1 TOE2009 c07 Análisis termoeconómico. 2 Introducción Revisión de termodinámica La exergía...

UNIVERSIDAD POLITÉCNICA DE MADRID

1TOE2009 c07 Análisis termoeconómico

Termoeconomía y optimización energética



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.



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



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



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)



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)



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)



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)



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.



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



Actualización costes

Índicehoy

CAEhoy= --------- · CAE1987

Índice1987

M&S1987=813,6M&S2008=1412,8

CEPCI1987=323,8CEPCI2008=583,7

1,3$/€ (2008)



Coste equipo instalado


CEIhoy= CAEhoy·BMF

ISB

N-1

0: 0

4422

344

09



Inversión total


IT

Instalación Existente Instalación Nueva

IT/CEI 1,17

IT 3,5·CAE IT 4,5·CAE

IT/CEI 1,5




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)




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



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



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



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



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)



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



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



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



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



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




Residuos: 0r

j

j

i

i

BB

j

j

i

i

BB

Bifurcaciones:

única condición termodinámica




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



Sistema completo

1)()1()( mnnnmn

)1()1()1()( 0 mmnnm ZA

1)(1)()1()( 0 mnmnnnmn

)1(0

n

ZA

Expresión matricial :



Z

n )1(

Vector de costes termoeconómicos imputados:

Balance termoeconómico:

)1()1()()( 0 nnnnnnA

)1()()1( nnnn-1A

Resolución:

Balance 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



• 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)



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:



Coste

CF2

Producción

1: Tecnología simple

2: Tecnología intensiva de capital

CF1

Punto de equivalencia

PE

Modelo Lineal



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



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



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,



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.



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.



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



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:




maxgen PP

maxgenres PPP

max

genres P

Pf

utilres ff

1

Reserva:

Reserva absoluta:

Factor de reserva, o reserva relativa:




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



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:



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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