ARTÍCULOS ORIGINALES
Valoración económica de las pérdidas de exergía de las operaciones térmicas en la industria azucarera de caña*
Dora Paz** y Gerónimo J. Cárdenas**
* Parte del trabajo de tesis doctoral de Paz, D. :"Modelado exergoeconómico de fábricas de azúcar de caña" (28/09/05).
** Sección Ingeniería y Proyectos Agroindustriales, EEAOC. ingenieria@eeaoc.org.ar.
RESUMEN
Tomando como base los resultados del análisis exergético de las operaciones térmicas: Calentamiento- Evaporación-Cristalización (CEC) de un ingenio de Tucumán, realizado por Paz y Cárdenas en 2005, se procedió a determinar el valor económico de las pérdidas de exergía. Dichas pérdidas de exergía representan potencias eléctricas equivalentes que dejaron de producirse, por lo que el daño causado por las mismas puede ser calculado directamente a partir del precio de la energía eléctrica. Esta original metodología propuesta para determinar ahorros monetarios, basada en la reducción de exergía perdida, se comparó con los resultados obtenidos con la metodología tradicional (basada en el ahorro de vapor vivo). Los ahorros monetarios logrados con las propuestas A y B fueron de $1,05 x 106 (0,35 x 106 USD) y $1,92 x 106 (0,64 x 106 USD) por zafra, determinándose Tasas Internas de Retorno (TIR) de 191% y 20,8%, respectivamente.
Palabras clave: Energía; Exergía; Motores hidráulicos; TIR.
ABSTRACT
Economic value of exergy losses in heating operations in cane sugar mills
This paper is based on the results of previous work done by Paz and Cárdenas in 2005, in which exergy losses
in thermal operations: Heating-Evaporation-Crystallization (H-E-C) of a cane sugar mill located in Tucumán, were
evaluated. Exergy losses represent equivalent non-produced electric power; therefore, the resulting damage can be
calculated directly from the price of the electric energy. Results obtained with this novel methodology (exergy loss reduction)
were compared with those obtained with the traditional method (live steam saving) when evaluating monetary savings. In
fact, monetary savings in A and B proposals were $1,05 x 106 (0,35 x 106 USD) and $1,92 x 106 (0,64 x 106 USD) per
season, respectively. Internal Rates of Return (IRR) were 191% and 20,8%, respectively.
Key words: Energy; Exergy; Hydraulic motors; IRR.
INTRODUCCIÓN
La calidad (capacidad para producir cambios) de
formas desordenadas de energía, caracterizadas por la
entropía, se conoce como exergía y depende tanto de la
forma de la energía (química, térmica, etc.) como de los
parámetros del que transporta la energía y del ambiente
(Baloh y Wittwer, 1995). Por otro lado, las formas ordenadas
de energía que no están caracterizadas por la entropía,
como la energía eléctrica, presentan calidad invariable
y pueden convertirse totalmente, a través de la interacción
del trabajo, en otras formas de energía.
La exergía indica el trabajo aprovechable que un
sistema puede entregar: es la parte de la energía que es
posible transformar en trabajo útil y que tiene un valor económico.
El resto de la energía del sistema, a la que se
denomina anergía, no es recuperable. El balance de exergía
como un postulado de la 2° ley de la Termodinámica,
permite determinar las pérdidas de exergía debido a la
irreversibilidad de todos los procesos reales.
Baloh y Wittwer (1995) postulan que "los flujos de
exergía representan potencias eléctricas equivalentes, de
modo que el daño causado por las pérdidas de exergía
puede ser calculado directamente a partir del precio de la
energía eléctrica". Esto equivaldría a decir que la exergía
perdida es energía eléctrica que dejó de producirse
(Christodoulo, 1996), teniendo en cuenta que la energía
eléctrica es 100% exergía. Si bien esta idea como concepto
teórico ha sido introducida en la bibliografía consultada,
no se han reportado ejemplos de aplicación concretos.
El objetivo de este trabajo es determinar el valor
económico de las pérdidas de exergía (energía eléctrica
que dejó de producirse) en las operaciones de
Calentamiento-Evaporación-Cristalización (CEC) de una
fábrica azucarera en Tucumán, tomando como punto de
partida los resultados de un trabajo previo (Paz y
Cárdenas, 2005). Se analizarán dos alternativas mejoradoras
de un sistema CEC, tomado como caso base, se
determinará la reducción de exergía perdida, y finalmente
se evaluará la rentabilidad de las propuestas de mejora.
MATERIALES Y MÉTODOS
Se partió de los resultados de la evaluación de las
pérdidas de exergía en las operaciones térmicas de
Calentamiento-Evaporación-Cristalización (CEC) en un ingenio
de Tucumán, de 6800 toneladas de caña por día de
capacidad, realizado por Paz y Cárdenas (2005). Este ingenio
cuenta para la molienda de caña con dos trapiches: uno
con capacidad para procesar el 78% de la caña, accionado
con turbinas de vapor de bajo consumo específico (trapiche
1) y otro que procesa el 22% de la caña, accionado con turbinas
de alto consumo específico de vapor (trapiche 2).
En el mencionado trabajo se determinaron los balances
de masa y energía, los balances de exergía, las pérdidas
de exergía y la eficiencia exergética en el sistema CEC del
caso base y en dos nuevas propuestas. El sistema de evaporación
del caso base, calentado con vapor escape (VE, de
2,18 bar de presión y 122°C), operaba en cuádruple efecto en
paralelo, con extracciones de vapor vegetal para calentamiento
de jugo encalado (JE) del 1°, 2° y 3° efecto de evaporación
(VG1, VG2 y VG3), empleándose vapor de escape
para calentar los tachos de cocción (ver Fig.1). El consumo
total de vapor escape en CEC asciende a 56,9% Caña; es
decir 56,9 kg de vapor por cada 100 kg de caña procesada.
Figura 1. Esquema del sistema CEC del caso base.
Este sistema se tomará como referencia al analizar
las nuevas propuestas.
Paz y C árdenas (2005) analizaron dos propuestas
mejoradoras del sistema CEC, que contemplan: incrementos
en el área de intercambiadores de calor, aumento del
número de efectos de evaporación, reemplazo o eliminación
de un equipo ineficiente o anticuado, etc.
Propuesta A: operar el sistema en quíntuple efecto, con
extracciones de vapor vegetal de todos los efectos para
calentamiento de jugo encalado. Las demás condiciones
del sistema CEC se mantienen sin variantes. En la Figura
2 se muestra un esquema del sistema CEC de la propuesta
A, donde se indican los nuevos equipos a adquirir en
calentamiento y evaporación. El consumo de vapor en
CEC asciende a 48,4% Caña.
Figura 2. Esquema del sistema CEC de la propuesta A.
Propuesta B: redimensionar el esquema de evaporación
para alimentar con vapor vegetal (VG1) al sector de cristalización,
concentrando el melado hasta 70°Bx, lo que implica
además un menor consumo de vapor en esa operación.
Las demás condiciones serían idénticas a la propuesta A.
Para evitar el venteo de vapor al ambiente, se proponen
dos modificaciones en el sistema:
1) Eliminar las turbinas de vapor de accionamiento
del trapiche 2, y sustituirlas por motores oleohidráulicos.
2) Reemplazar los accionamientos con turbinas de
vapor de los ventiladores de tiro inducido (VTI) y turbobombas
de calderas por motores eléctricos.
El motor hidr áulico es un equipo que forma parte de
un sistema oleohidráulico, encargado de convertir energía
hidráulica en energía mecánica. Comprende dos circuitos
independientes:
A) El circuito de presión, accionado por la bomba
eléctrica de aceite;
B) Un circuito de regulación por variación de la
cilindrada, accionado por la bomba (eléctrica), que constituye
el motor hidráulico.
Desde el punto de vista energ ético, sustituir turbinas
de vapor de alto consumo específico por motores
oleohidráulicos y/o eléctricos alimentados por el turbo
generador de la fábrica (usina), de menor consumo específico,
trae como consecuencia una reducción en el requerimiento
de vapor vivo de las calderas y, por ende, beneficios
económicos (Golato y Paz, 2004).
Cabe aclarar que la planta de generaci ón de energía
eléctrica de la fábrica estudiada tiene capacidad instalada
suficiente para abastecer la demanda extra de los
nuevos motores a instalar en la propuesta B, por lo que no
será necesario comprar energía eléctrica para atender a
los nuevos consumidores.
En la Figura 3 se muestra un esquema del sistema
CEC de la propuesta B, con los nuevos equipos a adquirir,
siendo el consumo de vapor en CEC de 40,1% Ca ña.
Figura 3. Esquema del sistema CEC de la propuesta B.
El balance de exerg ía para un proceso en estado estacionario se determinó de la siguiente forma:
En la Tabla 1 se muestra la exergía perdida en el caso base y en las propuestas A y B; las disminuciones de exergía perdida en el sistema CEC se tradujeron en un menor requerimiento de vapor de calefacción (vapor de escape) para esas operaciones y del vapor vivo necesario a generar en calderas (Paz y Cárdenas, 2005).
Tabla 1. Pérdidas de exergía, consumo de vapor de escape en los sistemas CEC y consumo de vapor vivo del caso base y las
propuestas A y B.
La reducción porcentual de irreversibilidades (exergía
perdida) en el sistema CEC de la propuesta A, 17,4%
respecto al caso base, produce una disminución en el consumo
de vapor de 15,4%; mientras que en la propuesta B,
la reducción de pérdidas exergéticas alcanza al 31,9% respecto
al caso base, y el vapor consumido disminuye en un
29,6%. La leve discrepancia entre estos porcentajes se
debe a no haber considerado la pérdida de exergía por
radiación al aumentar las superficies de intercambio de calor en las propuestas A y B. Reducciones del mismo
orden de magnitud se logran en el consumo de vapor vivo.
En el presente trabajo, a partir de esta información
se procedió a evaluar el ahorro monetario de las propuestas
respecto al caso base, siguiendo dos metodologías:
1) Metodología propuesta en este trabajo: evaluación
en función de la disminución de exergía perdida y la
asignación de un valor económico a partir del costo de la
energía eléctrica. La recuperación o ahorro se define
como la reducción en las pérdidas de exergía en las propuestas,
con respecto a las pérdidas en el caso base.
2) Evaluación tradicional a partir de la disminución
de vapor generado en las calderas, estimando el valor
monetario de dicho ahorro.
Luego se procedió a evaluar las inversiones requeridas
en las alternativas analizadas. Se determinaron de la
Tasa Interna de Retorno (TIR) y del período de repago,
empleando la hoja de cálculo Excel 2000. Finalmente se
compararon los resultados obtenidos.
RESULTADOS Y DISCUSIÓN
Determinación del ahorro monetario
Los resultados de la evaluación del ahorro monetario
de las propuestas A y B respecto del caso base, según
las dos metodologías ya consignadas, se muestran a continuación.
1) Metodología propuesta en este trabajo
Según proponen Baloh y Wittwer (1995) y
Christodoulo (1996), 1 kWh de exergía perdida tendrá el
mismo costo que 1 kWh de energía eléctrica.
En noviembre del 2003, el costo de la energía eléctrica
era de 0,0681 $/kWh (68,1 $/MWh = 22,7 USD/MWh).
Con la implementación de la propuesta A se logra un
ahorro de exergía de 4278 kW, que equivalen a 15.398.101
kWh para una zafra de 150 días, con un valor monetario de
$1.048.611, es decir, $1,05 x 106 (0,35 x 106 USD).
En el caso de la propuesta B, el ahorro de exergía
perdida es de 7827 kW, cuyo valor monetario para 150
días de zafra asciende a $1,92 x 106 (0,64 x 106 USD).
2) Metodología tradicional
Asumiendo para la planta de calderas de la fábrica
un índice de generación de 1,8 kg vapor/kg bagazo quemado,
con el bagazo producido (30% Caña) puede generarse
vapor en un caudal equivalente al 54% Caña.
Siendo el vapor vivo necesario a generar con la propuesta
A de 52% Caña (ver Tabla 1), se produce por lo
tanto un ahorro de vapor de 2% Caña, es decir, un 1,1%
Caña de bagazo, que equivale a 549 Nm3/h de gas natural,
considerando una conversión isocalórica entre ambos,
como se detalla a continuación:
Donde:
PCIB = poder calorífico inferior del bagazo, 7113
(kJ/kg) (Hugot, 1986).
PCIGN = poder calorífico inferior del gas natural,
35.146 (kJ/Nm3) (Hugot, 1986).
= rendimiento energético de la planta de calderas
del ingenio analizado, que quema bagazo con un 50%
de humedad, cuyo valor es 68,8%.
= rendimiento energético de calderas que queman
gas natural, 80%.
∆Hv = diferencia de entalpía entre el vapor producido
y el agua de ingreso, 2720 kJ/kg.
El gas natural (GN) total ahorrado respecto al caso
base sería:
GN total ahorrado = GN gastado en el caso base -
GN gastado en propuesta A.
El GN gastado en el caso base asciende a 2323
Nm3/h (Paz y Cárdenas, 2005).
En este caso, en la propuesta A no se emplea combustible
adicional, sino que se ahorra bagazo, y por lo
tanto, GN equivalente.
GN total ahorrado= GN gastado en el caso base +
GN ahorrado en propuesta A.
GN total ahorrado= 2323 Nm3/h + 549 Nm3/h =
2872 Nm3/h.
Considerando, en noviembre del 2003, el costo del
GN en 0,11 $/Nm3 (0,037 USD/Nm3), el ahorro monetario
para la propuesta A asciende a $1.137.401, es decir, aproximadamente
$1,14 x 106 (0,38 x 106 USD) para una zafra
de 150 días.
Siguiendo igual metodología se realizaron los cálculos
para la propuesta B, obteniéndose un ahorro monetario
de $2,06 x 106 (0,69 x 106 USD) para una zafra de 150 días.
A modo de comparación, en la Tabla 2 se presentan
los resultados de ahorro monetario para las propuestas A y
B, evaluados empleando las metodologías 1 y 2.
Tabla 2. Ahorro monetario para las propuestas A y B.
Se observa que ambas metodologías arrojan resultados
de orden semejante en la estimación del ahorro
monetario para las propuestas A y B, siendo la diferencia
entre ambas del 8,5% y 6,9% respectivamente.
Un aspecto importante de aclarar es que los análisis
1 y 2 son completamente diferentes. Uno de ellos evalúa
en base al costo de generación de la energía eléctrica,
el otro en base al costo de generación de vapor con gas
natural. De hecho, no hay motivo para que los resultados
sean próximos. Si lo son en este caso es porque probablemente
el costo de la energía eléctrica está basado en
una generación con gas natural y en sistemas con eficiencia
similar. Pero si el costo de la energía eléctrica proviniese
de otras fuentes, de costos distintos, el resultado
podría ser muy diferente.
Inversiones requeridas
En las Tablas 3 y 4 se muestran las inversiones requeridas para las propuestas A y B, respectivamente. Estos valores están tomados a noviembre del 2003, siendo la cotización del dólar de: 1 USD = 3 $ argentinos.
Tabla 3. Inversiones a realizar en la propuesta A.
Tabla 4. Inversiones a realizar en la propuesta B.
Determinación de la rentabilidad
Para el cálculo de la Tasa Interna de Retorno (TIR)
se ha empleado el ahorro monetario calculado con la
metodología propuesta en este trabajo (Ahorro 1).
En la Tabla 5 se presentan los resultados del análisis
de rentabilidad efectuado para las propuestas A y B.
Tabla 5. Resultados del análisis de rentabilidad.
Las inversiones de capital en la propuesta A
ascienden a $520.000 (173.333 USD). Considerando un
período de amortización de 10 años, se han obtenido
una TIR del 191% y un período de repago de 74 días de
zafra.
Las inversiones de capital en la propuesta B
ascienden a $5.555.389 (1.851.796 USD), obteni éndose
una TIR del 20,8% y un período de repago de 434 días de
zafra. Como puede observarse, ambas propuestas presentan
TIR y períodos de repago convenientes.
CONCLUSIONES
- El balance exergético demuestra que, también en la
consideración de sistemas CEC, es una herramienta
apropiada para evaluar las pérdidas de capacidad de
producción de trabajo útil (exergía perdida) en estos
sistemas, complementando adecuadamente a los
balances de energía que no cuantifican esta variable.
- Se propone una nueva metodología de estimación de
los ahorros monetarios al comparar diferentes esquemas
CEC, basada en la disminución de exergía perdida
y la asignación de su valor económico. Se trata de una
metodología novedosa, enunciada en la bibliografía consultada,
pero sin ejemplos de aplicación concretos en la
industria azucarera.
- Se comparan los ahorros monetarios obtenidos en
base al costo de generación de la energía eléctrica,
con los resultantes de la evaluación tradicional basada
en el costo de generación de vapor con gas natural.
Aunque no hay motivo para que estos resultados sean
próximos, en este caso lo son porque probablemente el
costo de la energía eléctrica está basado en una generación
con gas natural, en sistemas con eficiencia similar.
- El análisis exergoeconómico ha permitido cuantificar
las pérdidas de exergía en sistemas CEC y evaluar
económicamente el daño causado por las mismas.
Con los esquemas CEC de las propuestas A y B,
se logran ahorros monetarios por disminución de pérdidas
de exergía respecto al caso base de un valor económico
de $1,05 x 106 (0,35 x 106 USD) y $1,92 x 106
(0,64 x 106 USD) por zafra, respectivamente. Las Tasas
Internas de Retorno (TIR) determinadas resultaron de
191% para la propuesta A y 20,8% para la B, siendo los
períodos de repago para la inversión de 74 y 434 días
de zafra, respectivamente.
BIBLIOGRAFÍA CITADA
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