Exergia: herramienta para promover la eficiencia energética en los edificios

2020/10/12 Ana Picallo Perez - ENEDI ikerketa-taldeaEnergia Ingeniaritza Saila (EHU) | José M. Sala Lizarraga - ENEDI ikerketa-taldeaEnergia Ingeniaritza Saila (EHU) | Eider Iribar Solaberrieta - Eraikuntza Kalitatearen Kontrolerako LaborategiaEusko Jaurlaritza Iturria: Elhuyar aldizkaria

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¿Cuál es más pesado 1 kg de paja o 1 kg de hierro? Muchos saben que si la unidad de peso es kg pesarán lo mismo. Os preguntamos si la unidad de energía es kWh, ¿dónde está más energía en un depósito de gas natural de 1 kWh o en una sala de aire caliente de 1 kWh? En ambos envases hay la misma cantidad de energía, pero ¿qué tipo de energía tiene mayor utilidad desde el punto de vista de la calidad?

Un flujo de energía, además de tener una cantidad de energía, tiene una calidad, es decir, una capacidad de trabajo útil, por ejemplo: encender una luz, climatizar una estancia o mover un coche. Entonces, la capacidad de energía química de 1 kWh almacenada en un recipiente de gas natural es mayor que la energía térmica de 1 kWh en una masa de aire a 20 ºC; en definitiva, se pueden obtener una serie de trabajos con aprovechamiento de la energía química del gas natural (climatización, trabajo mecánico, encendido de una bombilla, etc.). ), pero con la energía térmica del aire sólo es posible climatizar el aire, aunque en términos cuantitativos ambas tienen una energía de 1 kWh (ver figura 1).

La demanda energética de los edificios presenta altos niveles de calidad. Por un lado se consume electricidad, como por ejemplo en iluminación, electrodomésticos, ascensores, etc. Por otra parte, el abastecimiento de agua caliente sanitaria y la satisfacción de las demandas de calefacción y refrigeración se realiza generalmente a través de energías de alta calidad como el gas natural (energía química). Sin embargo, como la demanda de calefacción o refrigeración se satisface con energías de baja calidad (energía térmica), la calidad energética final no se ajusta a la calidad de la demanda (ver figura 2).

Hasta ahora, aunque la mayoría de los sistemas energéticos se han diseñado cuantitativamente, deberían diseñarse teniendo en cuenta la calidad (es decir, la exergia), con los beneficios que ello conlleva. Además, además de fomentar la eficiencia energética, es necesario incorporar el aspecto ambiental para conseguir sistemas energéticos con menor impacto ambiental, es decir, para fomentar la sostenibilidad.

El objetivo de este trabajo es reflexionar sobre los beneficios de aplicar el concepto de exergia en el ámbito de los edificios. El fomento de la eficiencia energética y la sostenibilidad de los edificios es fundamental teniendo en cuenta el alto consumo energético del sector y su potencial de mejora.

¿Qué es la exergia?

La exergia representa la capacidad de una energía para transformarse en trabajo. Algunas formas de energía se pueden transformar íntegramente, por ejemplo, en energía eléctrica donde toda la energía es exergia. Sin embargo, existen otras formas de energía como el calor, en las que sólo una parte puede convertirse en trabajo, de forma que el flujo de exergia es sólo una parte de un flujo de calor [1].

Por otra parte, la capacidad de transformación de la energía en trabajo se corresponde con el grado de desequilibrio de la energía con el entorno. Por ejemplo, si bien la energía interna del agua de un lago es enorme, su potencial de generación de trabajo es nulo. Cuanto más alejado del ambiente, mayor será la capacidad de transformarse en trabajo. Por tanto, una masa de agua caliente a 60ºC presenta una exergia mayor que si está a 40ºC, ya que se encuentra más alejada de la temperatura ambiente.

Estas ideas de calidad se recogen en el segundo principio de la termodinámica: aunque la energía no se produce ni destruye (primer principio de la termodinámica), la calidad de esta energía es cada vez menor e irrecuperable. Esta pérdida de calidad se relaciona con las imperfecciones de los equipos y procesos, denominándose irreversibilidad o destrucción de exergías.

¿Cómo se casan los conceptos exergia y economía?

Nuestra sociedad necesita cada vez más energía, pero los recursos naturales están limitados. En consecuencia, es fundamental para la mejora de los sistemas comprender los mecanismos de degradación de la energía y los recursos y desarrollar procedimientos sistemáticos para reducir su impacto ambiental. Si se combina el análisis exérgico con la economía, se obtiene una potente herramienta de análisis y optimización de sistemas que se denomina exergoeconomía (exergoeconomics) [2].

Al ser la exergia una energía útil para la sociedad, tiene valor económico y debemos cuidarla. Cuando pagamos por el consumo de energía, realmente estamos pagando su disponibilidad, es decir, su exageración. Por tanto, la exergia es una base racional para evaluar los recursos, procesos, equipos y eficiencias de los sistemas y evaluar los costes de los productos de los sistemas.

¿Cómo se casan los conceptos exergia y medio ambiente?

Casi toda la energía (y por tanto, la exergia) llega a la superficie terrestre desde el Sol. La exergia absorbida por la Tierra se destruye poco a poco, pero en esta destrucción se gestionan los ciclos de agua, viento y vida del suelo. Las plantas absorben la exergia del sol y lo convierten en una exergia química a través de la fotosíntesis. Mediante la cadena alimenticia, esta exergia química pasa por los organismos en los ecosistemas.

Por otro lado, los problemas energéticos y ambientales son actualmente notorios, como el calentamiento global, la contaminación del aire, la contaminación de las aguas superficiales y subterráneas, los residuos sólidos, la degradación de los suelos, etc. No obstante, en lugar de asociar esta degradación a la energía, debe asociarse a la exergia.

El análisis exergiano es una potente herramienta para realizar procesos e instalaciones más eficientes y, al mismo tiempo, reducir el consumo de recursos (exergia) y por tanto, reducir los residuos generados. Por lo tanto, la utilización de métodos exergativos implica una adecuada evaluación de la contaminación atmosférica, vertidos líquidos o sólidos, etc., disciplina que se denomina economía ambiental (exergoenvironmics) [3].

¿Cómo se casan los conceptos de exergía y sostenibilidad?

El desarrollo sostenible de la sociedad y, en particular, del sector de la construcción pasa por la provisión sostenible de los recursos naturales. La limitación de la mayor parte de los bienes naturales obliga a su uso eficiente para mantenerlos en un plazo más largo. Además, el mineral se puede considerar un vector de exergia: un depósito de minerales contrasta con el ambiente, y cuanto mayor es la concentración del mineral, mayor es el contraste y mayor es el potencial de trabajo (exergia).

Teniendo en cuenta estas ideas, el análisis exergativo permite analizar el grado de eficiencia de una sociedad y el equilibrio en el consumo de sus recursos físicos. De este modo, es posible comparar las sociedades mundiales y analizar el sistema internacional si queremos distribuir los recursos de una manera más justa en el mundo.

La aplicación de la energía en edificios fomenta la eficiencia energética

El sector de la construcción está estrechamente relacionado con el consumo de recursos naturales y las emisiones a la atmósfera. Si analizamos los edificios a lo largo de su ciclo de vida (construcción, uso y demolición), reducen la capa de ozono debido al uso de diferentes productos químicos. Asimismo, contribuyen al cambio climático debido a las elevadas emisiones de CO2 tanto durante la fase de construcción como durante la vida útil.

El análisis exérgico es de gran utilidad tanto para el estudio como para el diseño de los sistemas de los edificios y del conjunto del edificio. Como ya se ha comentado, al considerar el aspecto cualitativo de la energía (calidad energética) se obtiene información sobre la adecuación de la energía utilizada y la demanda energética. Así, las fuentes de energía de baja calidad, como los calores residuales, pueden ser utilizadas para satisfacer demandas de baja calidad como la climatización. Por tanto, se cuantifica el consumo mínimo de exergia necesario para satisfacer la demanda (ver Figura 3. Por ello, la exergia potencia la eficiencia energética y las fuentes renovables.

Además, se cuantifican las pérdidas de exergia a lo largo de la cadena energética y se pone de manifiesto el potencial de mejora energética, que no es posible obtener con los análisis energéticos. Por otro lado, proporciona una base común para comparar la eficiencia energética de los sistemas e instalaciones de los edificios. De esta forma se puede comparar con la exergia el calor del combustible de combustión de una caldera y la ganancia solar de una ventana.

Las pérdidas y destrucciones de exergía identifican los lugares y las causas de la ineficacia de un sistema. Esto facilita la toma de decisiones para la aplicación de medidas de mejora.

Aunque el análisis exérgico es interesante, hace pocos años se comenzó a estudiar su aplicación en los edificios. Puede que para algunos profesionales sea complejo y, desgraciadamente, los cálculos de métodos exergativos parecen molestos, y sus resultados, en ocasiones, pueden ser difíciles de interpretar o comprender.

Asimismo, el análisis exergiano pone de manifiesto los bajos rendimientos exérgicos de los sistemas convencionales. Por ejemplo, si una caldera de gas convencional tiene un rendimiento energético del 85-90%, su rendimiento energético es de un rango de un 18-20%. De hecho, con el análisis exergiano se destaca que algunos de los procesos y sistemas utilizados habitualmente son básicamente erróneos, lo que puede ir en contra de los intereses de algunos.

En consecuencia, la exergia es una variable de gran significado

En este trabajo se presentan las ideas clave para la aplicación del análisis exergológico en los edificios, tanto desde el punto de vista energético como económico y ambiental.

El análisis exérgico se utiliza para analizar el comportamiento de los edificios, con el fin de cuantificar de forma precisa las pérdidas. Esta información, imprescindible para el fomento de la eficiencia energética y el mejor aprovechamiento de los recursos, sólo es posible mediante la aplicación de la segunda ley de la termodinámica. Todas estas características hacen de la exergia una buena herramienta para impulsar la sostenibilidad en el ámbito de la ingeniería y la arquitectura.

En consecuencia, es necesario disponer de modelos detallados de análisis exergonómico y de metodologías de cálculo específicamente diseñadas en los edificios, con el fin de actualizar el concepto y utilizarlo por parte de los profesionales del sector, objetivo del libro recientemente publicado “Análisis exérgico y termoeconomía en edificios: análisis y diseño de sistemas energéticos sostenibles” [4] (ver figura 4).

 

BIBLIOGRAFÍA

1 Picallo, A., Escudero, C., Flores, I., & Sala, J. M. 2016 Symbolic thermoeconomics in building energy supply systems. Energy and Buildings, 127, 561-570.

2 Picallo-Perez, A., Sala, J. M. Tsatsaronis, G., & Sayadi, S. 2020. Advanced Exergy Analysis in the Dynamic Framework for Assessing Building Thermal Systems. Entropy, 22(1), 32.

3 Dincer, I., Rosen, M. A. & Al-Zareer, M. 2018. 1.9 Exergoenvironmental Analysis. Comprehensive Energy Systems, 377.

4 Sala-Lizarraga, J. M. & Picallo-Perez, A. 2019.Exergy Analysis and Thermoeconomics of Buildings: Design and Analysis for Sustainable Energy Systems. Butterworth-Heinemann.