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8/18/2019 Economia_energia_medio_ambiente.pdf

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ENERGÍA, ECONOMÍA Y MEDIO AMBIENTE EN PROCESOSINDUSTRIALES

Autor:

ANDRÉS AMELL ARRIETA

PROFESOR UNIVERSIDAD DE ANTIOQUIA GRUPO GASURE - FACULTAD DE INGENIERÍA

Un proyecto de:

PROYECTO USO EFICIENTE Y RACIONAL DE ENERGÍA EN EL MARCO DEL PROGRAMA DE PRODUCCIÓN MÁS LIMPIA

DEL ÁREA METROPOLITANA EN EL VALLE DE ABURRÁ

Ejecuta unión temporal:


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Uso eficiente y racional de energía

LIBRO N 2 – ENERGÍA, ECONOMÍA Y MEDIO AMBIENTE EN PROCESOS

INDUSTRIALES

Una publicación de Área Metropolitana del Valle de Aburrá

RICARDO SMITH QUINTERO

Director

MARÍA DEL PILAR RESTREPO MESASubdirectora Ambiental

Autor ANDRÉS AMELL ARRIETA. I.M., MScProfesor Universidad de AntioquiaGrupo GASURE - Facultad de Ingeniería

Ejecuta

Universidad Nacional de ColombiaUniversidad Pontificia BolivarianaUniversidad de Antioquia

EQUIPO DE TRABAJO:Dirección del ProyectoFarid Chejne Janna, I.M., Ph.DUniversidad Nacional de ColombiaCoordinación del ProyectoUniversidad Nacional de Colombia: Sara Catalina Cárdenas Castillo, I.Q.Universidad Pontificia Bolivariana: Katerina María Sánchez Parra, I.Q, MSc.Universidad de Antioquia: Andres Amell Arrieta, I.M., MSc.

Co-autor MARIO ALEJANDRO SÁNCHEZ, Est. I.M.Universidad de Antioquia - Grupo GASURE - Facultad de Ingeniería

Interventoría María Helena Gómez Gallo, I.S. EspecialistaProfesional Universitario Área Metropolitana del Valle de AburráGustavo Londoño, I.Q. MSc.Profesional Universitario Área Metropolitana del Valle de Aburrá

Coordinación de la Publicación:Oficina Asesora de Comunicaciones

Área Metropolitana del Valle de AburráFotografía portadaGrupo GASURE

ImpresiónCentro de PublicacionesUniversidad Nacional de ColombiaSede Medellín

REGISTRO ISBN978-958-44-1377-2

Primera EdiciónImpreso en Medellín, Colombia - 2007

Está prohibida la reproducción parcial o total de ésta publicación y mucho menos para fines comerciales.Para utilizar información contenida en ella se debe citar fuente.


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3CONTENIDO

Presentación 6

Introducción 8

1 Importancia de la energía en el desarrollo histórico de la humanidad 9

2 Formas en que se incorpora la energía a la economía y a la sociedad 122.1 Energía primaria 122.2 Energía secundaria 132.3 Energía final 132.4 Energía útil 142.5 Fuentes renovables de energía 162.6 Fuentes no renovables de energía 162.7 Fuentes no convencionales de energía 16

2.8 Fuentes alternas de energía 16

3 La energía en los procesos industriales 173.1 Introducción 173.2 Tipos de energía final en procesos industriales 173.3 Perfil energético en los procesos industriales 203.4 Clasificación de los procesos industriales según el nivel de

temperatura 253.5 Parámetros para el manejo de la energía en la industria y la clasificación

de los procesos 26

4 Energía y economía 304.1 Importancia macroeconómica de la energía 304.2 La energía y la economía en los procesos industriales 344.2.1 La intensidad energética de un proceso industrial 344.2.2 La función de producción 384.2.3 Energía y competitividad industrial 39

5 Energía e impactos ambientales en procesos industriales. 415.1 Energía y ambiente: una interacción de doble vía. 415.2 Impactos ambientales de la energía en procesos industriales 435.3 Acerca del efecto invernadero. 475.4 Emisiones de gases de invernadero en proceso industriales. 495.5 Mitigación del efecto invernadero. 545.6 Cálculo del factor de emisión de los contaminantes gaseosos (FEx) y

de la emisión de material particulado (MP) 53

Bibliográfia 58

Anexos 60


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5Tabla 6. Indicadores físicos utilizados por empresas en el Valle de Aburrá 35

Tabla 7. Descomposición de la intensidad energética física para sectores

industriales en Indonesia [14] 38

Tabla 8. Matriz de impacto integrales 40

Tabla 9. Efectos globales de los contaminantes originados en la operación

de los sistemas energéticos [15] 42Tabla 10. Efectos de los contaminantes producto de la combustión [17] 45

Tabla 11. Rangos de temperatura de los procesos industriales [19] 46

Tabla 12. Factores de emisión de GEI para diferentes combustibles [23] 48

Tabla 13. Potencial de calentamiento atmosférico de diferentes

contaminantes [23] 49

Tabla 14. Sectores industriales intensivos en emisiones de CO2 [1] 50

Tabla 15. Emisiones de GEI en el sector PYMES de Indonesia [14] 52

Tabla 16. Factores de emisión y concentraciones base 3% oxígeno encontrados

para gas natural y diesel de caldera en una caldera de 30 BHP [16] 56

Tabla 17. Consumos mensuales de energía, ejercicio 1 61

Tabla 18. Poderes caloríficos másicos de los combustibles 62

Tabla 19. Comparación entre un horno funcionando con Fuel Oil sin

recuperación de calor y otro funcionando con GN y con

recuperación de calor 66


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7Es un hecho que muchos de los problemas asociados con la energía en las empresasno son sólo de índole técnica, también se deben al desconocimiento y a la estructuracreada para coordinar los esfuerzos y obtener un sistema sostenible de su uso racional.En general una pequeña o mediana empresa no maneja y controla sus consumosenergéticos, no conoce a fondo la relación entre energía consumida y producción (asícomo energía no asociada a la producción).

De ahí el interés del Área Metropolitana del Valle de Aburrá en motivar la práctica de UsoRacional de Energía, partiendo de acciones como la selección de la fuente energética,para optimizar su producción, transformación, transporte, distribución, y consumo,incluyendo su reutilización cuando sea posible. De esta manera, se constituye en unamedida efectiva para propiciar el crecimiento económico, el desarrollo social y, por tanto,el bienestar nacional, contribuyendo a la sostenibilidad del país.

En este sentido, el Congreso de la República, mediante la expedición de la Ley 697 de2001, declaró al Uso Racional y Eficiente de la Energía – URE – como asunto de interéssocial, público y de conveniencia nacional. Con la promulgación de esta Ley se sentaron

las bases jurídicas necesarias para que el Estado pueda organizar, fomentar e impulsarel criterio URE y promover la utilización de las energías alternativas de manera efectivaen Colombia.

Igualmente, se cuenta con el Decreto 3683 de 2003, por medio del cual se reglamentala Ley 697 de 2001 y se crea una Comisión Intersectorial. El objetivo del Decreto esreglamentar el uso racional y eficiente de la energía, para asegurar el abastecimientoenergético pleno y oportuno, la competitividad del mercado energético colombiano, laprotección al consumidor y la promoción de fuentes no convencionales de energía, dentrodel marco del desarrollo sostenible y respetando la normatividad vigente de ambiente ylos recursos naturales renovables.

Para que la cultura URE quede definitivamente instaurada en el país, se requiere queel mercado de servicios energéticos comience a funcionar, incluyendo tanto los actoresde oferta (empresas de consultoría, universidades) como de la demanda (sectoresproductivo, financiero), creándose así un nuevo segmento de mercado energético enColombia. Justamente a esta iniciativa le apuesta La Entidad a través del proyectode asesoría y acompañamiento a las empresas que hacen parte de los convenios deProducción más Limpia.

Esta publicación hace parte de un conjunto de 10 libros en temas como: ¿A dónde va a

caer este globo?, Energía, economía y medio ambiente, Administración de los recursosenergéticos, Uso eficiente de la energía: Conceptos termodinámicos básicos, Manejode combustibles, Uso eficiente de la energía en sistemas térmicos, Uso eficiente de laenergía eléctrica, Tecnologías de conversión y recuperación de la energía: convencionalesy nuevas tendencias, Los sistemas energéticos industriales y su relación con la saludocupacional y Análisis energético industrial del Valle de Aburrá.

Este material es una herramienta que orienta y favorece la aplicación de la Producción MásLimpia, una alternativa que va en la dirección de la autorregulación y el entendimiento dela dimensión ambiental como un factor que incide de manera positiva en la competitividadde las empresas.

RICARDO SMITH QUINTERODirector


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IntroducciónLa energía en sus diferentes manifestaciones se constituye en los procesos

industriales en un importante factor de producción. Dependiendo de la estructura

productiva de las industrias, ella puede tener múltiples impactos, destacando

entre otros, en los costos de producción, en la calidad de los productos, en la

productividad de los procesos, en la salud ocupacional de los operarios y en el

ambiente.

En un contexto de globalización de las economías y de intensa y permanente

competitividad industrial, el examen del manejo de la energía en los procesos

industriales, se constituye en una tarea pertinente en la gestión empresarial.

Por ello explicitar las relaciones entre energía, economía y medio ambiente

que se establecen en los procesos industriales, resulta un ejercicio de gran

interés práctico, del cual deben derivarse iniciativas que contribuyan a mejorar

la competitividad de las empresas.

En la medida en que se conozcan las categorías y conceptos para el estudio

de las relaciones ente la energía, la economía y el ambiente en el contexto

de los procesos industriales, será posible pasar del manejo implícito y poco

trascendente de la energía en la empresa, a un manejo más cualificado y

estratégico. El presente trabajo se constituye en un esfuerzo por precisar y

divulgar los conceptos disponibles para tal efecto, para lo cual se plantean los

siguientes objetivos:

• Examinar las formas en las que se incorpora la energía en los procesos

industriales.

• Analizar las relaciones energía y economía en los procesos

industriales

• Analizar las interacciones entre los sistemas energéticos y el ambiente,

teniendo como referencia los procesos industriales.


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9

En el desarrollo histórico de la humanidad la energía se ha constituido en un factor

determinante para crecimiento material y la calidad de vida de la sociedad, lo cual se ha

visto fortalecido desde la Revolución Industrial, con el descubrimiento y utilización de

nuevas fuentes energéticas y con la introducción de mecanismos de conversión

energética mas eficientes.

Las estadísticas son abundantes y contundentes para mostrar que aquellas sociedades

con mayor consumo de energía per cápita o por producto interno, tienen mayores

indicadores de crecimiento económico, en la Tabla 1 se presenta la comparación de

indicadores de crecimiento económico y consumo energético para diferentes países

para el año 2004. [1]

Cada día la cotidianidad de las personas se vuelve más dependiente de la energía, la

necesidad de calidad de vida y confort requiere de cocción de alimentos, calefacción

de espacios, acondicionamiento del aire, locomoción y telecomunicaciones, actividades

todas consumidoras de energía. La falta de disponibilidad de energía transitoria o

permanente genera grandes alteraciones en la vida del hombre moderno.

Importancia de la energía en el desarrollo

histórico de la humanidad

1


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Tabla 1. Relación energía, crecimiento económico y calidad de vida [1]. tep: toneladas equivalentesde petróleo.

PAISES

PIB

(billion

2000 US$)

Energía

primaria /

habitante

(tep/capita)

Energía

primaria / PIB

(tep/miles - 2000

US$)

Consumo de

electricidad /

habitante (kWh/

capita)USA 10,703.90 7.91 0.22 13338

JAPON 4,932.50 4.18 0.11 8076

ALEMANIA 1,952.70 4.22 0.18 7030

INGLATERRA 1,591.10 3.91 0.15 6206

FRANCIA 1,414.80 4.43 0.19 7689

CHINA 1,715.00 1.24 0.94 1585

INDIA 581.22 0.53 0.99 457

CHILE 88.06 1.73 0.32 3084

ESPAÑA 655.60 3.33 0.22 5924

BRASIL 655.38 1.11 0.31 1955

COLOMBIA 93.93 0.62 0.29 866

HAITI 3.47 0.26 0.64 30

GHANA 6.03 0.39 1.38 247

CONGO 3.65 0.27 0.29 131

MOZAMBIQUE 5.34 0.44 1.61 367

Sí la energía es fuente de generación de riqueza, de confort y de calidad de vida, es

evidente concluir que su disponibilidad y acceso por parte de la población de un país,

se constituye en un factor de equidad social. En consecuencia el suministro confiable

y de calidad de la energía, como también el acceso a tecnologías eficientes y seguras

para la conversión de la energía, en los diferentes sectores de la economía (industria,

transporte, comercio y residencial), se constituyen en asuntos de políticas públicas en

una perspectiva de bienestar social.

• En los cordones de miseria de los grandes centros urbanos, donde no hay

disponibilidad de energía eléctrica y térmica, para satisfacer los requerimientos

cotidianos. En aquellos casos donde hay disponibilidad, la falta de calidad de la

energía, el mal estado de las instalaciones y la obsolescencia de los equipos de uso

residencial de la energía, afectan el confort y la calidad de vida

• En los sectores rurales donde no se dispone de energía eléctrica y los requerimientos

de calor para la cocción de alimentos se satisfacen con leña proveniente de la

deforestación de los bosques, a través de hornillas ineficientes que inciden en las


11/68

11enfermedades respiratorias de las mujeres y niños encargados de las actividades

domésticas.

• En las pequeñas y medianas empresas, que en muchos casos utilizan combustibles

atípicos y de muy mala calidad, que sumado al grado de obsolescencia tecnológica

de los equipos de conversión energética, afectan los costos de producción, la

calidad de los productos, la productividad de los procesos, la salud ocupacional delos trabajadores y las emisiones gaseosas y de partículas.

En países en desarrollo como el nuestro, el tema de la disponibilidad y calidad de la

energía y el uso de tecnologías adecuadas para la conversión energética, resultan de

particular interés y con grandes repercusiones sociales y económicas en las siguientes

situaciones:

Instalada la era del petróleo en el siglo XIX, la identificación, acceso, control y explotación

de las fuentes primarias de origen fósil ha generado grandes tensiones y conflictos en

diferentes regiones del mundo, particularmente en el Medio Oriente y el Asia Central,

es indiscutible que la energía se ha constituido y se seguirá constituyendose con mayor

intensidad en un elemento dinamizador de la geopolítica mundial. En este contexto, el

efecto de invernadero y el cambio climático mundial asociado, se están constituyendo

en una nueva dimensión de la geopolítica mundial en el manejo de los combustibles

fósiles.

Otro referente de interés para el análisis de la importancia de la energía en el desarrollo

histórico de la humanidad, lo constituye la relación entre sistemas energéticos y desarrollo

sostenible. Es la cadena de la explotación y uso de los energéticos donde se dan los

mayores impactos ambientales sobre el suelo, el aire, el agua, la fauna, la flora, por lo

que el uso racional y eficiente de la energía, la producción limpia y la transición hacia una

base energética menos soportada en combustibles fósiles, son estrategias a incorporar

en las políticas energéticas nacionales para contribuir a la sostenibilidad del planeta.

Del análisis precedente, se concluye que en una perspectiva social responsable de los

individuos, de los gobiernos en la definición de políticas energéticas y de desarrollo

económico, como también en el abordaje de la energía como objeto de investigación por

las comunidades académicas, se requiere de una visión sistémica de la energía.


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Siendo la energía uno de los factores dinamizadores de la economía y la sociedad, es

conveniente precisar las formas en que ella es incorporada, al respecto se identifican las

siguientes: energía primaria, energía secundaria, energía final y energía útil.

2.1 Energía primaria

Son aquellas energías provistas por la naturaleza, ya sea en forma directa, como la

hidráulica, eólica y solar, o después de atravesar un proceso minero, como el petróleocrudo, el gas natural, el carbón mineral, los minerales fisionables y la geoenergía, o a

través de la fotosíntesis, como es el caso de la leña y los otros combustibles vegetales

y de origen animal.

En la Tabla 2 se presenta para las diferentes fuentes primarias, las características,

propiedades o parámetros de flujo, que permiten estimar la cantidad de energía

disponible.

Tabla 2. Valorización energética de una fuente primaria.

Fuente primaria Propiedad o parámetro Valorización energética (kJ)

Combustiblesfósiles Poder calorífico superior (kJ/Kg) PCS m×

Biomasa

Hidráulica Caudal (Q) y altura del salto (H)

Eólica Velocidad del aire (v)

Solar Intensidad de radiación I (kJ/m2) IA

m: masa (kg)m: flujo másico de la corriente de aire(kg/s)

γ: peso específico del agua (N/m3) A: área de incidencia de la radiación solar (m2)t: tiempo de operación del sistema (s)M: masa del combustible en Kg.

Formas en que se incorpora la energía a la

economía y a la sociedad

2


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132.2 Energía secundaria

Son aquellos productos energéticos resultantes de los diferentes centros de transformación,

que tienen como destino los diversos sectores de consumo y eventualmente otro centro

de transformación. Un ejemplo típico de obtención de energía secundaria a partir de

una fuente primaria de energía, son los subproductos que se obtienen en una refinería

como resultado de la destilación del petróleo crudo: gasolina, motor, diesel, gasolina deaviación, gas licuado de petróleo, etc.

2.3 Energía final

Es la energía transformada, de tal manera que ya se encuentra disponible para un servicio

especifico. Como ejemplos de energía final pueden mencionarse los siguientes:

• La energía eléctrica que ha sido generada en una central, transportada y con

reducción de niveles de tensión, para estar disponible en los diferentes sectores dela economía.

• El gas natural distribuido por red, después de haber sido tratado en una planta

de tratamiento, transportado por gasoducto, odorizado y reducida su presión

para distribuirlo por las redes de distribución urbana a los diferentes sectores

consumidores.

El consumo final de energía por fuente en Colombia es presentado en la Figura 1. Como

puede observarse el 42% del consumo final lo representa el petróleo y sus derivados,

siendo el sector transporte el mayor consumidor de este energético, el consumo de leña

lo representa la cocción de alimentos en zonas rurales.

Figura 1. Canasta energética nacional. Consumo final por fuente [2].


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2.4 Energía útil

Es la forma que adquiere la energía al momento de utilizarse durante un proceso

determinado, la iluminación, la locomoción, la tracción, la refrigeración y el calentamiento,

etc.

En la Figura 2 se presentan la configuración típica de la cadena energética de un país oregión. Los procesos de conversión de energía primaria en secundaria, de transporte, de

almacenamiento, de distribución y uso de la energía final, plantea desde el punto vista

del uso racional de la energía y de la producción más limpia, los siguientes aspectos:

• Degradación de energía, por lo que se presenta disminución de eficiencia en cada

proceso y eslabón de la cadena energética.

• Impactos ambientales asociados a la contaminación de suelos, agua, aire, destrucción

de fauna y flora y desplazamientos poblacionales.

Con el propósito de definir los flujos de energía primaria, secundaria y final, en un

determinado país y región, para un periodo determinado de tiempo se definen los

balances de energía. A manera de ilustración a continuación se describe brevemente la

información requerida para un balance de energía:

• Producción de energía primaria: EP.

• Importaciones de energía: imp.

• La variación de stocks.• Los procesos de transformación energética, por ejemplo, de carbón a electricidad y

de petróleo crudo en productos finales energéticos y no energéticos: TE.

• El autoconsumo de energía realizado por la industria energética: A.

• Las pérdidas en los sistemas de distribución de transporte y distribución de energía:

P

• El consumo final de energía por los diferentes sectores de la economía: CFE.


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Cadena

Energética

Fuentes primariasde energía

Adecuación y

procesamiento

Transporte

Transformación oconversión energética

Almacenamiento

Distribución

Transporte

Usos finales

Energéticos No energéticos

Medio

Ambiente

EP ES

ESEP

EP

EP

Figura 2. Configuración de los sistemas energéticos.

Si se considera el comercio exterior de energía de un país o región, esto es, importación

y exportación de flujos energéticos, al que designaremos CE (+ importaciones –

exportaciones), siendo el consumo bruto de energía primaria CBEP, se establecen las

siguientes ecuaciones de balance de energía:

CBEP = EP + CE (+importaciones - Exportaciones) (1)

CFE = CBEP - (TE + A + P ) (2)

Cuando se realiza un balance de energía deben tenerse en cuenta los siguientes

asuntos:

• Todos los flujos energéticos deben expresarse con la misma unidad de energía, siendo

frecuente en la literatura internacional utilizar la tonelada equivalente de petróleo (Tep)

o el kWh.

• La energía que resulta de las transformaciones energéticas (TE), su valor depende de

la eficiencia de conversión energética del proceso o sistema, por ejemplo, ello aplica

para la energía eléctrica producida en centrales de generación.

1

2

2m V t × ×


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Otra distinción de interés para examinar las formas en las que se incorpora la energía a

la economía y la sociedad tiene que ver con la siguiente clasificación:

2.5 Fuentes renovables de energía

Son las fuentes naturales de energía que por su propia condición y característica se

renuevan permanentemente como producto de los ciclos normales de la naturaleza.Comúnmente, se aceptan como fuentes renovables de energía las siguientes: solar,

eólica, hídrica, geotérmica y biomasa.

2.6 Fuentes no renovables de energía

Son aquellos productos de ciclos naturales antiguos, que tienen una existencia

limitada, y no se renuevan dentro del lapso de tiempo aceptable para ser aprovechada

permanentemente por la humanidad. Normalmente se aceptan como fuentes no

renovables de energía al petróleo, el gas y el carbón.

2.7 Fuentes no convencionales de energía

Son aquellas fuentes de energía disponibles a nivel mundial que son ambientalmente

sostenibles, pero que en el país no son empleadas o son utilizadas de manera marginal

y no se comercializan ampliamente. Estas fuentes pueden ser renovables o no

renovables.

2.8 Fuentes alternas de energía

Se entenderá como energía alternativa las fuentes no convencionales de energía y las

fuentes renovables de energía.


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3.1 Introducción

En todo proceso industrial la energía es un factor de producción cuya disponibilidad y

calidad contribuye a la competitividad empresarial. La energía no solo tiene efecto en

los costos de producción, en muchos sectores industriales sus impactos pueden ser

integrales, esto es, sobre los costos, la calidad de los productos, la productividad de losprocesos, la salud ocupacional de los operarios y el ambientales.

La gestión de la energía se está constituyendo en una componente importante de las

actividades gerenciales de una empresa, por lo que hay que superar la visión de que la

energía es un insumo más que está disponible. Una gestión integral de la energía en

los procesos industriales exige el examen y seguimiento permanente de los siguientes

aspectos:

• Implementación de sistemas de información energéticos:

• La disponibilidad y calidad de los energéticos.

• El control del consumo de energía por proceso.

• El seguimiento y evaluación de los precios de los energéticos en el mercado.

• El control y evaluación de las emisiones contaminantes derivados de los sistemas

industriales, cada día la producción mas limpia se “erige” como un factor determinante

en la competitividad de las empresas en los mercados internacionales.

• Desagregación de los procesos productivos en función de los flujos energéticos.• Conocimiento de las formas y características de las energías que consumen los

procesos.

• Conocimiento del perfil energético de la planta, es decir, determinar si los procesos

son intensivos en calor o electricidad.

• Vigilancia tecnológica de los sistemas y equipos de conversión energética, que evite

caer en condiciones de obsolescencia tecnológica que afecten la competitividad de la

empresa.

3.2 Tipos de energía final en procesos industriales

Los principales tipos de energía final que se utilizan en los procesos industriales son la

La energía en los procesos industriales

3


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electricidad y el calor. La electricidad puede ser comprada a la red de distribución local

o generada a partir del uso de combustibles fósiles en máquinas térmicas (turbinas de

vapor, motores de combustión interna y turbinas a gas) a través de la implementación de

sistemas de autogeneración o cogeneración.

Un sistema de autogeneración se establece cuando una empresa instala una máquinatérmica (M.T.) para producir electricidad, ya sea para operar como respaldo, en horas

pico o en condiciones de carga base. En un sistema de cogeneración además de la

producción de electricidad, se satisfacen de forma parcial o total los requerimientos de

energía térmica de la planta mediante la recuperación del calor sensible de los gases de

combustión provenientes de la máquina térmica, mediante una caldera de recuperación

de calor (R.C.) para producir vapor. En la Figura 3 se presentan esquemáticamente las

opciones posibles de suministro de energía eléctrica en una industria.

Figura 3. Opciones posibles de suministro de energía eléctrica en una planta. Wel: trabajo eléctrico,

Qp: carga térmica del proceso, Ep: calor sensible que se pierde con los gases a la atmósfera

La generación de calor en procesos industriales para satisfacer la demanda térmica,

se obtiene a partir de la combustión de un combustible fósil en un horno o caldera, de

la electricidad como fuente de calor y de la recuperación de calor en un sistema de

cogeneración.

Generalmente los requerimientos de calor en los procesos a baja temperatura se

satisfacen con la combustión de un combustible en una caldera y la generación de vapor

de agua, actuando este como sustancia caloportadora para transportar y transferir el

calor a los procesos que lo demandan.


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19En los últimos años se viene observando la introducción de sistemas de calentamiento

directo, donde las demandas de calor se satisfacen por la combustión del gas natural

a través de un quemador situado en cada proceso, en estos sistemas no se requiere

del vapor como sustancia caloportadora. Algunas ventajas que presentan los sistemas

de calentamiento directo y descentralizado con respecto a los sistemas centralizados

basados en calderas de vapor son los siguientes:

• Mayor eficiencia porque se disminuye el número de transformaciones energéticas y

no existen pérdidas de energía por transporte y reducción de presión del vapor.

• Mayor eficiencia energética porque los sistemas operan a carga nominal, en un

sistema centralizado la caldera puede operar a carga parcial cuando algún proceso

demandante de vapor está inactivo.

• Se mejora la productividad de los procesos porque se garntiza una disponibilidad

instantánea de calor, en un sistema centralizado ocurren tiempos muertos para llevar

la caldera a régimen.

La disponibilidad de redes de distribución de gas natural en sectores industriales, permite

la introducción de sistemas de calentamiento directo con la implementación de tecnología

de nueva generación como: tubo inmerso, equipos de combustión sumergidos, caldera

de condensación, calentadores de contacto directo, paneles y tubos radiantes para

secado.

En la Figura 4 se presentan en un esquema los sistemas de calentamiento centralizado

basado en caldera de vapor y los directos y descentralizados. Es importante anotar, que

en Colombia no obstante la disponibilidad de redes de gas natural, no se observa aún la

introducción de sistemas de calentamiento descentralizado y directo.

Figura 4. Sistemas de calentamiento centralizado, decentralizado y directo [3]


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Otro mecanismo de generación de calor es la utilización de electricidad como fuente,

utilizando para ello el efecto Joule en resistencias eléctricas para disipar calor, los hornos

de inducción eléctrica y los hornos de arco eléctrico. Si bien el uso de la electricidad como

fuente de calor garantiza alta eficiencia de conversión energética, mayor productividad

en algunos casos y menos emisiones contaminantes en la planta, su mayor precio

respecto a los combustibles fósiles, hacen que su aplicación se reserve a procesos muyespecíficos como: tratamientos térmicos, fusión de materiales ferrosos y no ferrosos y

deformaciones plásticas.

Otra fuente de calor en procesos industriales es mediante la implementación de

sistemas de cogeneración, el calor disponible en los gases de combustión provenientes

de la máquina térmica puede ser usado directamente en procesos de secado, cuando

el combustible es gas natural debido a la calidad de los productos de combustión. La

otra opción es utilizar el calor recuperado para la generación de vapor en una caldera de

recuperación de calor.

La electricidad en los procesos industriales tiene las siguientes aplicaciones:

• Accionamiento de motores eléctricos para generar energía mecánica rotacional la cual

tiene múltiples aplicaciones como: la tracción, la compresión de gases, el bombeo de

fluido, etc. Esta aplicación en industrias que no utilizan la electricidad como fuente de

calor, puede representar el mayor uso de electricidad.

• Iluminación de espacios donde se desarrollan los procesos industriales y oficinas.

• Operación de sistemas computacionales e informáticos, donde se tiene requerimientos

exigentes de disponibilidad y calidad de la energía, cada día son más importantes en

la operación óptima y en la competitividad de las empresas.

• Como fuente de generación de calor para secado, fusión de material ferroso y no

ferroso, tratamientos térmicos y deformación plástica, a través de resistencias

eléctricas, hornos de inducción y de arco eléctrico.

Las principales aplicaciones del calor en procesos industriales son los siguientes:

• En procesos de baja temperatura para el secado y calentamiento de agua y fluidos

térmicos, a través de la generación de vapor como sustancia caloportadora.

• En procesos de alta temperatura para la fusión de materiales ferrosos y no ferrosos,

tratamientos térmicos, deformación plástica y tratamientos superficiales.

• En los procesos de generación de frío a través de sistemas de absorción.

3.3 Perfil energético en los procesos industriales

Reconocidas la electricidad y el calor (energía térmica) como las formas de energía final

mas usadas en los procesos industriales, el perfil energético de una industria muestra

la relación de la utilización del calor y la electricidad en los procesos de una industria en

función del tiempo.


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Figura 6. Perfil energético industrial textil-acabado [4]

Las Figuras 7 y 8 presentan el diagrama de proceso y el perfil energético de una industria

textil con proceso de confección, de las estudiadas en el proyecto de producción mas

limpia del Área Metropolitana, se concluye que es un sector muy intensivo en energía

eléctrica.

Figura 7. Diagrama de proceso industrial textil – confecciones [4]


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Figura 8. Perfil energético industrial textil – confecciones [4]

Las Figuras 9 y 10 presentan el diagrama de proceso y el perfil energético de unaempresa de aluminio, de las estudiadas en el proyecto de producción mas limpia del

Área Metropolitana, caracterizándose por ser una industria intensiva en calor y con

una relación promedio de energía térmica a electricidad del 3.7 y con procesos a alta

temperatura.


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Salida

GN

Chatarra

Acondicionamiento

(prensado)

Fundición

(780 ºC)

Tratamiento Térmico

Homogenizado

(Tamb-580 ºC, sostenimiento,

580ºC-Tamb)

Corte

Horno calentamiento

de matrices

(350ºC)

Preparación de

superficie

Acondicionamiento

(prensado)E.E (motor)

Calentamiento

(480ºC promedio)

GN

E.E (motores)

GN

GN

Extrusión

Chatarra primaria

Chatarra secundaria

Tratamiento

térmico (185º)

Pintura

Anodizado

GN

Secado

(Indirecto 180ºC)GN

Horno pintura

(217ºC)GN

E.E

Aire Com rimido

E.E (motores)

E.E

Vapor

Figura 9. Diagrama de proceso industrial de aluminio [5]

0,00

1,00

2,00

3,00

4,00

5,00

Mes

R e l a c i ó n E T / E

Relación ET/EE 3,38 3,63 4,13 3,47 3,85 3,70

Enero Febrero Marzo Abril Mayo Junio

Figura 10. Perfil energético empresa de aluminio [5]


25/68

253.4 Clasificación de los procesos industriales según el nivel de temperatura

Para los procesos industriales consumidores de energía térmica resulta de interés práctico

su clasificación según el nivel de temperatura, para lo cual se maneja la siguiente:

• Procesos a baja temperatura:

- Calentamiento de líquidos industriales y producción de agua caliente: 45 -100 ºC

- Calentamiento de aire para secado industrial: 70 – 120 ºC

• Procesos a alta temperatura:

- Fusión de metales: 232 ºC, 675 ºC, 1083 ºC, 1530 ºC.

- Forja: 1000 ºC.

- Tratamientos térmicos: 450 ºC, 600 ºC, 900 ºC, 1000 ºC.

- Procesos cerámicos: 1110 ºC – 1370 ºC.

- Producción de cemento: 400 ºC.- Fusión de vidrio: 1500 ºC.

La clasificación de los procesos por nivel de temperatura desde el punto de vista de la

planeación del desarrollo industrial, del uso racional de la energía y del análisis de los

impactos de la contaminación térmica, tiene las siguientes ventajas:

• Identificar en una región si su desarrollo industrial se soporta en procesos de baja

o alta temperatura, de inmediato ello se asocia al tipo de industria existente, así porejemplo, si los procesos son a baja temperatura las industrias existentes serán de

tipo textil, alimentos, papel y otras. Si los procesos son de alta temperatura a ella se

asocian empresas de fusión de metales, fabricación de vidrio, producción de cemento,

deformación plástica, fabricación de plásticos, producción de cerámicas y tratamientos

térmicos, entre otros.

• Definición de estrategias para incrementar la eficiencia energética vía recuperación de

calor. Si los procesos son a baja temperatura se podría pensar en la introducción de

bombas de calor, caldera de condensación y combustión sumergida. Si lo que existenson procesos a alta temperatura las tecnologías a implementar son intercambiadores

o recuperadores de calor regenerativos.

• Identificación de fuentes de contaminación térmica resultado de la emisión de gases

a alta temperatura, con lo cual las autoridades ambiéntales pueden establecer

regulaciones de control, lo que en consecuencia promovería la instalación de sistemas

de recuperación de calor.


26/68


3.5 Parámetros para el manejo de la energía en la industria y la clasificación de

los procesos

Para la gestión y optimización de los sistemas energéticos industriales es conveniente

definir un conjunto de parámetros que se constituyen en variables de referencias para el

control, planeación, evaluación y comparación. Para ello, por su claridad, coherencia y

verificabilidad son de gran utilidad y reconocimiento los siguientes [6]:

• Intensidad energética: Definida como la relación entre la energía consumida para la

producción de un bien y la cantidad física o valor económico de este. En un próximo

capitulo se examina con mayor detalle.

• Factor de carga o utilización de los procesos: Se define como la relación en

porcentaje entre la energía consumida y el consumo en condiciones de máxima

demanda del equipo, en un periodo determinado tiempo, este parámetro determina

la cargabilidad del proceso o equipo de conversión energética.• Relación electricidad/ calor: Se define como la relación entre el consumo de energía

térmica y eléctrica en un periodo determinado.

La identificación y registro de los parámetros arriba descritos permiten la caracterización

energética de lo procesos industriales, con lo cual se pueden establecer comparaciones

entre los procesos, orientar acciones de conservación de la energía, aprovechar las

complementariedades energéticas entre los procesos para planear y desarrollar parques

energéticos, estimular en un lugar determinado la ubicación de un tipo de industria

específica, para la empresas distribuidoras de energía conocer mejor la estructura yrequerimientos de la demanda.

En la Figura 11 se presenta el comportamiento de los parámetros relación calor

electricidad y potencial de recuperación de calor para procesos de naturaleza diferente,

observándose que los de incineración, de secado, de fundición, tienen relaciones

mayores de 10, por lo que son procesos muy intensivos en energía térmica. [6].

Figura 11. Relación calor/electricidad y potencial de recuperación de calor para diferentes procesos

industriales [6]


27/68

27En la Figura 12 se analizan el comportamiento de los procesos en función de la intensidad

energética y del factor de carga de los equipos, como puede observarse a mayor

intensidad energética mayor factor de carga. [6]

Figura 12. Intensidad de energía contra factor de cargo para diferentes procesos [6].

Según los resultados del estudio realizado por el Industrial Assessment Centre (IAC)

de la universidad de Sandiego en California [6] en 270 plantas industriales, es posible

examinar energéticamente los procesos industriales con la cuantificación y registro de

la intensidad energética, el factor de carga y la relación calor y electricidad, tal como se

presenta en las Figura 11, 12 y 13.

Figura 13. Relación calor/electricidad e intensidad energética por proceso [6].

Otro aspecto para mencionar del estudio del IAC son los inconvenientes que se presentan

para examinar energéticamente a los diferentes sectores industriales bajo la clasificación

SIC (Standard Industrial Classification), debido a que en un mismo agrupamiento o

código no existe similitud en el orden de magnitud de los tres parámetros indicados.

En la Tabla 3 se presentan los códigos SIC para diferentes sectores industriales y en

la Tabla 4 las desviaciones estándar registradas por agrupamiento industrial de los

Relación ET/EE

Máximo: 4.13, Mínimo: 3.38,


28/68


parámetros intensidad energética, factor de carga y relación calor y electricidad, como

puede observarse se presentan valores mayores del 100. [6]

Tabla 3. Clasificación SIC para las empresas.

Código SIC Descripción Procesos

20

22

23

24

25

26

27

28

29

30

32

33

34

35

36

37

38

39

Alimentos y bebidas

Productos textiles de hilos

Ropa y otros productos textiles

Productos de madera

Muebles y adornos

Papel y productos similares

Litografía y publicidad

Productos químicos y afines

Derivados del carbón y petróleo

Caucho y productos plásticos

Piedra, arcilla y productos de vidrio

Industria de metales primarios

Fabricación de productos metálicos

Maquinaria y equipos industriales

Equipos electrónicos y eléctricos

Equipo de transporte

Instrumentación y productos relacionados

Industria manufacturera variada

Ensamble

Horneado

Vaporización

Enfriamiento

Curado

Cortado

Secado

Extrusión

Rectificado

Tratamiento térmico

Incineración

Inyección en moldes

Laminación

Maquinado

Fundición

Mezclado

Moldeado

Pintura

Echapado

Prensado

Impresión

Sinterizado

Soldadura


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29Tabla 4. Desviaciones estándar de la relación calor electricidad e intensidad energética para

diferentes sectores industriales según las clasificación SIC [6]

SIC/procesoDesviación estándar

Relación T/E (%) Intensidad energética (%)30 159 103

34 131 10120 106 155

33 74 104Mezclado 87 94Extrusión 133 136

Prensado 151 86

Maquinado 98 55

Con el propósito de disponer de una clasificación de los procesos industriales que de

información mas precisa, uniforme y objetiva de sus respectivas estructuras energéticas,

el IAC está proponiendo una nueva clasificación denominada Process Oriented Energy

Intensity Classification (POEIC), consistente de tres números dónde el primero se

relaciona con la relación calor/electricidad, el segundo con la intensidad energética y el

tercero con el factor de carga. [6]

El grupo GASURE de la Universidad de Antioquia considera viable el criterio de clasificación

que propone el IAC agregando que para las industrias con perfil energético térmico se

introduzca un cuarto parámetro de clasificación en función del nivel de temperatura de

los procesos, con lo cual entonces se puede tener información acerca de la intensidad

energética, de la relación calor electricidad, del factor de carga y si el proceso es de baja

o alta temperatura. De otro lado, dada la importancia que en el análisis de los procesos

industriales comienza a tener el índice de emisiones de CO2 sería interesante considerar

un quinto parámetro en función de éste indicador.


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4.1 Importancia macroeconómica de la energía

La energía se constituye en insumo indispensable de las economías nacionales, como

factor de producción en los procesos industriales, en los servicios, en la locomoción y

variable determinante en la calidad de vida de la población. Para algunos países con

disponibilidad de reservas es una fuente importante en la generación de divisas, por

lo que en situaciones de un inesperado influjo masivo de éstas se pueden generar

inestabilidades macroeconómicas como la reevaluación de la moneda local y el

incremento de inflación, fenómeno que en la literatura económica se ha denominado

“enfermedad holandesa”, debido a los efectos macroeconómico que en su momento tuvo

Holanda por la explotación comercial del gas natural del yacimiento de Groningue.

Los indicadores mas frecuente que se utilizan para examinar la energía desde una

perspectiva macroeconómica son siguientes:

• Intensidad energética: Definida como la relación entre la energía consumida por

un país en un periodo determinado y el producto bruto interno, dependiendo de si el

consumo de energía se establece en función de la energía primaria o la energía final

se definen:

(3)

I Energía primaria consumida en un período por una región o país

CanG =

t de bienes y servicios PIB

TEP

US

kWh

US ( ) $,

$=

(4)

Energía y economía

4


31/68

31Dada la importancia e impacto de la energía eléctrica en las economías nacionales es

frecuente también encontrar en las fuentes estadísticas el registro de la intensidad

energética en función del consumo de electricidad, en tal sentido se define:

(5)

• Consumo per cápita de energía. Es el consumo promedio de energía por habitante

en un periodo determinado, es definido en función de la energía primaria (Tep/

habitante) y también de la energía eléctrica (kWh).Este indicador da información

acerca del crecimiento económico de un país y del bienestar de su población.

• Índice de emisiones de gases de efecto invernadero. La incidencia de la emisión

de gases de invernadero sobre el cambio climático mundial y el impacto de este

sobre los sistemas ecológicos estratégicos y el desarrollo económico, como también

el hecho de que los combustibles fósiles representan aproximadamente el 90% del

consumo mundial de energía y son la principal fuente de generación de dióxido de

carbono (CO2), ha motivado la introducción de este indicador en las estadísticas

energéticas de interés macroeconómico.

Este índice se define como la relación entre las emisiones de CO2 en toneladas y

el consumo de energía primaria en Tep.

(6)

• Emisiones per cápita de gases de invernadero: Es la emisión promedio de gases

de efecto invernadero por habitante para una determinada economía nacional,

expresada en toneladas de CO2/habitante.

• Emisiones de gases de invernadero y crecimiento económico: Es la relación

entre las emisiones de gases de efecto invernadero y el crecimiento económico de

un país medido en su respectivo producto bruto interno, expresada en toneladas de

CO2/unidades monetarias del PIB.

De acuerdo a la Agencia Internacional de la Energía (AIE) [1] la información más relevante

para examinar la relación entre la energía y la economía de un país es la siguiente:


32/68


• Población en millones de habitantes.

• Producto bruto interno en billones de dólares del año 2000

• Producción de energía en megatoneladas equivalentes de petróleo (MTep)

• Suministro de energía primaria en megatoneladas equivalentes de petróleo (MTep)

• Consumo de energía eléctrica en teravatios horas (TWh)

• Emisiones de CO2 en megatoneladas, derivadas únicamente de la combustión decombustibles fósiles (Mt CO2).

• Intensidad energética en función del consumo de energía primaria en Tep/US$ del

2000.

• Consumo per cápita de energía primaria en Tep/habitante.

• Consumo per cápita de energía eléctrica kWh/habitante.

• Índice de emisiones de CO2 en TCO2/Tep.

• Emisiones per cápita de CO2 en TCO2/hab.

• Emisiones de CO2 por unidad monetaria del PIB TCO2/US$ del 2000.

En la Tabla 5 se comparan los indicadores energéticos de interés macroeconómico de

Colombia con otros países para el año 2004 [1].

Tabla 5. Comparación de indicadores energéticos de interés macroeconómico de Colombia con otros

países [1].

Países

Energíaprimaria/habitante

(tep/capita)

Energíaprimaria

/ PIB(tep/miles

- 2000US$)

consumode

electricidad / habitante

(kWh/capita)

CO2 /

energíaprimaria

(tCO2 /tep)

CO2/Habitante

(tCO2 /

capita)

CO2 /PIB

(kgCO

2 /2000

US$)

USA 7.91 0.22 13338 2.49 19.73 0.54

JAPON 4.18 0.11 8076 2.28 9.52 0.25

ALEMANIA 4.22 0.18 7030 2.44 10.29 0.43

INGLATERRA 3.91 0.15 6206 2.30 8.98 0.34

FRANCIA 4.43 0.19 7689 1.41 6.22 0.27

CHINA 1.24 0.94 1585 2.94 3.65 2.76INDIA 0.53 0.99 457 1.93 1.02 1.90

CHILE 1.73 0.32 3084 2.10 3.63 0.67

ARGENTINA 1.66 0.22 2301 2.13 3.54 0.47

BRASIL 1.11 0.31 1955 1.58 1.76 0.49

COLOMBIA 0.62 0.29 866 2.07 1.28 0.61

MEXICO 1.59 0.27 1804 2.26 3.59 0.60


33/68

33La intensidad energética de un país depende fundamentalmente de los siguientes

factores:

• Nivel de crecimiento de la economía.

• La eficiencia de las tecnologías utilizadas en los diferentes eslabones de la cadena

energética, así por ejemplo, países con refinerías obsoletas y centrales térmicas

para la generación de electricidad con baja eficiencia, tendrán un mayor consumo deenergía primaria.

• Estructura productiva, un país con industrias con alta intensidad energética y un

sistema de transporte ineficiente tiende a tener altos consumos de energía primaría.

• Comportamiento de los usuarios en materia de hábitos alimenticios, climatización,

automatización y grado de informatización.

• Ubicación geográfica y situación climatológica de un país. Es evidente que países

con estaciones tienen mayores consumos de energía por calefacción de espacios en

periodos de baja temperatura y acondicionamiento de aire cuando las temperaturas

son altas.

A partir de la década de los años setenta del siglo anterior, como consecuencia del

incremento de los precios internacionales del petróleo y la pérdida de confiabilidad en su

suministro, los países de la OCDE iniciaron programas de uso racional de la energía en

todas las cadenas energéticas y sectores de consumo, para disminuir sus respectivas

intensidades energéticas, en la Figura 14 se presenta claramente esta tendencia [7].

Figura 14. Evolución de la intensidad energética en los países de la OCDE, TPES: suministro deenergía primaria, GDP: Producto interno bruto, TFC: Consumo final de energía [7].


34/68


4.2 La energía y la economía en los procesos industriales

La finalidad económica de todo proceso industrial es la producción de bienes de consumo,

intermedios y de capital, los cuales tienen un valor en el mercado, de otro lado, la energía

es uno de los factores esenciales para la producción de dichos bienes. En este contexto

es conveniente precisar las relaciones que se presentan entre la energía y la economía

en los procesos industriales, para tal efecto, en este trabajo se consideran los siguienteselementos:

• La intensidad energética.

• Energía en la función de producción

• La energía en los costos de producción

• Impacto de la energía en la competitividad industrial

4.2.1 La intensidad energética de un proceso industrialDada la cantidad de energía que consume un proceso para la producción de un bien y

la cantidad de producto (output), la intensidad energética se define como:

O

E

Output

Energía I == (7)

E: cantidad de energía utilizada en la producción del producto en kJ, Btu, kcal y kWh.

La unidad de output puede estar dada en:

- En un indicador económico: valor agregado, valor comercial o valor de producción

- En un indicador físico: peso del producto, unidad del producto y otras

Dependiendo de sí la cantidad de output está dada en función de un indicador económico

o uno físico, la intensidad energética de un proceso industrial puede expresarse como

una intensidad energética física o una intensidad energética económica [8-9], por lo que

se tienen las siguientes definiciones:

intensidad energética física I energía consumida

indicador fí ef = =

s kJ n

Btu

ton

kWh

ton= , ,

(8)

En la especificación del indicador físico entre las diferentes ramas industriales existe un

gran heterogeneidad, por lo que este indicador tiene problema cuando se utiliza para

comparar diferentes sectores, en la Tabla 6 se presenta el indicador físico que reportaron

varias empresas de Valle de Aburrá en el estudio realizado por el Área Metropolitana y

las Universidades de Antioquia, Nacional y UPB. [4, 5, 10]


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35Tabla 6. Indicadores físicos utilizados por empresas en el Valle de Aburrá.

Sector Intensidad energética física

Sector textil- Confecciones kWh / (unidad)

- Fabricación de telas e hiloskWh / (tonelada de tela procesada)

kWh / (tonelada de hilo procesado)- Fabricación de cinta kWh / (metro de cinta producida)

- Lavanderías, teñidos y acabadosespeciales

kWh / (prenda procesada)

Sector metalmecánicoMJ / (ton)

MJ / (colada)

Sector litografías kWh / (millares)

kWh / (tonelada)

Sector curtimbres kWh / (hoja)

(9)

El indicador económico puede ser valorado monetariamente en función del valor

agregado, valor comercial o el valor de producción, con lo cual se obtiene un indicador de

intensidad energético mas uniforme para establecer comparaciones entre los sectores,

por ello en la literatura internacional se observa un mayor énfasis en la utilización de este

tipo de intensidad. A continuación se aclaran los conceptos utilizados para la valorización

económica de la producción en una industria. [9]

Volumen de producto (Q): Denota la cantidad física de producto, generalmente dado

en toneladas, unidades y otras.

Valor de venta (Vs): Es el valor comercial del producto en moneda corriente dividido por

un índice de precio

(10)

Vsc: valor de venta del producto en moneda corriente

P: índice de precio

Valor de producción. En moneda constante es el de la cantidad física de producto por

precio unitario en moneda corriente, dividido por el índice de precio.


36/68


37/68

37- Características y especificaciones del conjunto de procesos necesarios para

producir el bien.

De lo anterior se concluye que la intensidad energética es una función que depende

de la EEP y de la CES, no perder de vista esta dependencia cuando se realizan

análisis comparativos entre diferentes sectores industriales en un mismo país ointernacionalmente, evita caer en imprecisiones, sesgos y conclusiones equivocadas.

Si existe alta heterogeneidad en el CES se tienen altos intervalos de variabilidad. Si el

CES es homogéneo o igual en el conjunto de empresas a comparar, prácticamente la

intensidad energética dependerá de la EEP.

Bajo la premisa de que los indicadores estructurales, son determinantes para establecer

comparaciones entre intensidades energéticas de industrias de un sector, en un mismo

país o países diferentes, a continuación se sugiere una metodología [13]:

• Definir los indicadores estructurales en el sector industrial que se estudia

• Definir criterios para seleccionar la intensidad energética de referencia u óptima,

para cada indicador estructural

• Graficar la intensidad energética de referencia en función del indicador estructural

• Para el conjunto de industria con indicador estructural igual o comparable, comparar

su respectiva intensidad energética con el valor de referencia

Recomendaciones para estimar la intensidad energéticaEn la estimación de la intensidad energética de un proceso industrial es convenienteseguir los siguientes pasos:

• Seleccionar en términos de que índice se va definir la intensidad energética, esto es,

como indicador físico o como indicador económico.

• Sí parte de la energía total es aportada por un combustible, cuantificar en función del

poder calorífico superior la energía(PCS) consumida en el proceso:

(14)

Et: energía térmica consumida en el proceso en kJ, Btu, kWh y kcal

Mc: masa de combustible en kg, toneladas y libra masa

PCS: poder calorífico superior del combustible en kJ/kg, kWh/kg y BTU/libra

• Convertir la energía térmica (Et) o la energía eléctrica (Ee) a la misma unidad de

energía:

Sí Et en kJ -------------------- kWh

Sí Ee en kWh ----------------- kWh

Sí Ee en kWh ----------------- kJ

Sí Et en kJ ----------------- kJ


38/68


Donde:

Et: energía térmica consumida en el proceso

Ee: energía eléctrica consumida en el proceso

• Determinar la energía total [ET] consumida en el proceso como:

(14)Como ilustración en la Tabla 7 se presenta la descomposición de la intensidad energética

total, expresada como indicador físico, de varios sectores industriales clasificado de

acuerdo a los códigos SIC en Indonesia.

Tabla 7. Descomposición de la intensidad energética física para sectores industriales en Indonesia

[14]

Promedio Rango Promedio Rango

31 5,9 0,08-23,5 152,7 2,9-689,2 2,25

32 31,8 5-84,5 956,8 101,5-2755,6 11,68

33 2,8 1,5-6 286,6 48,86-694,2 1,15

34 0,4 0,04-1,8 135,8 1,5-195,2 3,69

35 8,2 0,1-23,3 939,9 52,1-4303,7 3,05

36 6,8 1,5-15,7 67,3 16,2-356,5 6,37

38 12,6 0,2-45,9 985,2 57,9-2944,6 1,48

Consumo específico de

combustible (TJ/1000 ton deroducto

Consumo específico de

electricidad (MWh/1000 ton deroductos

Sector /

CódigoISIC

SEC (TJ/1000 ton) del sector

industrial en Thailandia(Consumo de combustible y

electricidad)

4.2.2 La función de producción

Los principales factores en la producción de un bien son el capital, fuerza laboral,

las materias primas y la energía .Se denomina función de producción a la relación

matemática de los factores de producción necesarios para la producción de un bien:

( ) E M LC f Y ,,,= (15)Y: la producción en unidades monterías

C: el capital o medios de producción en unidades monetaríasL: la fuerza laboral en unidades monetarias.

M: la materia prima no energética en unidades monetarias

E: la energía en unidades monetarias

El estudio de la función de producción de un determinado sector industrial es importante

por las siguientes razones:

• De acuerdo a la teoría de Leontief permite analizar las posibilidades de

complementariedad entre los factores.

• De acuerdo a la teoría de Cobb-Douglas permite examinar las posibilidades desustituibilidad entre los factores, así por ejemplo, con la modernización de los

procesos productivos, se puede identificar si hay una sustitución de la fuerza laboral


39/68

39por la energía, particularmente de la energía eléctrica.

Para los estudios de sensibilidad del impacto de los factores sobre el costo de producción

se establece la función de costo para un determinado sector industrial de la siguiente

manera:

(16)C: costo de producción

pe: precio unitario de la energía

E: consumo de energía

pm: precio unitario de materias primas

M: cantidad de materia prima utilizada

pl: precio unitario de la fuerza laboral

L: cantidad de fuerza laboral utilizada

De particular interés económico resulta para una empresa conocer el impacto de

los costos de energía sobre el costo total de producción. Si por la naturaleza de los

procesos que se manejan los costos son elevados, sin duda que la energía en este tipo

de empresas es un factor que condiciona y determina su competitividad en el mercado.

No es frecuente encontrar en la literatura que se propongan metodologías para evaluar

la incidencia de los costos de la energía sobre la estructura total de costo.

La cultura energética de una empresa está determinada por el conocimiento y manejoque ella tenga de los siguientes aspectos:

• La función de producción.

• Que representa el costo de la energía en la estructura de costo de la empresa

• La intensidad energética propia y del sector

• La sensibilidad del beneficio de la rama industrial con los costos de la energía

• La sustitución entre el capital, el trabajo y la energía

• La sustitución entre energéticos.

4.2.3 Energía y competitividad industrial

Tradicionalmente y abundan muchos trabajos en la literatura, donde el tema del impacto

de la energía sobre la competitividad industrial es abordado únicamente en función de

la incidencia del costo de la energía sobre los costos totales, si bien ello es válido en

particular en industrias con alta intensidad energética, se requiere de metodologías que

apunten a identificar de manera más integral la relación entre la energía y competitividad

industrial.

También, porque dependiendo de la naturaleza y especificidades de algunos procesos

productivos es posible la existencia de impactos “ocultos” de la energía, más importantes


40/68


que la incidencia sobre el costo de producción, se hace necesario el desarrollo de

metodologías que identifiquen de manera integral los múltiples impactos de la energía

en la competitividad industrial de las empresas.

En el intento por introducir modelos más integrales, es conveniente entender la necesidad

de considerar al sistema energético como un binomio constituido por el energéticomismo y la tecnología de conversión energética mas “apropiada”. Es posible que con

la no elección apropiada de una tecnología para el uso de un determinado energético y

viceversa, se este renunciando a mayores impactos sobre la competitividad, mas allá

del efecto de la reducción de costos.

En este trabajo se propone para identificar de manera más integral los impactos de

la energía sobre la competitividad industrial se tengan como referente los siguientes

asuntos:

• Impacto de la energía sobre la función de costo: F1

• Incidencia de la eficiencia energética sobre la función de costo: F2

• Incidencia de la energía sobre la calidad de los productos: F3

• Incidencia de la energía sobre la rapidez de los procesos: F4

• Incidencia de la energía sobre la salud ocupacional de los usuarios y de esta sobre

la productividad laboral: F5

• Incidencia de la energía sobre las emisiones contaminares y la internalización de los

costos ambientales: F6

La puesta en práctica de esta metodología requiere realizar diagnósticos energéticos

integrales y a profundidad, para obtener información y procesar la matriz de impactos

integrales de la energía que se presenta en la Tabla 8.

Tabla 8. Matriz de impacto integrales

Sector o proceso F1 F2 F3 F4 F5 F6

12

n


41/68

41

5.1 Energía y ambiente: una interacción de doble vía.

Las interacciones entre los sistemas energéticos y el ambiente son posibles examinarlas

desde dos puntos de vista. El primero, está relacionado con los impactos que causan todos

los procesos de la cadena energética sobre el ambiente, por sus múltiples implicaciones

en la economía, la sociedad y la sostenibilidad del planeta, este ocupa la mayor atención

de la ciencia y de los formuladores de políticas públicas. El segundo, tiene que ver con

los impactos que genera el ambiente sobre la operación de los sistemas energéticos,

los cuales inciden sobre la seguridad y disponibilidad en el suministro de energía, la

eficiencia energética y los costos de operación. La Figura 15 es una representación

esquemática de estas interacciones.

Figura 15. Interacción entre los sistemas energéticos y el ambiente

Los principales impactos ambientales que causan los sistemas energéticos en las etapas

de extracción, producción, tratamientos, transporte, transformaciones energéticas,

almacenamiento, distribución y uso finales son los siguientes [15]:

• Efecto invernadero y el cambio climático mundial, como consecuencia de la emisión

de dióxido de carbono(CO2), metano(CH4), dióxido de nitrógeno (N2O) y otrosgases.

• Contaminación de la atmósfera, resultado de las emisiones de oxido de azufre (SOx),

Energía e impactos ambientales en procesos

industriales.

5


42/68


oxido nitroso (NOx), monóxido de carbono (CO), hidrocarburos sin quemar (HC) y

partículas, originados en la combustión de los combustibles fósiles.

• Contaminación de aguas y suelos, debido al derrame de combustibles, vertimiento

de desechos y residuos tóxicos.

• Desplazamiento de poblaciones, cuando en el desarrollo de la infraestructura

energética se requiere de la utilización del territorio donde existen asentamientos dehabitantes. Este tipo impactos son los que genera la construcción de embalse para

la operación de centrales eléctricas, trazado de poliductos y gasoductos.

• Destrucción de fauna y flora, cuando el desarrollo de los proyectos energéticos se

ubica en sistemas ecológicos estratégicos.

• Contaminación sonora debido a los procesos de compresión y expansión de gases,

de combustión, de perforación y remoción de materiales.

• Efectos biológicos de los campos electromagnéticos, que se generan en líneas de

transmisión y distribución de electricidad.

• Alteración de los ciclos naturales, fundamentalmente como consecuencia del cambio

climático mundial.

• Contaminación térmica derivada de la descarga de gases a muy alta temperatura,

mayores de 300 °C, desde los sistemas de combustión.

En la Tabla 9 se presentan los efectos globales que producen los contaminantes

originados en la operación de los sistemas energéticos. [15]

Tabla 9. Efectos globales de los contaminantes originados en la operación de los sistemas

energéticos [15]

Medio sobre el que actúa Efecto

Sobre la calidad atmosférica

Reducción de la visibilidadFormación y precipitación de la neblinaReducción de la radiación solar Alteración de las temperaturas

Alteración de la distribución de los vientos

Sobre la saludEnfermedades respiratoriasEnfermedades digestivasEnfermedades dérmicas

Sobre la vegetación

Interrumpen la fotosíntesisReducen el crecimientoMuerte de las plantas Acidificación de los suelos

Sobre los materialesEnsuciamientoCorrosión


43/68

43En relación con los impactos del ambiente sobre los sistemas energéticos son frecuentes

los siguientes:

• Terremotos, inundaciones y huracanes que tienen como consecuencia la destrucción

de infraestructura energética, con las respectivas implicaciones sobre la seguridad y

confiabilidad en el suministro de energía a la sociedad.

• El efecto de la temperatura y la humedad relativa sobre la eficiencia y disponibilidadde lo sistemas energéticos, así por ejemplo, está demostrado que el aumento

excesivo de la temperatura ambiente disminuye la eficiencia y la potencia de las

máquinas térmicas.

• La alteración del ciclo hidrológico genera períodos prolongados de mala hidrología

con lo que se afectada la disponibilidad de agua para la generación de electricidad

en centrales hidroeléctricas.

• Sin duda que uno de los factores que tendrá muchos impactos negativos sobre los

sistemas energéticos será el incremento promedio de la temperatura de la tierra,

consecuencia del Efecto Invernadero Mundial.

5.2 Impactos ambientales de la energía en procesos industriales

Para estudiar los impactos ambientales de los sistemas energéticos en proceso

industriales, es necesario identificar los tipos de energía utilizados en la industria y los

mecanismos de conversión energética frecuentemente usados, ello ha sido realizado

en el capítulo cuatro de este trabajo, encontrándose que la electricidad y calor son las

formas de energía mas utilizadas.

La mayor fuente para la generación de calor es la combustión de los combustibles

fósiles, por lo que los impactos ambientales se identifican en los siguientes procesos:

• En el almacenamiento y distribución de los combustibles se emiten sustancias

contaminantes al ambiente. En el manejo del carbón se presenta la emisión de

material volátil y de partículas finas, en los líquidos vapores inflamables y compuesto

orgánicos, en las redes de distribución de gas natural fuga de metano.

• En el proceso de combustión se forman y emiten las siguientes especies contaminantes

[16]:

- Dióxido de carbono como resultado de la oxidación del carbono contenido en el

combustible. En los combustible con mayor relación de hidrogeno/carbono se

forma menos CO2.

- Monóxido de carbono, originado por la combustión incompleta, es un gas tóxico

y el incremento de su concentración disminuye significativamente la eficiencia de

combustión.

- Oxido de nitrógeno, al nombre de NOx se asignan los siguientes compuestos

presentes en la atmósfera: óxido nítrico (NO), dióxido de nitrógeno (NO2) y óxido

nitroso (N2O).


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El NO se forma principalmente debido altas temperatura en la llama que facilita

la disociación del oxígeno para reaccionar con el nitrógeno del aire, también

al mecanismo de formación prompt y al nitrógeno contenido en el combustible

[17]. El NO puede reaccionar con varias especies que contiene oxígeno y formar

el dióxido de nitrógeno, por ejemplo a temperatura ambiente donde abundan

radicales HO2 prevalece la reacción: [18]. El N2O

se forma en las regiones más calientes de la llama debido a las reacciones con

radicales CH [18].

- Oxido de azufre: se forma por la reacción del azufre contenido en el combustible

con el oxigeno, el contenido de azufre de todos los combustibles puede ser

reducido por procesos físicos y químicos, siendo la desulfurización una de las

principales técnicas de control de la emisión de ésta especie.

- Hidrocarburos: en los procesos de combustión de combustible alifáticos se forman

muchas especies oxigenadas como alcoholes, aldehídos y ácidos, también escaracterística la formación de hidrocarburos olefínicos. Otra especie que se forma

son los hidrocarburos aromáticos policíclicos (HAP). Existe una gran interacción

entre el material particulado y los HAP puesto que muchos de éstos son absorbidos

en las superficies de las partículas.

- Material particulado: el hollín o partículas emitidas en los sistemas de combustión

consiste de la aglomeración de algunas a miles esferas primarias cuyos diámetros

están en el rango de 10 a 40 nanómetros.

En la Tabla 10 se presentan los principales efectos de los contaminantes anteriormente

descritos.


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45Tabla 10. Efectos de los contaminantes producto de la combustión [17]

Contaminante Efecto y problemática ambiental

Monóxido de carbono (CO)Interfiere en el transporte de oxígeno en la sangreMuerte por asfixia

Dióxido de carbono (CO2) Los altos niveles atmosféricos alcanzados hacen quecontribuya en un 57% al efectos invernadero

Óxido nitroso (N2O)

Contribuye al efecto invernadero en la troposferaContribuye a la eliminación del ozono en laestratosfera

Óxido nítrico (NO)Precursor de la formación de NO

2

Smog fotoquímico

Dióxido de nitrógeno (NO2)

Efectos anestésicos en humanos y animales

Irritación en ojos y nariz Afecciones humanasCaída de hojas en plantasReducción de frutos en plantasPrecursor de la lluvia ácidaSmog fotoquímico

Óxidos de azufre (SOx)

Irritación ocular y pulmonar Cambio de color y caída de hojas en plantasCorrosión de materiales (hierro, acero, zinc)

Precursor de la lluvia ácida

Compuestos orgánicosvolátiles (VOC) y metano(CH

4)

Los HAP son carcinogénicos y mutagénicosIrritan las membranas de las mucosas en humanos yanimalesInhiben el crecimiento de las plantasEl metano contribuye en la troposfera al efectoinvernaderoEl metano contribuye a la eliminación de ozono en laestratosfera

Material particulado (MP)

Efectos fibrogénicos en organismos cuando laspartículas contiene cuarzo, asbestos, carbón,tungsteno, titanio, berilio o aluminio.Irritan las mucosas oculares y respiratorias y puedenconvertirse en enfermedades crónicas si las partículascontienen SO

2, vanadio, níquel, manganeso, aluminio

o cromo.Carcinogénicas si las partículas contienen arsénico o

cromo.


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• Contaminación térmica originada por la expulsión a las atmósfera de gases de

combustión a muy alta temperatura, ello es característico de las industrias con

procesos de alta temperatura que no implementan sistemas de recuperación de calor,

los cuales además de enfriar los gases mejoran la eficiencia de combustión .En

industrias de fusión de materiales ferrosos y no ferrosos, de tratamientos térmicos,

de deformación plástica y de fabricación de vidrio , entre otros, es necesario desde elpunto de vista ambiental y energético aplicar sistema de recuperación de calor. Para

tener una idea de los órdenes de magnitud de las temperaturas de estos procesos

en la Tabla 11 se presentan dichos valores.

Tabla 11. Rangos de temperatura de los procesos industriales [19]

ProcesoTemperatura de

proceso

Fundición de materiales no ferrosos 500 -1200 ºC

Tratamientos térmicos y acabados 330 – 1100 ºC

Fundición de materiales ferrosos 1450 ºC

Deformación plástica 900 ºC

Galvanizado en caliente 450 ºC

Fusión de vidrio 1500 °C

Acerca de los impactos ambientales de la energía eléctrica en los procesos industriales

los planteamientos a presentar son los siguientes:

• La energía eléctrica durante su uso en los procesos industriales no genera emisiones

contaminantes gaseosa y de partículas, sólo si su generación interna o externa se

realiza a partir de combustible fósiles se le podrán asociar a ella las emisiones ya

conicidas.

• El principal problema ambiental de la electricidad está asociado al impacto biológicode los campos electromagnético de baja frecuencia que se generan en los circuitos

eléctricos de las redes industriales. Si bien existe aun controversia científica sobre

los efectos, ya es abundante la literatura y trabajos sobre los efectos en la salud de

los humanos. [20, 21]


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475.3 Acerca del efecto invernadero.

Siendo lo sistemas energético responsables en un 60% de las emisiones de gases de

Efecto Invernadero [1] y dado su impacto sobre el Cambio Climático Mundial, en el

examen de la relaciones entre energía, economía y ambiente este se constituye en un

referente ineludible. A continuación se revisan los principales aspectos técnicos de este

fenómeno y sus implicaciones.

Los gases de efecto invernadero son moléculas termo activas que tiene la propiedad

de almacenar la radiación reflejada desde la superficie de la tierra, la presencia de estos

gases en la atmósfera terrestre han actuado en la regulación natural de la temperatura de

la Tierra, haciendo posible que la vida floreciera en ésta. Con la Revolución Industrial el

hombre inició la dependencia de los combustibles fósiles que sumada a otras actividades

antropogénicas, han contribuido a aumentar significativamente las concentraciones de

gases de efecto invernadero (GEI), demostrando la evidencia científica su incidenciasobre la variación de la temperatura promedio de la Tierra. En la Tabla 12 se presentan

los factores de emisión de gases de efecto invernadero de los diferentes combustibles

utilizados en la economía mundial.

En la Figura 16 se describe de manera esquemática los fenómenos que explican la

ocurrencia del Efecto Invernadero, como puede observarse una fracción de la radiación

solar incidente es reflejada desde la superficie de la Tierra, de la cual una parte es

absorbida por las moléculas termo activas y reemitida en todas las direcciones y la otraescapa al espacio, la consecuencia es el calentamiento de la atmósfera y la superficie

de la Tierra, lo cual es más intenso con el incremento de la concentración de los gases,

se estima que a mediados de los años de 1800 la concentración de CO2 era de 280

ppm y en la actualidad es de 353 ppm [23].

Deforestación

Radiación

absorbida por

la atmósfera y

la tierra

CFC’s

Radiación que escapa

Borde de la atmósfera

Radiación

absorbidaRadiación

reflejada

Motores

gasolina y

diesel

Gases de

efecto

invernadero

Radiación

absorbida porgases de

invernaderoDeforestación

Radiación

absorbida por

la atmósfera y

la tierra

CFC’s

Radiación que escapa

Borde de la atmósfera

Radiación

absorbidaRadiación

reflejada

Motores

gasolina y

diesel

Gases de

efecto

invernadero

Radiación

absorbida porgases de

invernadero

Figura 16. Representación esquemática del efecto invernadero.


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Tabla 12. Factores de emisión de GEI para diferentes combustibles [23]

FE[tCO2/TJ]

Combustibles sólidos: Combustibles líquidos: Antracita 98.3 Crudo 73.3Carbón de coque 94.6 Fuel oil 77.4

Hulla 94.6 Diesel oil 74.1Carbones sub-bituminosos 96.1 Gasolinas 69.3Lignito 101.2 Querosenos (aviación) 71.5Turba 106 Otros querosenos 71.9

GLP 63.1GLN 63.1Etano 61.6Nafta 73.3 Asfaltos 80.7

Lubricantes 80.7Coque de petróleo 100.8Materia prima refinería 73.3Orimulsión 80.7

Combustibles gaseosos:Gas natural 56.1Metano 55.1Gas de refinería 66.7Gas de horno de coque 108/47Gas de alto horno 24.2

En la Tabla 13 se presentan los gases de efecto invernadero y su respectivo potencial de

calentamiento atmosférico, parámetro éste que se define en función de la termo actividad

de cada molécula y que sirve de escala para comparar el potencial de cada gas, como

puede observarse existen gases con potenciales muchísimo mayores que el del CO2.


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49Tabla 13. Potencial de calentamiento atmosférico de diferentes contaminantes [23]

Gases de efectoinvernadero (GEIi)

Símboloquímico

Masamolecular

Potencial decalentamiento

atmosférico (PCAi)

Dióxido de carbono 1 CO2

44 1

Metano 2 CH4 16 21Óxido nitroso 3 N

2O 30 310

Hidrofluorocarbonos(HFC)

4 HFC 23 70 11700

5 HFC 125 120 2800

6 HFC 134a 102 13007 HFC 152a 66 140

Perfluorocarbonos8 CF

488 6500

9 C2F

6138 9200

Hexafluoruro de azufre 10 SF6

146 23900

Según el Panel Intergubernamental en Cambio Climático (IPCC) los efectos potenciales

del Calentamiento Global son los siguientes:

• Se prevé que el nivel medio global del mar se elevará entre 9 y 99 cm entre 1990

y 2100 y en caso de que todo el hielo de la Antártida se derritiera, el nivel del mar

aumentaría 125 m. [23]

• Se prevé que la concentración global de vapor de agua y las precipitaciones se

incrementarán durante el siglo XXI. Para la segunda mitad del siglo XXI es

probable que las precipitaciones se hayan incrementado en las latitudes medio-

altas y en la Antártida en invierno. En las bajas latitudes habrán tanto incrementos

como decrecimientos regionales según diferentes áreas. En la mayoría de las

áreas serán probables variaciones interanuales y se espera un incremento en las

precipitaciones.

• Modificación de la distribución de la fauna y floras del planeta., lo cual conllevará

la extensión de enfermedades debido a la migración de portadores. Tal es el caso

de la malaria, el dengue o la fiebre amarilla, cuyos vectores son ciertas especies de

mosquitos que habitan principalmente en zonas tropicales. [23]

5.4 Emisiones de gases de invernadero en proceso industriales.

Para tener una idea acerca de las industrias intensivas en emisiones de gases de efecto

invernadero en la Tabla 14 se presentan la información de los países de la OCDE para

el año 2004, como puede observarse las industrias productoras de acero y cemento

son responsables en mas de un 50% de las toneladas de CO2 al año, también son

importantes las contribuciones de los sectores de refinación del petróleo y petroquímica.

Esto se explica porque son sectores grandes consumidores de combustibles fósiles

para satisfacer sus requerimientos energéticos y como materia prima.


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Tabla 14. Sectores industriales intensivos en emisiones de CO2 [1].

Sector industrial 106 Ton/año

Producción de hierro y acero 1440Fabricación de cemento 1130

Refinado de petróleo 690

Industria petroquímica 520Otras industrias 1320Industria en general 5100

Generación de potencia 7660

Dada la importancia y atención mundial que ocupa el Cambio Climático, las emisiones

de gases de efecto de invernadero por unidad de producto se constituyen en un

nuevo indicador para evaluar económica y ambientalmente los procesos industriales.

A continuación se describe el procedimiento a seguir para estimar el índice de CO2equivalente en una industria:

• Si simultáneamente ocurre la emisión de varios gases de efecto invernadero

(GEI) el índice de emisiones en Teq CO2 se estima de la

economia_energia_medio_ambiente.pdf

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