Eficiencia Energética de Equipos Tecnológicos Agradeceremos nos haga llegar su opinión sobre el uso de este procesador y si le ha sido útil su contenido

FRED
Salida del procesador. Resultado del cálculo energético.
Bases del procesador.
Bases del cálculo energético y términos empleados
Tabla que relaciona el VCI y los fce

Un cálculo rápido para determinar le eficiencia de un equipo energético. Lea previamente, las Bases del cálculo energético y términos empleados para que esté informado en el procedimiento, principalmente conocer las unidades que el procesador considera y que se deben satisfacer. En esta versión de prueba (v1), el calculador NO VALIDA los datos de entrada, por lo que el resultado dependerá de lo exacto de los registros, la consistencia de las unidades empleadas y del cumplimiento con las bases del procesador.
Nota. Agradecerémos a todos los que nos hagan llegar sus recomendaciones y sugerencias, para mejorar el formato, contenido y ámbito de aplicación del procesador.

Bases del procesador

El procesador calcula la eficiencia energética de un equipo típico, que normalmente se encuentra en funcionamiento en una industria o proceso tecnológico. Se basa en un flujo de entrada y uno de salida, sin considerar otras fuentes auxiliares. Tomando en cuenta factores de similitud, podría aplicarse también, a algunos sistemas energéticos, siempre que se pueda simular las condiciones y extrapolar sus características a un flujo de entrada y otro de salida. No está diseñado para realizar un balance energético de un sistema, sí para evaluar la eficiencia de cada equipo de forma independiente.

La base para el cálculo de la eficiencia será la energía que sale sobre la energía que entra, para un periodo de tiempo dado. La energía que se consume se convertirá en unidades de enegía primaria, expresando la eficiencia que resulte en términos de energía primaria (carbón, antracita, asfáltenos, Fuel Oil, Gas Natural u otros). Por lo tanto, la eficiencia que reportará el procesador es la del comportamiento del equipo, afectado por las pérdidas que se generan en los procesos de la cadena energética, abarcando los portadores secundarios procesados, considerando las pérdidas ocasionadas en los procesos de transformación para producir o transformar la energía que ahora el equipo utiliza en forma secundaria.

Así en el caso de la gasolina o diesel, se tiene en cuenta la cantidad de energía fósil primaria, en este caso de crudo, que fue destilada y rectificada para producir la unidad de energía del diesel o de la gasolina. Igual afectación se considera para los equipos que utilizan la electricidad, energía que se obtiene en un proceso de transformación térmico, donde las fuentes primarias que se utilizan incluyen el fuel-oil, bien derivado de la primera destilación o bien mezclado ese fuel con parte de crudo. En este caso se emplea el factor de conversión energía electrica/fuel oil primario. Cuando la electricidad se genera en una Planta Térmica donde el combustible fósil primario es diferente al Fuel-Oil, menciono el carbón, antracitas o el Gas Natural, el factor de conversión a energía primaria será el correspondiente al portador primario, y la eficiencia resultará de la relación energía eléctrica generada /energía primaria. Si la energía que consume un equipo procede de una fuente renovable, como la de un Panel Solar, un Aerogenerador o la energía hidráulica, se calculará la eficiencia considerando exclusivamente la energía limpia de entrada y el valor reportado resultará del cociente entre la energía que entrega/energía renovable que consume.

En este punto es bueno aclarar, que en los procesos energéticos que consumen energía renovable, siempre existirá una cuota de energía fósil que se consume por diversos conceptos, bien para producir el equipamiento y materiales, como los paneles, baterías, tuberías, componentes, conductores eléctricos, o las operaciones de laboreo de las siembras y cosecha, procesos tecnológicos, o en el insumo del acarreo, de la transportación y distribución, o como gastos de combustibles y electricidad en los servicios administrativos y operaciones auxiliares. Todos estos consumos están asociados al uso de la energía fósil. Así que por ahora, y por largo tiempo, todos los procesos de transformación y transferencia de energía, tendrán su impacto negativo en el rastro gris que dejan sobre El Planeta hasta que el nivel de las producciones energéticas renovables satisfaga el mayor porciento de la demanda energética mundial. Estamos seguros que la humanidad alcanzará ese objetivo, aunque nosotros no lleguemos a verlo.

De ahí la importancia de saber calcular la Demanda Energética Acumulada para cualquier proceso energético, incluyendo los que utilizarán las fuentes renovables de energía. Este balance reporta cuanta energía se consume y entre ellas la fósil, a lo largo del ciclo de vida y de la cadena energética de cualquier proceso, portador, equipo o sistema energético y lo relaciona con la cantidad de energía útil que entrega. Pero esa Class será otro de los objeticos futuros de esta selección de Temas PHP.

Desde el punto de vista de la programación, este calculador lo he construido empleando la funcionalidad y posibilidades que brinda la Class, sus métodos y atributos para soluciones repetitivas y aplicables a una familia de objetos similares, muy a tono con el propósito de este diseño.

Agregando valor a la Class, que he llamado eficiencia energética y que es aplicable a diferentes sistemas y equipos, también relacionaré la energía que se consume con el nivel de contaminación ambiental que la operación genera. Calcularé el nivel de CO2 que se emite a la atmósfera por este funcionamiento y desglosaré los diferentes indicadores de emisiones según el tipo de portador que utilice el equipo. Así el crudo tiene un nivel de emisiones diferente al del carbón, Gas Natural o Gas Licuado. Para los portadores secundarios que se empleen, (Fuel Ligero, Bajo Azufre, Diesel o Gas Oil, Gasolinas, Gas Licuado Propano-Butano y otros secundarios) el procesador tomará en cuenta el nivel de emisiones de la fuente primaria que los generó. Para los portadores renovables, por ahora, el calculador no tomará en cuenta las emisiones de CO2 a la atmósfera que se generan, aunque actualmente trabajo para ir completando la información de los factores de emisión por unidad de energía renovable, para los diferentes bioportadores y entonces, incluirlos diferenciadamente. Mediante un simple cálculo de división, se vinculará el nivel de eficiencia energética que resulte, con el nivel de contaminación que se produce. De esta manera se comprenderá como puede influir las mejoras de la eficiencia en la reducción de las emisiones de contaminantes a la atmósfera.

Es muy amplia la gama de sistemas energéticos que se encuentran funcionando en la industria global, por lo que la utilidad de la Class se medirá en la medida que pueda procesar la mayoría de los sistemas que realmente existen.

Seguidamente, clasifico los principales equipos y sistemas energéticos que por experiencia, generalmente están presentes en cualquier esquema tecnológico común.

Fuentes energéticas	Equipo energético
Portadores	Equipo - Proceso de Transformación Energética o de Transferencia	Equipos, Uso Final
Electricidad	Transformadores de Potencia Eléctrica - Inducción mag.	Fusión y calentamiento de metales
Electricidad	Motores eléct - Inducción mag.	Aire y Gases comprimidos a baja presión Ventiladores, Sopladores, Compresores Aire
		Aire y Gases comprimidos a mediana y alta presión Compresores
		Bombeo Líquido
		Manejo de sólidos Transportadores, Conformadores.
		Izaje de cargas
		Iluminación
Combustibles Fósiles	Quemadores comb líquidos y gaseosos - Combustión	Vapor
	Quemadores combustibles sólidos - Combustión	Agua Caliente
		Fluido Térmico
		Agua fría (Generadores_Absorción_Adsorción)
		Hornos de Fusión de Metales y de forjado
		Calentamiento y Secado de materiasles. Evaporación y destilación.
	Motores de Combustión Interna - Combustión	Transporte . Terrestre, aéreo y marítimo
	Turbinas de Gas - Energía térmica - mecánica - inducción mag.	Generación eléctrica
	Torres enfrimiento. Transf. de masa	Agua fría
Renovables	Paneles. Solar - Fotoeléctrico	Genración electricidad
	Paneles. Solar - calor. Transf. de Calor	Agua caliente
	Aerogenerador - eólica - mecánica - iInducción mag.	Generación de electricidad y bombeo
Agua	Turbinas Hidráulicas - Energía Hidráulica - mecánica - inducción	Generación de electricidad

Como puede apreciarse, no son pocas las diferencias de equipos que forman parte de la cadena energética típica, representativa de cualquier rama de la economía, tampoco los diferentes procesos de transformación energética, todos los que tienen asociado una pérdida de eficiencia. Se suma a la complejidad anterior, el hecho de que existen una amplia diversidad de portadores energéticos disponibles, tanto dentro de la clasificación fósil como dentro de las fuentes renovables.

Tratando de resumir lo explicado anteriormente en los objetivos, el procesador debe cumplir con los siguientes propósitos:
a )Poder introducir las diferentes formas en que están disponibles los portadores energéticos que consumen los equipos y sistemas. Puedo resumirlos en la siguiente clasificación:
-electricidad,
-combustibles fósiles que a su vez pueden ser sólidos, líquidos y gaseosos;
- energía renovable que puede ser la solar, la hidráulica, biocombustibles, por ahora.
-energía atómica. (No la tomo en cuenta)
b) Abarcar el cálculo de la eficiencia energética de los equipos y de las emisiones de CO2 que se generan, para todos los portadores energéticos que se consuman y produzcan en los equipos. Abarcar el mayor número de equipos posibles.
c) Considerar las particularidades del proceso energético que realiza el equipo, diferenciando sus características técnicas.
d) Uniformar las unidades, facilitando agregar el resultado energético que reporte cada equipo.
e) Presentar una solución práctica, comprensible y fácil de operar.
f) Garantizar la seguridad del conjunto de códigos de programación que al final formen el bloque del procesador.

Bases del cálculo energético y términos empleados

La unidad de energía utilizada es kJoule/udad.
Equipos Energéticos. El procesador en estos momentos cubre los siguientes equipos energéticos.
Compresor reciprocante de Aire
Motor Eléctrico de Inducción
Generador de Vapor
Motor Combustión Interna
Generador Eléctrico
Colector Solar Térmico
Tipo de portador energético que se consume y entrega el equipo. Se trata de abarcar la mayor gama posible. Importante.
a) Cada portador especifica las unidades de masa, volumen o potencia en que se registrará el dato para medir la corriente de entrada o de salida.
b) Pudieran procesarse otros portadores de cumplirse con las bases del calculador y las unidades establecidas, pero en esta versión no. Por lo que solo se aplica a los incluidos a continuación.
Portadores incluidos:
electricidad_kw
aire_comprimido_m3N
agua_m3
vapor_kg
fluido_térmico_kg
fuerza_mecánica_kw
fuel_oil_kg
diesel__kg
gasolina_kg
kerosina_kg
gas_licuado_kg
gas_natural_m3N
biomasa_kg
coque_kg
turba_kg
virutas de madera_m3
eólica_kw
hidráulica_kw
energía_solar_kw
biomasa_kg
biodiesel_kg
alcohol_kg

Se utiliza la definición de flujoin y flujout para caracterizar la cantidad de la corriente de entrada o de salida de todos los portadores energéticos en una hora (udad de tiempo =1h), sean electrones, corrientes sólidas, líquidas, gaseosas(flujo). El numerador para la unidad de flujo, se ha especificado anteriormente en cada corriente. Así quedará, por ejemplo, para la electricidad kwh, la fuerza mecánica al eje, kwh, para los combustibles líquidos kg/h y para los gaseosos m3n/h.

El valor calórico (VCI) y factor de conversión (fc). El valor calórico que se emplea es el neto (inferior) para todos los combustibles. Se registra en kJ/unidades, siendo la unidad la que especifica el portador energético. Por ejemplo, el petróleo crudo tiene un VCI entre, 41 000 y 42000 kJoule/kg.

Se definen aquí los fc para aquellas corrientes que no son combustibles, o que su unidad de flujo se reporta directamente en unidades de energía. Estas corrientes, que transportan energía y por ello se llaman portadores energéticos, requieren convertir las unidades de flujo en unidades de energía que sean consistentes. Veamos algunos ejemplos: a continuación.
a) La electricidad y la energía mecánica tienen un factor de conversión común de 3600 kj/kwh. Igual las corrientes o portadores renovables que se expresan unidades de energía, como la solar, la eólica, la hidráulica.
b) La corriente de aire comprimido, la de agua caliente, fluido térmico y el vapor de agua, tienen definido sus factores de conversión para condiciones dadas en el sistema. Para diferentes condiciones a las de la Tabla, deben ser calculados.

Para los portadores incluidos en el procesador, seguidamente se relacionan los Valores Calóricos Netos y Factores de Conversión empleados aquí. Para los fc, se especifican las condiciones de presión y temperatura de los caloportadores.

Tabla que relaciona el VCI y los fce

Portador	VCI , en kJoule/udad	fc, en kJoule/udad
electricidad_kwh		3600
aire_comprimido_m3N/h		280 a (90ºC)
agua_m3/h		520 a (60ºC)
vapor_kg		2500 a (10 atm)
fluido_térmico_kg		1700 a (200ºC)
fuerza_mecánica_kw		3600
fuel_oil_kg	41500
diesel__kg	42000
gasolina_kg	42300
kerosina_kg	42100
gas_licuado_kg	43000
gas_natural_m3N	8500
bagazo_kg	10000
coque_kg	33000
turba_kg, seca	16800
virutas de madera_m3	15800
eólica_kw		3600
hidráulica_kw		3600
energía_solar_kw		3600
biomasa_kg	15500
biodiesel_kg	40800
alcohol_kg	28900

El Factor energía equivalente (Base=Energía Fósil primaria) se obtiene relacionando el Valor Calórico Neto de un combustible fósil secundario con el Valor Calórico Neto del combustible fósil primario que se emplea como fuente primaria para su producción, referido a una unidad de masa o volumen del producto. Cuando se emplea un portador derivado de un portador primario, también conocido como portador secundario, se considerará la cuota de energía que se consumió en el proceso de transformación.

Por lo que quedará incluido, en el valor de la energía de entrada a un equipo o sistema, las pérdidas de energía que se produjeron en los procesos de transformación y producción del portador secundario. Al Gas Natural, los biocombustibles y las fuentes renovables, no se le aplica este factor, pues no sufren un proceso de transformación energético donde la fuente primaria sea la energía fósil.

Factor de emisión de carbono(fec). Solo para aquellas corrientes o portadores fósiles. Se corresponde con el tipo de portador primario que se consume. Los valores empledos en este procesador han sido tomados de la fuente IPCC Directrices Inventario 2006, Capítulo 2: Combustión estacionaria, Volumen 2: Energía, CUADRO 2.2 FACTORES DE EMISIÓN POR DEFECTO PARA LA COMBUSTIÓN ESTACIONARIA EN LAS INDUSTRIAS ENERGÉTICAS (kg de gas de efecto invernadero por TJ sobre una base calórica neta). Este factor se aplica a la corriente energética que entra al equipo, una vez referida a energía primaria. Para cada portador, hay un factor de emisión de carbono, respondiendo a su composición química.

El parámetro reportado en la Fuente (IPCC) se expresa en kg de CO2 por TJoule de energía primaria. Como el calculador utiliza unidades de energía en kj, la conversión a kJoule de estos valores reportados, se obtienen multiplicando por el factor (1 kg /1 E+12) X 1000= 1 E-09 kg/kJ. Cuando el combustible que se consume procede de una fuente renovable, el factor de emisiones de carbono no se aplica. A continuación se muestran los fec empleados en el calculador por tipo de portador fósil.

Factores de emisión de carbono
Portador	IPCC, kg/TJoule	kg/kJoule. E-05
Crudo	73300	7.33
Oriemulsión	77000	7.7
Gas Natural Licuado	64200	6.42
Gasolinas	69300 - 70000	7.0
Kerosén	71500	7.15
Gas Oil o Diesel	74100	7.41
Fuel Oil residual	77400	7.74
Gas Licuado de Petróleo	63100	6.31
Nafta	73300	7.33
Coque de petróleo	97500	9.75
Antracita	98300	9,83
Carbón Coque	94600	9.46
Carbón Bituminoso	96100	9.61
Lignito	101000	10.1
Esquitos bitume y alquitran	107000	10.7
Briquetas carbón lignito	97500	9.75
Coque	107000	10.7
Gas Natural	56100	5.61
Desechos urbanos	91700	9.17
Turba	106000	10.6
Madera, desechos, viruta	112000	11.2
Biogasolinas	70800	7.08
Bodiesel	70800	7.08
Biogas	54600	5.46

Balance de energía y eficiencia energética. Una vez que el procesador ha convertido el flujo de energía fósil que entra a unidades de energía primaria, se realiza la operación de calcular la eficiencia energética, en tanto por ciento. No se consideran flujos energéticos secundarios. Por lo que la eficiencia se reporta Base: Energía Primaria.
Cantidad de emisiones de CO2. Se realiza el cálculo multiplicando el factor de emisiones de carbón para combustibles fósiles X E-05 kg de CO2 / kJoule por el valor de la energía que entra al equipo, ya convertida a unidades de energía primaria y expresada en kJoule/h. Posteriormente se extiende el cálculo a bases de 100 h, 1000 h y 8000 h.
Cantidad de CO2 por hora emitido por cada porciento de eficiencia reportado. Una vez calculado la cantidad de CO2 que se emite por hora, se relaciona con la eficiencia. De esta manera queda ilustrado lo que reporta mejorar el 1 % de la eficiencia y viceversa.
Proceso energético central que se desarrolla en el equipo
compresión_gas
inducción_magnética
combustión
transferencia_calor
transferencia_masa
bombeo_líquido
fotoeléctrico
Otros datos que caracterizan el equipo
Presión del fluido entrada y salida, en kg/cm2 man
Temperatura del fluido entrada y salida, en ºC
kiloVoltAmperes y el valor de la Tensión eléctrica, caracterizan el flujo de electricidad a la entrada.
Código del equipo en la Planta
Horas de operación en las que se registraron los datos operacionales, al pié del equipo.