Exergia: ferramenta paira promover a eficiencia enerxética nos edificios

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

Cal é máis pesado 1 kg de palla ou 1 kg de ferro? Moitos saben que si a unidade de peso é kg pesarán o mesmo. Una pregunta similar é si a unidade de enerxía é kWh, onde está máis enerxía nun depósito de gas natural de 1 kWh ou nunha sala de aire quente de 1 kWh? En ambos os envases hai a mesma cantidade de enerxía, pero que tipo de enerxía ten maior utilidade desde o punto de vista da calidade?
Ed. Ana Picallo

Un fluxo de enerxía, ademais de ter una cantidade de enerxía, ten una calidade, é dicir, una capacidade de traballo útil, por exemplo: acender una luz, climatizar una estancia ou mover un coche. Entón, a capacidade de enerxía química de 1 kWh almacenada nun recipiente de gas natural é maior que a enerxía térmica de 1 kWh nunha masa de aire de 20ºC; en definitiva, a enerxía química do gas natural traballos con aproveitamento da enerxía química do gas natural (climatización, traballo mecánico, acendido dunha lámpada, etc.), pero coa enerxía térmica do aire só se pode climatizar, aínda que ambas en cantidade poden ter una enerxía de 1 kWh (ver).

A demanda enerxética dos edificios presenta altos niveis de calidade. Por unha banda consómese electricidade, por exemplo en iluminación, electrodomésticos, ascensores, etc. Por outra banda, o abastecemento de auga quente sanitaria e a satisfacción das demandas de calefacción e refrixeración realízanse, en xeral, con enerxías de alta calidade como o gas natural (enerxía química). Con todo, como a demanda de calefacción ou refrixeración satisfaise con enerxías de baixa calidade (enerxía térmica), a calidade enerxética final non se axusta á calidade da demanda (ver figura 2).

Até agora, aínda que a maioría dos sistemas enerxéticos deseñáronse cuantitativamente, deberían deseñarse tendo en conta a calidade (é dicir, a exergia), cos beneficios que iso leva. Ademais, ademais de fomentar a eficiencia enerxética, é necesario incorporar o aspecto ambiental paira conseguir sistemas enerxéticos con menor impacto ambiental, é dicir, paira fomentar a sustentabilidade.

O obxectivo deste traballo é reflexionar sobre os beneficios de aplicar o concepto de exergia no ámbito dos edificios. O fomento da eficiencia enerxética e a sustentabilidade dos edificios é fundamental tendo en conta o alto consumo enerxético do sector e o seu potencial de mellora.

Que é a exergia?

A exergia representa a capacidade dunha enerxía paira transformarse en traballo. Algunhas formas de enerxía pódense transformar integramente, por exemplo, en enerxía eléctrica onde toda a enerxía é exergia. Con todo, existen outras formas de enerxía como a calor, nas que só una parte pode converterse en traballo, de forma que o fluxo de exergia é só una parte dun fluxo de calor [1].

Por outra banda, a capacidade de transformación da enerxía en traballo correspóndese co grao de desequilibrio da enerxía coa contorna. Por exemplo, aínda que a enerxía interna da auga dun lago é enorme, o seu potencial de xeración de traballo é nulo. Canto máis afastado do ambiente, maior será a capacidade de transformarse en traballo. Por tanto, una masa de auga quente a 60ºC presenta una exergia maior que se está a 40ºC, xa que se atopa máis afastada da temperatura ambiente.

Figura . Comparación de cantidade e calidade entre diferentes tipos de enerxía. Imaxe: Ana Picallo.

Estas ideas de calidade recóllense no segundo principio da termodinámica: aínda que a enerxía non se produce nin destrúe (primeiro principio da termodinámica), a calidade desta enerxía é cada vez menor e irrecuperable. Esta perda de calidade relaciónase coas imperfeccións dos equipos e procesos, denominándose irreversibilidad ou destrución de exergías.

Como se relacionan os conceptos exergia e economía?

A nosa sociedade necesita cada vez máis enerxía, pero os recursos naturais están limitados. En consecuencia, é fundamental paira a mellora dos sistemas comprender os mecanismos de degradación da enerxía e os recursos e desenvolver procedementos sistemáticos paira reducir o seu impacto ambiental. Se se combina a análise exérgico coa economía, obtense una potente ferramenta de análise e optimización de sistemas que se denomina exergoeconomía (exergoeconomics) [2].

Ao ser a exergia unha enerxía útil paira a sociedade, ten valor económico e debemos coidala. Cando pagamos polo consumo de enerxía, realmente estamos a pagar a súa dispoñibilidade, é dicir, a súa esaxeración. Por tanto, a exergia é una base racional paira avaliar os recursos, procesos, equipos e eficiencias dos sistemas e avaliar os custos dos produtos dos sistemas.

Como se relacionan os conceptos exergia e medio ambiente?

Case toda a enerxía (e por tanto, a exergia) chega á superficie terrestre desde o Sol. A exergia absorbida pola Terra destrúese aos poucos, pero nesta destrución xestiónanse os ciclos de auga, vento e vida do chan. As plantas absorben a exergia do sol e convérteno nunha exergia química a través da fotosíntesis. Mediante a cadea alimenticia, esta exergia química pasa polos organismos nos ecosistemas.

Doutra banda, os problemas enerxéticos e ambientais son actualmente notables, como o quecemento global, a contaminación do aire, a contaminación das augas superficiais e subterráneas, os residuos sólidos, a degradación dos chans, etc. No entanto, en lugar de asociar esta degradación á enerxía, debe asociarse á exergia.

A análise exergiano é una potente ferramenta paira realizar procesos e instalacións máis eficientes e, ao mesmo tempo, reducir o consumo de recursos (exergia) e por tanto, reducir os residuos xerados. Por tanto, a utilización de métodos exergativos implica una adecuada avaliación da contaminación atmosférica, verteduras líquidas ou sólidos, etc., disciplina que se coñece como exergoeconomía ambiental (exergoenvironmics) [3].

Figura . Inadecuada relación entre o uso da enerxía e as fontes. Imaxe: Ana Picallo.

Como se relacionan os conceptos de exergía e sustentabilidade?

O desenvolvemento sustentable da sociedade e, en particular, do sector da construción pasa pola provisión sustentable dos recursos naturais. A limitación da maior parte dos bens naturais obriga ao seu uso eficiente paira mantelos nun prazo máis longo. Ademais, o mineral pódese considerar un vector de exergia: un depósito de minerais contrasta co ambiente, e canto maior é a concentración do mineral, maior é o contraste e maior é o potencial de traballo (exergia).

Tendo en conta estas ideas, a análise exergativo permite analizar o grao de eficiencia dunha sociedade e o equilibrio no consumo dos seus recursos físicos. Deste xeito, é posible comparar as sociedades mundiais e analizar o sistema internacional si queremos distribuír os recursos dunha maneira máis xusta no mundo.

A aplicación da enerxía en edificios fomenta a eficiencia enerxética

O sector da construción está estreitamente relacionado co consumo de recursos naturais e as emisións á atmosfera. Se analizamos os edificios ao longo do seu ciclo de vida (construción, uso e demolición), reducen a capa de ozono debido ao uso de diferentes produtos químicos. Así mesmo, contribúen ao cambio climático debido ás elevadas emisións de CO2 tanto durante a fase de construción como durante a vida útil.

A análise exérgico é de gran utilidade tanto paira o estudo como paira o deseño dos sistemas dos edificios e do conxunto do edificio. Como xa se comentou, ao considerar o aspecto cualitativo da enerxía (calidade enerxética) obtense información sobre a adecuación da enerxía utilizada e a demanda enerxética. Así, as fontes de enerxía de baixa calidade, como as calores residuais, poden ser utilizadas paira satisfacer demandas de baixa calidade como a climatización. Por tanto, cuantifícase o consumo mínimo de exergia necesario paira satisfacer a demanda (ver Figura 3. Por iso, a exergia potencia a eficiencia enerxética e as fontes renovables.

Ademais, cuantifícanse as perdas de exergia ao longo da cadea enerxética e ponse de manifesto o potencial de mellora enerxética, que non é posible obter coas análises enerxéticas. Doutra banda, proporciona una base común paira comparar a eficiencia enerxética dos sistemas e instalacións dos edificios. Desta forma pódese comparar coa exergia a calor do combustible de combustión dunha caldeira e a ganancia solar dunha xanela.

As perdas e destrucións de exergía identifican os lugares e as causas da ineficacia dun sistema. Isto facilita a toma de decisións paira a aplicación de medidas de mellora.

Figura . Relación adecuada entre o uso da enerxía e as fontes, tendo en conta a súa calidade. Imaxe: Ana Picallo.

Aínda que a análise exérgico é interesante, hai poucos anos comezouse a estudar a súa aplicación nos edificios. Poida que paira algúns profesionais sexa complexo e, desgraciadamente, os cálculos de métodos exergativos parecen molestos, e os seus resultados, en ocasións, poden ser difíciles de interpretar ou comprender.

Así mesmo, a análise exergiano pon de manifesto os baixos rendementos exérgicos dos sistemas convencionais. Por exemplo, se una caldeira de gas convencional ten un rendemento enerxético do 85-90%, o seu rendemento enerxético é dun rango dun 18-20%. De feito, coa análise exergiano destácase que algúns dos procesos e sistemas utilizados habitualmente son basicamente erróneos, o que pode ir en contra dos intereses dalgúns.

En consecuencia, a exergia é una variable de gran significado

Neste traballo preséntanse as ideas crave paira a aplicación da análise exergológico nos edificios, tanto desde o punto de vista enerxético como económico e ambiental.

A análise exérgico utilízase paira analizar o comportamento dos edificios, co fin de cuantificar de forma precisa as perdas. Esta información, imprescindible paira o fomento da eficiencia enerxética e o mellor aproveitamento dos recursos, só é posible mediante a aplicación da segunda lei da termodinámica. Todas estas características fan da exergia una boa ferramenta paira impulsar a sustentabilidade no ámbito da enxeñaría e a arquitectura.

En consecuencia, é necesario dispor de modelos detallados de análises exergonómico e de metodoloxías de cálculo especificamente deseñadas nos edificios, co fin de actualizar o concepto e utilizalo por parte dos profesionais do sector, obxectivo do libro recentemente publicado “Análise exérgico e termoeconomía en edificios: análise e deseño de sistemas enerxéticos sustentables” [4].

Bibliografía

[1] Picallo, A., Escudeiro, 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. & Ao-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.