1 toe2009 c07 análisis termoeconómico. 2 introducción revisión de termodinámica la exergía...
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UNIVERSIDAD POLITÉCNICA DE MADRID
1TOE2009 c07 Análisis termoeconómico
Termoeconomía y optimización energética
UNIVERSIDAD POLITÉCNICA DE MADRID
2TOE2009 c07 Análisis termoeconómico
Temario
Introducción
Revisión de termodinámica
La exergía
Determinación de exergía
Balances y Álgebra lineal
El coste exergético
Análisis termoeconómico
Optimización termoeconómica
Integración energética
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
UNIVERSIDAD POLITÉCNICA DE MADRID
3TOE2009 c07 Análisis termoeconómico
TERMODINÁMICA:
Energía utilizableAnálisisEvaluaciónRendimientos
ANÁLISIS EXERGÉTICO
AnálisisEvaluaciónOptimización
Otros costes
(Capital, O. & M.,…)
TERMOECONOMÍA
Coste unitario
(Coste por unidad de exergía)
ECONOMÍA:
Coste termoeconómico
Coste exergético
Coste de productos
Exergía
Recurso
Coste de recursos (Variable)
(Fijos)
ENFOQUE ECONÓMICO
Esquema
UNIVERSIDAD POLITÉCNICA DE MADRID
4TOE2009 c07 Análisis termoeconómico
Cálculo de los costes fijosOMI ZZZ
Flujo de coste fijo
Flujo de coste de inversión
Flujo de coste de operación y mantenimiento
Coste de mantenimiento:
Coste de operación:2 % a 10 % de IT
Basado en el coste de personal
Ejemplo. Pequeña central eléctrica:
Para un factor de utilización del 100 %: 365 d/a x 24 h/d = 8760 h/a
pers. 11 turno)h/(sem. 38
d/sem 7 h/d 24 pers/turno 2,5
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5TOE2009 c07 Análisis termoeconómico
Estimación de la inversión total
% Coste de adquisión de los equipos (CAE) 100 Instalación 35
Total equipos insta-lados (CEI) : 135
Tuberías 20 Electrificación 15 Instrumentación y control 15 Obra civil 20 Ingeniería y supervisión 20
Suma 225 (entre 2 y 3 veces el CAE)
Imprevistos (15% de la suma) 34 Puesta en marcha (5% de la suma) 11 Cargas financieras del montaje (10% de la suma) 23
Inversión total (IT) 293 (entre 3 y 4 veces el CAE)
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6TOE2009 c07 Análisis termoeconómico
Flujos de costes fijos (1)
niTOT PAITA ,/
1)1(
)1(/ ,
n
n
nii
iiPA
Coste anualizado de la inversión total:
Factor de recuperación del capital:
i: coste del capital (en por-uno)n: vida prevista (en años)
UNIVERSIDAD POLITÉCNICA DE MADRID
7TOE2009 c07 Análisis termoeconómico
Flujos de costes fijos (2)
Coste anual de operación y mantenimiento:
Definición:
Coste fijo anual total:
Coste fijo anual del equipo “j”:
Flujo de coste fijo del equipo “j”:
IT
OMf TOTOM ITfOM OMTOT
ITfPAOMACF OMniTOTTOTTOT )/( ,
TOT
jTOTj CAE
CAECFCF
AUEjj tCFZ /
tAUE = tiempo anual de operación equivalente (s/a)
UNIVERSIDAD POLITÉCNICA DE MADRID
8TOE2009 c07 Análisis termoeconómico
Factor de recup. del capital.
12 )1(
1..........
)1(
1
1
11)1(
niiiAiP
ni
APi)1(
11
niiii
AP)1(
1..........
)1(
1
)1(
1
1
132
1)1(
)1(
)1(1
1/
n
n
ni
ii
i
iPA
Serie uniforme de n pagos anuales A equivalente económicamente a la inversión inicial P , con el coste de capital i :
(1)
(2)
(2) - (1)
UNIVERSIDAD POLITÉCNICA DE MADRID
9TOE2009 c07 Análisis termoeconómico
ni
i
iPA
n
nn
)1(1
1lim/lim
nin
iini
diid
diiidPA
n
nn
i
n
n
ii
1
)1(
)1()1(lim...
.../1)1(
/)1(lim/lim
1
1
0
00
0i
“Anualidad perpetua”
Actualizaciónnula
Factor de recup. del capital.
UNIVERSIDAD POLITÉCNICA DE MADRID
10TOE2009 c07 Análisis termoeconómico
Coste adquisición equipos
ExponenteCAE1987= Coste Base · (Unidad)^
http://www.amazon.com/Preliminary-Chemical-Engineering-Plant-Design/dp/0442234406
ISB
N-1
0: 0
4422
344
09
XXX
UNIVERSIDAD POLITÉCNICA DE MADRID
11TOE2009 c07 Análisis termoeconómico
Actualización costes
Índicehoy
CAEhoy= --------- · CAE1987
Índice1987
M&S1987=813,6M&S2008=1412,8
CEPCI1987=323,8CEPCI2008=583,7
1,3$/€ (2008)
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12TOE2009 c07 Análisis termoeconómico
Coste equipo instalado
http://www.amazon.com/Preliminary-Chemical-Engineering-Plant-Design/dp/0442234406
CEIhoy= CAEhoy·BMF
ISB
N-1
0: 0
4422
344
09
UNIVERSIDAD POLITÉCNICA DE MADRID
13TOE2009 c07 Análisis termoeconómico
Inversión total
http://www.amazon.com/Preliminary-Chemical-Engineering-Plant-Design/dp/0442234406
IT
Instalación Existente Instalación Nueva
IT/CEI 1,17
IT 3,5·CAE IT 4,5·CAE
IT/CEI 1,5
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14TOE2009 c07 Análisis termoeconómico
Estimación de la inversión total
Coste de adquisición de los equipos = CAE
Coste de instalación = 2· CAE
Coste directo de instalación
Materiales (+0,7·CAE)
Mano de obra (+0,5·CAE)
Coste indirecto de instalación (+0,8·CAE)
Transporte y seguros (+0,3·CAE)
Ingeniería y supervisión (+0,4·CAE)
Gastos generales de instalación (+0,1·CAE)
1,2·CAE
0,8·CAE
3·CAE
Coste de equipos instalados (CEI)
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15TOE2009 c07 Análisis termoeconómico
Estimación de la inversión total
Imprevistos (+0,3·CAE)
Puesta en marcha (+0,1·CAE)
Cargas financieras (+0,1·CAE)
3,5·CAE
Otros costes
Emplazamiento (+0,2·CAE)
Instalaciones de servicios y
suministros (+0,65·CAE)
Construcciones auxiliares
(+0,15·CAE)Inversión total Planta existente
Inversión total Planta nueva¿Nueva?
4,5·CAE
Sí
No
ITexistente 3,5·CAE ITnueva 4,5·CAE
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16TOE2009 c07 Análisis termoeconómico
Coste de adquisición de equipos; 1.00
Materiales; 0.70
Mano de obra; 0.50
Transporte y seguros; 0.30
Ingeniería y supervisión; 0.40
Gastos generales de insta-lación; 0.10
Imprevistos; 0.30
Puesta en marcha; 0.10cargas financieras; 0.10
IT en planta existente
indirecto
dire
cto
OtrosIT 3,5·CAE
Coste instalación
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17TOE2009 c07 Análisis termoeconómico
Coste de adquisición de equipos; 1.00
Materiales; 0.70
Mano de obra; 0.50Transporte y seguros; 0.30
Ingeniería y supervisión; 0.40
Gastos generales de insta-lación; 0.10
Emplazamiento; 0.20
Instalaciones de servicios y suministros; 0.65
Construcciones auxiliares; 0.15
IT en planta nueva
indirectodirecto
Otros
IT 4,5·CAE
Coste instalación
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18TOE2009 c07 Análisis termoeconómico
IT: Método de MillerCostes de inversión directos
% sobre equipos principales
Coste total $
equipos principales 100.0 2 426 563equipos no considerados 13.0 315 453instalaciones de los equipos 1.1 26 692cimientos y estructuras 6.0 145 594tuberías 25.0 606 641aislamiento de equipos 2.0 48 531aislamiento de tuberías 1.5 36 398instalaciones eléctricas 5.0 121 328instrumentación 6.0 145 594construcciones 2.5 60 664almacenes 15.0 363 984suministros (electricidad, vapor, agua,…) y carga inicial de catalizador
27.0 655 172
servicios auxiliares 17.0 412 516diversos 2.0 48 531impuestos 3.3 80 077
Total costes directos 5 493 739
Concepto% sobre costes
directosCoste total $
costes de inversión directos 100 5 493 739costes de inversión indirectos 33 1 812 934imprevistos 13 714 186
COSTE DE INVERSIÓN TOTAL 8 020 859 IT 3,3·CAE
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19TOE2009 c07 Análisis termoeconómico
IT: Valores usuales (histórico)%
Coste de adquisición de los equipos (CAE) 100
Instalación 35
Tuberías 20
Electrificación 15
Instrumentación y control 15
Obra civil 20
Ingeniería y supervisión 20
Suma 225 (de 2 a 3 veces el CAE)
Imprevistos (15% de la suma) 34
Puesta en marcha (5% de la suma) 11
Cargas financieras del montaje (10% de la suma) 23
Inversión total (IT) 293 (de 3 a 4 veces el CAE)
UNIVERSIDAD POLITÉCNICA DE MADRID
20TOE2009 c07 Análisis termoeconómico
TERMODINÁMICA:
Energía utilizableAnálisisEvaluaciónRendimientos
ANÁLISIS EXERGÉTICO
AnálisisEvaluaciónOptimización
Otros costes
(Capital, O. & M.,…)
TERMOECONOMÍA
Coste unitario
(Coste por unidad de exergía)
ECONOMÍA:
Coste termoeconómico
Coste exergético
Coste de productos
Exergía
Recurso
Coste de recursos (Variable)
(Fijos)
ENFOQUE ECONÓMICO
Esquema
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21TOE2009 c07 Análisis termoeconómico
i
i
ii Bc
i
ii B
B
i
ii Bc
iii cc
Coste termoeconómico : Flujo de coste :
Coste exergético unitario:
Coste termoeconómico unitario:
Recordar:
Coste exergoeconómico unitario:
)( iiiiiiii BcBcBc
Costes unitarios
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22TOE2009 c07 Análisis termoeconómico
l
slk
ek Z
0 Zl
slk
ek
0)1()1( ZA nn
Z
Balance económico
Coste fijo:
Balance económico:
Expresión matricial:
Entradas k l Salidas
UNIVERSIDAD POLITÉCNICA DE MADRID
23TOE2009 c07 Análisis termoeconómico
sl
ek
n )1(
)1()1()1()( 0 mmnnm ZA
Balance económico general:(m equipos, n corrientes)
Vector de coste termoeconómico
Z(mx1): vector de costes fijos del sistema
A(mxn): matriz de incidencia
P(nx1): vector de coste termoeconómico
Balance económico general
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24TOE2009 c07 Análisis termoeconómico
Ecuaciones adicionales (1)
ee
eeeeee BcBc ee BB 1e
ee cc
ss sssss cBc
Entradas: fe: Flujo de coste de la entrada
;
Subproductos:
¡ no es constante ! : es un coste variable y es un coste total
sc
sB
s
UNIVERSIDAD POLITÉCNICA DE MADRID
25TOE2009 c07 Análisis termoeconómico
Ecuaciones adicionales (2)
Residuos: 0r
j
j
i
i
BB
j
j
i
i
BB
Bifurcaciones:
única condición termodinámica
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26TOE2009 c07 Análisis termoeconómico
Ecuaciones adicionales (3)
Matriz de producción:
Matriz de costes:
Vector de costes termoeconómicos definidos:
a(n-m)xn
A(nxn)
f(n-m)x1
Entradas
Subproductos
Residuos
Bifurcaciones
fj
fj
0
0 n-m ecuaciones adicionales
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27TOE2009 c07 Análisis termoeconómico
Sistema completo
1)()1()( mnnnmn
)1()1()1()( 0 mmnnm ZA
1)(1)()1()( 0 mnmnnnmn
)1(0
n
ZA
Expresión matricial :
UNIVERSIDAD POLITÉCNICA DE MADRID
28TOE2009 c07 Análisis termoeconómico
Z
n )1(
Vector de costes termoeconómicos imputados:
Balance termoeconómico:
)1()1()()( 0 nnnnnnA
)1()()1( nnnn-1A
Resolución:
Balance termoeconómico
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29TOE2009 c07 Análisis termoeconómico
BdBBA
Bc
B
B*
*
A
Z
0
**
Bc
Ruta termoeconómica
A . + = 0P F P A . B* = W (económico)
(termodinámico)
Ruta exergoeconómica
(tecnológico)
A
B*
Hexágono de costes
UNIVERSIDAD POLITÉCNICA DE MADRID
30TOE2009 c07 Análisis termoeconómico
• Costes fijos y variables– Análisis de costes termoeconómicos variables
• Cálculo de los costes fijos– Indicadores de operación
• Formulación R/P• Nivel de agregación
– Criterios económicos
Análisis termoeconómico (2)
UNIVERSIDAD POLITÉCNICA DE MADRID
31TOE2009 c07 Análisis termoeconómico
Costes fijos y variables
Sistemaproductivo
R P
RP Z P
c PP
Rc RR
PcRc RRR PcZ RP
RP cP
Zc
Costes unitarios:Balances de costes:
UNIVERSIDAD POLITÉCNICA DE MADRID
32TOE2009 c07 Análisis termoeconómico
Coste
CF2
Producción
1: Tecnología simple
2: Tecnología intensiva de capital
CF1
Punto de equivalencia
PE
Modelo Lineal
UNIVERSIDAD POLITÉCNICA DE MADRID
33TOE2009 c07 Análisis termoeconómico
1)(
)1(var
)1(
0
mn
m
n
Vector de costes termoeconómicos variables imputados:
var)1()()( nnnnnA
Balance termoeconómico de costes variables:
Costes TE variables
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34TOE2009 c07 Análisis termoeconómico
Coste TE variable. Costes ex (1)
A (n x n) . B*(n x 1) = W(n x 1)
1)(,
)1(
)1(
0
mne
m
n
B
B* = A -1 .W
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35TOE2009 c07 Análisis termoeconómico
Coste TE variable. Costes ex (2)
var)1( n
A (nxn) . =
var)1( n
1)(,
)1(var
)1(
0
mnee
m
n
Bc
var = A –1.( var )
iei Bcvar ei
ii c
Bc
var
var,
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36TOE2009 c07 Análisis termoeconómico
Coste, valor y precio
Coste (contable):Retribución de los bienes (energía, materias primas, productos semielaborados, etc.) y factores (capital y trabajo)que han intervenido en la producción de un bien o servicio.
Valor: Expresión subjetiva de la medida en que un bien,
recurso o servicio satisface las necesidades o deseos de un agente económico.
Precio: Expresión monetaria del valor de un bien o servicio.
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37TOE2009 c07 Análisis termoeconómico
Coste de oportunidad
Definición:El mayor valor que se habría obtenido con una
aplicación alternativa de los recursos.
El problema de la escasez: Necesidades y deseos: Ilimitados.
Recursos: Limitados.
Siempre que se aplican unos recursos limitados a satisfacer un deseo o necesidad, quedan otros
muchos sin satisfacer.
Consecuencia: Hacer una cosa impide hacer otra.
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38TOE2009 c07 Análisis termoeconómico
Coste del capital
Rentabilidad Limitación presupuestaria de capital
Inversión total máxima sin limitación de capital
Proyectos 1 2 3 4 5 6 7 …
Inversión acumulada
Coste de oportunidad del capital con presupuesto X
X
Coste corporativo del capital
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39TOE2009 c07 Análisis termoeconómico
Indic. de op. de centrales (1)
max
medc P
Pf
gen
medcap P
Pf
gen
maxutil P
Pf
utilccap fff .
i
igengen PP ,
i
inominst PP ,
instgen PP
Factor de carga: Factor de capacidad: Factor de utilización:
Capacidad de generación:Potencia instalada:
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40TOE2009 c07 Análisis termoeconómico
Indic. de op. de centrales (2)
maxgen PP
maxgenres PPP
max
genres P
Pf
utilres ff
1
Reserva:
Reserva absoluta:
Factor de reserva, o reserva relativa:
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41TOE2009 c07 Análisis termoeconómico
Indic. de op. de centrales (3)
Tiempo anual de utilización equivalente:
y
Si Pgen=Pmax ,
gen
aAUE P
Et
meda PhE 8760cap
medgen f
PP
capgen
medAUE fh
P
Pht .8760
.8760
futil =1 , fcap = fc y cAUE fht .8760
UNIVERSIDAD POLITÉCNICA DE MADRID
42TOE2009 c07 Análisis termoeconómico
Formulación R/P (1)
mR
R
mR
,
1,
)1(,
mP
P
mP
,
1,
)1(,
)1(,)1()(,
)1(,)1()(,
mPnnmP
mRnnmR
A
A
Costes termoeconómicos de recursos y productos:
UNIVERSIDAD POLITÉCNICA DE MADRID
43TOE2009 c07 Análisis termoeconómico
Formulación R/P (2)
Residuos:
)1()1(, 0 mmI
Balance termoeconómico:
)1()1()1()(,)(,
)1()1()(
0)(...
...
mmnnmPnmR
mnnm
ZAA
ZA
)1()1()1(,)1(, 0 mmmPmR Z
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