Exergia: eina per a promoure l'eficiència energètica en els edificis

2021/03/01 Picallo Perez, Ana - ENEDI ikerketa-taldea Energia Ingeniaritza saila (EHU) | Sala Lizarraga, José M. - ENEDI ikerketa-taldea Energia Ingeniaritza saila (EHU) | Iribar Solaberrieta, Eider - Eraikuntza Kalitatearen Kontrolerako Laborategia Eusko Jaurlaritza Iturria: Elhuyar aldizkaria

Quin és més pesat 1 kg de palla o 1 kg de ferro? Molts saben que si la unitat de pes és kg pesaran el mateix. Una pregunta similar és si la unitat d'energia és kWh, on està més energia en un dipòsit de gas natural d'1 kWh o en una sala d'aire calent d'1 kWh? En tots dos envasos hi ha la mateixa quantitat d'energia, però quin tipus d'energia té major utilitat des del punt de vista de la qualitat?
Ed. Ana Picallo

Un flux d'energia, a més de tenir una quantitat d'energia, té una qualitat, és a dir, una capacitat de treball útil, per exemple: encendre una llum, climatizar una estada o moure un cotxe. Llavors, la capacitat d'energia química d'1 kWh emmagatzemada en un recipient de gas natural és major que l'energia tèrmica d'1 kWh en una massa d'aire de 20 °C; en definitiva, l'energia química del gas natural treballs amb aprofitament de l'energia química del gas natural (climatització, treball mecànic, encès d'una bombeta, etc.), però amb l'energia tèrmica de l'aire només es pot climatizar, encara que totes dues en quantitat poden tenir una energia d'1 kWh (veure).

La demanda energètica dels edificis presenta alts nivells de qualitat. D'una banda es consumeix electricitat, com per exemple en il·luminació, electrodomèstics, ascensors, etc. D'altra banda, el proveïment d'aigua calenta sanitària i la satisfacció de les demandes de calefacció i refrigeració es realitzen, en general, amb energies d'alta qualitat com el gas natural (energia química). No obstant això, com la demanda de calefacció o refrigeració se satisfà amb energies de baixa qualitat (energia tèrmica), la qualitat energètica final no s'ajusta a la qualitat de la demanda (veure figura 2).

Fins ara, encara que la majoria dels sistemes energètics s'han dissenyat quantitativament, haurien de dissenyar-se tenint en compte la qualitat (és a dir, l'exergia), amb els beneficis que això comporta. A més, a més de fomentar l'eficiència energètica, és necessari incorporar l'aspecte ambiental per a aconseguir sistemes energètics amb menor impacte ambiental, és a dir, per a fomentar la sostenibilitat.

L'objectiu d'aquest treball és reflexionar sobre els beneficis d'aplicar el concepte d'exergia en l'àmbit dels edificis. El foment de l'eficiència energètica i la sostenibilitat dels edificis és fonamental tenint en compte l'alt consum energètic del sector i el seu potencial de millora.

Què és l'exergia?

L'exergia representa la capacitat d'una energia per a transformar-se en treball. Algunes formes d'energia es poden transformar íntegrament, per exemple, en energia elèctrica on tota l'energia és exergia. No obstant això, existeixen altres formes d'energia com la calor, en les quals només una part pot convertir-se en treball, de manera que el flux d'exergia és només una part d'un flux de calor [1].

D'altra banda, la capacitat de transformació de l'energia en treball es correspon amb el grau de desequilibri de l'energia amb l'entorn. Per exemple, si bé l'energia interna de l'aigua d'un llac és enorme, el seu potencial de generació de treball és nul. Com més allunyat de l'ambient, major serà la capacitat de transformar-se en treball. Per tant, una massa d'aigua calenta a 60 °C presenta una exergia major que si està a 40 °C, ja que es troba més allunyada de la temperatura ambient.

Figura . Comparació de quantitat i qualitat entre diferents tipus d'energia. Imatge: Ana Picallo.

Aquestes idees de qualitat es recullen en el segon principi de la termodinàmica: encara que l'energia no es produeix ni destrueix (primer principi de la termodinàmica), la qualitat d'aquesta energia és cada vegada menor i irrecuperable. Aquesta pèrdua de qualitat es relaciona amb les imperfeccions dels equips i processos, denominant-se irreversibilitat o destrucció d'exergías.

Com es relacionen els conceptes exergia i economia?

La nostra societat necessita cada vegada més energia, però els recursos naturals estan limitats. En conseqüència, és fonamental per a la millora dels sistemes comprendre els mecanismes de degradació de l'energia i els recursos i desenvolupar procediments sistemàtics per a reduir el seu impacte ambiental. Si es combina l'anàlisi exérgico amb l'economia, s'obté una potent eina d'anàlisi i optimització de sistemes que es denomina exergoeconomía (exergoeconomics) [2].

A l'ésser l'exergia una energia útil per a la societat, té valor econòmic i hem de cuidar-la. Quan paguem pel consum d'energia, realment estem pagant la seva disponibilitat, és a dir, la seva exageració. Per tant, l'exergia és una base racional per a avaluar els recursos, processos, equips i eficiències dels sistemes i avaluar els costos dels productes dels sistemes.

Com es relacionen els conceptes exergia i medi ambient?

Gairebé tota l'energia (i per tant, l'exergia) arriba a la superfície terrestre des del Sol. L'exergia absorbida per la Terra es destrueix a poc a poc, però en aquesta destrucció es gestionen els cicles d'aigua, vent i vida del sòl. Les plantes absorbeixen l'exergia del sol i el converteixen en una exergia química a través de la fotosíntesi. Mitjançant la cadena alimentosa, aquesta exergia química passa pels organismes en els ecosistemes.

D'altra banda, els problemes energètics i ambientals són actualment notables, com l'escalfament global, la contaminació de l'aire, la contaminació de les aigües superficials i subterrànies, els residus sòlids, la degradació dels sòls, etc. No obstant això, en lloc d'associar aquesta degradació a l'energia, ha d'associar-se a l'exergia.

L'anàlisi exergiano és una potent eina per a realitzar processos i instal·lacions més eficients i, al mateix temps, reduir el consum de recursos (exergia) i per tant, reduir els residus generats. Per tant, la utilització de mètodes exergativos implica una adequada avaluació de la contaminació atmosfèrica, abocaments líquids o sòlids, etc., disciplina que es coneix com exergoeconomía ambiental (exergoenvironmics) [3].

Figura . Inadequada relació entre l'ús de l'energia i les fonts. Imatge: Ana Picallo.

Com es relacionen els conceptes d'exergía i sostenibilitat?

El desenvolupament sostenible de la societat i, en particular, del sector de la construcció passa per la provisió sostenible dels recursos naturals. La limitació de la major part dels béns naturals obliga al seu ús eficient per a mantenir-los en un termini més llarg. A més, el mineral es pot considerar un vector d'exergia: un dipòsit de minerals contrasta amb l'ambient, i com més gran és la concentració del mineral, major és el contrast i major és el potencial de treball (exergia).

Tenint en compte aquestes idees, l'anàlisi exergativo permet analitzar el grau d'eficiència d'una societat i l'equilibri en el consum dels seus recursos físics. D'aquesta manera, és possible comparar les societats mundials i analitzar el sistema internacional si volem distribuir els recursos d'una manera més justa en el món.

L'aplicació de l'energia en edificis fomenta l'eficiència energètica

El sector de la construcció està estretament relacionat amb el consum de recursos naturals i les emissions a l'atmosfera. Si analitzem els edificis al llarg del seu cicle de vida (construcció, ús i demolició), redueixen la capa d'ozó degut a l'ús de diferents productes químics. Així mateix, contribueixen al canvi climàtic a causa de les elevades emissions de CO2 tant durant la fase de construcció com durant la vida útil.

L'anàlisi exérgico és de gran utilitat tant per a l'estudi com per al disseny dels sistemes dels edificis i del conjunt de l'edifici. Com ja s'ha comentat, en considerar l'aspecte qualitatiu de l'energia (qualitat energètica) s'obté informació sobre l'adequació de l'energia utilitzada i la demanda energètica. Així, les fonts d'energia de baixa qualitat, com les calors residuals, poden ser utilitzades per a satisfer demandes de baixa qualitat com la climatització. Per tant, es quantifica el consum mínim d'exergia necessari per a satisfer la demanda (veure Figura 3. Per això, l'exergia potència l'eficiència energètica i les fonts renovables.

A més, es quantifiquen les pèrdues d'exergia al llarg de la cadena energètica i es posa de manifest el potencial de millora energètica, que no és possible obtenir amb les anàlisis energètiques. D'altra banda, proporciona una base comuna per a comparar l'eficiència energètica dels sistemes i instal·lacions dels edificis. D'aquesta forma es pot comparar amb l'exergia la calor del combustible de combustió d'una caldera i el guany solar d'una finestra.

Les pèrdues i destruccions d'exergía identifiquen els llocs i les causes de la ineficàcia d'un sistema. Això facilita la presa de decisions per a l'aplicació de mesures de millora.

Figura . Relació adequada entre l'ús de l'energia i les fonts, tenint en compte la seva qualitat. Imatge: Ana Picallo.

Encara que l'anàlisi exérgico és interessant, fa pocs anys es va començar a estudiar la seva aplicació en els edificis. Pot ser que per a alguns professionals sigui complex i, desgraciadament, els càlculs de mètodes exergativos semblen molestos, i els seus resultats, a vegades, poden ser difícils d'interpretar o comprendre.

Així mateix, l'anàlisi exergiano posa de manifest els baixos rendiments exérgicos dels sistemes convencionals. Per exemple, si una caldera de gas convencional té un rendiment energètic del 85-90%, el seu rendiment energètic és d'un rang d'un 18-20%. De fet, amb l'anàlisi exergiano es destaca que alguns dels processos i sistemes utilitzats habitualment són bàsicament erronis, la qual cosa pot anar en contra dels interessos d'alguns.

En conseqüència, l'exergia és una variable de gran significat

En aquest treball es presenten les idees clau per a l'aplicació de l'anàlisi exergológico en els edificis, tant des del punt de vista energètic com econòmic i ambiental.

L'anàlisi exérgico s'utilitza per a analitzar el comportament dels edificis, amb la finalitat de quantificar de manera precisa les pèrdues. Aquesta informació, imprescindible per al foment de l'eficiència energètica i el millor aprofitament dels recursos, només és possible mitjançant l'aplicació de la segona llei de la termodinàmica. Totes aquestes característiques fan de l'exergia una bona eina per a impulsar la sostenibilitat en l'àmbit de l'enginyeria i l'arquitectura.

En conseqüència, és necessari disposar de models detallats d'anàlisis exergonómico i de metodologies de càlcul específicament dissenyades en els edificis, amb la finalitat d'actualitzar el concepte i utilitzar-lo per part dels professionals del sector, objectiu del llibre recentment publicat “Anàlisi exérgico i termoeconomía en edificis: anàlisi i disseny de sistemes energètics sostenibles” [4].

Bibliografia

[1] Picallo, A., Escudero, C., Flores, I., & Sala, J. M. 2016Symbolic 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.