expo congreso nac asfalto 2013 - exergía de pavimentos 2013

PAVIMENTOS SUSTENTABLES

«Exergía de Pavimentos»Recuperación de energía perdida

Ricardo Bisso FernándezIng. CIP. Petroquímico

Asesor TécnicoEspecialista en Diseño de Ligantes Asfálticos

Y Pavimentos Sustentables

29 de Octubre de 20131

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Aplicación:

“Técnicas del Diseño de Ligante Asfáltico, Diseño de Mezclas y Técnicas de Aplicación de Pavimentos Amigables y Duraderos”

con la finalidad de reafirmar la existencia de avanzada tecnología que se utilizanen otras latitudes del mundo en el desarrollo de Proyectos Viales, orientado aldesarrollo sostenibleambiental.

Los asfaltos de pavimentación flexibles aplicados con Responsabilidad ambiental

NUEVA VISION

Desarrollo Sostenible.

cadena de valor

CONGRESO NACIONAL DE ASFALTO Y CONGRESO NACIONAL DEL CONCRETO - 2013 ASOCIACION PERUANA DE CARRETERAS – APC COMITÉ DEL ASFALTO

Ricardo Bisso Fernández - Ing. CIP. Petroquímico

Innovación Tecnológica Pro-Ambiental:

� Utilización de Resíduos IndustrialesS (Vidrio, plástico, Escorias, llantas, etc)

� Uso de Aditivos Pro-Ambientales o Ecológicos (Warm Mix, TiO2)

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Que nos ofrece la Tecnología Actual de Pavimentos ?

� Emulsiones Ecológicas (Naftas Verdes)

� Reciclaje de Pavimentos usados en Frío

� Recupero de Energía de Subsuelo



� Pigmentos Fotoluminiscentes (Base a Sulfuro de Zn)

Que es EXERGÍA ?

« Es una parte de la ciencia termodinámica que «Califica» laenergía y determina si existe «Trabajo Perdido» o «EnergíaDisponible de Recuperación».

Los diferentes tipos de energía -----------> presentan diferentes calidades.

Las diferencias de tipos de Energía, radican en:

� «Posibilidad de Producir Trabajo» o� «Transformar un tipo de energía en otro»

La capacidad de un medio energético para realizar trabajo expresa su potencialpara transformarse en otros tipos de energía, y por tanto la exergía puede aplicarseal estudio de procesos tecnológicos



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Componentes de la Exergía.

Bp Bc

Bf Bq

ExergíaPotencial

ExergíaCinética Exergía Térmica

Exergía Física Exergía Química

Exergía

B

B = Bp + Bc + Bf + Bq



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Cambio de la Exergía Térmica entre Dos Estados

Wmáx = - ∆ ∆ ∆ ∆ (Bth) Trabajo Máximo

(Diferencia Exergía)

H2 * S2

Frontera del Sistema

H1 * S1

T0

Qo

Sólo vamos a considerar la exergía térmica; por tanto, suponemos que las velocidades delos dos efluentes son similares, e igual con la altura.

Fuente de Energía(Entra al Sistema)

Máquina Reversible

(cambios físicos o químicos)

Fuente de Energía(Salida del Sistema)

∆∆∆∆.Bt = Bt2 – Bt1 = - (H1 – H2 + Q0)S2 – S1 - Q0/ T0 = 0

Bt1 – Bt2 = H1 – H2 - T0 (S1 – S2)

……. Condición de reversibilidad




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Cualquier fenómeno irreversible ----->causa una pérdida de exergía

lo que conlleva una reducción del potencial de los efectos útiles de la energía, o porel contrario a un aumento del consumo de energía proporcionado por el fococaliente (para lograr una generación de trabajo igual).

No existe una ley de conservación para la exergía



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Energía «Potencial» Perdida en Pavimentos

Energía «Calórica» Almacenada perdida en Pavimentos

Tipos de Trabajos TermodinàmicosPerdidos o Disponibles en Pavimentos



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Tipos de Trabajos TermodinàmicosPerdidos o Disponibles



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ENERGIA VIAL DISIPADA HACIA EL SUBSUELO

Energía Mecánica perdida por el paso de los vehículos en forma de calor

Energía Potencial



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«Fenómeno presentado por determinados cristales que al ser sometidos atensiones mecánicas adquieren una polarización eléctrica en su masa,apareciendo una diferencia de potencial y cargas eléctricas en su superficie»

El efecto piezoeléctrico es reversible: al dejar de someter los cristales a un voltajeexterior o campo eléctrico, recuperan su forma.

Este fenómeno también se presenta a la inversa, esto es, se deforman bajo la acciónde fuerzas internas al ser sometidos a un campo eléctrico.

Los materiales piezoeléctricos son cristales naturales o sintéticos que no poseencentro de simetría.

Que es la Piezoelectricidad ?(del griego piezein, "estrujar o apretar")



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Consiste en disociar los centros de gravedad de las cargas positivas y de las cargasnegativas.

Aparecen de este modo dipolos elementales en la masa y, por influencia, cargas designo opuesto en las superficies enfrentadas.

Pueden distinguirse dos grupos de materiales:

• Los que poseen carácter piezoeléctrico de forma natural (cuarzo, turmalina) y

• Los llamados ferroeléctricos, que presentan propiedades piezoeléctricas tras sersometidos a una polarización (tantalio de litio, nitrato de litio, bernilita en forma demateriales monocristalinos y cerámicas o polímeros polares bajo forma demicrocristales orientados).

El efecto de una compresión o de un cizallamiento:



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1°Video(1 min)



Electricidad desde la Energía Mecánica

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5°Video(2 min)

3°Video(3.5 min)

PASOS DE IMPLEMENTACION - PROYECTO

• Cortado de Pavimento

Paso 1

• Colocación de Generadores

sobre concreto

Paso 2• Cableado

Paso 3

• Cobertura y Asfaltado de

la vía con Asfalto

Paso 4

2°Video (1 min)



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4°Video(5 min)

RESUMEN DEL PROYECTO



DATOS ENTREGADOS Referencia: Ing. Andrés Ignacio Silva Corrial

Universidad Diego Portales – Chile Julio 2012

Costo experimental 650,000 US$

Costo dispositivo implementado 218,000 US$

Implementación 1 kilometro de carretera

Mantención 30 años

[kw/h] esperado 200 [kw/h]

Utilización 300 hogares

Medio Presión de vehículos

Vehículos aproximados 600 vehículos

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7°Video(1.15 min)

PROYECTO CONTROL DE PESOS Y LINEA DE TRENES (Railways)



6°Video(2 min)

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Panel SolarAsfáltico

Almacenamiento de calor en Firmes

Captación de Energía Solar

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RADIACIÓN ULTRAVIOLETA (UV)

SOLAR

Y SUS EFECTOS

EN

“LA SUPERFICIE TERRESTRE”



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La reflexión de los rayos solares, varía según el tipo de superficie.

Es por ello que se debe evitar salir a tomar sol en la presencia de nieve, ya que esta refleja el 85 % de laradiación, y aunque te pongas un sombrero y uses gafas, la radiación reflejada te puede afectar.

En el caso de los pavimentos, la reflexión es pequeña (2%), el cual significa que existe unfactor de «absorción» de la energía que tiene que ser tomado en cuenta especialmente enlos alrededores del medio día, con cielo despejado.

TIPO DE SUPERFICIE REFLEJANTE (ALBEDO):

Otro factor que determina la cantidad de esta radiación que llega a nuestro planeta es la distancia entre la Tíerra y el Sol, lacual, debido a la forma elíptica de la órbita terrestre, oscila un 3,4% a lo largo del año.

Como la atenuación de la radiación es cuadrática con esta distancia, el resultado es una variación de alrededor del 7% enla intensidad de radiación ultravioleta extraterrestre, y es máxima en diciembre, al comienzo del verano austral.

FACTOR PLANETARIO:

85%

NIEVE

17%

ARENA

5%

AGUA

3%

HIERBA

2%ASFALTO



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La reflectividad del suelo afecta a la radiación UV tanto en la radiación difusa como enla directamente reflejada por la superficie.

Los valores de albedo suelen estar por debajo de 5% para los Pavimentos pero lavariabilidad en caso de la nieve del 20% al 100%.

La alta reflectividad puede ser de gran importancia en la distribución geográfica yestacional de la radiación UV, especialmente en climas fríos.

Los niveles de radiación UV :

– están muy influenciados por la altura sobre el nivel del mar debido a ladisminución de la capa de aire que queda por encima.

– aumenta con la altitud del lugar aproximadamente un 10% por kilómetro deelevación. A igualdad de condiciones meteorológicas, los lugares elevadosreciben mucha mas radiación que a nivel del mar.

– la radiación UV será mayor que a nivel del mar, debido a que mientras mayorsea la altitud del lugar, menor es la atenuación de los rayos del sol por laatmósfera.

ALBEDO (REFLECTIVIDAD DEL SUELO) Y ALTITUD :



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El más conocido es la atenuación que produce la capa de

ozono (véase "Radiación ultravioleta y ozono

atmosférico", Podemos dividir este fenómeno en dos fases:

En la primera, una molécula de oxígeno absorbe radiación -hv representa un fotón- de longitud de onda (λ) menor de240nm y se disocia. Este oxígeno atómico, con ayuda dealguna otra molécula, forma ozono (O3) :

02 + hv ( l < 240nm) -> 2 0 , 30 + X -> X + 03

La segunda parte consiste en la disociación del ozonomediante la absorción de más radiación ultravioleta, peroesta vez de longitud de onda más larga:

03+ hv (l <= 320nm) -> O + O2

La porción del espectro que comprende longitudes de ondaentre 240 y 320nm no se absorbe uniformemente, por loque algo de radiación UV de λ >290 nm llega a la superficieterrestre. Esta banda es justamente la más seriamenteafectada por la disminución de las concentraciones de ozonoestratosférico.

FACTORES ATMOSFERICOS:



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Es una predicción calculada de la cantidad de radiación UV que daña la piel que alcanzará unasituación específica (1m2) durante el mediodía solar, 11:30 a.m. a 12:30 p.m. (hora local oficial).

La Organización Meteorológica Mundial ha establecido

Unidad de Indice UV en: 25 mW/m2/sg ó 90 J/m2/hr.

Esta predicción se deriva de la combinación de

los elementos mencionados:

1) latitud,

2) día del año,

3) cantidad total de ozono sobre la zona,

4) elevación sobre el nivel del mar, y

5) cantidad de masa nubosa.

Los Rayos UV determina longitudes de onda que afecta al ser humano:

FACTORES DE INDICE “UV”

Longitud de Onda

Efecto Nocivo Tipo de Rayos UV

320 – 400 nm Menos Nociva UVA

280 – 320 nm Puede ser Nociva UVB

200 – 280 nm La mas Nociva UVC

200 – 10 UV Lejano FUV, VUV

91 – 1 UV Extremo EUV, XUV

Nm: nanómetro : 10-6 milímetros

COLOR RIESGO ÍNDICE UV

Verde Bajo < 2

Amarillo Moderado 3-5

Naranja Alto 6-7

Rojo Muy Alto 8-10

Violeta Extremadamente alto > 11



La predicción de ozono para el 21 de junio a una latitud de 40°N es de 300 unidades Dobson(miliatmósferas/cm2).

• Tras aplicar el modelo para estimar las irradiancias y ponderarlas obtenemos una dosiseritematógena de 230 miliWatios/m2/sec. (Factor: 0.766)

• Como la altura sobre el nivel del mar del sitio a estudiar es de 1 km, se aumenta ladosis eritematógena un 6%, obteniendo un valor de 243.80 mW/m2/sec.

• El modelo matemático predice la existencia de nubes escasas, por lo que la dosisanterior se multiplica por 0.896, obteniéndose un valor, ajustado según la nubosidad,de 218.45 mW/m2/sec.

• Este resultado se transforma empleando la equivalencia de la OrganizaciónMetereológica Mundial, resultando en un índice UV de 8.7, que se redondea al valorentero superior.

EJEMPLO DE CALCULO DE INDICE “UV”



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Según el Servicio Nacional de Meteorología e Hidrología (Senamhi), en losdepartamentos de Puno, Cusco y Junín se registraron índices de radiación ultravioletaextremos, los cuales podrían aumentar conforme avance el verano.

“En localidades ubicadas a mayor altura, la radiación es más fuerte”.

Por ejemplo:

• En Puno (el índice de radiación UV) llegando a 16, que es un valor extremo.

• En Cusco, tenemos un valor de 15,

• En Junín el valor también es extremo, de 15.dijo Sara Olivares, especialista del Senamhi.

Radiación extrema en la altura en zonas peruanas:



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BENCH MARK ESPAÑOL – PROYECTO FENIX

CAPTACION DE ENERGIA DE PAVIMENTOS OBJETIVO: Captación y transporte de energía solar mediante un Pavimento Asfáltico Sostenible (PAS)

Referencia: Proyecto FENIX-España

o Cada día de verano, las carreterasespañolas reciben más de 7,000GWh de energía procedente delsol.

o Esta cantidad es 200 veces mayorque la generada por una centralnuclear de tamaño medio enEspaña.

o Hoy en día, sólo una parte deesta energía puede seraprovechada por razonesestructurales, ambientales ytecnológicas.



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EVOLUCION ENERGIA SOLAR TERMICA DE PAVIMENTOS �� «ENERGY HARVESTING»

Temperatura en la Superficie de Pavimentos es 20º a 30º mayor al aire.




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ALMACENAMIENTO DE CALOR EN FIRMES PERMEABLES



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Captación de energía solar térmica mediante pavimentos asfálticos



Probeta de pavimento tipo “sandwich”, que consiste en:

• una capa superior configurada para absorber la energía solarirradiada sobre la superficie de captación;

• una capa intermedia de carácter poroso, dispuesta bajo lacapa superior, configurada para permitir la libre circulación através de la misma de un fluido caloportador que recibe laenergía solar absorbida por la capa superior y la transportahasta un módulo de almacenamiento o directamente hastaun módulo de aprovechamiento energético.

• una base inferior impermeable y con capacidad portante,dispuesta bajo la capa intermedia, configurada para impedirlas infiltraciones del fluido caloportador que fluye sobre dichabase inferior y capaz de soportar el peso de todas las capasque se encuentren por encima de la misma, así como todaslas cargas de los vehículos que circulen por el pavimento.

La característica esencial es que el fluido caloportador circulalibremente a través de la capa intermedia, fluyendo sobre la baseinferior hasta el módulo de almacenamiento o deaprovechamiento energético, sin necesidad de emplear una redde tuberías para ello.De este modo, el fluido caloportador aprovecha toda la superficiede captación, recibiendo la energía solar absorbida por la capasuperior y transportada hasta la capa intermedia.

Dichas probetas tienen unas dimensiones de30 x 40 cm2.

En los primeros ensayos se emplearon capasdrenantes con un contenido de huecos del23% y del 27%.

La energía irradiada estuvo en el rango 300-450 W/m2, dependiendo de la tipología de lasprobetas y del caudal de agua que circulabapor la capa drenante.

Los resultados obtenidos para las probetascon un 23% y un 27% de huecos

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COMPORTAMIENTO TERMICO DE PAVIMENTOS ASFALTICOS



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ESTUDIO TERMOHIDRAULICO DEL COLECTOR SOLAR ASFALTICO



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ESTUDIO TERMOHIDRAULICO DEL COLECTOR SOLAR ASFALTICO



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REFERENCIAS Y ANTECEDENTES



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CELDAS SOLARES EN CARRETERAS



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PILOTOS DE CELDAS SOLARES EN CARRETERAS DE HOLANDA:



El potencial para generar electricidad deesta manera es considerable.

La red de carreteras holandesascomprende unos 137.000 kilómetros y lageneración de electricidad anualanticipado encuentra alrededor de 50kWh /m2.

Un hogar promedio utiliza unos 3.500kWh de electricidad al año.

Modulo actual diseño conceptual para la trayectoria del ciclo SolaRoad consta de módulos.

La ciclovía está construida de elementos de concreto de 1.5 por 2.5 metros y contiene una capasuperior de vidrio. Debajo de esta capa de vidrio templado grueso de 1 cm de espesor de las célulassolares de silicio cristalino. En consulta con los interlocutores, el piloto va a determinar cómo laenergía será utilizado y cuán inteligente aplicaciones de las TIC pueden activar la energía producidaen las temporadas altas (mucho sol) para ser distribuidos tan eficientemente como sea posibledurante los períodos de poca o ninguna luz.

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PIGMENTOS FOTOLUMINISCENTES:



Son pigmentos que brillan en la oscuridad, secaracterizan en su composición por tierras a basede sulfuro de Zn, estas tierras, dan una clase defosforescencia que se activa con luz U.V.

Estos materiales son energizados en segundo,caracterizándose por que se cargan con luz ultravioleta principalmente, y reflejan su luz en laoscuridad hasta por 20 horas.

No son pigmentos tóxicos ni radioactivos.

Su brillo y luminosidad van proporcionalmente altamaño de partícula de la materia, así como deltipo de tierra, para su producción se hacenecesaria una alta tecnología.

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1. Es perfectamente viable implementar el uso de nuevas tecnologías de pavimentossustentables en el PERÚ.

2. Existe suficiente investigación y experiencias a nivel mundial, que demuestra lafuncionabilidad de estas nuevas tecnologías y que debe adaptarse a las condiciones delPerú : Desarrollar el Bench USA.

3. Es imprescindible la iniciativa, voluntad y liderazgo de la empresa privada para impulsar eldesarrollo de nuevas tecnologías.

4. Es necesario que en el Perú se implemente una normatividad vial de especificacionestécnicas y normas legales apropiadas, para el desarrollo de proyectos Viales Sustentablesde Pavimentación.

5. El Gobierno central debe ser agente promotor de aplicación de dichas nuevas tecnologías(expediente técnico de los proyectos viales: MTC y MINAM).

6. No existe una visión integral clara de sustentabilidad en la ingeniería de PavimentaciónPeruana: Gob Central (MTC), Ministerio del Ambiente, Productores, y algunosConstructores,.

7. El PERU debe desarrollar convenios y alianzas con otros países, para participar en eldesarrollo de nuevas tecnologías (existe interés) con la ayuda de “Concytec” u otros.

CONCLUSIONES:



Ricardo Bisso FernándezIng. CIP. Petroquímico


Referencias Bibliográficas:• Innowattech Ltd & israel national Roads Company, breakthrough in alternative energy from road traffic.• Carolina Nohemí Salgado Castro y Asesor: Alejandra Lugo RangelDr. Universidad Autónoma de Ciudad Juárez– Instituto de Ing.y Tecnología• Termodinámica Química de Balhizer y Vann Ness• Proyecto Fénix: Sostenibilidad (www.proyectofenix.es)

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