea recomendable valorar la exergiacutea quiacutemica de los hidrocarburos
producidos en Peruacute
Las herramientas de caacutelculo favorecen las evaluaciones termoeconoacutemicas de los
procesos faacutecilmente la teoriacutea exergeacutetica puede articularse a traveacutes de ecuaciones
simples En el caso particular el desarrollo es vaacutelido para un proceso de combustioacuten
externa con secado directo Sin embargo actualmente se consiguen en el mercado
herramientas robustas como el Aspen Process Economic Analyzer (APEA) que con la
informacioacuten baacutesica de operacioacuten realiza un anaacutelisis profundo de la destruccioacuten
exergeacutetica asiacute como de la valoracioacuten de alternativas de disentildeo operacioacuten y cambios
tecnoloacutegicos
La Termoeconomiacutea trata de costes bien monetarios (ptaskJ)o puramente energeacuteticos
(kJ de recursokJ de producto) y se utiliza principalmente para la contabilidad
diagnoacutestico mejora y disentildeo y optimizacioacuten de sistemas teacutermicos Pero en mi opinioacuten
abarca maacutes es la ciencia en la que la Termodinaacutemica y en particular el segundo
principio se une con la Economiacutea ambas en un sentido amplio Ahora estamos en el
principio y esta ciencia se construiraacute con las aportaciones de muchos autores no soacutelo
ingenieros mecaacutenicos En el futuro habraacute que poner orden y sistemaacutetica a la gran
cantidad de contribuciones que tanto economistas como fiacutesicos bioacutelogos quiacutemicos o
ldquoTERMOECONOMIacuteArdquo
6
ingenieros quieren encontrar en las analogiacuteas y explicaciones entre la Termodinaacutemica y
la Economiacutea
Vivimos en un mundo finito y pequentildeo para la gente que somos y seremos y los recursos
naturales son un bien escaso Si queremos sobrevivir debemos conservarlos y aprender
a conservarlos mejor y en este propoacutesito la Termoeconomiacutea jugaraacute un papel clave
Debemos conocer los mecanismos por los cuales la energiacutea y los recursos en general se
degradan y debemos tambieacuten aprender y ensentildear a juzgar queacute sistemas trabajan mejor
con objeto de mejorar sistemaacuteticamente los disentildeos y reducir el consumo per capita
Ademaacutes debemos aprender a reutilizar los residuos para evitar dantildeos al ambiente Esto
lo necesitamos urgentemente ya que al menos dos tercios de la humanidad actual vive
maacutes pobremente que el mundo desarrollado actual
Una contabilidad sistemaacutetica de los recursos naturales que se estaacuten consumiendo seriacutea
una herramienta clave para que tomaacuteramos una consciencia global del problema Y en
esta tarea la Termoeconomiacutea jugariacutea un papel clave
ldquoTERMOECONOMIacuteArdquo
7
7 REFERENCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS
Termoeconomiacutea y Optimizacioacuten Energeacutetica mdash OCW UPMocwupmes rsaquo Explotacioacuten de
Minas
La termoeconomiacutea como alternativa para mejorar la competitividad
wwwbdigitalunaleduco466731089410732015pdf
JR Silva Larrottaaplicaciones termoeconoacutemicas del meacutetodo -
PublicationsListorgpublicationslistorgAplicaciones20termoeconomicas20del
20metodo20exer
Termoeconomiacuteahttpszaguanunizaresrecord45719filesguiapdf
Analisis termoeconomico - ResearchGate https wwwresearchgatenet profile
0c960520b5ead8d544000000pdf
MAL SERRANO - 1993 - Universidad de Sevilla Termoeconomiacutea de Sistemas Energ
wwwuses estudiosgradosplan_221asignatura_2210057
Fundamentos de termodinaacutemica teacutecnica https booksgooglecompe booksisbn=
8429143130
Michael J Moran Howard N Shapiro - 2004 - Science-Termoeconomia
la termoeconomiacutea https wwwehueushelburuak-gaitasunak
La Termoeconomiacutea en plantas energeacuteticaswwwscieloclpdfinfotecv21n4art06pdf
ldquoTERMOECONOMIacuteArdquo
8
Identificar las malfunciones de cada componente de un sistema
teacutermico
Evaluar sus efectos sobre la eficiencia global de la planta
Determinar doacutende coacutemo y queacute cantidad de recursos
consumidos pueden ser ahorrados
36 Exergiacutea
La exergiacutea en cambio lleva el prefijo ldquoexrdquo que indica ldquofuerardquo La
introdujo Rant a mediados del siglo XX para designar la capacidad de
realizar trabajo uacutetil sobre el entorno Esta capacidad es lo que caracteriza la
calidad de la energiacutea Hay formas de energiacutea tales como la cineacutetica
eleacutectrica o quiacutemica que pueden transformarse iacutentegramente en trabajo uacutetil
y son pura exergiacutea Hay otras por el contrario tales como el calor o la
radiacioacuten que soacutelo pueden convertirse parcialmente en exergiacutea
Las discrepancias entre la energiacutea y la exergiacutea pueden ser radicales Por
ejemplo cuando se calienta un cuerpo aumenta siempre su energiacutea Lo
mismo ocurre con la exergiacutea cuando la temperatura del cuerpo es superior
al ambiente Al calentarlo aumenta su capacidad de producir trabajo uacutetil
Pero si el cuerpo se encontrase a una temperatura inferior al ambiente es
evidente que dicha capacidad disminuiriacutea aunque su energiacutea aumente La
exergiacutea aumenta al alejarse del equilibrio con el ambiente en uno u otro
sentido Este ejemplo ilustra el hecho de que la exergiacutea depende de los
estados del sistema y de su ambiente y se anula cuando ambos se
encuentran en equilibrio termodinaacutemico
La exergiacutea hace referencia a la utilidad potencial de una determinada
fuente de energiacutea Se puede definir como el trabajo maacuteximo teoacuterico que
podriacutea obtenerse de la interaccioacuten entre un determinado sistema
termodinaacutemico y el ambiente de referencia Si el estado de una cantidad
de materia es diferente al del ambiente existiraacute la posibilidad de producir
trabajo Conforme el sistema evolucione hacia el equilibrio con el
ambiente dicha posibilidad se reduciraacute
El ambiente de referencia hace alusioacuten a una porcioacuten de entorno cuyas
propiedades intensivas no cambian significativamente como resultado de
cualquier proceso que se considere Se consideraraacute como tal un sistema
ldquoTERMOECONOMIacuteArdquo
9
simple compresible de enormes dimensiones con presioacuten p0 y
temperatura T0 uniformes y constantes
Conviene tener en cuenta algunos aspectos adicionales de la exergiacutea
La exergiacutea es una propiedad de los sistemas cerrados
El valor de la exergiacutea no puede ser negativo Las transferencias de
exergiacutea asociadas a flujos de energiacutea en traacutensito (en forma de calor
o trabajo) pueden tener uno u otro signo dependiendo del sentido
y naturaleza de dichos flujos
La exergiacutea no se conserva sino que se destruye a causa de las
irreversibilidades
361 EFICIENCIA EXERGEacuteTICA
Se puede definir como
La dificultad reside en identificar estos teacuterminos para un sistema o
instalacioacuten particular En muchos casos pueden existir distintas
interpretaciones vaacutelidas dentro de un orden loacutegico que suelen depender
de si los flujos exergeacuteticos residuales que abandonan el sistema son o no
aprovechados para otros usos en otra instalacioacuten o en otro elemento de la
misma instalacioacuten
4 SISTEMA Y AMBIENTE
Empezaremos por las nociones de sistema y ambiente
Sistema es aquella parte del Universo que se somete a estudio Ambiente
aquella parte del resto del Universo que puede ejercer alguna accioacuten sobre
el sistema Interesa clasificar los sistemas seguacuten sus posibilidades de
interaccioacuten con su ambiente Un sistema se denomina abierto si puede
intercambiar materia calor y trabajo con su ambiente Se le llama cerrado si
no puede intercambiar materia pero son posibles las transferencias de calor
ldquoTERMOECONOMIacuteArdquo
10
y trabajo Finalmente se le llama aislado cuando no es posible interaccioacuten
alguna con el resto del Universo
Obedeciendo al grado de separacioacuten que estos sistemas presenten respecto
a su entorno es posible reconocer tres tipos distintos
Sistemas abiertos Los maacutes predominantes de todos se caracterizan
por intercambiar energiacutea yo materia con el entorno que los rodea ya
sea tomando de eacutel expulsando hacia eacutel o las dos cosas
Sistemas cerrados A diferencia de los anteriores intercambian energiacutea
(calor trabajo) con el exterior pero nunca materia (su masa permanece
intacta)
Sistemas aislados Se les llama asiacute porque no intercambian ni energiacutea ni
materia de ninguacuten tipo con su entorno se los considera un sistema
desconectado de las dinaacutemicas a su alrededor No existen realmente en
el universo los sistemas totalmente aislados por lo que se consideran
casos de abstraccioacuten en periacuteodos determinados de tiempo Se suponen
en equilibrio termodinaacutemico
41 Sistemas abiertos
ndash El cuerpo humano En tanto estaacute necesitado de materia para
descomponer y obtener energiacutea el cuerpo es un sistema abierto
que requiere de disponibilidad de insumos orgaacutenicos Por otro
lado requiere de expulsar la materia sobrante desechada de
vuelta al medio ambiente De no poder realizar ambas acciones
durante un periacuteodo muy prolongado el sistema falla y se produce
la muerte
ndash Una olla de agua hirviendo La energiacutea introducida al sistema por
el fuego transforma el agua en gas que es liberado de vuelta al
medio ambiente Sin esa inyeccioacuten de calor constante el agua
dejaraacute de hervir y sin espacio para salir el vapor (materia)
aumentaraacute la presioacuten hasta reventar la olla
ndash Una hoguera Para mantener el fuego ardiendo es necesario
proveer a la hoguera de material inflamable ya sea carboacuten o ramas
secas Sin esa materia que consumir el fuego se apagaraacute
ldquoTERMOECONOMIacuteArdquo
11
ndash Un motor a combustioacuten Los motores son sistemas complejos que
generan movimiento a partir de un suministro constante de
combustible gasolina gasoil etc ameacuten de diversos aceites que
reducen la friccioacuten entre sus partes Sin estos aditivos el motor
simplemente no anda o andaraacute poco hasta romperse
ndash La mayoriacutea de las plantas Asiacute como el cuerpo humano las plantas
requieren de materia para su subsistencia (en forma de agua y
nutrientes) y de energiacutea (solar) para llevar a cabo la fotosiacutentesis
vital
ndash Una maacutequina de hacer palomitas de maiacutez En este caso se
requiere del insumo material de los granos de maiacutez que deben
antildeadirse junto con energiacutea eleacutectrica que se traduce en calor y los
hace estallar El resultado por demaacutes vuelve al exterior en forma
de palomitas (pochoclo cotufas etc)
ndash Un compostero El proceso de compost que produce abono para
fertilizar sembradiacuteos opera en base a la introduccioacuten constante en
el compostero de materia orgaacutenica de desecho caacutescaras restos
de comida etc Sin ellos los procesos de degradacioacuten de la materia
se detendriacutean y tambieacuten la produccioacuten del abono
ndash Una trituradora de papel Este artefacto de oficina opera como un
sistema abierto pues requiere de la introduccioacuten de materia
(papel) para triturar y de energiacutea (eleacutectrica) para operar sobre ella
Sin ellos simplemente no sirve para nada
ndash Las saunas Para producir el vapor contenido en los saunas se
requiere de agua (materia) y energiacutea (fuego) para producir el vapor
de agua y permitir que se acumule en el recinto cerrado Despueacutes
de un periacuteodo el vapor desapareceraacute y se necesitaraacute una nueva
inyeccioacuten de insumos al sistema
ndash Un reactor nuclear La electricidad generada en el reactor y que es
conducida hacia el ambiente es producto de la fisioacuten del uranio (u
otros elementos materiales) en una reaccioacuten atoacutemica
controlada que permite generar mucha energiacutea caloacuterica
aprovechable pero tambieacuten muchos desechos toacutexicos que deben
ir a dar a alguacuten lugar del entorno
42 Sistemas cerrados
ldquoTERMOECONOMIacuteArdquo
12
ndash Los bombillos o focos No necesitan materia para operar pero siacute
energiacutea eleacutectrica constante en el momento en que se la corte
cesaraacuten en su emisioacuten de luz que dicho sea de paso es tambieacuten
una forma de energiacutea transmitida al entorno
ndash Una botella de agua friacutea Al estar cerrada la botella la
transferencia de materia entre el sistema y el entorno es
imposible no puede entrar ni salir liacutequido Sin embargo es posible
intercambiar energiacutea el agua se iraacute calentando gradualmente
hasta perder su frialdad
ndash Un teleacutefono celular Si bien no requiere para su funcionamiento
cotidiano que se le introduzca materia (no consume nada) siacute
precisa de electricidad a diario pues al agotarse la bateriacutea dejaraacute
de funcionar Eso claro si tomamos como muestra un periacuteodo
diario en que no haya necesidad de repuestos
ndash Un termoacutemetro Ya que estaacute cerrado hermeacuteticamente el
contenido de un termoacutemetro no variacutea jamaacutes pero siacute reacciona de
acuerdo a la temperatura que percibe es decir es sensible a la
entrada de calor (energiacutea)
ndash El sol A menos que se lo piense en teacuterminos de millares de antildeos
al cabo de los cuales habraacute consumido todo su material y moriraacute el
astro rey es un ejemplo de sistema cerrado que no intercambia
materia con su entorno pero siacute expulsa energiacutea (radiacioacuten solar
luz solar calor) a borbotones
ndash El planeta tierra De forma similar la Tierra opera sin intercambios
de materia con respecto al vaciacuteo que la circunda o a los demaacutes
planetas y objetos celestes pero recibe energiacutea solar
constantemente sin la cual la vida seriacutea un planeta inhabitable
ndash Un envase con comida caliente Cerrado de manera hermeacutetica el
envase impediraacute que la materia en su interior se salga o que entre
nada hacia ella pero incluso asiacute irradiaraacute el calor de la comida hacia
afuera pudiendo quemarnos si fuera el caso
ndash Una bateriacutea Los quiacutemicos en su interior reaccionan y generan
energiacutea que es dirigida hacia el exterior y consumida pero la
materia en su interior no sufre variaciones
ldquoTERMOECONOMIacuteArdquo
13
ndash Los televisores Estos artefactos funcionan a partir del consumo de
energiacutea eleacutectrica para emitir luz de diversos tipos y modulaciones
junto con ondas sonoras al medio externo Pero no requieren de
inyeccioacuten de materia ni la masa en su interior es alterada
ndash Las ollas de presioacuten Dado que no permiten el escape de los gases
generados en su interior para que actuacuteen sobre la comida
cocinaacutendose estos recipientes actuacutean como sistemas cerrados
que impiden el escape de la materia pero no de la energiacutea que
escapa como calor ni de la necesaria para iniciar la coccioacuten
tambieacuten proveniente del afuera
43 Sistemas aislados
ndash Una caja fuerte El contenido en las cajas fuertes estaacute separado
por gruesas capas hermeacuteticas de metal de su entorno aislado de
la materia y de la energiacutea al menos en condiciones normales si la
arrojamos a un volcaacuten es seguro que se derrita y se incinere su
contenido
ndash Los trajes de neopreno Un hombre embutido en estos trajes
usualmente para el buceo o submarinismo se encuentra
protegido durante un periacuteodo de tiempo del intercambio caloacuterico
entre el agua y su cuerpo ameacuten de impedir que eacutesta (materia)
penetre al interior del mismo
ndash Los termos Durante un periacuteodo puntual de tiempo los termos
logran aislar el calor contenido en su interior y evitar la fuga de
energiacutea hacia el medio ambiente a la par que impidiendo el
derramamiento del contenido o la introduccioacuten del mismo No
obstante dado el tiempo suficiente la inevitable fuga del calor
ocurriraacute y el contenido volveraacute a estar friacuteo
ndash Una cava teacutermica Como las empleadas para transportar
alimentos operan en base a la reduccioacuten extrema de la entrada de
calor manteniendo su contenido friacuteo durante un periacuteodo
determinado Una vez superado ese rango de tiempo el contenido
empezaraacute a calentarse
ndash El igluacute de los esquimales Disentildeado para mantener a salvo a sus
habitantes de la materia en movimiento (viento nieve lluvia) y
ademaacutes del enfriamiento extremo de dichos climas puede
ldquoTERMOECONOMIacuteArdquo
14
considerarse un sistema aisladohellip hasta que el habitante tenga que
salir
ndash Una bombona de gas Contenido a presioacuten en su interior el gas
estaacute aislado de la materia y la energiacutea a su alrededor en
condiciones normales ya que es posible que el calentamiento de
la bombona obligue el gas a expandirse y ocurra una tragedia
ndash El universo Dado que no sabemos queacute hay afuera de eacutel ni si hay
un afuera de eacutel debemos suponer que el universo es un sistema
aislado en el que no ingresa ni egresa materia o energiacutea sino que
opera de manera independiente de su entorno
ndash Los alimentos enlatados En condiciones normales estos
alimentos se encuentran lejos de cualquier intercambio de materia
o de energiacutea Claro que seriacutea posible someter la lata a
calentamiento o enfriamiento e incluso fundirla en temperaturas
extremas pero incluso asiacute durante unos (breves) instantes la
comida estaraacute aislada por completo del calor
ndash Una caacutemara hiperbaacuterica Uacutetiles justamente para aislar de las
condiciones atmosfeacutericas a los buzos con burbujas de nitroacutegeno en
la sangre no permiten cuando en funcionamiento el intercambio
de materia ni de energiacutea o al menos no en cantidades apreciables
y significativas
ndash La mente humana Dado que no requiere del intercambio de
materia ni de energiacutea es quizaacute uno de los ejemplos de sistema
aislado maacutes factibles Esto claro sin tomar en cuenta el lado fiacutesico
de la misma el cerebro y el cuerpo humanos en absoluto
En el anaacutelisis de un sistema es preciso conocer y manejar un conjunto
de magnitudes que son las llamadas propiedades termodinaacutemicas del
sistema Estas propiedades pueden ser de dos tipos
ndash Intensivas que miden propiedades locales tales como la presioacuten
temperatura densidad etc y no dependen de la cantidad de
materia contenida en el sistema o cualquiera de sus partes
ndash Extensivas que siacute dependen de la cantidad de materia tales como
la masa el volumen o la energiacutea Si no se toman en consideracioacuten
los efectos en los liacutemites o fronteras del sistema ni las acciones a
ldquoTERMOECONOMIacuteArdquo
15
distancia su valor total para el conjunto del sistema es igual a la
suma de sus valores en cada una de las partes que lo formen
Se dice que un sistema es homogeacuteneo cuando sus propiedades
intensivas no variacutean al pasar de unos puntos a otros del mismo El
sistema es heterogeacuteneo en caso contrario Frecuentemente los
sistemas heterogeacuteneos estaacuten formados por dos o maacutes porciones
homogeacuteneas llamadas fases tales que al pasar de unas a otras sufren
un salto brusco las propiedades intensivas Las propiedades extensivas
de los sistemas homogeacuteneos son proporcionales a su cantidad de
materia Igual ocurre con cada una de las fases que forman uno
heterogeacuteneo
El estado de un sistema o de una fase queda determinado por el
conjunto de sus propiedades termodinaacutemicas las cuales ndashpor ellondash se
llaman tambieacuten variables o funciones de estado Una de las cuestiones
a que da respuesta la termodinaacutemica es la determinacioacuten del nuacutemero
necesario y suficiente de variables independientes precisas para
determinar el estado de un sistema La termodinaacutemica maneja tambieacuten
magnitudes que se refieren a procesos o transformaciones y por tanto
no son propiedades de ninguacuten sistema Por ejemplo el trabajo
realizado por un sistema durante una cierta transformacioacuten es algo
caracteriacutestico de eacutesta y no del sistema o su ambiente Esto ocurre en
general con todos los intercambios
Cuando un sistema se deja abandonado a siacute mismo sin otras
interacciones que las que puedan producirse con su ambiente sus
propiedades termodinaacutemicas podraacuten ir variando con el tiempo Es
posible que llegue un instante a partir del cual se mantengan
inalteradas todas sus propiedades y cese cualquier intercambio de
materia y energiacutea con el ambiente Se dice entonces que el sistema se
encuentra en equilibrio termodinaacutemico Eacuteste es un concepto muy
general de equilibrio y comprende como aspectos particulares todos
los tipos especiacuteficos de equilibrio considerados en Fiacutesica o en Quiacutemica
Toda diferencia de valores en alguna propiedad intensiva ndash dentro del
sistema o entre eacuteste y su ambiente ndash constituye un desequilibrio El
sistema tiende hacia el equilibrio reduciendo tales diferencias Las
diferencias de presioacuten provocan flujos de materia las de temperatura
ldquoTERMOECONOMIacuteArdquo
16
flujos de calor etc El estado de equilibrio termodinaacutemico
corresponde a la eliminacioacuten de todas las diferencias posibles entre los
valores locales de cualquiera de sus propiedades intensivas en su
interior o en relacioacuten con su ambiente Asiacute puede hablarse de equilibrio
mecaacutenico teacutermico quiacutemico etc que no son maacutes que aspectos
parciales del equilibrio termodinaacutemico
Para que se produzca espontaacuteneamente un proceso es necesaria la
existencia previa de alguacuten desequilibrio bien dentro del sistema o
entre eacuteste y su ambiente Como caso liacutemite puede concebirse un
proceso ideal formado por una sucesioacuten continua de estados de
equilibrio Tal proceso se denomina reversible Aunque en rigor todo
proceso real es irreversible el anaacutelisis de procesos reversibles es muy
uacutetil como aproximacioacuten en caacutelculos teoacutericos y para obtener patrones de
referencia en muchas situaciones
Como acabamos de ver durante el proceso de aproximacioacuten al
equilibrio pueden ir variando en general las propiedades
termodinaacutemicas intensivas y extensivas del sistema En tal caso se dice
que el proceso se produce en reacutegimen transitorio o variable En
procesos industriales en sistemas abiertos es usual que se mantengan
deliberadamente constantes ciertos desequilibrios (en presiones o
temperaturas por ejemplo) permitiendo al mismo tiempo
intercambios de materia y energiacutea con el ambiente de modo que las
propiedades termodinaacutemicas del sistema permanezcan invariables en
el tiempo Los procesos tienen lugar entonces en reacutegimen permanente
o estacionario En tal caso en particular se conservan constantes las
propiedades extensivas del sistema tales como su masa o su volumen
y esto obliga a que las cantidades de materia entrantes y salientes sean
iguales La mayoriacutea de los procesos industriales se desarrollan la mayor
parte del tiempo en reacutegimen permanente que es el maacutes faacutecil de
gobernar y con el que se controla mejor la cantidad y calidad de la
produccioacuten
44 Temperatura
La termodinaacutemica antildeade una cuarta magnitud fundamental a las
tres aportadas por la mecaacutenica (longitud masa y tiempo) Es eacutesta
ldquoTERMOECONOMIacuteArdquo
17
la temperatura cuya definicioacuten estaacute vinculada al equilibrio
teacutermico Para desarrollar este concepto tomamos dos sistemas
homogeacuteneos cerrados ndash cada uno de ellos en equilibrio y los
ponemos en contacto de tal modo que ninguno de ellos pueda
realizar trabajo sobre el otro (el llamado contacto teacutermico) Si
permanecen en equilibrio sin experimentar alteracioacuten alguna en
sus respectivos estados diremos que se encuentran a una misma
temperatura En general se llama temperatura a la magnitud que
determina si un sistema permaneceraacute en equilibrio al llevarlo al
contacto teacutermico con otros Se dice que dos sistemas tienen
iguales temperaturas si sus estados iniciales de equilibrio no se
alteran al ponerlos en contacto teacutermico Si no permanecen en
equilibrio sus temperaturas seraacuten diferentes En este uacuteltimo caso
desde el momento en que se ponen en contacto ambos sistemas
experimentan una serie de alteraciones hasta llegar a un nuevo
estado de equilibrio en el cual sus temperaturas se habraacuten hecho
iguales
Consideremos ahora dos sistemas A y B cuyas temperaturas
queremos comparar Para ello tomamos un tercer sistema C y lo
llevamos sucesivamente al contacto teacutermico con A y B Si el estado
de C no se altera en ninguna de estas operaciones se observa
experimentalmente que tampoco se alteran los de A y B si se les
pone directamente en contacto Este hecho experimental no
evidente por siacute mismo se establece como un principio
fundamental con el nombre de Principio Cero de la
Termodinaacutemica Si un sistema estaacute en equilibrio teacutermico con otros
dos eacutestos lo estaraacuten a su vez entre siacute Asiacute puede darse un valor
cuantitativo a la nocioacuten de temperatura (temperatura empiacuterica)
mediante una seleccioacuten conveniente del tercer sistema que seriacutea
el termoacutemetro
Usualmente se emplean dos escalas termomeacutetricas la de Celsius y
la de Kelvin Los valores t y T respectivos estaacuten relacionados por la
expresioacuten
ldquoTERMOECONOMIacuteArdquo
18
T = 27315 K + t helliphellip(expresioacuten 1)
La unidad internacional de temperatura es el Kelvin (K) Cuando se
emplea la escala de Celsius la unidad se representa por degC igual al
K ya que la uacutenica diferencia entre ambas escalas es la posicioacuten del
cero El empleo de siacutembolos diferentes sirve uacutenicamente para
caracterizar este hecho Cuando revisemos el Segundo Principio de
la Termodinaacutemica apreciaremos la base teoacuterica en que se sustenta
la escala de Kelvin o absoluta
Usualmente se emplean dos escalas termomeacutetricas la de Celsius y
la de Kelvin Los valores t y respectivos estaacuten relacionados por la
expresioacuten
441 El Primer Principio de la Termodinaacutemica
Su formulacioacuten no es maacutes que una expresioacuten del Principio de
la Conservacioacuten de la Energiacutea en la que se hace aparecer
expliacutecitamente la transferencia de calor Para todo proceso en
el sistema cerrado de la figura adjunta se verifica
en donde el primer miembro representa el intercambio neto
de energiacutea con su ambiente y el segundo el incremento de la
propiedad termodinaacutemica energiacutea En esta foacutermula hemos
seguido el convenio de considerar positivos el calor entrante
en el sistema y el trabajo realizado por eacuteste El Primer
Principio consiste precisamente en el reconocimiento de la
energiacutea como una propiedad termodinaacutemica del sistema Por
lo tanto los intercambios energeacuteticos del primer miembro de
la ecuacioacuten anterior dependen de los estados extremos 1 y 2
y del proceso seguido para pasar como se observa en la
siguiente figura
ldquoTERMOECONOMIacuteArdquo
19
Repasemos brevemente el significado de las magnitudes que
aparecen en la expresioacuten del Primer principio
Calor Es la forma de intercambio energeacutetico que se
produce entre dos sistemas cerrados a distintas
temperaturas cuando se les pone en contacto teacutermico
Equivale a afirmar que el flujo de calor se debe a los
desequilibrios teacutermicos Maacutes adelante volveremos sobre
esta cuestioacuten
Trabajo Muchas de las formas de trabajo que se
manejan habitualmente en ingenieriacutea termodinaacutemica
obedecen a la siguiente definicioacuten Trabajo es el
intercambio energeacutetico que se produce cuando se
desplaza una superficie de control a traveacutes de la cual
actuacutea una fuerza Si consideramos una fuerza F ejercida
por el sistema sobre el ambiente a traveacutes de la superficie
de control la cual experimenta un desplazamiento
elemental (vectorial) dr el trabajo elemental realizado
por el sistema seraacute el producto escalar de F por dr
Energiacutea La energiacutea de un sistema queda determinada
por factores muy diversos su posicioacuten en un campo de
fuerzas (energiacutea potencial mgz en donde m es la
masa g la aceleracioacuten de la gravedad y z la altitud si nos
referimos al campo gravitatorio terrestre) su
movimiento como un todo (energiacutea cineacutetica mc22 en
donde c es la velocidad) o la energiacutea debida a la
estructura el movimiento y las interacciones de las
ldquoTERMOECONOMIacuteArdquo
20
moleacuteculas aacutetomos y partiacuteculas que lo constituyen
(energiacutea interna U)
442 El Segundo Principio de la Termodinaacutemica
Puede afirmarse que el Primer Principio postula la existencia
de la funcioacuten de estado energiacutea cuya diferencial verifica De
una forma similar enunciaremos el Segundo Principio para
un sistema cerrado como sigue
Existe una funcioacuten de estado extensiva S llamada entropiacutea
con las dimensiones energiacuteatemperatura caracterizada por
las siguientes propiedades
a) Puede variar uacutenicamente por intercambio de calor con el
ambiente o por generacioacuten o creacioacuten interna en el propio
sistema
b) La entropiacutea debida al intercambio de calor con el ambiente
verifica
El valor de este teacutermino puede ser por tanto positivo
negativo o nulo seguacuten lo sea δQ
c) La entropiacutea generada en el sistema no puede ser negativa
y soacutelo seraacute nula cuando el proceso sea reversible En caso contrario
es siempre positiva Por tanto δS g es positiva para todo proceso
espontaacuteneo
5 ECOLOGIA INDUSTRIAL
Desde finales del siglo XX se abre paso el innovador concepto de la Ecologiacutea Industrial
Tradicionalmente se ha considerado que la fabricacioacuten comienza cuando las materias
primas entran en el proceso de produccioacuten y termina con la expedicioacuten del producto
acabado La Ecologiacutea Industrial va maacutes lejos considera las fuentes de abastecimiento de
materias primas los efectos de su extraccioacuten y el destino final del producto una vez agotada
su vida uacutetil entre otros aspectos
51 Aplicacioacuten de la Termoeconomiacutea a la Ecologiacutea Industrial
Definido el objeto del presente trabajo y una vez introducida la Ecologiacutea Industrial y
la Termoeconomiacutea surge la siguiente cuestioacuten iquestpor queacute aplicar la Termoeconomiacutea a
la Ecologiacutea Industrial La respuesta parte de la base de que la integracioacuten de procesos
industriales mediante intercambios mutuos de recursos productos y residuos
implica entre otros beneficios ahorros energeacuteticos Y el modo maacutes objetivo para
cuantificar dichos ahorros es mediante las leyes de la termodinaacutemica (Valero et al
2010) Es decir se trata de tener en consideracioacuten no soacutelo la primera ley de la
termodinaacutemica la cual indica que la energiacutea se conserva transformaacutendose de una
forma a otra sino tambieacuten la segunda ley de la termodinaacutemica que reconoce la
existencia de formas de energiacutea maacutes uacutetiles y menos degradadas que otras Por tanto
la combinacioacuten de ambas leyes indica que no es una cuestioacuten de cantidad de energiacutea
ahorrada sino de la calidad de esa energiacutea es decir de su contenido exergeacutetico El
presente trabajo trata de explicar las metodologiacuteas que la Termoeconomiacutea
actualmente estaacute aplicando al anaacutelisis optimizacioacuten y diagnoacutestico de sistemas
energeacuteticos tales como centrales teacutermicas a la Ecologiacutea Industrial y complejo
modelo de Simbiosis Industrial El anaacutelisis termoeconoacutemico puede ayudar a resolver
problemas importantes tales como identificar posibles integraciones mejorar la
eficiencia cuantificar los beneficios obtenidos por la integracioacuten o determinar los
precios en base a criterios fiacutesicos (Valero et al 2010) Conviene describir tambieacuten la
utilizacioacuten de la Termoeconomiacutea como herramienta de anaacutelisis en ecoparques
industriales Por tanto se puede afirmar que la Ecologiacutea Industrial representa un
campo de aplicacioacuten emergente para el anaacutelisis termoeconoacutemico
ldquoTERMOECONOMIacuteArdquo
1
52 Modelo de Simbiosis Industrial de Kalundborg
El ejemplo praacutectico maacutes reconocido mundialmente en el aacutembito de la Ecologiacutea
Industrial es el de la ciudad danesa de Kalundborg en el cual se acuntildeoacute la palabra de
Simbiosis Industrial Constituye la primera referencia de creacioacuten de una red de
ntercambios entre diversas industrias localizadas en un aacuterea comuacuten y su eacutexito
ha generado un aumento del apoyo institucional para la implantacioacuten de esta
estrategia en otros lugares
La experiencia empezoacute cuando unas pocas empresas trataron de minimizar el
consumo de agua subterraacutenea empleando agua de un lago cercano A raiacutez de ello
con el tiempo se ha establecido una compleja red de intercambios cooperativos en
tres aacutereas agua energiacutea y subproductos adoptando tambieacuten la denominacioacuten
de ecoparque o ecosistema industrial
Integrantes
Actualmente el modelo de Simbiosis Industrial de Kalundborg estaacute constituido
por cinco participantes principales maacutes otros diez participantes secundarios
Principales Participantes
Flujos
La red de intercambio de recursos entre los distintos participantes de la Simbiosis
Industrial estaacute compuesta por 31 flujos los cuales se pueden clasificar en tres
categoriacuteas
ldquoTERMOECONOMIacuteArdquo
2
a) Flujos hiacutedricos
Imagen de Flujos Hiacutedricos
Fuente httpwwwbdigitalunaleduco466731089410732015pdf
b) Flujos energeacuteticos
Imagen de Flujos Energeacuteticos
Fuente httpwwwbdigitalunaleduco466731089410732015pdf
ldquoTERMOECONOMIacuteArdquo
3
c) Flujos de subproductos
Imagen de Flujos de Subproductos
Fuente httpwwwbdigitalunaleduco466731089410732015pdf
53 Beneficios ambientales
Los beneficios ambientales asociados a la Simbiosis Industrial estaacuten determinados
por ahorros en el consumo de agua combustible y materia prima dichos
ahorros conllevan disminuir los residuos generados asiacute como las emisiones de
contaminantes como se muestra en la tabla siguiente
Sin embargo es complejo determinar todos los beneficios globales de la Simbiosis
Industrial puesto que muchos de los flujos presentes en el ecosistema
industrial generan un doble beneficio En el caso de los flujos de residuos su
valorizacioacuten conlleva por un lado evitar la ldquoeliminacioacutenrdquo de dicho residuo y por el
otro se evita el consumo de la materia prima asiacute como de todos los recursos
ldquoTERMOECONOMIacuteArdquo
4
asociados a la obtencioacuten de la misma que seriacutea necesario si no se llevara a cabo la
valorizacioacuten
Por ejemplo los procesos de desulfuracioacuten en la central teacutermica y la refineriacutea
ademaacutes de evitar la emisioacuten de dioacutexido de azufre a la atmoacutesfera producen yeso y
tiosulfato de amonio respectivamente La valorizacioacuten de estos dos residuos
supone para los emisores evitar su ldquoeliminacioacutenrdquo y para los receptores en el caso
del yeso se reduce la importacioacuten de yeso natural mientras que en el caso del
tiosulfato de amonio se ahorra en materias primas y recursos correspondientes a
su obtencioacuten Con las cenizas ocurre exactamente lo mismo su valorizacioacuten
repercute en una menor necesidad de clinker y por tanto de los recursos
necesarios para su fabricacioacuten El fertilizante y la levadura suministrada por Novo
Group disminuyen la cantidad de residuos generados y a su vez evitan el
consumo de nuevas materias primas y recursos asociados a la fabricacioacuten de
ambos productos
En el caso de los flujos energeacuteticos como por ejemplo el gas excedente de la
refineriacutea o la energiacutea teacutermica residual de la central en origen conlleva evitar su
disipacioacuten al medioambiente mientras que para los receptores repercute en un
ahorro sustancial de combustible
En cuanto a los flujos hiacutedricos el principal beneficio ambiental alcanzado es el
ahorro en el consumo de agua focalizado en sus inicios en la sustitucioacuten de
agua subterraacutenea por agua superficial y maacutes tarde en la reutilizacioacuten
Ademaacutes en teacuterminos econoacutemicos tambieacuten se han alcanzado beneficios
sustanciales
Como ejemplo para el antildeo 2000 ya se habiacutean invertido 75 millones de doacutelares en
19 proyectos con un ahorro estimado de 15 millones de doacutelares (Cervantes et al
2009) 6 Caso de estudio La aplicacioacuten de la Termoeconomiacutea al modelo de
Simbiosis Industrial de Kalundborg precisa de la definicioacuten de un caso de estudio
sobre dicho modelo que permita su caracterizacioacuten en teacuterminos de exergiacutea
En este sentido la informacioacuten teacutecnica recopilada sobre los flujos
intercambiados limita el alcance del caso de estudio establecido Sin embargo
fruto de una extensa y laboriosa buacutesqueda bibliograacutefica se ha elaborado un caso
de estudio que incluye los flujos maacutes representativos de la Simbiosis Industrial
de Kalundborg
ldquoTERMOECONOMIacuteArdquo
5
6 CONCLUSIONES
El anaacutelisis exergeacutetico se constituye en una soacutelida herramienta para entender la dinaacutemica
energeacutetica de los procesos de la naturaleza y de los procesos artificiales Sus aplicaciones
son ilimitadas en el sentido que toda accioacuten microscoacutepica o macroscoacutepica demanda un
consumo energeacutetico valioso
El verdadero potencial de ahorro energeacutetico de un sector industrial no se puede valorar
uacutenicamente a partir de la sustitucioacuten de energeacuteticos como consecuencia del
comportamiento del mercado o por la sustitucioacuten de tecnologiacuteas por el efecto de
nuevos desarrollos sino a traveacutes de un balance exergeacutetico que determine las
condiciones maacuteximas de operacioacuten a partir del propoacutesito de cada accioacuten o proceso
Por medio del anaacutelisis termoeconoacutemico es posible la cuantificacioacuten de intangibles
contables y fiacutesicos representados en la destruccioacuten de exergiacutea causada por muacuteltiples
factores como erroacutenea eleccioacuten de un combustible de un mecanismo de un lugar de
operacioacuten fallas de operacioacuten en los procesos erroacuteneos paraacutemetros de operacioacuten etc
A partir de la primera ley de la termodinaacutemica se establecioacute el precepto baacutesico de la
transformacioacuten de energiacutea no se crea no se destruye se transforma en calor en
trabajo aumenta o disminuye la energiacutea interna la segunda ley direcciona los procesos
e integra una nueva propiedad termodinaacutemica denominada entropiacutea asociada al
desorden y a las condiciones de irreversibilidad de los procesos reales El anaacutelisis
exergeacutetico complementa las leyes anteriores considerando el propoacutesito y coacutemo a traveacutes
de su desarrollo se destruye la exergiacutea pese a la conservacioacuten de la energiacutea
La metodologiacutea desarrollada para el anaacutelisis termoeconoacutemico del caso tiene validez para
cualquier proceso industrial porque contempla la valoracioacuten exergeacutetica del uso de los
recursos Si la valoracioacuten fuera de caraacutecter sectorial la metodologiacutea seriacutea la misma soacutelo
que tendriacutea que apoyarse en las estadiacutesticas de consumo energeacutetico por sector y se hariacutea
necesario evaluar la exergiacutea fiacutesica y quiacutemica de todos los recursos involucradosComo
punto de partida seriacutea recomendable valorar la exergiacutea quiacutemica de los hidrocarburos
producidos en Peruacute
Las herramientas de caacutelculo favorecen las evaluaciones termoeconoacutemicas de los
procesos faacutecilmente la teoriacutea exergeacutetica puede articularse a traveacutes de ecuaciones
simples En el caso particular el desarrollo es vaacutelido para un proceso de combustioacuten
externa con secado directo Sin embargo actualmente se consiguen en el mercado
herramientas robustas como el Aspen Process Economic Analyzer (APEA) que con la
informacioacuten baacutesica de operacioacuten realiza un anaacutelisis profundo de la destruccioacuten
exergeacutetica asiacute como de la valoracioacuten de alternativas de disentildeo operacioacuten y cambios
tecnoloacutegicos
La Termoeconomiacutea trata de costes bien monetarios (ptaskJ)o puramente energeacuteticos
(kJ de recursokJ de producto) y se utiliza principalmente para la contabilidad
diagnoacutestico mejora y disentildeo y optimizacioacuten de sistemas teacutermicos Pero en mi opinioacuten
abarca maacutes es la ciencia en la que la Termodinaacutemica y en particular el segundo
principio se une con la Economiacutea ambas en un sentido amplio Ahora estamos en el
principio y esta ciencia se construiraacute con las aportaciones de muchos autores no soacutelo
ingenieros mecaacutenicos En el futuro habraacute que poner orden y sistemaacutetica a la gran
cantidad de contribuciones que tanto economistas como fiacutesicos bioacutelogos quiacutemicos o
ldquoTERMOECONOMIacuteArdquo
6
ingenieros quieren encontrar en las analogiacuteas y explicaciones entre la Termodinaacutemica y
la Economiacutea
Vivimos en un mundo finito y pequentildeo para la gente que somos y seremos y los recursos
naturales son un bien escaso Si queremos sobrevivir debemos conservarlos y aprender
a conservarlos mejor y en este propoacutesito la Termoeconomiacutea jugaraacute un papel clave
Debemos conocer los mecanismos por los cuales la energiacutea y los recursos en general se
degradan y debemos tambieacuten aprender y ensentildear a juzgar queacute sistemas trabajan mejor
con objeto de mejorar sistemaacuteticamente los disentildeos y reducir el consumo per capita
Ademaacutes debemos aprender a reutilizar los residuos para evitar dantildeos al ambiente Esto
lo necesitamos urgentemente ya que al menos dos tercios de la humanidad actual vive
maacutes pobremente que el mundo desarrollado actual
Una contabilidad sistemaacutetica de los recursos naturales que se estaacuten consumiendo seriacutea
una herramienta clave para que tomaacuteramos una consciencia global del problema Y en
esta tarea la Termoeconomiacutea jugariacutea un papel clave
ldquoTERMOECONOMIacuteArdquo
7
7 REFERENCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS
Termoeconomiacutea y Optimizacioacuten Energeacutetica mdash OCW UPMocwupmes rsaquo Explotacioacuten de
Minas
La termoeconomiacutea como alternativa para mejorar la competitividad
wwwbdigitalunaleduco466731089410732015pdf
JR Silva Larrottaaplicaciones termoeconoacutemicas del meacutetodo -
PublicationsListorgpublicationslistorgAplicaciones20termoeconomicas20del
20metodo20exer
Termoeconomiacuteahttpszaguanunizaresrecord45719filesguiapdf
Analisis termoeconomico - ResearchGate https wwwresearchgatenet profile
0c960520b5ead8d544000000pdf
MAL SERRANO - 1993 - Universidad de Sevilla Termoeconomiacutea de Sistemas Energ
wwwuses estudiosgradosplan_221asignatura_2210057
Fundamentos de termodinaacutemica teacutecnica https booksgooglecompe booksisbn=
8429143130
Michael J Moran Howard N Shapiro - 2004 - Science-Termoeconomia
la termoeconomiacutea https wwwehueushelburuak-gaitasunak
La Termoeconomiacutea en plantas energeacuteticaswwwscieloclpdfinfotecv21n4art06pdf
ldquoTERMOECONOMIacuteArdquo
9
simple compresible de enormes dimensiones con presioacuten p0 y
temperatura T0 uniformes y constantes
Conviene tener en cuenta algunos aspectos adicionales de la exergiacutea
La exergiacutea es una propiedad de los sistemas cerrados
El valor de la exergiacutea no puede ser negativo Las transferencias de
exergiacutea asociadas a flujos de energiacutea en traacutensito (en forma de calor
o trabajo) pueden tener uno u otro signo dependiendo del sentido
y naturaleza de dichos flujos
La exergiacutea no se conserva sino que se destruye a causa de las
irreversibilidades
361 EFICIENCIA EXERGEacuteTICA
Se puede definir como
La dificultad reside en identificar estos teacuterminos para un sistema o
instalacioacuten particular En muchos casos pueden existir distintas
interpretaciones vaacutelidas dentro de un orden loacutegico que suelen depender
de si los flujos exergeacuteticos residuales que abandonan el sistema son o no
aprovechados para otros usos en otra instalacioacuten o en otro elemento de la
misma instalacioacuten
4 SISTEMA Y AMBIENTE
Empezaremos por las nociones de sistema y ambiente
Sistema es aquella parte del Universo que se somete a estudio Ambiente
aquella parte del resto del Universo que puede ejercer alguna accioacuten sobre
el sistema Interesa clasificar los sistemas seguacuten sus posibilidades de
interaccioacuten con su ambiente Un sistema se denomina abierto si puede
intercambiar materia calor y trabajo con su ambiente Se le llama cerrado si
no puede intercambiar materia pero son posibles las transferencias de calor
ldquoTERMOECONOMIacuteArdquo
10
y trabajo Finalmente se le llama aislado cuando no es posible interaccioacuten
alguna con el resto del Universo
Obedeciendo al grado de separacioacuten que estos sistemas presenten respecto
a su entorno es posible reconocer tres tipos distintos
Sistemas abiertos Los maacutes predominantes de todos se caracterizan
por intercambiar energiacutea yo materia con el entorno que los rodea ya
sea tomando de eacutel expulsando hacia eacutel o las dos cosas
Sistemas cerrados A diferencia de los anteriores intercambian energiacutea
(calor trabajo) con el exterior pero nunca materia (su masa permanece
intacta)
Sistemas aislados Se les llama asiacute porque no intercambian ni energiacutea ni
materia de ninguacuten tipo con su entorno se los considera un sistema
desconectado de las dinaacutemicas a su alrededor No existen realmente en
el universo los sistemas totalmente aislados por lo que se consideran
casos de abstraccioacuten en periacuteodos determinados de tiempo Se suponen
en equilibrio termodinaacutemico
41 Sistemas abiertos
ndash El cuerpo humano En tanto estaacute necesitado de materia para
descomponer y obtener energiacutea el cuerpo es un sistema abierto
que requiere de disponibilidad de insumos orgaacutenicos Por otro
lado requiere de expulsar la materia sobrante desechada de
vuelta al medio ambiente De no poder realizar ambas acciones
durante un periacuteodo muy prolongado el sistema falla y se produce
la muerte
ndash Una olla de agua hirviendo La energiacutea introducida al sistema por
el fuego transforma el agua en gas que es liberado de vuelta al
medio ambiente Sin esa inyeccioacuten de calor constante el agua
dejaraacute de hervir y sin espacio para salir el vapor (materia)
aumentaraacute la presioacuten hasta reventar la olla
ndash Una hoguera Para mantener el fuego ardiendo es necesario
proveer a la hoguera de material inflamable ya sea carboacuten o ramas
secas Sin esa materia que consumir el fuego se apagaraacute
ldquoTERMOECONOMIacuteArdquo
11
ndash Un motor a combustioacuten Los motores son sistemas complejos que
generan movimiento a partir de un suministro constante de
combustible gasolina gasoil etc ameacuten de diversos aceites que
reducen la friccioacuten entre sus partes Sin estos aditivos el motor
simplemente no anda o andaraacute poco hasta romperse
ndash La mayoriacutea de las plantas Asiacute como el cuerpo humano las plantas
requieren de materia para su subsistencia (en forma de agua y
nutrientes) y de energiacutea (solar) para llevar a cabo la fotosiacutentesis
vital
ndash Una maacutequina de hacer palomitas de maiacutez En este caso se
requiere del insumo material de los granos de maiacutez que deben
antildeadirse junto con energiacutea eleacutectrica que se traduce en calor y los
hace estallar El resultado por demaacutes vuelve al exterior en forma
de palomitas (pochoclo cotufas etc)
ndash Un compostero El proceso de compost que produce abono para
fertilizar sembradiacuteos opera en base a la introduccioacuten constante en
el compostero de materia orgaacutenica de desecho caacutescaras restos
de comida etc Sin ellos los procesos de degradacioacuten de la materia
se detendriacutean y tambieacuten la produccioacuten del abono
ndash Una trituradora de papel Este artefacto de oficina opera como un
sistema abierto pues requiere de la introduccioacuten de materia
(papel) para triturar y de energiacutea (eleacutectrica) para operar sobre ella
Sin ellos simplemente no sirve para nada
ndash Las saunas Para producir el vapor contenido en los saunas se
requiere de agua (materia) y energiacutea (fuego) para producir el vapor
de agua y permitir que se acumule en el recinto cerrado Despueacutes
de un periacuteodo el vapor desapareceraacute y se necesitaraacute una nueva
inyeccioacuten de insumos al sistema
ndash Un reactor nuclear La electricidad generada en el reactor y que es
conducida hacia el ambiente es producto de la fisioacuten del uranio (u
otros elementos materiales) en una reaccioacuten atoacutemica
controlada que permite generar mucha energiacutea caloacuterica
aprovechable pero tambieacuten muchos desechos toacutexicos que deben
ir a dar a alguacuten lugar del entorno
42 Sistemas cerrados
ldquoTERMOECONOMIacuteArdquo
12
ndash Los bombillos o focos No necesitan materia para operar pero siacute
energiacutea eleacutectrica constante en el momento en que se la corte
cesaraacuten en su emisioacuten de luz que dicho sea de paso es tambieacuten
una forma de energiacutea transmitida al entorno
ndash Una botella de agua friacutea Al estar cerrada la botella la
transferencia de materia entre el sistema y el entorno es
imposible no puede entrar ni salir liacutequido Sin embargo es posible
intercambiar energiacutea el agua se iraacute calentando gradualmente
hasta perder su frialdad
ndash Un teleacutefono celular Si bien no requiere para su funcionamiento
cotidiano que se le introduzca materia (no consume nada) siacute
precisa de electricidad a diario pues al agotarse la bateriacutea dejaraacute
de funcionar Eso claro si tomamos como muestra un periacuteodo
diario en que no haya necesidad de repuestos
ndash Un termoacutemetro Ya que estaacute cerrado hermeacuteticamente el
contenido de un termoacutemetro no variacutea jamaacutes pero siacute reacciona de
acuerdo a la temperatura que percibe es decir es sensible a la
entrada de calor (energiacutea)
ndash El sol A menos que se lo piense en teacuterminos de millares de antildeos
al cabo de los cuales habraacute consumido todo su material y moriraacute el
astro rey es un ejemplo de sistema cerrado que no intercambia
materia con su entorno pero siacute expulsa energiacutea (radiacioacuten solar
luz solar calor) a borbotones
ndash El planeta tierra De forma similar la Tierra opera sin intercambios
de materia con respecto al vaciacuteo que la circunda o a los demaacutes
planetas y objetos celestes pero recibe energiacutea solar
constantemente sin la cual la vida seriacutea un planeta inhabitable
ndash Un envase con comida caliente Cerrado de manera hermeacutetica el
envase impediraacute que la materia en su interior se salga o que entre
nada hacia ella pero incluso asiacute irradiaraacute el calor de la comida hacia
afuera pudiendo quemarnos si fuera el caso
ndash Una bateriacutea Los quiacutemicos en su interior reaccionan y generan
energiacutea que es dirigida hacia el exterior y consumida pero la
materia en su interior no sufre variaciones
ldquoTERMOECONOMIacuteArdquo
13
ndash Los televisores Estos artefactos funcionan a partir del consumo de
energiacutea eleacutectrica para emitir luz de diversos tipos y modulaciones
junto con ondas sonoras al medio externo Pero no requieren de
inyeccioacuten de materia ni la masa en su interior es alterada
ndash Las ollas de presioacuten Dado que no permiten el escape de los gases
generados en su interior para que actuacuteen sobre la comida
cocinaacutendose estos recipientes actuacutean como sistemas cerrados
que impiden el escape de la materia pero no de la energiacutea que
escapa como calor ni de la necesaria para iniciar la coccioacuten
tambieacuten proveniente del afuera
43 Sistemas aislados
ndash Una caja fuerte El contenido en las cajas fuertes estaacute separado
por gruesas capas hermeacuteticas de metal de su entorno aislado de
la materia y de la energiacutea al menos en condiciones normales si la
arrojamos a un volcaacuten es seguro que se derrita y se incinere su
contenido
ndash Los trajes de neopreno Un hombre embutido en estos trajes
usualmente para el buceo o submarinismo se encuentra
protegido durante un periacuteodo de tiempo del intercambio caloacuterico
entre el agua y su cuerpo ameacuten de impedir que eacutesta (materia)
penetre al interior del mismo
ndash Los termos Durante un periacuteodo puntual de tiempo los termos
logran aislar el calor contenido en su interior y evitar la fuga de
energiacutea hacia el medio ambiente a la par que impidiendo el
derramamiento del contenido o la introduccioacuten del mismo No
obstante dado el tiempo suficiente la inevitable fuga del calor
ocurriraacute y el contenido volveraacute a estar friacuteo
ndash Una cava teacutermica Como las empleadas para transportar
alimentos operan en base a la reduccioacuten extrema de la entrada de
calor manteniendo su contenido friacuteo durante un periacuteodo
determinado Una vez superado ese rango de tiempo el contenido
empezaraacute a calentarse
ndash El igluacute de los esquimales Disentildeado para mantener a salvo a sus
habitantes de la materia en movimiento (viento nieve lluvia) y
ademaacutes del enfriamiento extremo de dichos climas puede
ldquoTERMOECONOMIacuteArdquo
14
considerarse un sistema aisladohellip hasta que el habitante tenga que
salir
ndash Una bombona de gas Contenido a presioacuten en su interior el gas
estaacute aislado de la materia y la energiacutea a su alrededor en
condiciones normales ya que es posible que el calentamiento de
la bombona obligue el gas a expandirse y ocurra una tragedia
ndash El universo Dado que no sabemos queacute hay afuera de eacutel ni si hay
un afuera de eacutel debemos suponer que el universo es un sistema
aislado en el que no ingresa ni egresa materia o energiacutea sino que
opera de manera independiente de su entorno
ndash Los alimentos enlatados En condiciones normales estos
alimentos se encuentran lejos de cualquier intercambio de materia
o de energiacutea Claro que seriacutea posible someter la lata a
calentamiento o enfriamiento e incluso fundirla en temperaturas
extremas pero incluso asiacute durante unos (breves) instantes la
comida estaraacute aislada por completo del calor
ndash Una caacutemara hiperbaacuterica Uacutetiles justamente para aislar de las
condiciones atmosfeacutericas a los buzos con burbujas de nitroacutegeno en
la sangre no permiten cuando en funcionamiento el intercambio
de materia ni de energiacutea o al menos no en cantidades apreciables
y significativas
ndash La mente humana Dado que no requiere del intercambio de
materia ni de energiacutea es quizaacute uno de los ejemplos de sistema
aislado maacutes factibles Esto claro sin tomar en cuenta el lado fiacutesico
de la misma el cerebro y el cuerpo humanos en absoluto
En el anaacutelisis de un sistema es preciso conocer y manejar un conjunto
de magnitudes que son las llamadas propiedades termodinaacutemicas del
sistema Estas propiedades pueden ser de dos tipos
ndash Intensivas que miden propiedades locales tales como la presioacuten
temperatura densidad etc y no dependen de la cantidad de
materia contenida en el sistema o cualquiera de sus partes
ndash Extensivas que siacute dependen de la cantidad de materia tales como
la masa el volumen o la energiacutea Si no se toman en consideracioacuten
los efectos en los liacutemites o fronteras del sistema ni las acciones a
ldquoTERMOECONOMIacuteArdquo
15
distancia su valor total para el conjunto del sistema es igual a la
suma de sus valores en cada una de las partes que lo formen
Se dice que un sistema es homogeacuteneo cuando sus propiedades
intensivas no variacutean al pasar de unos puntos a otros del mismo El
sistema es heterogeacuteneo en caso contrario Frecuentemente los
sistemas heterogeacuteneos estaacuten formados por dos o maacutes porciones
homogeacuteneas llamadas fases tales que al pasar de unas a otras sufren
un salto brusco las propiedades intensivas Las propiedades extensivas
de los sistemas homogeacuteneos son proporcionales a su cantidad de
materia Igual ocurre con cada una de las fases que forman uno
heterogeacuteneo
El estado de un sistema o de una fase queda determinado por el
conjunto de sus propiedades termodinaacutemicas las cuales ndashpor ellondash se
llaman tambieacuten variables o funciones de estado Una de las cuestiones
a que da respuesta la termodinaacutemica es la determinacioacuten del nuacutemero
necesario y suficiente de variables independientes precisas para
determinar el estado de un sistema La termodinaacutemica maneja tambieacuten
magnitudes que se refieren a procesos o transformaciones y por tanto
no son propiedades de ninguacuten sistema Por ejemplo el trabajo
realizado por un sistema durante una cierta transformacioacuten es algo
caracteriacutestico de eacutesta y no del sistema o su ambiente Esto ocurre en
general con todos los intercambios
Cuando un sistema se deja abandonado a siacute mismo sin otras
interacciones que las que puedan producirse con su ambiente sus
propiedades termodinaacutemicas podraacuten ir variando con el tiempo Es
posible que llegue un instante a partir del cual se mantengan
inalteradas todas sus propiedades y cese cualquier intercambio de
materia y energiacutea con el ambiente Se dice entonces que el sistema se
encuentra en equilibrio termodinaacutemico Eacuteste es un concepto muy
general de equilibrio y comprende como aspectos particulares todos
los tipos especiacuteficos de equilibrio considerados en Fiacutesica o en Quiacutemica
Toda diferencia de valores en alguna propiedad intensiva ndash dentro del
sistema o entre eacuteste y su ambiente ndash constituye un desequilibrio El
sistema tiende hacia el equilibrio reduciendo tales diferencias Las
diferencias de presioacuten provocan flujos de materia las de temperatura
ldquoTERMOECONOMIacuteArdquo
16
flujos de calor etc El estado de equilibrio termodinaacutemico
corresponde a la eliminacioacuten de todas las diferencias posibles entre los
valores locales de cualquiera de sus propiedades intensivas en su
interior o en relacioacuten con su ambiente Asiacute puede hablarse de equilibrio
mecaacutenico teacutermico quiacutemico etc que no son maacutes que aspectos
parciales del equilibrio termodinaacutemico
Para que se produzca espontaacuteneamente un proceso es necesaria la
existencia previa de alguacuten desequilibrio bien dentro del sistema o
entre eacuteste y su ambiente Como caso liacutemite puede concebirse un
proceso ideal formado por una sucesioacuten continua de estados de
equilibrio Tal proceso se denomina reversible Aunque en rigor todo
proceso real es irreversible el anaacutelisis de procesos reversibles es muy
uacutetil como aproximacioacuten en caacutelculos teoacutericos y para obtener patrones de
referencia en muchas situaciones
Como acabamos de ver durante el proceso de aproximacioacuten al
equilibrio pueden ir variando en general las propiedades
termodinaacutemicas intensivas y extensivas del sistema En tal caso se dice
que el proceso se produce en reacutegimen transitorio o variable En
procesos industriales en sistemas abiertos es usual que se mantengan
deliberadamente constantes ciertos desequilibrios (en presiones o
temperaturas por ejemplo) permitiendo al mismo tiempo
intercambios de materia y energiacutea con el ambiente de modo que las
propiedades termodinaacutemicas del sistema permanezcan invariables en
el tiempo Los procesos tienen lugar entonces en reacutegimen permanente
o estacionario En tal caso en particular se conservan constantes las
propiedades extensivas del sistema tales como su masa o su volumen
y esto obliga a que las cantidades de materia entrantes y salientes sean
iguales La mayoriacutea de los procesos industriales se desarrollan la mayor
parte del tiempo en reacutegimen permanente que es el maacutes faacutecil de
gobernar y con el que se controla mejor la cantidad y calidad de la
produccioacuten
44 Temperatura
La termodinaacutemica antildeade una cuarta magnitud fundamental a las
tres aportadas por la mecaacutenica (longitud masa y tiempo) Es eacutesta
ldquoTERMOECONOMIacuteArdquo
17
la temperatura cuya definicioacuten estaacute vinculada al equilibrio
teacutermico Para desarrollar este concepto tomamos dos sistemas
homogeacuteneos cerrados ndash cada uno de ellos en equilibrio y los
ponemos en contacto de tal modo que ninguno de ellos pueda
realizar trabajo sobre el otro (el llamado contacto teacutermico) Si
permanecen en equilibrio sin experimentar alteracioacuten alguna en
sus respectivos estados diremos que se encuentran a una misma
temperatura En general se llama temperatura a la magnitud que
determina si un sistema permaneceraacute en equilibrio al llevarlo al
contacto teacutermico con otros Se dice que dos sistemas tienen
iguales temperaturas si sus estados iniciales de equilibrio no se
alteran al ponerlos en contacto teacutermico Si no permanecen en
equilibrio sus temperaturas seraacuten diferentes En este uacuteltimo caso
desde el momento en que se ponen en contacto ambos sistemas
experimentan una serie de alteraciones hasta llegar a un nuevo
estado de equilibrio en el cual sus temperaturas se habraacuten hecho
iguales
Consideremos ahora dos sistemas A y B cuyas temperaturas
queremos comparar Para ello tomamos un tercer sistema C y lo
llevamos sucesivamente al contacto teacutermico con A y B Si el estado
de C no se altera en ninguna de estas operaciones se observa
experimentalmente que tampoco se alteran los de A y B si se les
pone directamente en contacto Este hecho experimental no
evidente por siacute mismo se establece como un principio
fundamental con el nombre de Principio Cero de la
Termodinaacutemica Si un sistema estaacute en equilibrio teacutermico con otros
dos eacutestos lo estaraacuten a su vez entre siacute Asiacute puede darse un valor
cuantitativo a la nocioacuten de temperatura (temperatura empiacuterica)
mediante una seleccioacuten conveniente del tercer sistema que seriacutea
el termoacutemetro
Usualmente se emplean dos escalas termomeacutetricas la de Celsius y
la de Kelvin Los valores t y T respectivos estaacuten relacionados por la
expresioacuten
ldquoTERMOECONOMIacuteArdquo
18
T = 27315 K + t helliphellip(expresioacuten 1)
La unidad internacional de temperatura es el Kelvin (K) Cuando se
emplea la escala de Celsius la unidad se representa por degC igual al
K ya que la uacutenica diferencia entre ambas escalas es la posicioacuten del
cero El empleo de siacutembolos diferentes sirve uacutenicamente para
caracterizar este hecho Cuando revisemos el Segundo Principio de
la Termodinaacutemica apreciaremos la base teoacuterica en que se sustenta
la escala de Kelvin o absoluta
Usualmente se emplean dos escalas termomeacutetricas la de Celsius y
la de Kelvin Los valores t y respectivos estaacuten relacionados por la
expresioacuten
441 El Primer Principio de la Termodinaacutemica
Su formulacioacuten no es maacutes que una expresioacuten del Principio de
la Conservacioacuten de la Energiacutea en la que se hace aparecer
expliacutecitamente la transferencia de calor Para todo proceso en
el sistema cerrado de la figura adjunta se verifica
en donde el primer miembro representa el intercambio neto
de energiacutea con su ambiente y el segundo el incremento de la
propiedad termodinaacutemica energiacutea En esta foacutermula hemos
seguido el convenio de considerar positivos el calor entrante
en el sistema y el trabajo realizado por eacuteste El Primer
Principio consiste precisamente en el reconocimiento de la
energiacutea como una propiedad termodinaacutemica del sistema Por
lo tanto los intercambios energeacuteticos del primer miembro de
la ecuacioacuten anterior dependen de los estados extremos 1 y 2
y del proceso seguido para pasar como se observa en la
siguiente figura
ldquoTERMOECONOMIacuteArdquo
19
Repasemos brevemente el significado de las magnitudes que
aparecen en la expresioacuten del Primer principio
Calor Es la forma de intercambio energeacutetico que se
produce entre dos sistemas cerrados a distintas
temperaturas cuando se les pone en contacto teacutermico
Equivale a afirmar que el flujo de calor se debe a los
desequilibrios teacutermicos Maacutes adelante volveremos sobre
esta cuestioacuten
Trabajo Muchas de las formas de trabajo que se
manejan habitualmente en ingenieriacutea termodinaacutemica
obedecen a la siguiente definicioacuten Trabajo es el
intercambio energeacutetico que se produce cuando se
desplaza una superficie de control a traveacutes de la cual
actuacutea una fuerza Si consideramos una fuerza F ejercida
por el sistema sobre el ambiente a traveacutes de la superficie
de control la cual experimenta un desplazamiento
elemental (vectorial) dr el trabajo elemental realizado
por el sistema seraacute el producto escalar de F por dr
Energiacutea La energiacutea de un sistema queda determinada
por factores muy diversos su posicioacuten en un campo de
fuerzas (energiacutea potencial mgz en donde m es la
masa g la aceleracioacuten de la gravedad y z la altitud si nos
referimos al campo gravitatorio terrestre) su
movimiento como un todo (energiacutea cineacutetica mc22 en
donde c es la velocidad) o la energiacutea debida a la
estructura el movimiento y las interacciones de las
ldquoTERMOECONOMIacuteArdquo
20
moleacuteculas aacutetomos y partiacuteculas que lo constituyen
(energiacutea interna U)
442 El Segundo Principio de la Termodinaacutemica
Puede afirmarse que el Primer Principio postula la existencia
de la funcioacuten de estado energiacutea cuya diferencial verifica De
una forma similar enunciaremos el Segundo Principio para
un sistema cerrado como sigue
Existe una funcioacuten de estado extensiva S llamada entropiacutea
con las dimensiones energiacuteatemperatura caracterizada por
las siguientes propiedades
a) Puede variar uacutenicamente por intercambio de calor con el
ambiente o por generacioacuten o creacioacuten interna en el propio
sistema
b) La entropiacutea debida al intercambio de calor con el ambiente
verifica
El valor de este teacutermino puede ser por tanto positivo
negativo o nulo seguacuten lo sea δQ
c) La entropiacutea generada en el sistema no puede ser negativa
y soacutelo seraacute nula cuando el proceso sea reversible En caso contrario
es siempre positiva Por tanto δS g es positiva para todo proceso
espontaacuteneo
5 ECOLOGIA INDUSTRIAL
Desde finales del siglo XX se abre paso el innovador concepto de la Ecologiacutea Industrial
Tradicionalmente se ha considerado que la fabricacioacuten comienza cuando las materias
primas entran en el proceso de produccioacuten y termina con la expedicioacuten del producto
acabado La Ecologiacutea Industrial va maacutes lejos considera las fuentes de abastecimiento de
materias primas los efectos de su extraccioacuten y el destino final del producto una vez agotada
su vida uacutetil entre otros aspectos
51 Aplicacioacuten de la Termoeconomiacutea a la Ecologiacutea Industrial
Definido el objeto del presente trabajo y una vez introducida la Ecologiacutea Industrial y
la Termoeconomiacutea surge la siguiente cuestioacuten iquestpor queacute aplicar la Termoeconomiacutea a
la Ecologiacutea Industrial La respuesta parte de la base de que la integracioacuten de procesos
industriales mediante intercambios mutuos de recursos productos y residuos
implica entre otros beneficios ahorros energeacuteticos Y el modo maacutes objetivo para
cuantificar dichos ahorros es mediante las leyes de la termodinaacutemica (Valero et al
2010) Es decir se trata de tener en consideracioacuten no soacutelo la primera ley de la
termodinaacutemica la cual indica que la energiacutea se conserva transformaacutendose de una
forma a otra sino tambieacuten la segunda ley de la termodinaacutemica que reconoce la
existencia de formas de energiacutea maacutes uacutetiles y menos degradadas que otras Por tanto
la combinacioacuten de ambas leyes indica que no es una cuestioacuten de cantidad de energiacutea
ahorrada sino de la calidad de esa energiacutea es decir de su contenido exergeacutetico El
presente trabajo trata de explicar las metodologiacuteas que la Termoeconomiacutea
actualmente estaacute aplicando al anaacutelisis optimizacioacuten y diagnoacutestico de sistemas
energeacuteticos tales como centrales teacutermicas a la Ecologiacutea Industrial y complejo
modelo de Simbiosis Industrial El anaacutelisis termoeconoacutemico puede ayudar a resolver
problemas importantes tales como identificar posibles integraciones mejorar la
eficiencia cuantificar los beneficios obtenidos por la integracioacuten o determinar los
precios en base a criterios fiacutesicos (Valero et al 2010) Conviene describir tambieacuten la
utilizacioacuten de la Termoeconomiacutea como herramienta de anaacutelisis en ecoparques
industriales Por tanto se puede afirmar que la Ecologiacutea Industrial representa un
campo de aplicacioacuten emergente para el anaacutelisis termoeconoacutemico
ldquoTERMOECONOMIacuteArdquo
1
52 Modelo de Simbiosis Industrial de Kalundborg
El ejemplo praacutectico maacutes reconocido mundialmente en el aacutembito de la Ecologiacutea
Industrial es el de la ciudad danesa de Kalundborg en el cual se acuntildeoacute la palabra de
Simbiosis Industrial Constituye la primera referencia de creacioacuten de una red de
ntercambios entre diversas industrias localizadas en un aacuterea comuacuten y su eacutexito
ha generado un aumento del apoyo institucional para la implantacioacuten de esta
estrategia en otros lugares
La experiencia empezoacute cuando unas pocas empresas trataron de minimizar el
consumo de agua subterraacutenea empleando agua de un lago cercano A raiacutez de ello
con el tiempo se ha establecido una compleja red de intercambios cooperativos en
tres aacutereas agua energiacutea y subproductos adoptando tambieacuten la denominacioacuten
de ecoparque o ecosistema industrial
Integrantes
Actualmente el modelo de Simbiosis Industrial de Kalundborg estaacute constituido
por cinco participantes principales maacutes otros diez participantes secundarios
Principales Participantes
Flujos
La red de intercambio de recursos entre los distintos participantes de la Simbiosis
Industrial estaacute compuesta por 31 flujos los cuales se pueden clasificar en tres
categoriacuteas
ldquoTERMOECONOMIacuteArdquo
2
a) Flujos hiacutedricos
Imagen de Flujos Hiacutedricos
Fuente httpwwwbdigitalunaleduco466731089410732015pdf
b) Flujos energeacuteticos
Imagen de Flujos Energeacuteticos
Fuente httpwwwbdigitalunaleduco466731089410732015pdf
ldquoTERMOECONOMIacuteArdquo
3
c) Flujos de subproductos
Imagen de Flujos de Subproductos
Fuente httpwwwbdigitalunaleduco466731089410732015pdf
53 Beneficios ambientales
Los beneficios ambientales asociados a la Simbiosis Industrial estaacuten determinados
por ahorros en el consumo de agua combustible y materia prima dichos
ahorros conllevan disminuir los residuos generados asiacute como las emisiones de
contaminantes como se muestra en la tabla siguiente
Sin embargo es complejo determinar todos los beneficios globales de la Simbiosis
Industrial puesto que muchos de los flujos presentes en el ecosistema
industrial generan un doble beneficio En el caso de los flujos de residuos su
valorizacioacuten conlleva por un lado evitar la ldquoeliminacioacutenrdquo de dicho residuo y por el
otro se evita el consumo de la materia prima asiacute como de todos los recursos
ldquoTERMOECONOMIacuteArdquo
4
asociados a la obtencioacuten de la misma que seriacutea necesario si no se llevara a cabo la
valorizacioacuten
Por ejemplo los procesos de desulfuracioacuten en la central teacutermica y la refineriacutea
ademaacutes de evitar la emisioacuten de dioacutexido de azufre a la atmoacutesfera producen yeso y
tiosulfato de amonio respectivamente La valorizacioacuten de estos dos residuos
supone para los emisores evitar su ldquoeliminacioacutenrdquo y para los receptores en el caso
del yeso se reduce la importacioacuten de yeso natural mientras que en el caso del
tiosulfato de amonio se ahorra en materias primas y recursos correspondientes a
su obtencioacuten Con las cenizas ocurre exactamente lo mismo su valorizacioacuten
repercute en una menor necesidad de clinker y por tanto de los recursos
necesarios para su fabricacioacuten El fertilizante y la levadura suministrada por Novo
Group disminuyen la cantidad de residuos generados y a su vez evitan el
consumo de nuevas materias primas y recursos asociados a la fabricacioacuten de
ambos productos
En el caso de los flujos energeacuteticos como por ejemplo el gas excedente de la
refineriacutea o la energiacutea teacutermica residual de la central en origen conlleva evitar su
disipacioacuten al medioambiente mientras que para los receptores repercute en un
ahorro sustancial de combustible
En cuanto a los flujos hiacutedricos el principal beneficio ambiental alcanzado es el
ahorro en el consumo de agua focalizado en sus inicios en la sustitucioacuten de
agua subterraacutenea por agua superficial y maacutes tarde en la reutilizacioacuten
Ademaacutes en teacuterminos econoacutemicos tambieacuten se han alcanzado beneficios
sustanciales
Como ejemplo para el antildeo 2000 ya se habiacutean invertido 75 millones de doacutelares en
19 proyectos con un ahorro estimado de 15 millones de doacutelares (Cervantes et al
2009) 6 Caso de estudio La aplicacioacuten de la Termoeconomiacutea al modelo de
Simbiosis Industrial de Kalundborg precisa de la definicioacuten de un caso de estudio
sobre dicho modelo que permita su caracterizacioacuten en teacuterminos de exergiacutea
En este sentido la informacioacuten teacutecnica recopilada sobre los flujos
intercambiados limita el alcance del caso de estudio establecido Sin embargo
fruto de una extensa y laboriosa buacutesqueda bibliograacutefica se ha elaborado un caso
de estudio que incluye los flujos maacutes representativos de la Simbiosis Industrial
de Kalundborg
ldquoTERMOECONOMIacuteArdquo
5
6 CONCLUSIONES
El anaacutelisis exergeacutetico se constituye en una soacutelida herramienta para entender la dinaacutemica
energeacutetica de los procesos de la naturaleza y de los procesos artificiales Sus aplicaciones
son ilimitadas en el sentido que toda accioacuten microscoacutepica o macroscoacutepica demanda un
consumo energeacutetico valioso
El verdadero potencial de ahorro energeacutetico de un sector industrial no se puede valorar
uacutenicamente a partir de la sustitucioacuten de energeacuteticos como consecuencia del
comportamiento del mercado o por la sustitucioacuten de tecnologiacuteas por el efecto de
nuevos desarrollos sino a traveacutes de un balance exergeacutetico que determine las
condiciones maacuteximas de operacioacuten a partir del propoacutesito de cada accioacuten o proceso
Por medio del anaacutelisis termoeconoacutemico es posible la cuantificacioacuten de intangibles
contables y fiacutesicos representados en la destruccioacuten de exergiacutea causada por muacuteltiples
factores como erroacutenea eleccioacuten de un combustible de un mecanismo de un lugar de
operacioacuten fallas de operacioacuten en los procesos erroacuteneos paraacutemetros de operacioacuten etc
A partir de la primera ley de la termodinaacutemica se establecioacute el precepto baacutesico de la
transformacioacuten de energiacutea no se crea no se destruye se transforma en calor en
trabajo aumenta o disminuye la energiacutea interna la segunda ley direcciona los procesos
e integra una nueva propiedad termodinaacutemica denominada entropiacutea asociada al
desorden y a las condiciones de irreversibilidad de los procesos reales El anaacutelisis
exergeacutetico complementa las leyes anteriores considerando el propoacutesito y coacutemo a traveacutes
de su desarrollo se destruye la exergiacutea pese a la conservacioacuten de la energiacutea
La metodologiacutea desarrollada para el anaacutelisis termoeconoacutemico del caso tiene validez para
cualquier proceso industrial porque contempla la valoracioacuten exergeacutetica del uso de los
recursos Si la valoracioacuten fuera de caraacutecter sectorial la metodologiacutea seriacutea la misma soacutelo
que tendriacutea que apoyarse en las estadiacutesticas de consumo energeacutetico por sector y se hariacutea
necesario evaluar la exergiacutea fiacutesica y quiacutemica de todos los recursos involucradosComo
punto de partida seriacutea recomendable valorar la exergiacutea quiacutemica de los hidrocarburos
producidos en Peruacute
Las herramientas de caacutelculo favorecen las evaluaciones termoeconoacutemicas de los
procesos faacutecilmente la teoriacutea exergeacutetica puede articularse a traveacutes de ecuaciones
simples En el caso particular el desarrollo es vaacutelido para un proceso de combustioacuten
externa con secado directo Sin embargo actualmente se consiguen en el mercado
herramientas robustas como el Aspen Process Economic Analyzer (APEA) que con la
informacioacuten baacutesica de operacioacuten realiza un anaacutelisis profundo de la destruccioacuten
exergeacutetica asiacute como de la valoracioacuten de alternativas de disentildeo operacioacuten y cambios
tecnoloacutegicos
La Termoeconomiacutea trata de costes bien monetarios (ptaskJ)o puramente energeacuteticos
(kJ de recursokJ de producto) y se utiliza principalmente para la contabilidad
diagnoacutestico mejora y disentildeo y optimizacioacuten de sistemas teacutermicos Pero en mi opinioacuten
abarca maacutes es la ciencia en la que la Termodinaacutemica y en particular el segundo
principio se une con la Economiacutea ambas en un sentido amplio Ahora estamos en el
principio y esta ciencia se construiraacute con las aportaciones de muchos autores no soacutelo
ingenieros mecaacutenicos En el futuro habraacute que poner orden y sistemaacutetica a la gran
cantidad de contribuciones que tanto economistas como fiacutesicos bioacutelogos quiacutemicos o
ldquoTERMOECONOMIacuteArdquo
6
ingenieros quieren encontrar en las analogiacuteas y explicaciones entre la Termodinaacutemica y
la Economiacutea
Vivimos en un mundo finito y pequentildeo para la gente que somos y seremos y los recursos
naturales son un bien escaso Si queremos sobrevivir debemos conservarlos y aprender
a conservarlos mejor y en este propoacutesito la Termoeconomiacutea jugaraacute un papel clave
Debemos conocer los mecanismos por los cuales la energiacutea y los recursos en general se
degradan y debemos tambieacuten aprender y ensentildear a juzgar queacute sistemas trabajan mejor
con objeto de mejorar sistemaacuteticamente los disentildeos y reducir el consumo per capita
Ademaacutes debemos aprender a reutilizar los residuos para evitar dantildeos al ambiente Esto
lo necesitamos urgentemente ya que al menos dos tercios de la humanidad actual vive
maacutes pobremente que el mundo desarrollado actual
Una contabilidad sistemaacutetica de los recursos naturales que se estaacuten consumiendo seriacutea
una herramienta clave para que tomaacuteramos una consciencia global del problema Y en
esta tarea la Termoeconomiacutea jugariacutea un papel clave
ldquoTERMOECONOMIacuteArdquo
7
7 REFERENCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS
Termoeconomiacutea y Optimizacioacuten Energeacutetica mdash OCW UPMocwupmes rsaquo Explotacioacuten de
Minas
La termoeconomiacutea como alternativa para mejorar la competitividad
wwwbdigitalunaleduco466731089410732015pdf
JR Silva Larrottaaplicaciones termoeconoacutemicas del meacutetodo -
PublicationsListorgpublicationslistorgAplicaciones20termoeconomicas20del
20metodo20exer
Termoeconomiacuteahttpszaguanunizaresrecord45719filesguiapdf
Analisis termoeconomico - ResearchGate https wwwresearchgatenet profile
0c960520b5ead8d544000000pdf
MAL SERRANO - 1993 - Universidad de Sevilla Termoeconomiacutea de Sistemas Energ
wwwuses estudiosgradosplan_221asignatura_2210057
Fundamentos de termodinaacutemica teacutecnica https booksgooglecompe booksisbn=
8429143130
Michael J Moran Howard N Shapiro - 2004 - Science-Termoeconomia
la termoeconomiacutea https wwwehueushelburuak-gaitasunak
La Termoeconomiacutea en plantas energeacuteticaswwwscieloclpdfinfotecv21n4art06pdf
ldquoTERMOECONOMIacuteArdquo
10
y trabajo Finalmente se le llama aislado cuando no es posible interaccioacuten
alguna con el resto del Universo
Obedeciendo al grado de separacioacuten que estos sistemas presenten respecto
a su entorno es posible reconocer tres tipos distintos
Sistemas abiertos Los maacutes predominantes de todos se caracterizan
por intercambiar energiacutea yo materia con el entorno que los rodea ya
sea tomando de eacutel expulsando hacia eacutel o las dos cosas
Sistemas cerrados A diferencia de los anteriores intercambian energiacutea
(calor trabajo) con el exterior pero nunca materia (su masa permanece
intacta)
Sistemas aislados Se les llama asiacute porque no intercambian ni energiacutea ni
materia de ninguacuten tipo con su entorno se los considera un sistema
desconectado de las dinaacutemicas a su alrededor No existen realmente en
el universo los sistemas totalmente aislados por lo que se consideran
casos de abstraccioacuten en periacuteodos determinados de tiempo Se suponen
en equilibrio termodinaacutemico
41 Sistemas abiertos
ndash El cuerpo humano En tanto estaacute necesitado de materia para
descomponer y obtener energiacutea el cuerpo es un sistema abierto
que requiere de disponibilidad de insumos orgaacutenicos Por otro
lado requiere de expulsar la materia sobrante desechada de
vuelta al medio ambiente De no poder realizar ambas acciones
durante un periacuteodo muy prolongado el sistema falla y se produce
la muerte
ndash Una olla de agua hirviendo La energiacutea introducida al sistema por
el fuego transforma el agua en gas que es liberado de vuelta al
medio ambiente Sin esa inyeccioacuten de calor constante el agua
dejaraacute de hervir y sin espacio para salir el vapor (materia)
aumentaraacute la presioacuten hasta reventar la olla
ndash Una hoguera Para mantener el fuego ardiendo es necesario
proveer a la hoguera de material inflamable ya sea carboacuten o ramas
secas Sin esa materia que consumir el fuego se apagaraacute
ldquoTERMOECONOMIacuteArdquo
11
ndash Un motor a combustioacuten Los motores son sistemas complejos que
generan movimiento a partir de un suministro constante de
combustible gasolina gasoil etc ameacuten de diversos aceites que
reducen la friccioacuten entre sus partes Sin estos aditivos el motor
simplemente no anda o andaraacute poco hasta romperse
ndash La mayoriacutea de las plantas Asiacute como el cuerpo humano las plantas
requieren de materia para su subsistencia (en forma de agua y
nutrientes) y de energiacutea (solar) para llevar a cabo la fotosiacutentesis
vital
ndash Una maacutequina de hacer palomitas de maiacutez En este caso se
requiere del insumo material de los granos de maiacutez que deben
antildeadirse junto con energiacutea eleacutectrica que se traduce en calor y los
hace estallar El resultado por demaacutes vuelve al exterior en forma
de palomitas (pochoclo cotufas etc)
ndash Un compostero El proceso de compost que produce abono para
fertilizar sembradiacuteos opera en base a la introduccioacuten constante en
el compostero de materia orgaacutenica de desecho caacutescaras restos
de comida etc Sin ellos los procesos de degradacioacuten de la materia
se detendriacutean y tambieacuten la produccioacuten del abono
ndash Una trituradora de papel Este artefacto de oficina opera como un
sistema abierto pues requiere de la introduccioacuten de materia
(papel) para triturar y de energiacutea (eleacutectrica) para operar sobre ella
Sin ellos simplemente no sirve para nada
ndash Las saunas Para producir el vapor contenido en los saunas se
requiere de agua (materia) y energiacutea (fuego) para producir el vapor
de agua y permitir que se acumule en el recinto cerrado Despueacutes
de un periacuteodo el vapor desapareceraacute y se necesitaraacute una nueva
inyeccioacuten de insumos al sistema
ndash Un reactor nuclear La electricidad generada en el reactor y que es
conducida hacia el ambiente es producto de la fisioacuten del uranio (u
otros elementos materiales) en una reaccioacuten atoacutemica
controlada que permite generar mucha energiacutea caloacuterica
aprovechable pero tambieacuten muchos desechos toacutexicos que deben
ir a dar a alguacuten lugar del entorno
42 Sistemas cerrados
ldquoTERMOECONOMIacuteArdquo
12
ndash Los bombillos o focos No necesitan materia para operar pero siacute
energiacutea eleacutectrica constante en el momento en que se la corte
cesaraacuten en su emisioacuten de luz que dicho sea de paso es tambieacuten
una forma de energiacutea transmitida al entorno
ndash Una botella de agua friacutea Al estar cerrada la botella la
transferencia de materia entre el sistema y el entorno es
imposible no puede entrar ni salir liacutequido Sin embargo es posible
intercambiar energiacutea el agua se iraacute calentando gradualmente
hasta perder su frialdad
ndash Un teleacutefono celular Si bien no requiere para su funcionamiento
cotidiano que se le introduzca materia (no consume nada) siacute
precisa de electricidad a diario pues al agotarse la bateriacutea dejaraacute
de funcionar Eso claro si tomamos como muestra un periacuteodo
diario en que no haya necesidad de repuestos
ndash Un termoacutemetro Ya que estaacute cerrado hermeacuteticamente el
contenido de un termoacutemetro no variacutea jamaacutes pero siacute reacciona de
acuerdo a la temperatura que percibe es decir es sensible a la
entrada de calor (energiacutea)
ndash El sol A menos que se lo piense en teacuterminos de millares de antildeos
al cabo de los cuales habraacute consumido todo su material y moriraacute el
astro rey es un ejemplo de sistema cerrado que no intercambia
materia con su entorno pero siacute expulsa energiacutea (radiacioacuten solar
luz solar calor) a borbotones
ndash El planeta tierra De forma similar la Tierra opera sin intercambios
de materia con respecto al vaciacuteo que la circunda o a los demaacutes
planetas y objetos celestes pero recibe energiacutea solar
constantemente sin la cual la vida seriacutea un planeta inhabitable
ndash Un envase con comida caliente Cerrado de manera hermeacutetica el
envase impediraacute que la materia en su interior se salga o que entre
nada hacia ella pero incluso asiacute irradiaraacute el calor de la comida hacia
afuera pudiendo quemarnos si fuera el caso
ndash Una bateriacutea Los quiacutemicos en su interior reaccionan y generan
energiacutea que es dirigida hacia el exterior y consumida pero la
materia en su interior no sufre variaciones
ldquoTERMOECONOMIacuteArdquo
13
ndash Los televisores Estos artefactos funcionan a partir del consumo de
energiacutea eleacutectrica para emitir luz de diversos tipos y modulaciones
junto con ondas sonoras al medio externo Pero no requieren de
inyeccioacuten de materia ni la masa en su interior es alterada
ndash Las ollas de presioacuten Dado que no permiten el escape de los gases
generados en su interior para que actuacuteen sobre la comida
cocinaacutendose estos recipientes actuacutean como sistemas cerrados
que impiden el escape de la materia pero no de la energiacutea que
escapa como calor ni de la necesaria para iniciar la coccioacuten
tambieacuten proveniente del afuera
43 Sistemas aislados
ndash Una caja fuerte El contenido en las cajas fuertes estaacute separado
por gruesas capas hermeacuteticas de metal de su entorno aislado de
la materia y de la energiacutea al menos en condiciones normales si la
arrojamos a un volcaacuten es seguro que se derrita y se incinere su
contenido
ndash Los trajes de neopreno Un hombre embutido en estos trajes
usualmente para el buceo o submarinismo se encuentra
protegido durante un periacuteodo de tiempo del intercambio caloacuterico
entre el agua y su cuerpo ameacuten de impedir que eacutesta (materia)
penetre al interior del mismo
ndash Los termos Durante un periacuteodo puntual de tiempo los termos
logran aislar el calor contenido en su interior y evitar la fuga de
energiacutea hacia el medio ambiente a la par que impidiendo el
derramamiento del contenido o la introduccioacuten del mismo No
obstante dado el tiempo suficiente la inevitable fuga del calor
ocurriraacute y el contenido volveraacute a estar friacuteo
ndash Una cava teacutermica Como las empleadas para transportar
alimentos operan en base a la reduccioacuten extrema de la entrada de
calor manteniendo su contenido friacuteo durante un periacuteodo
determinado Una vez superado ese rango de tiempo el contenido
empezaraacute a calentarse
ndash El igluacute de los esquimales Disentildeado para mantener a salvo a sus
habitantes de la materia en movimiento (viento nieve lluvia) y
ademaacutes del enfriamiento extremo de dichos climas puede
ldquoTERMOECONOMIacuteArdquo
14
considerarse un sistema aisladohellip hasta que el habitante tenga que
salir
ndash Una bombona de gas Contenido a presioacuten en su interior el gas
estaacute aislado de la materia y la energiacutea a su alrededor en
condiciones normales ya que es posible que el calentamiento de
la bombona obligue el gas a expandirse y ocurra una tragedia
ndash El universo Dado que no sabemos queacute hay afuera de eacutel ni si hay
un afuera de eacutel debemos suponer que el universo es un sistema
aislado en el que no ingresa ni egresa materia o energiacutea sino que
opera de manera independiente de su entorno
ndash Los alimentos enlatados En condiciones normales estos
alimentos se encuentran lejos de cualquier intercambio de materia
o de energiacutea Claro que seriacutea posible someter la lata a
calentamiento o enfriamiento e incluso fundirla en temperaturas
extremas pero incluso asiacute durante unos (breves) instantes la
comida estaraacute aislada por completo del calor
ndash Una caacutemara hiperbaacuterica Uacutetiles justamente para aislar de las
condiciones atmosfeacutericas a los buzos con burbujas de nitroacutegeno en
la sangre no permiten cuando en funcionamiento el intercambio
de materia ni de energiacutea o al menos no en cantidades apreciables
y significativas
ndash La mente humana Dado que no requiere del intercambio de
materia ni de energiacutea es quizaacute uno de los ejemplos de sistema
aislado maacutes factibles Esto claro sin tomar en cuenta el lado fiacutesico
de la misma el cerebro y el cuerpo humanos en absoluto
En el anaacutelisis de un sistema es preciso conocer y manejar un conjunto
de magnitudes que son las llamadas propiedades termodinaacutemicas del
sistema Estas propiedades pueden ser de dos tipos
ndash Intensivas que miden propiedades locales tales como la presioacuten
temperatura densidad etc y no dependen de la cantidad de
materia contenida en el sistema o cualquiera de sus partes
ndash Extensivas que siacute dependen de la cantidad de materia tales como
la masa el volumen o la energiacutea Si no se toman en consideracioacuten
los efectos en los liacutemites o fronteras del sistema ni las acciones a
ldquoTERMOECONOMIacuteArdquo
15
distancia su valor total para el conjunto del sistema es igual a la
suma de sus valores en cada una de las partes que lo formen
Se dice que un sistema es homogeacuteneo cuando sus propiedades
intensivas no variacutean al pasar de unos puntos a otros del mismo El
sistema es heterogeacuteneo en caso contrario Frecuentemente los
sistemas heterogeacuteneos estaacuten formados por dos o maacutes porciones
homogeacuteneas llamadas fases tales que al pasar de unas a otras sufren
un salto brusco las propiedades intensivas Las propiedades extensivas
de los sistemas homogeacuteneos son proporcionales a su cantidad de
materia Igual ocurre con cada una de las fases que forman uno
heterogeacuteneo
El estado de un sistema o de una fase queda determinado por el
conjunto de sus propiedades termodinaacutemicas las cuales ndashpor ellondash se
llaman tambieacuten variables o funciones de estado Una de las cuestiones
a que da respuesta la termodinaacutemica es la determinacioacuten del nuacutemero
necesario y suficiente de variables independientes precisas para
determinar el estado de un sistema La termodinaacutemica maneja tambieacuten
magnitudes que se refieren a procesos o transformaciones y por tanto
no son propiedades de ninguacuten sistema Por ejemplo el trabajo
realizado por un sistema durante una cierta transformacioacuten es algo
caracteriacutestico de eacutesta y no del sistema o su ambiente Esto ocurre en
general con todos los intercambios
Cuando un sistema se deja abandonado a siacute mismo sin otras
interacciones que las que puedan producirse con su ambiente sus
propiedades termodinaacutemicas podraacuten ir variando con el tiempo Es
posible que llegue un instante a partir del cual se mantengan
inalteradas todas sus propiedades y cese cualquier intercambio de
materia y energiacutea con el ambiente Se dice entonces que el sistema se
encuentra en equilibrio termodinaacutemico Eacuteste es un concepto muy
general de equilibrio y comprende como aspectos particulares todos
los tipos especiacuteficos de equilibrio considerados en Fiacutesica o en Quiacutemica
Toda diferencia de valores en alguna propiedad intensiva ndash dentro del
sistema o entre eacuteste y su ambiente ndash constituye un desequilibrio El
sistema tiende hacia el equilibrio reduciendo tales diferencias Las
diferencias de presioacuten provocan flujos de materia las de temperatura
ldquoTERMOECONOMIacuteArdquo
16
flujos de calor etc El estado de equilibrio termodinaacutemico
corresponde a la eliminacioacuten de todas las diferencias posibles entre los
valores locales de cualquiera de sus propiedades intensivas en su
interior o en relacioacuten con su ambiente Asiacute puede hablarse de equilibrio
mecaacutenico teacutermico quiacutemico etc que no son maacutes que aspectos
parciales del equilibrio termodinaacutemico
Para que se produzca espontaacuteneamente un proceso es necesaria la
existencia previa de alguacuten desequilibrio bien dentro del sistema o
entre eacuteste y su ambiente Como caso liacutemite puede concebirse un
proceso ideal formado por una sucesioacuten continua de estados de
equilibrio Tal proceso se denomina reversible Aunque en rigor todo
proceso real es irreversible el anaacutelisis de procesos reversibles es muy
uacutetil como aproximacioacuten en caacutelculos teoacutericos y para obtener patrones de
referencia en muchas situaciones
Como acabamos de ver durante el proceso de aproximacioacuten al
equilibrio pueden ir variando en general las propiedades
termodinaacutemicas intensivas y extensivas del sistema En tal caso se dice
que el proceso se produce en reacutegimen transitorio o variable En
procesos industriales en sistemas abiertos es usual que se mantengan
deliberadamente constantes ciertos desequilibrios (en presiones o
temperaturas por ejemplo) permitiendo al mismo tiempo
intercambios de materia y energiacutea con el ambiente de modo que las
propiedades termodinaacutemicas del sistema permanezcan invariables en
el tiempo Los procesos tienen lugar entonces en reacutegimen permanente
o estacionario En tal caso en particular se conservan constantes las
propiedades extensivas del sistema tales como su masa o su volumen
y esto obliga a que las cantidades de materia entrantes y salientes sean
iguales La mayoriacutea de los procesos industriales se desarrollan la mayor
parte del tiempo en reacutegimen permanente que es el maacutes faacutecil de
gobernar y con el que se controla mejor la cantidad y calidad de la
produccioacuten
44 Temperatura
La termodinaacutemica antildeade una cuarta magnitud fundamental a las
tres aportadas por la mecaacutenica (longitud masa y tiempo) Es eacutesta
ldquoTERMOECONOMIacuteArdquo
17
la temperatura cuya definicioacuten estaacute vinculada al equilibrio
teacutermico Para desarrollar este concepto tomamos dos sistemas
homogeacuteneos cerrados ndash cada uno de ellos en equilibrio y los
ponemos en contacto de tal modo que ninguno de ellos pueda
realizar trabajo sobre el otro (el llamado contacto teacutermico) Si
permanecen en equilibrio sin experimentar alteracioacuten alguna en
sus respectivos estados diremos que se encuentran a una misma
temperatura En general se llama temperatura a la magnitud que
determina si un sistema permaneceraacute en equilibrio al llevarlo al
contacto teacutermico con otros Se dice que dos sistemas tienen
iguales temperaturas si sus estados iniciales de equilibrio no se
alteran al ponerlos en contacto teacutermico Si no permanecen en
equilibrio sus temperaturas seraacuten diferentes En este uacuteltimo caso
desde el momento en que se ponen en contacto ambos sistemas
experimentan una serie de alteraciones hasta llegar a un nuevo
estado de equilibrio en el cual sus temperaturas se habraacuten hecho
iguales
Consideremos ahora dos sistemas A y B cuyas temperaturas
queremos comparar Para ello tomamos un tercer sistema C y lo
llevamos sucesivamente al contacto teacutermico con A y B Si el estado
de C no se altera en ninguna de estas operaciones se observa
experimentalmente que tampoco se alteran los de A y B si se les
pone directamente en contacto Este hecho experimental no
evidente por siacute mismo se establece como un principio
fundamental con el nombre de Principio Cero de la
Termodinaacutemica Si un sistema estaacute en equilibrio teacutermico con otros
dos eacutestos lo estaraacuten a su vez entre siacute Asiacute puede darse un valor
cuantitativo a la nocioacuten de temperatura (temperatura empiacuterica)
mediante una seleccioacuten conveniente del tercer sistema que seriacutea
el termoacutemetro
Usualmente se emplean dos escalas termomeacutetricas la de Celsius y
la de Kelvin Los valores t y T respectivos estaacuten relacionados por la
expresioacuten
ldquoTERMOECONOMIacuteArdquo
18
T = 27315 K + t helliphellip(expresioacuten 1)
La unidad internacional de temperatura es el Kelvin (K) Cuando se
emplea la escala de Celsius la unidad se representa por degC igual al
K ya que la uacutenica diferencia entre ambas escalas es la posicioacuten del
cero El empleo de siacutembolos diferentes sirve uacutenicamente para
caracterizar este hecho Cuando revisemos el Segundo Principio de
la Termodinaacutemica apreciaremos la base teoacuterica en que se sustenta
la escala de Kelvin o absoluta
Usualmente se emplean dos escalas termomeacutetricas la de Celsius y
la de Kelvin Los valores t y respectivos estaacuten relacionados por la
expresioacuten
441 El Primer Principio de la Termodinaacutemica
Su formulacioacuten no es maacutes que una expresioacuten del Principio de
la Conservacioacuten de la Energiacutea en la que se hace aparecer
expliacutecitamente la transferencia de calor Para todo proceso en
el sistema cerrado de la figura adjunta se verifica
en donde el primer miembro representa el intercambio neto
de energiacutea con su ambiente y el segundo el incremento de la
propiedad termodinaacutemica energiacutea En esta foacutermula hemos
seguido el convenio de considerar positivos el calor entrante
en el sistema y el trabajo realizado por eacuteste El Primer
Principio consiste precisamente en el reconocimiento de la
energiacutea como una propiedad termodinaacutemica del sistema Por
lo tanto los intercambios energeacuteticos del primer miembro de
la ecuacioacuten anterior dependen de los estados extremos 1 y 2
y del proceso seguido para pasar como se observa en la
siguiente figura
ldquoTERMOECONOMIacuteArdquo
19
Repasemos brevemente el significado de las magnitudes que
aparecen en la expresioacuten del Primer principio
Calor Es la forma de intercambio energeacutetico que se
produce entre dos sistemas cerrados a distintas
temperaturas cuando se les pone en contacto teacutermico
Equivale a afirmar que el flujo de calor se debe a los
desequilibrios teacutermicos Maacutes adelante volveremos sobre
esta cuestioacuten
Trabajo Muchas de las formas de trabajo que se
manejan habitualmente en ingenieriacutea termodinaacutemica
obedecen a la siguiente definicioacuten Trabajo es el
intercambio energeacutetico que se produce cuando se
desplaza una superficie de control a traveacutes de la cual
actuacutea una fuerza Si consideramos una fuerza F ejercida
por el sistema sobre el ambiente a traveacutes de la superficie
de control la cual experimenta un desplazamiento
elemental (vectorial) dr el trabajo elemental realizado
por el sistema seraacute el producto escalar de F por dr
Energiacutea La energiacutea de un sistema queda determinada
por factores muy diversos su posicioacuten en un campo de
fuerzas (energiacutea potencial mgz en donde m es la
masa g la aceleracioacuten de la gravedad y z la altitud si nos
referimos al campo gravitatorio terrestre) su
movimiento como un todo (energiacutea cineacutetica mc22 en
donde c es la velocidad) o la energiacutea debida a la
estructura el movimiento y las interacciones de las
ldquoTERMOECONOMIacuteArdquo
20
moleacuteculas aacutetomos y partiacuteculas que lo constituyen
(energiacutea interna U)
442 El Segundo Principio de la Termodinaacutemica
Puede afirmarse que el Primer Principio postula la existencia
de la funcioacuten de estado energiacutea cuya diferencial verifica De
una forma similar enunciaremos el Segundo Principio para
un sistema cerrado como sigue
Existe una funcioacuten de estado extensiva S llamada entropiacutea
con las dimensiones energiacuteatemperatura caracterizada por
las siguientes propiedades
a) Puede variar uacutenicamente por intercambio de calor con el
ambiente o por generacioacuten o creacioacuten interna en el propio
sistema
b) La entropiacutea debida al intercambio de calor con el ambiente
verifica
El valor de este teacutermino puede ser por tanto positivo
negativo o nulo seguacuten lo sea δQ
c) La entropiacutea generada en el sistema no puede ser negativa
y soacutelo seraacute nula cuando el proceso sea reversible En caso contrario
es siempre positiva Por tanto δS g es positiva para todo proceso
espontaacuteneo
5 ECOLOGIA INDUSTRIAL
Desde finales del siglo XX se abre paso el innovador concepto de la Ecologiacutea Industrial
Tradicionalmente se ha considerado que la fabricacioacuten comienza cuando las materias
primas entran en el proceso de produccioacuten y termina con la expedicioacuten del producto
acabado La Ecologiacutea Industrial va maacutes lejos considera las fuentes de abastecimiento de
materias primas los efectos de su extraccioacuten y el destino final del producto una vez agotada
su vida uacutetil entre otros aspectos
51 Aplicacioacuten de la Termoeconomiacutea a la Ecologiacutea Industrial
Definido el objeto del presente trabajo y una vez introducida la Ecologiacutea Industrial y
la Termoeconomiacutea surge la siguiente cuestioacuten iquestpor queacute aplicar la Termoeconomiacutea a
la Ecologiacutea Industrial La respuesta parte de la base de que la integracioacuten de procesos
industriales mediante intercambios mutuos de recursos productos y residuos
implica entre otros beneficios ahorros energeacuteticos Y el modo maacutes objetivo para
cuantificar dichos ahorros es mediante las leyes de la termodinaacutemica (Valero et al
2010) Es decir se trata de tener en consideracioacuten no soacutelo la primera ley de la
termodinaacutemica la cual indica que la energiacutea se conserva transformaacutendose de una
forma a otra sino tambieacuten la segunda ley de la termodinaacutemica que reconoce la
existencia de formas de energiacutea maacutes uacutetiles y menos degradadas que otras Por tanto
la combinacioacuten de ambas leyes indica que no es una cuestioacuten de cantidad de energiacutea
ahorrada sino de la calidad de esa energiacutea es decir de su contenido exergeacutetico El
presente trabajo trata de explicar las metodologiacuteas que la Termoeconomiacutea
actualmente estaacute aplicando al anaacutelisis optimizacioacuten y diagnoacutestico de sistemas
energeacuteticos tales como centrales teacutermicas a la Ecologiacutea Industrial y complejo
modelo de Simbiosis Industrial El anaacutelisis termoeconoacutemico puede ayudar a resolver
problemas importantes tales como identificar posibles integraciones mejorar la
eficiencia cuantificar los beneficios obtenidos por la integracioacuten o determinar los
precios en base a criterios fiacutesicos (Valero et al 2010) Conviene describir tambieacuten la
utilizacioacuten de la Termoeconomiacutea como herramienta de anaacutelisis en ecoparques
industriales Por tanto se puede afirmar que la Ecologiacutea Industrial representa un
campo de aplicacioacuten emergente para el anaacutelisis termoeconoacutemico
ldquoTERMOECONOMIacuteArdquo
1
52 Modelo de Simbiosis Industrial de Kalundborg
El ejemplo praacutectico maacutes reconocido mundialmente en el aacutembito de la Ecologiacutea
Industrial es el de la ciudad danesa de Kalundborg en el cual se acuntildeoacute la palabra de
Simbiosis Industrial Constituye la primera referencia de creacioacuten de una red de
ntercambios entre diversas industrias localizadas en un aacuterea comuacuten y su eacutexito
ha generado un aumento del apoyo institucional para la implantacioacuten de esta
estrategia en otros lugares
La experiencia empezoacute cuando unas pocas empresas trataron de minimizar el
consumo de agua subterraacutenea empleando agua de un lago cercano A raiacutez de ello
con el tiempo se ha establecido una compleja red de intercambios cooperativos en
tres aacutereas agua energiacutea y subproductos adoptando tambieacuten la denominacioacuten
de ecoparque o ecosistema industrial
Integrantes
Actualmente el modelo de Simbiosis Industrial de Kalundborg estaacute constituido
por cinco participantes principales maacutes otros diez participantes secundarios
Principales Participantes
Flujos
La red de intercambio de recursos entre los distintos participantes de la Simbiosis
Industrial estaacute compuesta por 31 flujos los cuales se pueden clasificar en tres
categoriacuteas
ldquoTERMOECONOMIacuteArdquo
2
a) Flujos hiacutedricos
Imagen de Flujos Hiacutedricos
Fuente httpwwwbdigitalunaleduco466731089410732015pdf
b) Flujos energeacuteticos
Imagen de Flujos Energeacuteticos
Fuente httpwwwbdigitalunaleduco466731089410732015pdf
ldquoTERMOECONOMIacuteArdquo
3
c) Flujos de subproductos
Imagen de Flujos de Subproductos
Fuente httpwwwbdigitalunaleduco466731089410732015pdf
53 Beneficios ambientales
Los beneficios ambientales asociados a la Simbiosis Industrial estaacuten determinados
por ahorros en el consumo de agua combustible y materia prima dichos
ahorros conllevan disminuir los residuos generados asiacute como las emisiones de
contaminantes como se muestra en la tabla siguiente
Sin embargo es complejo determinar todos los beneficios globales de la Simbiosis
Industrial puesto que muchos de los flujos presentes en el ecosistema
industrial generan un doble beneficio En el caso de los flujos de residuos su
valorizacioacuten conlleva por un lado evitar la ldquoeliminacioacutenrdquo de dicho residuo y por el
otro se evita el consumo de la materia prima asiacute como de todos los recursos
ldquoTERMOECONOMIacuteArdquo
4
asociados a la obtencioacuten de la misma que seriacutea necesario si no se llevara a cabo la
valorizacioacuten
Por ejemplo los procesos de desulfuracioacuten en la central teacutermica y la refineriacutea
ademaacutes de evitar la emisioacuten de dioacutexido de azufre a la atmoacutesfera producen yeso y
tiosulfato de amonio respectivamente La valorizacioacuten de estos dos residuos
supone para los emisores evitar su ldquoeliminacioacutenrdquo y para los receptores en el caso
del yeso se reduce la importacioacuten de yeso natural mientras que en el caso del
tiosulfato de amonio se ahorra en materias primas y recursos correspondientes a
su obtencioacuten Con las cenizas ocurre exactamente lo mismo su valorizacioacuten
repercute en una menor necesidad de clinker y por tanto de los recursos
necesarios para su fabricacioacuten El fertilizante y la levadura suministrada por Novo
Group disminuyen la cantidad de residuos generados y a su vez evitan el
consumo de nuevas materias primas y recursos asociados a la fabricacioacuten de
ambos productos
En el caso de los flujos energeacuteticos como por ejemplo el gas excedente de la
refineriacutea o la energiacutea teacutermica residual de la central en origen conlleva evitar su
disipacioacuten al medioambiente mientras que para los receptores repercute en un
ahorro sustancial de combustible
En cuanto a los flujos hiacutedricos el principal beneficio ambiental alcanzado es el
ahorro en el consumo de agua focalizado en sus inicios en la sustitucioacuten de
agua subterraacutenea por agua superficial y maacutes tarde en la reutilizacioacuten
Ademaacutes en teacuterminos econoacutemicos tambieacuten se han alcanzado beneficios
sustanciales
Como ejemplo para el antildeo 2000 ya se habiacutean invertido 75 millones de doacutelares en
19 proyectos con un ahorro estimado de 15 millones de doacutelares (Cervantes et al
2009) 6 Caso de estudio La aplicacioacuten de la Termoeconomiacutea al modelo de
Simbiosis Industrial de Kalundborg precisa de la definicioacuten de un caso de estudio
sobre dicho modelo que permita su caracterizacioacuten en teacuterminos de exergiacutea
En este sentido la informacioacuten teacutecnica recopilada sobre los flujos
intercambiados limita el alcance del caso de estudio establecido Sin embargo
fruto de una extensa y laboriosa buacutesqueda bibliograacutefica se ha elaborado un caso
de estudio que incluye los flujos maacutes representativos de la Simbiosis Industrial
de Kalundborg
ldquoTERMOECONOMIacuteArdquo
5
6 CONCLUSIONES
El anaacutelisis exergeacutetico se constituye en una soacutelida herramienta para entender la dinaacutemica
energeacutetica de los procesos de la naturaleza y de los procesos artificiales Sus aplicaciones
son ilimitadas en el sentido que toda accioacuten microscoacutepica o macroscoacutepica demanda un
consumo energeacutetico valioso
El verdadero potencial de ahorro energeacutetico de un sector industrial no se puede valorar
uacutenicamente a partir de la sustitucioacuten de energeacuteticos como consecuencia del
comportamiento del mercado o por la sustitucioacuten de tecnologiacuteas por el efecto de
nuevos desarrollos sino a traveacutes de un balance exergeacutetico que determine las
condiciones maacuteximas de operacioacuten a partir del propoacutesito de cada accioacuten o proceso
Por medio del anaacutelisis termoeconoacutemico es posible la cuantificacioacuten de intangibles
contables y fiacutesicos representados en la destruccioacuten de exergiacutea causada por muacuteltiples
factores como erroacutenea eleccioacuten de un combustible de un mecanismo de un lugar de
operacioacuten fallas de operacioacuten en los procesos erroacuteneos paraacutemetros de operacioacuten etc
A partir de la primera ley de la termodinaacutemica se establecioacute el precepto baacutesico de la
transformacioacuten de energiacutea no se crea no se destruye se transforma en calor en
trabajo aumenta o disminuye la energiacutea interna la segunda ley direcciona los procesos
e integra una nueva propiedad termodinaacutemica denominada entropiacutea asociada al
desorden y a las condiciones de irreversibilidad de los procesos reales El anaacutelisis
exergeacutetico complementa las leyes anteriores considerando el propoacutesito y coacutemo a traveacutes
de su desarrollo se destruye la exergiacutea pese a la conservacioacuten de la energiacutea
La metodologiacutea desarrollada para el anaacutelisis termoeconoacutemico del caso tiene validez para
cualquier proceso industrial porque contempla la valoracioacuten exergeacutetica del uso de los
recursos Si la valoracioacuten fuera de caraacutecter sectorial la metodologiacutea seriacutea la misma soacutelo
que tendriacutea que apoyarse en las estadiacutesticas de consumo energeacutetico por sector y se hariacutea
necesario evaluar la exergiacutea fiacutesica y quiacutemica de todos los recursos involucradosComo
punto de partida seriacutea recomendable valorar la exergiacutea quiacutemica de los hidrocarburos
producidos en Peruacute
Las herramientas de caacutelculo favorecen las evaluaciones termoeconoacutemicas de los
procesos faacutecilmente la teoriacutea exergeacutetica puede articularse a traveacutes de ecuaciones
simples En el caso particular el desarrollo es vaacutelido para un proceso de combustioacuten
externa con secado directo Sin embargo actualmente se consiguen en el mercado
herramientas robustas como el Aspen Process Economic Analyzer (APEA) que con la
informacioacuten baacutesica de operacioacuten realiza un anaacutelisis profundo de la destruccioacuten
exergeacutetica asiacute como de la valoracioacuten de alternativas de disentildeo operacioacuten y cambios
tecnoloacutegicos
La Termoeconomiacutea trata de costes bien monetarios (ptaskJ)o puramente energeacuteticos
(kJ de recursokJ de producto) y se utiliza principalmente para la contabilidad
diagnoacutestico mejora y disentildeo y optimizacioacuten de sistemas teacutermicos Pero en mi opinioacuten
abarca maacutes es la ciencia en la que la Termodinaacutemica y en particular el segundo
principio se une con la Economiacutea ambas en un sentido amplio Ahora estamos en el
principio y esta ciencia se construiraacute con las aportaciones de muchos autores no soacutelo
ingenieros mecaacutenicos En el futuro habraacute que poner orden y sistemaacutetica a la gran
cantidad de contribuciones que tanto economistas como fiacutesicos bioacutelogos quiacutemicos o
ldquoTERMOECONOMIacuteArdquo
6
ingenieros quieren encontrar en las analogiacuteas y explicaciones entre la Termodinaacutemica y
la Economiacutea
Vivimos en un mundo finito y pequentildeo para la gente que somos y seremos y los recursos
naturales son un bien escaso Si queremos sobrevivir debemos conservarlos y aprender
a conservarlos mejor y en este propoacutesito la Termoeconomiacutea jugaraacute un papel clave
Debemos conocer los mecanismos por los cuales la energiacutea y los recursos en general se
degradan y debemos tambieacuten aprender y ensentildear a juzgar queacute sistemas trabajan mejor
con objeto de mejorar sistemaacuteticamente los disentildeos y reducir el consumo per capita
Ademaacutes debemos aprender a reutilizar los residuos para evitar dantildeos al ambiente Esto
lo necesitamos urgentemente ya que al menos dos tercios de la humanidad actual vive
maacutes pobremente que el mundo desarrollado actual
Una contabilidad sistemaacutetica de los recursos naturales que se estaacuten consumiendo seriacutea
una herramienta clave para que tomaacuteramos una consciencia global del problema Y en
esta tarea la Termoeconomiacutea jugariacutea un papel clave
ldquoTERMOECONOMIacuteArdquo
7
7 REFERENCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS
Termoeconomiacutea y Optimizacioacuten Energeacutetica mdash OCW UPMocwupmes rsaquo Explotacioacuten de
Minas
La termoeconomiacutea como alternativa para mejorar la competitividad
wwwbdigitalunaleduco466731089410732015pdf
JR Silva Larrottaaplicaciones termoeconoacutemicas del meacutetodo -
PublicationsListorgpublicationslistorgAplicaciones20termoeconomicas20del
20metodo20exer
Termoeconomiacuteahttpszaguanunizaresrecord45719filesguiapdf
Analisis termoeconomico - ResearchGate https wwwresearchgatenet profile
0c960520b5ead8d544000000pdf
MAL SERRANO - 1993 - Universidad de Sevilla Termoeconomiacutea de Sistemas Energ
wwwuses estudiosgradosplan_221asignatura_2210057
Fundamentos de termodinaacutemica teacutecnica https booksgooglecompe booksisbn=
8429143130
Michael J Moran Howard N Shapiro - 2004 - Science-Termoeconomia
la termoeconomiacutea https wwwehueushelburuak-gaitasunak
La Termoeconomiacutea en plantas energeacuteticaswwwscieloclpdfinfotecv21n4art06pdf
ldquoTERMOECONOMIacuteArdquo
11
ndash Un motor a combustioacuten Los motores son sistemas complejos que
generan movimiento a partir de un suministro constante de
combustible gasolina gasoil etc ameacuten de diversos aceites que
reducen la friccioacuten entre sus partes Sin estos aditivos el motor
simplemente no anda o andaraacute poco hasta romperse
ndash La mayoriacutea de las plantas Asiacute como el cuerpo humano las plantas
requieren de materia para su subsistencia (en forma de agua y
nutrientes) y de energiacutea (solar) para llevar a cabo la fotosiacutentesis
vital
ndash Una maacutequina de hacer palomitas de maiacutez En este caso se
requiere del insumo material de los granos de maiacutez que deben
antildeadirse junto con energiacutea eleacutectrica que se traduce en calor y los
hace estallar El resultado por demaacutes vuelve al exterior en forma
de palomitas (pochoclo cotufas etc)
ndash Un compostero El proceso de compost que produce abono para
fertilizar sembradiacuteos opera en base a la introduccioacuten constante en
el compostero de materia orgaacutenica de desecho caacutescaras restos
de comida etc Sin ellos los procesos de degradacioacuten de la materia
se detendriacutean y tambieacuten la produccioacuten del abono
ndash Una trituradora de papel Este artefacto de oficina opera como un
sistema abierto pues requiere de la introduccioacuten de materia
(papel) para triturar y de energiacutea (eleacutectrica) para operar sobre ella
Sin ellos simplemente no sirve para nada
ndash Las saunas Para producir el vapor contenido en los saunas se
requiere de agua (materia) y energiacutea (fuego) para producir el vapor
de agua y permitir que se acumule en el recinto cerrado Despueacutes
de un periacuteodo el vapor desapareceraacute y se necesitaraacute una nueva
inyeccioacuten de insumos al sistema
ndash Un reactor nuclear La electricidad generada en el reactor y que es
conducida hacia el ambiente es producto de la fisioacuten del uranio (u
otros elementos materiales) en una reaccioacuten atoacutemica
controlada que permite generar mucha energiacutea caloacuterica
aprovechable pero tambieacuten muchos desechos toacutexicos que deben
ir a dar a alguacuten lugar del entorno
42 Sistemas cerrados
ldquoTERMOECONOMIacuteArdquo
12
ndash Los bombillos o focos No necesitan materia para operar pero siacute
energiacutea eleacutectrica constante en el momento en que se la corte
cesaraacuten en su emisioacuten de luz que dicho sea de paso es tambieacuten
una forma de energiacutea transmitida al entorno
ndash Una botella de agua friacutea Al estar cerrada la botella la
transferencia de materia entre el sistema y el entorno es
imposible no puede entrar ni salir liacutequido Sin embargo es posible
intercambiar energiacutea el agua se iraacute calentando gradualmente
hasta perder su frialdad
ndash Un teleacutefono celular Si bien no requiere para su funcionamiento
cotidiano que se le introduzca materia (no consume nada) siacute
precisa de electricidad a diario pues al agotarse la bateriacutea dejaraacute
de funcionar Eso claro si tomamos como muestra un periacuteodo
diario en que no haya necesidad de repuestos
ndash Un termoacutemetro Ya que estaacute cerrado hermeacuteticamente el
contenido de un termoacutemetro no variacutea jamaacutes pero siacute reacciona de
acuerdo a la temperatura que percibe es decir es sensible a la
entrada de calor (energiacutea)
ndash El sol A menos que se lo piense en teacuterminos de millares de antildeos
al cabo de los cuales habraacute consumido todo su material y moriraacute el
astro rey es un ejemplo de sistema cerrado que no intercambia
materia con su entorno pero siacute expulsa energiacutea (radiacioacuten solar
luz solar calor) a borbotones
ndash El planeta tierra De forma similar la Tierra opera sin intercambios
de materia con respecto al vaciacuteo que la circunda o a los demaacutes
planetas y objetos celestes pero recibe energiacutea solar
constantemente sin la cual la vida seriacutea un planeta inhabitable
ndash Un envase con comida caliente Cerrado de manera hermeacutetica el
envase impediraacute que la materia en su interior se salga o que entre
nada hacia ella pero incluso asiacute irradiaraacute el calor de la comida hacia
afuera pudiendo quemarnos si fuera el caso
ndash Una bateriacutea Los quiacutemicos en su interior reaccionan y generan
energiacutea que es dirigida hacia el exterior y consumida pero la
materia en su interior no sufre variaciones
ldquoTERMOECONOMIacuteArdquo
13
ndash Los televisores Estos artefactos funcionan a partir del consumo de
energiacutea eleacutectrica para emitir luz de diversos tipos y modulaciones
junto con ondas sonoras al medio externo Pero no requieren de
inyeccioacuten de materia ni la masa en su interior es alterada
ndash Las ollas de presioacuten Dado que no permiten el escape de los gases
generados en su interior para que actuacuteen sobre la comida
cocinaacutendose estos recipientes actuacutean como sistemas cerrados
que impiden el escape de la materia pero no de la energiacutea que
escapa como calor ni de la necesaria para iniciar la coccioacuten
tambieacuten proveniente del afuera
43 Sistemas aislados
ndash Una caja fuerte El contenido en las cajas fuertes estaacute separado
por gruesas capas hermeacuteticas de metal de su entorno aislado de
la materia y de la energiacutea al menos en condiciones normales si la
arrojamos a un volcaacuten es seguro que se derrita y se incinere su
contenido
ndash Los trajes de neopreno Un hombre embutido en estos trajes
usualmente para el buceo o submarinismo se encuentra
protegido durante un periacuteodo de tiempo del intercambio caloacuterico
entre el agua y su cuerpo ameacuten de impedir que eacutesta (materia)
penetre al interior del mismo
ndash Los termos Durante un periacuteodo puntual de tiempo los termos
logran aislar el calor contenido en su interior y evitar la fuga de
energiacutea hacia el medio ambiente a la par que impidiendo el
derramamiento del contenido o la introduccioacuten del mismo No
obstante dado el tiempo suficiente la inevitable fuga del calor
ocurriraacute y el contenido volveraacute a estar friacuteo
ndash Una cava teacutermica Como las empleadas para transportar
alimentos operan en base a la reduccioacuten extrema de la entrada de
calor manteniendo su contenido friacuteo durante un periacuteodo
determinado Una vez superado ese rango de tiempo el contenido
empezaraacute a calentarse
ndash El igluacute de los esquimales Disentildeado para mantener a salvo a sus
habitantes de la materia en movimiento (viento nieve lluvia) y
ademaacutes del enfriamiento extremo de dichos climas puede
ldquoTERMOECONOMIacuteArdquo
14
considerarse un sistema aisladohellip hasta que el habitante tenga que
salir
ndash Una bombona de gas Contenido a presioacuten en su interior el gas
estaacute aislado de la materia y la energiacutea a su alrededor en
condiciones normales ya que es posible que el calentamiento de
la bombona obligue el gas a expandirse y ocurra una tragedia
ndash El universo Dado que no sabemos queacute hay afuera de eacutel ni si hay
un afuera de eacutel debemos suponer que el universo es un sistema
aislado en el que no ingresa ni egresa materia o energiacutea sino que
opera de manera independiente de su entorno
ndash Los alimentos enlatados En condiciones normales estos
alimentos se encuentran lejos de cualquier intercambio de materia
o de energiacutea Claro que seriacutea posible someter la lata a
calentamiento o enfriamiento e incluso fundirla en temperaturas
extremas pero incluso asiacute durante unos (breves) instantes la
comida estaraacute aislada por completo del calor
ndash Una caacutemara hiperbaacuterica Uacutetiles justamente para aislar de las
condiciones atmosfeacutericas a los buzos con burbujas de nitroacutegeno en
la sangre no permiten cuando en funcionamiento el intercambio
de materia ni de energiacutea o al menos no en cantidades apreciables
y significativas
ndash La mente humana Dado que no requiere del intercambio de
materia ni de energiacutea es quizaacute uno de los ejemplos de sistema
aislado maacutes factibles Esto claro sin tomar en cuenta el lado fiacutesico
de la misma el cerebro y el cuerpo humanos en absoluto
En el anaacutelisis de un sistema es preciso conocer y manejar un conjunto
de magnitudes que son las llamadas propiedades termodinaacutemicas del
sistema Estas propiedades pueden ser de dos tipos
ndash Intensivas que miden propiedades locales tales como la presioacuten
temperatura densidad etc y no dependen de la cantidad de
materia contenida en el sistema o cualquiera de sus partes
ndash Extensivas que siacute dependen de la cantidad de materia tales como
la masa el volumen o la energiacutea Si no se toman en consideracioacuten
los efectos en los liacutemites o fronteras del sistema ni las acciones a
ldquoTERMOECONOMIacuteArdquo
15
distancia su valor total para el conjunto del sistema es igual a la
suma de sus valores en cada una de las partes que lo formen
Se dice que un sistema es homogeacuteneo cuando sus propiedades
intensivas no variacutean al pasar de unos puntos a otros del mismo El
sistema es heterogeacuteneo en caso contrario Frecuentemente los
sistemas heterogeacuteneos estaacuten formados por dos o maacutes porciones
homogeacuteneas llamadas fases tales que al pasar de unas a otras sufren
un salto brusco las propiedades intensivas Las propiedades extensivas
de los sistemas homogeacuteneos son proporcionales a su cantidad de
materia Igual ocurre con cada una de las fases que forman uno
heterogeacuteneo
El estado de un sistema o de una fase queda determinado por el
conjunto de sus propiedades termodinaacutemicas las cuales ndashpor ellondash se
llaman tambieacuten variables o funciones de estado Una de las cuestiones
a que da respuesta la termodinaacutemica es la determinacioacuten del nuacutemero
necesario y suficiente de variables independientes precisas para
determinar el estado de un sistema La termodinaacutemica maneja tambieacuten
magnitudes que se refieren a procesos o transformaciones y por tanto
no son propiedades de ninguacuten sistema Por ejemplo el trabajo
realizado por un sistema durante una cierta transformacioacuten es algo
caracteriacutestico de eacutesta y no del sistema o su ambiente Esto ocurre en
general con todos los intercambios
Cuando un sistema se deja abandonado a siacute mismo sin otras
interacciones que las que puedan producirse con su ambiente sus
propiedades termodinaacutemicas podraacuten ir variando con el tiempo Es
posible que llegue un instante a partir del cual se mantengan
inalteradas todas sus propiedades y cese cualquier intercambio de
materia y energiacutea con el ambiente Se dice entonces que el sistema se
encuentra en equilibrio termodinaacutemico Eacuteste es un concepto muy
general de equilibrio y comprende como aspectos particulares todos
los tipos especiacuteficos de equilibrio considerados en Fiacutesica o en Quiacutemica
Toda diferencia de valores en alguna propiedad intensiva ndash dentro del
sistema o entre eacuteste y su ambiente ndash constituye un desequilibrio El
sistema tiende hacia el equilibrio reduciendo tales diferencias Las
diferencias de presioacuten provocan flujos de materia las de temperatura
ldquoTERMOECONOMIacuteArdquo
16
flujos de calor etc El estado de equilibrio termodinaacutemico
corresponde a la eliminacioacuten de todas las diferencias posibles entre los
valores locales de cualquiera de sus propiedades intensivas en su
interior o en relacioacuten con su ambiente Asiacute puede hablarse de equilibrio
mecaacutenico teacutermico quiacutemico etc que no son maacutes que aspectos
parciales del equilibrio termodinaacutemico
Para que se produzca espontaacuteneamente un proceso es necesaria la
existencia previa de alguacuten desequilibrio bien dentro del sistema o
entre eacuteste y su ambiente Como caso liacutemite puede concebirse un
proceso ideal formado por una sucesioacuten continua de estados de
equilibrio Tal proceso se denomina reversible Aunque en rigor todo
proceso real es irreversible el anaacutelisis de procesos reversibles es muy
uacutetil como aproximacioacuten en caacutelculos teoacutericos y para obtener patrones de
referencia en muchas situaciones
Como acabamos de ver durante el proceso de aproximacioacuten al
equilibrio pueden ir variando en general las propiedades
termodinaacutemicas intensivas y extensivas del sistema En tal caso se dice
que el proceso se produce en reacutegimen transitorio o variable En
procesos industriales en sistemas abiertos es usual que se mantengan
deliberadamente constantes ciertos desequilibrios (en presiones o
temperaturas por ejemplo) permitiendo al mismo tiempo
intercambios de materia y energiacutea con el ambiente de modo que las
propiedades termodinaacutemicas del sistema permanezcan invariables en
el tiempo Los procesos tienen lugar entonces en reacutegimen permanente
o estacionario En tal caso en particular se conservan constantes las
propiedades extensivas del sistema tales como su masa o su volumen
y esto obliga a que las cantidades de materia entrantes y salientes sean
iguales La mayoriacutea de los procesos industriales se desarrollan la mayor
parte del tiempo en reacutegimen permanente que es el maacutes faacutecil de
gobernar y con el que se controla mejor la cantidad y calidad de la
produccioacuten
44 Temperatura
La termodinaacutemica antildeade una cuarta magnitud fundamental a las
tres aportadas por la mecaacutenica (longitud masa y tiempo) Es eacutesta
ldquoTERMOECONOMIacuteArdquo
17
la temperatura cuya definicioacuten estaacute vinculada al equilibrio
teacutermico Para desarrollar este concepto tomamos dos sistemas
homogeacuteneos cerrados ndash cada uno de ellos en equilibrio y los
ponemos en contacto de tal modo que ninguno de ellos pueda
realizar trabajo sobre el otro (el llamado contacto teacutermico) Si
permanecen en equilibrio sin experimentar alteracioacuten alguna en
sus respectivos estados diremos que se encuentran a una misma
temperatura En general se llama temperatura a la magnitud que
determina si un sistema permaneceraacute en equilibrio al llevarlo al
contacto teacutermico con otros Se dice que dos sistemas tienen
iguales temperaturas si sus estados iniciales de equilibrio no se
alteran al ponerlos en contacto teacutermico Si no permanecen en
equilibrio sus temperaturas seraacuten diferentes En este uacuteltimo caso
desde el momento en que se ponen en contacto ambos sistemas
experimentan una serie de alteraciones hasta llegar a un nuevo
estado de equilibrio en el cual sus temperaturas se habraacuten hecho
iguales
Consideremos ahora dos sistemas A y B cuyas temperaturas
queremos comparar Para ello tomamos un tercer sistema C y lo
llevamos sucesivamente al contacto teacutermico con A y B Si el estado
de C no se altera en ninguna de estas operaciones se observa
experimentalmente que tampoco se alteran los de A y B si se les
pone directamente en contacto Este hecho experimental no
evidente por siacute mismo se establece como un principio
fundamental con el nombre de Principio Cero de la
Termodinaacutemica Si un sistema estaacute en equilibrio teacutermico con otros
dos eacutestos lo estaraacuten a su vez entre siacute Asiacute puede darse un valor
cuantitativo a la nocioacuten de temperatura (temperatura empiacuterica)
mediante una seleccioacuten conveniente del tercer sistema que seriacutea
el termoacutemetro
Usualmente se emplean dos escalas termomeacutetricas la de Celsius y
la de Kelvin Los valores t y T respectivos estaacuten relacionados por la
expresioacuten
ldquoTERMOECONOMIacuteArdquo
18
T = 27315 K + t helliphellip(expresioacuten 1)
La unidad internacional de temperatura es el Kelvin (K) Cuando se
emplea la escala de Celsius la unidad se representa por degC igual al
K ya que la uacutenica diferencia entre ambas escalas es la posicioacuten del
cero El empleo de siacutembolos diferentes sirve uacutenicamente para
caracterizar este hecho Cuando revisemos el Segundo Principio de
la Termodinaacutemica apreciaremos la base teoacuterica en que se sustenta
la escala de Kelvin o absoluta
Usualmente se emplean dos escalas termomeacutetricas la de Celsius y
la de Kelvin Los valores t y respectivos estaacuten relacionados por la
expresioacuten
441 El Primer Principio de la Termodinaacutemica
Su formulacioacuten no es maacutes que una expresioacuten del Principio de
la Conservacioacuten de la Energiacutea en la que se hace aparecer
expliacutecitamente la transferencia de calor Para todo proceso en
el sistema cerrado de la figura adjunta se verifica
en donde el primer miembro representa el intercambio neto
de energiacutea con su ambiente y el segundo el incremento de la
propiedad termodinaacutemica energiacutea En esta foacutermula hemos
seguido el convenio de considerar positivos el calor entrante
en el sistema y el trabajo realizado por eacuteste El Primer
Principio consiste precisamente en el reconocimiento de la
energiacutea como una propiedad termodinaacutemica del sistema Por
lo tanto los intercambios energeacuteticos del primer miembro de
la ecuacioacuten anterior dependen de los estados extremos 1 y 2
y del proceso seguido para pasar como se observa en la
siguiente figura
ldquoTERMOECONOMIacuteArdquo
19
Repasemos brevemente el significado de las magnitudes que
aparecen en la expresioacuten del Primer principio
Calor Es la forma de intercambio energeacutetico que se
produce entre dos sistemas cerrados a distintas
temperaturas cuando se les pone en contacto teacutermico
Equivale a afirmar que el flujo de calor se debe a los
desequilibrios teacutermicos Maacutes adelante volveremos sobre
esta cuestioacuten
Trabajo Muchas de las formas de trabajo que se
manejan habitualmente en ingenieriacutea termodinaacutemica
obedecen a la siguiente definicioacuten Trabajo es el
intercambio energeacutetico que se produce cuando se
desplaza una superficie de control a traveacutes de la cual
actuacutea una fuerza Si consideramos una fuerza F ejercida
por el sistema sobre el ambiente a traveacutes de la superficie
de control la cual experimenta un desplazamiento
elemental (vectorial) dr el trabajo elemental realizado
por el sistema seraacute el producto escalar de F por dr
Energiacutea La energiacutea de un sistema queda determinada
por factores muy diversos su posicioacuten en un campo de
fuerzas (energiacutea potencial mgz en donde m es la
masa g la aceleracioacuten de la gravedad y z la altitud si nos
referimos al campo gravitatorio terrestre) su
movimiento como un todo (energiacutea cineacutetica mc22 en
donde c es la velocidad) o la energiacutea debida a la
estructura el movimiento y las interacciones de las
ldquoTERMOECONOMIacuteArdquo
20
moleacuteculas aacutetomos y partiacuteculas que lo constituyen
(energiacutea interna U)
442 El Segundo Principio de la Termodinaacutemica
Puede afirmarse que el Primer Principio postula la existencia
de la funcioacuten de estado energiacutea cuya diferencial verifica De
una forma similar enunciaremos el Segundo Principio para
un sistema cerrado como sigue
Existe una funcioacuten de estado extensiva S llamada entropiacutea
con las dimensiones energiacuteatemperatura caracterizada por
las siguientes propiedades
a) Puede variar uacutenicamente por intercambio de calor con el
ambiente o por generacioacuten o creacioacuten interna en el propio
sistema
b) La entropiacutea debida al intercambio de calor con el ambiente
verifica
El valor de este teacutermino puede ser por tanto positivo
negativo o nulo seguacuten lo sea δQ
c) La entropiacutea generada en el sistema no puede ser negativa
y soacutelo seraacute nula cuando el proceso sea reversible En caso contrario
es siempre positiva Por tanto δS g es positiva para todo proceso
espontaacuteneo
5 ECOLOGIA INDUSTRIAL
Desde finales del siglo XX se abre paso el innovador concepto de la Ecologiacutea Industrial
Tradicionalmente se ha considerado que la fabricacioacuten comienza cuando las materias
primas entran en el proceso de produccioacuten y termina con la expedicioacuten del producto
acabado La Ecologiacutea Industrial va maacutes lejos considera las fuentes de abastecimiento de
materias primas los efectos de su extraccioacuten y el destino final del producto una vez agotada
su vida uacutetil entre otros aspectos
51 Aplicacioacuten de la Termoeconomiacutea a la Ecologiacutea Industrial
Definido el objeto del presente trabajo y una vez introducida la Ecologiacutea Industrial y
la Termoeconomiacutea surge la siguiente cuestioacuten iquestpor queacute aplicar la Termoeconomiacutea a
la Ecologiacutea Industrial La respuesta parte de la base de que la integracioacuten de procesos
industriales mediante intercambios mutuos de recursos productos y residuos
implica entre otros beneficios ahorros energeacuteticos Y el modo maacutes objetivo para
cuantificar dichos ahorros es mediante las leyes de la termodinaacutemica (Valero et al
2010) Es decir se trata de tener en consideracioacuten no soacutelo la primera ley de la
termodinaacutemica la cual indica que la energiacutea se conserva transformaacutendose de una
forma a otra sino tambieacuten la segunda ley de la termodinaacutemica que reconoce la
existencia de formas de energiacutea maacutes uacutetiles y menos degradadas que otras Por tanto
la combinacioacuten de ambas leyes indica que no es una cuestioacuten de cantidad de energiacutea
ahorrada sino de la calidad de esa energiacutea es decir de su contenido exergeacutetico El
presente trabajo trata de explicar las metodologiacuteas que la Termoeconomiacutea
actualmente estaacute aplicando al anaacutelisis optimizacioacuten y diagnoacutestico de sistemas
energeacuteticos tales como centrales teacutermicas a la Ecologiacutea Industrial y complejo
modelo de Simbiosis Industrial El anaacutelisis termoeconoacutemico puede ayudar a resolver
problemas importantes tales como identificar posibles integraciones mejorar la
eficiencia cuantificar los beneficios obtenidos por la integracioacuten o determinar los
precios en base a criterios fiacutesicos (Valero et al 2010) Conviene describir tambieacuten la
utilizacioacuten de la Termoeconomiacutea como herramienta de anaacutelisis en ecoparques
industriales Por tanto se puede afirmar que la Ecologiacutea Industrial representa un
campo de aplicacioacuten emergente para el anaacutelisis termoeconoacutemico
ldquoTERMOECONOMIacuteArdquo
1
52 Modelo de Simbiosis Industrial de Kalundborg
El ejemplo praacutectico maacutes reconocido mundialmente en el aacutembito de la Ecologiacutea
Industrial es el de la ciudad danesa de Kalundborg en el cual se acuntildeoacute la palabra de
Simbiosis Industrial Constituye la primera referencia de creacioacuten de una red de
ntercambios entre diversas industrias localizadas en un aacuterea comuacuten y su eacutexito
ha generado un aumento del apoyo institucional para la implantacioacuten de esta
estrategia en otros lugares
La experiencia empezoacute cuando unas pocas empresas trataron de minimizar el
consumo de agua subterraacutenea empleando agua de un lago cercano A raiacutez de ello
con el tiempo se ha establecido una compleja red de intercambios cooperativos en
tres aacutereas agua energiacutea y subproductos adoptando tambieacuten la denominacioacuten
de ecoparque o ecosistema industrial
Integrantes
Actualmente el modelo de Simbiosis Industrial de Kalundborg estaacute constituido
por cinco participantes principales maacutes otros diez participantes secundarios
Principales Participantes
Flujos
La red de intercambio de recursos entre los distintos participantes de la Simbiosis
Industrial estaacute compuesta por 31 flujos los cuales se pueden clasificar en tres
categoriacuteas
ldquoTERMOECONOMIacuteArdquo
2
a) Flujos hiacutedricos
Imagen de Flujos Hiacutedricos
Fuente httpwwwbdigitalunaleduco466731089410732015pdf
b) Flujos energeacuteticos
Imagen de Flujos Energeacuteticos
Fuente httpwwwbdigitalunaleduco466731089410732015pdf
ldquoTERMOECONOMIacuteArdquo
3
c) Flujos de subproductos
Imagen de Flujos de Subproductos
Fuente httpwwwbdigitalunaleduco466731089410732015pdf
53 Beneficios ambientales
Los beneficios ambientales asociados a la Simbiosis Industrial estaacuten determinados
por ahorros en el consumo de agua combustible y materia prima dichos
ahorros conllevan disminuir los residuos generados asiacute como las emisiones de
contaminantes como se muestra en la tabla siguiente
Sin embargo es complejo determinar todos los beneficios globales de la Simbiosis
Industrial puesto que muchos de los flujos presentes en el ecosistema
industrial generan un doble beneficio En el caso de los flujos de residuos su
valorizacioacuten conlleva por un lado evitar la ldquoeliminacioacutenrdquo de dicho residuo y por el
otro se evita el consumo de la materia prima asiacute como de todos los recursos
ldquoTERMOECONOMIacuteArdquo
4
asociados a la obtencioacuten de la misma que seriacutea necesario si no se llevara a cabo la
valorizacioacuten
Por ejemplo los procesos de desulfuracioacuten en la central teacutermica y la refineriacutea
ademaacutes de evitar la emisioacuten de dioacutexido de azufre a la atmoacutesfera producen yeso y
tiosulfato de amonio respectivamente La valorizacioacuten de estos dos residuos
supone para los emisores evitar su ldquoeliminacioacutenrdquo y para los receptores en el caso
del yeso se reduce la importacioacuten de yeso natural mientras que en el caso del
tiosulfato de amonio se ahorra en materias primas y recursos correspondientes a
su obtencioacuten Con las cenizas ocurre exactamente lo mismo su valorizacioacuten
repercute en una menor necesidad de clinker y por tanto de los recursos
necesarios para su fabricacioacuten El fertilizante y la levadura suministrada por Novo
Group disminuyen la cantidad de residuos generados y a su vez evitan el
consumo de nuevas materias primas y recursos asociados a la fabricacioacuten de
ambos productos
En el caso de los flujos energeacuteticos como por ejemplo el gas excedente de la
refineriacutea o la energiacutea teacutermica residual de la central en origen conlleva evitar su
disipacioacuten al medioambiente mientras que para los receptores repercute en un
ahorro sustancial de combustible
En cuanto a los flujos hiacutedricos el principal beneficio ambiental alcanzado es el
ahorro en el consumo de agua focalizado en sus inicios en la sustitucioacuten de
agua subterraacutenea por agua superficial y maacutes tarde en la reutilizacioacuten
Ademaacutes en teacuterminos econoacutemicos tambieacuten se han alcanzado beneficios
sustanciales
Como ejemplo para el antildeo 2000 ya se habiacutean invertido 75 millones de doacutelares en
19 proyectos con un ahorro estimado de 15 millones de doacutelares (Cervantes et al
2009) 6 Caso de estudio La aplicacioacuten de la Termoeconomiacutea al modelo de
Simbiosis Industrial de Kalundborg precisa de la definicioacuten de un caso de estudio
sobre dicho modelo que permita su caracterizacioacuten en teacuterminos de exergiacutea
En este sentido la informacioacuten teacutecnica recopilada sobre los flujos
intercambiados limita el alcance del caso de estudio establecido Sin embargo
fruto de una extensa y laboriosa buacutesqueda bibliograacutefica se ha elaborado un caso
de estudio que incluye los flujos maacutes representativos de la Simbiosis Industrial
de Kalundborg
ldquoTERMOECONOMIacuteArdquo
5
6 CONCLUSIONES
El anaacutelisis exergeacutetico se constituye en una soacutelida herramienta para entender la dinaacutemica
energeacutetica de los procesos de la naturaleza y de los procesos artificiales Sus aplicaciones
son ilimitadas en el sentido que toda accioacuten microscoacutepica o macroscoacutepica demanda un
consumo energeacutetico valioso
El verdadero potencial de ahorro energeacutetico de un sector industrial no se puede valorar
uacutenicamente a partir de la sustitucioacuten de energeacuteticos como consecuencia del
comportamiento del mercado o por la sustitucioacuten de tecnologiacuteas por el efecto de
nuevos desarrollos sino a traveacutes de un balance exergeacutetico que determine las
condiciones maacuteximas de operacioacuten a partir del propoacutesito de cada accioacuten o proceso
Por medio del anaacutelisis termoeconoacutemico es posible la cuantificacioacuten de intangibles
contables y fiacutesicos representados en la destruccioacuten de exergiacutea causada por muacuteltiples
factores como erroacutenea eleccioacuten de un combustible de un mecanismo de un lugar de
operacioacuten fallas de operacioacuten en los procesos erroacuteneos paraacutemetros de operacioacuten etc
A partir de la primera ley de la termodinaacutemica se establecioacute el precepto baacutesico de la
transformacioacuten de energiacutea no se crea no se destruye se transforma en calor en
trabajo aumenta o disminuye la energiacutea interna la segunda ley direcciona los procesos
e integra una nueva propiedad termodinaacutemica denominada entropiacutea asociada al
desorden y a las condiciones de irreversibilidad de los procesos reales El anaacutelisis
exergeacutetico complementa las leyes anteriores considerando el propoacutesito y coacutemo a traveacutes
de su desarrollo se destruye la exergiacutea pese a la conservacioacuten de la energiacutea
La metodologiacutea desarrollada para el anaacutelisis termoeconoacutemico del caso tiene validez para
cualquier proceso industrial porque contempla la valoracioacuten exergeacutetica del uso de los
recursos Si la valoracioacuten fuera de caraacutecter sectorial la metodologiacutea seriacutea la misma soacutelo
que tendriacutea que apoyarse en las estadiacutesticas de consumo energeacutetico por sector y se hariacutea
necesario evaluar la exergiacutea fiacutesica y quiacutemica de todos los recursos involucradosComo
punto de partida seriacutea recomendable valorar la exergiacutea quiacutemica de los hidrocarburos
producidos en Peruacute
Las herramientas de caacutelculo favorecen las evaluaciones termoeconoacutemicas de los
procesos faacutecilmente la teoriacutea exergeacutetica puede articularse a traveacutes de ecuaciones
simples En el caso particular el desarrollo es vaacutelido para un proceso de combustioacuten
externa con secado directo Sin embargo actualmente se consiguen en el mercado
herramientas robustas como el Aspen Process Economic Analyzer (APEA) que con la
informacioacuten baacutesica de operacioacuten realiza un anaacutelisis profundo de la destruccioacuten
exergeacutetica asiacute como de la valoracioacuten de alternativas de disentildeo operacioacuten y cambios
tecnoloacutegicos
La Termoeconomiacutea trata de costes bien monetarios (ptaskJ)o puramente energeacuteticos
(kJ de recursokJ de producto) y se utiliza principalmente para la contabilidad
diagnoacutestico mejora y disentildeo y optimizacioacuten de sistemas teacutermicos Pero en mi opinioacuten
abarca maacutes es la ciencia en la que la Termodinaacutemica y en particular el segundo
principio se une con la Economiacutea ambas en un sentido amplio Ahora estamos en el
principio y esta ciencia se construiraacute con las aportaciones de muchos autores no soacutelo
ingenieros mecaacutenicos En el futuro habraacute que poner orden y sistemaacutetica a la gran
cantidad de contribuciones que tanto economistas como fiacutesicos bioacutelogos quiacutemicos o
ldquoTERMOECONOMIacuteArdquo
6
ingenieros quieren encontrar en las analogiacuteas y explicaciones entre la Termodinaacutemica y
la Economiacutea
Vivimos en un mundo finito y pequentildeo para la gente que somos y seremos y los recursos
naturales son un bien escaso Si queremos sobrevivir debemos conservarlos y aprender
a conservarlos mejor y en este propoacutesito la Termoeconomiacutea jugaraacute un papel clave
Debemos conocer los mecanismos por los cuales la energiacutea y los recursos en general se
degradan y debemos tambieacuten aprender y ensentildear a juzgar queacute sistemas trabajan mejor
con objeto de mejorar sistemaacuteticamente los disentildeos y reducir el consumo per capita
Ademaacutes debemos aprender a reutilizar los residuos para evitar dantildeos al ambiente Esto
lo necesitamos urgentemente ya que al menos dos tercios de la humanidad actual vive
maacutes pobremente que el mundo desarrollado actual
Una contabilidad sistemaacutetica de los recursos naturales que se estaacuten consumiendo seriacutea
una herramienta clave para que tomaacuteramos una consciencia global del problema Y en
esta tarea la Termoeconomiacutea jugariacutea un papel clave
ldquoTERMOECONOMIacuteArdquo
7
7 REFERENCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS
Termoeconomiacutea y Optimizacioacuten Energeacutetica mdash OCW UPMocwupmes rsaquo Explotacioacuten de
Minas
La termoeconomiacutea como alternativa para mejorar la competitividad
wwwbdigitalunaleduco466731089410732015pdf
JR Silva Larrottaaplicaciones termoeconoacutemicas del meacutetodo -
PublicationsListorgpublicationslistorgAplicaciones20termoeconomicas20del
20metodo20exer
Termoeconomiacuteahttpszaguanunizaresrecord45719filesguiapdf
Analisis termoeconomico - ResearchGate https wwwresearchgatenet profile
0c960520b5ead8d544000000pdf
MAL SERRANO - 1993 - Universidad de Sevilla Termoeconomiacutea de Sistemas Energ
wwwuses estudiosgradosplan_221asignatura_2210057
Fundamentos de termodinaacutemica teacutecnica https booksgooglecompe booksisbn=
8429143130
Michael J Moran Howard N Shapiro - 2004 - Science-Termoeconomia
la termoeconomiacutea https wwwehueushelburuak-gaitasunak
La Termoeconomiacutea en plantas energeacuteticaswwwscieloclpdfinfotecv21n4art06pdf
ldquoTERMOECONOMIacuteArdquo
12
ndash Los bombillos o focos No necesitan materia para operar pero siacute
energiacutea eleacutectrica constante en el momento en que se la corte
cesaraacuten en su emisioacuten de luz que dicho sea de paso es tambieacuten
una forma de energiacutea transmitida al entorno
ndash Una botella de agua friacutea Al estar cerrada la botella la
transferencia de materia entre el sistema y el entorno es
imposible no puede entrar ni salir liacutequido Sin embargo es posible
intercambiar energiacutea el agua se iraacute calentando gradualmente
hasta perder su frialdad
ndash Un teleacutefono celular Si bien no requiere para su funcionamiento
cotidiano que se le introduzca materia (no consume nada) siacute
precisa de electricidad a diario pues al agotarse la bateriacutea dejaraacute
de funcionar Eso claro si tomamos como muestra un periacuteodo
diario en que no haya necesidad de repuestos
ndash Un termoacutemetro Ya que estaacute cerrado hermeacuteticamente el
contenido de un termoacutemetro no variacutea jamaacutes pero siacute reacciona de
acuerdo a la temperatura que percibe es decir es sensible a la
entrada de calor (energiacutea)
ndash El sol A menos que se lo piense en teacuterminos de millares de antildeos
al cabo de los cuales habraacute consumido todo su material y moriraacute el
astro rey es un ejemplo de sistema cerrado que no intercambia
materia con su entorno pero siacute expulsa energiacutea (radiacioacuten solar
luz solar calor) a borbotones
ndash El planeta tierra De forma similar la Tierra opera sin intercambios
de materia con respecto al vaciacuteo que la circunda o a los demaacutes
planetas y objetos celestes pero recibe energiacutea solar
constantemente sin la cual la vida seriacutea un planeta inhabitable
ndash Un envase con comida caliente Cerrado de manera hermeacutetica el
envase impediraacute que la materia en su interior se salga o que entre
nada hacia ella pero incluso asiacute irradiaraacute el calor de la comida hacia
afuera pudiendo quemarnos si fuera el caso
ndash Una bateriacutea Los quiacutemicos en su interior reaccionan y generan
energiacutea que es dirigida hacia el exterior y consumida pero la
materia en su interior no sufre variaciones
ldquoTERMOECONOMIacuteArdquo
13
ndash Los televisores Estos artefactos funcionan a partir del consumo de
energiacutea eleacutectrica para emitir luz de diversos tipos y modulaciones
junto con ondas sonoras al medio externo Pero no requieren de
inyeccioacuten de materia ni la masa en su interior es alterada
ndash Las ollas de presioacuten Dado que no permiten el escape de los gases
generados en su interior para que actuacuteen sobre la comida
cocinaacutendose estos recipientes actuacutean como sistemas cerrados
que impiden el escape de la materia pero no de la energiacutea que
escapa como calor ni de la necesaria para iniciar la coccioacuten
tambieacuten proveniente del afuera
43 Sistemas aislados
ndash Una caja fuerte El contenido en las cajas fuertes estaacute separado
por gruesas capas hermeacuteticas de metal de su entorno aislado de
la materia y de la energiacutea al menos en condiciones normales si la
arrojamos a un volcaacuten es seguro que se derrita y se incinere su
contenido
ndash Los trajes de neopreno Un hombre embutido en estos trajes
usualmente para el buceo o submarinismo se encuentra
protegido durante un periacuteodo de tiempo del intercambio caloacuterico
entre el agua y su cuerpo ameacuten de impedir que eacutesta (materia)
penetre al interior del mismo
ndash Los termos Durante un periacuteodo puntual de tiempo los termos
logran aislar el calor contenido en su interior y evitar la fuga de
energiacutea hacia el medio ambiente a la par que impidiendo el
derramamiento del contenido o la introduccioacuten del mismo No
obstante dado el tiempo suficiente la inevitable fuga del calor
ocurriraacute y el contenido volveraacute a estar friacuteo
ndash Una cava teacutermica Como las empleadas para transportar
alimentos operan en base a la reduccioacuten extrema de la entrada de
calor manteniendo su contenido friacuteo durante un periacuteodo
determinado Una vez superado ese rango de tiempo el contenido
empezaraacute a calentarse
ndash El igluacute de los esquimales Disentildeado para mantener a salvo a sus
habitantes de la materia en movimiento (viento nieve lluvia) y
ademaacutes del enfriamiento extremo de dichos climas puede
ldquoTERMOECONOMIacuteArdquo
14
considerarse un sistema aisladohellip hasta que el habitante tenga que
salir
ndash Una bombona de gas Contenido a presioacuten en su interior el gas
estaacute aislado de la materia y la energiacutea a su alrededor en
condiciones normales ya que es posible que el calentamiento de
la bombona obligue el gas a expandirse y ocurra una tragedia
ndash El universo Dado que no sabemos queacute hay afuera de eacutel ni si hay
un afuera de eacutel debemos suponer que el universo es un sistema
aislado en el que no ingresa ni egresa materia o energiacutea sino que
opera de manera independiente de su entorno
ndash Los alimentos enlatados En condiciones normales estos
alimentos se encuentran lejos de cualquier intercambio de materia
o de energiacutea Claro que seriacutea posible someter la lata a
calentamiento o enfriamiento e incluso fundirla en temperaturas
extremas pero incluso asiacute durante unos (breves) instantes la
comida estaraacute aislada por completo del calor
ndash Una caacutemara hiperbaacuterica Uacutetiles justamente para aislar de las
condiciones atmosfeacutericas a los buzos con burbujas de nitroacutegeno en
la sangre no permiten cuando en funcionamiento el intercambio
de materia ni de energiacutea o al menos no en cantidades apreciables
y significativas
ndash La mente humana Dado que no requiere del intercambio de
materia ni de energiacutea es quizaacute uno de los ejemplos de sistema
aislado maacutes factibles Esto claro sin tomar en cuenta el lado fiacutesico
de la misma el cerebro y el cuerpo humanos en absoluto
En el anaacutelisis de un sistema es preciso conocer y manejar un conjunto
de magnitudes que son las llamadas propiedades termodinaacutemicas del
sistema Estas propiedades pueden ser de dos tipos
ndash Intensivas que miden propiedades locales tales como la presioacuten
temperatura densidad etc y no dependen de la cantidad de
materia contenida en el sistema o cualquiera de sus partes
ndash Extensivas que siacute dependen de la cantidad de materia tales como
la masa el volumen o la energiacutea Si no se toman en consideracioacuten
los efectos en los liacutemites o fronteras del sistema ni las acciones a
ldquoTERMOECONOMIacuteArdquo
15
distancia su valor total para el conjunto del sistema es igual a la
suma de sus valores en cada una de las partes que lo formen
Se dice que un sistema es homogeacuteneo cuando sus propiedades
intensivas no variacutean al pasar de unos puntos a otros del mismo El
sistema es heterogeacuteneo en caso contrario Frecuentemente los
sistemas heterogeacuteneos estaacuten formados por dos o maacutes porciones
homogeacuteneas llamadas fases tales que al pasar de unas a otras sufren
un salto brusco las propiedades intensivas Las propiedades extensivas
de los sistemas homogeacuteneos son proporcionales a su cantidad de
materia Igual ocurre con cada una de las fases que forman uno
heterogeacuteneo
El estado de un sistema o de una fase queda determinado por el
conjunto de sus propiedades termodinaacutemicas las cuales ndashpor ellondash se
llaman tambieacuten variables o funciones de estado Una de las cuestiones
a que da respuesta la termodinaacutemica es la determinacioacuten del nuacutemero
necesario y suficiente de variables independientes precisas para
determinar el estado de un sistema La termodinaacutemica maneja tambieacuten
magnitudes que se refieren a procesos o transformaciones y por tanto
no son propiedades de ninguacuten sistema Por ejemplo el trabajo
realizado por un sistema durante una cierta transformacioacuten es algo
caracteriacutestico de eacutesta y no del sistema o su ambiente Esto ocurre en
general con todos los intercambios
Cuando un sistema se deja abandonado a siacute mismo sin otras
interacciones que las que puedan producirse con su ambiente sus
propiedades termodinaacutemicas podraacuten ir variando con el tiempo Es
posible que llegue un instante a partir del cual se mantengan
inalteradas todas sus propiedades y cese cualquier intercambio de
materia y energiacutea con el ambiente Se dice entonces que el sistema se
encuentra en equilibrio termodinaacutemico Eacuteste es un concepto muy
general de equilibrio y comprende como aspectos particulares todos
los tipos especiacuteficos de equilibrio considerados en Fiacutesica o en Quiacutemica
Toda diferencia de valores en alguna propiedad intensiva ndash dentro del
sistema o entre eacuteste y su ambiente ndash constituye un desequilibrio El
sistema tiende hacia el equilibrio reduciendo tales diferencias Las
diferencias de presioacuten provocan flujos de materia las de temperatura
ldquoTERMOECONOMIacuteArdquo
16
flujos de calor etc El estado de equilibrio termodinaacutemico
corresponde a la eliminacioacuten de todas las diferencias posibles entre los
valores locales de cualquiera de sus propiedades intensivas en su
interior o en relacioacuten con su ambiente Asiacute puede hablarse de equilibrio
mecaacutenico teacutermico quiacutemico etc que no son maacutes que aspectos
parciales del equilibrio termodinaacutemico
Para que se produzca espontaacuteneamente un proceso es necesaria la
existencia previa de alguacuten desequilibrio bien dentro del sistema o
entre eacuteste y su ambiente Como caso liacutemite puede concebirse un
proceso ideal formado por una sucesioacuten continua de estados de
equilibrio Tal proceso se denomina reversible Aunque en rigor todo
proceso real es irreversible el anaacutelisis de procesos reversibles es muy
uacutetil como aproximacioacuten en caacutelculos teoacutericos y para obtener patrones de
referencia en muchas situaciones
Como acabamos de ver durante el proceso de aproximacioacuten al
equilibrio pueden ir variando en general las propiedades
termodinaacutemicas intensivas y extensivas del sistema En tal caso se dice
que el proceso se produce en reacutegimen transitorio o variable En
procesos industriales en sistemas abiertos es usual que se mantengan
deliberadamente constantes ciertos desequilibrios (en presiones o
temperaturas por ejemplo) permitiendo al mismo tiempo
intercambios de materia y energiacutea con el ambiente de modo que las
propiedades termodinaacutemicas del sistema permanezcan invariables en
el tiempo Los procesos tienen lugar entonces en reacutegimen permanente
o estacionario En tal caso en particular se conservan constantes las
propiedades extensivas del sistema tales como su masa o su volumen
y esto obliga a que las cantidades de materia entrantes y salientes sean
iguales La mayoriacutea de los procesos industriales se desarrollan la mayor
parte del tiempo en reacutegimen permanente que es el maacutes faacutecil de
gobernar y con el que se controla mejor la cantidad y calidad de la
produccioacuten
44 Temperatura
La termodinaacutemica antildeade una cuarta magnitud fundamental a las
tres aportadas por la mecaacutenica (longitud masa y tiempo) Es eacutesta
ldquoTERMOECONOMIacuteArdquo
17
la temperatura cuya definicioacuten estaacute vinculada al equilibrio
teacutermico Para desarrollar este concepto tomamos dos sistemas
homogeacuteneos cerrados ndash cada uno de ellos en equilibrio y los
ponemos en contacto de tal modo que ninguno de ellos pueda
realizar trabajo sobre el otro (el llamado contacto teacutermico) Si
permanecen en equilibrio sin experimentar alteracioacuten alguna en
sus respectivos estados diremos que se encuentran a una misma
temperatura En general se llama temperatura a la magnitud que
determina si un sistema permaneceraacute en equilibrio al llevarlo al
contacto teacutermico con otros Se dice que dos sistemas tienen
iguales temperaturas si sus estados iniciales de equilibrio no se
alteran al ponerlos en contacto teacutermico Si no permanecen en
equilibrio sus temperaturas seraacuten diferentes En este uacuteltimo caso
desde el momento en que se ponen en contacto ambos sistemas
experimentan una serie de alteraciones hasta llegar a un nuevo
estado de equilibrio en el cual sus temperaturas se habraacuten hecho
iguales
Consideremos ahora dos sistemas A y B cuyas temperaturas
queremos comparar Para ello tomamos un tercer sistema C y lo
llevamos sucesivamente al contacto teacutermico con A y B Si el estado
de C no se altera en ninguna de estas operaciones se observa
experimentalmente que tampoco se alteran los de A y B si se les
pone directamente en contacto Este hecho experimental no
evidente por siacute mismo se establece como un principio
fundamental con el nombre de Principio Cero de la
Termodinaacutemica Si un sistema estaacute en equilibrio teacutermico con otros
dos eacutestos lo estaraacuten a su vez entre siacute Asiacute puede darse un valor
cuantitativo a la nocioacuten de temperatura (temperatura empiacuterica)
mediante una seleccioacuten conveniente del tercer sistema que seriacutea
el termoacutemetro
Usualmente se emplean dos escalas termomeacutetricas la de Celsius y
la de Kelvin Los valores t y T respectivos estaacuten relacionados por la
expresioacuten
ldquoTERMOECONOMIacuteArdquo
18
T = 27315 K + t helliphellip(expresioacuten 1)
La unidad internacional de temperatura es el Kelvin (K) Cuando se
emplea la escala de Celsius la unidad se representa por degC igual al
K ya que la uacutenica diferencia entre ambas escalas es la posicioacuten del
cero El empleo de siacutembolos diferentes sirve uacutenicamente para
caracterizar este hecho Cuando revisemos el Segundo Principio de
la Termodinaacutemica apreciaremos la base teoacuterica en que se sustenta
la escala de Kelvin o absoluta
Usualmente se emplean dos escalas termomeacutetricas la de Celsius y
la de Kelvin Los valores t y respectivos estaacuten relacionados por la
expresioacuten
441 El Primer Principio de la Termodinaacutemica
Su formulacioacuten no es maacutes que una expresioacuten del Principio de
la Conservacioacuten de la Energiacutea en la que se hace aparecer
expliacutecitamente la transferencia de calor Para todo proceso en
el sistema cerrado de la figura adjunta se verifica
en donde el primer miembro representa el intercambio neto
de energiacutea con su ambiente y el segundo el incremento de la
propiedad termodinaacutemica energiacutea En esta foacutermula hemos
seguido el convenio de considerar positivos el calor entrante
en el sistema y el trabajo realizado por eacuteste El Primer
Principio consiste precisamente en el reconocimiento de la
energiacutea como una propiedad termodinaacutemica del sistema Por
lo tanto los intercambios energeacuteticos del primer miembro de
la ecuacioacuten anterior dependen de los estados extremos 1 y 2
y del proceso seguido para pasar como se observa en la
siguiente figura
ldquoTERMOECONOMIacuteArdquo
19
Repasemos brevemente el significado de las magnitudes que
aparecen en la expresioacuten del Primer principio
Calor Es la forma de intercambio energeacutetico que se
produce entre dos sistemas cerrados a distintas
temperaturas cuando se les pone en contacto teacutermico
Equivale a afirmar que el flujo de calor se debe a los
desequilibrios teacutermicos Maacutes adelante volveremos sobre
esta cuestioacuten
Trabajo Muchas de las formas de trabajo que se
manejan habitualmente en ingenieriacutea termodinaacutemica
obedecen a la siguiente definicioacuten Trabajo es el
intercambio energeacutetico que se produce cuando se
desplaza una superficie de control a traveacutes de la cual
actuacutea una fuerza Si consideramos una fuerza F ejercida
por el sistema sobre el ambiente a traveacutes de la superficie
de control la cual experimenta un desplazamiento
elemental (vectorial) dr el trabajo elemental realizado
por el sistema seraacute el producto escalar de F por dr
Energiacutea La energiacutea de un sistema queda determinada
por factores muy diversos su posicioacuten en un campo de
fuerzas (energiacutea potencial mgz en donde m es la
masa g la aceleracioacuten de la gravedad y z la altitud si nos
referimos al campo gravitatorio terrestre) su
movimiento como un todo (energiacutea cineacutetica mc22 en
donde c es la velocidad) o la energiacutea debida a la
estructura el movimiento y las interacciones de las
ldquoTERMOECONOMIacuteArdquo
20
moleacuteculas aacutetomos y partiacuteculas que lo constituyen
(energiacutea interna U)
442 El Segundo Principio de la Termodinaacutemica
Puede afirmarse que el Primer Principio postula la existencia
de la funcioacuten de estado energiacutea cuya diferencial verifica De
una forma similar enunciaremos el Segundo Principio para
un sistema cerrado como sigue
Existe una funcioacuten de estado extensiva S llamada entropiacutea
con las dimensiones energiacuteatemperatura caracterizada por
las siguientes propiedades
a) Puede variar uacutenicamente por intercambio de calor con el
ambiente o por generacioacuten o creacioacuten interna en el propio
sistema
b) La entropiacutea debida al intercambio de calor con el ambiente
verifica
El valor de este teacutermino puede ser por tanto positivo
negativo o nulo seguacuten lo sea δQ
c) La entropiacutea generada en el sistema no puede ser negativa
y soacutelo seraacute nula cuando el proceso sea reversible En caso contrario
es siempre positiva Por tanto δS g es positiva para todo proceso
espontaacuteneo
5 ECOLOGIA INDUSTRIAL
Desde finales del siglo XX se abre paso el innovador concepto de la Ecologiacutea Industrial
Tradicionalmente se ha considerado que la fabricacioacuten comienza cuando las materias
primas entran en el proceso de produccioacuten y termina con la expedicioacuten del producto
acabado La Ecologiacutea Industrial va maacutes lejos considera las fuentes de abastecimiento de
materias primas los efectos de su extraccioacuten y el destino final del producto una vez agotada
su vida uacutetil entre otros aspectos
51 Aplicacioacuten de la Termoeconomiacutea a la Ecologiacutea Industrial
Definido el objeto del presente trabajo y una vez introducida la Ecologiacutea Industrial y
la Termoeconomiacutea surge la siguiente cuestioacuten iquestpor queacute aplicar la Termoeconomiacutea a
la Ecologiacutea Industrial La respuesta parte de la base de que la integracioacuten de procesos
industriales mediante intercambios mutuos de recursos productos y residuos
implica entre otros beneficios ahorros energeacuteticos Y el modo maacutes objetivo para
cuantificar dichos ahorros es mediante las leyes de la termodinaacutemica (Valero et al
2010) Es decir se trata de tener en consideracioacuten no soacutelo la primera ley de la
termodinaacutemica la cual indica que la energiacutea se conserva transformaacutendose de una
forma a otra sino tambieacuten la segunda ley de la termodinaacutemica que reconoce la
existencia de formas de energiacutea maacutes uacutetiles y menos degradadas que otras Por tanto
la combinacioacuten de ambas leyes indica que no es una cuestioacuten de cantidad de energiacutea
ahorrada sino de la calidad de esa energiacutea es decir de su contenido exergeacutetico El
presente trabajo trata de explicar las metodologiacuteas que la Termoeconomiacutea
actualmente estaacute aplicando al anaacutelisis optimizacioacuten y diagnoacutestico de sistemas
energeacuteticos tales como centrales teacutermicas a la Ecologiacutea Industrial y complejo
modelo de Simbiosis Industrial El anaacutelisis termoeconoacutemico puede ayudar a resolver
problemas importantes tales como identificar posibles integraciones mejorar la
eficiencia cuantificar los beneficios obtenidos por la integracioacuten o determinar los
precios en base a criterios fiacutesicos (Valero et al 2010) Conviene describir tambieacuten la
utilizacioacuten de la Termoeconomiacutea como herramienta de anaacutelisis en ecoparques
industriales Por tanto se puede afirmar que la Ecologiacutea Industrial representa un
campo de aplicacioacuten emergente para el anaacutelisis termoeconoacutemico
ldquoTERMOECONOMIacuteArdquo
1
52 Modelo de Simbiosis Industrial de Kalundborg
El ejemplo praacutectico maacutes reconocido mundialmente en el aacutembito de la Ecologiacutea
Industrial es el de la ciudad danesa de Kalundborg en el cual se acuntildeoacute la palabra de
Simbiosis Industrial Constituye la primera referencia de creacioacuten de una red de
ntercambios entre diversas industrias localizadas en un aacuterea comuacuten y su eacutexito
ha generado un aumento del apoyo institucional para la implantacioacuten de esta
estrategia en otros lugares
La experiencia empezoacute cuando unas pocas empresas trataron de minimizar el
consumo de agua subterraacutenea empleando agua de un lago cercano A raiacutez de ello
con el tiempo se ha establecido una compleja red de intercambios cooperativos en
tres aacutereas agua energiacutea y subproductos adoptando tambieacuten la denominacioacuten
de ecoparque o ecosistema industrial
Integrantes
Actualmente el modelo de Simbiosis Industrial de Kalundborg estaacute constituido
por cinco participantes principales maacutes otros diez participantes secundarios
Principales Participantes
Flujos
La red de intercambio de recursos entre los distintos participantes de la Simbiosis
Industrial estaacute compuesta por 31 flujos los cuales se pueden clasificar en tres
categoriacuteas
ldquoTERMOECONOMIacuteArdquo
2
a) Flujos hiacutedricos
Imagen de Flujos Hiacutedricos
Fuente httpwwwbdigitalunaleduco466731089410732015pdf
b) Flujos energeacuteticos
Imagen de Flujos Energeacuteticos
Fuente httpwwwbdigitalunaleduco466731089410732015pdf
ldquoTERMOECONOMIacuteArdquo
3
c) Flujos de subproductos
Imagen de Flujos de Subproductos
Fuente httpwwwbdigitalunaleduco466731089410732015pdf
53 Beneficios ambientales
Los beneficios ambientales asociados a la Simbiosis Industrial estaacuten determinados
por ahorros en el consumo de agua combustible y materia prima dichos
ahorros conllevan disminuir los residuos generados asiacute como las emisiones de
contaminantes como se muestra en la tabla siguiente
Sin embargo es complejo determinar todos los beneficios globales de la Simbiosis
Industrial puesto que muchos de los flujos presentes en el ecosistema
industrial generan un doble beneficio En el caso de los flujos de residuos su
valorizacioacuten conlleva por un lado evitar la ldquoeliminacioacutenrdquo de dicho residuo y por el
otro se evita el consumo de la materia prima asiacute como de todos los recursos
ldquoTERMOECONOMIacuteArdquo
4
asociados a la obtencioacuten de la misma que seriacutea necesario si no se llevara a cabo la
valorizacioacuten
Por ejemplo los procesos de desulfuracioacuten en la central teacutermica y la refineriacutea
ademaacutes de evitar la emisioacuten de dioacutexido de azufre a la atmoacutesfera producen yeso y
tiosulfato de amonio respectivamente La valorizacioacuten de estos dos residuos
supone para los emisores evitar su ldquoeliminacioacutenrdquo y para los receptores en el caso
del yeso se reduce la importacioacuten de yeso natural mientras que en el caso del
tiosulfato de amonio se ahorra en materias primas y recursos correspondientes a
su obtencioacuten Con las cenizas ocurre exactamente lo mismo su valorizacioacuten
repercute en una menor necesidad de clinker y por tanto de los recursos
necesarios para su fabricacioacuten El fertilizante y la levadura suministrada por Novo
Group disminuyen la cantidad de residuos generados y a su vez evitan el
consumo de nuevas materias primas y recursos asociados a la fabricacioacuten de
ambos productos
En el caso de los flujos energeacuteticos como por ejemplo el gas excedente de la
refineriacutea o la energiacutea teacutermica residual de la central en origen conlleva evitar su
disipacioacuten al medioambiente mientras que para los receptores repercute en un
ahorro sustancial de combustible
En cuanto a los flujos hiacutedricos el principal beneficio ambiental alcanzado es el
ahorro en el consumo de agua focalizado en sus inicios en la sustitucioacuten de
agua subterraacutenea por agua superficial y maacutes tarde en la reutilizacioacuten
Ademaacutes en teacuterminos econoacutemicos tambieacuten se han alcanzado beneficios
sustanciales
Como ejemplo para el antildeo 2000 ya se habiacutean invertido 75 millones de doacutelares en
19 proyectos con un ahorro estimado de 15 millones de doacutelares (Cervantes et al
2009) 6 Caso de estudio La aplicacioacuten de la Termoeconomiacutea al modelo de
Simbiosis Industrial de Kalundborg precisa de la definicioacuten de un caso de estudio
sobre dicho modelo que permita su caracterizacioacuten en teacuterminos de exergiacutea
En este sentido la informacioacuten teacutecnica recopilada sobre los flujos
intercambiados limita el alcance del caso de estudio establecido Sin embargo
fruto de una extensa y laboriosa buacutesqueda bibliograacutefica se ha elaborado un caso
de estudio que incluye los flujos maacutes representativos de la Simbiosis Industrial
de Kalundborg
ldquoTERMOECONOMIacuteArdquo
5
6 CONCLUSIONES
El anaacutelisis exergeacutetico se constituye en una soacutelida herramienta para entender la dinaacutemica
energeacutetica de los procesos de la naturaleza y de los procesos artificiales Sus aplicaciones
son ilimitadas en el sentido que toda accioacuten microscoacutepica o macroscoacutepica demanda un
consumo energeacutetico valioso
El verdadero potencial de ahorro energeacutetico de un sector industrial no se puede valorar
uacutenicamente a partir de la sustitucioacuten de energeacuteticos como consecuencia del
comportamiento del mercado o por la sustitucioacuten de tecnologiacuteas por el efecto de
nuevos desarrollos sino a traveacutes de un balance exergeacutetico que determine las
condiciones maacuteximas de operacioacuten a partir del propoacutesito de cada accioacuten o proceso
Por medio del anaacutelisis termoeconoacutemico es posible la cuantificacioacuten de intangibles
contables y fiacutesicos representados en la destruccioacuten de exergiacutea causada por muacuteltiples
factores como erroacutenea eleccioacuten de un combustible de un mecanismo de un lugar de
operacioacuten fallas de operacioacuten en los procesos erroacuteneos paraacutemetros de operacioacuten etc
A partir de la primera ley de la termodinaacutemica se establecioacute el precepto baacutesico de la
transformacioacuten de energiacutea no se crea no se destruye se transforma en calor en
trabajo aumenta o disminuye la energiacutea interna la segunda ley direcciona los procesos
e integra una nueva propiedad termodinaacutemica denominada entropiacutea asociada al
desorden y a las condiciones de irreversibilidad de los procesos reales El anaacutelisis
exergeacutetico complementa las leyes anteriores considerando el propoacutesito y coacutemo a traveacutes
de su desarrollo se destruye la exergiacutea pese a la conservacioacuten de la energiacutea
La metodologiacutea desarrollada para el anaacutelisis termoeconoacutemico del caso tiene validez para
cualquier proceso industrial porque contempla la valoracioacuten exergeacutetica del uso de los
recursos Si la valoracioacuten fuera de caraacutecter sectorial la metodologiacutea seriacutea la misma soacutelo
que tendriacutea que apoyarse en las estadiacutesticas de consumo energeacutetico por sector y se hariacutea
necesario evaluar la exergiacutea fiacutesica y quiacutemica de todos los recursos involucradosComo
punto de partida seriacutea recomendable valorar la exergiacutea quiacutemica de los hidrocarburos
producidos en Peruacute
Las herramientas de caacutelculo favorecen las evaluaciones termoeconoacutemicas de los
procesos faacutecilmente la teoriacutea exergeacutetica puede articularse a traveacutes de ecuaciones
simples En el caso particular el desarrollo es vaacutelido para un proceso de combustioacuten
externa con secado directo Sin embargo actualmente se consiguen en el mercado
herramientas robustas como el Aspen Process Economic Analyzer (APEA) que con la
informacioacuten baacutesica de operacioacuten realiza un anaacutelisis profundo de la destruccioacuten
exergeacutetica asiacute como de la valoracioacuten de alternativas de disentildeo operacioacuten y cambios
tecnoloacutegicos
La Termoeconomiacutea trata de costes bien monetarios (ptaskJ)o puramente energeacuteticos
(kJ de recursokJ de producto) y se utiliza principalmente para la contabilidad
diagnoacutestico mejora y disentildeo y optimizacioacuten de sistemas teacutermicos Pero en mi opinioacuten
abarca maacutes es la ciencia en la que la Termodinaacutemica y en particular el segundo
principio se une con la Economiacutea ambas en un sentido amplio Ahora estamos en el
principio y esta ciencia se construiraacute con las aportaciones de muchos autores no soacutelo
ingenieros mecaacutenicos En el futuro habraacute que poner orden y sistemaacutetica a la gran
cantidad de contribuciones que tanto economistas como fiacutesicos bioacutelogos quiacutemicos o
ldquoTERMOECONOMIacuteArdquo
6
ingenieros quieren encontrar en las analogiacuteas y explicaciones entre la Termodinaacutemica y
la Economiacutea
Vivimos en un mundo finito y pequentildeo para la gente que somos y seremos y los recursos
naturales son un bien escaso Si queremos sobrevivir debemos conservarlos y aprender
a conservarlos mejor y en este propoacutesito la Termoeconomiacutea jugaraacute un papel clave
Debemos conocer los mecanismos por los cuales la energiacutea y los recursos en general se
degradan y debemos tambieacuten aprender y ensentildear a juzgar queacute sistemas trabajan mejor
con objeto de mejorar sistemaacuteticamente los disentildeos y reducir el consumo per capita
Ademaacutes debemos aprender a reutilizar los residuos para evitar dantildeos al ambiente Esto
lo necesitamos urgentemente ya que al menos dos tercios de la humanidad actual vive
maacutes pobremente que el mundo desarrollado actual
Una contabilidad sistemaacutetica de los recursos naturales que se estaacuten consumiendo seriacutea
una herramienta clave para que tomaacuteramos una consciencia global del problema Y en
esta tarea la Termoeconomiacutea jugariacutea un papel clave
ldquoTERMOECONOMIacuteArdquo
7
7 REFERENCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS
Termoeconomiacutea y Optimizacioacuten Energeacutetica mdash OCW UPMocwupmes rsaquo Explotacioacuten de
Minas
La termoeconomiacutea como alternativa para mejorar la competitividad
wwwbdigitalunaleduco466731089410732015pdf
JR Silva Larrottaaplicaciones termoeconoacutemicas del meacutetodo -
PublicationsListorgpublicationslistorgAplicaciones20termoeconomicas20del
20metodo20exer
Termoeconomiacuteahttpszaguanunizaresrecord45719filesguiapdf
Analisis termoeconomico - ResearchGate https wwwresearchgatenet profile
0c960520b5ead8d544000000pdf
MAL SERRANO - 1993 - Universidad de Sevilla Termoeconomiacutea de Sistemas Energ
wwwuses estudiosgradosplan_221asignatura_2210057
Fundamentos de termodinaacutemica teacutecnica https booksgooglecompe booksisbn=
8429143130
Michael J Moran Howard N Shapiro - 2004 - Science-Termoeconomia
la termoeconomiacutea https wwwehueushelburuak-gaitasunak
La Termoeconomiacutea en plantas energeacuteticaswwwscieloclpdfinfotecv21n4art06pdf
ldquoTERMOECONOMIacuteArdquo
13
ndash Los televisores Estos artefactos funcionan a partir del consumo de
energiacutea eleacutectrica para emitir luz de diversos tipos y modulaciones
junto con ondas sonoras al medio externo Pero no requieren de
inyeccioacuten de materia ni la masa en su interior es alterada
ndash Las ollas de presioacuten Dado que no permiten el escape de los gases
generados en su interior para que actuacuteen sobre la comida
cocinaacutendose estos recipientes actuacutean como sistemas cerrados
que impiden el escape de la materia pero no de la energiacutea que
escapa como calor ni de la necesaria para iniciar la coccioacuten
tambieacuten proveniente del afuera
43 Sistemas aislados
ndash Una caja fuerte El contenido en las cajas fuertes estaacute separado
por gruesas capas hermeacuteticas de metal de su entorno aislado de
la materia y de la energiacutea al menos en condiciones normales si la
arrojamos a un volcaacuten es seguro que se derrita y se incinere su
contenido
ndash Los trajes de neopreno Un hombre embutido en estos trajes
usualmente para el buceo o submarinismo se encuentra
protegido durante un periacuteodo de tiempo del intercambio caloacuterico
entre el agua y su cuerpo ameacuten de impedir que eacutesta (materia)
penetre al interior del mismo
ndash Los termos Durante un periacuteodo puntual de tiempo los termos
logran aislar el calor contenido en su interior y evitar la fuga de
energiacutea hacia el medio ambiente a la par que impidiendo el
derramamiento del contenido o la introduccioacuten del mismo No
obstante dado el tiempo suficiente la inevitable fuga del calor
ocurriraacute y el contenido volveraacute a estar friacuteo
ndash Una cava teacutermica Como las empleadas para transportar
alimentos operan en base a la reduccioacuten extrema de la entrada de
calor manteniendo su contenido friacuteo durante un periacuteodo
determinado Una vez superado ese rango de tiempo el contenido
empezaraacute a calentarse
ndash El igluacute de los esquimales Disentildeado para mantener a salvo a sus
habitantes de la materia en movimiento (viento nieve lluvia) y
ademaacutes del enfriamiento extremo de dichos climas puede
ldquoTERMOECONOMIacuteArdquo
14
considerarse un sistema aisladohellip hasta que el habitante tenga que
salir
ndash Una bombona de gas Contenido a presioacuten en su interior el gas
estaacute aislado de la materia y la energiacutea a su alrededor en
condiciones normales ya que es posible que el calentamiento de
la bombona obligue el gas a expandirse y ocurra una tragedia
ndash El universo Dado que no sabemos queacute hay afuera de eacutel ni si hay
un afuera de eacutel debemos suponer que el universo es un sistema
aislado en el que no ingresa ni egresa materia o energiacutea sino que
opera de manera independiente de su entorno
ndash Los alimentos enlatados En condiciones normales estos
alimentos se encuentran lejos de cualquier intercambio de materia
o de energiacutea Claro que seriacutea posible someter la lata a
calentamiento o enfriamiento e incluso fundirla en temperaturas
extremas pero incluso asiacute durante unos (breves) instantes la
comida estaraacute aislada por completo del calor
ndash Una caacutemara hiperbaacuterica Uacutetiles justamente para aislar de las
condiciones atmosfeacutericas a los buzos con burbujas de nitroacutegeno en
la sangre no permiten cuando en funcionamiento el intercambio
de materia ni de energiacutea o al menos no en cantidades apreciables
y significativas
ndash La mente humana Dado que no requiere del intercambio de
materia ni de energiacutea es quizaacute uno de los ejemplos de sistema
aislado maacutes factibles Esto claro sin tomar en cuenta el lado fiacutesico
de la misma el cerebro y el cuerpo humanos en absoluto
En el anaacutelisis de un sistema es preciso conocer y manejar un conjunto
de magnitudes que son las llamadas propiedades termodinaacutemicas del
sistema Estas propiedades pueden ser de dos tipos
ndash Intensivas que miden propiedades locales tales como la presioacuten
temperatura densidad etc y no dependen de la cantidad de
materia contenida en el sistema o cualquiera de sus partes
ndash Extensivas que siacute dependen de la cantidad de materia tales como
la masa el volumen o la energiacutea Si no se toman en consideracioacuten
los efectos en los liacutemites o fronteras del sistema ni las acciones a
ldquoTERMOECONOMIacuteArdquo
15
distancia su valor total para el conjunto del sistema es igual a la
suma de sus valores en cada una de las partes que lo formen
Se dice que un sistema es homogeacuteneo cuando sus propiedades
intensivas no variacutean al pasar de unos puntos a otros del mismo El
sistema es heterogeacuteneo en caso contrario Frecuentemente los
sistemas heterogeacuteneos estaacuten formados por dos o maacutes porciones
homogeacuteneas llamadas fases tales que al pasar de unas a otras sufren
un salto brusco las propiedades intensivas Las propiedades extensivas
de los sistemas homogeacuteneos son proporcionales a su cantidad de
materia Igual ocurre con cada una de las fases que forman uno
heterogeacuteneo
El estado de un sistema o de una fase queda determinado por el
conjunto de sus propiedades termodinaacutemicas las cuales ndashpor ellondash se
llaman tambieacuten variables o funciones de estado Una de las cuestiones
a que da respuesta la termodinaacutemica es la determinacioacuten del nuacutemero
necesario y suficiente de variables independientes precisas para
determinar el estado de un sistema La termodinaacutemica maneja tambieacuten
magnitudes que se refieren a procesos o transformaciones y por tanto
no son propiedades de ninguacuten sistema Por ejemplo el trabajo
realizado por un sistema durante una cierta transformacioacuten es algo
caracteriacutestico de eacutesta y no del sistema o su ambiente Esto ocurre en
general con todos los intercambios
Cuando un sistema se deja abandonado a siacute mismo sin otras
interacciones que las que puedan producirse con su ambiente sus
propiedades termodinaacutemicas podraacuten ir variando con el tiempo Es
posible que llegue un instante a partir del cual se mantengan
inalteradas todas sus propiedades y cese cualquier intercambio de
materia y energiacutea con el ambiente Se dice entonces que el sistema se
encuentra en equilibrio termodinaacutemico Eacuteste es un concepto muy
general de equilibrio y comprende como aspectos particulares todos
los tipos especiacuteficos de equilibrio considerados en Fiacutesica o en Quiacutemica
Toda diferencia de valores en alguna propiedad intensiva ndash dentro del
sistema o entre eacuteste y su ambiente ndash constituye un desequilibrio El
sistema tiende hacia el equilibrio reduciendo tales diferencias Las
diferencias de presioacuten provocan flujos de materia las de temperatura
ldquoTERMOECONOMIacuteArdquo
16
flujos de calor etc El estado de equilibrio termodinaacutemico
corresponde a la eliminacioacuten de todas las diferencias posibles entre los
valores locales de cualquiera de sus propiedades intensivas en su
interior o en relacioacuten con su ambiente Asiacute puede hablarse de equilibrio
mecaacutenico teacutermico quiacutemico etc que no son maacutes que aspectos
parciales del equilibrio termodinaacutemico
Para que se produzca espontaacuteneamente un proceso es necesaria la
existencia previa de alguacuten desequilibrio bien dentro del sistema o
entre eacuteste y su ambiente Como caso liacutemite puede concebirse un
proceso ideal formado por una sucesioacuten continua de estados de
equilibrio Tal proceso se denomina reversible Aunque en rigor todo
proceso real es irreversible el anaacutelisis de procesos reversibles es muy
uacutetil como aproximacioacuten en caacutelculos teoacutericos y para obtener patrones de
referencia en muchas situaciones
Como acabamos de ver durante el proceso de aproximacioacuten al
equilibrio pueden ir variando en general las propiedades
termodinaacutemicas intensivas y extensivas del sistema En tal caso se dice
que el proceso se produce en reacutegimen transitorio o variable En
procesos industriales en sistemas abiertos es usual que se mantengan
deliberadamente constantes ciertos desequilibrios (en presiones o
temperaturas por ejemplo) permitiendo al mismo tiempo
intercambios de materia y energiacutea con el ambiente de modo que las
propiedades termodinaacutemicas del sistema permanezcan invariables en
el tiempo Los procesos tienen lugar entonces en reacutegimen permanente
o estacionario En tal caso en particular se conservan constantes las
propiedades extensivas del sistema tales como su masa o su volumen
y esto obliga a que las cantidades de materia entrantes y salientes sean
iguales La mayoriacutea de los procesos industriales se desarrollan la mayor
parte del tiempo en reacutegimen permanente que es el maacutes faacutecil de
gobernar y con el que se controla mejor la cantidad y calidad de la
produccioacuten
44 Temperatura
La termodinaacutemica antildeade una cuarta magnitud fundamental a las
tres aportadas por la mecaacutenica (longitud masa y tiempo) Es eacutesta
ldquoTERMOECONOMIacuteArdquo
17
la temperatura cuya definicioacuten estaacute vinculada al equilibrio
teacutermico Para desarrollar este concepto tomamos dos sistemas
homogeacuteneos cerrados ndash cada uno de ellos en equilibrio y los
ponemos en contacto de tal modo que ninguno de ellos pueda
realizar trabajo sobre el otro (el llamado contacto teacutermico) Si
permanecen en equilibrio sin experimentar alteracioacuten alguna en
sus respectivos estados diremos que se encuentran a una misma
temperatura En general se llama temperatura a la magnitud que
determina si un sistema permaneceraacute en equilibrio al llevarlo al
contacto teacutermico con otros Se dice que dos sistemas tienen
iguales temperaturas si sus estados iniciales de equilibrio no se
alteran al ponerlos en contacto teacutermico Si no permanecen en
equilibrio sus temperaturas seraacuten diferentes En este uacuteltimo caso
desde el momento en que se ponen en contacto ambos sistemas
experimentan una serie de alteraciones hasta llegar a un nuevo
estado de equilibrio en el cual sus temperaturas se habraacuten hecho
iguales
Consideremos ahora dos sistemas A y B cuyas temperaturas
queremos comparar Para ello tomamos un tercer sistema C y lo
llevamos sucesivamente al contacto teacutermico con A y B Si el estado
de C no se altera en ninguna de estas operaciones se observa
experimentalmente que tampoco se alteran los de A y B si se les
pone directamente en contacto Este hecho experimental no
evidente por siacute mismo se establece como un principio
fundamental con el nombre de Principio Cero de la
Termodinaacutemica Si un sistema estaacute en equilibrio teacutermico con otros
dos eacutestos lo estaraacuten a su vez entre siacute Asiacute puede darse un valor
cuantitativo a la nocioacuten de temperatura (temperatura empiacuterica)
mediante una seleccioacuten conveniente del tercer sistema que seriacutea
el termoacutemetro
Usualmente se emplean dos escalas termomeacutetricas la de Celsius y
la de Kelvin Los valores t y T respectivos estaacuten relacionados por la
expresioacuten
ldquoTERMOECONOMIacuteArdquo
18
T = 27315 K + t helliphellip(expresioacuten 1)
La unidad internacional de temperatura es el Kelvin (K) Cuando se
emplea la escala de Celsius la unidad se representa por degC igual al
K ya que la uacutenica diferencia entre ambas escalas es la posicioacuten del
cero El empleo de siacutembolos diferentes sirve uacutenicamente para
caracterizar este hecho Cuando revisemos el Segundo Principio de
la Termodinaacutemica apreciaremos la base teoacuterica en que se sustenta
la escala de Kelvin o absoluta
Usualmente se emplean dos escalas termomeacutetricas la de Celsius y
la de Kelvin Los valores t y respectivos estaacuten relacionados por la
expresioacuten
441 El Primer Principio de la Termodinaacutemica
Su formulacioacuten no es maacutes que una expresioacuten del Principio de
la Conservacioacuten de la Energiacutea en la que se hace aparecer
expliacutecitamente la transferencia de calor Para todo proceso en
el sistema cerrado de la figura adjunta se verifica
en donde el primer miembro representa el intercambio neto
de energiacutea con su ambiente y el segundo el incremento de la
propiedad termodinaacutemica energiacutea En esta foacutermula hemos
seguido el convenio de considerar positivos el calor entrante
en el sistema y el trabajo realizado por eacuteste El Primer
Principio consiste precisamente en el reconocimiento de la
energiacutea como una propiedad termodinaacutemica del sistema Por
lo tanto los intercambios energeacuteticos del primer miembro de
la ecuacioacuten anterior dependen de los estados extremos 1 y 2
y del proceso seguido para pasar como se observa en la
siguiente figura
ldquoTERMOECONOMIacuteArdquo
19
Repasemos brevemente el significado de las magnitudes que
aparecen en la expresioacuten del Primer principio
Calor Es la forma de intercambio energeacutetico que se
produce entre dos sistemas cerrados a distintas
temperaturas cuando se les pone en contacto teacutermico
Equivale a afirmar que el flujo de calor se debe a los
desequilibrios teacutermicos Maacutes adelante volveremos sobre
esta cuestioacuten
Trabajo Muchas de las formas de trabajo que se
manejan habitualmente en ingenieriacutea termodinaacutemica
obedecen a la siguiente definicioacuten Trabajo es el
intercambio energeacutetico que se produce cuando se
desplaza una superficie de control a traveacutes de la cual
actuacutea una fuerza Si consideramos una fuerza F ejercida
por el sistema sobre el ambiente a traveacutes de la superficie
de control la cual experimenta un desplazamiento
elemental (vectorial) dr el trabajo elemental realizado
por el sistema seraacute el producto escalar de F por dr
Energiacutea La energiacutea de un sistema queda determinada
por factores muy diversos su posicioacuten en un campo de
fuerzas (energiacutea potencial mgz en donde m es la
masa g la aceleracioacuten de la gravedad y z la altitud si nos
referimos al campo gravitatorio terrestre) su
movimiento como un todo (energiacutea cineacutetica mc22 en
donde c es la velocidad) o la energiacutea debida a la
estructura el movimiento y las interacciones de las
ldquoTERMOECONOMIacuteArdquo
20
moleacuteculas aacutetomos y partiacuteculas que lo constituyen
(energiacutea interna U)
442 El Segundo Principio de la Termodinaacutemica
Puede afirmarse que el Primer Principio postula la existencia
de la funcioacuten de estado energiacutea cuya diferencial verifica De
una forma similar enunciaremos el Segundo Principio para
un sistema cerrado como sigue
Existe una funcioacuten de estado extensiva S llamada entropiacutea
con las dimensiones energiacuteatemperatura caracterizada por
las siguientes propiedades
a) Puede variar uacutenicamente por intercambio de calor con el
ambiente o por generacioacuten o creacioacuten interna en el propio
sistema
b) La entropiacutea debida al intercambio de calor con el ambiente
verifica
El valor de este teacutermino puede ser por tanto positivo
negativo o nulo seguacuten lo sea δQ
c) La entropiacutea generada en el sistema no puede ser negativa
y soacutelo seraacute nula cuando el proceso sea reversible En caso contrario
es siempre positiva Por tanto δS g es positiva para todo proceso
espontaacuteneo
5 ECOLOGIA INDUSTRIAL
Desde finales del siglo XX se abre paso el innovador concepto de la Ecologiacutea Industrial
Tradicionalmente se ha considerado que la fabricacioacuten comienza cuando las materias
primas entran en el proceso de produccioacuten y termina con la expedicioacuten del producto
acabado La Ecologiacutea Industrial va maacutes lejos considera las fuentes de abastecimiento de
materias primas los efectos de su extraccioacuten y el destino final del producto una vez agotada
su vida uacutetil entre otros aspectos
51 Aplicacioacuten de la Termoeconomiacutea a la Ecologiacutea Industrial
Definido el objeto del presente trabajo y una vez introducida la Ecologiacutea Industrial y
la Termoeconomiacutea surge la siguiente cuestioacuten iquestpor queacute aplicar la Termoeconomiacutea a
la Ecologiacutea Industrial La respuesta parte de la base de que la integracioacuten de procesos
industriales mediante intercambios mutuos de recursos productos y residuos
implica entre otros beneficios ahorros energeacuteticos Y el modo maacutes objetivo para
cuantificar dichos ahorros es mediante las leyes de la termodinaacutemica (Valero et al
2010) Es decir se trata de tener en consideracioacuten no soacutelo la primera ley de la
termodinaacutemica la cual indica que la energiacutea se conserva transformaacutendose de una
forma a otra sino tambieacuten la segunda ley de la termodinaacutemica que reconoce la
existencia de formas de energiacutea maacutes uacutetiles y menos degradadas que otras Por tanto
la combinacioacuten de ambas leyes indica que no es una cuestioacuten de cantidad de energiacutea
ahorrada sino de la calidad de esa energiacutea es decir de su contenido exergeacutetico El
presente trabajo trata de explicar las metodologiacuteas que la Termoeconomiacutea
actualmente estaacute aplicando al anaacutelisis optimizacioacuten y diagnoacutestico de sistemas
energeacuteticos tales como centrales teacutermicas a la Ecologiacutea Industrial y complejo
modelo de Simbiosis Industrial El anaacutelisis termoeconoacutemico puede ayudar a resolver
problemas importantes tales como identificar posibles integraciones mejorar la
eficiencia cuantificar los beneficios obtenidos por la integracioacuten o determinar los
precios en base a criterios fiacutesicos (Valero et al 2010) Conviene describir tambieacuten la
utilizacioacuten de la Termoeconomiacutea como herramienta de anaacutelisis en ecoparques
industriales Por tanto se puede afirmar que la Ecologiacutea Industrial representa un
campo de aplicacioacuten emergente para el anaacutelisis termoeconoacutemico
ldquoTERMOECONOMIacuteArdquo
1
52 Modelo de Simbiosis Industrial de Kalundborg
El ejemplo praacutectico maacutes reconocido mundialmente en el aacutembito de la Ecologiacutea
Industrial es el de la ciudad danesa de Kalundborg en el cual se acuntildeoacute la palabra de
Simbiosis Industrial Constituye la primera referencia de creacioacuten de una red de
ntercambios entre diversas industrias localizadas en un aacuterea comuacuten y su eacutexito
ha generado un aumento del apoyo institucional para la implantacioacuten de esta
estrategia en otros lugares
La experiencia empezoacute cuando unas pocas empresas trataron de minimizar el
consumo de agua subterraacutenea empleando agua de un lago cercano A raiacutez de ello
con el tiempo se ha establecido una compleja red de intercambios cooperativos en
tres aacutereas agua energiacutea y subproductos adoptando tambieacuten la denominacioacuten
de ecoparque o ecosistema industrial
Integrantes
Actualmente el modelo de Simbiosis Industrial de Kalundborg estaacute constituido
por cinco participantes principales maacutes otros diez participantes secundarios
Principales Participantes
Flujos
La red de intercambio de recursos entre los distintos participantes de la Simbiosis
Industrial estaacute compuesta por 31 flujos los cuales se pueden clasificar en tres
categoriacuteas
ldquoTERMOECONOMIacuteArdquo
2
a) Flujos hiacutedricos
Imagen de Flujos Hiacutedricos
Fuente httpwwwbdigitalunaleduco466731089410732015pdf
b) Flujos energeacuteticos
Imagen de Flujos Energeacuteticos
Fuente httpwwwbdigitalunaleduco466731089410732015pdf
ldquoTERMOECONOMIacuteArdquo
3
c) Flujos de subproductos
Imagen de Flujos de Subproductos
Fuente httpwwwbdigitalunaleduco466731089410732015pdf
53 Beneficios ambientales
Los beneficios ambientales asociados a la Simbiosis Industrial estaacuten determinados
por ahorros en el consumo de agua combustible y materia prima dichos
ahorros conllevan disminuir los residuos generados asiacute como las emisiones de
contaminantes como se muestra en la tabla siguiente
Sin embargo es complejo determinar todos los beneficios globales de la Simbiosis
Industrial puesto que muchos de los flujos presentes en el ecosistema
industrial generan un doble beneficio En el caso de los flujos de residuos su
valorizacioacuten conlleva por un lado evitar la ldquoeliminacioacutenrdquo de dicho residuo y por el
otro se evita el consumo de la materia prima asiacute como de todos los recursos
ldquoTERMOECONOMIacuteArdquo
4
asociados a la obtencioacuten de la misma que seriacutea necesario si no se llevara a cabo la
valorizacioacuten
Por ejemplo los procesos de desulfuracioacuten en la central teacutermica y la refineriacutea
ademaacutes de evitar la emisioacuten de dioacutexido de azufre a la atmoacutesfera producen yeso y
tiosulfato de amonio respectivamente La valorizacioacuten de estos dos residuos
supone para los emisores evitar su ldquoeliminacioacutenrdquo y para los receptores en el caso
del yeso se reduce la importacioacuten de yeso natural mientras que en el caso del
tiosulfato de amonio se ahorra en materias primas y recursos correspondientes a
su obtencioacuten Con las cenizas ocurre exactamente lo mismo su valorizacioacuten
repercute en una menor necesidad de clinker y por tanto de los recursos
necesarios para su fabricacioacuten El fertilizante y la levadura suministrada por Novo
Group disminuyen la cantidad de residuos generados y a su vez evitan el
consumo de nuevas materias primas y recursos asociados a la fabricacioacuten de
ambos productos
En el caso de los flujos energeacuteticos como por ejemplo el gas excedente de la
refineriacutea o la energiacutea teacutermica residual de la central en origen conlleva evitar su
disipacioacuten al medioambiente mientras que para los receptores repercute en un
ahorro sustancial de combustible
En cuanto a los flujos hiacutedricos el principal beneficio ambiental alcanzado es el
ahorro en el consumo de agua focalizado en sus inicios en la sustitucioacuten de
agua subterraacutenea por agua superficial y maacutes tarde en la reutilizacioacuten
Ademaacutes en teacuterminos econoacutemicos tambieacuten se han alcanzado beneficios
sustanciales
Como ejemplo para el antildeo 2000 ya se habiacutean invertido 75 millones de doacutelares en
19 proyectos con un ahorro estimado de 15 millones de doacutelares (Cervantes et al
2009) 6 Caso de estudio La aplicacioacuten de la Termoeconomiacutea al modelo de
Simbiosis Industrial de Kalundborg precisa de la definicioacuten de un caso de estudio
sobre dicho modelo que permita su caracterizacioacuten en teacuterminos de exergiacutea
En este sentido la informacioacuten teacutecnica recopilada sobre los flujos
intercambiados limita el alcance del caso de estudio establecido Sin embargo
fruto de una extensa y laboriosa buacutesqueda bibliograacutefica se ha elaborado un caso
de estudio que incluye los flujos maacutes representativos de la Simbiosis Industrial
de Kalundborg
ldquoTERMOECONOMIacuteArdquo
5
6 CONCLUSIONES
El anaacutelisis exergeacutetico se constituye en una soacutelida herramienta para entender la dinaacutemica
energeacutetica de los procesos de la naturaleza y de los procesos artificiales Sus aplicaciones
son ilimitadas en el sentido que toda accioacuten microscoacutepica o macroscoacutepica demanda un
consumo energeacutetico valioso
El verdadero potencial de ahorro energeacutetico de un sector industrial no se puede valorar
uacutenicamente a partir de la sustitucioacuten de energeacuteticos como consecuencia del
comportamiento del mercado o por la sustitucioacuten de tecnologiacuteas por el efecto de
nuevos desarrollos sino a traveacutes de un balance exergeacutetico que determine las
condiciones maacuteximas de operacioacuten a partir del propoacutesito de cada accioacuten o proceso
Por medio del anaacutelisis termoeconoacutemico es posible la cuantificacioacuten de intangibles
contables y fiacutesicos representados en la destruccioacuten de exergiacutea causada por muacuteltiples
factores como erroacutenea eleccioacuten de un combustible de un mecanismo de un lugar de
operacioacuten fallas de operacioacuten en los procesos erroacuteneos paraacutemetros de operacioacuten etc
A partir de la primera ley de la termodinaacutemica se establecioacute el precepto baacutesico de la
transformacioacuten de energiacutea no se crea no se destruye se transforma en calor en
trabajo aumenta o disminuye la energiacutea interna la segunda ley direcciona los procesos
e integra una nueva propiedad termodinaacutemica denominada entropiacutea asociada al
desorden y a las condiciones de irreversibilidad de los procesos reales El anaacutelisis
exergeacutetico complementa las leyes anteriores considerando el propoacutesito y coacutemo a traveacutes
de su desarrollo se destruye la exergiacutea pese a la conservacioacuten de la energiacutea
La metodologiacutea desarrollada para el anaacutelisis termoeconoacutemico del caso tiene validez para
cualquier proceso industrial porque contempla la valoracioacuten exergeacutetica del uso de los
recursos Si la valoracioacuten fuera de caraacutecter sectorial la metodologiacutea seriacutea la misma soacutelo
que tendriacutea que apoyarse en las estadiacutesticas de consumo energeacutetico por sector y se hariacutea
necesario evaluar la exergiacutea fiacutesica y quiacutemica de todos los recursos involucradosComo
punto de partida seriacutea recomendable valorar la exergiacutea quiacutemica de los hidrocarburos
producidos en Peruacute
Las herramientas de caacutelculo favorecen las evaluaciones termoeconoacutemicas de los
procesos faacutecilmente la teoriacutea exergeacutetica puede articularse a traveacutes de ecuaciones
simples En el caso particular el desarrollo es vaacutelido para un proceso de combustioacuten
externa con secado directo Sin embargo actualmente se consiguen en el mercado
herramientas robustas como el Aspen Process Economic Analyzer (APEA) que con la
informacioacuten baacutesica de operacioacuten realiza un anaacutelisis profundo de la destruccioacuten
exergeacutetica asiacute como de la valoracioacuten de alternativas de disentildeo operacioacuten y cambios
tecnoloacutegicos
La Termoeconomiacutea trata de costes bien monetarios (ptaskJ)o puramente energeacuteticos
(kJ de recursokJ de producto) y se utiliza principalmente para la contabilidad
diagnoacutestico mejora y disentildeo y optimizacioacuten de sistemas teacutermicos Pero en mi opinioacuten
abarca maacutes es la ciencia en la que la Termodinaacutemica y en particular el segundo
principio se une con la Economiacutea ambas en un sentido amplio Ahora estamos en el
principio y esta ciencia se construiraacute con las aportaciones de muchos autores no soacutelo
ingenieros mecaacutenicos En el futuro habraacute que poner orden y sistemaacutetica a la gran
cantidad de contribuciones que tanto economistas como fiacutesicos bioacutelogos quiacutemicos o
ldquoTERMOECONOMIacuteArdquo
6
ingenieros quieren encontrar en las analogiacuteas y explicaciones entre la Termodinaacutemica y
la Economiacutea
Vivimos en un mundo finito y pequentildeo para la gente que somos y seremos y los recursos
naturales son un bien escaso Si queremos sobrevivir debemos conservarlos y aprender
a conservarlos mejor y en este propoacutesito la Termoeconomiacutea jugaraacute un papel clave
Debemos conocer los mecanismos por los cuales la energiacutea y los recursos en general se
degradan y debemos tambieacuten aprender y ensentildear a juzgar queacute sistemas trabajan mejor
con objeto de mejorar sistemaacuteticamente los disentildeos y reducir el consumo per capita
Ademaacutes debemos aprender a reutilizar los residuos para evitar dantildeos al ambiente Esto
lo necesitamos urgentemente ya que al menos dos tercios de la humanidad actual vive
maacutes pobremente que el mundo desarrollado actual
Una contabilidad sistemaacutetica de los recursos naturales que se estaacuten consumiendo seriacutea
una herramienta clave para que tomaacuteramos una consciencia global del problema Y en
esta tarea la Termoeconomiacutea jugariacutea un papel clave
ldquoTERMOECONOMIacuteArdquo
7
7 REFERENCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS
Termoeconomiacutea y Optimizacioacuten Energeacutetica mdash OCW UPMocwupmes rsaquo Explotacioacuten de
Minas
La termoeconomiacutea como alternativa para mejorar la competitividad
wwwbdigitalunaleduco466731089410732015pdf
JR Silva Larrottaaplicaciones termoeconoacutemicas del meacutetodo -
PublicationsListorgpublicationslistorgAplicaciones20termoeconomicas20del
20metodo20exer
Termoeconomiacuteahttpszaguanunizaresrecord45719filesguiapdf
Analisis termoeconomico - ResearchGate https wwwresearchgatenet profile
0c960520b5ead8d544000000pdf
MAL SERRANO - 1993 - Universidad de Sevilla Termoeconomiacutea de Sistemas Energ
wwwuses estudiosgradosplan_221asignatura_2210057
Fundamentos de termodinaacutemica teacutecnica https booksgooglecompe booksisbn=
8429143130
Michael J Moran Howard N Shapiro - 2004 - Science-Termoeconomia
la termoeconomiacutea https wwwehueushelburuak-gaitasunak
La Termoeconomiacutea en plantas energeacuteticaswwwscieloclpdfinfotecv21n4art06pdf
ldquoTERMOECONOMIacuteArdquo
14
considerarse un sistema aisladohellip hasta que el habitante tenga que
salir
ndash Una bombona de gas Contenido a presioacuten en su interior el gas
estaacute aislado de la materia y la energiacutea a su alrededor en
condiciones normales ya que es posible que el calentamiento de
la bombona obligue el gas a expandirse y ocurra una tragedia
ndash El universo Dado que no sabemos queacute hay afuera de eacutel ni si hay
un afuera de eacutel debemos suponer que el universo es un sistema
aislado en el que no ingresa ni egresa materia o energiacutea sino que
opera de manera independiente de su entorno
ndash Los alimentos enlatados En condiciones normales estos
alimentos se encuentran lejos de cualquier intercambio de materia
o de energiacutea Claro que seriacutea posible someter la lata a
calentamiento o enfriamiento e incluso fundirla en temperaturas
extremas pero incluso asiacute durante unos (breves) instantes la
comida estaraacute aislada por completo del calor
ndash Una caacutemara hiperbaacuterica Uacutetiles justamente para aislar de las
condiciones atmosfeacutericas a los buzos con burbujas de nitroacutegeno en
la sangre no permiten cuando en funcionamiento el intercambio
de materia ni de energiacutea o al menos no en cantidades apreciables
y significativas
ndash La mente humana Dado que no requiere del intercambio de
materia ni de energiacutea es quizaacute uno de los ejemplos de sistema
aislado maacutes factibles Esto claro sin tomar en cuenta el lado fiacutesico
de la misma el cerebro y el cuerpo humanos en absoluto
En el anaacutelisis de un sistema es preciso conocer y manejar un conjunto
de magnitudes que son las llamadas propiedades termodinaacutemicas del
sistema Estas propiedades pueden ser de dos tipos
ndash Intensivas que miden propiedades locales tales como la presioacuten
temperatura densidad etc y no dependen de la cantidad de
materia contenida en el sistema o cualquiera de sus partes
ndash Extensivas que siacute dependen de la cantidad de materia tales como
la masa el volumen o la energiacutea Si no se toman en consideracioacuten
los efectos en los liacutemites o fronteras del sistema ni las acciones a
ldquoTERMOECONOMIacuteArdquo
15
distancia su valor total para el conjunto del sistema es igual a la
suma de sus valores en cada una de las partes que lo formen
Se dice que un sistema es homogeacuteneo cuando sus propiedades
intensivas no variacutean al pasar de unos puntos a otros del mismo El
sistema es heterogeacuteneo en caso contrario Frecuentemente los
sistemas heterogeacuteneos estaacuten formados por dos o maacutes porciones
homogeacuteneas llamadas fases tales que al pasar de unas a otras sufren
un salto brusco las propiedades intensivas Las propiedades extensivas
de los sistemas homogeacuteneos son proporcionales a su cantidad de
materia Igual ocurre con cada una de las fases que forman uno
heterogeacuteneo
El estado de un sistema o de una fase queda determinado por el
conjunto de sus propiedades termodinaacutemicas las cuales ndashpor ellondash se
llaman tambieacuten variables o funciones de estado Una de las cuestiones
a que da respuesta la termodinaacutemica es la determinacioacuten del nuacutemero
necesario y suficiente de variables independientes precisas para
determinar el estado de un sistema La termodinaacutemica maneja tambieacuten
magnitudes que se refieren a procesos o transformaciones y por tanto
no son propiedades de ninguacuten sistema Por ejemplo el trabajo
realizado por un sistema durante una cierta transformacioacuten es algo
caracteriacutestico de eacutesta y no del sistema o su ambiente Esto ocurre en
general con todos los intercambios
Cuando un sistema se deja abandonado a siacute mismo sin otras
interacciones que las que puedan producirse con su ambiente sus
propiedades termodinaacutemicas podraacuten ir variando con el tiempo Es
posible que llegue un instante a partir del cual se mantengan
inalteradas todas sus propiedades y cese cualquier intercambio de
materia y energiacutea con el ambiente Se dice entonces que el sistema se
encuentra en equilibrio termodinaacutemico Eacuteste es un concepto muy
general de equilibrio y comprende como aspectos particulares todos
los tipos especiacuteficos de equilibrio considerados en Fiacutesica o en Quiacutemica
Toda diferencia de valores en alguna propiedad intensiva ndash dentro del
sistema o entre eacuteste y su ambiente ndash constituye un desequilibrio El
sistema tiende hacia el equilibrio reduciendo tales diferencias Las
diferencias de presioacuten provocan flujos de materia las de temperatura
ldquoTERMOECONOMIacuteArdquo
16
flujos de calor etc El estado de equilibrio termodinaacutemico
corresponde a la eliminacioacuten de todas las diferencias posibles entre los
valores locales de cualquiera de sus propiedades intensivas en su
interior o en relacioacuten con su ambiente Asiacute puede hablarse de equilibrio
mecaacutenico teacutermico quiacutemico etc que no son maacutes que aspectos
parciales del equilibrio termodinaacutemico
Para que se produzca espontaacuteneamente un proceso es necesaria la
existencia previa de alguacuten desequilibrio bien dentro del sistema o
entre eacuteste y su ambiente Como caso liacutemite puede concebirse un
proceso ideal formado por una sucesioacuten continua de estados de
equilibrio Tal proceso se denomina reversible Aunque en rigor todo
proceso real es irreversible el anaacutelisis de procesos reversibles es muy
uacutetil como aproximacioacuten en caacutelculos teoacutericos y para obtener patrones de
referencia en muchas situaciones
Como acabamos de ver durante el proceso de aproximacioacuten al
equilibrio pueden ir variando en general las propiedades
termodinaacutemicas intensivas y extensivas del sistema En tal caso se dice
que el proceso se produce en reacutegimen transitorio o variable En
procesos industriales en sistemas abiertos es usual que se mantengan
deliberadamente constantes ciertos desequilibrios (en presiones o
temperaturas por ejemplo) permitiendo al mismo tiempo
intercambios de materia y energiacutea con el ambiente de modo que las
propiedades termodinaacutemicas del sistema permanezcan invariables en
el tiempo Los procesos tienen lugar entonces en reacutegimen permanente
o estacionario En tal caso en particular se conservan constantes las
propiedades extensivas del sistema tales como su masa o su volumen
y esto obliga a que las cantidades de materia entrantes y salientes sean
iguales La mayoriacutea de los procesos industriales se desarrollan la mayor
parte del tiempo en reacutegimen permanente que es el maacutes faacutecil de
gobernar y con el que se controla mejor la cantidad y calidad de la
produccioacuten
44 Temperatura
La termodinaacutemica antildeade una cuarta magnitud fundamental a las
tres aportadas por la mecaacutenica (longitud masa y tiempo) Es eacutesta
ldquoTERMOECONOMIacuteArdquo
17
la temperatura cuya definicioacuten estaacute vinculada al equilibrio
teacutermico Para desarrollar este concepto tomamos dos sistemas
homogeacuteneos cerrados ndash cada uno de ellos en equilibrio y los
ponemos en contacto de tal modo que ninguno de ellos pueda
realizar trabajo sobre el otro (el llamado contacto teacutermico) Si
permanecen en equilibrio sin experimentar alteracioacuten alguna en
sus respectivos estados diremos que se encuentran a una misma
temperatura En general se llama temperatura a la magnitud que
determina si un sistema permaneceraacute en equilibrio al llevarlo al
contacto teacutermico con otros Se dice que dos sistemas tienen
iguales temperaturas si sus estados iniciales de equilibrio no se
alteran al ponerlos en contacto teacutermico Si no permanecen en
equilibrio sus temperaturas seraacuten diferentes En este uacuteltimo caso
desde el momento en que se ponen en contacto ambos sistemas
experimentan una serie de alteraciones hasta llegar a un nuevo
estado de equilibrio en el cual sus temperaturas se habraacuten hecho
iguales
Consideremos ahora dos sistemas A y B cuyas temperaturas
queremos comparar Para ello tomamos un tercer sistema C y lo
llevamos sucesivamente al contacto teacutermico con A y B Si el estado
de C no se altera en ninguna de estas operaciones se observa
experimentalmente que tampoco se alteran los de A y B si se les
pone directamente en contacto Este hecho experimental no
evidente por siacute mismo se establece como un principio
fundamental con el nombre de Principio Cero de la
Termodinaacutemica Si un sistema estaacute en equilibrio teacutermico con otros
dos eacutestos lo estaraacuten a su vez entre siacute Asiacute puede darse un valor
cuantitativo a la nocioacuten de temperatura (temperatura empiacuterica)
mediante una seleccioacuten conveniente del tercer sistema que seriacutea
el termoacutemetro
Usualmente se emplean dos escalas termomeacutetricas la de Celsius y
la de Kelvin Los valores t y T respectivos estaacuten relacionados por la
expresioacuten
ldquoTERMOECONOMIacuteArdquo
18
T = 27315 K + t helliphellip(expresioacuten 1)
La unidad internacional de temperatura es el Kelvin (K) Cuando se
emplea la escala de Celsius la unidad se representa por degC igual al
K ya que la uacutenica diferencia entre ambas escalas es la posicioacuten del
cero El empleo de siacutembolos diferentes sirve uacutenicamente para
caracterizar este hecho Cuando revisemos el Segundo Principio de
la Termodinaacutemica apreciaremos la base teoacuterica en que se sustenta
la escala de Kelvin o absoluta
Usualmente se emplean dos escalas termomeacutetricas la de Celsius y
la de Kelvin Los valores t y respectivos estaacuten relacionados por la
expresioacuten
441 El Primer Principio de la Termodinaacutemica
Su formulacioacuten no es maacutes que una expresioacuten del Principio de
la Conservacioacuten de la Energiacutea en la que se hace aparecer
expliacutecitamente la transferencia de calor Para todo proceso en
el sistema cerrado de la figura adjunta se verifica
en donde el primer miembro representa el intercambio neto
de energiacutea con su ambiente y el segundo el incremento de la
propiedad termodinaacutemica energiacutea En esta foacutermula hemos
seguido el convenio de considerar positivos el calor entrante
en el sistema y el trabajo realizado por eacuteste El Primer
Principio consiste precisamente en el reconocimiento de la
energiacutea como una propiedad termodinaacutemica del sistema Por
lo tanto los intercambios energeacuteticos del primer miembro de
la ecuacioacuten anterior dependen de los estados extremos 1 y 2
y del proceso seguido para pasar como se observa en la
siguiente figura
ldquoTERMOECONOMIacuteArdquo
19
Repasemos brevemente el significado de las magnitudes que
aparecen en la expresioacuten del Primer principio
Calor Es la forma de intercambio energeacutetico que se
produce entre dos sistemas cerrados a distintas
temperaturas cuando se les pone en contacto teacutermico
Equivale a afirmar que el flujo de calor se debe a los
desequilibrios teacutermicos Maacutes adelante volveremos sobre
esta cuestioacuten
Trabajo Muchas de las formas de trabajo que se
manejan habitualmente en ingenieriacutea termodinaacutemica
obedecen a la siguiente definicioacuten Trabajo es el
intercambio energeacutetico que se produce cuando se
desplaza una superficie de control a traveacutes de la cual
actuacutea una fuerza Si consideramos una fuerza F ejercida
por el sistema sobre el ambiente a traveacutes de la superficie
de control la cual experimenta un desplazamiento
elemental (vectorial) dr el trabajo elemental realizado
por el sistema seraacute el producto escalar de F por dr
Energiacutea La energiacutea de un sistema queda determinada
por factores muy diversos su posicioacuten en un campo de
fuerzas (energiacutea potencial mgz en donde m es la
masa g la aceleracioacuten de la gravedad y z la altitud si nos
referimos al campo gravitatorio terrestre) su
movimiento como un todo (energiacutea cineacutetica mc22 en
donde c es la velocidad) o la energiacutea debida a la
estructura el movimiento y las interacciones de las
ldquoTERMOECONOMIacuteArdquo
20
moleacuteculas aacutetomos y partiacuteculas que lo constituyen
(energiacutea interna U)
442 El Segundo Principio de la Termodinaacutemica
Puede afirmarse que el Primer Principio postula la existencia
de la funcioacuten de estado energiacutea cuya diferencial verifica De
una forma similar enunciaremos el Segundo Principio para
un sistema cerrado como sigue
Existe una funcioacuten de estado extensiva S llamada entropiacutea
con las dimensiones energiacuteatemperatura caracterizada por
las siguientes propiedades
a) Puede variar uacutenicamente por intercambio de calor con el
ambiente o por generacioacuten o creacioacuten interna en el propio
sistema
b) La entropiacutea debida al intercambio de calor con el ambiente
verifica
El valor de este teacutermino puede ser por tanto positivo
negativo o nulo seguacuten lo sea δQ
c) La entropiacutea generada en el sistema no puede ser negativa
y soacutelo seraacute nula cuando el proceso sea reversible En caso contrario
es siempre positiva Por tanto δS g es positiva para todo proceso
espontaacuteneo
5 ECOLOGIA INDUSTRIAL
Desde finales del siglo XX se abre paso el innovador concepto de la Ecologiacutea Industrial
Tradicionalmente se ha considerado que la fabricacioacuten comienza cuando las materias
primas entran en el proceso de produccioacuten y termina con la expedicioacuten del producto
acabado La Ecologiacutea Industrial va maacutes lejos considera las fuentes de abastecimiento de
materias primas los efectos de su extraccioacuten y el destino final del producto una vez agotada
su vida uacutetil entre otros aspectos
51 Aplicacioacuten de la Termoeconomiacutea a la Ecologiacutea Industrial
Definido el objeto del presente trabajo y una vez introducida la Ecologiacutea Industrial y
la Termoeconomiacutea surge la siguiente cuestioacuten iquestpor queacute aplicar la Termoeconomiacutea a
la Ecologiacutea Industrial La respuesta parte de la base de que la integracioacuten de procesos
industriales mediante intercambios mutuos de recursos productos y residuos
implica entre otros beneficios ahorros energeacuteticos Y el modo maacutes objetivo para
cuantificar dichos ahorros es mediante las leyes de la termodinaacutemica (Valero et al
2010) Es decir se trata de tener en consideracioacuten no soacutelo la primera ley de la
termodinaacutemica la cual indica que la energiacutea se conserva transformaacutendose de una
forma a otra sino tambieacuten la segunda ley de la termodinaacutemica que reconoce la
existencia de formas de energiacutea maacutes uacutetiles y menos degradadas que otras Por tanto
la combinacioacuten de ambas leyes indica que no es una cuestioacuten de cantidad de energiacutea
ahorrada sino de la calidad de esa energiacutea es decir de su contenido exergeacutetico El
presente trabajo trata de explicar las metodologiacuteas que la Termoeconomiacutea
actualmente estaacute aplicando al anaacutelisis optimizacioacuten y diagnoacutestico de sistemas
energeacuteticos tales como centrales teacutermicas a la Ecologiacutea Industrial y complejo
modelo de Simbiosis Industrial El anaacutelisis termoeconoacutemico puede ayudar a resolver
problemas importantes tales como identificar posibles integraciones mejorar la
eficiencia cuantificar los beneficios obtenidos por la integracioacuten o determinar los
precios en base a criterios fiacutesicos (Valero et al 2010) Conviene describir tambieacuten la
utilizacioacuten de la Termoeconomiacutea como herramienta de anaacutelisis en ecoparques
industriales Por tanto se puede afirmar que la Ecologiacutea Industrial representa un
campo de aplicacioacuten emergente para el anaacutelisis termoeconoacutemico
ldquoTERMOECONOMIacuteArdquo
1
52 Modelo de Simbiosis Industrial de Kalundborg
El ejemplo praacutectico maacutes reconocido mundialmente en el aacutembito de la Ecologiacutea
Industrial es el de la ciudad danesa de Kalundborg en el cual se acuntildeoacute la palabra de
Simbiosis Industrial Constituye la primera referencia de creacioacuten de una red de
ntercambios entre diversas industrias localizadas en un aacuterea comuacuten y su eacutexito
ha generado un aumento del apoyo institucional para la implantacioacuten de esta
estrategia en otros lugares
La experiencia empezoacute cuando unas pocas empresas trataron de minimizar el
consumo de agua subterraacutenea empleando agua de un lago cercano A raiacutez de ello
con el tiempo se ha establecido una compleja red de intercambios cooperativos en
tres aacutereas agua energiacutea y subproductos adoptando tambieacuten la denominacioacuten
de ecoparque o ecosistema industrial
Integrantes
Actualmente el modelo de Simbiosis Industrial de Kalundborg estaacute constituido
por cinco participantes principales maacutes otros diez participantes secundarios
Principales Participantes
Flujos
La red de intercambio de recursos entre los distintos participantes de la Simbiosis
Industrial estaacute compuesta por 31 flujos los cuales se pueden clasificar en tres
categoriacuteas
ldquoTERMOECONOMIacuteArdquo
2
a) Flujos hiacutedricos
Imagen de Flujos Hiacutedricos
Fuente httpwwwbdigitalunaleduco466731089410732015pdf
b) Flujos energeacuteticos
Imagen de Flujos Energeacuteticos
Fuente httpwwwbdigitalunaleduco466731089410732015pdf
ldquoTERMOECONOMIacuteArdquo
3
c) Flujos de subproductos
Imagen de Flujos de Subproductos
Fuente httpwwwbdigitalunaleduco466731089410732015pdf
53 Beneficios ambientales
Los beneficios ambientales asociados a la Simbiosis Industrial estaacuten determinados
por ahorros en el consumo de agua combustible y materia prima dichos
ahorros conllevan disminuir los residuos generados asiacute como las emisiones de
contaminantes como se muestra en la tabla siguiente
Sin embargo es complejo determinar todos los beneficios globales de la Simbiosis
Industrial puesto que muchos de los flujos presentes en el ecosistema
industrial generan un doble beneficio En el caso de los flujos de residuos su
valorizacioacuten conlleva por un lado evitar la ldquoeliminacioacutenrdquo de dicho residuo y por el
otro se evita el consumo de la materia prima asiacute como de todos los recursos
ldquoTERMOECONOMIacuteArdquo
4
asociados a la obtencioacuten de la misma que seriacutea necesario si no se llevara a cabo la
valorizacioacuten
Por ejemplo los procesos de desulfuracioacuten en la central teacutermica y la refineriacutea
ademaacutes de evitar la emisioacuten de dioacutexido de azufre a la atmoacutesfera producen yeso y
tiosulfato de amonio respectivamente La valorizacioacuten de estos dos residuos
supone para los emisores evitar su ldquoeliminacioacutenrdquo y para los receptores en el caso
del yeso se reduce la importacioacuten de yeso natural mientras que en el caso del
tiosulfato de amonio se ahorra en materias primas y recursos correspondientes a
su obtencioacuten Con las cenizas ocurre exactamente lo mismo su valorizacioacuten
repercute en una menor necesidad de clinker y por tanto de los recursos
necesarios para su fabricacioacuten El fertilizante y la levadura suministrada por Novo
Group disminuyen la cantidad de residuos generados y a su vez evitan el
consumo de nuevas materias primas y recursos asociados a la fabricacioacuten de
ambos productos
En el caso de los flujos energeacuteticos como por ejemplo el gas excedente de la
refineriacutea o la energiacutea teacutermica residual de la central en origen conlleva evitar su
disipacioacuten al medioambiente mientras que para los receptores repercute en un
ahorro sustancial de combustible
En cuanto a los flujos hiacutedricos el principal beneficio ambiental alcanzado es el
ahorro en el consumo de agua focalizado en sus inicios en la sustitucioacuten de
agua subterraacutenea por agua superficial y maacutes tarde en la reutilizacioacuten
Ademaacutes en teacuterminos econoacutemicos tambieacuten se han alcanzado beneficios
sustanciales
Como ejemplo para el antildeo 2000 ya se habiacutean invertido 75 millones de doacutelares en
19 proyectos con un ahorro estimado de 15 millones de doacutelares (Cervantes et al
2009) 6 Caso de estudio La aplicacioacuten de la Termoeconomiacutea al modelo de
Simbiosis Industrial de Kalundborg precisa de la definicioacuten de un caso de estudio
sobre dicho modelo que permita su caracterizacioacuten en teacuterminos de exergiacutea
En este sentido la informacioacuten teacutecnica recopilada sobre los flujos
intercambiados limita el alcance del caso de estudio establecido Sin embargo
fruto de una extensa y laboriosa buacutesqueda bibliograacutefica se ha elaborado un caso
de estudio que incluye los flujos maacutes representativos de la Simbiosis Industrial
de Kalundborg
ldquoTERMOECONOMIacuteArdquo
5
6 CONCLUSIONES
El anaacutelisis exergeacutetico se constituye en una soacutelida herramienta para entender la dinaacutemica
energeacutetica de los procesos de la naturaleza y de los procesos artificiales Sus aplicaciones
son ilimitadas en el sentido que toda accioacuten microscoacutepica o macroscoacutepica demanda un
consumo energeacutetico valioso
El verdadero potencial de ahorro energeacutetico de un sector industrial no se puede valorar
uacutenicamente a partir de la sustitucioacuten de energeacuteticos como consecuencia del
comportamiento del mercado o por la sustitucioacuten de tecnologiacuteas por el efecto de
nuevos desarrollos sino a traveacutes de un balance exergeacutetico que determine las
condiciones maacuteximas de operacioacuten a partir del propoacutesito de cada accioacuten o proceso
Por medio del anaacutelisis termoeconoacutemico es posible la cuantificacioacuten de intangibles
contables y fiacutesicos representados en la destruccioacuten de exergiacutea causada por muacuteltiples
factores como erroacutenea eleccioacuten de un combustible de un mecanismo de un lugar de
operacioacuten fallas de operacioacuten en los procesos erroacuteneos paraacutemetros de operacioacuten etc
A partir de la primera ley de la termodinaacutemica se establecioacute el precepto baacutesico de la
transformacioacuten de energiacutea no se crea no se destruye se transforma en calor en
trabajo aumenta o disminuye la energiacutea interna la segunda ley direcciona los procesos
e integra una nueva propiedad termodinaacutemica denominada entropiacutea asociada al
desorden y a las condiciones de irreversibilidad de los procesos reales El anaacutelisis
exergeacutetico complementa las leyes anteriores considerando el propoacutesito y coacutemo a traveacutes
de su desarrollo se destruye la exergiacutea pese a la conservacioacuten de la energiacutea
La metodologiacutea desarrollada para el anaacutelisis termoeconoacutemico del caso tiene validez para
cualquier proceso industrial porque contempla la valoracioacuten exergeacutetica del uso de los
recursos Si la valoracioacuten fuera de caraacutecter sectorial la metodologiacutea seriacutea la misma soacutelo
que tendriacutea que apoyarse en las estadiacutesticas de consumo energeacutetico por sector y se hariacutea
necesario evaluar la exergiacutea fiacutesica y quiacutemica de todos los recursos involucradosComo
punto de partida seriacutea recomendable valorar la exergiacutea quiacutemica de los hidrocarburos
producidos en Peruacute
Las herramientas de caacutelculo favorecen las evaluaciones termoeconoacutemicas de los
procesos faacutecilmente la teoriacutea exergeacutetica puede articularse a traveacutes de ecuaciones
simples En el caso particular el desarrollo es vaacutelido para un proceso de combustioacuten
externa con secado directo Sin embargo actualmente se consiguen en el mercado
herramientas robustas como el Aspen Process Economic Analyzer (APEA) que con la
informacioacuten baacutesica de operacioacuten realiza un anaacutelisis profundo de la destruccioacuten
exergeacutetica asiacute como de la valoracioacuten de alternativas de disentildeo operacioacuten y cambios
tecnoloacutegicos
La Termoeconomiacutea trata de costes bien monetarios (ptaskJ)o puramente energeacuteticos
(kJ de recursokJ de producto) y se utiliza principalmente para la contabilidad
diagnoacutestico mejora y disentildeo y optimizacioacuten de sistemas teacutermicos Pero en mi opinioacuten
abarca maacutes es la ciencia en la que la Termodinaacutemica y en particular el segundo
principio se une con la Economiacutea ambas en un sentido amplio Ahora estamos en el
principio y esta ciencia se construiraacute con las aportaciones de muchos autores no soacutelo
ingenieros mecaacutenicos En el futuro habraacute que poner orden y sistemaacutetica a la gran
cantidad de contribuciones que tanto economistas como fiacutesicos bioacutelogos quiacutemicos o
ldquoTERMOECONOMIacuteArdquo
6
ingenieros quieren encontrar en las analogiacuteas y explicaciones entre la Termodinaacutemica y
la Economiacutea
Vivimos en un mundo finito y pequentildeo para la gente que somos y seremos y los recursos
naturales son un bien escaso Si queremos sobrevivir debemos conservarlos y aprender
a conservarlos mejor y en este propoacutesito la Termoeconomiacutea jugaraacute un papel clave
Debemos conocer los mecanismos por los cuales la energiacutea y los recursos en general se
degradan y debemos tambieacuten aprender y ensentildear a juzgar queacute sistemas trabajan mejor
con objeto de mejorar sistemaacuteticamente los disentildeos y reducir el consumo per capita
Ademaacutes debemos aprender a reutilizar los residuos para evitar dantildeos al ambiente Esto
lo necesitamos urgentemente ya que al menos dos tercios de la humanidad actual vive
maacutes pobremente que el mundo desarrollado actual
Una contabilidad sistemaacutetica de los recursos naturales que se estaacuten consumiendo seriacutea
una herramienta clave para que tomaacuteramos una consciencia global del problema Y en
esta tarea la Termoeconomiacutea jugariacutea un papel clave
ldquoTERMOECONOMIacuteArdquo
7
7 REFERENCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS
Termoeconomiacutea y Optimizacioacuten Energeacutetica mdash OCW UPMocwupmes rsaquo Explotacioacuten de
Minas
La termoeconomiacutea como alternativa para mejorar la competitividad
wwwbdigitalunaleduco466731089410732015pdf
JR Silva Larrottaaplicaciones termoeconoacutemicas del meacutetodo -
PublicationsListorgpublicationslistorgAplicaciones20termoeconomicas20del
20metodo20exer
Termoeconomiacuteahttpszaguanunizaresrecord45719filesguiapdf
Analisis termoeconomico - ResearchGate https wwwresearchgatenet profile
0c960520b5ead8d544000000pdf
MAL SERRANO - 1993 - Universidad de Sevilla Termoeconomiacutea de Sistemas Energ
wwwuses estudiosgradosplan_221asignatura_2210057
Fundamentos de termodinaacutemica teacutecnica https booksgooglecompe booksisbn=
8429143130
Michael J Moran Howard N Shapiro - 2004 - Science-Termoeconomia
la termoeconomiacutea https wwwehueushelburuak-gaitasunak
La Termoeconomiacutea en plantas energeacuteticaswwwscieloclpdfinfotecv21n4art06pdf
ldquoTERMOECONOMIacuteArdquo
15
distancia su valor total para el conjunto del sistema es igual a la
suma de sus valores en cada una de las partes que lo formen
Se dice que un sistema es homogeacuteneo cuando sus propiedades
intensivas no variacutean al pasar de unos puntos a otros del mismo El
sistema es heterogeacuteneo en caso contrario Frecuentemente los
sistemas heterogeacuteneos estaacuten formados por dos o maacutes porciones
homogeacuteneas llamadas fases tales que al pasar de unas a otras sufren
un salto brusco las propiedades intensivas Las propiedades extensivas
de los sistemas homogeacuteneos son proporcionales a su cantidad de
materia Igual ocurre con cada una de las fases que forman uno
heterogeacuteneo
El estado de un sistema o de una fase queda determinado por el
conjunto de sus propiedades termodinaacutemicas las cuales ndashpor ellondash se
llaman tambieacuten variables o funciones de estado Una de las cuestiones
a que da respuesta la termodinaacutemica es la determinacioacuten del nuacutemero
necesario y suficiente de variables independientes precisas para
determinar el estado de un sistema La termodinaacutemica maneja tambieacuten
magnitudes que se refieren a procesos o transformaciones y por tanto
no son propiedades de ninguacuten sistema Por ejemplo el trabajo
realizado por un sistema durante una cierta transformacioacuten es algo
caracteriacutestico de eacutesta y no del sistema o su ambiente Esto ocurre en
general con todos los intercambios
Cuando un sistema se deja abandonado a siacute mismo sin otras
interacciones que las que puedan producirse con su ambiente sus
propiedades termodinaacutemicas podraacuten ir variando con el tiempo Es
posible que llegue un instante a partir del cual se mantengan
inalteradas todas sus propiedades y cese cualquier intercambio de
materia y energiacutea con el ambiente Se dice entonces que el sistema se
encuentra en equilibrio termodinaacutemico Eacuteste es un concepto muy
general de equilibrio y comprende como aspectos particulares todos
los tipos especiacuteficos de equilibrio considerados en Fiacutesica o en Quiacutemica
Toda diferencia de valores en alguna propiedad intensiva ndash dentro del
sistema o entre eacuteste y su ambiente ndash constituye un desequilibrio El
sistema tiende hacia el equilibrio reduciendo tales diferencias Las
diferencias de presioacuten provocan flujos de materia las de temperatura
ldquoTERMOECONOMIacuteArdquo
16
flujos de calor etc El estado de equilibrio termodinaacutemico
corresponde a la eliminacioacuten de todas las diferencias posibles entre los
valores locales de cualquiera de sus propiedades intensivas en su
interior o en relacioacuten con su ambiente Asiacute puede hablarse de equilibrio
mecaacutenico teacutermico quiacutemico etc que no son maacutes que aspectos
parciales del equilibrio termodinaacutemico
Para que se produzca espontaacuteneamente un proceso es necesaria la
existencia previa de alguacuten desequilibrio bien dentro del sistema o
entre eacuteste y su ambiente Como caso liacutemite puede concebirse un
proceso ideal formado por una sucesioacuten continua de estados de
equilibrio Tal proceso se denomina reversible Aunque en rigor todo
proceso real es irreversible el anaacutelisis de procesos reversibles es muy
uacutetil como aproximacioacuten en caacutelculos teoacutericos y para obtener patrones de
referencia en muchas situaciones
Como acabamos de ver durante el proceso de aproximacioacuten al
equilibrio pueden ir variando en general las propiedades
termodinaacutemicas intensivas y extensivas del sistema En tal caso se dice
que el proceso se produce en reacutegimen transitorio o variable En
procesos industriales en sistemas abiertos es usual que se mantengan
deliberadamente constantes ciertos desequilibrios (en presiones o
temperaturas por ejemplo) permitiendo al mismo tiempo
intercambios de materia y energiacutea con el ambiente de modo que las
propiedades termodinaacutemicas del sistema permanezcan invariables en
el tiempo Los procesos tienen lugar entonces en reacutegimen permanente
o estacionario En tal caso en particular se conservan constantes las
propiedades extensivas del sistema tales como su masa o su volumen
y esto obliga a que las cantidades de materia entrantes y salientes sean
iguales La mayoriacutea de los procesos industriales se desarrollan la mayor
parte del tiempo en reacutegimen permanente que es el maacutes faacutecil de
gobernar y con el que se controla mejor la cantidad y calidad de la
produccioacuten
44 Temperatura
La termodinaacutemica antildeade una cuarta magnitud fundamental a las
tres aportadas por la mecaacutenica (longitud masa y tiempo) Es eacutesta
ldquoTERMOECONOMIacuteArdquo
17
la temperatura cuya definicioacuten estaacute vinculada al equilibrio
teacutermico Para desarrollar este concepto tomamos dos sistemas
homogeacuteneos cerrados ndash cada uno de ellos en equilibrio y los
ponemos en contacto de tal modo que ninguno de ellos pueda
realizar trabajo sobre el otro (el llamado contacto teacutermico) Si
permanecen en equilibrio sin experimentar alteracioacuten alguna en
sus respectivos estados diremos que se encuentran a una misma
temperatura En general se llama temperatura a la magnitud que
determina si un sistema permaneceraacute en equilibrio al llevarlo al
contacto teacutermico con otros Se dice que dos sistemas tienen
iguales temperaturas si sus estados iniciales de equilibrio no se
alteran al ponerlos en contacto teacutermico Si no permanecen en
equilibrio sus temperaturas seraacuten diferentes En este uacuteltimo caso
desde el momento en que se ponen en contacto ambos sistemas
experimentan una serie de alteraciones hasta llegar a un nuevo
estado de equilibrio en el cual sus temperaturas se habraacuten hecho
iguales
Consideremos ahora dos sistemas A y B cuyas temperaturas
queremos comparar Para ello tomamos un tercer sistema C y lo
llevamos sucesivamente al contacto teacutermico con A y B Si el estado
de C no se altera en ninguna de estas operaciones se observa
experimentalmente que tampoco se alteran los de A y B si se les
pone directamente en contacto Este hecho experimental no
evidente por siacute mismo se establece como un principio
fundamental con el nombre de Principio Cero de la
Termodinaacutemica Si un sistema estaacute en equilibrio teacutermico con otros
dos eacutestos lo estaraacuten a su vez entre siacute Asiacute puede darse un valor
cuantitativo a la nocioacuten de temperatura (temperatura empiacuterica)
mediante una seleccioacuten conveniente del tercer sistema que seriacutea
el termoacutemetro
Usualmente se emplean dos escalas termomeacutetricas la de Celsius y
la de Kelvin Los valores t y T respectivos estaacuten relacionados por la
expresioacuten
ldquoTERMOECONOMIacuteArdquo
18
T = 27315 K + t helliphellip(expresioacuten 1)
La unidad internacional de temperatura es el Kelvin (K) Cuando se
emplea la escala de Celsius la unidad se representa por degC igual al
K ya que la uacutenica diferencia entre ambas escalas es la posicioacuten del
cero El empleo de siacutembolos diferentes sirve uacutenicamente para
caracterizar este hecho Cuando revisemos el Segundo Principio de
la Termodinaacutemica apreciaremos la base teoacuterica en que se sustenta
la escala de Kelvin o absoluta
Usualmente se emplean dos escalas termomeacutetricas la de Celsius y
la de Kelvin Los valores t y respectivos estaacuten relacionados por la
expresioacuten
441 El Primer Principio de la Termodinaacutemica
Su formulacioacuten no es maacutes que una expresioacuten del Principio de
la Conservacioacuten de la Energiacutea en la que se hace aparecer
expliacutecitamente la transferencia de calor Para todo proceso en
el sistema cerrado de la figura adjunta se verifica
en donde el primer miembro representa el intercambio neto
de energiacutea con su ambiente y el segundo el incremento de la
propiedad termodinaacutemica energiacutea En esta foacutermula hemos
seguido el convenio de considerar positivos el calor entrante
en el sistema y el trabajo realizado por eacuteste El Primer
Principio consiste precisamente en el reconocimiento de la
energiacutea como una propiedad termodinaacutemica del sistema Por
lo tanto los intercambios energeacuteticos del primer miembro de
la ecuacioacuten anterior dependen de los estados extremos 1 y 2
y del proceso seguido para pasar como se observa en la
siguiente figura
ldquoTERMOECONOMIacuteArdquo
19
Repasemos brevemente el significado de las magnitudes que
aparecen en la expresioacuten del Primer principio
Calor Es la forma de intercambio energeacutetico que se
produce entre dos sistemas cerrados a distintas
temperaturas cuando se les pone en contacto teacutermico
Equivale a afirmar que el flujo de calor se debe a los
desequilibrios teacutermicos Maacutes adelante volveremos sobre
esta cuestioacuten
Trabajo Muchas de las formas de trabajo que se
manejan habitualmente en ingenieriacutea termodinaacutemica
obedecen a la siguiente definicioacuten Trabajo es el
intercambio energeacutetico que se produce cuando se
desplaza una superficie de control a traveacutes de la cual
actuacutea una fuerza Si consideramos una fuerza F ejercida
por el sistema sobre el ambiente a traveacutes de la superficie
de control la cual experimenta un desplazamiento
elemental (vectorial) dr el trabajo elemental realizado
por el sistema seraacute el producto escalar de F por dr
Energiacutea La energiacutea de un sistema queda determinada
por factores muy diversos su posicioacuten en un campo de
fuerzas (energiacutea potencial mgz en donde m es la
masa g la aceleracioacuten de la gravedad y z la altitud si nos
referimos al campo gravitatorio terrestre) su
movimiento como un todo (energiacutea cineacutetica mc22 en
donde c es la velocidad) o la energiacutea debida a la
estructura el movimiento y las interacciones de las
ldquoTERMOECONOMIacuteArdquo
20
moleacuteculas aacutetomos y partiacuteculas que lo constituyen
(energiacutea interna U)
442 El Segundo Principio de la Termodinaacutemica
Puede afirmarse que el Primer Principio postula la existencia
de la funcioacuten de estado energiacutea cuya diferencial verifica De
una forma similar enunciaremos el Segundo Principio para
un sistema cerrado como sigue
Existe una funcioacuten de estado extensiva S llamada entropiacutea
con las dimensiones energiacuteatemperatura caracterizada por
las siguientes propiedades
a) Puede variar uacutenicamente por intercambio de calor con el
ambiente o por generacioacuten o creacioacuten interna en el propio
sistema
b) La entropiacutea debida al intercambio de calor con el ambiente
verifica
El valor de este teacutermino puede ser por tanto positivo
negativo o nulo seguacuten lo sea δQ
c) La entropiacutea generada en el sistema no puede ser negativa
y soacutelo seraacute nula cuando el proceso sea reversible En caso contrario
es siempre positiva Por tanto δS g es positiva para todo proceso
espontaacuteneo
5 ECOLOGIA INDUSTRIAL
Desde finales del siglo XX se abre paso el innovador concepto de la Ecologiacutea Industrial
Tradicionalmente se ha considerado que la fabricacioacuten comienza cuando las materias
primas entran en el proceso de produccioacuten y termina con la expedicioacuten del producto
acabado La Ecologiacutea Industrial va maacutes lejos considera las fuentes de abastecimiento de
materias primas los efectos de su extraccioacuten y el destino final del producto una vez agotada
su vida uacutetil entre otros aspectos
51 Aplicacioacuten de la Termoeconomiacutea a la Ecologiacutea Industrial
Definido el objeto del presente trabajo y una vez introducida la Ecologiacutea Industrial y
la Termoeconomiacutea surge la siguiente cuestioacuten iquestpor queacute aplicar la Termoeconomiacutea a
la Ecologiacutea Industrial La respuesta parte de la base de que la integracioacuten de procesos
industriales mediante intercambios mutuos de recursos productos y residuos
implica entre otros beneficios ahorros energeacuteticos Y el modo maacutes objetivo para
cuantificar dichos ahorros es mediante las leyes de la termodinaacutemica (Valero et al
2010) Es decir se trata de tener en consideracioacuten no soacutelo la primera ley de la
termodinaacutemica la cual indica que la energiacutea se conserva transformaacutendose de una
forma a otra sino tambieacuten la segunda ley de la termodinaacutemica que reconoce la
existencia de formas de energiacutea maacutes uacutetiles y menos degradadas que otras Por tanto
la combinacioacuten de ambas leyes indica que no es una cuestioacuten de cantidad de energiacutea
ahorrada sino de la calidad de esa energiacutea es decir de su contenido exergeacutetico El
presente trabajo trata de explicar las metodologiacuteas que la Termoeconomiacutea
actualmente estaacute aplicando al anaacutelisis optimizacioacuten y diagnoacutestico de sistemas
energeacuteticos tales como centrales teacutermicas a la Ecologiacutea Industrial y complejo
modelo de Simbiosis Industrial El anaacutelisis termoeconoacutemico puede ayudar a resolver
problemas importantes tales como identificar posibles integraciones mejorar la
eficiencia cuantificar los beneficios obtenidos por la integracioacuten o determinar los
precios en base a criterios fiacutesicos (Valero et al 2010) Conviene describir tambieacuten la
utilizacioacuten de la Termoeconomiacutea como herramienta de anaacutelisis en ecoparques
industriales Por tanto se puede afirmar que la Ecologiacutea Industrial representa un
campo de aplicacioacuten emergente para el anaacutelisis termoeconoacutemico
ldquoTERMOECONOMIacuteArdquo
1
52 Modelo de Simbiosis Industrial de Kalundborg
El ejemplo praacutectico maacutes reconocido mundialmente en el aacutembito de la Ecologiacutea
Industrial es el de la ciudad danesa de Kalundborg en el cual se acuntildeoacute la palabra de
Simbiosis Industrial Constituye la primera referencia de creacioacuten de una red de
ntercambios entre diversas industrias localizadas en un aacuterea comuacuten y su eacutexito
ha generado un aumento del apoyo institucional para la implantacioacuten de esta
estrategia en otros lugares
La experiencia empezoacute cuando unas pocas empresas trataron de minimizar el
consumo de agua subterraacutenea empleando agua de un lago cercano A raiacutez de ello
con el tiempo se ha establecido una compleja red de intercambios cooperativos en
tres aacutereas agua energiacutea y subproductos adoptando tambieacuten la denominacioacuten
de ecoparque o ecosistema industrial
Integrantes
Actualmente el modelo de Simbiosis Industrial de Kalundborg estaacute constituido
por cinco participantes principales maacutes otros diez participantes secundarios
Principales Participantes
Flujos
La red de intercambio de recursos entre los distintos participantes de la Simbiosis
Industrial estaacute compuesta por 31 flujos los cuales se pueden clasificar en tres
categoriacuteas
ldquoTERMOECONOMIacuteArdquo
2
a) Flujos hiacutedricos
Imagen de Flujos Hiacutedricos
Fuente httpwwwbdigitalunaleduco466731089410732015pdf
b) Flujos energeacuteticos
Imagen de Flujos Energeacuteticos
Fuente httpwwwbdigitalunaleduco466731089410732015pdf
ldquoTERMOECONOMIacuteArdquo
3
c) Flujos de subproductos
Imagen de Flujos de Subproductos
Fuente httpwwwbdigitalunaleduco466731089410732015pdf
53 Beneficios ambientales
Los beneficios ambientales asociados a la Simbiosis Industrial estaacuten determinados
por ahorros en el consumo de agua combustible y materia prima dichos
ahorros conllevan disminuir los residuos generados asiacute como las emisiones de
contaminantes como se muestra en la tabla siguiente
Sin embargo es complejo determinar todos los beneficios globales de la Simbiosis
Industrial puesto que muchos de los flujos presentes en el ecosistema
industrial generan un doble beneficio En el caso de los flujos de residuos su
valorizacioacuten conlleva por un lado evitar la ldquoeliminacioacutenrdquo de dicho residuo y por el
otro se evita el consumo de la materia prima asiacute como de todos los recursos
ldquoTERMOECONOMIacuteArdquo
4
asociados a la obtencioacuten de la misma que seriacutea necesario si no se llevara a cabo la
valorizacioacuten
Por ejemplo los procesos de desulfuracioacuten en la central teacutermica y la refineriacutea
ademaacutes de evitar la emisioacuten de dioacutexido de azufre a la atmoacutesfera producen yeso y
tiosulfato de amonio respectivamente La valorizacioacuten de estos dos residuos
supone para los emisores evitar su ldquoeliminacioacutenrdquo y para los receptores en el caso
del yeso se reduce la importacioacuten de yeso natural mientras que en el caso del
tiosulfato de amonio se ahorra en materias primas y recursos correspondientes a
su obtencioacuten Con las cenizas ocurre exactamente lo mismo su valorizacioacuten
repercute en una menor necesidad de clinker y por tanto de los recursos
necesarios para su fabricacioacuten El fertilizante y la levadura suministrada por Novo
Group disminuyen la cantidad de residuos generados y a su vez evitan el
consumo de nuevas materias primas y recursos asociados a la fabricacioacuten de
ambos productos
En el caso de los flujos energeacuteticos como por ejemplo el gas excedente de la
refineriacutea o la energiacutea teacutermica residual de la central en origen conlleva evitar su
disipacioacuten al medioambiente mientras que para los receptores repercute en un
ahorro sustancial de combustible
En cuanto a los flujos hiacutedricos el principal beneficio ambiental alcanzado es el
ahorro en el consumo de agua focalizado en sus inicios en la sustitucioacuten de
agua subterraacutenea por agua superficial y maacutes tarde en la reutilizacioacuten
Ademaacutes en teacuterminos econoacutemicos tambieacuten se han alcanzado beneficios
sustanciales
Como ejemplo para el antildeo 2000 ya se habiacutean invertido 75 millones de doacutelares en
19 proyectos con un ahorro estimado de 15 millones de doacutelares (Cervantes et al
2009) 6 Caso de estudio La aplicacioacuten de la Termoeconomiacutea al modelo de
Simbiosis Industrial de Kalundborg precisa de la definicioacuten de un caso de estudio
sobre dicho modelo que permita su caracterizacioacuten en teacuterminos de exergiacutea
En este sentido la informacioacuten teacutecnica recopilada sobre los flujos
intercambiados limita el alcance del caso de estudio establecido Sin embargo
fruto de una extensa y laboriosa buacutesqueda bibliograacutefica se ha elaborado un caso
de estudio que incluye los flujos maacutes representativos de la Simbiosis Industrial
de Kalundborg
ldquoTERMOECONOMIacuteArdquo
5
6 CONCLUSIONES
El anaacutelisis exergeacutetico se constituye en una soacutelida herramienta para entender la dinaacutemica
energeacutetica de los procesos de la naturaleza y de los procesos artificiales Sus aplicaciones
son ilimitadas en el sentido que toda accioacuten microscoacutepica o macroscoacutepica demanda un
consumo energeacutetico valioso
El verdadero potencial de ahorro energeacutetico de un sector industrial no se puede valorar
uacutenicamente a partir de la sustitucioacuten de energeacuteticos como consecuencia del
comportamiento del mercado o por la sustitucioacuten de tecnologiacuteas por el efecto de
nuevos desarrollos sino a traveacutes de un balance exergeacutetico que determine las
condiciones maacuteximas de operacioacuten a partir del propoacutesito de cada accioacuten o proceso
Por medio del anaacutelisis termoeconoacutemico es posible la cuantificacioacuten de intangibles
contables y fiacutesicos representados en la destruccioacuten de exergiacutea causada por muacuteltiples
factores como erroacutenea eleccioacuten de un combustible de un mecanismo de un lugar de
operacioacuten fallas de operacioacuten en los procesos erroacuteneos paraacutemetros de operacioacuten etc
A partir de la primera ley de la termodinaacutemica se establecioacute el precepto baacutesico de la
transformacioacuten de energiacutea no se crea no se destruye se transforma en calor en
trabajo aumenta o disminuye la energiacutea interna la segunda ley direcciona los procesos
e integra una nueva propiedad termodinaacutemica denominada entropiacutea asociada al
desorden y a las condiciones de irreversibilidad de los procesos reales El anaacutelisis
exergeacutetico complementa las leyes anteriores considerando el propoacutesito y coacutemo a traveacutes
de su desarrollo se destruye la exergiacutea pese a la conservacioacuten de la energiacutea
La metodologiacutea desarrollada para el anaacutelisis termoeconoacutemico del caso tiene validez para
cualquier proceso industrial porque contempla la valoracioacuten exergeacutetica del uso de los
recursos Si la valoracioacuten fuera de caraacutecter sectorial la metodologiacutea seriacutea la misma soacutelo
que tendriacutea que apoyarse en las estadiacutesticas de consumo energeacutetico por sector y se hariacutea
necesario evaluar la exergiacutea fiacutesica y quiacutemica de todos los recursos involucradosComo
punto de partida seriacutea recomendable valorar la exergiacutea quiacutemica de los hidrocarburos
producidos en Peruacute
Las herramientas de caacutelculo favorecen las evaluaciones termoeconoacutemicas de los
procesos faacutecilmente la teoriacutea exergeacutetica puede articularse a traveacutes de ecuaciones
simples En el caso particular el desarrollo es vaacutelido para un proceso de combustioacuten
externa con secado directo Sin embargo actualmente se consiguen en el mercado
herramientas robustas como el Aspen Process Economic Analyzer (APEA) que con la
informacioacuten baacutesica de operacioacuten realiza un anaacutelisis profundo de la destruccioacuten
exergeacutetica asiacute como de la valoracioacuten de alternativas de disentildeo operacioacuten y cambios
tecnoloacutegicos
La Termoeconomiacutea trata de costes bien monetarios (ptaskJ)o puramente energeacuteticos
(kJ de recursokJ de producto) y se utiliza principalmente para la contabilidad
diagnoacutestico mejora y disentildeo y optimizacioacuten de sistemas teacutermicos Pero en mi opinioacuten
abarca maacutes es la ciencia en la que la Termodinaacutemica y en particular el segundo
principio se une con la Economiacutea ambas en un sentido amplio Ahora estamos en el
principio y esta ciencia se construiraacute con las aportaciones de muchos autores no soacutelo
ingenieros mecaacutenicos En el futuro habraacute que poner orden y sistemaacutetica a la gran
cantidad de contribuciones que tanto economistas como fiacutesicos bioacutelogos quiacutemicos o
ldquoTERMOECONOMIacuteArdquo
6
ingenieros quieren encontrar en las analogiacuteas y explicaciones entre la Termodinaacutemica y
la Economiacutea
Vivimos en un mundo finito y pequentildeo para la gente que somos y seremos y los recursos
naturales son un bien escaso Si queremos sobrevivir debemos conservarlos y aprender
a conservarlos mejor y en este propoacutesito la Termoeconomiacutea jugaraacute un papel clave
Debemos conocer los mecanismos por los cuales la energiacutea y los recursos en general se
degradan y debemos tambieacuten aprender y ensentildear a juzgar queacute sistemas trabajan mejor
con objeto de mejorar sistemaacuteticamente los disentildeos y reducir el consumo per capita
Ademaacutes debemos aprender a reutilizar los residuos para evitar dantildeos al ambiente Esto
lo necesitamos urgentemente ya que al menos dos tercios de la humanidad actual vive
maacutes pobremente que el mundo desarrollado actual
Una contabilidad sistemaacutetica de los recursos naturales que se estaacuten consumiendo seriacutea
una herramienta clave para que tomaacuteramos una consciencia global del problema Y en
esta tarea la Termoeconomiacutea jugariacutea un papel clave
ldquoTERMOECONOMIacuteArdquo
7
7 REFERENCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS
Termoeconomiacutea y Optimizacioacuten Energeacutetica mdash OCW UPMocwupmes rsaquo Explotacioacuten de
Minas
La termoeconomiacutea como alternativa para mejorar la competitividad
wwwbdigitalunaleduco466731089410732015pdf
JR Silva Larrottaaplicaciones termoeconoacutemicas del meacutetodo -
PublicationsListorgpublicationslistorgAplicaciones20termoeconomicas20del
20metodo20exer
Termoeconomiacuteahttpszaguanunizaresrecord45719filesguiapdf
Analisis termoeconomico - ResearchGate https wwwresearchgatenet profile
0c960520b5ead8d544000000pdf
MAL SERRANO - 1993 - Universidad de Sevilla Termoeconomiacutea de Sistemas Energ
wwwuses estudiosgradosplan_221asignatura_2210057
Fundamentos de termodinaacutemica teacutecnica https booksgooglecompe booksisbn=
8429143130
Michael J Moran Howard N Shapiro - 2004 - Science-Termoeconomia
la termoeconomiacutea https wwwehueushelburuak-gaitasunak
La Termoeconomiacutea en plantas energeacuteticaswwwscieloclpdfinfotecv21n4art06pdf
ldquoTERMOECONOMIacuteArdquo
16
flujos de calor etc El estado de equilibrio termodinaacutemico
corresponde a la eliminacioacuten de todas las diferencias posibles entre los
valores locales de cualquiera de sus propiedades intensivas en su
interior o en relacioacuten con su ambiente Asiacute puede hablarse de equilibrio
mecaacutenico teacutermico quiacutemico etc que no son maacutes que aspectos
parciales del equilibrio termodinaacutemico
Para que se produzca espontaacuteneamente un proceso es necesaria la
existencia previa de alguacuten desequilibrio bien dentro del sistema o
entre eacuteste y su ambiente Como caso liacutemite puede concebirse un
proceso ideal formado por una sucesioacuten continua de estados de
equilibrio Tal proceso se denomina reversible Aunque en rigor todo
proceso real es irreversible el anaacutelisis de procesos reversibles es muy
uacutetil como aproximacioacuten en caacutelculos teoacutericos y para obtener patrones de
referencia en muchas situaciones
Como acabamos de ver durante el proceso de aproximacioacuten al
equilibrio pueden ir variando en general las propiedades
termodinaacutemicas intensivas y extensivas del sistema En tal caso se dice
que el proceso se produce en reacutegimen transitorio o variable En
procesos industriales en sistemas abiertos es usual que se mantengan
deliberadamente constantes ciertos desequilibrios (en presiones o
temperaturas por ejemplo) permitiendo al mismo tiempo
intercambios de materia y energiacutea con el ambiente de modo que las
propiedades termodinaacutemicas del sistema permanezcan invariables en
el tiempo Los procesos tienen lugar entonces en reacutegimen permanente
o estacionario En tal caso en particular se conservan constantes las
propiedades extensivas del sistema tales como su masa o su volumen
y esto obliga a que las cantidades de materia entrantes y salientes sean
iguales La mayoriacutea de los procesos industriales se desarrollan la mayor
parte del tiempo en reacutegimen permanente que es el maacutes faacutecil de
gobernar y con el que se controla mejor la cantidad y calidad de la
produccioacuten
44 Temperatura
La termodinaacutemica antildeade una cuarta magnitud fundamental a las
tres aportadas por la mecaacutenica (longitud masa y tiempo) Es eacutesta
ldquoTERMOECONOMIacuteArdquo
17
la temperatura cuya definicioacuten estaacute vinculada al equilibrio
teacutermico Para desarrollar este concepto tomamos dos sistemas
homogeacuteneos cerrados ndash cada uno de ellos en equilibrio y los
ponemos en contacto de tal modo que ninguno de ellos pueda
realizar trabajo sobre el otro (el llamado contacto teacutermico) Si
permanecen en equilibrio sin experimentar alteracioacuten alguna en
sus respectivos estados diremos que se encuentran a una misma
temperatura En general se llama temperatura a la magnitud que
determina si un sistema permaneceraacute en equilibrio al llevarlo al
contacto teacutermico con otros Se dice que dos sistemas tienen
iguales temperaturas si sus estados iniciales de equilibrio no se
alteran al ponerlos en contacto teacutermico Si no permanecen en
equilibrio sus temperaturas seraacuten diferentes En este uacuteltimo caso
desde el momento en que se ponen en contacto ambos sistemas
experimentan una serie de alteraciones hasta llegar a un nuevo
estado de equilibrio en el cual sus temperaturas se habraacuten hecho
iguales
Consideremos ahora dos sistemas A y B cuyas temperaturas
queremos comparar Para ello tomamos un tercer sistema C y lo
llevamos sucesivamente al contacto teacutermico con A y B Si el estado
de C no se altera en ninguna de estas operaciones se observa
experimentalmente que tampoco se alteran los de A y B si se les
pone directamente en contacto Este hecho experimental no
evidente por siacute mismo se establece como un principio
fundamental con el nombre de Principio Cero de la
Termodinaacutemica Si un sistema estaacute en equilibrio teacutermico con otros
dos eacutestos lo estaraacuten a su vez entre siacute Asiacute puede darse un valor
cuantitativo a la nocioacuten de temperatura (temperatura empiacuterica)
mediante una seleccioacuten conveniente del tercer sistema que seriacutea
el termoacutemetro
Usualmente se emplean dos escalas termomeacutetricas la de Celsius y
la de Kelvin Los valores t y T respectivos estaacuten relacionados por la
expresioacuten
ldquoTERMOECONOMIacuteArdquo
18
T = 27315 K + t helliphellip(expresioacuten 1)
La unidad internacional de temperatura es el Kelvin (K) Cuando se
emplea la escala de Celsius la unidad se representa por degC igual al
K ya que la uacutenica diferencia entre ambas escalas es la posicioacuten del
cero El empleo de siacutembolos diferentes sirve uacutenicamente para
caracterizar este hecho Cuando revisemos el Segundo Principio de
la Termodinaacutemica apreciaremos la base teoacuterica en que se sustenta
la escala de Kelvin o absoluta
Usualmente se emplean dos escalas termomeacutetricas la de Celsius y
la de Kelvin Los valores t y respectivos estaacuten relacionados por la
expresioacuten
441 El Primer Principio de la Termodinaacutemica
Su formulacioacuten no es maacutes que una expresioacuten del Principio de
la Conservacioacuten de la Energiacutea en la que se hace aparecer
expliacutecitamente la transferencia de calor Para todo proceso en
el sistema cerrado de la figura adjunta se verifica
en donde el primer miembro representa el intercambio neto
de energiacutea con su ambiente y el segundo el incremento de la
propiedad termodinaacutemica energiacutea En esta foacutermula hemos
seguido el convenio de considerar positivos el calor entrante
en el sistema y el trabajo realizado por eacuteste El Primer
Principio consiste precisamente en el reconocimiento de la
energiacutea como una propiedad termodinaacutemica del sistema Por
lo tanto los intercambios energeacuteticos del primer miembro de
la ecuacioacuten anterior dependen de los estados extremos 1 y 2
y del proceso seguido para pasar como se observa en la
siguiente figura
ldquoTERMOECONOMIacuteArdquo
19
Repasemos brevemente el significado de las magnitudes que
aparecen en la expresioacuten del Primer principio
Calor Es la forma de intercambio energeacutetico que se
produce entre dos sistemas cerrados a distintas
temperaturas cuando se les pone en contacto teacutermico
Equivale a afirmar que el flujo de calor se debe a los
desequilibrios teacutermicos Maacutes adelante volveremos sobre
esta cuestioacuten
Trabajo Muchas de las formas de trabajo que se
manejan habitualmente en ingenieriacutea termodinaacutemica
obedecen a la siguiente definicioacuten Trabajo es el
intercambio energeacutetico que se produce cuando se
desplaza una superficie de control a traveacutes de la cual
actuacutea una fuerza Si consideramos una fuerza F ejercida
por el sistema sobre el ambiente a traveacutes de la superficie
de control la cual experimenta un desplazamiento
elemental (vectorial) dr el trabajo elemental realizado
por el sistema seraacute el producto escalar de F por dr
Energiacutea La energiacutea de un sistema queda determinada
por factores muy diversos su posicioacuten en un campo de
fuerzas (energiacutea potencial mgz en donde m es la
masa g la aceleracioacuten de la gravedad y z la altitud si nos
referimos al campo gravitatorio terrestre) su
movimiento como un todo (energiacutea cineacutetica mc22 en
donde c es la velocidad) o la energiacutea debida a la
estructura el movimiento y las interacciones de las
ldquoTERMOECONOMIacuteArdquo
20
moleacuteculas aacutetomos y partiacuteculas que lo constituyen
(energiacutea interna U)
442 El Segundo Principio de la Termodinaacutemica
Puede afirmarse que el Primer Principio postula la existencia
de la funcioacuten de estado energiacutea cuya diferencial verifica De
una forma similar enunciaremos el Segundo Principio para
un sistema cerrado como sigue
Existe una funcioacuten de estado extensiva S llamada entropiacutea
con las dimensiones energiacuteatemperatura caracterizada por
las siguientes propiedades
a) Puede variar uacutenicamente por intercambio de calor con el
ambiente o por generacioacuten o creacioacuten interna en el propio
sistema
b) La entropiacutea debida al intercambio de calor con el ambiente
verifica
El valor de este teacutermino puede ser por tanto positivo
negativo o nulo seguacuten lo sea δQ
c) La entropiacutea generada en el sistema no puede ser negativa
y soacutelo seraacute nula cuando el proceso sea reversible En caso contrario
es siempre positiva Por tanto δS g es positiva para todo proceso
espontaacuteneo
5 ECOLOGIA INDUSTRIAL
Desde finales del siglo XX se abre paso el innovador concepto de la Ecologiacutea Industrial
Tradicionalmente se ha considerado que la fabricacioacuten comienza cuando las materias
primas entran en el proceso de produccioacuten y termina con la expedicioacuten del producto
acabado La Ecologiacutea Industrial va maacutes lejos considera las fuentes de abastecimiento de
materias primas los efectos de su extraccioacuten y el destino final del producto una vez agotada
su vida uacutetil entre otros aspectos
51 Aplicacioacuten de la Termoeconomiacutea a la Ecologiacutea Industrial
Definido el objeto del presente trabajo y una vez introducida la Ecologiacutea Industrial y
la Termoeconomiacutea surge la siguiente cuestioacuten iquestpor queacute aplicar la Termoeconomiacutea a
la Ecologiacutea Industrial La respuesta parte de la base de que la integracioacuten de procesos
industriales mediante intercambios mutuos de recursos productos y residuos
implica entre otros beneficios ahorros energeacuteticos Y el modo maacutes objetivo para
cuantificar dichos ahorros es mediante las leyes de la termodinaacutemica (Valero et al
2010) Es decir se trata de tener en consideracioacuten no soacutelo la primera ley de la
termodinaacutemica la cual indica que la energiacutea se conserva transformaacutendose de una
forma a otra sino tambieacuten la segunda ley de la termodinaacutemica que reconoce la
existencia de formas de energiacutea maacutes uacutetiles y menos degradadas que otras Por tanto
la combinacioacuten de ambas leyes indica que no es una cuestioacuten de cantidad de energiacutea
ahorrada sino de la calidad de esa energiacutea es decir de su contenido exergeacutetico El
presente trabajo trata de explicar las metodologiacuteas que la Termoeconomiacutea
actualmente estaacute aplicando al anaacutelisis optimizacioacuten y diagnoacutestico de sistemas
energeacuteticos tales como centrales teacutermicas a la Ecologiacutea Industrial y complejo
modelo de Simbiosis Industrial El anaacutelisis termoeconoacutemico puede ayudar a resolver
problemas importantes tales como identificar posibles integraciones mejorar la
eficiencia cuantificar los beneficios obtenidos por la integracioacuten o determinar los
precios en base a criterios fiacutesicos (Valero et al 2010) Conviene describir tambieacuten la
utilizacioacuten de la Termoeconomiacutea como herramienta de anaacutelisis en ecoparques
industriales Por tanto se puede afirmar que la Ecologiacutea Industrial representa un
campo de aplicacioacuten emergente para el anaacutelisis termoeconoacutemico
ldquoTERMOECONOMIacuteArdquo
1
52 Modelo de Simbiosis Industrial de Kalundborg
El ejemplo praacutectico maacutes reconocido mundialmente en el aacutembito de la Ecologiacutea
Industrial es el de la ciudad danesa de Kalundborg en el cual se acuntildeoacute la palabra de
Simbiosis Industrial Constituye la primera referencia de creacioacuten de una red de
ntercambios entre diversas industrias localizadas en un aacuterea comuacuten y su eacutexito
ha generado un aumento del apoyo institucional para la implantacioacuten de esta
estrategia en otros lugares
La experiencia empezoacute cuando unas pocas empresas trataron de minimizar el
consumo de agua subterraacutenea empleando agua de un lago cercano A raiacutez de ello
con el tiempo se ha establecido una compleja red de intercambios cooperativos en
tres aacutereas agua energiacutea y subproductos adoptando tambieacuten la denominacioacuten
de ecoparque o ecosistema industrial
Integrantes
Actualmente el modelo de Simbiosis Industrial de Kalundborg estaacute constituido
por cinco participantes principales maacutes otros diez participantes secundarios
Principales Participantes
Flujos
La red de intercambio de recursos entre los distintos participantes de la Simbiosis
Industrial estaacute compuesta por 31 flujos los cuales se pueden clasificar en tres
categoriacuteas
ldquoTERMOECONOMIacuteArdquo
2
a) Flujos hiacutedricos
Imagen de Flujos Hiacutedricos
Fuente httpwwwbdigitalunaleduco466731089410732015pdf
b) Flujos energeacuteticos
Imagen de Flujos Energeacuteticos
Fuente httpwwwbdigitalunaleduco466731089410732015pdf
ldquoTERMOECONOMIacuteArdquo
3
c) Flujos de subproductos
Imagen de Flujos de Subproductos
Fuente httpwwwbdigitalunaleduco466731089410732015pdf
53 Beneficios ambientales
Los beneficios ambientales asociados a la Simbiosis Industrial estaacuten determinados
por ahorros en el consumo de agua combustible y materia prima dichos
ahorros conllevan disminuir los residuos generados asiacute como las emisiones de
contaminantes como se muestra en la tabla siguiente
Sin embargo es complejo determinar todos los beneficios globales de la Simbiosis
Industrial puesto que muchos de los flujos presentes en el ecosistema
industrial generan un doble beneficio En el caso de los flujos de residuos su
valorizacioacuten conlleva por un lado evitar la ldquoeliminacioacutenrdquo de dicho residuo y por el
otro se evita el consumo de la materia prima asiacute como de todos los recursos
ldquoTERMOECONOMIacuteArdquo
4
asociados a la obtencioacuten de la misma que seriacutea necesario si no se llevara a cabo la
valorizacioacuten
Por ejemplo los procesos de desulfuracioacuten en la central teacutermica y la refineriacutea
ademaacutes de evitar la emisioacuten de dioacutexido de azufre a la atmoacutesfera producen yeso y
tiosulfato de amonio respectivamente La valorizacioacuten de estos dos residuos
supone para los emisores evitar su ldquoeliminacioacutenrdquo y para los receptores en el caso
del yeso se reduce la importacioacuten de yeso natural mientras que en el caso del
tiosulfato de amonio se ahorra en materias primas y recursos correspondientes a
su obtencioacuten Con las cenizas ocurre exactamente lo mismo su valorizacioacuten
repercute en una menor necesidad de clinker y por tanto de los recursos
necesarios para su fabricacioacuten El fertilizante y la levadura suministrada por Novo
Group disminuyen la cantidad de residuos generados y a su vez evitan el
consumo de nuevas materias primas y recursos asociados a la fabricacioacuten de
ambos productos
En el caso de los flujos energeacuteticos como por ejemplo el gas excedente de la
refineriacutea o la energiacutea teacutermica residual de la central en origen conlleva evitar su
disipacioacuten al medioambiente mientras que para los receptores repercute en un
ahorro sustancial de combustible
En cuanto a los flujos hiacutedricos el principal beneficio ambiental alcanzado es el
ahorro en el consumo de agua focalizado en sus inicios en la sustitucioacuten de
agua subterraacutenea por agua superficial y maacutes tarde en la reutilizacioacuten
Ademaacutes en teacuterminos econoacutemicos tambieacuten se han alcanzado beneficios
sustanciales
Como ejemplo para el antildeo 2000 ya se habiacutean invertido 75 millones de doacutelares en
19 proyectos con un ahorro estimado de 15 millones de doacutelares (Cervantes et al
2009) 6 Caso de estudio La aplicacioacuten de la Termoeconomiacutea al modelo de
Simbiosis Industrial de Kalundborg precisa de la definicioacuten de un caso de estudio
sobre dicho modelo que permita su caracterizacioacuten en teacuterminos de exergiacutea
En este sentido la informacioacuten teacutecnica recopilada sobre los flujos
intercambiados limita el alcance del caso de estudio establecido Sin embargo
fruto de una extensa y laboriosa buacutesqueda bibliograacutefica se ha elaborado un caso
de estudio que incluye los flujos maacutes representativos de la Simbiosis Industrial
de Kalundborg
ldquoTERMOECONOMIacuteArdquo
5
6 CONCLUSIONES
El anaacutelisis exergeacutetico se constituye en una soacutelida herramienta para entender la dinaacutemica
energeacutetica de los procesos de la naturaleza y de los procesos artificiales Sus aplicaciones
son ilimitadas en el sentido que toda accioacuten microscoacutepica o macroscoacutepica demanda un
consumo energeacutetico valioso
El verdadero potencial de ahorro energeacutetico de un sector industrial no se puede valorar
uacutenicamente a partir de la sustitucioacuten de energeacuteticos como consecuencia del
comportamiento del mercado o por la sustitucioacuten de tecnologiacuteas por el efecto de
nuevos desarrollos sino a traveacutes de un balance exergeacutetico que determine las
condiciones maacuteximas de operacioacuten a partir del propoacutesito de cada accioacuten o proceso
Por medio del anaacutelisis termoeconoacutemico es posible la cuantificacioacuten de intangibles
contables y fiacutesicos representados en la destruccioacuten de exergiacutea causada por muacuteltiples
factores como erroacutenea eleccioacuten de un combustible de un mecanismo de un lugar de
operacioacuten fallas de operacioacuten en los procesos erroacuteneos paraacutemetros de operacioacuten etc
A partir de la primera ley de la termodinaacutemica se establecioacute el precepto baacutesico de la
transformacioacuten de energiacutea no se crea no se destruye se transforma en calor en
trabajo aumenta o disminuye la energiacutea interna la segunda ley direcciona los procesos
e integra una nueva propiedad termodinaacutemica denominada entropiacutea asociada al
desorden y a las condiciones de irreversibilidad de los procesos reales El anaacutelisis
exergeacutetico complementa las leyes anteriores considerando el propoacutesito y coacutemo a traveacutes
de su desarrollo se destruye la exergiacutea pese a la conservacioacuten de la energiacutea
La metodologiacutea desarrollada para el anaacutelisis termoeconoacutemico del caso tiene validez para
cualquier proceso industrial porque contempla la valoracioacuten exergeacutetica del uso de los
recursos Si la valoracioacuten fuera de caraacutecter sectorial la metodologiacutea seriacutea la misma soacutelo
que tendriacutea que apoyarse en las estadiacutesticas de consumo energeacutetico por sector y se hariacutea
necesario evaluar la exergiacutea fiacutesica y quiacutemica de todos los recursos involucradosComo
punto de partida seriacutea recomendable valorar la exergiacutea quiacutemica de los hidrocarburos
producidos en Peruacute
Las herramientas de caacutelculo favorecen las evaluaciones termoeconoacutemicas de los
procesos faacutecilmente la teoriacutea exergeacutetica puede articularse a traveacutes de ecuaciones
simples En el caso particular el desarrollo es vaacutelido para un proceso de combustioacuten
externa con secado directo Sin embargo actualmente se consiguen en el mercado
herramientas robustas como el Aspen Process Economic Analyzer (APEA) que con la
informacioacuten baacutesica de operacioacuten realiza un anaacutelisis profundo de la destruccioacuten
exergeacutetica asiacute como de la valoracioacuten de alternativas de disentildeo operacioacuten y cambios
tecnoloacutegicos
La Termoeconomiacutea trata de costes bien monetarios (ptaskJ)o puramente energeacuteticos
(kJ de recursokJ de producto) y se utiliza principalmente para la contabilidad
diagnoacutestico mejora y disentildeo y optimizacioacuten de sistemas teacutermicos Pero en mi opinioacuten
abarca maacutes es la ciencia en la que la Termodinaacutemica y en particular el segundo
principio se une con la Economiacutea ambas en un sentido amplio Ahora estamos en el
principio y esta ciencia se construiraacute con las aportaciones de muchos autores no soacutelo
ingenieros mecaacutenicos En el futuro habraacute que poner orden y sistemaacutetica a la gran
cantidad de contribuciones que tanto economistas como fiacutesicos bioacutelogos quiacutemicos o
ldquoTERMOECONOMIacuteArdquo
6
ingenieros quieren encontrar en las analogiacuteas y explicaciones entre la Termodinaacutemica y
la Economiacutea
Vivimos en un mundo finito y pequentildeo para la gente que somos y seremos y los recursos
naturales son un bien escaso Si queremos sobrevivir debemos conservarlos y aprender
a conservarlos mejor y en este propoacutesito la Termoeconomiacutea jugaraacute un papel clave
Debemos conocer los mecanismos por los cuales la energiacutea y los recursos en general se
degradan y debemos tambieacuten aprender y ensentildear a juzgar queacute sistemas trabajan mejor
con objeto de mejorar sistemaacuteticamente los disentildeos y reducir el consumo per capita
Ademaacutes debemos aprender a reutilizar los residuos para evitar dantildeos al ambiente Esto
lo necesitamos urgentemente ya que al menos dos tercios de la humanidad actual vive
maacutes pobremente que el mundo desarrollado actual
Una contabilidad sistemaacutetica de los recursos naturales que se estaacuten consumiendo seriacutea
una herramienta clave para que tomaacuteramos una consciencia global del problema Y en
esta tarea la Termoeconomiacutea jugariacutea un papel clave
ldquoTERMOECONOMIacuteArdquo
7
7 REFERENCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS
Termoeconomiacutea y Optimizacioacuten Energeacutetica mdash OCW UPMocwupmes rsaquo Explotacioacuten de
Minas
La termoeconomiacutea como alternativa para mejorar la competitividad
wwwbdigitalunaleduco466731089410732015pdf
JR Silva Larrottaaplicaciones termoeconoacutemicas del meacutetodo -
PublicationsListorgpublicationslistorgAplicaciones20termoeconomicas20del
20metodo20exer
Termoeconomiacuteahttpszaguanunizaresrecord45719filesguiapdf
Analisis termoeconomico - ResearchGate https wwwresearchgatenet profile
0c960520b5ead8d544000000pdf
MAL SERRANO - 1993 - Universidad de Sevilla Termoeconomiacutea de Sistemas Energ
wwwuses estudiosgradosplan_221asignatura_2210057
Fundamentos de termodinaacutemica teacutecnica https booksgooglecompe booksisbn=
8429143130
Michael J Moran Howard N Shapiro - 2004 - Science-Termoeconomia
la termoeconomiacutea https wwwehueushelburuak-gaitasunak
La Termoeconomiacutea en plantas energeacuteticaswwwscieloclpdfinfotecv21n4art06pdf
ldquoTERMOECONOMIacuteArdquo
17
la temperatura cuya definicioacuten estaacute vinculada al equilibrio
teacutermico Para desarrollar este concepto tomamos dos sistemas
homogeacuteneos cerrados ndash cada uno de ellos en equilibrio y los
ponemos en contacto de tal modo que ninguno de ellos pueda
realizar trabajo sobre el otro (el llamado contacto teacutermico) Si
permanecen en equilibrio sin experimentar alteracioacuten alguna en
sus respectivos estados diremos que se encuentran a una misma
temperatura En general se llama temperatura a la magnitud que
determina si un sistema permaneceraacute en equilibrio al llevarlo al
contacto teacutermico con otros Se dice que dos sistemas tienen
iguales temperaturas si sus estados iniciales de equilibrio no se
alteran al ponerlos en contacto teacutermico Si no permanecen en
equilibrio sus temperaturas seraacuten diferentes En este uacuteltimo caso
desde el momento en que se ponen en contacto ambos sistemas
experimentan una serie de alteraciones hasta llegar a un nuevo
estado de equilibrio en el cual sus temperaturas se habraacuten hecho
iguales
Consideremos ahora dos sistemas A y B cuyas temperaturas
queremos comparar Para ello tomamos un tercer sistema C y lo
llevamos sucesivamente al contacto teacutermico con A y B Si el estado
de C no se altera en ninguna de estas operaciones se observa
experimentalmente que tampoco se alteran los de A y B si se les
pone directamente en contacto Este hecho experimental no
evidente por siacute mismo se establece como un principio
fundamental con el nombre de Principio Cero de la
Termodinaacutemica Si un sistema estaacute en equilibrio teacutermico con otros
dos eacutestos lo estaraacuten a su vez entre siacute Asiacute puede darse un valor
cuantitativo a la nocioacuten de temperatura (temperatura empiacuterica)
mediante una seleccioacuten conveniente del tercer sistema que seriacutea
el termoacutemetro
Usualmente se emplean dos escalas termomeacutetricas la de Celsius y
la de Kelvin Los valores t y T respectivos estaacuten relacionados por la
expresioacuten
ldquoTERMOECONOMIacuteArdquo
18
T = 27315 K + t helliphellip(expresioacuten 1)
La unidad internacional de temperatura es el Kelvin (K) Cuando se
emplea la escala de Celsius la unidad se representa por degC igual al
K ya que la uacutenica diferencia entre ambas escalas es la posicioacuten del
cero El empleo de siacutembolos diferentes sirve uacutenicamente para
caracterizar este hecho Cuando revisemos el Segundo Principio de
la Termodinaacutemica apreciaremos la base teoacuterica en que se sustenta
la escala de Kelvin o absoluta
Usualmente se emplean dos escalas termomeacutetricas la de Celsius y
la de Kelvin Los valores t y respectivos estaacuten relacionados por la
expresioacuten
441 El Primer Principio de la Termodinaacutemica
Su formulacioacuten no es maacutes que una expresioacuten del Principio de
la Conservacioacuten de la Energiacutea en la que se hace aparecer
expliacutecitamente la transferencia de calor Para todo proceso en
el sistema cerrado de la figura adjunta se verifica
en donde el primer miembro representa el intercambio neto
de energiacutea con su ambiente y el segundo el incremento de la
propiedad termodinaacutemica energiacutea En esta foacutermula hemos
seguido el convenio de considerar positivos el calor entrante
en el sistema y el trabajo realizado por eacuteste El Primer
Principio consiste precisamente en el reconocimiento de la
energiacutea como una propiedad termodinaacutemica del sistema Por
lo tanto los intercambios energeacuteticos del primer miembro de
la ecuacioacuten anterior dependen de los estados extremos 1 y 2
y del proceso seguido para pasar como se observa en la
siguiente figura
ldquoTERMOECONOMIacuteArdquo
19
Repasemos brevemente el significado de las magnitudes que
aparecen en la expresioacuten del Primer principio
Calor Es la forma de intercambio energeacutetico que se
produce entre dos sistemas cerrados a distintas
temperaturas cuando se les pone en contacto teacutermico
Equivale a afirmar que el flujo de calor se debe a los
desequilibrios teacutermicos Maacutes adelante volveremos sobre
esta cuestioacuten
Trabajo Muchas de las formas de trabajo que se
manejan habitualmente en ingenieriacutea termodinaacutemica
obedecen a la siguiente definicioacuten Trabajo es el
intercambio energeacutetico que se produce cuando se
desplaza una superficie de control a traveacutes de la cual
actuacutea una fuerza Si consideramos una fuerza F ejercida
por el sistema sobre el ambiente a traveacutes de la superficie
de control la cual experimenta un desplazamiento
elemental (vectorial) dr el trabajo elemental realizado
por el sistema seraacute el producto escalar de F por dr
Energiacutea La energiacutea de un sistema queda determinada
por factores muy diversos su posicioacuten en un campo de
fuerzas (energiacutea potencial mgz en donde m es la
masa g la aceleracioacuten de la gravedad y z la altitud si nos
referimos al campo gravitatorio terrestre) su
movimiento como un todo (energiacutea cineacutetica mc22 en
donde c es la velocidad) o la energiacutea debida a la
estructura el movimiento y las interacciones de las
ldquoTERMOECONOMIacuteArdquo
20
moleacuteculas aacutetomos y partiacuteculas que lo constituyen
(energiacutea interna U)
442 El Segundo Principio de la Termodinaacutemica
Puede afirmarse que el Primer Principio postula la existencia
de la funcioacuten de estado energiacutea cuya diferencial verifica De
una forma similar enunciaremos el Segundo Principio para
un sistema cerrado como sigue
Existe una funcioacuten de estado extensiva S llamada entropiacutea
con las dimensiones energiacuteatemperatura caracterizada por
las siguientes propiedades
a) Puede variar uacutenicamente por intercambio de calor con el
ambiente o por generacioacuten o creacioacuten interna en el propio
sistema
b) La entropiacutea debida al intercambio de calor con el ambiente
verifica
El valor de este teacutermino puede ser por tanto positivo
negativo o nulo seguacuten lo sea δQ
c) La entropiacutea generada en el sistema no puede ser negativa
y soacutelo seraacute nula cuando el proceso sea reversible En caso contrario
es siempre positiva Por tanto δS g es positiva para todo proceso
espontaacuteneo
5 ECOLOGIA INDUSTRIAL
Desde finales del siglo XX se abre paso el innovador concepto de la Ecologiacutea Industrial
Tradicionalmente se ha considerado que la fabricacioacuten comienza cuando las materias
primas entran en el proceso de produccioacuten y termina con la expedicioacuten del producto
acabado La Ecologiacutea Industrial va maacutes lejos considera las fuentes de abastecimiento de
materias primas los efectos de su extraccioacuten y el destino final del producto una vez agotada
su vida uacutetil entre otros aspectos
51 Aplicacioacuten de la Termoeconomiacutea a la Ecologiacutea Industrial
Definido el objeto del presente trabajo y una vez introducida la Ecologiacutea Industrial y
la Termoeconomiacutea surge la siguiente cuestioacuten iquestpor queacute aplicar la Termoeconomiacutea a
la Ecologiacutea Industrial La respuesta parte de la base de que la integracioacuten de procesos
industriales mediante intercambios mutuos de recursos productos y residuos
implica entre otros beneficios ahorros energeacuteticos Y el modo maacutes objetivo para
cuantificar dichos ahorros es mediante las leyes de la termodinaacutemica (Valero et al
2010) Es decir se trata de tener en consideracioacuten no soacutelo la primera ley de la
termodinaacutemica la cual indica que la energiacutea se conserva transformaacutendose de una
forma a otra sino tambieacuten la segunda ley de la termodinaacutemica que reconoce la
existencia de formas de energiacutea maacutes uacutetiles y menos degradadas que otras Por tanto
la combinacioacuten de ambas leyes indica que no es una cuestioacuten de cantidad de energiacutea
ahorrada sino de la calidad de esa energiacutea es decir de su contenido exergeacutetico El
presente trabajo trata de explicar las metodologiacuteas que la Termoeconomiacutea
actualmente estaacute aplicando al anaacutelisis optimizacioacuten y diagnoacutestico de sistemas
energeacuteticos tales como centrales teacutermicas a la Ecologiacutea Industrial y complejo
modelo de Simbiosis Industrial El anaacutelisis termoeconoacutemico puede ayudar a resolver
problemas importantes tales como identificar posibles integraciones mejorar la
eficiencia cuantificar los beneficios obtenidos por la integracioacuten o determinar los
precios en base a criterios fiacutesicos (Valero et al 2010) Conviene describir tambieacuten la
utilizacioacuten de la Termoeconomiacutea como herramienta de anaacutelisis en ecoparques
industriales Por tanto se puede afirmar que la Ecologiacutea Industrial representa un
campo de aplicacioacuten emergente para el anaacutelisis termoeconoacutemico
ldquoTERMOECONOMIacuteArdquo
1
52 Modelo de Simbiosis Industrial de Kalundborg
El ejemplo praacutectico maacutes reconocido mundialmente en el aacutembito de la Ecologiacutea
Industrial es el de la ciudad danesa de Kalundborg en el cual se acuntildeoacute la palabra de
Simbiosis Industrial Constituye la primera referencia de creacioacuten de una red de
ntercambios entre diversas industrias localizadas en un aacuterea comuacuten y su eacutexito
ha generado un aumento del apoyo institucional para la implantacioacuten de esta
estrategia en otros lugares
La experiencia empezoacute cuando unas pocas empresas trataron de minimizar el
consumo de agua subterraacutenea empleando agua de un lago cercano A raiacutez de ello
con el tiempo se ha establecido una compleja red de intercambios cooperativos en
tres aacutereas agua energiacutea y subproductos adoptando tambieacuten la denominacioacuten
de ecoparque o ecosistema industrial
Integrantes
Actualmente el modelo de Simbiosis Industrial de Kalundborg estaacute constituido
por cinco participantes principales maacutes otros diez participantes secundarios
Principales Participantes
Flujos
La red de intercambio de recursos entre los distintos participantes de la Simbiosis
Industrial estaacute compuesta por 31 flujos los cuales se pueden clasificar en tres
categoriacuteas
ldquoTERMOECONOMIacuteArdquo
2
a) Flujos hiacutedricos
Imagen de Flujos Hiacutedricos
Fuente httpwwwbdigitalunaleduco466731089410732015pdf
b) Flujos energeacuteticos
Imagen de Flujos Energeacuteticos
Fuente httpwwwbdigitalunaleduco466731089410732015pdf
ldquoTERMOECONOMIacuteArdquo
3
c) Flujos de subproductos
Imagen de Flujos de Subproductos
Fuente httpwwwbdigitalunaleduco466731089410732015pdf
53 Beneficios ambientales
Los beneficios ambientales asociados a la Simbiosis Industrial estaacuten determinados
por ahorros en el consumo de agua combustible y materia prima dichos
ahorros conllevan disminuir los residuos generados asiacute como las emisiones de
contaminantes como se muestra en la tabla siguiente
Sin embargo es complejo determinar todos los beneficios globales de la Simbiosis
Industrial puesto que muchos de los flujos presentes en el ecosistema
industrial generan un doble beneficio En el caso de los flujos de residuos su
valorizacioacuten conlleva por un lado evitar la ldquoeliminacioacutenrdquo de dicho residuo y por el
otro se evita el consumo de la materia prima asiacute como de todos los recursos
ldquoTERMOECONOMIacuteArdquo
4
asociados a la obtencioacuten de la misma que seriacutea necesario si no se llevara a cabo la
valorizacioacuten
Por ejemplo los procesos de desulfuracioacuten en la central teacutermica y la refineriacutea
ademaacutes de evitar la emisioacuten de dioacutexido de azufre a la atmoacutesfera producen yeso y
tiosulfato de amonio respectivamente La valorizacioacuten de estos dos residuos
supone para los emisores evitar su ldquoeliminacioacutenrdquo y para los receptores en el caso
del yeso se reduce la importacioacuten de yeso natural mientras que en el caso del
tiosulfato de amonio se ahorra en materias primas y recursos correspondientes a
su obtencioacuten Con las cenizas ocurre exactamente lo mismo su valorizacioacuten
repercute en una menor necesidad de clinker y por tanto de los recursos
necesarios para su fabricacioacuten El fertilizante y la levadura suministrada por Novo
Group disminuyen la cantidad de residuos generados y a su vez evitan el
consumo de nuevas materias primas y recursos asociados a la fabricacioacuten de
ambos productos
En el caso de los flujos energeacuteticos como por ejemplo el gas excedente de la
refineriacutea o la energiacutea teacutermica residual de la central en origen conlleva evitar su
disipacioacuten al medioambiente mientras que para los receptores repercute en un
ahorro sustancial de combustible
En cuanto a los flujos hiacutedricos el principal beneficio ambiental alcanzado es el
ahorro en el consumo de agua focalizado en sus inicios en la sustitucioacuten de
agua subterraacutenea por agua superficial y maacutes tarde en la reutilizacioacuten
Ademaacutes en teacuterminos econoacutemicos tambieacuten se han alcanzado beneficios
sustanciales
Como ejemplo para el antildeo 2000 ya se habiacutean invertido 75 millones de doacutelares en
19 proyectos con un ahorro estimado de 15 millones de doacutelares (Cervantes et al
2009) 6 Caso de estudio La aplicacioacuten de la Termoeconomiacutea al modelo de
Simbiosis Industrial de Kalundborg precisa de la definicioacuten de un caso de estudio
sobre dicho modelo que permita su caracterizacioacuten en teacuterminos de exergiacutea
En este sentido la informacioacuten teacutecnica recopilada sobre los flujos
intercambiados limita el alcance del caso de estudio establecido Sin embargo
fruto de una extensa y laboriosa buacutesqueda bibliograacutefica se ha elaborado un caso
de estudio que incluye los flujos maacutes representativos de la Simbiosis Industrial
de Kalundborg
ldquoTERMOECONOMIacuteArdquo
5
6 CONCLUSIONES
El anaacutelisis exergeacutetico se constituye en una soacutelida herramienta para entender la dinaacutemica
energeacutetica de los procesos de la naturaleza y de los procesos artificiales Sus aplicaciones
son ilimitadas en el sentido que toda accioacuten microscoacutepica o macroscoacutepica demanda un
consumo energeacutetico valioso
El verdadero potencial de ahorro energeacutetico de un sector industrial no se puede valorar
uacutenicamente a partir de la sustitucioacuten de energeacuteticos como consecuencia del
comportamiento del mercado o por la sustitucioacuten de tecnologiacuteas por el efecto de
nuevos desarrollos sino a traveacutes de un balance exergeacutetico que determine las
condiciones maacuteximas de operacioacuten a partir del propoacutesito de cada accioacuten o proceso
Por medio del anaacutelisis termoeconoacutemico es posible la cuantificacioacuten de intangibles
contables y fiacutesicos representados en la destruccioacuten de exergiacutea causada por muacuteltiples
factores como erroacutenea eleccioacuten de un combustible de un mecanismo de un lugar de
operacioacuten fallas de operacioacuten en los procesos erroacuteneos paraacutemetros de operacioacuten etc
A partir de la primera ley de la termodinaacutemica se establecioacute el precepto baacutesico de la
transformacioacuten de energiacutea no se crea no se destruye se transforma en calor en
trabajo aumenta o disminuye la energiacutea interna la segunda ley direcciona los procesos
e integra una nueva propiedad termodinaacutemica denominada entropiacutea asociada al
desorden y a las condiciones de irreversibilidad de los procesos reales El anaacutelisis
exergeacutetico complementa las leyes anteriores considerando el propoacutesito y coacutemo a traveacutes
de su desarrollo se destruye la exergiacutea pese a la conservacioacuten de la energiacutea
La metodologiacutea desarrollada para el anaacutelisis termoeconoacutemico del caso tiene validez para
cualquier proceso industrial porque contempla la valoracioacuten exergeacutetica del uso de los
recursos Si la valoracioacuten fuera de caraacutecter sectorial la metodologiacutea seriacutea la misma soacutelo
que tendriacutea que apoyarse en las estadiacutesticas de consumo energeacutetico por sector y se hariacutea
necesario evaluar la exergiacutea fiacutesica y quiacutemica de todos los recursos involucradosComo
punto de partida seriacutea recomendable valorar la exergiacutea quiacutemica de los hidrocarburos
producidos en Peruacute
Las herramientas de caacutelculo favorecen las evaluaciones termoeconoacutemicas de los
procesos faacutecilmente la teoriacutea exergeacutetica puede articularse a traveacutes de ecuaciones
simples En el caso particular el desarrollo es vaacutelido para un proceso de combustioacuten
externa con secado directo Sin embargo actualmente se consiguen en el mercado
herramientas robustas como el Aspen Process Economic Analyzer (APEA) que con la
informacioacuten baacutesica de operacioacuten realiza un anaacutelisis profundo de la destruccioacuten
exergeacutetica asiacute como de la valoracioacuten de alternativas de disentildeo operacioacuten y cambios
tecnoloacutegicos
La Termoeconomiacutea trata de costes bien monetarios (ptaskJ)o puramente energeacuteticos
(kJ de recursokJ de producto) y se utiliza principalmente para la contabilidad
diagnoacutestico mejora y disentildeo y optimizacioacuten de sistemas teacutermicos Pero en mi opinioacuten
abarca maacutes es la ciencia en la que la Termodinaacutemica y en particular el segundo
principio se une con la Economiacutea ambas en un sentido amplio Ahora estamos en el
principio y esta ciencia se construiraacute con las aportaciones de muchos autores no soacutelo
ingenieros mecaacutenicos En el futuro habraacute que poner orden y sistemaacutetica a la gran
cantidad de contribuciones que tanto economistas como fiacutesicos bioacutelogos quiacutemicos o
ldquoTERMOECONOMIacuteArdquo
6
ingenieros quieren encontrar en las analogiacuteas y explicaciones entre la Termodinaacutemica y
la Economiacutea
Vivimos en un mundo finito y pequentildeo para la gente que somos y seremos y los recursos
naturales son un bien escaso Si queremos sobrevivir debemos conservarlos y aprender
a conservarlos mejor y en este propoacutesito la Termoeconomiacutea jugaraacute un papel clave
Debemos conocer los mecanismos por los cuales la energiacutea y los recursos en general se
degradan y debemos tambieacuten aprender y ensentildear a juzgar queacute sistemas trabajan mejor
con objeto de mejorar sistemaacuteticamente los disentildeos y reducir el consumo per capita
Ademaacutes debemos aprender a reutilizar los residuos para evitar dantildeos al ambiente Esto
lo necesitamos urgentemente ya que al menos dos tercios de la humanidad actual vive
maacutes pobremente que el mundo desarrollado actual
Una contabilidad sistemaacutetica de los recursos naturales que se estaacuten consumiendo seriacutea
una herramienta clave para que tomaacuteramos una consciencia global del problema Y en
esta tarea la Termoeconomiacutea jugariacutea un papel clave
ldquoTERMOECONOMIacuteArdquo
7
7 REFERENCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS
Termoeconomiacutea y Optimizacioacuten Energeacutetica mdash OCW UPMocwupmes rsaquo Explotacioacuten de
Minas
La termoeconomiacutea como alternativa para mejorar la competitividad
wwwbdigitalunaleduco466731089410732015pdf
JR Silva Larrottaaplicaciones termoeconoacutemicas del meacutetodo -
PublicationsListorgpublicationslistorgAplicaciones20termoeconomicas20del
20metodo20exer
Termoeconomiacuteahttpszaguanunizaresrecord45719filesguiapdf
Analisis termoeconomico - ResearchGate https wwwresearchgatenet profile
0c960520b5ead8d544000000pdf
MAL SERRANO - 1993 - Universidad de Sevilla Termoeconomiacutea de Sistemas Energ
wwwuses estudiosgradosplan_221asignatura_2210057
Fundamentos de termodinaacutemica teacutecnica https booksgooglecompe booksisbn=
8429143130
Michael J Moran Howard N Shapiro - 2004 - Science-Termoeconomia
la termoeconomiacutea https wwwehueushelburuak-gaitasunak
La Termoeconomiacutea en plantas energeacuteticaswwwscieloclpdfinfotecv21n4art06pdf
ldquoTERMOECONOMIacuteArdquo
18
T = 27315 K + t helliphellip(expresioacuten 1)
La unidad internacional de temperatura es el Kelvin (K) Cuando se
emplea la escala de Celsius la unidad se representa por degC igual al
K ya que la uacutenica diferencia entre ambas escalas es la posicioacuten del
cero El empleo de siacutembolos diferentes sirve uacutenicamente para
caracterizar este hecho Cuando revisemos el Segundo Principio de
la Termodinaacutemica apreciaremos la base teoacuterica en que se sustenta
la escala de Kelvin o absoluta
Usualmente se emplean dos escalas termomeacutetricas la de Celsius y
la de Kelvin Los valores t y respectivos estaacuten relacionados por la
expresioacuten
441 El Primer Principio de la Termodinaacutemica
Su formulacioacuten no es maacutes que una expresioacuten del Principio de
la Conservacioacuten de la Energiacutea en la que se hace aparecer
expliacutecitamente la transferencia de calor Para todo proceso en
el sistema cerrado de la figura adjunta se verifica
en donde el primer miembro representa el intercambio neto
de energiacutea con su ambiente y el segundo el incremento de la
propiedad termodinaacutemica energiacutea En esta foacutermula hemos
seguido el convenio de considerar positivos el calor entrante
en el sistema y el trabajo realizado por eacuteste El Primer
Principio consiste precisamente en el reconocimiento de la
energiacutea como una propiedad termodinaacutemica del sistema Por
lo tanto los intercambios energeacuteticos del primer miembro de
la ecuacioacuten anterior dependen de los estados extremos 1 y 2
y del proceso seguido para pasar como se observa en la
siguiente figura
ldquoTERMOECONOMIacuteArdquo
19
Repasemos brevemente el significado de las magnitudes que
aparecen en la expresioacuten del Primer principio
Calor Es la forma de intercambio energeacutetico que se
produce entre dos sistemas cerrados a distintas
temperaturas cuando se les pone en contacto teacutermico
Equivale a afirmar que el flujo de calor se debe a los
desequilibrios teacutermicos Maacutes adelante volveremos sobre
esta cuestioacuten
Trabajo Muchas de las formas de trabajo que se
manejan habitualmente en ingenieriacutea termodinaacutemica
obedecen a la siguiente definicioacuten Trabajo es el
intercambio energeacutetico que se produce cuando se
desplaza una superficie de control a traveacutes de la cual
actuacutea una fuerza Si consideramos una fuerza F ejercida
por el sistema sobre el ambiente a traveacutes de la superficie
de control la cual experimenta un desplazamiento
elemental (vectorial) dr el trabajo elemental realizado
por el sistema seraacute el producto escalar de F por dr
Energiacutea La energiacutea de un sistema queda determinada
por factores muy diversos su posicioacuten en un campo de
fuerzas (energiacutea potencial mgz en donde m es la
masa g la aceleracioacuten de la gravedad y z la altitud si nos
referimos al campo gravitatorio terrestre) su
movimiento como un todo (energiacutea cineacutetica mc22 en
donde c es la velocidad) o la energiacutea debida a la
estructura el movimiento y las interacciones de las
ldquoTERMOECONOMIacuteArdquo
20
moleacuteculas aacutetomos y partiacuteculas que lo constituyen
(energiacutea interna U)
442 El Segundo Principio de la Termodinaacutemica
Puede afirmarse que el Primer Principio postula la existencia
de la funcioacuten de estado energiacutea cuya diferencial verifica De
una forma similar enunciaremos el Segundo Principio para
un sistema cerrado como sigue
Existe una funcioacuten de estado extensiva S llamada entropiacutea
con las dimensiones energiacuteatemperatura caracterizada por
las siguientes propiedades
a) Puede variar uacutenicamente por intercambio de calor con el
ambiente o por generacioacuten o creacioacuten interna en el propio
sistema
b) La entropiacutea debida al intercambio de calor con el ambiente
verifica
El valor de este teacutermino puede ser por tanto positivo
negativo o nulo seguacuten lo sea δQ
c) La entropiacutea generada en el sistema no puede ser negativa
y soacutelo seraacute nula cuando el proceso sea reversible En caso contrario
es siempre positiva Por tanto δS g es positiva para todo proceso
espontaacuteneo
5 ECOLOGIA INDUSTRIAL
Desde finales del siglo XX se abre paso el innovador concepto de la Ecologiacutea Industrial
Tradicionalmente se ha considerado que la fabricacioacuten comienza cuando las materias
primas entran en el proceso de produccioacuten y termina con la expedicioacuten del producto
acabado La Ecologiacutea Industrial va maacutes lejos considera las fuentes de abastecimiento de
materias primas los efectos de su extraccioacuten y el destino final del producto una vez agotada
su vida uacutetil entre otros aspectos
51 Aplicacioacuten de la Termoeconomiacutea a la Ecologiacutea Industrial
Definido el objeto del presente trabajo y una vez introducida la Ecologiacutea Industrial y
la Termoeconomiacutea surge la siguiente cuestioacuten iquestpor queacute aplicar la Termoeconomiacutea a
la Ecologiacutea Industrial La respuesta parte de la base de que la integracioacuten de procesos
industriales mediante intercambios mutuos de recursos productos y residuos
implica entre otros beneficios ahorros energeacuteticos Y el modo maacutes objetivo para
cuantificar dichos ahorros es mediante las leyes de la termodinaacutemica (Valero et al
2010) Es decir se trata de tener en consideracioacuten no soacutelo la primera ley de la
termodinaacutemica la cual indica que la energiacutea se conserva transformaacutendose de una
forma a otra sino tambieacuten la segunda ley de la termodinaacutemica que reconoce la
existencia de formas de energiacutea maacutes uacutetiles y menos degradadas que otras Por tanto
la combinacioacuten de ambas leyes indica que no es una cuestioacuten de cantidad de energiacutea
ahorrada sino de la calidad de esa energiacutea es decir de su contenido exergeacutetico El
presente trabajo trata de explicar las metodologiacuteas que la Termoeconomiacutea
actualmente estaacute aplicando al anaacutelisis optimizacioacuten y diagnoacutestico de sistemas
energeacuteticos tales como centrales teacutermicas a la Ecologiacutea Industrial y complejo
modelo de Simbiosis Industrial El anaacutelisis termoeconoacutemico puede ayudar a resolver
problemas importantes tales como identificar posibles integraciones mejorar la
eficiencia cuantificar los beneficios obtenidos por la integracioacuten o determinar los
precios en base a criterios fiacutesicos (Valero et al 2010) Conviene describir tambieacuten la
utilizacioacuten de la Termoeconomiacutea como herramienta de anaacutelisis en ecoparques
industriales Por tanto se puede afirmar que la Ecologiacutea Industrial representa un
campo de aplicacioacuten emergente para el anaacutelisis termoeconoacutemico
ldquoTERMOECONOMIacuteArdquo
1
52 Modelo de Simbiosis Industrial de Kalundborg
El ejemplo praacutectico maacutes reconocido mundialmente en el aacutembito de la Ecologiacutea
Industrial es el de la ciudad danesa de Kalundborg en el cual se acuntildeoacute la palabra de
Simbiosis Industrial Constituye la primera referencia de creacioacuten de una red de
ntercambios entre diversas industrias localizadas en un aacuterea comuacuten y su eacutexito
ha generado un aumento del apoyo institucional para la implantacioacuten de esta
estrategia en otros lugares
La experiencia empezoacute cuando unas pocas empresas trataron de minimizar el
consumo de agua subterraacutenea empleando agua de un lago cercano A raiacutez de ello
con el tiempo se ha establecido una compleja red de intercambios cooperativos en
tres aacutereas agua energiacutea y subproductos adoptando tambieacuten la denominacioacuten
de ecoparque o ecosistema industrial
Integrantes
Actualmente el modelo de Simbiosis Industrial de Kalundborg estaacute constituido
por cinco participantes principales maacutes otros diez participantes secundarios
Principales Participantes
Flujos
La red de intercambio de recursos entre los distintos participantes de la Simbiosis
Industrial estaacute compuesta por 31 flujos los cuales se pueden clasificar en tres
categoriacuteas
ldquoTERMOECONOMIacuteArdquo
2
a) Flujos hiacutedricos
Imagen de Flujos Hiacutedricos
Fuente httpwwwbdigitalunaleduco466731089410732015pdf
b) Flujos energeacuteticos
Imagen de Flujos Energeacuteticos
Fuente httpwwwbdigitalunaleduco466731089410732015pdf
ldquoTERMOECONOMIacuteArdquo
3
c) Flujos de subproductos
Imagen de Flujos de Subproductos
Fuente httpwwwbdigitalunaleduco466731089410732015pdf
53 Beneficios ambientales
Los beneficios ambientales asociados a la Simbiosis Industrial estaacuten determinados
por ahorros en el consumo de agua combustible y materia prima dichos
ahorros conllevan disminuir los residuos generados asiacute como las emisiones de
contaminantes como se muestra en la tabla siguiente
Sin embargo es complejo determinar todos los beneficios globales de la Simbiosis
Industrial puesto que muchos de los flujos presentes en el ecosistema
industrial generan un doble beneficio En el caso de los flujos de residuos su
valorizacioacuten conlleva por un lado evitar la ldquoeliminacioacutenrdquo de dicho residuo y por el
otro se evita el consumo de la materia prima asiacute como de todos los recursos
ldquoTERMOECONOMIacuteArdquo
4
asociados a la obtencioacuten de la misma que seriacutea necesario si no se llevara a cabo la
valorizacioacuten
Por ejemplo los procesos de desulfuracioacuten en la central teacutermica y la refineriacutea
ademaacutes de evitar la emisioacuten de dioacutexido de azufre a la atmoacutesfera producen yeso y
tiosulfato de amonio respectivamente La valorizacioacuten de estos dos residuos
supone para los emisores evitar su ldquoeliminacioacutenrdquo y para los receptores en el caso
del yeso se reduce la importacioacuten de yeso natural mientras que en el caso del
tiosulfato de amonio se ahorra en materias primas y recursos correspondientes a
su obtencioacuten Con las cenizas ocurre exactamente lo mismo su valorizacioacuten
repercute en una menor necesidad de clinker y por tanto de los recursos
necesarios para su fabricacioacuten El fertilizante y la levadura suministrada por Novo
Group disminuyen la cantidad de residuos generados y a su vez evitan el
consumo de nuevas materias primas y recursos asociados a la fabricacioacuten de
ambos productos
En el caso de los flujos energeacuteticos como por ejemplo el gas excedente de la
refineriacutea o la energiacutea teacutermica residual de la central en origen conlleva evitar su
disipacioacuten al medioambiente mientras que para los receptores repercute en un
ahorro sustancial de combustible
En cuanto a los flujos hiacutedricos el principal beneficio ambiental alcanzado es el
ahorro en el consumo de agua focalizado en sus inicios en la sustitucioacuten de
agua subterraacutenea por agua superficial y maacutes tarde en la reutilizacioacuten
Ademaacutes en teacuterminos econoacutemicos tambieacuten se han alcanzado beneficios
sustanciales
Como ejemplo para el antildeo 2000 ya se habiacutean invertido 75 millones de doacutelares en
19 proyectos con un ahorro estimado de 15 millones de doacutelares (Cervantes et al
2009) 6 Caso de estudio La aplicacioacuten de la Termoeconomiacutea al modelo de
Simbiosis Industrial de Kalundborg precisa de la definicioacuten de un caso de estudio
sobre dicho modelo que permita su caracterizacioacuten en teacuterminos de exergiacutea
En este sentido la informacioacuten teacutecnica recopilada sobre los flujos
intercambiados limita el alcance del caso de estudio establecido Sin embargo
fruto de una extensa y laboriosa buacutesqueda bibliograacutefica se ha elaborado un caso
de estudio que incluye los flujos maacutes representativos de la Simbiosis Industrial
de Kalundborg
ldquoTERMOECONOMIacuteArdquo
5
6 CONCLUSIONES
El anaacutelisis exergeacutetico se constituye en una soacutelida herramienta para entender la dinaacutemica
energeacutetica de los procesos de la naturaleza y de los procesos artificiales Sus aplicaciones
son ilimitadas en el sentido que toda accioacuten microscoacutepica o macroscoacutepica demanda un
consumo energeacutetico valioso
El verdadero potencial de ahorro energeacutetico de un sector industrial no se puede valorar
uacutenicamente a partir de la sustitucioacuten de energeacuteticos como consecuencia del
comportamiento del mercado o por la sustitucioacuten de tecnologiacuteas por el efecto de
nuevos desarrollos sino a traveacutes de un balance exergeacutetico que determine las
condiciones maacuteximas de operacioacuten a partir del propoacutesito de cada accioacuten o proceso
Por medio del anaacutelisis termoeconoacutemico es posible la cuantificacioacuten de intangibles
contables y fiacutesicos representados en la destruccioacuten de exergiacutea causada por muacuteltiples
factores como erroacutenea eleccioacuten de un combustible de un mecanismo de un lugar de
operacioacuten fallas de operacioacuten en los procesos erroacuteneos paraacutemetros de operacioacuten etc
A partir de la primera ley de la termodinaacutemica se establecioacute el precepto baacutesico de la
transformacioacuten de energiacutea no se crea no se destruye se transforma en calor en
trabajo aumenta o disminuye la energiacutea interna la segunda ley direcciona los procesos
e integra una nueva propiedad termodinaacutemica denominada entropiacutea asociada al
desorden y a las condiciones de irreversibilidad de los procesos reales El anaacutelisis
exergeacutetico complementa las leyes anteriores considerando el propoacutesito y coacutemo a traveacutes
de su desarrollo se destruye la exergiacutea pese a la conservacioacuten de la energiacutea
La metodologiacutea desarrollada para el anaacutelisis termoeconoacutemico del caso tiene validez para
cualquier proceso industrial porque contempla la valoracioacuten exergeacutetica del uso de los
recursos Si la valoracioacuten fuera de caraacutecter sectorial la metodologiacutea seriacutea la misma soacutelo
que tendriacutea que apoyarse en las estadiacutesticas de consumo energeacutetico por sector y se hariacutea
necesario evaluar la exergiacutea fiacutesica y quiacutemica de todos los recursos involucradosComo
punto de partida seriacutea recomendable valorar la exergiacutea quiacutemica de los hidrocarburos
producidos en Peruacute
Las herramientas de caacutelculo favorecen las evaluaciones termoeconoacutemicas de los
procesos faacutecilmente la teoriacutea exergeacutetica puede articularse a traveacutes de ecuaciones
simples En el caso particular el desarrollo es vaacutelido para un proceso de combustioacuten
externa con secado directo Sin embargo actualmente se consiguen en el mercado
herramientas robustas como el Aspen Process Economic Analyzer (APEA) que con la
informacioacuten baacutesica de operacioacuten realiza un anaacutelisis profundo de la destruccioacuten
exergeacutetica asiacute como de la valoracioacuten de alternativas de disentildeo operacioacuten y cambios
tecnoloacutegicos
La Termoeconomiacutea trata de costes bien monetarios (ptaskJ)o puramente energeacuteticos
(kJ de recursokJ de producto) y se utiliza principalmente para la contabilidad
diagnoacutestico mejora y disentildeo y optimizacioacuten de sistemas teacutermicos Pero en mi opinioacuten
abarca maacutes es la ciencia en la que la Termodinaacutemica y en particular el segundo
principio se une con la Economiacutea ambas en un sentido amplio Ahora estamos en el
principio y esta ciencia se construiraacute con las aportaciones de muchos autores no soacutelo
ingenieros mecaacutenicos En el futuro habraacute que poner orden y sistemaacutetica a la gran
cantidad de contribuciones que tanto economistas como fiacutesicos bioacutelogos quiacutemicos o
ldquoTERMOECONOMIacuteArdquo
6
ingenieros quieren encontrar en las analogiacuteas y explicaciones entre la Termodinaacutemica y
la Economiacutea
Vivimos en un mundo finito y pequentildeo para la gente que somos y seremos y los recursos
naturales son un bien escaso Si queremos sobrevivir debemos conservarlos y aprender
a conservarlos mejor y en este propoacutesito la Termoeconomiacutea jugaraacute un papel clave
Debemos conocer los mecanismos por los cuales la energiacutea y los recursos en general se
degradan y debemos tambieacuten aprender y ensentildear a juzgar queacute sistemas trabajan mejor
con objeto de mejorar sistemaacuteticamente los disentildeos y reducir el consumo per capita
Ademaacutes debemos aprender a reutilizar los residuos para evitar dantildeos al ambiente Esto
lo necesitamos urgentemente ya que al menos dos tercios de la humanidad actual vive
maacutes pobremente que el mundo desarrollado actual
Una contabilidad sistemaacutetica de los recursos naturales que se estaacuten consumiendo seriacutea
una herramienta clave para que tomaacuteramos una consciencia global del problema Y en
esta tarea la Termoeconomiacutea jugariacutea un papel clave
ldquoTERMOECONOMIacuteArdquo
7
7 REFERENCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS
Termoeconomiacutea y Optimizacioacuten Energeacutetica mdash OCW UPMocwupmes rsaquo Explotacioacuten de
Minas
La termoeconomiacutea como alternativa para mejorar la competitividad
wwwbdigitalunaleduco466731089410732015pdf
JR Silva Larrottaaplicaciones termoeconoacutemicas del meacutetodo -
PublicationsListorgpublicationslistorgAplicaciones20termoeconomicas20del
20metodo20exer
Termoeconomiacuteahttpszaguanunizaresrecord45719filesguiapdf
Analisis termoeconomico - ResearchGate https wwwresearchgatenet profile
0c960520b5ead8d544000000pdf
MAL SERRANO - 1993 - Universidad de Sevilla Termoeconomiacutea de Sistemas Energ
wwwuses estudiosgradosplan_221asignatura_2210057
Fundamentos de termodinaacutemica teacutecnica https booksgooglecompe booksisbn=
8429143130
Michael J Moran Howard N Shapiro - 2004 - Science-Termoeconomia
la termoeconomiacutea https wwwehueushelburuak-gaitasunak
La Termoeconomiacutea en plantas energeacuteticaswwwscieloclpdfinfotecv21n4art06pdf
ldquoTERMOECONOMIacuteArdquo
19
Repasemos brevemente el significado de las magnitudes que
aparecen en la expresioacuten del Primer principio
Calor Es la forma de intercambio energeacutetico que se
produce entre dos sistemas cerrados a distintas
temperaturas cuando se les pone en contacto teacutermico
Equivale a afirmar que el flujo de calor se debe a los
desequilibrios teacutermicos Maacutes adelante volveremos sobre
esta cuestioacuten
Trabajo Muchas de las formas de trabajo que se
manejan habitualmente en ingenieriacutea termodinaacutemica
obedecen a la siguiente definicioacuten Trabajo es el
intercambio energeacutetico que se produce cuando se
desplaza una superficie de control a traveacutes de la cual
actuacutea una fuerza Si consideramos una fuerza F ejercida
por el sistema sobre el ambiente a traveacutes de la superficie
de control la cual experimenta un desplazamiento
elemental (vectorial) dr el trabajo elemental realizado
por el sistema seraacute el producto escalar de F por dr
Energiacutea La energiacutea de un sistema queda determinada
por factores muy diversos su posicioacuten en un campo de
fuerzas (energiacutea potencial mgz en donde m es la
masa g la aceleracioacuten de la gravedad y z la altitud si nos
referimos al campo gravitatorio terrestre) su
movimiento como un todo (energiacutea cineacutetica mc22 en
donde c es la velocidad) o la energiacutea debida a la
estructura el movimiento y las interacciones de las
ldquoTERMOECONOMIacuteArdquo
20
moleacuteculas aacutetomos y partiacuteculas que lo constituyen
(energiacutea interna U)
442 El Segundo Principio de la Termodinaacutemica
Puede afirmarse que el Primer Principio postula la existencia
de la funcioacuten de estado energiacutea cuya diferencial verifica De
una forma similar enunciaremos el Segundo Principio para
un sistema cerrado como sigue
Existe una funcioacuten de estado extensiva S llamada entropiacutea
con las dimensiones energiacuteatemperatura caracterizada por
las siguientes propiedades
a) Puede variar uacutenicamente por intercambio de calor con el
ambiente o por generacioacuten o creacioacuten interna en el propio
sistema
b) La entropiacutea debida al intercambio de calor con el ambiente
verifica
El valor de este teacutermino puede ser por tanto positivo
negativo o nulo seguacuten lo sea δQ
c) La entropiacutea generada en el sistema no puede ser negativa
y soacutelo seraacute nula cuando el proceso sea reversible En caso contrario
es siempre positiva Por tanto δS g es positiva para todo proceso
espontaacuteneo
5 ECOLOGIA INDUSTRIAL
Desde finales del siglo XX se abre paso el innovador concepto de la Ecologiacutea Industrial
Tradicionalmente se ha considerado que la fabricacioacuten comienza cuando las materias
primas entran en el proceso de produccioacuten y termina con la expedicioacuten del producto
acabado La Ecologiacutea Industrial va maacutes lejos considera las fuentes de abastecimiento de
materias primas los efectos de su extraccioacuten y el destino final del producto una vez agotada
su vida uacutetil entre otros aspectos
51 Aplicacioacuten de la Termoeconomiacutea a la Ecologiacutea Industrial
Definido el objeto del presente trabajo y una vez introducida la Ecologiacutea Industrial y
la Termoeconomiacutea surge la siguiente cuestioacuten iquestpor queacute aplicar la Termoeconomiacutea a
la Ecologiacutea Industrial La respuesta parte de la base de que la integracioacuten de procesos
industriales mediante intercambios mutuos de recursos productos y residuos
implica entre otros beneficios ahorros energeacuteticos Y el modo maacutes objetivo para
cuantificar dichos ahorros es mediante las leyes de la termodinaacutemica (Valero et al
2010) Es decir se trata de tener en consideracioacuten no soacutelo la primera ley de la
termodinaacutemica la cual indica que la energiacutea se conserva transformaacutendose de una
forma a otra sino tambieacuten la segunda ley de la termodinaacutemica que reconoce la
existencia de formas de energiacutea maacutes uacutetiles y menos degradadas que otras Por tanto
la combinacioacuten de ambas leyes indica que no es una cuestioacuten de cantidad de energiacutea
ahorrada sino de la calidad de esa energiacutea es decir de su contenido exergeacutetico El
presente trabajo trata de explicar las metodologiacuteas que la Termoeconomiacutea
actualmente estaacute aplicando al anaacutelisis optimizacioacuten y diagnoacutestico de sistemas
energeacuteticos tales como centrales teacutermicas a la Ecologiacutea Industrial y complejo
modelo de Simbiosis Industrial El anaacutelisis termoeconoacutemico puede ayudar a resolver
problemas importantes tales como identificar posibles integraciones mejorar la
eficiencia cuantificar los beneficios obtenidos por la integracioacuten o determinar los
precios en base a criterios fiacutesicos (Valero et al 2010) Conviene describir tambieacuten la
utilizacioacuten de la Termoeconomiacutea como herramienta de anaacutelisis en ecoparques
industriales Por tanto se puede afirmar que la Ecologiacutea Industrial representa un
campo de aplicacioacuten emergente para el anaacutelisis termoeconoacutemico
ldquoTERMOECONOMIacuteArdquo
1
52 Modelo de Simbiosis Industrial de Kalundborg
El ejemplo praacutectico maacutes reconocido mundialmente en el aacutembito de la Ecologiacutea
Industrial es el de la ciudad danesa de Kalundborg en el cual se acuntildeoacute la palabra de
Simbiosis Industrial Constituye la primera referencia de creacioacuten de una red de
ntercambios entre diversas industrias localizadas en un aacuterea comuacuten y su eacutexito
ha generado un aumento del apoyo institucional para la implantacioacuten de esta
estrategia en otros lugares
La experiencia empezoacute cuando unas pocas empresas trataron de minimizar el
consumo de agua subterraacutenea empleando agua de un lago cercano A raiacutez de ello
con el tiempo se ha establecido una compleja red de intercambios cooperativos en
tres aacutereas agua energiacutea y subproductos adoptando tambieacuten la denominacioacuten
de ecoparque o ecosistema industrial
Integrantes
Actualmente el modelo de Simbiosis Industrial de Kalundborg estaacute constituido
por cinco participantes principales maacutes otros diez participantes secundarios
Principales Participantes
Flujos
La red de intercambio de recursos entre los distintos participantes de la Simbiosis
Industrial estaacute compuesta por 31 flujos los cuales se pueden clasificar en tres
categoriacuteas
ldquoTERMOECONOMIacuteArdquo
2
a) Flujos hiacutedricos
Imagen de Flujos Hiacutedricos
Fuente httpwwwbdigitalunaleduco466731089410732015pdf
b) Flujos energeacuteticos
Imagen de Flujos Energeacuteticos
Fuente httpwwwbdigitalunaleduco466731089410732015pdf
ldquoTERMOECONOMIacuteArdquo
3
c) Flujos de subproductos
Imagen de Flujos de Subproductos
Fuente httpwwwbdigitalunaleduco466731089410732015pdf
53 Beneficios ambientales
Los beneficios ambientales asociados a la Simbiosis Industrial estaacuten determinados
por ahorros en el consumo de agua combustible y materia prima dichos
ahorros conllevan disminuir los residuos generados asiacute como las emisiones de
contaminantes como se muestra en la tabla siguiente
Sin embargo es complejo determinar todos los beneficios globales de la Simbiosis
Industrial puesto que muchos de los flujos presentes en el ecosistema
industrial generan un doble beneficio En el caso de los flujos de residuos su
valorizacioacuten conlleva por un lado evitar la ldquoeliminacioacutenrdquo de dicho residuo y por el
otro se evita el consumo de la materia prima asiacute como de todos los recursos
ldquoTERMOECONOMIacuteArdquo
4
asociados a la obtencioacuten de la misma que seriacutea necesario si no se llevara a cabo la
valorizacioacuten
Por ejemplo los procesos de desulfuracioacuten en la central teacutermica y la refineriacutea
ademaacutes de evitar la emisioacuten de dioacutexido de azufre a la atmoacutesfera producen yeso y
tiosulfato de amonio respectivamente La valorizacioacuten de estos dos residuos
supone para los emisores evitar su ldquoeliminacioacutenrdquo y para los receptores en el caso
del yeso se reduce la importacioacuten de yeso natural mientras que en el caso del
tiosulfato de amonio se ahorra en materias primas y recursos correspondientes a
su obtencioacuten Con las cenizas ocurre exactamente lo mismo su valorizacioacuten
repercute en una menor necesidad de clinker y por tanto de los recursos
necesarios para su fabricacioacuten El fertilizante y la levadura suministrada por Novo
Group disminuyen la cantidad de residuos generados y a su vez evitan el
consumo de nuevas materias primas y recursos asociados a la fabricacioacuten de
ambos productos
En el caso de los flujos energeacuteticos como por ejemplo el gas excedente de la
refineriacutea o la energiacutea teacutermica residual de la central en origen conlleva evitar su
disipacioacuten al medioambiente mientras que para los receptores repercute en un
ahorro sustancial de combustible
En cuanto a los flujos hiacutedricos el principal beneficio ambiental alcanzado es el
ahorro en el consumo de agua focalizado en sus inicios en la sustitucioacuten de
agua subterraacutenea por agua superficial y maacutes tarde en la reutilizacioacuten
Ademaacutes en teacuterminos econoacutemicos tambieacuten se han alcanzado beneficios
sustanciales
Como ejemplo para el antildeo 2000 ya se habiacutean invertido 75 millones de doacutelares en
19 proyectos con un ahorro estimado de 15 millones de doacutelares (Cervantes et al
2009) 6 Caso de estudio La aplicacioacuten de la Termoeconomiacutea al modelo de
Simbiosis Industrial de Kalundborg precisa de la definicioacuten de un caso de estudio
sobre dicho modelo que permita su caracterizacioacuten en teacuterminos de exergiacutea
En este sentido la informacioacuten teacutecnica recopilada sobre los flujos
intercambiados limita el alcance del caso de estudio establecido Sin embargo
fruto de una extensa y laboriosa buacutesqueda bibliograacutefica se ha elaborado un caso
de estudio que incluye los flujos maacutes representativos de la Simbiosis Industrial
de Kalundborg
ldquoTERMOECONOMIacuteArdquo
5
6 CONCLUSIONES
El anaacutelisis exergeacutetico se constituye en una soacutelida herramienta para entender la dinaacutemica
energeacutetica de los procesos de la naturaleza y de los procesos artificiales Sus aplicaciones
son ilimitadas en el sentido que toda accioacuten microscoacutepica o macroscoacutepica demanda un
consumo energeacutetico valioso
El verdadero potencial de ahorro energeacutetico de un sector industrial no se puede valorar
uacutenicamente a partir de la sustitucioacuten de energeacuteticos como consecuencia del
comportamiento del mercado o por la sustitucioacuten de tecnologiacuteas por el efecto de
nuevos desarrollos sino a traveacutes de un balance exergeacutetico que determine las
condiciones maacuteximas de operacioacuten a partir del propoacutesito de cada accioacuten o proceso
Por medio del anaacutelisis termoeconoacutemico es posible la cuantificacioacuten de intangibles
contables y fiacutesicos representados en la destruccioacuten de exergiacutea causada por muacuteltiples
factores como erroacutenea eleccioacuten de un combustible de un mecanismo de un lugar de
operacioacuten fallas de operacioacuten en los procesos erroacuteneos paraacutemetros de operacioacuten etc
A partir de la primera ley de la termodinaacutemica se establecioacute el precepto baacutesico de la
transformacioacuten de energiacutea no se crea no se destruye se transforma en calor en
trabajo aumenta o disminuye la energiacutea interna la segunda ley direcciona los procesos
e integra una nueva propiedad termodinaacutemica denominada entropiacutea asociada al
desorden y a las condiciones de irreversibilidad de los procesos reales El anaacutelisis
exergeacutetico complementa las leyes anteriores considerando el propoacutesito y coacutemo a traveacutes
de su desarrollo se destruye la exergiacutea pese a la conservacioacuten de la energiacutea
La metodologiacutea desarrollada para el anaacutelisis termoeconoacutemico del caso tiene validez para
cualquier proceso industrial porque contempla la valoracioacuten exergeacutetica del uso de los
recursos Si la valoracioacuten fuera de caraacutecter sectorial la metodologiacutea seriacutea la misma soacutelo
que tendriacutea que apoyarse en las estadiacutesticas de consumo energeacutetico por sector y se hariacutea
necesario evaluar la exergiacutea fiacutesica y quiacutemica de todos los recursos involucradosComo
punto de partida seriacutea recomendable valorar la exergiacutea quiacutemica de los hidrocarburos
producidos en Peruacute
Las herramientas de caacutelculo favorecen las evaluaciones termoeconoacutemicas de los
procesos faacutecilmente la teoriacutea exergeacutetica puede articularse a traveacutes de ecuaciones
simples En el caso particular el desarrollo es vaacutelido para un proceso de combustioacuten
externa con secado directo Sin embargo actualmente se consiguen en el mercado
herramientas robustas como el Aspen Process Economic Analyzer (APEA) que con la
informacioacuten baacutesica de operacioacuten realiza un anaacutelisis profundo de la destruccioacuten
exergeacutetica asiacute como de la valoracioacuten de alternativas de disentildeo operacioacuten y cambios
tecnoloacutegicos
La Termoeconomiacutea trata de costes bien monetarios (ptaskJ)o puramente energeacuteticos
(kJ de recursokJ de producto) y se utiliza principalmente para la contabilidad
diagnoacutestico mejora y disentildeo y optimizacioacuten de sistemas teacutermicos Pero en mi opinioacuten
abarca maacutes es la ciencia en la que la Termodinaacutemica y en particular el segundo
principio se une con la Economiacutea ambas en un sentido amplio Ahora estamos en el
principio y esta ciencia se construiraacute con las aportaciones de muchos autores no soacutelo
ingenieros mecaacutenicos En el futuro habraacute que poner orden y sistemaacutetica a la gran
cantidad de contribuciones que tanto economistas como fiacutesicos bioacutelogos quiacutemicos o
ldquoTERMOECONOMIacuteArdquo
6
ingenieros quieren encontrar en las analogiacuteas y explicaciones entre la Termodinaacutemica y
la Economiacutea
Vivimos en un mundo finito y pequentildeo para la gente que somos y seremos y los recursos
naturales son un bien escaso Si queremos sobrevivir debemos conservarlos y aprender
a conservarlos mejor y en este propoacutesito la Termoeconomiacutea jugaraacute un papel clave
Debemos conocer los mecanismos por los cuales la energiacutea y los recursos en general se
degradan y debemos tambieacuten aprender y ensentildear a juzgar queacute sistemas trabajan mejor
con objeto de mejorar sistemaacuteticamente los disentildeos y reducir el consumo per capita
Ademaacutes debemos aprender a reutilizar los residuos para evitar dantildeos al ambiente Esto
lo necesitamos urgentemente ya que al menos dos tercios de la humanidad actual vive
maacutes pobremente que el mundo desarrollado actual
Una contabilidad sistemaacutetica de los recursos naturales que se estaacuten consumiendo seriacutea
una herramienta clave para que tomaacuteramos una consciencia global del problema Y en
esta tarea la Termoeconomiacutea jugariacutea un papel clave
ldquoTERMOECONOMIacuteArdquo
7
7 REFERENCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS
Termoeconomiacutea y Optimizacioacuten Energeacutetica mdash OCW UPMocwupmes rsaquo Explotacioacuten de
Minas
La termoeconomiacutea como alternativa para mejorar la competitividad
wwwbdigitalunaleduco466731089410732015pdf
JR Silva Larrottaaplicaciones termoeconoacutemicas del meacutetodo -
PublicationsListorgpublicationslistorgAplicaciones20termoeconomicas20del
20metodo20exer
Termoeconomiacuteahttpszaguanunizaresrecord45719filesguiapdf
Analisis termoeconomico - ResearchGate https wwwresearchgatenet profile
0c960520b5ead8d544000000pdf
MAL SERRANO - 1993 - Universidad de Sevilla Termoeconomiacutea de Sistemas Energ
wwwuses estudiosgradosplan_221asignatura_2210057
Fundamentos de termodinaacutemica teacutecnica https booksgooglecompe booksisbn=
8429143130
Michael J Moran Howard N Shapiro - 2004 - Science-Termoeconomia
la termoeconomiacutea https wwwehueushelburuak-gaitasunak
La Termoeconomiacutea en plantas energeacuteticaswwwscieloclpdfinfotecv21n4art06pdf
ldquoTERMOECONOMIacuteArdquo
20
moleacuteculas aacutetomos y partiacuteculas que lo constituyen
(energiacutea interna U)
442 El Segundo Principio de la Termodinaacutemica
Puede afirmarse que el Primer Principio postula la existencia
de la funcioacuten de estado energiacutea cuya diferencial verifica De
una forma similar enunciaremos el Segundo Principio para
un sistema cerrado como sigue
Existe una funcioacuten de estado extensiva S llamada entropiacutea
con las dimensiones energiacuteatemperatura caracterizada por
las siguientes propiedades
a) Puede variar uacutenicamente por intercambio de calor con el
ambiente o por generacioacuten o creacioacuten interna en el propio
sistema
b) La entropiacutea debida al intercambio de calor con el ambiente
verifica
El valor de este teacutermino puede ser por tanto positivo
negativo o nulo seguacuten lo sea δQ
c) La entropiacutea generada en el sistema no puede ser negativa
y soacutelo seraacute nula cuando el proceso sea reversible En caso contrario
es siempre positiva Por tanto δS g es positiva para todo proceso
espontaacuteneo
5 ECOLOGIA INDUSTRIAL
Desde finales del siglo XX se abre paso el innovador concepto de la Ecologiacutea Industrial
Tradicionalmente se ha considerado que la fabricacioacuten comienza cuando las materias
primas entran en el proceso de produccioacuten y termina con la expedicioacuten del producto
acabado La Ecologiacutea Industrial va maacutes lejos considera las fuentes de abastecimiento de
materias primas los efectos de su extraccioacuten y el destino final del producto una vez agotada
su vida uacutetil entre otros aspectos
51 Aplicacioacuten de la Termoeconomiacutea a la Ecologiacutea Industrial
Definido el objeto del presente trabajo y una vez introducida la Ecologiacutea Industrial y
la Termoeconomiacutea surge la siguiente cuestioacuten iquestpor queacute aplicar la Termoeconomiacutea a
la Ecologiacutea Industrial La respuesta parte de la base de que la integracioacuten de procesos
industriales mediante intercambios mutuos de recursos productos y residuos
implica entre otros beneficios ahorros energeacuteticos Y el modo maacutes objetivo para
cuantificar dichos ahorros es mediante las leyes de la termodinaacutemica (Valero et al
2010) Es decir se trata de tener en consideracioacuten no soacutelo la primera ley de la
termodinaacutemica la cual indica que la energiacutea se conserva transformaacutendose de una
forma a otra sino tambieacuten la segunda ley de la termodinaacutemica que reconoce la
existencia de formas de energiacutea maacutes uacutetiles y menos degradadas que otras Por tanto
la combinacioacuten de ambas leyes indica que no es una cuestioacuten de cantidad de energiacutea
ahorrada sino de la calidad de esa energiacutea es decir de su contenido exergeacutetico El
presente trabajo trata de explicar las metodologiacuteas que la Termoeconomiacutea
actualmente estaacute aplicando al anaacutelisis optimizacioacuten y diagnoacutestico de sistemas
energeacuteticos tales como centrales teacutermicas a la Ecologiacutea Industrial y complejo
modelo de Simbiosis Industrial El anaacutelisis termoeconoacutemico puede ayudar a resolver
problemas importantes tales como identificar posibles integraciones mejorar la
eficiencia cuantificar los beneficios obtenidos por la integracioacuten o determinar los
precios en base a criterios fiacutesicos (Valero et al 2010) Conviene describir tambieacuten la
utilizacioacuten de la Termoeconomiacutea como herramienta de anaacutelisis en ecoparques
industriales Por tanto se puede afirmar que la Ecologiacutea Industrial representa un
campo de aplicacioacuten emergente para el anaacutelisis termoeconoacutemico
ldquoTERMOECONOMIacuteArdquo
1
52 Modelo de Simbiosis Industrial de Kalundborg
El ejemplo praacutectico maacutes reconocido mundialmente en el aacutembito de la Ecologiacutea
Industrial es el de la ciudad danesa de Kalundborg en el cual se acuntildeoacute la palabra de
Simbiosis Industrial Constituye la primera referencia de creacioacuten de una red de
ntercambios entre diversas industrias localizadas en un aacuterea comuacuten y su eacutexito
ha generado un aumento del apoyo institucional para la implantacioacuten de esta
estrategia en otros lugares
La experiencia empezoacute cuando unas pocas empresas trataron de minimizar el
consumo de agua subterraacutenea empleando agua de un lago cercano A raiacutez de ello
con el tiempo se ha establecido una compleja red de intercambios cooperativos en
tres aacutereas agua energiacutea y subproductos adoptando tambieacuten la denominacioacuten
de ecoparque o ecosistema industrial
Integrantes
Actualmente el modelo de Simbiosis Industrial de Kalundborg estaacute constituido
por cinco participantes principales maacutes otros diez participantes secundarios
Principales Participantes
Flujos
La red de intercambio de recursos entre los distintos participantes de la Simbiosis
Industrial estaacute compuesta por 31 flujos los cuales se pueden clasificar en tres
categoriacuteas
ldquoTERMOECONOMIacuteArdquo
2
a) Flujos hiacutedricos
Imagen de Flujos Hiacutedricos
Fuente httpwwwbdigitalunaleduco466731089410732015pdf
b) Flujos energeacuteticos
Imagen de Flujos Energeacuteticos
Fuente httpwwwbdigitalunaleduco466731089410732015pdf
ldquoTERMOECONOMIacuteArdquo
3
c) Flujos de subproductos
Imagen de Flujos de Subproductos
Fuente httpwwwbdigitalunaleduco466731089410732015pdf
53 Beneficios ambientales
Los beneficios ambientales asociados a la Simbiosis Industrial estaacuten determinados
por ahorros en el consumo de agua combustible y materia prima dichos
ahorros conllevan disminuir los residuos generados asiacute como las emisiones de
contaminantes como se muestra en la tabla siguiente
Sin embargo es complejo determinar todos los beneficios globales de la Simbiosis
Industrial puesto que muchos de los flujos presentes en el ecosistema
industrial generan un doble beneficio En el caso de los flujos de residuos su
valorizacioacuten conlleva por un lado evitar la ldquoeliminacioacutenrdquo de dicho residuo y por el
otro se evita el consumo de la materia prima asiacute como de todos los recursos
ldquoTERMOECONOMIacuteArdquo
4
asociados a la obtencioacuten de la misma que seriacutea necesario si no se llevara a cabo la
valorizacioacuten
Por ejemplo los procesos de desulfuracioacuten en la central teacutermica y la refineriacutea
ademaacutes de evitar la emisioacuten de dioacutexido de azufre a la atmoacutesfera producen yeso y
tiosulfato de amonio respectivamente La valorizacioacuten de estos dos residuos
supone para los emisores evitar su ldquoeliminacioacutenrdquo y para los receptores en el caso
del yeso se reduce la importacioacuten de yeso natural mientras que en el caso del
tiosulfato de amonio se ahorra en materias primas y recursos correspondientes a
su obtencioacuten Con las cenizas ocurre exactamente lo mismo su valorizacioacuten
repercute en una menor necesidad de clinker y por tanto de los recursos
necesarios para su fabricacioacuten El fertilizante y la levadura suministrada por Novo
Group disminuyen la cantidad de residuos generados y a su vez evitan el
consumo de nuevas materias primas y recursos asociados a la fabricacioacuten de
ambos productos
En el caso de los flujos energeacuteticos como por ejemplo el gas excedente de la
refineriacutea o la energiacutea teacutermica residual de la central en origen conlleva evitar su
disipacioacuten al medioambiente mientras que para los receptores repercute en un
ahorro sustancial de combustible
En cuanto a los flujos hiacutedricos el principal beneficio ambiental alcanzado es el
ahorro en el consumo de agua focalizado en sus inicios en la sustitucioacuten de
agua subterraacutenea por agua superficial y maacutes tarde en la reutilizacioacuten
Ademaacutes en teacuterminos econoacutemicos tambieacuten se han alcanzado beneficios
sustanciales
Como ejemplo para el antildeo 2000 ya se habiacutean invertido 75 millones de doacutelares en
19 proyectos con un ahorro estimado de 15 millones de doacutelares (Cervantes et al
2009) 6 Caso de estudio La aplicacioacuten de la Termoeconomiacutea al modelo de
Simbiosis Industrial de Kalundborg precisa de la definicioacuten de un caso de estudio
sobre dicho modelo que permita su caracterizacioacuten en teacuterminos de exergiacutea
En este sentido la informacioacuten teacutecnica recopilada sobre los flujos
intercambiados limita el alcance del caso de estudio establecido Sin embargo
fruto de una extensa y laboriosa buacutesqueda bibliograacutefica se ha elaborado un caso
de estudio que incluye los flujos maacutes representativos de la Simbiosis Industrial
de Kalundborg
ldquoTERMOECONOMIacuteArdquo
5
6 CONCLUSIONES
El anaacutelisis exergeacutetico se constituye en una soacutelida herramienta para entender la dinaacutemica
energeacutetica de los procesos de la naturaleza y de los procesos artificiales Sus aplicaciones
son ilimitadas en el sentido que toda accioacuten microscoacutepica o macroscoacutepica demanda un
consumo energeacutetico valioso
El verdadero potencial de ahorro energeacutetico de un sector industrial no se puede valorar
uacutenicamente a partir de la sustitucioacuten de energeacuteticos como consecuencia del
comportamiento del mercado o por la sustitucioacuten de tecnologiacuteas por el efecto de
nuevos desarrollos sino a traveacutes de un balance exergeacutetico que determine las
condiciones maacuteximas de operacioacuten a partir del propoacutesito de cada accioacuten o proceso
Por medio del anaacutelisis termoeconoacutemico es posible la cuantificacioacuten de intangibles
contables y fiacutesicos representados en la destruccioacuten de exergiacutea causada por muacuteltiples
factores como erroacutenea eleccioacuten de un combustible de un mecanismo de un lugar de
operacioacuten fallas de operacioacuten en los procesos erroacuteneos paraacutemetros de operacioacuten etc
A partir de la primera ley de la termodinaacutemica se establecioacute el precepto baacutesico de la
transformacioacuten de energiacutea no se crea no se destruye se transforma en calor en
trabajo aumenta o disminuye la energiacutea interna la segunda ley direcciona los procesos
e integra una nueva propiedad termodinaacutemica denominada entropiacutea asociada al
desorden y a las condiciones de irreversibilidad de los procesos reales El anaacutelisis
exergeacutetico complementa las leyes anteriores considerando el propoacutesito y coacutemo a traveacutes
de su desarrollo se destruye la exergiacutea pese a la conservacioacuten de la energiacutea
La metodologiacutea desarrollada para el anaacutelisis termoeconoacutemico del caso tiene validez para
cualquier proceso industrial porque contempla la valoracioacuten exergeacutetica del uso de los
recursos Si la valoracioacuten fuera de caraacutecter sectorial la metodologiacutea seriacutea la misma soacutelo
que tendriacutea que apoyarse en las estadiacutesticas de consumo energeacutetico por sector y se hariacutea
necesario evaluar la exergiacutea fiacutesica y quiacutemica de todos los recursos involucradosComo
punto de partida seriacutea recomendable valorar la exergiacutea quiacutemica de los hidrocarburos
producidos en Peruacute
Las herramientas de caacutelculo favorecen las evaluaciones termoeconoacutemicas de los
procesos faacutecilmente la teoriacutea exergeacutetica puede articularse a traveacutes de ecuaciones
simples En el caso particular el desarrollo es vaacutelido para un proceso de combustioacuten
externa con secado directo Sin embargo actualmente se consiguen en el mercado
herramientas robustas como el Aspen Process Economic Analyzer (APEA) que con la
informacioacuten baacutesica de operacioacuten realiza un anaacutelisis profundo de la destruccioacuten
exergeacutetica asiacute como de la valoracioacuten de alternativas de disentildeo operacioacuten y cambios
tecnoloacutegicos
La Termoeconomiacutea trata de costes bien monetarios (ptaskJ)o puramente energeacuteticos
(kJ de recursokJ de producto) y se utiliza principalmente para la contabilidad
diagnoacutestico mejora y disentildeo y optimizacioacuten de sistemas teacutermicos Pero en mi opinioacuten
abarca maacutes es la ciencia en la que la Termodinaacutemica y en particular el segundo
principio se une con la Economiacutea ambas en un sentido amplio Ahora estamos en el
principio y esta ciencia se construiraacute con las aportaciones de muchos autores no soacutelo
ingenieros mecaacutenicos En el futuro habraacute que poner orden y sistemaacutetica a la gran
cantidad de contribuciones que tanto economistas como fiacutesicos bioacutelogos quiacutemicos o
ldquoTERMOECONOMIacuteArdquo
6
ingenieros quieren encontrar en las analogiacuteas y explicaciones entre la Termodinaacutemica y
la Economiacutea
Vivimos en un mundo finito y pequentildeo para la gente que somos y seremos y los recursos
naturales son un bien escaso Si queremos sobrevivir debemos conservarlos y aprender
a conservarlos mejor y en este propoacutesito la Termoeconomiacutea jugaraacute un papel clave
Debemos conocer los mecanismos por los cuales la energiacutea y los recursos en general se
degradan y debemos tambieacuten aprender y ensentildear a juzgar queacute sistemas trabajan mejor
con objeto de mejorar sistemaacuteticamente los disentildeos y reducir el consumo per capita
Ademaacutes debemos aprender a reutilizar los residuos para evitar dantildeos al ambiente Esto
lo necesitamos urgentemente ya que al menos dos tercios de la humanidad actual vive
maacutes pobremente que el mundo desarrollado actual
Una contabilidad sistemaacutetica de los recursos naturales que se estaacuten consumiendo seriacutea
una herramienta clave para que tomaacuteramos una consciencia global del problema Y en
esta tarea la Termoeconomiacutea jugariacutea un papel clave
ldquoTERMOECONOMIacuteArdquo
7
7 REFERENCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS
Termoeconomiacutea y Optimizacioacuten Energeacutetica mdash OCW UPMocwupmes rsaquo Explotacioacuten de
Minas
La termoeconomiacutea como alternativa para mejorar la competitividad
wwwbdigitalunaleduco466731089410732015pdf
JR Silva Larrottaaplicaciones termoeconoacutemicas del meacutetodo -
PublicationsListorgpublicationslistorgAplicaciones20termoeconomicas20del
20metodo20exer
Termoeconomiacuteahttpszaguanunizaresrecord45719filesguiapdf
Analisis termoeconomico - ResearchGate https wwwresearchgatenet profile
0c960520b5ead8d544000000pdf
MAL SERRANO - 1993 - Universidad de Sevilla Termoeconomiacutea de Sistemas Energ
wwwuses estudiosgradosplan_221asignatura_2210057
Fundamentos de termodinaacutemica teacutecnica https booksgooglecompe booksisbn=
8429143130
Michael J Moran Howard N Shapiro - 2004 - Science-Termoeconomia
la termoeconomiacutea https wwwehueushelburuak-gaitasunak
La Termoeconomiacutea en plantas energeacuteticaswwwscieloclpdfinfotecv21n4art06pdf
El valor de este teacutermino puede ser por tanto positivo
negativo o nulo seguacuten lo sea δQ
c) La entropiacutea generada en el sistema no puede ser negativa
y soacutelo seraacute nula cuando el proceso sea reversible En caso contrario
es siempre positiva Por tanto δS g es positiva para todo proceso
espontaacuteneo
5 ECOLOGIA INDUSTRIAL
Desde finales del siglo XX se abre paso el innovador concepto de la Ecologiacutea Industrial
Tradicionalmente se ha considerado que la fabricacioacuten comienza cuando las materias
primas entran en el proceso de produccioacuten y termina con la expedicioacuten del producto
acabado La Ecologiacutea Industrial va maacutes lejos considera las fuentes de abastecimiento de
materias primas los efectos de su extraccioacuten y el destino final del producto una vez agotada
su vida uacutetil entre otros aspectos
51 Aplicacioacuten de la Termoeconomiacutea a la Ecologiacutea Industrial
Definido el objeto del presente trabajo y una vez introducida la Ecologiacutea Industrial y
la Termoeconomiacutea surge la siguiente cuestioacuten iquestpor queacute aplicar la Termoeconomiacutea a
la Ecologiacutea Industrial La respuesta parte de la base de que la integracioacuten de procesos
industriales mediante intercambios mutuos de recursos productos y residuos
implica entre otros beneficios ahorros energeacuteticos Y el modo maacutes objetivo para
cuantificar dichos ahorros es mediante las leyes de la termodinaacutemica (Valero et al
2010) Es decir se trata de tener en consideracioacuten no soacutelo la primera ley de la
termodinaacutemica la cual indica que la energiacutea se conserva transformaacutendose de una
forma a otra sino tambieacuten la segunda ley de la termodinaacutemica que reconoce la
existencia de formas de energiacutea maacutes uacutetiles y menos degradadas que otras Por tanto
la combinacioacuten de ambas leyes indica que no es una cuestioacuten de cantidad de energiacutea
ahorrada sino de la calidad de esa energiacutea es decir de su contenido exergeacutetico El
presente trabajo trata de explicar las metodologiacuteas que la Termoeconomiacutea
actualmente estaacute aplicando al anaacutelisis optimizacioacuten y diagnoacutestico de sistemas
energeacuteticos tales como centrales teacutermicas a la Ecologiacutea Industrial y complejo
modelo de Simbiosis Industrial El anaacutelisis termoeconoacutemico puede ayudar a resolver
problemas importantes tales como identificar posibles integraciones mejorar la
eficiencia cuantificar los beneficios obtenidos por la integracioacuten o determinar los
precios en base a criterios fiacutesicos (Valero et al 2010) Conviene describir tambieacuten la
utilizacioacuten de la Termoeconomiacutea como herramienta de anaacutelisis en ecoparques
industriales Por tanto se puede afirmar que la Ecologiacutea Industrial representa un
campo de aplicacioacuten emergente para el anaacutelisis termoeconoacutemico
ldquoTERMOECONOMIacuteArdquo
1
52 Modelo de Simbiosis Industrial de Kalundborg
El ejemplo praacutectico maacutes reconocido mundialmente en el aacutembito de la Ecologiacutea
Industrial es el de la ciudad danesa de Kalundborg en el cual se acuntildeoacute la palabra de
Simbiosis Industrial Constituye la primera referencia de creacioacuten de una red de
ntercambios entre diversas industrias localizadas en un aacuterea comuacuten y su eacutexito
ha generado un aumento del apoyo institucional para la implantacioacuten de esta
estrategia en otros lugares
La experiencia empezoacute cuando unas pocas empresas trataron de minimizar el
consumo de agua subterraacutenea empleando agua de un lago cercano A raiacutez de ello
con el tiempo se ha establecido una compleja red de intercambios cooperativos en
tres aacutereas agua energiacutea y subproductos adoptando tambieacuten la denominacioacuten
de ecoparque o ecosistema industrial
Integrantes
Actualmente el modelo de Simbiosis Industrial de Kalundborg estaacute constituido
por cinco participantes principales maacutes otros diez participantes secundarios
Principales Participantes
Flujos
La red de intercambio de recursos entre los distintos participantes de la Simbiosis
Industrial estaacute compuesta por 31 flujos los cuales se pueden clasificar en tres
categoriacuteas
ldquoTERMOECONOMIacuteArdquo
2
a) Flujos hiacutedricos
Imagen de Flujos Hiacutedricos
Fuente httpwwwbdigitalunaleduco466731089410732015pdf
b) Flujos energeacuteticos
Imagen de Flujos Energeacuteticos
Fuente httpwwwbdigitalunaleduco466731089410732015pdf
ldquoTERMOECONOMIacuteArdquo
3
c) Flujos de subproductos
Imagen de Flujos de Subproductos
Fuente httpwwwbdigitalunaleduco466731089410732015pdf
53 Beneficios ambientales
Los beneficios ambientales asociados a la Simbiosis Industrial estaacuten determinados
por ahorros en el consumo de agua combustible y materia prima dichos
ahorros conllevan disminuir los residuos generados asiacute como las emisiones de
contaminantes como se muestra en la tabla siguiente
Sin embargo es complejo determinar todos los beneficios globales de la Simbiosis
Industrial puesto que muchos de los flujos presentes en el ecosistema
industrial generan un doble beneficio En el caso de los flujos de residuos su
valorizacioacuten conlleva por un lado evitar la ldquoeliminacioacutenrdquo de dicho residuo y por el
otro se evita el consumo de la materia prima asiacute como de todos los recursos
ldquoTERMOECONOMIacuteArdquo
4
asociados a la obtencioacuten de la misma que seriacutea necesario si no se llevara a cabo la
valorizacioacuten
Por ejemplo los procesos de desulfuracioacuten en la central teacutermica y la refineriacutea
ademaacutes de evitar la emisioacuten de dioacutexido de azufre a la atmoacutesfera producen yeso y
tiosulfato de amonio respectivamente La valorizacioacuten de estos dos residuos
supone para los emisores evitar su ldquoeliminacioacutenrdquo y para los receptores en el caso
del yeso se reduce la importacioacuten de yeso natural mientras que en el caso del
tiosulfato de amonio se ahorra en materias primas y recursos correspondientes a
su obtencioacuten Con las cenizas ocurre exactamente lo mismo su valorizacioacuten
repercute en una menor necesidad de clinker y por tanto de los recursos
necesarios para su fabricacioacuten El fertilizante y la levadura suministrada por Novo
Group disminuyen la cantidad de residuos generados y a su vez evitan el
consumo de nuevas materias primas y recursos asociados a la fabricacioacuten de
ambos productos
En el caso de los flujos energeacuteticos como por ejemplo el gas excedente de la
refineriacutea o la energiacutea teacutermica residual de la central en origen conlleva evitar su
disipacioacuten al medioambiente mientras que para los receptores repercute en un
ahorro sustancial de combustible
En cuanto a los flujos hiacutedricos el principal beneficio ambiental alcanzado es el
ahorro en el consumo de agua focalizado en sus inicios en la sustitucioacuten de
agua subterraacutenea por agua superficial y maacutes tarde en la reutilizacioacuten
Ademaacutes en teacuterminos econoacutemicos tambieacuten se han alcanzado beneficios
sustanciales
Como ejemplo para el antildeo 2000 ya se habiacutean invertido 75 millones de doacutelares en
19 proyectos con un ahorro estimado de 15 millones de doacutelares (Cervantes et al
2009) 6 Caso de estudio La aplicacioacuten de la Termoeconomiacutea al modelo de
Simbiosis Industrial de Kalundborg precisa de la definicioacuten de un caso de estudio
sobre dicho modelo que permita su caracterizacioacuten en teacuterminos de exergiacutea
En este sentido la informacioacuten teacutecnica recopilada sobre los flujos
intercambiados limita el alcance del caso de estudio establecido Sin embargo
fruto de una extensa y laboriosa buacutesqueda bibliograacutefica se ha elaborado un caso
de estudio que incluye los flujos maacutes representativos de la Simbiosis Industrial
de Kalundborg
ldquoTERMOECONOMIacuteArdquo
5
6 CONCLUSIONES
El anaacutelisis exergeacutetico se constituye en una soacutelida herramienta para entender la dinaacutemica
energeacutetica de los procesos de la naturaleza y de los procesos artificiales Sus aplicaciones
son ilimitadas en el sentido que toda accioacuten microscoacutepica o macroscoacutepica demanda un
consumo energeacutetico valioso
El verdadero potencial de ahorro energeacutetico de un sector industrial no se puede valorar
uacutenicamente a partir de la sustitucioacuten de energeacuteticos como consecuencia del
comportamiento del mercado o por la sustitucioacuten de tecnologiacuteas por el efecto de
nuevos desarrollos sino a traveacutes de un balance exergeacutetico que determine las
condiciones maacuteximas de operacioacuten a partir del propoacutesito de cada accioacuten o proceso
Por medio del anaacutelisis termoeconoacutemico es posible la cuantificacioacuten de intangibles
contables y fiacutesicos representados en la destruccioacuten de exergiacutea causada por muacuteltiples
factores como erroacutenea eleccioacuten de un combustible de un mecanismo de un lugar de
operacioacuten fallas de operacioacuten en los procesos erroacuteneos paraacutemetros de operacioacuten etc
A partir de la primera ley de la termodinaacutemica se establecioacute el precepto baacutesico de la
transformacioacuten de energiacutea no se crea no se destruye se transforma en calor en
trabajo aumenta o disminuye la energiacutea interna la segunda ley direcciona los procesos
e integra una nueva propiedad termodinaacutemica denominada entropiacutea asociada al
desorden y a las condiciones de irreversibilidad de los procesos reales El anaacutelisis
exergeacutetico complementa las leyes anteriores considerando el propoacutesito y coacutemo a traveacutes
de su desarrollo se destruye la exergiacutea pese a la conservacioacuten de la energiacutea
La metodologiacutea desarrollada para el anaacutelisis termoeconoacutemico del caso tiene validez para
cualquier proceso industrial porque contempla la valoracioacuten exergeacutetica del uso de los
recursos Si la valoracioacuten fuera de caraacutecter sectorial la metodologiacutea seriacutea la misma soacutelo
que tendriacutea que apoyarse en las estadiacutesticas de consumo energeacutetico por sector y se hariacutea
necesario evaluar la exergiacutea fiacutesica y quiacutemica de todos los recursos involucradosComo
punto de partida seriacutea recomendable valorar la exergiacutea quiacutemica de los hidrocarburos
producidos en Peruacute
Las herramientas de caacutelculo favorecen las evaluaciones termoeconoacutemicas de los
procesos faacutecilmente la teoriacutea exergeacutetica puede articularse a traveacutes de ecuaciones
simples En el caso particular el desarrollo es vaacutelido para un proceso de combustioacuten
externa con secado directo Sin embargo actualmente se consiguen en el mercado
herramientas robustas como el Aspen Process Economic Analyzer (APEA) que con la
informacioacuten baacutesica de operacioacuten realiza un anaacutelisis profundo de la destruccioacuten
exergeacutetica asiacute como de la valoracioacuten de alternativas de disentildeo operacioacuten y cambios
tecnoloacutegicos
La Termoeconomiacutea trata de costes bien monetarios (ptaskJ)o puramente energeacuteticos
(kJ de recursokJ de producto) y se utiliza principalmente para la contabilidad
diagnoacutestico mejora y disentildeo y optimizacioacuten de sistemas teacutermicos Pero en mi opinioacuten
abarca maacutes es la ciencia en la que la Termodinaacutemica y en particular el segundo
principio se une con la Economiacutea ambas en un sentido amplio Ahora estamos en el
principio y esta ciencia se construiraacute con las aportaciones de muchos autores no soacutelo
ingenieros mecaacutenicos En el futuro habraacute que poner orden y sistemaacutetica a la gran
cantidad de contribuciones que tanto economistas como fiacutesicos bioacutelogos quiacutemicos o
ldquoTERMOECONOMIacuteArdquo
6
ingenieros quieren encontrar en las analogiacuteas y explicaciones entre la Termodinaacutemica y
la Economiacutea
Vivimos en un mundo finito y pequentildeo para la gente que somos y seremos y los recursos
naturales son un bien escaso Si queremos sobrevivir debemos conservarlos y aprender
a conservarlos mejor y en este propoacutesito la Termoeconomiacutea jugaraacute un papel clave
Debemos conocer los mecanismos por los cuales la energiacutea y los recursos en general se
degradan y debemos tambieacuten aprender y ensentildear a juzgar queacute sistemas trabajan mejor
con objeto de mejorar sistemaacuteticamente los disentildeos y reducir el consumo per capita
Ademaacutes debemos aprender a reutilizar los residuos para evitar dantildeos al ambiente Esto
lo necesitamos urgentemente ya que al menos dos tercios de la humanidad actual vive
maacutes pobremente que el mundo desarrollado actual
Una contabilidad sistemaacutetica de los recursos naturales que se estaacuten consumiendo seriacutea
una herramienta clave para que tomaacuteramos una consciencia global del problema Y en
esta tarea la Termoeconomiacutea jugariacutea un papel clave
ldquoTERMOECONOMIacuteArdquo
7
7 REFERENCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS
Termoeconomiacutea y Optimizacioacuten Energeacutetica mdash OCW UPMocwupmes rsaquo Explotacioacuten de
Minas
La termoeconomiacutea como alternativa para mejorar la competitividad
wwwbdigitalunaleduco466731089410732015pdf
JR Silva Larrottaaplicaciones termoeconoacutemicas del meacutetodo -
PublicationsListorgpublicationslistorgAplicaciones20termoeconomicas20del
20metodo20exer
Termoeconomiacuteahttpszaguanunizaresrecord45719filesguiapdf
Analisis termoeconomico - ResearchGate https wwwresearchgatenet profile
0c960520b5ead8d544000000pdf
MAL SERRANO - 1993 - Universidad de Sevilla Termoeconomiacutea de Sistemas Energ
wwwuses estudiosgradosplan_221asignatura_2210057
Fundamentos de termodinaacutemica teacutecnica https booksgooglecompe booksisbn=
8429143130
Michael J Moran Howard N Shapiro - 2004 - Science-Termoeconomia
la termoeconomiacutea https wwwehueushelburuak-gaitasunak
La Termoeconomiacutea en plantas energeacuteticaswwwscieloclpdfinfotecv21n4art06pdf
ldquoTERMOECONOMIacuteArdquo
1
52 Modelo de Simbiosis Industrial de Kalundborg
El ejemplo praacutectico maacutes reconocido mundialmente en el aacutembito de la Ecologiacutea
Industrial es el de la ciudad danesa de Kalundborg en el cual se acuntildeoacute la palabra de
Simbiosis Industrial Constituye la primera referencia de creacioacuten de una red de
ntercambios entre diversas industrias localizadas en un aacuterea comuacuten y su eacutexito
ha generado un aumento del apoyo institucional para la implantacioacuten de esta
estrategia en otros lugares
La experiencia empezoacute cuando unas pocas empresas trataron de minimizar el
consumo de agua subterraacutenea empleando agua de un lago cercano A raiacutez de ello
con el tiempo se ha establecido una compleja red de intercambios cooperativos en
tres aacutereas agua energiacutea y subproductos adoptando tambieacuten la denominacioacuten
de ecoparque o ecosistema industrial
Integrantes
Actualmente el modelo de Simbiosis Industrial de Kalundborg estaacute constituido
por cinco participantes principales maacutes otros diez participantes secundarios
Principales Participantes
Flujos
La red de intercambio de recursos entre los distintos participantes de la Simbiosis
Industrial estaacute compuesta por 31 flujos los cuales se pueden clasificar en tres
categoriacuteas
ldquoTERMOECONOMIacuteArdquo
2
a) Flujos hiacutedricos
Imagen de Flujos Hiacutedricos
Fuente httpwwwbdigitalunaleduco466731089410732015pdf
b) Flujos energeacuteticos
Imagen de Flujos Energeacuteticos
Fuente httpwwwbdigitalunaleduco466731089410732015pdf
ldquoTERMOECONOMIacuteArdquo
3
c) Flujos de subproductos
Imagen de Flujos de Subproductos
Fuente httpwwwbdigitalunaleduco466731089410732015pdf
53 Beneficios ambientales
Los beneficios ambientales asociados a la Simbiosis Industrial estaacuten determinados
por ahorros en el consumo de agua combustible y materia prima dichos
ahorros conllevan disminuir los residuos generados asiacute como las emisiones de
contaminantes como se muestra en la tabla siguiente
Sin embargo es complejo determinar todos los beneficios globales de la Simbiosis
Industrial puesto que muchos de los flujos presentes en el ecosistema
industrial generan un doble beneficio En el caso de los flujos de residuos su
valorizacioacuten conlleva por un lado evitar la ldquoeliminacioacutenrdquo de dicho residuo y por el
otro se evita el consumo de la materia prima asiacute como de todos los recursos
ldquoTERMOECONOMIacuteArdquo
4
asociados a la obtencioacuten de la misma que seriacutea necesario si no se llevara a cabo la
valorizacioacuten
Por ejemplo los procesos de desulfuracioacuten en la central teacutermica y la refineriacutea
ademaacutes de evitar la emisioacuten de dioacutexido de azufre a la atmoacutesfera producen yeso y
tiosulfato de amonio respectivamente La valorizacioacuten de estos dos residuos
supone para los emisores evitar su ldquoeliminacioacutenrdquo y para los receptores en el caso
del yeso se reduce la importacioacuten de yeso natural mientras que en el caso del
tiosulfato de amonio se ahorra en materias primas y recursos correspondientes a
su obtencioacuten Con las cenizas ocurre exactamente lo mismo su valorizacioacuten
repercute en una menor necesidad de clinker y por tanto de los recursos
necesarios para su fabricacioacuten El fertilizante y la levadura suministrada por Novo
Group disminuyen la cantidad de residuos generados y a su vez evitan el
consumo de nuevas materias primas y recursos asociados a la fabricacioacuten de
ambos productos
En el caso de los flujos energeacuteticos como por ejemplo el gas excedente de la
refineriacutea o la energiacutea teacutermica residual de la central en origen conlleva evitar su
disipacioacuten al medioambiente mientras que para los receptores repercute en un
ahorro sustancial de combustible
En cuanto a los flujos hiacutedricos el principal beneficio ambiental alcanzado es el
ahorro en el consumo de agua focalizado en sus inicios en la sustitucioacuten de
agua subterraacutenea por agua superficial y maacutes tarde en la reutilizacioacuten
Ademaacutes en teacuterminos econoacutemicos tambieacuten se han alcanzado beneficios
sustanciales
Como ejemplo para el antildeo 2000 ya se habiacutean invertido 75 millones de doacutelares en
19 proyectos con un ahorro estimado de 15 millones de doacutelares (Cervantes et al
2009) 6 Caso de estudio La aplicacioacuten de la Termoeconomiacutea al modelo de
Simbiosis Industrial de Kalundborg precisa de la definicioacuten de un caso de estudio
sobre dicho modelo que permita su caracterizacioacuten en teacuterminos de exergiacutea
En este sentido la informacioacuten teacutecnica recopilada sobre los flujos
intercambiados limita el alcance del caso de estudio establecido Sin embargo
fruto de una extensa y laboriosa buacutesqueda bibliograacutefica se ha elaborado un caso
de estudio que incluye los flujos maacutes representativos de la Simbiosis Industrial
de Kalundborg
ldquoTERMOECONOMIacuteArdquo
5
6 CONCLUSIONES
El anaacutelisis exergeacutetico se constituye en una soacutelida herramienta para entender la dinaacutemica
energeacutetica de los procesos de la naturaleza y de los procesos artificiales Sus aplicaciones
son ilimitadas en el sentido que toda accioacuten microscoacutepica o macroscoacutepica demanda un
consumo energeacutetico valioso
El verdadero potencial de ahorro energeacutetico de un sector industrial no se puede valorar
uacutenicamente a partir de la sustitucioacuten de energeacuteticos como consecuencia del
comportamiento del mercado o por la sustitucioacuten de tecnologiacuteas por el efecto de
nuevos desarrollos sino a traveacutes de un balance exergeacutetico que determine las
condiciones maacuteximas de operacioacuten a partir del propoacutesito de cada accioacuten o proceso
Por medio del anaacutelisis termoeconoacutemico es posible la cuantificacioacuten de intangibles
contables y fiacutesicos representados en la destruccioacuten de exergiacutea causada por muacuteltiples
factores como erroacutenea eleccioacuten de un combustible de un mecanismo de un lugar de
operacioacuten fallas de operacioacuten en los procesos erroacuteneos paraacutemetros de operacioacuten etc
A partir de la primera ley de la termodinaacutemica se establecioacute el precepto baacutesico de la
transformacioacuten de energiacutea no se crea no se destruye se transforma en calor en
trabajo aumenta o disminuye la energiacutea interna la segunda ley direcciona los procesos
e integra una nueva propiedad termodinaacutemica denominada entropiacutea asociada al
desorden y a las condiciones de irreversibilidad de los procesos reales El anaacutelisis
exergeacutetico complementa las leyes anteriores considerando el propoacutesito y coacutemo a traveacutes
de su desarrollo se destruye la exergiacutea pese a la conservacioacuten de la energiacutea
La metodologiacutea desarrollada para el anaacutelisis termoeconoacutemico del caso tiene validez para
cualquier proceso industrial porque contempla la valoracioacuten exergeacutetica del uso de los
recursos Si la valoracioacuten fuera de caraacutecter sectorial la metodologiacutea seriacutea la misma soacutelo
que tendriacutea que apoyarse en las estadiacutesticas de consumo energeacutetico por sector y se hariacutea
necesario evaluar la exergiacutea fiacutesica y quiacutemica de todos los recursos involucradosComo
punto de partida seriacutea recomendable valorar la exergiacutea quiacutemica de los hidrocarburos
producidos en Peruacute
Las herramientas de caacutelculo favorecen las evaluaciones termoeconoacutemicas de los
procesos faacutecilmente la teoriacutea exergeacutetica puede articularse a traveacutes de ecuaciones
simples En el caso particular el desarrollo es vaacutelido para un proceso de combustioacuten
externa con secado directo Sin embargo actualmente se consiguen en el mercado
herramientas robustas como el Aspen Process Economic Analyzer (APEA) que con la
informacioacuten baacutesica de operacioacuten realiza un anaacutelisis profundo de la destruccioacuten
exergeacutetica asiacute como de la valoracioacuten de alternativas de disentildeo operacioacuten y cambios
tecnoloacutegicos
La Termoeconomiacutea trata de costes bien monetarios (ptaskJ)o puramente energeacuteticos
(kJ de recursokJ de producto) y se utiliza principalmente para la contabilidad
diagnoacutestico mejora y disentildeo y optimizacioacuten de sistemas teacutermicos Pero en mi opinioacuten
abarca maacutes es la ciencia en la que la Termodinaacutemica y en particular el segundo
principio se une con la Economiacutea ambas en un sentido amplio Ahora estamos en el
principio y esta ciencia se construiraacute con las aportaciones de muchos autores no soacutelo
ingenieros mecaacutenicos En el futuro habraacute que poner orden y sistemaacutetica a la gran
cantidad de contribuciones que tanto economistas como fiacutesicos bioacutelogos quiacutemicos o
ldquoTERMOECONOMIacuteArdquo
6
ingenieros quieren encontrar en las analogiacuteas y explicaciones entre la Termodinaacutemica y
la Economiacutea
Vivimos en un mundo finito y pequentildeo para la gente que somos y seremos y los recursos
naturales son un bien escaso Si queremos sobrevivir debemos conservarlos y aprender
a conservarlos mejor y en este propoacutesito la Termoeconomiacutea jugaraacute un papel clave
Debemos conocer los mecanismos por los cuales la energiacutea y los recursos en general se
degradan y debemos tambieacuten aprender y ensentildear a juzgar queacute sistemas trabajan mejor
con objeto de mejorar sistemaacuteticamente los disentildeos y reducir el consumo per capita
Ademaacutes debemos aprender a reutilizar los residuos para evitar dantildeos al ambiente Esto
lo necesitamos urgentemente ya que al menos dos tercios de la humanidad actual vive
maacutes pobremente que el mundo desarrollado actual
Una contabilidad sistemaacutetica de los recursos naturales que se estaacuten consumiendo seriacutea
una herramienta clave para que tomaacuteramos una consciencia global del problema Y en
esta tarea la Termoeconomiacutea jugariacutea un papel clave
ldquoTERMOECONOMIacuteArdquo
7
7 REFERENCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS
Termoeconomiacutea y Optimizacioacuten Energeacutetica mdash OCW UPMocwupmes rsaquo Explotacioacuten de
Minas
La termoeconomiacutea como alternativa para mejorar la competitividad
wwwbdigitalunaleduco466731089410732015pdf
JR Silva Larrottaaplicaciones termoeconoacutemicas del meacutetodo -
PublicationsListorgpublicationslistorgAplicaciones20termoeconomicas20del
20metodo20exer
Termoeconomiacuteahttpszaguanunizaresrecord45719filesguiapdf
Analisis termoeconomico - ResearchGate https wwwresearchgatenet profile
0c960520b5ead8d544000000pdf
MAL SERRANO - 1993 - Universidad de Sevilla Termoeconomiacutea de Sistemas Energ
wwwuses estudiosgradosplan_221asignatura_2210057
Fundamentos de termodinaacutemica teacutecnica https booksgooglecompe booksisbn=
8429143130
Michael J Moran Howard N Shapiro - 2004 - Science-Termoeconomia
la termoeconomiacutea https wwwehueushelburuak-gaitasunak
La Termoeconomiacutea en plantas energeacuteticaswwwscieloclpdfinfotecv21n4art06pdf
ldquoTERMOECONOMIacuteArdquo
2
a) Flujos hiacutedricos
Imagen de Flujos Hiacutedricos
Fuente httpwwwbdigitalunaleduco466731089410732015pdf
b) Flujos energeacuteticos
Imagen de Flujos Energeacuteticos
Fuente httpwwwbdigitalunaleduco466731089410732015pdf
ldquoTERMOECONOMIacuteArdquo
3
c) Flujos de subproductos
Imagen de Flujos de Subproductos
Fuente httpwwwbdigitalunaleduco466731089410732015pdf
53 Beneficios ambientales
Los beneficios ambientales asociados a la Simbiosis Industrial estaacuten determinados
por ahorros en el consumo de agua combustible y materia prima dichos
ahorros conllevan disminuir los residuos generados asiacute como las emisiones de
contaminantes como se muestra en la tabla siguiente
Sin embargo es complejo determinar todos los beneficios globales de la Simbiosis
Industrial puesto que muchos de los flujos presentes en el ecosistema
industrial generan un doble beneficio En el caso de los flujos de residuos su
valorizacioacuten conlleva por un lado evitar la ldquoeliminacioacutenrdquo de dicho residuo y por el
otro se evita el consumo de la materia prima asiacute como de todos los recursos
ldquoTERMOECONOMIacuteArdquo
4
asociados a la obtencioacuten de la misma que seriacutea necesario si no se llevara a cabo la
valorizacioacuten
Por ejemplo los procesos de desulfuracioacuten en la central teacutermica y la refineriacutea
ademaacutes de evitar la emisioacuten de dioacutexido de azufre a la atmoacutesfera producen yeso y
tiosulfato de amonio respectivamente La valorizacioacuten de estos dos residuos
supone para los emisores evitar su ldquoeliminacioacutenrdquo y para los receptores en el caso
del yeso se reduce la importacioacuten de yeso natural mientras que en el caso del
tiosulfato de amonio se ahorra en materias primas y recursos correspondientes a
su obtencioacuten Con las cenizas ocurre exactamente lo mismo su valorizacioacuten
repercute en una menor necesidad de clinker y por tanto de los recursos
necesarios para su fabricacioacuten El fertilizante y la levadura suministrada por Novo
Group disminuyen la cantidad de residuos generados y a su vez evitan el
consumo de nuevas materias primas y recursos asociados a la fabricacioacuten de
ambos productos
En el caso de los flujos energeacuteticos como por ejemplo el gas excedente de la
refineriacutea o la energiacutea teacutermica residual de la central en origen conlleva evitar su
disipacioacuten al medioambiente mientras que para los receptores repercute en un
ahorro sustancial de combustible
En cuanto a los flujos hiacutedricos el principal beneficio ambiental alcanzado es el
ahorro en el consumo de agua focalizado en sus inicios en la sustitucioacuten de
agua subterraacutenea por agua superficial y maacutes tarde en la reutilizacioacuten
Ademaacutes en teacuterminos econoacutemicos tambieacuten se han alcanzado beneficios
sustanciales
Como ejemplo para el antildeo 2000 ya se habiacutean invertido 75 millones de doacutelares en
19 proyectos con un ahorro estimado de 15 millones de doacutelares (Cervantes et al
2009) 6 Caso de estudio La aplicacioacuten de la Termoeconomiacutea al modelo de
Simbiosis Industrial de Kalundborg precisa de la definicioacuten de un caso de estudio
sobre dicho modelo que permita su caracterizacioacuten en teacuterminos de exergiacutea
En este sentido la informacioacuten teacutecnica recopilada sobre los flujos
intercambiados limita el alcance del caso de estudio establecido Sin embargo
fruto de una extensa y laboriosa buacutesqueda bibliograacutefica se ha elaborado un caso
de estudio que incluye los flujos maacutes representativos de la Simbiosis Industrial
de Kalundborg
ldquoTERMOECONOMIacuteArdquo
5
6 CONCLUSIONES
El anaacutelisis exergeacutetico se constituye en una soacutelida herramienta para entender la dinaacutemica
energeacutetica de los procesos de la naturaleza y de los procesos artificiales Sus aplicaciones
son ilimitadas en el sentido que toda accioacuten microscoacutepica o macroscoacutepica demanda un
consumo energeacutetico valioso
El verdadero potencial de ahorro energeacutetico de un sector industrial no se puede valorar
uacutenicamente a partir de la sustitucioacuten de energeacuteticos como consecuencia del
comportamiento del mercado o por la sustitucioacuten de tecnologiacuteas por el efecto de
nuevos desarrollos sino a traveacutes de un balance exergeacutetico que determine las
condiciones maacuteximas de operacioacuten a partir del propoacutesito de cada accioacuten o proceso
Por medio del anaacutelisis termoeconoacutemico es posible la cuantificacioacuten de intangibles
contables y fiacutesicos representados en la destruccioacuten de exergiacutea causada por muacuteltiples
factores como erroacutenea eleccioacuten de un combustible de un mecanismo de un lugar de
operacioacuten fallas de operacioacuten en los procesos erroacuteneos paraacutemetros de operacioacuten etc
A partir de la primera ley de la termodinaacutemica se establecioacute el precepto baacutesico de la
transformacioacuten de energiacutea no se crea no se destruye se transforma en calor en
trabajo aumenta o disminuye la energiacutea interna la segunda ley direcciona los procesos
e integra una nueva propiedad termodinaacutemica denominada entropiacutea asociada al
desorden y a las condiciones de irreversibilidad de los procesos reales El anaacutelisis
exergeacutetico complementa las leyes anteriores considerando el propoacutesito y coacutemo a traveacutes
de su desarrollo se destruye la exergiacutea pese a la conservacioacuten de la energiacutea
La metodologiacutea desarrollada para el anaacutelisis termoeconoacutemico del caso tiene validez para
cualquier proceso industrial porque contempla la valoracioacuten exergeacutetica del uso de los
recursos Si la valoracioacuten fuera de caraacutecter sectorial la metodologiacutea seriacutea la misma soacutelo
que tendriacutea que apoyarse en las estadiacutesticas de consumo energeacutetico por sector y se hariacutea
necesario evaluar la exergiacutea fiacutesica y quiacutemica de todos los recursos involucradosComo
punto de partida seriacutea recomendable valorar la exergiacutea quiacutemica de los hidrocarburos
producidos en Peruacute
Las herramientas de caacutelculo favorecen las evaluaciones termoeconoacutemicas de los
procesos faacutecilmente la teoriacutea exergeacutetica puede articularse a traveacutes de ecuaciones
simples En el caso particular el desarrollo es vaacutelido para un proceso de combustioacuten
externa con secado directo Sin embargo actualmente se consiguen en el mercado
herramientas robustas como el Aspen Process Economic Analyzer (APEA) que con la
informacioacuten baacutesica de operacioacuten realiza un anaacutelisis profundo de la destruccioacuten
exergeacutetica asiacute como de la valoracioacuten de alternativas de disentildeo operacioacuten y cambios
tecnoloacutegicos
La Termoeconomiacutea trata de costes bien monetarios (ptaskJ)o puramente energeacuteticos
(kJ de recursokJ de producto) y se utiliza principalmente para la contabilidad
diagnoacutestico mejora y disentildeo y optimizacioacuten de sistemas teacutermicos Pero en mi opinioacuten
abarca maacutes es la ciencia en la que la Termodinaacutemica y en particular el segundo
principio se une con la Economiacutea ambas en un sentido amplio Ahora estamos en el
principio y esta ciencia se construiraacute con las aportaciones de muchos autores no soacutelo
ingenieros mecaacutenicos En el futuro habraacute que poner orden y sistemaacutetica a la gran
cantidad de contribuciones que tanto economistas como fiacutesicos bioacutelogos quiacutemicos o
ldquoTERMOECONOMIacuteArdquo
6
ingenieros quieren encontrar en las analogiacuteas y explicaciones entre la Termodinaacutemica y
la Economiacutea
Vivimos en un mundo finito y pequentildeo para la gente que somos y seremos y los recursos
naturales son un bien escaso Si queremos sobrevivir debemos conservarlos y aprender
a conservarlos mejor y en este propoacutesito la Termoeconomiacutea jugaraacute un papel clave
Debemos conocer los mecanismos por los cuales la energiacutea y los recursos en general se
degradan y debemos tambieacuten aprender y ensentildear a juzgar queacute sistemas trabajan mejor
con objeto de mejorar sistemaacuteticamente los disentildeos y reducir el consumo per capita
Ademaacutes debemos aprender a reutilizar los residuos para evitar dantildeos al ambiente Esto
lo necesitamos urgentemente ya que al menos dos tercios de la humanidad actual vive
maacutes pobremente que el mundo desarrollado actual
Una contabilidad sistemaacutetica de los recursos naturales que se estaacuten consumiendo seriacutea
una herramienta clave para que tomaacuteramos una consciencia global del problema Y en
esta tarea la Termoeconomiacutea jugariacutea un papel clave
ldquoTERMOECONOMIacuteArdquo
7
7 REFERENCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS
Termoeconomiacutea y Optimizacioacuten Energeacutetica mdash OCW UPMocwupmes rsaquo Explotacioacuten de
Minas
La termoeconomiacutea como alternativa para mejorar la competitividad
wwwbdigitalunaleduco466731089410732015pdf
JR Silva Larrottaaplicaciones termoeconoacutemicas del meacutetodo -
PublicationsListorgpublicationslistorgAplicaciones20termoeconomicas20del
20metodo20exer
Termoeconomiacuteahttpszaguanunizaresrecord45719filesguiapdf
Analisis termoeconomico - ResearchGate https wwwresearchgatenet profile
0c960520b5ead8d544000000pdf
MAL SERRANO - 1993 - Universidad de Sevilla Termoeconomiacutea de Sistemas Energ
wwwuses estudiosgradosplan_221asignatura_2210057
Fundamentos de termodinaacutemica teacutecnica https booksgooglecompe booksisbn=
8429143130
Michael J Moran Howard N Shapiro - 2004 - Science-Termoeconomia
la termoeconomiacutea https wwwehueushelburuak-gaitasunak
La Termoeconomiacutea en plantas energeacuteticaswwwscieloclpdfinfotecv21n4art06pdf
ldquoTERMOECONOMIacuteArdquo
3
c) Flujos de subproductos
Imagen de Flujos de Subproductos
Fuente httpwwwbdigitalunaleduco466731089410732015pdf
53 Beneficios ambientales
Los beneficios ambientales asociados a la Simbiosis Industrial estaacuten determinados
por ahorros en el consumo de agua combustible y materia prima dichos
ahorros conllevan disminuir los residuos generados asiacute como las emisiones de
contaminantes como se muestra en la tabla siguiente
Sin embargo es complejo determinar todos los beneficios globales de la Simbiosis
Industrial puesto que muchos de los flujos presentes en el ecosistema
industrial generan un doble beneficio En el caso de los flujos de residuos su
valorizacioacuten conlleva por un lado evitar la ldquoeliminacioacutenrdquo de dicho residuo y por el
otro se evita el consumo de la materia prima asiacute como de todos los recursos
ldquoTERMOECONOMIacuteArdquo
4
asociados a la obtencioacuten de la misma que seriacutea necesario si no se llevara a cabo la
valorizacioacuten
Por ejemplo los procesos de desulfuracioacuten en la central teacutermica y la refineriacutea
ademaacutes de evitar la emisioacuten de dioacutexido de azufre a la atmoacutesfera producen yeso y
tiosulfato de amonio respectivamente La valorizacioacuten de estos dos residuos
supone para los emisores evitar su ldquoeliminacioacutenrdquo y para los receptores en el caso
del yeso se reduce la importacioacuten de yeso natural mientras que en el caso del
tiosulfato de amonio se ahorra en materias primas y recursos correspondientes a
su obtencioacuten Con las cenizas ocurre exactamente lo mismo su valorizacioacuten
repercute en una menor necesidad de clinker y por tanto de los recursos
necesarios para su fabricacioacuten El fertilizante y la levadura suministrada por Novo
Group disminuyen la cantidad de residuos generados y a su vez evitan el
consumo de nuevas materias primas y recursos asociados a la fabricacioacuten de
ambos productos
En el caso de los flujos energeacuteticos como por ejemplo el gas excedente de la
refineriacutea o la energiacutea teacutermica residual de la central en origen conlleva evitar su
disipacioacuten al medioambiente mientras que para los receptores repercute en un
ahorro sustancial de combustible
En cuanto a los flujos hiacutedricos el principal beneficio ambiental alcanzado es el
ahorro en el consumo de agua focalizado en sus inicios en la sustitucioacuten de
agua subterraacutenea por agua superficial y maacutes tarde en la reutilizacioacuten
Ademaacutes en teacuterminos econoacutemicos tambieacuten se han alcanzado beneficios
sustanciales
Como ejemplo para el antildeo 2000 ya se habiacutean invertido 75 millones de doacutelares en
19 proyectos con un ahorro estimado de 15 millones de doacutelares (Cervantes et al
2009) 6 Caso de estudio La aplicacioacuten de la Termoeconomiacutea al modelo de
Simbiosis Industrial de Kalundborg precisa de la definicioacuten de un caso de estudio
sobre dicho modelo que permita su caracterizacioacuten en teacuterminos de exergiacutea
En este sentido la informacioacuten teacutecnica recopilada sobre los flujos
intercambiados limita el alcance del caso de estudio establecido Sin embargo
fruto de una extensa y laboriosa buacutesqueda bibliograacutefica se ha elaborado un caso
de estudio que incluye los flujos maacutes representativos de la Simbiosis Industrial
de Kalundborg
ldquoTERMOECONOMIacuteArdquo
5
6 CONCLUSIONES
El anaacutelisis exergeacutetico se constituye en una soacutelida herramienta para entender la dinaacutemica
energeacutetica de los procesos de la naturaleza y de los procesos artificiales Sus aplicaciones
son ilimitadas en el sentido que toda accioacuten microscoacutepica o macroscoacutepica demanda un
consumo energeacutetico valioso
El verdadero potencial de ahorro energeacutetico de un sector industrial no se puede valorar
uacutenicamente a partir de la sustitucioacuten de energeacuteticos como consecuencia del
comportamiento del mercado o por la sustitucioacuten de tecnologiacuteas por el efecto de
nuevos desarrollos sino a traveacutes de un balance exergeacutetico que determine las
condiciones maacuteximas de operacioacuten a partir del propoacutesito de cada accioacuten o proceso
Por medio del anaacutelisis termoeconoacutemico es posible la cuantificacioacuten de intangibles
contables y fiacutesicos representados en la destruccioacuten de exergiacutea causada por muacuteltiples
factores como erroacutenea eleccioacuten de un combustible de un mecanismo de un lugar de
operacioacuten fallas de operacioacuten en los procesos erroacuteneos paraacutemetros de operacioacuten etc
A partir de la primera ley de la termodinaacutemica se establecioacute el precepto baacutesico de la
transformacioacuten de energiacutea no se crea no se destruye se transforma en calor en
trabajo aumenta o disminuye la energiacutea interna la segunda ley direcciona los procesos
e integra una nueva propiedad termodinaacutemica denominada entropiacutea asociada al
desorden y a las condiciones de irreversibilidad de los procesos reales El anaacutelisis
exergeacutetico complementa las leyes anteriores considerando el propoacutesito y coacutemo a traveacutes
de su desarrollo se destruye la exergiacutea pese a la conservacioacuten de la energiacutea
La metodologiacutea desarrollada para el anaacutelisis termoeconoacutemico del caso tiene validez para
cualquier proceso industrial porque contempla la valoracioacuten exergeacutetica del uso de los
recursos Si la valoracioacuten fuera de caraacutecter sectorial la metodologiacutea seriacutea la misma soacutelo
que tendriacutea que apoyarse en las estadiacutesticas de consumo energeacutetico por sector y se hariacutea
necesario evaluar la exergiacutea fiacutesica y quiacutemica de todos los recursos involucradosComo
punto de partida seriacutea recomendable valorar la exergiacutea quiacutemica de los hidrocarburos
producidos en Peruacute
Las herramientas de caacutelculo favorecen las evaluaciones termoeconoacutemicas de los
procesos faacutecilmente la teoriacutea exergeacutetica puede articularse a traveacutes de ecuaciones
simples En el caso particular el desarrollo es vaacutelido para un proceso de combustioacuten
externa con secado directo Sin embargo actualmente se consiguen en el mercado
herramientas robustas como el Aspen Process Economic Analyzer (APEA) que con la
informacioacuten baacutesica de operacioacuten realiza un anaacutelisis profundo de la destruccioacuten
exergeacutetica asiacute como de la valoracioacuten de alternativas de disentildeo operacioacuten y cambios
tecnoloacutegicos
La Termoeconomiacutea trata de costes bien monetarios (ptaskJ)o puramente energeacuteticos
(kJ de recursokJ de producto) y se utiliza principalmente para la contabilidad
diagnoacutestico mejora y disentildeo y optimizacioacuten de sistemas teacutermicos Pero en mi opinioacuten
abarca maacutes es la ciencia en la que la Termodinaacutemica y en particular el segundo
principio se une con la Economiacutea ambas en un sentido amplio Ahora estamos en el
principio y esta ciencia se construiraacute con las aportaciones de muchos autores no soacutelo
ingenieros mecaacutenicos En el futuro habraacute que poner orden y sistemaacutetica a la gran
cantidad de contribuciones que tanto economistas como fiacutesicos bioacutelogos quiacutemicos o
ldquoTERMOECONOMIacuteArdquo
6
ingenieros quieren encontrar en las analogiacuteas y explicaciones entre la Termodinaacutemica y
la Economiacutea
Vivimos en un mundo finito y pequentildeo para la gente que somos y seremos y los recursos
naturales son un bien escaso Si queremos sobrevivir debemos conservarlos y aprender
a conservarlos mejor y en este propoacutesito la Termoeconomiacutea jugaraacute un papel clave
Debemos conocer los mecanismos por los cuales la energiacutea y los recursos en general se
degradan y debemos tambieacuten aprender y ensentildear a juzgar queacute sistemas trabajan mejor
con objeto de mejorar sistemaacuteticamente los disentildeos y reducir el consumo per capita
Ademaacutes debemos aprender a reutilizar los residuos para evitar dantildeos al ambiente Esto
lo necesitamos urgentemente ya que al menos dos tercios de la humanidad actual vive
maacutes pobremente que el mundo desarrollado actual
Una contabilidad sistemaacutetica de los recursos naturales que se estaacuten consumiendo seriacutea
una herramienta clave para que tomaacuteramos una consciencia global del problema Y en
esta tarea la Termoeconomiacutea jugariacutea un papel clave
ldquoTERMOECONOMIacuteArdquo
7
7 REFERENCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS
Termoeconomiacutea y Optimizacioacuten Energeacutetica mdash OCW UPMocwupmes rsaquo Explotacioacuten de
Minas
La termoeconomiacutea como alternativa para mejorar la competitividad
wwwbdigitalunaleduco466731089410732015pdf
JR Silva Larrottaaplicaciones termoeconoacutemicas del meacutetodo -
PublicationsListorgpublicationslistorgAplicaciones20termoeconomicas20del
20metodo20exer
Termoeconomiacuteahttpszaguanunizaresrecord45719filesguiapdf
Analisis termoeconomico - ResearchGate https wwwresearchgatenet profile
0c960520b5ead8d544000000pdf
MAL SERRANO - 1993 - Universidad de Sevilla Termoeconomiacutea de Sistemas Energ
wwwuses estudiosgradosplan_221asignatura_2210057
Fundamentos de termodinaacutemica teacutecnica https booksgooglecompe booksisbn=
8429143130
Michael J Moran Howard N Shapiro - 2004 - Science-Termoeconomia
la termoeconomiacutea https wwwehueushelburuak-gaitasunak
La Termoeconomiacutea en plantas energeacuteticaswwwscieloclpdfinfotecv21n4art06pdf
ldquoTERMOECONOMIacuteArdquo
4
asociados a la obtencioacuten de la misma que seriacutea necesario si no se llevara a cabo la
valorizacioacuten
Por ejemplo los procesos de desulfuracioacuten en la central teacutermica y la refineriacutea
ademaacutes de evitar la emisioacuten de dioacutexido de azufre a la atmoacutesfera producen yeso y
tiosulfato de amonio respectivamente La valorizacioacuten de estos dos residuos
supone para los emisores evitar su ldquoeliminacioacutenrdquo y para los receptores en el caso
del yeso se reduce la importacioacuten de yeso natural mientras que en el caso del
tiosulfato de amonio se ahorra en materias primas y recursos correspondientes a
su obtencioacuten Con las cenizas ocurre exactamente lo mismo su valorizacioacuten
repercute en una menor necesidad de clinker y por tanto de los recursos
necesarios para su fabricacioacuten El fertilizante y la levadura suministrada por Novo
Group disminuyen la cantidad de residuos generados y a su vez evitan el
consumo de nuevas materias primas y recursos asociados a la fabricacioacuten de
ambos productos
En el caso de los flujos energeacuteticos como por ejemplo el gas excedente de la
refineriacutea o la energiacutea teacutermica residual de la central en origen conlleva evitar su
disipacioacuten al medioambiente mientras que para los receptores repercute en un
ahorro sustancial de combustible
En cuanto a los flujos hiacutedricos el principal beneficio ambiental alcanzado es el
ahorro en el consumo de agua focalizado en sus inicios en la sustitucioacuten de
agua subterraacutenea por agua superficial y maacutes tarde en la reutilizacioacuten
Ademaacutes en teacuterminos econoacutemicos tambieacuten se han alcanzado beneficios
sustanciales
Como ejemplo para el antildeo 2000 ya se habiacutean invertido 75 millones de doacutelares en
19 proyectos con un ahorro estimado de 15 millones de doacutelares (Cervantes et al
2009) 6 Caso de estudio La aplicacioacuten de la Termoeconomiacutea al modelo de
Simbiosis Industrial de Kalundborg precisa de la definicioacuten de un caso de estudio
sobre dicho modelo que permita su caracterizacioacuten en teacuterminos de exergiacutea
En este sentido la informacioacuten teacutecnica recopilada sobre los flujos
intercambiados limita el alcance del caso de estudio establecido Sin embargo
fruto de una extensa y laboriosa buacutesqueda bibliograacutefica se ha elaborado un caso
de estudio que incluye los flujos maacutes representativos de la Simbiosis Industrial
de Kalundborg
ldquoTERMOECONOMIacuteArdquo
5
6 CONCLUSIONES
El anaacutelisis exergeacutetico se constituye en una soacutelida herramienta para entender la dinaacutemica
energeacutetica de los procesos de la naturaleza y de los procesos artificiales Sus aplicaciones
son ilimitadas en el sentido que toda accioacuten microscoacutepica o macroscoacutepica demanda un
consumo energeacutetico valioso
El verdadero potencial de ahorro energeacutetico de un sector industrial no se puede valorar
uacutenicamente a partir de la sustitucioacuten de energeacuteticos como consecuencia del
comportamiento del mercado o por la sustitucioacuten de tecnologiacuteas por el efecto de
nuevos desarrollos sino a traveacutes de un balance exergeacutetico que determine las
condiciones maacuteximas de operacioacuten a partir del propoacutesito de cada accioacuten o proceso
Por medio del anaacutelisis termoeconoacutemico es posible la cuantificacioacuten de intangibles
contables y fiacutesicos representados en la destruccioacuten de exergiacutea causada por muacuteltiples
factores como erroacutenea eleccioacuten de un combustible de un mecanismo de un lugar de
operacioacuten fallas de operacioacuten en los procesos erroacuteneos paraacutemetros de operacioacuten etc
A partir de la primera ley de la termodinaacutemica se establecioacute el precepto baacutesico de la
transformacioacuten de energiacutea no se crea no se destruye se transforma en calor en
trabajo aumenta o disminuye la energiacutea interna la segunda ley direcciona los procesos
e integra una nueva propiedad termodinaacutemica denominada entropiacutea asociada al
desorden y a las condiciones de irreversibilidad de los procesos reales El anaacutelisis
exergeacutetico complementa las leyes anteriores considerando el propoacutesito y coacutemo a traveacutes
de su desarrollo se destruye la exergiacutea pese a la conservacioacuten de la energiacutea
La metodologiacutea desarrollada para el anaacutelisis termoeconoacutemico del caso tiene validez para
cualquier proceso industrial porque contempla la valoracioacuten exergeacutetica del uso de los
recursos Si la valoracioacuten fuera de caraacutecter sectorial la metodologiacutea seriacutea la misma soacutelo
que tendriacutea que apoyarse en las estadiacutesticas de consumo energeacutetico por sector y se hariacutea
necesario evaluar la exergiacutea fiacutesica y quiacutemica de todos los recursos involucradosComo
punto de partida seriacutea recomendable valorar la exergiacutea quiacutemica de los hidrocarburos
producidos en Peruacute
Las herramientas de caacutelculo favorecen las evaluaciones termoeconoacutemicas de los
procesos faacutecilmente la teoriacutea exergeacutetica puede articularse a traveacutes de ecuaciones
simples En el caso particular el desarrollo es vaacutelido para un proceso de combustioacuten
externa con secado directo Sin embargo actualmente se consiguen en el mercado
herramientas robustas como el Aspen Process Economic Analyzer (APEA) que con la
informacioacuten baacutesica de operacioacuten realiza un anaacutelisis profundo de la destruccioacuten
exergeacutetica asiacute como de la valoracioacuten de alternativas de disentildeo operacioacuten y cambios
tecnoloacutegicos
La Termoeconomiacutea trata de costes bien monetarios (ptaskJ)o puramente energeacuteticos
(kJ de recursokJ de producto) y se utiliza principalmente para la contabilidad
diagnoacutestico mejora y disentildeo y optimizacioacuten de sistemas teacutermicos Pero en mi opinioacuten
abarca maacutes es la ciencia en la que la Termodinaacutemica y en particular el segundo
principio se une con la Economiacutea ambas en un sentido amplio Ahora estamos en el
principio y esta ciencia se construiraacute con las aportaciones de muchos autores no soacutelo
ingenieros mecaacutenicos En el futuro habraacute que poner orden y sistemaacutetica a la gran
cantidad de contribuciones que tanto economistas como fiacutesicos bioacutelogos quiacutemicos o
ldquoTERMOECONOMIacuteArdquo
6
ingenieros quieren encontrar en las analogiacuteas y explicaciones entre la Termodinaacutemica y
la Economiacutea
Vivimos en un mundo finito y pequentildeo para la gente que somos y seremos y los recursos
naturales son un bien escaso Si queremos sobrevivir debemos conservarlos y aprender
a conservarlos mejor y en este propoacutesito la Termoeconomiacutea jugaraacute un papel clave
Debemos conocer los mecanismos por los cuales la energiacutea y los recursos en general se
degradan y debemos tambieacuten aprender y ensentildear a juzgar queacute sistemas trabajan mejor
con objeto de mejorar sistemaacuteticamente los disentildeos y reducir el consumo per capita
Ademaacutes debemos aprender a reutilizar los residuos para evitar dantildeos al ambiente Esto
lo necesitamos urgentemente ya que al menos dos tercios de la humanidad actual vive
maacutes pobremente que el mundo desarrollado actual
Una contabilidad sistemaacutetica de los recursos naturales que se estaacuten consumiendo seriacutea
una herramienta clave para que tomaacuteramos una consciencia global del problema Y en
esta tarea la Termoeconomiacutea jugariacutea un papel clave
ldquoTERMOECONOMIacuteArdquo
7
7 REFERENCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS
Termoeconomiacutea y Optimizacioacuten Energeacutetica mdash OCW UPMocwupmes rsaquo Explotacioacuten de
Minas
La termoeconomiacutea como alternativa para mejorar la competitividad
wwwbdigitalunaleduco466731089410732015pdf
JR Silva Larrottaaplicaciones termoeconoacutemicas del meacutetodo -
PublicationsListorgpublicationslistorgAplicaciones20termoeconomicas20del
20metodo20exer
Termoeconomiacuteahttpszaguanunizaresrecord45719filesguiapdf
Analisis termoeconomico - ResearchGate https wwwresearchgatenet profile
0c960520b5ead8d544000000pdf
MAL SERRANO - 1993 - Universidad de Sevilla Termoeconomiacutea de Sistemas Energ
wwwuses estudiosgradosplan_221asignatura_2210057
Fundamentos de termodinaacutemica teacutecnica https booksgooglecompe booksisbn=
8429143130
Michael J Moran Howard N Shapiro - 2004 - Science-Termoeconomia
la termoeconomiacutea https wwwehueushelburuak-gaitasunak
La Termoeconomiacutea en plantas energeacuteticaswwwscieloclpdfinfotecv21n4art06pdf
ldquoTERMOECONOMIacuteArdquo
5
6 CONCLUSIONES
El anaacutelisis exergeacutetico se constituye en una soacutelida herramienta para entender la dinaacutemica
energeacutetica de los procesos de la naturaleza y de los procesos artificiales Sus aplicaciones
son ilimitadas en el sentido que toda accioacuten microscoacutepica o macroscoacutepica demanda un
consumo energeacutetico valioso
El verdadero potencial de ahorro energeacutetico de un sector industrial no se puede valorar
uacutenicamente a partir de la sustitucioacuten de energeacuteticos como consecuencia del
comportamiento del mercado o por la sustitucioacuten de tecnologiacuteas por el efecto de
nuevos desarrollos sino a traveacutes de un balance exergeacutetico que determine las
condiciones maacuteximas de operacioacuten a partir del propoacutesito de cada accioacuten o proceso
Por medio del anaacutelisis termoeconoacutemico es posible la cuantificacioacuten de intangibles
contables y fiacutesicos representados en la destruccioacuten de exergiacutea causada por muacuteltiples
factores como erroacutenea eleccioacuten de un combustible de un mecanismo de un lugar de
operacioacuten fallas de operacioacuten en los procesos erroacuteneos paraacutemetros de operacioacuten etc
A partir de la primera ley de la termodinaacutemica se establecioacute el precepto baacutesico de la
transformacioacuten de energiacutea no se crea no se destruye se transforma en calor en
trabajo aumenta o disminuye la energiacutea interna la segunda ley direcciona los procesos
e integra una nueva propiedad termodinaacutemica denominada entropiacutea asociada al
desorden y a las condiciones de irreversibilidad de los procesos reales El anaacutelisis
exergeacutetico complementa las leyes anteriores considerando el propoacutesito y coacutemo a traveacutes
de su desarrollo se destruye la exergiacutea pese a la conservacioacuten de la energiacutea
La metodologiacutea desarrollada para el anaacutelisis termoeconoacutemico del caso tiene validez para
cualquier proceso industrial porque contempla la valoracioacuten exergeacutetica del uso de los
recursos Si la valoracioacuten fuera de caraacutecter sectorial la metodologiacutea seriacutea la misma soacutelo
que tendriacutea que apoyarse en las estadiacutesticas de consumo energeacutetico por sector y se hariacutea
necesario evaluar la exergiacutea fiacutesica y quiacutemica de todos los recursos involucradosComo
punto de partida seriacutea recomendable valorar la exergiacutea quiacutemica de los hidrocarburos
producidos en Peruacute
Las herramientas de caacutelculo favorecen las evaluaciones termoeconoacutemicas de los
procesos faacutecilmente la teoriacutea exergeacutetica puede articularse a traveacutes de ecuaciones
simples En el caso particular el desarrollo es vaacutelido para un proceso de combustioacuten
externa con secado directo Sin embargo actualmente se consiguen en el mercado
herramientas robustas como el Aspen Process Economic Analyzer (APEA) que con la
informacioacuten baacutesica de operacioacuten realiza un anaacutelisis profundo de la destruccioacuten
exergeacutetica asiacute como de la valoracioacuten de alternativas de disentildeo operacioacuten y cambios
tecnoloacutegicos
La Termoeconomiacutea trata de costes bien monetarios (ptaskJ)o puramente energeacuteticos
(kJ de recursokJ de producto) y se utiliza principalmente para la contabilidad
diagnoacutestico mejora y disentildeo y optimizacioacuten de sistemas teacutermicos Pero en mi opinioacuten
abarca maacutes es la ciencia en la que la Termodinaacutemica y en particular el segundo
principio se une con la Economiacutea ambas en un sentido amplio Ahora estamos en el
principio y esta ciencia se construiraacute con las aportaciones de muchos autores no soacutelo
ingenieros mecaacutenicos En el futuro habraacute que poner orden y sistemaacutetica a la gran
cantidad de contribuciones que tanto economistas como fiacutesicos bioacutelogos quiacutemicos o
ldquoTERMOECONOMIacuteArdquo
6
ingenieros quieren encontrar en las analogiacuteas y explicaciones entre la Termodinaacutemica y
la Economiacutea
Vivimos en un mundo finito y pequentildeo para la gente que somos y seremos y los recursos
naturales son un bien escaso Si queremos sobrevivir debemos conservarlos y aprender
a conservarlos mejor y en este propoacutesito la Termoeconomiacutea jugaraacute un papel clave
Debemos conocer los mecanismos por los cuales la energiacutea y los recursos en general se
degradan y debemos tambieacuten aprender y ensentildear a juzgar queacute sistemas trabajan mejor
con objeto de mejorar sistemaacuteticamente los disentildeos y reducir el consumo per capita
Ademaacutes debemos aprender a reutilizar los residuos para evitar dantildeos al ambiente Esto
lo necesitamos urgentemente ya que al menos dos tercios de la humanidad actual vive
maacutes pobremente que el mundo desarrollado actual
Una contabilidad sistemaacutetica de los recursos naturales que se estaacuten consumiendo seriacutea
una herramienta clave para que tomaacuteramos una consciencia global del problema Y en
esta tarea la Termoeconomiacutea jugariacutea un papel clave
ldquoTERMOECONOMIacuteArdquo
7
7 REFERENCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS
Termoeconomiacutea y Optimizacioacuten Energeacutetica mdash OCW UPMocwupmes rsaquo Explotacioacuten de
Minas
La termoeconomiacutea como alternativa para mejorar la competitividad
wwwbdigitalunaleduco466731089410732015pdf
JR Silva Larrottaaplicaciones termoeconoacutemicas del meacutetodo -
PublicationsListorgpublicationslistorgAplicaciones20termoeconomicas20del
20metodo20exer
Termoeconomiacuteahttpszaguanunizaresrecord45719filesguiapdf
Analisis termoeconomico - ResearchGate https wwwresearchgatenet profile
0c960520b5ead8d544000000pdf
MAL SERRANO - 1993 - Universidad de Sevilla Termoeconomiacutea de Sistemas Energ
wwwuses estudiosgradosplan_221asignatura_2210057
Fundamentos de termodinaacutemica teacutecnica https booksgooglecompe booksisbn=
8429143130
Michael J Moran Howard N Shapiro - 2004 - Science-Termoeconomia
la termoeconomiacutea https wwwehueushelburuak-gaitasunak
La Termoeconomiacutea en plantas energeacuteticaswwwscieloclpdfinfotecv21n4art06pdf
ldquoTERMOECONOMIacuteArdquo
6
ingenieros quieren encontrar en las analogiacuteas y explicaciones entre la Termodinaacutemica y
la Economiacutea
Vivimos en un mundo finito y pequentildeo para la gente que somos y seremos y los recursos
naturales son un bien escaso Si queremos sobrevivir debemos conservarlos y aprender
a conservarlos mejor y en este propoacutesito la Termoeconomiacutea jugaraacute un papel clave
Debemos conocer los mecanismos por los cuales la energiacutea y los recursos en general se
degradan y debemos tambieacuten aprender y ensentildear a juzgar queacute sistemas trabajan mejor
con objeto de mejorar sistemaacuteticamente los disentildeos y reducir el consumo per capita
Ademaacutes debemos aprender a reutilizar los residuos para evitar dantildeos al ambiente Esto
lo necesitamos urgentemente ya que al menos dos tercios de la humanidad actual vive
maacutes pobremente que el mundo desarrollado actual
Una contabilidad sistemaacutetica de los recursos naturales que se estaacuten consumiendo seriacutea
una herramienta clave para que tomaacuteramos una consciencia global del problema Y en
esta tarea la Termoeconomiacutea jugariacutea un papel clave
ldquoTERMOECONOMIacuteArdquo
7
7 REFERENCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS
Termoeconomiacutea y Optimizacioacuten Energeacutetica mdash OCW UPMocwupmes rsaquo Explotacioacuten de
Minas
La termoeconomiacutea como alternativa para mejorar la competitividad
wwwbdigitalunaleduco466731089410732015pdf
JR Silva Larrottaaplicaciones termoeconoacutemicas del meacutetodo -
PublicationsListorgpublicationslistorgAplicaciones20termoeconomicas20del
20metodo20exer
Termoeconomiacuteahttpszaguanunizaresrecord45719filesguiapdf
Analisis termoeconomico - ResearchGate https wwwresearchgatenet profile
0c960520b5ead8d544000000pdf
MAL SERRANO - 1993 - Universidad de Sevilla Termoeconomiacutea de Sistemas Energ
wwwuses estudiosgradosplan_221asignatura_2210057
Fundamentos de termodinaacutemica teacutecnica https booksgooglecompe booksisbn=
8429143130
Michael J Moran Howard N Shapiro - 2004 - Science-Termoeconomia
la termoeconomiacutea https wwwehueushelburuak-gaitasunak
La Termoeconomiacutea en plantas energeacuteticaswwwscieloclpdfinfotecv21n4art06pdf
ldquoTERMOECONOMIacuteArdquo
7
7 REFERENCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS
Termoeconomiacutea y Optimizacioacuten Energeacutetica mdash OCW UPMocwupmes rsaquo Explotacioacuten de
Minas
La termoeconomiacutea como alternativa para mejorar la competitividad
wwwbdigitalunaleduco466731089410732015pdf
JR Silva Larrottaaplicaciones termoeconoacutemicas del meacutetodo -
PublicationsListorgpublicationslistorgAplicaciones20termoeconomicas20del
20metodo20exer
Termoeconomiacuteahttpszaguanunizaresrecord45719filesguiapdf
Analisis termoeconomico - ResearchGate https wwwresearchgatenet profile
0c960520b5ead8d544000000pdf
MAL SERRANO - 1993 - Universidad de Sevilla Termoeconomiacutea de Sistemas Energ
wwwuses estudiosgradosplan_221asignatura_2210057
Fundamentos de termodinaacutemica teacutecnica https booksgooglecompe booksisbn=
8429143130
Michael J Moran Howard N Shapiro - 2004 - Science-Termoeconomia
la termoeconomiacutea https wwwehueushelburuak-gaitasunak
La Termoeconomiacutea en plantas energeacuteticaswwwscieloclpdfinfotecv21n4art06pdf
