fundamentos de ahorro de energia

Academia Superior del Instituto Tecnológico de Kyushu (KIT)

Correo electrónico: [email protected]

Fundamentos de la tecnología de

ahorro de energía

Michihiro NISHI, Doctor en ingeniería

Tecnología de ahorro de energía: JICA y KITA

(Asociación Techno-cooperativa Internacional de Kitakyushu)

Profesor Emérito

Instituto Tecnológico de Kyushu

(3 horas)

Academia Superior del KIT


Instituto Tecnológico de Kyushu

Facultad de Ingeniería (1949 - )

2009: Centenario

Departamento de Ingeniería Mecánica

Escuela de posgrados en Ciencias

Biológicas e Ingeniería en Sistemas (2000 - )

Facultad de Informática e

Ingeniería en Sistemas (1986 - )

Período: Abril de 1971 – Marzo de 2007

División de Ingeniería de Fluidos

Turbomaquinaria

Turbina hidráulica

Turbina eólica

Bomba

Control de caudal

Medio ambiente y energía

2.434+775 = 3.209

4.341+1.631 = 5.972

http://www.kyutech.ac.jp/english/index.html

Flujo interno de la mecánica de

fluidos

Ciudad Ecológica

Matrícula:

Matrícula:

(área de relleno sanitario)

Academia Superior KIT http://www.city.kitakyushu.jp/


Ciudad de Kitakyushu Fundada en 1963

1901: Primera fábrica estatal de acero de Yahata

2009: Ciudad modelo en gestión ambiental

Ciudad ecológica para la industria

venosa (en contraposición con la

industria arterial)

Moji, Kokura, Tobata, Yahata, Wakamatsu

El primer alto horno de Higashida (150 toneladas), Fábrica de Acero de Yahata.

Academia Superior del KIT E-Mail : [email protected]

Contenidos 1. Energía y conversión

2. Tecnología de Shou-ene (ahorro de energía)

3. Gestión de energía en la era del calentamiento

global

4. Conclusiones

Fundamentos de la tecnología de ahorro de energía


Academia Superior KIT

Federación Japonesa de Empresas de Energía Eléctrica

http://www.fepc.or.jp/english/index.html

Webs de referencia:

Ministerio de Medio Ambiente

http://www.env.go.jp/en/index.html

Ministerio de Economía, Comercio e Industria

http://www.meti.go.jp/english/index.html

Agencia para los Recursos Naturales y la Energía

http://www.enecho.meti.go.jp/english/index.htm

Centro de Conservación de la Energía, Japón

http://www.eccj.or.jp/index_e.html

Organización para el Desarrollo de Nuevas Energías y Tecnología Industrial

http://www.nedo.go.jp/english/index.html



Anexo. Unidades de energía, SI

1 MJ = 0,2778 kWh = 238,8 kcalIT = 947,8 Btu

Anexo

1 kWh = 3,6 MJ = 859,8 kcalIT (tabla internacional)

= 0,09297 Lcoe (coste nivelado de energía)

= 0,08598 kgoe (kilogramo equivalente de petróleo) = 3.412 Btu (unidad térmica británica)

1 kcalIT = 4,187 kJ = 0,001163 kWh = 3,968 Btu

1 kLcoe = 1.000 Lcoe = 38,72 GJ = 10.756 kWh = 0,9248 toe

1 toe = 1.000 kgoe = 41,87 GJ = 11.630 kWh = 1,081 kLcoe

Kilolitro equivalente de petróleo crudo

Tonelada equivalente de petróleo

k (kilo): 103, M (mega): 106, G (giga): 109,

T (tera): 1012, P (peta): 1015, E (exa): 1018

donde los prefijos del SI son:

Sistema Internacional de Unidades


1. Energía y conversión




Energía

1) Vigor (vitalidad)

2) Poder de acción

3) Capacidad para trabajar

4) Fuente de una vida privilegiada

(feliz y conveniente)


Vida

Vestido

Alimentación

Vivienda

Aparatos, etc. Servicios

Actividades

Energía

Electricidad




La energía denota la capacidad para realizar trabajo.

donde N = kg m/s2

kg: masa

m/s2: aceleración

En ingeniería (física):

[ trabajo ] = [ fuerza ] [ distancia ]

[ J: julios] = [ N: newtons] [ m :metros]

La potencia denota el trabajo realizado o la

energía transferida por unidad de tiempo.

[ potencia ] = [ trabajo o energía ] / [ tiempo ]

[ W: vatios ]= [ J ]/ [ s ]

1 kWh = 3.600 kJ = 860 kcal = 3,412 kBTU = 9,30 10-5 kl de petróleo

1.1. ¿Qué es la energía? (1/3)



Formas de energía

La energía puede cambiar de una a otra forma.

Formas convenientes: energías eléctrica, térmica y mecánica

Energía mecánica (potencial, cinética y trabajo realizado)

Energía eléctrica (eléctrica y magnética)

Energía química

Energía nuclear

Energía luminosa

Energía térmica

Combustible fósil



El término “energía” significa: Combustible

(petróleo crudo, petróleo volátil, petróleo pesado y otros productos del

petróleo, gas natural inflamable, carbón, coque y otros productos del

carbón)

Calor (excluido el calor utilizado para remplazar el generado por

combustible)

Electricidad (excluida la electricidad usada para reemplazar la electricidad obtenida

mediante la energía generada por la conversión del calor proveniente

del combustible)


Ley del Uso Racional de la Energía

(ley 49 del 22 de junio de 1979, reformada el 10 de agosto del 2005)

30 de mayo del 2008

Los tres elementos mencionados arriba son energías fundamentales en las fábricas.

Nota: en Japón


・ Recursos energéticos (o energía):


Energía renovable

Energía del carbón

Energía limpia

Energía verde

Nueva energía

Energía primaria

Combustibles fósiles

Energía nuclear

Carbón (6.900 kcal/kg)

Petróleo (9.100 kcal/L)

Gas (9.800 kcal/m3)

Uranio (19,6 106 kcal/g)

Energía geotérmica

Energía solar

Energía de la biomasa

Energía eólica

Energía hidroeléctrica

Energía oceánica (mareomotriz)

: materiales orgánicos

1 kW/m2

0,6 kW/m2 (V = 10 m/s)

9,8 kW/(m3/s) (H = 1 m)

13,5 kW/m2 (V = 3 m/s)

1 GJ = 10-9 EJ = 0,239 Gcal = 0,0258 kl (equivalente de petróleo crudo)

Japón




1.2. La conversión de la energía (1/2)

Energía potencial y energía cinética

Energía eléctrica

Energía mecánica

Energía térmica

Energía luminosa

Energía nuclear

Energía química

Energía hidroeléctrica Energía eólica

Sol

Geotérmica

Generador

Turbina de vapor

Turbina hidroeléctrica

Turbina eólica

Pila de combustible

Célula fotovoltaica

Combustibles fósiles

Biomasa

・ Generación de electricidad



1 GJ = 10-9 EJ http://www.enecho.meti.go.jp/

1.2. La conversión de la energía (2/2)

Ejemplo del flujo de la energía en Japón (año fiscal 2005)

U235: 11 %

Petróleo: 49 %

Carbón:20 %

Gas (gas natural licuado):14 %

Hidroeléctrica: 3 %

Geotérmica y nuevas: 3 %

Energía primaria

Industria:

44 %

Energía secundaria

23,8 EJ

Doméstica:

13 %

Comercial:

19 %

Transporte:

24 %

Nuclear: 31 % (20,8 %)

Petróleo: 10 % (19,5 %)

Carbón: 26 % (15,8 %)

Gas: 24 % (24,6 %)

Hidroeléctrica: 8 % (19,1 %)

Geotérmica y nuevas:

1 % ( 0,2 %)

Consumo energético

Electricidad: 3,56 EJ (0,99 PWh) 16,0 EJ

Pérdida: ~30%

Química, combustible, etc.

(Capacidad de generación: 238,87 GW)

Pérdida: ~66%

Gas de alumbrado


1. Energía y Conversión

ANRE (Agencia Japonesa de Recursos Naturales y Energía), Libro Blanco de Energía 2012 (en japonés)

<NOTA> Flujo de energía eléctrica en Japón

Año fiscal 2010

Energía primaria

8.437 PJ

Pérdida

Electricidad Consumo

3.479 PJ

(41,2%)

4,958 PJ

(58,8%)

Pérdida en la transmisión

(con uso propio)

3.092 PJ (36,6%)

387 PJ

(4,6%)

Total: 22.091 PJ

Fracción: 0,38

Cable superconductor Industrias Eléctricas Sumitomo

NEDO

<Contramedidas>



Revisión de Electricidad Japón 2011, FEPC (Federación Japonesa de Empresas de Energía Eléctrica)

<NOTA> Oferta y demanda diaria en Japón (hasta AF 2010)

La mejor política mixta



1.3. Pérdida y rendimiento (1/4)

[entrada] = [salida] + [pérdida]

[rendimiento (h)] = [salida]

[entrada] = 1 -

[pérdida]

[entrada]

Sistema de

transferencia Entrada

(energía, fuerza) Salida

Pérdida (calor) Debido a la resistencia y la fricción Ahorro de energía



0

Rendimiento de varias máquinas y dispositivos


100 %

50 Motor diesel

Turbina de gas

Turbina de vapor

h =

(sa

lid

a /

en

trad

a)

Turbina hidráulica Generador grande Motor grande

Caldera grande

Pila de combustible

Lámpara fluorescente

Lámpara incandescente

Célula fotovoltaica

Motor de gasolina

Lámpara LED


• Energía térmica: moléculas de naturaleza aleatoria


Energía térmica Energía (mecánica)

Energía térmica Energía (mecánica)

Pérdida (calor)

Flujo de fluido comprimible: gas y vapor

Energía interna: CVT T : Temperatura (K = 273 + C)

CV : Calor específico en volumen constante

CP : Calor específico en presión constante Entalpía: h, h = CVT + pv = CPT

Entropía: s, ds = dq / T = ( CVdT + p dv ) / T = ( CPdT – v dp ) / T

Cambio isentrópico (cambio reversible adiabático): ds = 0

Cambio actual : ds >= 0

Gas ideal: pv (= p/r ) = RT

Termodinámicas Sistema

dq

(ej.) air: R=287 J/(kg K)

1.3 Pérdida y eficiencia (3/4)



Sadi Carnot, 1824.

Ciclo de Carnot


Entropía: s

Tem

per

atu

ra:

T

TH

TL

Transferencia de calor TH TL

Proceso reversible ideal para obtener el máximo trabajo

1 - 2: Expansión isotérmica de gas (adición de calor) 1 2

3 4 2 - 3: Expansión isentrópica de gas

4 - 1: Compresión isentrópica de gas

3 - 4: Compresión isotérmica de gas (expulsión de calor)

1

21212 )(

v

vnRTssTqqq HHH

)(23 HLp TTChh

3

43434 )(

v

vnRTssTqqq LLL

)(41 LHp TTChh

qH

qL

Rendimiento de Carnot:

H

L

H

LH

H

LH

T

T

T

TT

q

qq

entrada

salida

1h

TH = 1600 K, TL = 800 K: h = 0,5

Motor ideal de calor

TH = 303 K, TL = 278 K: h = 0,083


Ciclo reversible de Carnot


Entropía: s

Tem

per

atu

ra:

T

Proceso reversible ideal para transferir calor

1 - 2: Expansión isotérmica de gas (calor desde el sumidero)

2 - 3: Compresión isentrópica de gas

4 - 1: Expansión isentrópica de gas

3 - 4: Compresión isotérmica de gas (calor a la fuente)

)(23 LHp TTChh

3

43434 )(

v

vnRTssTqqq HHH

)(41 HLp TTChh

Coeficiente de rendimiento:

1)/(

1

LHLH

L

LH

LR

TTTT

T

qq

q

entrada

salidaCOPRefrigerador ideal

Bomba de calor ideal 1

R

LH

H

LH

HH COP

TT

T

qq

q

entrada

salidaCOP

TH

TL

4 3

2 1

qH

qL

Ds

1

21212 )(

v

vnRTssTqqq LLL



Central eléctrica de flash: 150 - 250 C, central eléctrica de ciclo binario: 80 - 150 C

1.4. Uso de la energía térmica

2000C

1000C

10C

Motor Combustión

Turbina de gas

Turbina de

vapor

Vapor de

alta temperatura

y presión

Vapor

Agua caliente

100C

Electricidad

Trabajo mecánico

Uso del calor

(fábricas)

Aire acondicionado Suministro de agua caliente

Uso de una cascada de energía térmica

Caldera e intercambiador de calor

Refrigeración

por absorción

Turbina de ciclo binario



Central eléctrica de Flash: 150 - 250C

Central eléctrica binaria:

80 - 150C

Energía

Generador Turbina

Pozo de

producción

Condensador

Agua de

vapor

Intercambiador de calor

Agua caliente

Pentano (C5H12)

Energía geotérmica

Pozo de

reinyección

Torre de

refrigeración

Fluido de trabajo

Isobutano (C4H10)

T evaporación = 36C

T evaporación = - 12C

Energía

Generador Turbina

Pozo de

producción Pozo de

reinyección

Torre de refrigeración

Condensador



Pregunta 1: ¿Cuánta energía se consume cuando se usa un calentador eléctrico de 3 kW

durante 20 minutos?

Pregunta 2: Encuentre el COPR (coeficiente de rendimiento) de un refrigerador de Carnot en las

siguientes condiciones:

Temperatura más baja : -15 C

Temperatura más alta : 30 C

Cuando el cambio de entropía es de 400 kJ/K, calcule la potencia útil de entrada en este ciclo.

Pregunta 3: Estime el rendimiento de Carnot de la conversión de energía térmica oceánica(OTEC) y

manifieste sus puntos de vista sobre su uso. Suponga que la temperatura de la superficie del mar es de

27 C y la de las aguas profundas es de 5 C.

T G

E VP

C

P P

Deep sea

C: condensador, E: evaporador

G: generador eléctrico, P: bomba

T: turbina, VP: bomba de vacío

Ciclo abierto

Profundidades del mar


EPT: tiempo de retorno energético

EPR: Tasa de retorno energético (TRE)

EPT= [energía utilizada] / [energía generada al año]

Ejemplo: célula fotovoltaica: 2,2 años (planta de 30 MW)

EPR= [energía generada ]/ [energía utilizada]


1.5. EPT y EPR

Impactos sociales y ambientales

Productos de la protección ambiental

[EPR] = [tiempo de vida útil] / [EPT]


EPR para la generación de energía eléctrica


Sequiturs.com

1

474 ~975

g-CO2/kWh

11

13 ~ 15

8~10

11

15

50

15

10 ~29

25 ~34

17 ~38

EPR

Fuente: Instituto Nacional de Ciencia y Tecnología Industrial Avanzada.

Nota:

Fotovoltaica

Conversión de

Energía Térmica

Oceánica (OTEC)

Eólica

Geotérmica

Nuclear

Combustible fósil

Hidroeléctrica


2. Tecnología shou-ene (ahorro de energía)

2. Tecnología shou-Ene

Tecnología de ahorro de energía

(Tecnología de gestión de energía)


a) Uso eficaz de la energía

b) Uso efectivo de la energía

c) Reducción del uso de la energía

Gestión de energía

Pregunta: Ahorro de energía

1) Todos (a, b y c)

2) a y b

3) a

Shou-energía

o Shou-Ene (en japónes)




Pico del petróleo (http://www.oilcrisis.com).

2.1. Shou-ene (1/2)

MOTTAINAI

(1)

(2)

(3)

(4)

1) Ahorro de energía = uso eficaz de la energía

2) Cambio de estilo de vida = uso efectivo de la energía y ahorro de energía

3) Sustitución = energía alternativa

4) Privación = reducción del uso de la energía

¿Qué es?

Nueva energía

Nueva energía: 3

Shou-ene: 1, 2, y 4

Tiene como objetivo satisfacer diversas demandas con

ofertas limitadas.

Crecimiento de la demanda

Conservación

Cambio del estilo de vida

Sustitución

Privación? Suministros del

petróleo



2.1. Shou-ene (2/2)

Principios de las acciones de shou-ene:

4) Minimizar el uso de la energía

1) Maximizar la recuperación y el uso de la energía residual

2) Maximizar el rendimiento de la transferencia de energía

3) Minimizar la conversión o la transmisión de la energía

Calefacción central Calefacción descentralizada (personal)

Calentador eléctrico Calentador de aceite

Lámpara incandescente Lámpara fluorescente

Ej.: alto rendimiento: motor, turbina, quemador, etc.

Gases de escape Generador de vapor de recuperación de calor

Intercambiador de calor

5) Uso inteligente de la energía

Respetar el tiempo, lugar y ocasión Sin importar el tiempo,

lugar ni ocasión


2.2. Desarrollo de la tecnología de los elementos (1/3)

Metas: (1) Racionalización de la combustión:

Quemador: uso efectivo del aire

(2) Racionalización de la transferencia para la refrigeración y calefacción

El uso mínimo necesario del calor

(3) Reducción de la pérdida de calor debido a radiación, conducción, etc.

Aislamiento térmico

(4) Recuperación y uso del calor emitido (energía residual)

(5) Reducción de la pérdida de energía eléctrica debido a la resistencia en

un sistema

(6) Conversión racional de la energía eléctrica y su uso efectivo

Lo antedicho también se puede aplicar a la tecnología de sistemas

Ley del Uso Racional de la Energía



Diámetro: 60 mm

Longitud: 109 mm

Peso: 140 g 70 g (30 g)

Frecuencia: 50/60 Hz

Voltaje: 100 V

Potencia: 6,9 W (54 W)

Vida útil: 40.000 horas

* Compañía Iluminación y Tecnología de Toshiba, y Panasonic

Lámpara LED de 60 W

25.2

16.1

16.1

9.9

32.7

Aire acondicionado

Refrigeradora

Iluminación

Televisor

Otros

Uso doméstico (Japón) En el mercado: 15 de julio del 2009

5.460 yenes (2010)


E-CORE*

2.380 yenes (2011)

Sharp

2.2. Desarrollo de la tecnología de los elementos (2/3)

Ejemplo 1: iluminación 6) La conversión racional de la

energía eléctrica y su uso efectivo


2.2 Desarrollo de la tecnología de elementos (3/3)

(2) Racionalización de la transferencia para la refrigeración y calefacción

• Ejemplo-2: Álabe de turbina de gas (de Industrias Pesadas de Mitsubishi)

Alta eficiencia:

Temperatura del gas de entrada: 1500C

Álabe del rotor (primera fase)

<Tecnología>

Súper aleación resistente al calor

Recubrimiento cerámico resistente al calor

Sistema de refrigeración por vapor

Álabe del rotor en su primera fase (M501G)

Fábrica de Maquinaria MHI Takasago


1600C


Eficiencia térmica > 50 %

Turbina de gas Generador

Generador Turbina de

vapor

Aire

Aire

Aire

Gas natural

licuado

Condensador

refrigerado

por aire

Vapor de

recuperación

de calor

Generador

270 MW

Fábrica de Maquinaria MHI Takasago

Central termoeléctrica de turbina de gas de ciclo combinado (MHI)

2.3 Desarrollo de la tecnología de sistemas (1/3)

• Ejemplo- 3: Integración de componentes avanzados

119MW


M501J


<NOTA> Mejora de la eficiencia de la energía térmica


MHI

USC

IGCC

GTCC+SOFC GTCC

IGCC+SOFC

AUSC

40 50 60 70 80

Eficiencia térmica (%): LHV

USC: Central termoeléctrica de carbón de presión ultra supercrítica

AUSC: USC avanzada

IGCC: Gasificación integrada de carbón en ciclo combinado

GTCC: Turbina de gas en ciclo combinado

SOFC: Pila de combustible de oxido sólido

[Eficiencia] = [Potencia eléctrica neta] / ( [Consumo de combustible]x[HV] )

Valor de calentamiento alto (H HV) 6.355 kcal/kg 26,6 MJ.kg

Valor de calentamiento bajo (L HV) 6.037 kcal/kg 25,3 MJ/kg

Hulla


2.3. Desarrollo de la tecnología de sistemas (2/3)

147 toneladas de coque / hora

107 toneladas de vapor / hora

Ejemplo 4: mejoras del sistema

CWQ (refrigeración

húmeda)

Coques Carbón Horno de coque

Compañía Coque e Ingeniería de NIPPON, Fábrica de Coque de Kitakyushu

CDQ (refrigeración seca)

27,9 MW

600 MWh/día

4) Recuperación y uso del calor emitido (energía residual)


Gas de N2


2.3 Desarrollo de la tecnología de sistemas (3/3)

Compañía Ebara: Hzfree


• Ejemplo- 5: Mejoras en la operación

Punto operativo

Control de caudal de la bomba, no por la válvula de entrega, sino del inversor

h

Rendimiento de la bomba

Altura de elevación de la bomba:

H - n2

Descarga: Q - n

Potencia de eje: P - n3

Bomba de velocidad variable

Rendimiento contra la velocidad n :


3. La gestión de la energía en la era del calentamiento global

3. Gestión de la energía en la

era del calentamiento global


3.1. Calentamiento global (1/3)

Cambio climático creado

por los seres humanos.

4 informe del IPCC (Grupo Intergubernamental de Expertos sobre el Cambio Climático) (presidente: Rajendra K. Pachauri)

AR4

(4 informe del IPCC (Grupo Intergubernamental de

Expertos sobre el Cambio Climático))

Fecha (antes del 2005)


Dió

xid

o d

e ca

rbo

no

(p

pm

)

Dif

eren

cia

en

tre 1

96

1 y

19

90

(m

m)

Año

Año

Cambios de la temperatura, el nivel del mar y los

mantos de nieve del hemisferio norte

a) Temperatura media mundial

b) Media mundial del nivel del mar

c) Mantos de nieve del hemisferio norte

(Mil

lon

es d

e k

m²)

Tem

per

atu

ra (

C)

(Mil

lon

es d

e k

m²)

Gas de efecto invernadero


Cambio climático Clima anormal (inundaciones y sequías) Subida del nivel del mar Cambio en las corrientes profundas del mar

Medio ambiente natural

Seres humanos y medio ambiente social

Impacto en las plantas y la vida salvaje

Especies en extinción

Impacto en la agricultura y los productos alimenticios Salud humana Pérdidas económicas

Causados por actividades humanas Gran escala en tiempo y espacio (proceso irreversible)

Problema grave


Efectos del calentamiento global



Cuál es la diferencia

Contaminación ambiental

Calentamiento global

(Universidad de Nagoya)

1978

1998

1960

Presente

Ciudad de Kitakyushu

Himalaya (glaciar AX010)

Difícil de reparar

Reparable

Centro Japonés para las Acciones contra el Cambio Climático, http://www.jccca.org/

Nota:


Proceso irreversible


Idea básica

Diciembre de 1997 Protocolo de Kioto

Mayo del 2002 Japón lo aprueba

Febrero del 2005 Entra en vigor

Compromiso de Japón: 2008 - 12 Reducción del 6 % de los GHG (gases de efecto invernadero) con

respecto a las emisiones de 1990.

Arrepentimiento mínimo

Conferencia de las partes en el

marco de la convención de las

Naciones Unidas sobre el cambio

climático

Ministerio de Medio Ambiente

COP 3 en Kioto




Energía: Seguridad nacional

Para vivir mejor

El gobierno la administraba junto con las compañías eléctricas.

La ciudadanía únicamente preocupaba por el uso.

Contaminación ambiental:

Alrededor de la década de los 1960

Debido al rápido desarrollo del país

Crisis energética:

1973: Primera crisis del petróleo (Proyecto Sunshine (brillo

del sol))

1979: Segunda crisis del petróleo (Proyecto Moonlight (luz de

la luna))

Calentamiento global:

Desastre del 11 de marzo (terremoto, tsunami y accidentes nucleares)

3.2 Asuntos de la energía en Japón (1/3)

• Historia de la energía y el medio ambiente

3. Gestión de energía en la era del calentamiento global

Cumplimiento simultáneo de las siguientes 3 E (siglas en inglés):

Protección ambiental (Environmental Protection)

Eficacia (crecimiento económico)

Seguridad energética (Energy Security)


Principios de la política energética de Japón

Soluciones desde la perspectiva de la ingeniería y la tecnología

Agencia para los Recursos Naturales y la Energía,

Ministerio de Economía, Comercial e Industria

3.2. Asuntos de la energía en Japón (2/4)

Nueva energía (energía renovable)

Ahorro de energía (ahorro energético)

Almacenamiento de energía

Ley de Ahorro Energético (1979)

Obliga a gestionar la energía a las fábricas con gran consumo

energético para promover el uso racional de la energía.

En la ley, la energía se refiere a los combustibles fósiles, el calor y la

electricidad.


Sector AF 1973 AF 1990 AF 2004

Sector industrial 100 92 99

Sector doméstico o 100 171 247 comercial

Sector del transporte 100 177 212

PIB 100 189 221


Tendencia del consumo final de energía

3.2. Asuntos de la energía en Japón (3/4)

Nota: No solo el sector industrial sino también otros sectores deberían

preocuparse por el consumo energético.

Los ciudadanos deberían participar en el asunto de la gestión de la energía.



0

30.000

40.000

50.000

60.000

1990 2000 2010 2020 2030 2040 2050

（M

ega

ton

ela

da

s d

e C

O2）

25 %

23 %

52 %

23 %

52 %

20 %

28 %

62 %

18 %

21 % 42 %

35 %

Fuente: RITE (Reglamento de Instalaciones Térmicas en los Edificios).

10.000

20.000

AF 1990

20.981

AF 2007

28.962

Mitad

Tendencias mundiales de las emisiones de CO2

Subida de la

temperatura

< 2 – 3C

Sociedad de bajo carbono

3.3. Tras el Protocolo de Kioto (1/4)



Btoe

Demanda mundial de energía primaria por combustible

Fuente: Agencia Internacional de la Energía (AIE), Perspectiva Energética Mundial 2008.

17,014

14,121

11,730

10,034

7,223

Pronóstico

Incremento de la demanda de combustibles fósiles

Energía en Japón 2010, Ministerio de Economía, Comercio e Industria



Biomasa y residuos Otros Petróleo Hidroeléctrica Carbón Gas natural Nuclear


La ingeniería que maneja el clima de la Tierra

• Opción 2 : Aplicación de la Geoingeniería

Aerosoles de sulfato estratosféricos (dióxido de azufre (SO2) y sulfuro

de hidrógeno (H2S)

1. Manejo de la radiación solar

Efectos secundarios: Fracaso de los monzones, etc.

Profesor Paul Crutzen, premio nobel (química) en 1955


Cada país: Necesita energía

Pérdida económica y sociedad inestable Cambio Climático：

COP18 (2012) : Doha, Qatar

Intereses nacionales primero,

intereses globales, después. Se acelera

Si casi todas las personas son culpables de lo anterior, nadie podría ser

culpable.

• Opción 1 : Acción basada en la COP

Prórroga del Protocolo de Kioto (16%)

La Puerta Climática de Doha

(1 de enero del 2013 – 31 de diciembre del 2020)

3.3 Post Protocolo de Kioto (3/4)


Minimización del uso de la energía del carbón

COP 15: Copenhague, Dinamarca

O3.1. Mecanismo de offset (compensación) entre dos países

Ej.: La India y Japón (Ministerio de Economía, Comercio e Industria,

agosto del 2010)

<Estudio de viabilidad>

Central termoeléctrica de carbón de alto rendimiento

Ciclo combinado: Compañía Eléctrica de Tohoku

Uso del calor residual en la industria del acero

: Corporación Nippon Steel

Esfuerzos de Japón

Opción 3: Actuar para una sociedad de bajo carbono





1) Minimización del carbón en todos los sectores Sectores industrial, del transporte, residencial y comercial

2) Hacia un estilo de vida simple

con más calidad de vida

3) Convivencia con la naturaleza

4) Compartir experiencias e ideas

Sociedad de carbón neutral

Principios

Sociedad de bajo carbono (energía)

Emisiones de CO2 : Absorción

“Reducción de las emisiones del mundo a la mitad del nivel actual antes del 2050”

Nota:



Rendimiento térmico (%)

Central termoeléctrica de carbón

Japón (42), EE.UU. (36), China (33), India (30)

Fracción del carbón (%)

Japón (25), EE.UU. (23), China (70), India (53)

Reducción de las emisiones

de CO2 ~ 1,3 Bt (billones de toneladas)

Emisiones de CO2 (Japón)：

1,261 Bt (AF 1990)

22%

19%

5%

FY2008

22%

19%

5%

Si se remplazaran todas las centrales:

Nota:

Emisiones de

CO2 del AF

2008: 29,4 Bt

China

EE.UU.

U.E.

Rusia

India

Japón

Otros


Tecnología de sistema de supercombustión Ahorro de energía en procesos de fabricación omitiendo la combustión o mejorando su rendimiento Ej.: tecnología de fabricación de vidrio que usa la tecnología del plasma, etc.

Tecnología de uso de la energía superando las restricciones de tiempo o espacio Tecnología de ahorro energético por medio del uso de la energía sobrante superando las restricciones de tiempo o espacio Ej.: tecnología de transporte del calor residual de las fábricas a las áreas remotas para satisfacer su demanda en forma eficaz, etc.

Tecnología de dispositivos de ahorro energético en el futuro Ahorro de energía mejorando el rendimiento de dispositivos como los semiconductores Ej.: tecnologías de ahorro energético para transformadores y motores que usan carburo de silicio (SiC), etc.

Tecnología de creación de espacios en las viviendas donde se informe sobre el ahorro energético Ahorro de energía a través de la integración de equipos de alto rendimiento y tecnologías de la información según los cambios en el estilo de vida Ej.: aire acondicionado, iluminación, etc. con control integrado que use sensores de detección de presencia humana

Tecnología para crear una sociedad con transporte avanzado Tecnología de ahorro energético que mejore el rendimiento de los medios de transporte y use las máquinas de forma más sofisticada; por ejemplo, para el cambio modal del transporte Ej.: tecnología de mejora de la economía de los combustibles para vehículos, control de las señales de tránsito usando tecnologías de la información (ajustarse al movimiento los vehículos que circulan), nuevas tecnologías para los sistemas de tránsitos, etc.

Cinco campos prioritarios (estrategia energética nacional de Japón, 2006)

http://www.enecho.meti.go.jp/

Combinato del petróleo ecológico

O3.2. Estrategia técnica para el ahorro energético



Almacenamiento de calor de distintas temperaturas

Almacena

miento

Almacena

miento

Almacenam

iento

Tecnología de utilización de la energía trascendiendo las restricciones de

espacio-tiempo Para ahorrar la energía a través de la utilización de los excesos de la energía trascendiendo

las restricciones de espacio-tiempo.

Ejemplo: Tecnología de transporte del calor residual de las fábricas a las zonas remotas para su

uso efectivo, etc.

Contenedor TransHeat (TransCalor): Ingeniería Sanki

Suplemento:

Tiempo

Tem

per

atu

ra r

esid

ua

l


Acetato de sodio

Contenedor


Ej.: lineamientos para la ecovida (sector residencial)

Acción 1: control de la temperatura

aire acondicionado: verano 28C, invierno 20C*

Acción 2: uso racional del agua del grifo

Acción 3: manejo inteligente de los vehículos para el ahorro

energético sistema inteligente de idling stop (apagado

automático), encendido y apagado suaves

Acción 4: adquisición de ecoproductos

Acción 5: comprar teniendo en cuenta los residuos

de la bolsa de plástico a mi bolsa

Acción 6: uso racional de la electricidad reducción del tiempo en espera

* Menú de retos Reducción de CO2 por

Reto 25, Equipo menos 6 %.

O3.3. Promoción del show-ene en cada sector




3.4. Enfoques para la reducción de las emisiones de

CO2 (1/2)

2,17 kgCO2/ US$2.000

3,86

1,81

0,46

0,22

Emisiones de CO2 por PIB en el 2009.

0,18

0,237

0,053

0,038

Estadísticas clave de la energía mundial 2011, AIE.

0,055

Academia Superior KIT ( ): Perspectiva Energética Mundial 2009,AIE.


Análisis de la cantidad de emisiones de CO2

Sociedad de bajo carbono

Número de

limpieza

Emisiones de

CO2

Generación de CO2 Consumo energético

PIB PIB X X

Número de

shou-ene

Crecimiento

económico

=

CCS (captación y almacenamiento de CO2)

Emisiones de CO2

Generación de CO2

Número de

recuperación

Consumo energético

(10)

Nuclear (10) Renovable (23) (57)

[1]

[2] [3]

3.4. Enfoques para la reducción de las emisiones de

CO2 (2/2)


CCS: Captación y almacenamiento de dióxido de carbono

[1] Número de recuperación

Ministerio de Economía, Comercio e Industria, Energía en Japón 2010


Proyecto conjunto: Estación de Central Eléctrica Barry (25MW, 500t/día, Alabama)

Captación: 150.000 toneladas de CO2 al año


Intensidad de las emisiones de CO2 por fuentes de energía

[2] Número de limpieza 1

Federación Japonesa de Empresas de Energía Eléctrica.


g-CO2/kWh (transmisor)

Inte

nsi

dad

de

las

emis

iones

de

CO

2

Fuentes de

energía

Notas:

* La intensidad de las emisiones de CO2 se calcula en base a todas las energías que se

consumen en la minería, la construcción de plantas industriales, el transporte de

combustible, el refinado, la operación y el mantenimiento de las plantas industriales,

etc., así como la quema de combustible.

* Los datos de la energía nuclear incluyen el reprocesamiento del combustible usado

en Japón, la utilización del combustible MOX (mezcla de óxidos de uranio-

plutonio) en los reactores LWR (reactores nucleares de agua ligera), el

desmantelamiento de las centrales nucleares y la eliminación de HLW (residuos de

alto nivel), entre otros.

Combustible

Instalaciones/operaciones

Termoeléctri

ca de carbón

Termoeléctric

a de petróleo

Termoeléctrica

de gas natural

licuado

Gas natural

licuado de ciclo

combinado

Solar Eólica Nuclear Geotérmica Hidroeléctrica

(pequeña y mediana

escala)


Energía renovable Uso en el

2001

Recursos

recuperables Recursos teóricos

Energía

hidroeléctrica 9 50 147

Biomasa 50 > 276 2.900

Energía solar 0,1 > 1.575 3.900.000

Energía eólica 0,12 640 6.000

Energía geotérmica 0,6 5.000 140.000.000

Energía mareomotriz - - 7.400

Total 60 > 7.600 > 144.000.000

Recursos de las energías renovables (EJ/año)

Consumo mundial: 402 EJ/año ~ 5 %

Evaluación Mundial de la Energía (http:// www.undp.org/energy/).

[2] Número de limpieza 2




Breve estimación de energía solar en Japón

Latitud: 30 - 45

Insolación diaria (Japón): 3,4 – 4,4 kWh/ (m2 por día)

1.200 – 1.600 kWh/ (m2 por año)

Sistema solar de 1 kW: A = 10 m2 1 = 10 m2

Energía de radiación solar: 1 kW/m2

Energía solar anual

E A h k = 1400 10 0.1 0.65 = 910 kWh/año *

donde h = 0,1 : Eficiencia del sistema

k = 0,65 : Factor de corrección (temperatura, sistema y panel)

Uso doméstico: Sistema de 3-4 kW (año fiscal 2004: - 3.600 kWh/año)

[2] Número de limpieza - 3

* Cálculo de la reducción de las emisiones de CO2 por la instalación de paneles

0,39 – 0,053 = 0,337 kg-CO2/kWh 0,377 910 = 306,7 kg-CO2/ año

Kyushu : 1.105 kWh


Potencial de ahorro energético en hierro y acero (2005)

Gracias a la introducción de la mejor tecnología disponible

Perspectiva energética mundial 2008, AIE, 2008.

[3] Número de shou-ene


Japón EE.UU. Brasil China Rusia India


Síntesis de las medidas de ahorro energético

3.5. Actividades de shou-ene en Japón

1) Sector industrial, 2) sector comercial, 3) sector del transporte y 4) sector residencial

B) Programa Top Runner (programa del mejor modelo) (Ley de Ahorro Energético)

: 2), 3) y 4)

C) Promoción de la introducción de instalaciones de alto rendimiento : 1), 2) y 3) (subsidios, sistema de impuestos y préstamos)

D) Promoción integral del desarrollo tecnológico para el ahorro de energía

: 1), 2), 3) y 4)

E) Promoción de la introducción de sistemas de alto rendimiento para el aire

acondicionado y el agua caliente en el sector residencial y en los edificios

: 2), 3) y 4)

A) Medidas basadas en la Ley de Ahorro Energético (entró en vigor en abril del 2006)

: 1), 2) y 3) Informe de la utilización de la energía

El sistema social también está incluido en las metas del shou-ene.

Desde 1998, 2002



Mejora del aire acondicionado de uso doméstico (de clase 2,8 kW)

APF = factor de rendimiento anual (16 C y 24 C)

kWh COP (coeficiente de rendimiento)

Año

APF DAIKIN Programa Top Runner

Nota a B) 1:




El Sistema de etiquetas para el ahorro de energía se introdujo para

informar a los consumidores del rendimiento energético de los

electrodomésticos y para fomentar los productos de ahorro energético.

Ejemplos de etiquetas de ahorro energético.

Etiqueta para una unidad principal del producto.

En febrero del 2007 el sistema de etiquetas se aplica a los siguientes 16 productos: aires acondicionados,

refrigeradoras, congeladores, lámparas fluorescentes, televisores, calefactores, cocinas de gas, calentadores de

agua por gas, calentadores de agua por aceite, asientos de inodoro eléctricos, computadoras, discos magnéticos,

transformadores, microondas, arroceras y grabadoras de DVD.

Año meta: AF 2006

Porcentaje de logro estándar de ahorro

energético:

Consumo anual

de electricidad:

Año meta: AF 2006

Porcentaje de logro estándar de ahorro

energético:

Consumo anual

de electricidad:

91 %

108 % 175 kWh/año

206 kWh/año

Nota a B) 2:



La Ley modificada del Uso Racional de la Energía, que entró en vigor en abril del 2006, estipula que los minoristas deberán esforzarse por brindar información sobre los productos. Conforme a lo establecido, se formularon lineamientos dentro de los cuales se incluye el uso de una etiqueta unificada de ahorro energético para brindar información.

Este sistema se inició en octubre del 2006.

[Sistema de calificación de 5 estrellas]

La fase del ahorro energético se indica con de 1 a 5

estrellas, del nivel más bajo al más alto de los productos

ofertados en el mercado.

Para mostrar el nivel de cumplimiento con el Programa

Top Runner, las flechas debajo de las estrellas señalan el

nivel de logro que faltante.

[Sistema de etiquetas de ahorro energético]

Los productos que cumplen el Programa Top Runner se identifican

con una marca “e” de color verde, mientras que otros productos

tienen una marca “e” de color naranja.

También se indica el nivel de logro y el consumo anual de

electricidad.

[Tarifa de electricidad anual estimada]

Se indica la tarifa de electricidad anual estimada para mostrar

claramente el rendimiento en el consumo energético (consumo

anual de electricidad).

Etiqueta unificada de ahorro energético.

Nota a B) 3:


Antes de la introducción del proyecto ESCO

Durante la implementación del

proyecto ESCO

Tras la finalización del período del

contrato

AF 2004 AF 2018

Ej.: proyectos de ESCO introducidos por la universidad de Kitakyushu

Empresas de servicios de energía

Pago de

cargo por

servicio Pago de

cargo por

servicio

Pago de

cargo por

servicio

Garantizada

por el operador

ESCO

125.200.000

yenes

115.600.000

yenes

115.600.000

yenes

9.600.000

yenes

9.000.000

yenes

Ganancia del consumidor

Ganancia del consumidor

(universidad)

Precio de servicio ESCO

Efe

cti

vid

ad

Nuevos negocios de shou-ene

Ciudad de Kitakyushu

Nota a C):




Nota a D):

Vehículo eléctrico (automóvil híbrido)

Nueva energía: número de limpieza

Para el transporte

Para el almacenamiento

de energía

I MiEV: Corporación Mitsubishi Motors

Academia Superior KIT Instituto Central de Investigación de la Industria de la Energía Eléctrica


Electricidad

Calor*

31

40

Residuos: 29 (11)* Sistema de

cogeneración

(pila de

combustible)

Gas natural

licuado

100

Usuario

Electricidad

Calor

31

40 Residuos: 10

Caldera Combustible 50

Usuario

65

115 Residuos: 34

Central

eléctrica

Sistema convencional

* Aire acondicionado y agua caliente

Cuando se requiere electricidad y calor

Electricidad 31

40

Residuos: 44 Gas

natural

licuado

85

Usuario

Central

eléctrica Bomba de calor (4)

Sistema de cogeneración

Sistema de bomba de calor

Rendimiento de shou-ene Nota a E):

10

82

* SOFC (pilas de combustible de óxido sólido)

Calor*


Sistema organizado para las actividades de shou-ene

Estructuras de gestión de energía

Líder (presidente)

Programa para que participen todos los empleados

Separación de funciones y programación de la agenda

Situación del uso de la energía

Meta

Actividades

Resultados Valoración del rendimiento

Implementación del ciclo de Deming (PDCA)

Mejora de las operaciones diarias

Aplicación de los estándares de gestión

Revisión para la modificación

Metas claras establecidas por el líder

Metas individuales específicas

Decisión basada en el método de la confirmación

Medición de los datos energéticos actuales

Gestión del consumo específico

Visualización

Centro de Conservación de la Energía, Japón

3.6. Hacia una sociedad de bajo carbono (1/4)




* Premio Nobel de Paz en 2004

・ Herramientas de gestión para las actividades de shou-ene

Concepto de las 3R o 4R

Rehusar o Reconsiderar

Reducir

Reutilizar o Reparar (Unión Europea)

Reciclar

Concepto PDCA Planificar

Hacer Verificar

Actuar

Ciclo de Deming

Plan (planificar): preparar los procesos Do (hacer): llevar a cabo los procesos Check (verificar): medir los resultados

a partir de ellos Act (actuar): revisar y evaluar para

mejorarlos

Ej.: Mejora continua de los procesos

Campaña de Mottainai

Wangari Maathai *

Reconsiderar 5R

3.6 Hacia una sociedad de bajo carbono (2/4)


Sistema de gestión de energía total con una red (ICT)

Energía

Material

Sistema

• Producción más limpia

• Tecnología Pinch

Gestión de energía

Gestión ambiental

Gestión de producción

Producto Residuos

Cero emisiones

Medidas y control

• Aseguramiento (certificaciones)

ISO14001

Eco acción 21

Herramienta :

• LCA (Evaluación de ciclo de vida)

Gestión de calidad

Manufactura verde

• Diseño del concepto C2C (“Cradle

to Cradle”, de la cuna a la cuna)

• Características del sistema en una sociedad de bajo carbono


Gestión de riesgos (crisis)

3.6 Hacia una sociedad de bajo carbono (3/4)


Producción más limipa

Nota:

Se pretende reducir el impacto ambiental en cada proceso de

producción.

Manufactura verde Se pretende minimizar los residuos y la contaminación a través de

las actividades manufactureras.

LCA (evaluación del ciclo de vida) Un método para analizar el impacto ambiental en cada proceso.

1) Análisis de las existencias, 2) análisis del impacto y 3) mejora

Diseño del concepto C2C (diseño de la cuna a la cuna)

Un concepto de diseño que tiene en cuenta los procesos de la naturaleza.

Producción Uso

Reciclaje

Desecho Material

Energía



Tecnología pinch (Linnhoff, UMIST)

Una metodología avanzada para diseñar un sistema con máxima recuperación

de energía basada en objetivos predeterminados

HH

T

Punto de pinch

DTmin

HC

H

HH

HC

Alimentación:HF Producto: HP Sistema

Balance de energía (calor) : HH – HC = HP – HF

Curvas compuestas

DTmin : 2 - 50 C Intercambiador de calor

Mejor proceso de integración de calor

Reducción de cargas de la red externa

Corriente fría

Caliente

Universidad de Manchester, Instituto de Ciencia y Tecnología.

Curva de la recepción de calor

Curva del suministro de calor Calor extra

Nota:



La promoción significa: visualización

Ej. 1: etiqueta de ahorro energético

ISO 14067: 2013

Para fomentar los productos de alto rendimiento energético

Octubre del 2006 (Japón)

Sistema de calificación de 5 estrellas

Ej. 2: huella del carbono

Una medida de las emisiones directas o indirectas

de CO2 producidas durante toda la vida útil de un

producto. Toda la cadena de suministro

(producción, distribución, etc. entre el proveedor y

el cliente).

3.6. Hacia una sociedad de bajo carbono (4/4)



Pregunta 4: Se remplaza una lámpara incandescente de 60 W por una lámpara LED

para la iluminación.

Teniendo en cuenta los siguientes datos de estas lámparas, estime la cantidad que se

reduce el consumo energético (en kWh), la reducción total del coste (en yenes) y la

reducción de las emisiones de CO2 (en kg-CO2) dentro de 10 años.

Tenga en cuenta que la lámpara se enciende 5 horas al día.

Lámpara Potencia (W) Vida útil nominal (horas) Tarifa (yenes)

Lámpara incandescente 60 1.000 100

Lámpara LED 6,9 40.000 5.000

Tarifa unitaria de la electricidad = 24 yenes/kWh

Factor de emisiones de CO2 = 0,555 kg-CO2/kWh



Feed-In-Tariff (Sistema de

cuotas) para las energías

renovables Inicia el 1 de julio del 2012

Compañía eléctrica

Gastos adicionales: de todos los usuarios

Suministrador

Solar

Hidroeléctrica

Eólica

Geotérmica

Biomasa

Uso doméstico

Suplemento

Meta (AF2012): 2500 MW Instalación: 1394 MW

Certificadas: 7368 MW


4. Conclusiones

4. Conclusiones


4.1 Conclusiones (1/2)

4. Conclusiones

Acción de shou-ene

• Medidas para la seguridad energética

• Medidas contra el calentamiento global

• Cumplimiento de las leyes

• Reducción de los costes de utilidad

• Evaluación social Responsabilidad social corporativa

Para hacer frente a la oferta y demanda limitadas

Adaptación del precio de la energía

Japón: Uso racional de la energía

Conservación de energía

• Estilo de vida


4.1. Conclusiones (2/2)

La acción de shou-ene debe estar incorporada en el estilo de

vida de cada una de las empresas, organizaciones y personas

que viven en una sociedad de bajo carbono en la era del

calentamiento global.

4. Conclusiones

Propuesta:

Sociedad de bajo carbono Negocios de servicios: lo que se vende no son productos sino servicios.

Para la reducción de residuos y la protección del medio ambiente

fundamentos de ahorro de energia

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