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“POP en ingeniería eléctrica y energética” ENERGÍAS RENOVABLES Y EFICIENCIA ENERGÉTICA Aplicación de la Termoeconomía a la Ecología Industrial en Director: Sergio Usón Gil Codirector: Alicia Valero Delgado Septiembre de 2011 “POP en ingeniería eléctrica y energética” MÁSTER UNIVERSITARIO EN: ENERGÍAS RENOVABLES Y EFICIENCIA ENERGÉTICA Curso académico 2010-2011 Trabajo final de Máster: Termoeconomía a la Ecología Industrial en Kalundborg Autor: Jorge Costa Sorolla ENERGÍAS RENOVABLES Y EFICIENCIA ENERGÉTICA Termoeconomía a la Ecología Industrial en Autor: Jorge Costa Sorolla A PLICACIÓN DE LA T ERMOECONOMÍA A LA E COLOGÍA I NDUSTRIAL EN K ALUNDBORG RESUMEN La motivación del presente trabajo es aplicar la Termoeconomía a la Ecología industrial, y en consecuencia, se establece como objetivo principal: la aplicación de un análisis termoeconómico sobre el modelo de Simbiosis Industrial de Kalundborg. De este modo y como iniciativa pionera, se podrá cuantificar mediante una metodología termoeconómica el ahorro obtenido en el ecoparque industrial que mayor reconocimiento goza en el ámbito de la Ecología Industrial. La estructura que se ha seguido en el desarrollo del trabajo se divide en tres partes, las cuales se incluyen en tres anexos bien diferenciados. En primer lugar, fruto de una extensa y laboriosa búsqueda bibliográfica, se expone una detallada descripción cualitativa y cuantitativa sobre el modelo de Simbiosis Industrial de Kalundborg, atendiendo a los participantes, flujos y beneficios que lo caracterizan. En segundo lugar, se define un caso de estudio basado en el modelo de Simbiosis Industrial descrito en la primera parte del trabajo. A partir del caso de estudio definido, se elabora un modelo termodinámico que permite caracterizarlo en términos de exergía mediante el correspondiente análisis exergético. Por último, se aplica el análisis termoeconómico al caso de estudio caracterizado en la segunda parte del trabajo obteniéndose los resultados deseados. En cuanto a los resultados obtenidos, permiten asignar precios justos a los flujos de las integraciones y demuestran en términos termoeconómicos el ahorro sustancial de recursos que supone el modelo de Simbiosis Industrial de Kalundborg, aportando una razón de peso para justificar la integración de procesos en la toma de decisiones para futuros ecoparques industriales. Aplicación de la Termoeconomía a la Ecología Industrial en Kalundborg Memoria 1 ÍNDICE MEMORIA 1. Introducción ......................................................................................................... 4 1.1 Objeto ............................................................................................................. 5 1.2 Alcance ........................................................................................................... 5 1.3 Metodología .................................................................................................... 5 2. Ecología Industrial ............................................................................................... 5 3. Termoeconomía ................................................................................................... 6 4. Aplicación de la Termoeconomía a la Ecología Industrial ................................ 8 5. Modelo de Simbiosis Industrial de Kalundborg ................................................ 8 5.1 Integrantes ..................................................................................................... 9 5.2 Flujos ............................................................................................................ 11 5.3 Beneficios ambientales ................................................................................. 14 6. Caso de estudio ................................................................................................. 15 7. Análisis termoeconómico ................................................................................. 19 7.1 Estructura productiva .................................................................................... 19 7.2 Coste exergético ........................................................................................... 20 7.3 Impacto en fuel ............................................................................................. 22 8. Conclusiones ..................................................................................................... 25 8.1 Síntesis ......................................................................................................... 25 8.2 Aportaciones ................................................................................................. 26 8.3 Perspectivas ................................................................................................. 26 9. Bibliografía ......................................................................................................... 26 ANEXO 1: SIMBIOSIS INDUSTRIAL EN KALUNDBORG 1. Introducción ....................................................................................................... 32 2. Ecología Industrial ............................................................................................. 32 2.1 Antecedentes ................................................................................................ 32 2.2 Concepto ...................................................................................................... 33 2.3 Ecoparque industrial ..................................................................................... 37 Aplicación de la Termoeconomía a la Ecología Industrial en Kalundborg Memoria 2 3. Modelo de Simbiosis Industrial de Kalundborg .............................................. 39 3.1 Antecedentes ................................................................................................ 39 3.2 Concepto de Simbiosis Industrial .................................................................. 40 3.3 Integrantes ................................................................................................... 41 3.4 Desarrollo cronológico .................................................................................. 49 3.5 Flujos ............................................................................................................ 54 ANEXO 2: DEFINICIÓN Y ANÁLISIS EXERGÉTICO DEL CASO DE ESTUDIO 1. Introducción ....................................................................................................... 67 2. Planteamiento .................................................................................................... 67 3. Caso base ........................................................................................................... 68 3.1 Estructura física ............................................................................................ 68 3.2 Modelo termodinámico ................................................................................. 70 3.3 Resultados anuales ...................................................................................... 83 4. Caso alternativo ................................................................................................. 85 4.1 Estructura física ............................................................................................ 85 4.2 Modelo termodinámico ................................................................................. 86 4.3 Resultados anuales ...................................................................................... 91 ANEXO 3: ANÁLISIS TERMOECONÓMICO 1. Introducción ....................................................................................................... 93 2. Termoeconomía ................................................................................................. 93 2.1 Antecedentes ................................................................................................ 93 2.2 Fundamentos ................................................................................................ 93 3. Diagnóstico termoeconómico ........................................................................... 99 3.1 Antecedentes ................................................................................................ 99 3.2 Fundamentos .............................................................................................. 100 4. Análisis termoeconómico aplicado al modelo de Simbiosis Industrial ....... 107 4.1 Estructura productiva .................................................................................. 107 4.2 Modelo fuel-producto .................................................................................. 110 Aplicación de la Termoeconomía a la Ecología Industrial en Kalundborg Memoria 3 4.3 Coste exergético ......................................................................................... 113 4.4 Malfunción, disfunción e irreversibilidad ...................................................... 115 4.5 Impacto en fuel ........................................................................................... 119 Aplicación de la Termoeconomía a la Ecología Industrial en Kalundborg Memoria 4 1. Introducción Estamos asistiendo a una gran crisis medioambiental, resultado de la actividad industrial y de la explosión demográfica a partir de la Revolución Industrial. Además, desde el punto de vista del consumo de recursos, el actual modelo de desarrollo no es sostenible. Con el desarrollo de la ciencia y la tecnología es posible que se aplacen los problemas medioambientales, aunque para solventar la insostenibilidad del modelo actual hay que romper con el fetiche del crecimiento y corregir el uso que se le está dando al mundo natural. Para ello, la economía debe partir de la realidad física, y así poder conocer lo mejor posible los límites naturales. Cada vez hay más autores que defienden esta visión multidisciplinar, denominada Economía Ecológica. Entre las nuevas propuestas de pensamiento de la Economía Ecológica, cabe destacar la Termoeconomía, que busca unificar la física con la economía para establecer los costes físicos del uso de los recursos naturales, incorporando en su valoración monetaria los costes por degradación. Si nos centramos en la industria, motor del desarrollo económico actual, un factor primordial de la actual crisis medioambiental ha sido organizar los sistemas de producción de modo lineal, lo cual maximiza el consumo de recursos y la producción de residuos respecto a la organización en ciclos cerrados, donde los materiales y la energía puedan reutilizarse de modo que el residuo de un proceso constituya un recurso para otro proceso. Como modelo alternativo y sostenible al desarrollo industrial tradicional surgió a finales del siglo XX el innovador concepto de la Ecología Industrial. Puede parecer a primera vista que “ecología” e “industria” son términos contradictorios, ya que suele asociarse la contaminación con la industria. Sin embargo, la Ecología Industrial parte de la premisa de que no es necesario inventar un mundo sostenible, puesto que ya existe y está a nuestro alrededor. En consecuencia, la Ecología Industrial plantea una analogía directa entre los sistemas naturales y las actividades industriales, de modo que los diseños biológicos de la naturaleza sean emulados como modelos de comportamiento para la sostenibilidad. Definitivamente, ante la existencia de un mundo finito donde cada generación impone límites a la siguiente, la Termoeconomía y la Ecología Industrial constituyen dos herramientas para acercarnos a la sostenibilidad en el sistema económico y en la industria, que pueden asegurar las posibilidades de las generaciones futuras. En este contexto, el presente trabajo se basa en la idea pionera de aplicar la Termoeconomía a la Ecología Industrial y su interés fundamental reside en que, por primera vez, se emplea la Termoeconomía como herramienta de análisis en un ecoparque industrial, y concretamente, en el modelo de Simbiosis Industrial de Aplicación de la Termoeconomía a la Ecología Industrial en Kalundborg Memoria 5 Kalundborg, el cual es reconocido por la comunidad científica internacional como un referente en la aplicación de la Ecología Industrial. 1.1 Objeto La motivación para la elaboración del presente trabajo es aplicar la Termoeconomía a la Ecología Industrial, y concretamente a un caso real. En consecuencia, se establece como objetivo principal la realización de un análisis termoeconómico sobre el modelo de Simbiosis Industrial de Kalundborg que permita cuantificar los ahorros obtenidos. 1.2 Alcance El alcance del trabajo viene limitado por la información disponible sobre el modelo de Simbiosis Industrial de Kalundborg. Debido a su continua evolución y expansión, el ecoparque industrial ha alcanzado tal grado de madurez que hace que la realización de un análisis termoeconómico completo del mismo sea excesivamente complejo de abordar, e incluso imposible sin contar con la colaboración de los actores principales, que son los que pueden aportar la información necesaria. Por consiguiente, considerando los principales flujos intercambiados se ha optado definir un caso de estudio simplificado, aunque riguroso y representativo, del modelo de Simbiosis Industrial para poder llevar a cabo el análisis termoeconómico. 1.3 Metodología La metodología seguida para la realización del trabajo se divide en las siguientes fases: 1º Búsqueda bibliográfica. 2º Análisis de los flujos de materiales y energía. 3º Definición del caso de estudio. 4º Cálculo exergético mediante el software EES. 5º Análisis termoeconómico mediante el software TAESS. 6º Resultados 7º Conclusiones. 2. Ecología Industrial Desde finales del siglo XX se abre paso el innovador concepto de la Ecología Industrial. Tradicionalmente se ha considerado que la fabricación comienza cuando las materias primas entran en el proceso de producción y termina con la expedición del producto acabado. La Ecología Industrial va más lejos, considera las fuentes de abastecimiento de materias primas, los efectos de su extracción y el destino final del producto una vez agotada su vida útil, entre otros aspectos. Aplicación de la Termoeconomía a la Ecología Industrial en Kalundborg Memoria 12 b) Flujos energéticos En la siguiente tabla se muestra la cantidad anual, en unidades de energía o masa, de cada uno de los flujos energéticos de la figura 4: Nº Flujos energéticos Cantidad anual Fuente 2 Gas 8.000 t Lowe, 2001 6 Agua caliente 390.000 GJ Jacobsen, 2006 7 Energía térmica 931 TJ Jacobsen, 2006 8 Vapor 1.500 TJ www.symbiosis.dk 9 Vapor 15 Gas 60.000 t Lowe, 2001 27 Vapor - - 29 Bioetanol 4.300 t www.inbicon.com Tabla 3 – Caudal de los flujos energéticos de la Simbiosis Industrial (2) Gas (6) Agua caliente (8) Vapor (7) Energía térmica (9) Vapor (15) Gas INBICON (27) Vapor (29) Bioetanol PISCIFACTORÍA NOVO GROUP ASNAESSTATOIL GYPROC KALUNDBORG Figura 4 – Flujos energéticos de la Simbiosis Industrial (Elaboración propia a partir de Andersen, 2011) Aplicación de la Termoeconomía a la Ecología Industrial en Kalundborg Memoria 13 c) Flujos de subproductos A continuación puede observarse el caudal másico o volumétrico anual de los flujos de subproductos que aparecen en la figura 5: Nº Flujos de subproductos Cantidad anual Fuente 4 Fertilizante 150.000 t www.symbiosis.dk 5 Cenizas 200.000 t Lowe, 2001 12 Levadura 92.000 m 3 www.novonordisk.com 13 Tiosulfato de amonio 2.800 t Lowe, 2001 16 Yeso 80.000 t Lowe, 2001 19 Lodo - - 20 Cenizas Orimulsión - - 23 Yeso reciclado 8.000 t Grann, 1997 26 Aluminio - - 28 Paja de trigo 30.000 t www.inbicon.com 30 Pellets 8.250 t www.inbicon.com 31 Melaza 11.100 t www.inbicon.com Tabla 4 – Caudal de los flujos de subproductos de la Simbiosis Industrial (4) Fertilizante (12) Levadura (16) Yeso Depuradora aguas residuales RGS 90 (19) Lodo (5) Cenizas (20) Cenizas Orimulsión KARA/NOVEREN (23) Yeso reciclado AALBORG PORTLAND RECUPERACIÓN METALES GANADERÍA INBICON NORDISK ALUMINAT ALUSCAN (26) Aluminio AGRICULTURA (28) Paja de trigo (30) Pellets (31) Melaza INDUSTRIA FERTILIZANTES (13) Tiosulfato de amonio STATOIL ASNAES NOVO GROUP GYPROC Figura 5 – Flujos de subproductos de la Simbiosis Industrial (Elaboración propia a partir de Andersen, 2011) Aplicación de la Termoeconomía a la Ecología Industrial en Kalundborg Memoria 14 5.3 Beneficios ambientales Los beneficios ambientales asociados a la Simbiosis Industrial están determinados por ahorros en el consumo de agua, combustible y materia prima, dichos ahorros conllevan disminuir los residuos generados así como las emisiones de contaminantes, como se muestra en la tabla siguiente: Ahorro anual Agua Subterránea 1.900.000 m 3 Superficial 1.000.000 m 3 Combustible Petróleo 20.000 t Carbón 30.000 t Materia prima/residuo Ceniza 200.000 t Yeso 80.000 t Emisiones evitadas SO 2 25.000 t CO 2 175.000 t Tabla 5 – Principales beneficios ambientales de la Simbiosis Industrial (Lowe, 2001) 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 valorización conlleva por un lado evitar la “eliminación” de dicho residuo, y por el otro se evita el consumo de la materia prima, así como de todos los recursos asociados a la obtención de la misma, que sería necesario si no se llevara a cabo la valorización. Por ejemplo, los procesos de desulfuración en la central térmica y la refinería, además de evitar la emisión de dióxido de azufre a la atmósfera, producen yeso y tiosulfato de amonio respectivamente. La valorización de estos dos residuos supone para los emisores evitar su “eliminación”, y para los receptores, en el caso del yeso se reduce la importación de yeso natural, mientras que en el caso del tiosulfato de amonio se ahorra en materias primas y recursos correspondientes a su obtención. Con las cenizas ocurre exactamente lo mismo, su valorización repercute en una menor necesidad de clinker, y por tanto de los recursos necesarios para su fabricación. 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 fabricación de ambos productos. En el caso de los flujos energéticos, como por ejemplo el gas excedente de la refinería o la energía térmica residual de la central, en origen conlleva evitar su disipación al medioambiente, mientras que para los receptores repercute en un ahorro sustancial de combustible. Aplicación de la Termoeconomía a la Ecología Industrial en Kalundborg Memoria 15 En cuanto a los flujos hídricos, el principal beneficio ambiental alcanzado es el ahorro en el consumo de agua, focalizado en sus inicios en la sustitución de agua subterránea por agua superficial, y más tarde en la reutilización. Además, en términos económicos también se han alcanzado beneficios sustanciales. Como ejemplo, para el año 2000 ya se habían invertido 75 millones de dólares en 19 proyectos con un ahorro estimado de 15 millones de dólares (Cervantes et al, 2009). 6. Caso de estudio La aplicación de la Termoeconomía al modelo de Simbiosis Industrial de Kalundborg precisa de la definición de un caso de estudio sobre dicho modelo que permita su caracterización en términos de exergía. En este sentido, la información técnica recopilada sobre los flujos intercambiados limita el alcance del caso de estudio establecido. Sin embargo, fruto de una extensa y laboriosa búsqueda bibliográfica, se ha elaborado un caso de estudio que incluye los flujos más representativos de la Simbiosis Industrial de Kalundborg. El caso de estudio gira en torno a la central térmica, puesto que representa el corazón de la Simbiosis Industrial, y tiene en consideración las integraciones principales en las que ésta participa: 1. Gas excedente Suministro de gas excedente de la refinería que anteriormente se quemaba en antorchas para su aprovechamiento en la caldera de la central térmica. Sustituye parte del carbón consumido en la central. 2. Vapor de proceso Extracción de vapor en las turbinas de la central térmica para su utilización en procesos productivos en Novo Group y Statoil. 3. Vapor District Heating Extracción de vapor en las turbinas de la central térmica para el abastecimiento del sistema de calefacción central de la ciudad de Kalundborg. 4. Agua caliente Aprovechamiento de agua de mar caliente a baja temperatura procedente del condensador de la central térmica en la piscifactoría. 5. Cenizas Aplicación de la Termoeconomía a la Ecología Industrial en Kalundborg Memoria 16 Utilización de las cenizas y escorias generadas en la combustión de carbón de la central térmica como materia prima, en sustitución del clinker, para la fabricación de cemento. 6. Yeso Utilización del yeso generado en el proceso de desulfuración de los gases de combustión de la central térmica como materia prima en la fabricación de placas de yeso. Sustituye la importación de yeso natural desde España. A fin de evaluar el efecto que tiene la Simbiosis Industrial en el ahorro de recursos, el caso de estudio definido se divide en un caso base y un caso alternativo. El caso base simula la situación referente a la Simbiosis Industrial con las seis integraciones consideradas: Mientras que el caso alternativo mostrado en la figura 7, simula una situación ficticia donde no existe integración entre las partes de modo que los flujos simbióticos son sustituidos por otros obtenidos mediante procesos convencionales. Es decir, el gas excedente se quema en una antorcha originando un consumo de carbón adicional en la central, las integraciones de vapor y agua caliente se sustituyen por calderas de gas natural, las cenizas se sustituyen por clinker producido en un horno y el yeso es importado desde España mediante transporte marítimo. Figura 6 – Esquema del caso base (Elaboración propia) Asnaes (central térmica) Carbón Statoil (refinería) Statoil (refinería) Novo Group (empresa farmacéutica) Piscifactoría 2. Vapor de proceso Kalundborg 3. Vapor District Heating 4. Agua caliente 5. Cemento 6. Yeso Gyproc (empresa de placas de yeso) Aalborg Portland (cementera) Electricidad 1. Gas excedente Aplicación de la Termoeconomía a la Ecología Industrial en Kalundborg Memoria 17 El diagrama físico definido para la representación de ambos casos es el siguiente: Figura 7 – Esquema del caso alternativo (Elaboración propia) Caliza Horno de clinker Clinker/cenizas Gas Natural Caldera de Gas Natural Gas Natural Agua a piscifactoría Yeso Caldera de Gas Natural Vapor de proceso Gas Natural Caldera de Gas Natural Vapor District Heating Fuel-oil Yeso natural Transporte marítimo desde España Fuel-oil Caldera Cenizas Planta desulfuradora Carbón Agua Electricidad Caliza Grupo turbinagenerador Condensador Agua de mar Electricidad Agua a fiordo Vapor a condensador Gases de combustión (con SO 2 ) Gases de combustión (sin SO 2 ) Clinker Carbón Gas Natural Gas Natural/ carbón 1 2 3 6 4 5 Vapor sobrecalentado Vapor condensado Figura 8 – Diagrama físico del caso de estudio (Elaboración propia) Asnaes (central térmica) Statoil (refinería) Novo Group (empresa farmacéutica) Piscifactoría 2. Vapor de proceso Kalundborg 3. Vapor District Heating 4. Agua caliente 5. Cemento 6. Yeso Gyproc (empresa de placas de yeso) Aalborg Portland (cementera) Electricidad Caldera de Gas Natural Gas Natural Caldera de Gas Natural Gas Natural Caldera de Gas Natural Gas Natural Transporte marítimo desde España Yeso natural Fuel-oil Horno de clinker Caliza Fuel-oil Gas excedente Statoil (refinería) Combustión en antorcha Carbón 1. Carbón adicional Aplicación de la Termoeconomía a la Ecología Industrial en Kalundborg Memoria 18 En el anexo 2 se describe el modelo termodinámico del caso de estudio, cuya elaboración se ha visto dificultada por la falta de información técnica sobre las integraciones consideradas. Como solución, se han buscado procesos similares en la bibliografía para poder adoptar las hipótesis necesarias y/o obtener datos técnicos. Los resultados del modelo termodinámico se muestran en la siguiente tabla, donde aparecen para los dos casos considerados los valores exergéticos de cada uno de los flujos:      ñ  ⁄  Flujo Caso base Caso alternativo Carbón 10.376 10.591 Gas excedente* 841,7 841,7 Electricidad central 3.968 3.968 Ceniza* 21,79 22,24 Dióxido de azufre 25,98 26,51 Caliza desulfuración 1,933 1,973 Agua desulfuración 4,51 4,604 Yeso* 2,036 2,078 Electricidad desulfuración 24,8 24,8 Vapor proceso 193,4 193,4 Vapor District Heating 63,8 63,8 Agua piscifactoría* 14 14 Vapor turbina 4.487 4.487 Gas Natural proceso - 495,8 Gas Natural District Heating - 307,7 Gas Natural piscifactoría - 254,4 Caliza producción clinker - 16,26 Fuel-oil producción clinker - 213,4 Clinker - 59,51 Yeso natural - 2,036 Fuel-oil transporte yeso - 9,703 Tabla 6 – Exergía anual de los flujos del caso de estudio (Elaboración propia) Los flujos marcados con un asterisco representan aquellos que en el caso alternativo, al no considerar su aprovechamiento, deben ser disipados al no poder evitar su generación. Se ha considerado únicamente el proceso de disipación mediante una antorcha para el gas excedente de la refinería, puesto que dada la magnitud en términos de exergía de dicho flujo, no puede obviarse. Aplicación de la Termoeconomía a la Ecología Industrial en Kalundborg Memoria 19 Partiendo del análisis realizado en el anexo 1 sobre el modelo de Simbiosis Industrial de Kalundborg, el anexo 2 se dedica exclusivamente al caso de estudio, en él se define su estructura física y se elabora el modelo termodinámico que lo representa. 7. Análisis termoeconómico La aplicación del análisis termoeconómico al caso de estudio definido en el anexo 2 se realiza mediante el software TAESS, el cual está basado en Excel y puede descargarse en la web www.exergoecology.com. En el presente apartado se resume el análisis termoeconómico realizado, el cual se trata en profundidad en el anexo 3. 7.1 Estructura productiva El punto de partida del análisis termoeconómico es la estructura productiva, que es la representación gráfica de la distribución de flujos del sistema. Además, la estructura productiva contiene la definición fuel-producto de cada componente, es decir, sus flujos describen las relaciones productivas entre los componentes basadas en el diagrama físico, de modo que las flechas de entrada hacia los componentes son los fueles y las flechas de salida son los productos, aunque no implica que dichos flujos coincidan con los flujos físicos del diagrama físico. En la figura siguiente se muestra la estructura productiva del caso de estudio: 1. Separador de cenizas y desulfuración 2. Caldera 3. Turbina 4. Caldera vapor de proceso 5. Caldera District Heating 6. Caldera piscifactoría 7. Horno de clinker 8. Transporte de yeso 9. Antorcha 1. Carbón 3. Carbón sin Z ni S 19. Caliza 20. Agua 21. Electricidad 16. Caliza 17. Fuel-oil 23. Yeso natural 24. Fuel-oil 25. Yeso 22. Yeso 10. Gas Natural 11. Vapor 9. Vapor 12. Agua caliente 14. Agua caliente 6. Vapor 4. Vapor 15. Ceniza 18. Ceniza/clinker 5. Electricidad 8. Vapor 13. Gas Natural 7. Gas Natural 26. Gas excedente 27. Gas excedente 2. Gas excedente Figura 9 – Estructura productiva del caso de estudio (Elaboración propia) Aplicación de la Termoeconomía a la Ecología Industrial en Kalundborg Memoria 20 El aspecto más importante de la estructura productiva definida es que los componentes que representan las integraciones consideradas no operan del mismo modo para los dos casos considerados, es decir, en el caso integrado actúan como uniones conectadas con la central térmica sin consumir los recursos externos planteados, mientras que en el caso sin integración actúan como procesos aislados de la central térmica consumiendo recursos externos. Esta particularidad ha supuesto una problemática en la definición de la estructura productiva, ya que dicha estructura cambia de un caso a otro, por lo que el diagnóstico no es tan sencillo como en un sistema convencional en el que únicamente existen degradaciones de equipos. Una vez definida la estructura productiva se obtienen los costes y se aplica el diagnóstico termoeconómico mediante las ecuaciones detalladas en el anexo 3. Lo cual se realiza mediante TAESS, donde se introducen las exergías de cada uno de los flujos para las dos situaciones a comparar: con integración (caso base) y sin integración (caso alternativo). Además, junto a los valores exergéticos de los flujos, debe introducirse la definición fuel-producto que representa la estructura productiva. 7.2 Coste exergético El coste exergético unitario se define como la cantidad de recursos, medidos en términos de exergía, necesarios para obtener una unidad de producto. Su utilidad práctica es establecer de forma objetiva el precio de los productos de cada componente. Por tanto, el análisis de costes permite cuantificar de forma objetiva el coste que se ahorra con cada una de las integraciones planteadas. En la tabla siguiente se muestran los costes exergéticos unitarios del producto de cada componente que se han obtenido para los dos casos considerados: Coste exergético unitario del producto Componente Con integración Sin integración 1 Separador + desulfuración 1,0054 1,0076 2 Caldera 2,3591 2,5550 3 Turbina 2,6676 2,8891 4 Caldera vapor de proceso 2,3591 2,5636 5 Caldera District Heating 2,3591 4,8229 6 Caldera piscifactoría 2,3591 18,1714 7 Horno clinker 1,0054 3,8592 8 Transporte yeso 1,0054 5,7657 9 Antorcha 1,0000 1,0000 Tabla 7 – Costes exergéticos unitarios del producto de los componentes Aplicación de la Termoeconomía a la Ecología Industrial en Kalundborg Memoria 21 En la tabla 7 puede observarse como se incrementa el coste exergético unitario de los componentes que representan las integraciones, a excepción de la antorcha. Este incremento se debe al hecho de sustituir las integraciones, las cuales actuaban como uniones en el caso integrado, por procesos alternativos que lógicamente consumen recursos y generan siempre irreversibilidad. Particularizando en los componentes del sistema conviene destacar lo siguiente: • Separador + desulfuración: Su incremento es insignificante y se debe al hecho de considerar en el caso sin integración que los flujos de cenizas y yeso suponen irreversibilidades propias del componente. Por tanto, era de esperar que su coste se mantenga prácticamente constante teniendo en cuenta que los procesos de separación de cenizas y desulfuración no tienen porqué modificar su rendimiento exergético. • Caldera y turbina: La turbina mantiene su eficiencia exergética mientras que en la caldera varía de modo insignificante al incrementar su irreversibilidad con el agua de refrigeración que era enviada a la piscifactoría y en el caso sin integración debe ser disipada en el condensador. Sin embargo, puede observarse un ligero incremento en el coste de ambos componentes, cuyo origen está en la asignación de una parte del coste de la antorcha. Por tanto, cabe destacar que el coste del residuo incrementa ligeramente el coste del producto de la caldera y por consiguiente, de la electricidad generada debido a la disipación del gas excedente en la antorcha. • Caldera vapor de proceso: La caldera auxiliar de proceso es menos eficiente en términos exergéticos que la caldera de la central térmica, sin embargo en el caso sin integración se observa que poseen prácticamente el mismo coste. Por tanto, lo que hace que ambos costes se igualen es el hecho de incrementar el coste de la caldera de la central térmica por la disipación del gas excedente. • Caldera District Heating: Comparando ambos casos, puede observarse como el coste de la caldera de District Heating se incrementa más del doble. Esto es debido a la baja eficiencia exergética que conlleva el proceso de generar energía térmica para District Heating, de menor temperatura que el vapor de proceso, a partir de gas natural respecto al caso integrado donde queda demostrado que son necesarios menos de la mitad de recursos. Aplicación de la Termoeconomía a la Ecología Industrial en Kalundborg Memoria 28 Hermann, W.A. “Quantifying global exergy resources”. Energy, 31(12), pp. 1685-1702, 2005. Izaola, B. “El ecosistema industrial de Kalundborg: Competitividad, sostenibilidad y calidad de vida”. Territorios inteligentes: dimensiones y experiencias internacionales, pp. 193-210. Betbiblo, 2008. Jacobsen, N.B. “Industrial Symbiosis in Kalundborg, Denmark. A Quantitative Assesment of Economic and Environmental Aspects”. Journal of Industrial Ecology, vol. 10, nº 1-2, pp.239-255, 2006. Larsen, M.; Bech, M.; Bidstrup, T.; Christensen, N.P.; Vangkilde-Pedersen, T.; Biede, O. “Kalundborg case study, a feasibility study of CO2 storage in onshore saline aquifers”. Geological Survey of Denmark and Greenland, Ministry of the Environment, 2007. Lowe, E.A. “Creating by-product resource exchanges: strategies for eco-industrial parks”. Journal of Cleaner Production, vol. 5, pp. 57-65, 1998. Lowe, E.A. “Eco-industrial Park Handbook for Asian Developing Countries. A Report to Asian Development Bank”. Environment Department, Indigo Development, Oakland, CA, 2001. Lowe, E.A.; Warren J.; Moran S. “Discovering Industrial Ecology”. Columbus, Battelle Press, 1997. Lozano, M.A.; Valero, A. “Determinación de la exergía para sustancias de interés industrial”. Ingeniería química, vol. 204, pp. 119-128, 1986. Manahan S.E. “Introducción a la química ambiental”. Reverte, 2007. Masters G.M. “Renewable and efficient electric power systems”. Wiley-IEEE, 2004. Mommer, B. “La Orimulsión: verdades científicas y mentiras políticas”. Interciencia, vol. 29, nº 1, pp. 11-12, 2004. Moran, M.J.; Shapiro, H.N. “Fundamentos de termodinámica técnica”. Reverte, 2004. Nag, P.K. “Power Plant Engineering”. Tata McGraw-Hill Education, 2008. Ordóñez, S.; Díaz, E.; Orviz, P. “Desafíos tecnológicos de la nueva normativa sobre medio ambiente industria”. Universidad de Oviedo, 2007. Pérez, E.; Torres, C. “TAESS. Thermoeconomic Analysis of Energy System Software”. CIRCE. Centro de Investigación de Recursos y Consumos Energéticos, 2007. Aplicación de la Termoeconomía a la Ecología Industrial en Kalundborg Memoria 29 Pinzón, A. “La simbiosis industrial en Kalundborg”. DEARQ, Revista de Arquitectura de la Universidad de los Andes, nº 4, pp. 155-160, 2009. Randolph J.; Masters G.M. “Energy for sustainability: technology, planning, policy”. Island Press, 2008. Ray, H.S.; Singh, B.P.; Bhattacharjee S.; Misra, V.N. “Energy in minerals and metallurgical industries”. Allied Publishers, 2005. Renedo, C.J. “Sistemas a escala urbana: District Heating y District Cooling”. Curso de Postgrado Construcción Sostenible, UPV-EHU, 2007. Torres, C. “Exergoeconomía Simbólica. Metodología para el análisis termoeconómico de los sistemas energéticos”. Universidad de Zaragoza, 1991. Torres, C.; Valero, A.; Serra, L.; Royo, J. “Structural theory and thermoeconomic diagnosis Part I. On malfunction and dysfunction analysis”. Energy and Conversion Management, 43, pp. 1503-1518, 2002. Torres, C.; Valero, A.; Pérez, E. “Guidelines to develop software for thermoeconomic analysis of energy systems. Part I: The thermoeconomic model. Part II: Application to thermoeconomic diagnosis”. Proceedings of ECOS, Padova, Italy, June 25-28, vol.1, pp. 435-451, 2007. Torres E.V. “Estudio del funcionamiento del sistema de enfriamiento de una central termoeléctrica mediante el análisis exergoeconómico”. ESIME, Instituto Politécnico Nacional, México, 2004. Twardowska, I. “Solid waste: assessment, monitoring and remediation”. Gulf Professional Publishing, 2004. Uche, J. “Análisis termoeconómico y simulación de una planta combinada de producción de agua y energía”. Universidad de Zaragoza, 2000. UNCTAD. “Review of maritime transport 2005”. United Nations Conference on Trade and Development, 2006. Usón, S.; Valero, A. “Thermoeconomic Diagnosis of Energy Systems”. Prensas Universitarias de Zaragoza, 2010. Valero A.; Correas, L.; Zaleta, A.; Lazzaretto, A.; Verda V.; Reini, M.; Rangel, V. “On the thermoeconomic approach to the diagnosis of energy systems malfunctions. Part 1: the TADEUS problem”. Energy, vol. 29, pp. 1875-1887, 2004a. Aplicación de la Termoeconomía a la Ecología Industrial en Kalundborg Memoria 30 Valero A.; Correas, L.; Zaleta, A.; Lazzaretto, A.; Verda V.; Reini, M.; Rangel, V. “On the thermoeconomic approach to the diagnosis of energy systems malfunctions. Part 2: Malfunction definitions and assessment”. Energy, vol. 29, pp. 1889-1907, 2004b. Valero, A.; Lozano, M.A.; Muñoz, M. “A general theory of exergy saving”. ASME, 2-3, pp. 1-9, 1986. Valero, A.; Torres, C. “Thermoeconomic Analysis”. Ed. Frangopoulos C.A., en Encyclopedia of Life Support Systems (EOLSS), Developed under the Auspices of the UNESCO, Eolss Publishers, Oxford, UK, 2005. Valero, A.; Usón, S; Torres, C; Valero, A. “Application of Thermoeconomics to Industrial Ecology”. Entropy, 12, pp. 591-612, 2010. Valero, A.; Valero A. “Fundamentals of Energy Thermodynamics and Exergy Analysis”. Thermoeconomic Course, Máster en Energías Renovables y Eficiencia Energética, Universidad de Zaragoza, 2009. WCED. “Our Common Future”. Oxford University Press, 1987. Woods, T.L.; Garrels, R.M. “Thermodynamic Values at Low Temperature for Natural Inorganic Materials: An Uncritical Summary”. Oxford University Press, 1987. Páginas web Agencia Europea de Medio Ambiente: www.eea.europa.eu Aluminat: www.aluminat.dk Aluscan: www.aluscan.dk Ayuntamiento de Kalundborg: www.kalundborg.dk BWE: www.bwe.dk Centro de Simbiosis Industrial: www.symbiosis.dk Dong Energy: www.dongenergy.com Gyproc: www.gyproc.dk Inbicon: www.inbicon.com Novo Nordisk: www.novonordisk.com Statoil: www.statoil.com Aplicación de la Termoeconomía a la Ecología Industrial en Kalundborg Memoria 31 Novozymes: www.novozymes.com SeaRates: www.searates.com The Exergoecology Portal: www.exergoecology.com