Exercicis d'impacte ambiental i sostenibilitat — Tecnologia i Enginyeria 2n Batxillerat

Descripció del projecte, identificació dels impactes, mesura o estimació, mesures correctores i conclusions.

La de no fer el projecte. Serveix de referència per comparar-hi els impactes de les altres alternatives.

Perquè la sostenibilitat no es mesura pel preu, sinó per l'impacte al llarg de tota la vida: si el més car dura el doble, es pot reparar o consumeix menys energia en l'ús, el seu impacte total (i sovint el seu cost total) pot ser més baix que el del barat, que s'haurà de substituir abans.

a) Ambiental: redueix la contaminació de l'aire.
b) Social: protegeix les persones que treballen a l'empresa.
c) Econòmic: assegura la viabilitat de l'activitat i la seva capacitat d'invertir.
d) Ambiental: redueix el consum d'un recurs escàs.
e) Social: millora l'ocupació i el nivell de vida de la comunitat.
Moltes mesures toquen més d'un pilar. Per exemple, la d), a més de ser ambiental, redueix el cost de captar i depurar l'aigua (econòmic). El desenvolupament sostenible exigeix cercar solucions que no sacrifiquin cap dels tres pilars als altres dos.

a) Ús: durant la vida útil crema molts litres de combustible i emet CO₂ i altres gasos, i el combustible és la major part de la petjada.
b) Fabricació (inclosa l'extracció dels minerals): el mòbil consumeix poca energia en ús, però fabricar els xips, la pantalla i la bateria requereix molta energia i metalls.
c) Ús: consumeix electricitat i aigua cada setmana durant anys, molt més que l'energia que cal per fabricar-la.
d) Extracció de la matèria primera: obtenir alumini nou a partir de la bauxita per electròlisi requereix moltíssima electricitat, i per això reciclar-lo n'estalvia tant.
Saber on hi ha l'impacte ajuda a decidir on cal actuar: eficiència a l'ús (cotxe, rentadora), durada i reparació (mòbil), reciclatge (llauna).

Ordre de preferència: 1) reduir (prevenció); 2) reutilitzar; 3) reciclar; 4) valoritzar energèticament; 5) abocar.
Exemples: reduir, beure aigua de l'aixeta i evitar l'ampolla; reutilitzar, tornar a omplir una ampolla durable o retornar una ampolla retornable; reciclar, llançar-la al contenidor groc perquè el plàstic es converteixi en un material nou; valoritzar energèticament, cremar-la en una planta que aprofita la calor; abocar, enterrar-la, de manera que es perd el material.
Com més amunt a la jerarquia, menys recursos i energia es gasten. El millor residu és el que no es genera.

Emissions: 3200 kWh·0,25 kg/kWh = 800 kg de CO₂ l'any.
Consum cobert per les plaques: 0,60·3200 = 1920 kWh, que eviten 1920·0,25 = 480 kg de CO₂.
Queden 3200 - 1920 = 1280 kWh de la xarxa, és a dir, 1280·0,25 = 320 kg de CO₂ l'any (800 - 480 = 320).
Comprovació: l'estalvi és el 60 % de 800 kg = 480 kg. Cal tenir en compte que fabricar les plaques també té una petjada, que es compensa amb els anys de funcionament.

Residus diaris: 20000·1,2 = 24000 kg = 24 t. Anuals: 24·365 = 8760 t.
Recollida selectiva actual: 0,40·8760 = 3504 t.
Objectiu del 60 %: 0,60·8760 = 5256 t.
Tones addicionals: 5256 - 3504 = 1752 t l'any (el 20 % del total).
Comprovació: 0,20·8760 = 1752 t. Pujar la separació del 40 % al 60 % vol dir que una de cada cinc tones de residus s'ha de passar del rebuig a la recollida selectiva.

a) Falsa. Cap activitat no té un impacte zero: les renovables no emeten CO₂ quan funcionen, però fabricar els equips consumeix recursos i les instal·lacions ocupen territori i poden afectar la fauna (aerogeneradors, preses) o el paisatge.
b) Certa. Es formen al llarg de milions d'anys i es consumeixen en uns pocs segles; per això s'anomenen no renovables.
c) Certa. Sense efecte hivernacle natural la temperatura mitjana seria d'uns -18 °C en lloc d'uns 15 °C. L'efecte natural és necessari; el que preocupa és que les emissions de CO₂ i altres gasos l'intensifiquen i escalfen el planeta.
d) Falsa. El reciclatge necessita energia (recollida, transport, fusió i altres processos), tot i que sol ser molt menys que l'energia que cal per obtenir el material nou.

L'error és barrejar unitats: l'energia en kWh és la potència en kW multiplicada per les hores, i 40 minuts són $\tfrac{40}{60} = 0{,}667$ h, no pas 40 h.
Energia: E = 1,5 kW·0,667 h = 1,0 kWh.
Cost: 1,0·0,15 = 0,15 €. Emissions: 1,0·0,25 = 0,25 kg de CO₂.
El resultat de l'alumne (60 kWh i 9 €) no és raonable: seria el consum de tota una llar durant uns quants dies per escalfar una sala durant 40 minuts. Fer una estimació de l'ordre de magnitud ajuda a detectar errors com aquest.

Ocupació (40 temporals i 6 fixos): impacte social positiu. Reducció d'emissions: impacte ambiental positiu. Obrir un camí al bosc: impacte ambiental negatiu (pèrdua d'hàbitat). Un mateix projecte té efectes de tots dos signes, i l'informe ha de proposar mesures per al negatiu (per exemple, restaurar el camí un cop acabada l'obra).

Perquè permet prendre decisions informades a partir de l'impacte social i ambiental, no només del cost o el rendiment tècnic.

Perquè un producte reparable pot allargar la seva vida útil sense generar tants residus com un que cal substituir sencer.

1. Allarga la vida útil dels aparells i redueix els residus electrònics, que són dels més difícils de reciclar. 2) Evita l'impacte de fabricar un aparell nou sencer (extracció de metalls, energia de fabricació, transport) quan només fallava una peça. A més, combat l'obsolescència programada.

Hores de funcionament: 3·365 = 1095 h l'any.
Incandescent: 0,060 kW·1095 h = 65,7 kWh. LED: 0,008 kW·1095 h = 8,76 kWh.
Estalvi: 65,7 - 8,76 = 56,94 kWh l'any (un 87 %), és a dir, 56,94·0,20 = 11,39 € i 56,94·0,25 = 14,2 kg de CO₂.
Període de retorn del sobrecost: 4 €/(11,39 €/any) = 0,35 anys, uns 4 mesos.
A més, el LED dura moltes més hores que la incandescent, de manera que també s'estalvia en recanvis i en residus.

Factor mitjà = suma de (fracció·factor): 0,40·0,012 + 0,30·0,020 + 0,25·0,40 + 0,05·0,95 = 0,0048 + 0,0060 + 0,1000 + 0,0475 = 0,1583 kg de CO₂/kWh.
Emissions de la llar: 3000·0,1583 = 475 kg de CO₂ l'any.
Amb tota l'electricitat del gas: 3000·0,40 = 1200 kg, és a dir, 2,5 vegades més.
Observa que el carbó, amb només un 5 % de l'energia, aporta el 30 % de les emissions (0,0475/0,1583), i el gas, amb el 25 %, en aporta el 63 %: per reduir emissions cal actuar sobre les fonts més contaminants.

Producció anual: 3 kW·1400 kWh/kW = 4200 kWh l'any.
Període de retorn energètic: $\tfrac{6000}{4200} = 1{,}43$ anys (uns 17 mesos).
Energia produïda en 25 anys: 4200·25 = 105000 kWh. Energia neta, un cop descomptada la de fabricació: 105000 - 6000 = 99000 kWh.
CO₂ evitat: 4200·0,25 = 1050 kg l'any.
L'energia produïda és 105000/6000 = 17,5 vegades l'energia invertida: la instal·lació compensa de sobra la seva petjada energètica.

Emissions del trajecte = quilòmetres·factor, dividides pel nombre de passatgers quan el factor és per vehicle.
a) Cotxe amb 1 persona: 70·0,17 = 11,9 kg de CO₂ per passatger.
b) Cotxe amb 4 persones: 11,9/4 = 2,98 kg per passatger.
c) Autobús amb 30 passatgers: 70·0,80/30 = 56/30 = 1,87 kg per passatger.
d) Tren: 70·0,04 = 2,8 kg per passatger.
Conclusió: el mitjà més eficient és el que va ple (autobús o tren), i el cotxe amb una sola persona és, de llarg, el pitjor (uns 6 cops més que l'autobús). L'ocupació importa tant com el tipus de vehicle: un cotxe ple (2,98 kg) arriba a ser comparable al tren (2,8 kg).

Massa d'una llauna: 14 g = 0,014 kg.
Amb alumini nou: 0,014·45 = 0,63 kWh. Amb alumini reciclat: 0,014·2,5 = 0,035 kWh.
Estalvi per llauna: 0,63 - 0,035 = 0,595 kWh, que és $\tfrac{(45 - 2{,}5)}{45} = 94$ % de l'energia.
Estalvi anual: 7,3·$10^{6}$·0,595 = 4,34·$10^{6}$ kWh = 4344 MWh, equivalent al consum anual d'unes 1240 llars de 3500 kWh l'any.
Per això el reciclatge de l'alumini és tan rendible: reutilitzar el metall ja produït evita gairebé tota l'energia de l'electròlisi.

Abans: 10·0,060 kW·2 h·365 = 438 kWh l'any.
Amb LED i les mateixes 2 h: 10·0,008·2·365 = 58,4 kWh, de manera que l'estalvi teòric seria de 438 - 58,4 = 379,6 kWh.
Consum real amb LED i 6 h al dia: 10·0,008·6·365 = 175,2 kWh, de manera que l'estalvi real és de 438 - 175,2 = 262,8 kWh.
Estalvi perdut: 379,6 - 262,8 = 116,8 kWh, és a dir, $\tfrac{116{,}8}{379{,}6} = 31$ % de l'estalvi teòric.
Això és l'efecte rebot: quan una tecnologia més eficient abarateix l'ús, tendim a utilitzar-la més i es perd part de l'estalvi. Aquí, tot i això, encara s'estalvia un 60 % del consum inicial ($\tfrac{262{,}8}{438} = 0{,}60$).

Cotó: emissions = 2,0 kg, constants, independentment dels usos. Plàstic: 0,04·n. Paper: 0,10·n.
Respecte del plàstic: 2,0 = 0,04·n → n = 50 usos. Respecte del paper: 2,0 = 0,10·n → n = 20 usos.
En un any (104 usos): plàstic, 0,04·104 = 4,16 kg; paper, 0,10·104 = 10,4 kg; cotó, 2,0 kg.
La bossa de cotó només és millor si es fa servir més de 50 vegades (menys d'un any en aquest cas). Si es fes servir 10 vegades i es llencés, seria pitjor que les altres dues.
La reutilització és el que fa sostenible un producte durable, i per això l'impacte es compara per unitat funcional (per servei prestat) i no pas per objecte.

Positius: energia renovable sense emissions durant l'ús (ambiental); llocs de treball i ingressos per als propietaris i el municipi (social).
Negatius: pèrdua de sòl agrícola i canvi del paisatge (ambiental i social); afectació de la fauna durant les obres.
Mesures correctores: combinar les plaques amb pastures o conreus baixos (agrovoltaica), i fer pantalles vegetals i corredors per a la fauna.

La fabricació de la bateria consumeix molta energia i materials (liti, níquel, cobalt), i per això el cotxe elèctric surt de fàbrica amb més emissions. Durant l'ús no emet gasos pel tub d'escapament, i cada quilòmetre té menys emissions que un cotxe de gasolina.
El balanç depèn sobretot de com es genera l'electricitat (com més renovable, més aviat es recupera el deute inicial), dels quilòmetres que es facin i de la durada i el reciclatge de la bateria.

A: 2 · 2000 = 4.000 kWh, 4000 · 0,25 = 1.000 kg de CO₂ l'any.
B: 3 · 2000 = 6.000 kWh, 1.500 kg de CO₂ l'any.
La A emet menys, però genera cinc vegades més residus. Cal ponderar els criteris segons la gravetat de cada impacte (per exemple, si els residus són perillosos o reciclables) i considerar si l'electricitat pot venir de fonts renovables, cosa que reduiria l'avantatge de la A.

a) Valoració = Σ(magnitud·importància).
A: 8·(-6) + 9·(-4) + 6·(-5) + 5·(-3) + 7·4 + 9·7 = -48 - 36 - 30 - 15 + 28 + 63 = -38.
B: 8·(-2) + 9·(-5) + 6·(-2) + 5·(-2) + 7·6 + 9·7 = -16 - 45 - 12 - 10 + 42 + 63 = +22.
b) L'alternativa zero val 0 per definició. L'A (-38) és pitjor que no fer res, perquè els impactes negatius superen els beneficis; la B (+22) és la millor i l'única que millora la situació actual. Recomanaria la B.
c) El factor més negatiu de la B és l'aigua (9·(-5) = -45). Es pot reduir amb basses de decantació i sistemes de recollida i tractament de les aigües de la boca del túnel i de la calçada, perquè no arribin brutes al riu, i amb un pla de vigilància de la qualitat de l'aigua durant les obres.
Observa que la B guanya sobretot perquè redueix els impactes sobre la fauna i el paisatge, i que només perd davant l'A en el factor aigua.

a) Caldera: energia de gas = 12000/0,92 = 13043 kWh; emissions = 13043·0,20 = 2609 kg de CO₂; cost = 13043·0,08 = 1043 €.
Bomba de calor: electricitat = 12000/3,2 = 3750 kWh; emissions = 3750·0,25 = 937,5 kg de CO₂; cost = 3750·0,18 = 675 €.
b) La bomba de calor emet menys (937 kg davant de 2609 kg, un 64 % menys) i també costa menys (675 € davant de 1043 €).
c) Les emissions de la bomba serien iguals a les de la caldera si 3750·f = 2609, és a dir, f = 0,696 kg de CO₂/kWh. Només amb una electricitat més bruta que això (generada gairebé tota amb carbó, per exemple) la caldera emetria menys.
Idea clau: la bomba de calor dona 3,2 kWh de calor per cada kWh elèctric consumit, perquè n'extreu la major part de l'aire o del terra.

Massa: 50000 t = 5·$10^{7}$ kg. Energia tèrmica: 5·$10^{7}$·9 = 4,5·$10^{8}$ MJ = 4,5·$\tfrac{10^{8}}{3600} = 125000$ MWh l'any.
Electricitat: 0,25·125000 = 31250 MWh l'any.
Llars: 31250000 kWh/3500 kWh = 8929 llars.
Potència elèctrica mitjana: 31250 MWh/8760 h = 3,57 MW.
No és la primera opció perquè la jerarquia de residus prioritza reduir, reutilitzar i reciclar: en cremar un material se'n perd el valor (obtenir materials nous costa més energia que la que s'obté de la combustió) i, a més, es generen emissions i cendres que cal gestionar. La valorització energètica és per al rebuig que ja no es pot reciclar.

a) P = 0,80·1000·9,8·5·25 = 980000 W = 980 kW.
b) E = 980 kW·4000 h = 3,92·$10^{6}$ kWh = 3920 MWh l'any. CO₂ evitat: 3,92·$10^{6}$·0,35 = 1,37·$10^{6}$ kg = 1372 t l'any. Llars: 3,92·$\tfrac{10^{6}}{3500} = 1120$ llars.
c) El cabal ecològic mínim és 0,20·6 = 1,2 $\tfrac{m^{3}}{s}$. Amb una derivació de 5 $\tfrac{m^{3}}{s}$, al riu només en queden 6 - 5 = 1 $\tfrac{m^{3}}{s}$ (el 17 % del mitjà), menys d'1,2, de manera que no ho compleix. El cabal màxim derivable és 6 - 1,2 = 4,8 $\tfrac{m^{3}}{s}$, i la nova potència és P = 0,80·1000·9,8·4,8·25 = 940800 W ≈ 941 kW (un 4 % menys).
d) Impactes: la resclosa és un obstacle per als peixos migradors i altera el règim del riu (cabal, sediments, temperatura); a més, hi ha impacte visual i obres a la llera. Mesura correctora: una escala de peixos, respectar el cabal ecològic i fer un seguiment de la qualitat de l'aigua.

a) 120 t = 120000 kg. Arbres adults: 120000/22 = 5455 arbres (arrodonint cap amunt), que ocupen $\tfrac{5455}{400} = 13{,}6$ ha.
b) Arbres joves: 120000/6 = 20000 arbres, que ocupen 20000/400 = 50 ha, és a dir, 3,7 vegades més superfície.
c) Les emissions d'avui s'han de compensar ara, però els arbres necessiten 20 anys per arribar a absorbir al màxim, de manera que durant molts anys la compensació és insuficient. A més, cal repetir-ho cada any, ja que s'emeten 120 t més cada any, i els arbres poden morir o cremar-se (i tornar el carboni a l'atmosfera) i necessiten terra, aigua i manteniment.
Reduir les emissions (eficiència, renovables) és més eficaç i més segur; la compensació s'ha de reservar per a les emissions inevitables.

a) Potència total = PUE·potència informàtica = 1,6·2 = 3,2 MW. Energia anual: 3,2 MW·8760 h = 28032 MWh. Emissions: 28,032·$10^{6}$ kWh·0,25 = 7,008·$10^{6}$ kg = 7008 t de CO₂.
b) Als equips informàtics van 2 MW; els altres 3,2 - 2 = 1,2 MW (el 37,5 % del total) es destinen a la refrigeració, la conversió i distribució elèctrica i la il·luminació. El PUE ideal seria 1.
c) Amb PUE = 1,2: potència total = 2,4 MW i energia = 2,4·8760 = 21024 MWh. Estalvi: 28032 - 21024 = 7008 MWh l'any, que evita 7008·1000·0,25 = 1,752·$10^{6}$ kg = 1752 t de CO₂. Reducció del consum total: $\tfrac{7008}{2803}$2 = 25 %.
Fixa't que els equips informàtics consumeixen el mateix: tot l'estalvi s'aconsegueix reduint l'energia de suport.

a) Bateria: 0,90·0,95·0,90 = 0,770 → $\tfrac{100}{0{,}7695}$ = 130 kWh per 100 km. Hidrogen: 0,70·0,90·0,50·0,90 = 0,284 → $\tfrac{100}{0{,}2835}$ = 353 kWh per 100 km, 2,7 vegades més electricitat que la bateria. Dièsel: $\tfrac{100}{0{,}38} = 263$ kWh de combustible → $\tfrac{263}{9{,}97}$ = 26,4 $\tfrac{L}{100}$ km.

b) Amb 0,20 kg/kWh: bateria, 130·0,20 = 26,0 kg; hidrogen, 353·0,20 = 70,5 kg; dièsel, 26,4·2,64 = 69,7 kg CO₂ per 100 km. Amb electricitat renovable (0,02): bateria, 2,6 kg; hidrogen, 7,1 kg; dièsel, 69,7 kg. Amb la xarxa actual, l'hidrogen produït per electròlisi emet el mateix que el dièsel; només és net si l'electricitat és renovable.

c) Per autobús: 60 $\tfrac{000}{100} = 600$ trams de 100 km. Bateria: 130·600·40 = 3,12 GWh/any. Hidrogen: 353·600·40 = 8,47 GWh/any. Un aerogenerador de 2 MW produeix 2·8760·0,30 = 5,26 GWh/any: calen 0,6 aerogeneradors per a la bateria i 1,6 per a l'hidrogen.

d) L'hidrogen gasta unes tres vegades més energia primària que la bateria, de manera que per al transport urbà de curta distància, amb parades i càrrega nocturna, la bateria és, de molt, la solució més eficient. L'hidrogen pot tenir sentit on la bateria és pesada o lenta de carregar (camions de llarg recorregut, ferrocarrils no electrificats, indústria) o per emmagatzemar excedents renovables durant molt de temps. El rendiment baix només es compensa si l'electricitat és renovable i abundant; en cas contrari, desplaça el problema de les emissions de l'escapament a la central.

Errors típics

• Sumar els rendiments en lloc de multiplicar-los.
• Comparar les emissions de l'escapament amb les de la producció d'electricitat o d'hidrogen sense incloure aquesta última.
• Pensar que un vehicle de «zero emissions» a l'escapament és de zero emissions en el cicle complet.

Conceptes treballats: cadenes d'energia i rendiments globals, vehicle elèctric i d'hidrogen, emissions en el cicle de vida, mix elèctric, dimensionament de renovables, sostenibilitat del transport.

a) Primer any: 5·1400 = 7000 kWh. Any n: 7000·0,995ⁿ⁻¹. Total en 25 anys: 7000·$\tfrac{(1 - 0{,}995^{25})}{(1 - 0{,}995)}$ = 164 900 kWh (mitjana de 6600 kWh/any).

b) Emissions de fabricació: 5·900 = 4500 kg. Per kWh: 4 500 000 $\tfrac{g}{164}$ 900 kWh = 27 g CO₂/kWh (una gran diferència davant dels 200 g/kWh de la xarxa i dels 400 g/kWh d'una central de gas). Energia invertida: 5·3500 = 17 500 kWh. Retorn energètic: 17 $\tfrac{500}{7000}$ = 2,5 anys. En 25 anys retorna 164 $\tfrac{900}{17}$ 500 = 9,4 vegades l'energia invertida.

c) Xarxa a 0,20: any 1, 1400 kg; any 2, 2793; any 3, 4179; any 4, 5558 → retorn a 3,2 anys. Xarxa a 0,05 kg/kWh: les emissions evitades són 4 vegades més petites (350 kg el primer any): retorn a 13,3 anys; en 25 anys s'eviten 8245 kg, i el balanç net és +3745 kg. Xarxa a 0,02: en 25 anys només s'eviten 3298 kg < 4500 kg: la instal·lació no compensa mai, en termes de CO₂, les emissions de fabricació.

d) (4500 + 150)·$\tfrac{1000}{164}$ 900 = 28 g CO₂/kWh (el canvi d'inversor afegeix només un 3 %). Com més neta és la xarxa, menys CO₂ s'evita per cada kWh fotovoltaic, de manera que el benefici climàtic marginal de les noves instal·lacions disminueix. Però això no invalida la fotovoltaica: continua tenint una de les intensitats de cicle de vida més baixes (27 g/kWh, davant dels 400 g/kWh d'una central de gas), redueix la dependència de combustibles i la factura. El que canvia és l'argument: en una xarxa neta, el valor de la instal·lació no és tant «evitar emissions marginals» com substituir els últims combustibles fòssils i alimentar la calefacció i el transport electrificats.

Errors típics

• Comptar només els kWh del primer any per a tota la vida útil, sense la degradació.
• Comparar els g/kWh de la xarxa i de la instal·lació sense incloure la fabricació d'aquesta última.
• Confondre el temps de retorn energètic amb el de CO₂ (depèn de la xarxa).

Conceptes treballats: energia solar fotovoltaica, anàlisi del cicle de vida, temps de retorn energètic, emissions evitades, degradació, progressions geomètriques, descarbonització del mix elèctric.

a) R_aïllament = 0,08/0,036 = 2,222 m²·K/W. 1/U = 1/1,6 + 2,222 = 0,625 + 2,222 = 2,847 → U = 0,351 W/(m²·K) (4,6 vegades menys pèrdues).

b) Q₀ = 1,6·120·2500·24/1000 = 11 520 kWh; Q₁ = 0,351·120·2500·24/1000 = 2529 kWh. Estalvi de calefacció: 8991 kWh; gas: 8991/0,90 = 9990 kWh → 999 €/any i 1998 kg CO₂/any. Inversió: (20 + 3,1·8)·120 = 44,8·120 = 5376 €. Retorn: 5376/999 = 5,4 anys.

c) 12 cm: R = 0,12/0,036 = 3,333; 1/U = 0,625 + 3,333 → U = 0,253. Q = 1819 kWh; estalvi respecte de la façana sense aïllar: 9701 kWh de calefacció → 10 779 kWh de gas → 1078 €/any. Cost: (20 + 37,2)·120 = 6864 € (1488 € més). Estalvi addicional: 1078 − 999 = 79 €/any. Retorn de l'increment: 1488/79 = 18,9 anys.

d) Els primers centímetres eviten la major part de les pèrdues (de 1,6 a 0,35 W/m²K amb 8 cm); els següents afegeixen cada cop menys, perquè les pèrdues que queden ja són petites, i el cost creix de manera lineal: són rendiments decreixents. Passar de 8 a 12 cm no és rendible econòmicament (19 anys), tot i que pot interessar si s'exigeix una qualificació energètica molt alta o hi ha subvenció. A part de la factura, una façana aïllada millora el confort (parets interiors més càlides, menys condensacions i humitats), redueix les necessitats d'una bomba de calor o caldera més petita i fa pujar el valor de l'habitatge. Cal també tractar els ponts tèrmics (forjats, finestres) perquè limiten el resultat real.

Errors típics

• Sumar les transmitàncies en lloc de sumar resistències (1/U) en sèrie.
• Calcular l'estalvi de gas sense dividir pel rendiment de la caldera.
• Pensar que doblar el gruix de l'aïllament doblarà l'estalvi.

Conceptes treballats: transmissió de calor, resistències tèrmiques en sèrie, graus-dia, eficiència energètica d'edificis, rehabilitació, retorn de la inversió, rendiments decreixents.

a) Entrada: PET 300 t, HDPE 200 t, Al 100 t, altres 250 t, rebuigs 150 t. Separat: PET 300·0,90 = 270 t; HDPE 200·0,85 = 170 t; Al 100·0,95 = 95 t; total 535 t. Reciclat: PET 270·0,85 = 229,5 t; HDPE 170·0,88 = 149,6 t; Al 95·0,92 = 87,4 t; total 466,5 t. Taxa de selecció: $\tfrac{535}{1000}$ = 53,5 %. Taxa de reciclatge real: $\tfrac{466{,}5}{1000}$ = 46,7 %.

b) PET: 229,5 t·1000 kg/t·50 MJ/kg = 11 475 GJ. HDPE: 149,6·1000·55 = 8228 GJ. Al: 87,4·1000·170 = 14 858 GJ. Total: 34 561 GJ = 9600 MWh/any. L'alumini suposa el 43 % de l'estalvi (14 $\tfrac{858}{34}$ 561) i només el 19 % de la massa reciclada ($\tfrac{87{,}4}{466{,}5}$): és el material amb més valor energètic per tona.

c) (i) +5 punts de PET: 0,05·300 = 15 t més separades → ·0,85 = 12,75 t → ·50 MJ/kg = 638 GJ. (ii) +5 punts d'alumini: 5 t → ·0,92 = 4,6 t → ·170 = 782 GJ. (iii) 25 t d'altres plàstics → ·0,80 = 20 t → ·50 = 1000 GJ. Millora més rendible: (iii), seguida de l'alumini (ii) tot i que només suposa 5 t. L'alumini és el que dona més estalvi per tona recuperada.

d) La taxa de selecció (53,5 %) és més alta que la real (46,7 %) perquè els rendiments del reprocessament (rentat, impureses, colorants) també fan perdre massa; si a més s'inclouen els envasos que no s'arriben a recollir en el contenidor, la taxa real respecte del total consumit és encara més baixa. Que una cosa sigui reciclable depèn del disseny: envasos multicapa, etiquetes, colors o additius que no es poden separar (els «altres plàstics» no reciclats) fan inviable el reciclatge. L'ecodisseny (monomaterials, tapes i etiquetes compatibles) és tan important com la tecnologia de la planta.

Errors típics

• Confondre la taxa de selecció amb la de reciclatge real.
• Multiplicar el rendiment del reprocessament pel material d'entrada en lloc de pel material separat.
• Pensar que el material més abundant és el que més energia estalvia.

Conceptes treballats: gestió de residus, balanç de masses, rendiments d'un procés per etapes, reciclatge, estalvi energètic, ecodisseny, economia circular.

a) Càrrega: 2000·$\tfrac{300}{1000}$ = 600 kg/dia. Habitants equivalents: $\tfrac{600}{0{,}060}$ = 10 000.

b) Després del pretractament: 300·0,90 = 270 mg/L. Després del primari: 270·0,70 = 189 mg/L. El secundari ha de baixar-ho a 25 mg/L: eficiència = 1 − $\tfrac{25}{189}$ = 86,8 %. Eficiència global: 1 − $\tfrac{25}{300}$ = 91,7 %.

c) Barreja: $\tfrac{(2000\cdot 300 + 400\cdot 2000)}{2400} = 1$ 400 $\tfrac{000}{2400}$ = 583 mg/L; càrrega: 1400 kg/dia = 23 333 habitants equivalents (2,3 vegades més). Després del pretractament i del primari: 583·0,9·0,7 = 367,5 mg/L → eficiència necessària del secundari: 1 − $\tfrac{25}{367{,}5}$ = 93,2 %. Amb el 90 %: sortida = 36,75 mg/L > 25 mg/L: no es compleix el límit.

d) Barreja: $\tfrac{(2000\cdot 300 + 400\cdot 600)}{2400}$ = 350 mg/L. Després del pretractament i el primari: 350·0,63 = 220,5 mg/L → eficiència exigida: 1 − $\tfrac{25}{220{,}5}$ = 88,7 % ≤ 90 %: sortida = 22,05 mg/L, es compleix. Tractar a l'origen és molt més efectiu que sobredimensionar la depuradora. Oxigen (cas b): DBO eliminada al secundari = (189 − 18,9)·$\tfrac{2000}{1000} = 340$ kg/dia → 340 kg O₂/dia → energia: $\tfrac{340{,}2}{1{,}8}$ = 189 kWh/dia (69 MWh/any), només per aerar el reactor biològic.

Errors típics

• Sumar les eficiències de les etapes (10 + 30 + …) en comptes d'aplicar-les successivament.
• Fer la mitjana aritmètica de les concentracions sense ponderar-les amb els cabals.
• Oblidar que el límit es compleix en la concentració de sortida, no en l'eficiència de cada etapa.

Conceptes treballats: tractament d'aigües residuals, DBO₅ i habitants equivalents, eficiència per etapes, barreja de cabals, càrrega industrial, consum energètic de l'aeració.

a) 0,35·400 + 0,25·12 + 0,20·12 + 0,12·45 + 0,08·24 = 140 + 3 + 2,4 + 5,4 + 1,92 = 152,7 g CO₂/kWh. El gas aporta 140 g (92 %) amb només el 35 % de l'energia.

b) Gas 17,5 %, eòlica 37,5 %: 0,175·400 + 3 + 0,375·12 + 5,4 + 1,92 = 70 + 3 + 4,5 + 5,4 + 1,92 = 84,8 g/kWh, una reducció del 44,5 %.

c) Intensitat de nit: 0,50·400 + 0,25·12 + 0,20·12 + 0,05·24 = 200 + 3 + 2,4 + 1,2 = 206,6 g/kWh. Energia lliurada a la tarda: 206,6/0,75 = 275,5 g/kWh. Respecte dels 400 g/kWh de la central de gas del pic: s'eviten uns 125 g per kWh lliurat: sí compensa.

d) Nit sense vent: 0,65·400 + 0,25·12 + 0,10·24 = 260 + 3 + 2,4 = 265,4 g/kWh. Amb rendiment del 75 %: 265,4/0,75 = 353,9 g/kWh < 400: compensa lleugerament (46 g/kWh). Amb 60 %: 265,4/0,60 = 442,3 g/kWh > 400: emet més que no pas la central de gas que substitueix. El límit és: intensitat de càrrega < rendiment · intensitat de la generació desplaçada (0,75·400 = 300 g/kWh o 0,60·400 = 240 g/kWh). L'emmagatzematge no és «verd» per si mateix: només redueix emissions si es carrega amb electricitat més neta del que es deixa de generar, i com més pèrdues, més neta ha de ser. Per això el bombament i les bateries s'acoblen a l'excés d'energies renovables.

Errors típics

• Fer la mitjana aritmètica de les intensitats sense ponderar-les per la participació.
• Oblidar dividir per el rendiment per obtenir la intensitat de l'energia lliurada.
• Pensar que emmagatzemar energia sempre redueix emissions.

Conceptes treballats: mix elèctric, intensitat de carboni, mitjana ponderada, emmagatzematge d'energia i rendiment de cicle, energies renovables variables, emissions marginals.

a) Captació: 180·0,700·0,85·0,90 = 96,4 $m^{3}$/any. Demanda: vàters, 4·35·$\tfrac{365}{1000} = 51{,}1$ $m^{3}$; jardí, 60·$\tfrac{250}{1000} = 15{,}0$ $m^{3}$; total 66,1 $m^{3}$/any. La pluja anual (96,4 $m^{3}$) cobreix 1,46 vegades la demanda: en volum anual, podria cobrir-la tota (100 %) si es pogués emmagatzemar sense límit.

b) El menor valor és la demanda, 66,1 $m^{3}$: 6 % → 3,97 $m^{3}$ → 4 $m^{3}$ (unes 3 setmanes de consum). Com que la pluja no coincideix amb la demanda, un dipòsit més petit perdria aigua de les pluges fortes i un de més gran es construiria per a res.

c) Només vàters: 4·35 = 140 L/dia → $\tfrac{4000}{140}$ = 28,6 dies. A l'estiu: el jardí gasta 15 000 $\tfrac{L}{120}$ dies = 125 L/dia; total 265 L/dia → $\tfrac{4000}{265}$ = 15,1 dies. Si hi ha una sequera més llarga, caldrà un sistema de reserva amb aigua de xarxa.

d) Estalvi: 66,1·2,2 = 145 €/any (si es cobreix tota la demanda; probablement menys). Retorn: $\tfrac{3200}{145}$ = 22 anys: econòmicament, poc atractiu. Altres motius: reduir el consum d'aigua potable en sequeres, laminar les puntes de cabal que van a la xarxa de clavegueram en tempestes (menys inundacions i menys vessaments a rius), aigua sense calç per al jardí, i objectius ambientals o normatius (en alguns municipis és obligatori en obra nova). La decisió no és només econòmica.

Errors típics

• Aplicar el coeficient d'escolament i el del filtre a la demanda en lloc de a la captació.
• Confondre mm de pluja amb litres per metre quadrat (són equivalents: 1 mm = 1 $\text{L/m}^{2}$).
• Dimensionar el dipòsit amb la captació anual i no amb la demanda ni el període sec.

Conceptes treballats: gestió de l'aigua, aprofitament d'aigües pluvials, balanç de volums, dimensionament d'emmagatzematge, avaluació econòmica i ambiental.

a) Calor injectada: $\tfrac{2{,}4}{(1 - 0{,}12)}$ = 2,727 GWh. Combustible: $\tfrac{2{,}727}{0{,}85}$ = 3,209 GWh. Pèl·lets: 3 209 $\tfrac{000}{4{,}8} = 668$ 000 kg = 668 t/any → $\tfrac{668}{24}$ = 28 camions.

b) Gas: $\tfrac{2{,}4}{0{,}92}$ = 2,609 GWh. Emissions del gas: 2 609 000·0,20 = 522 t CO₂. Emissions dels pèl·lets: 3 209 000·0,03 = 96 t CO₂. Estalvi: 426 t CO₂/any (82 %).

c) Amb pèrdues del 25 %: injectada $\tfrac{2{,}4}{0{,}75} = 3{,}2$ GWh → combustible 3,765 GWh → 784 t de pèl·lets (+17 %). Densitat lineal: 2400 MWh/3000 m = 0,8 MWh/(m·any). Pèrdues del 12 %: 2,727 − 2,4 = 0,327 GWh → 327 000 kWh/3000 m = 109 kWh/(m·any) → $\tfrac{109}{8760}$ h = 12,5 W/m. Amb densitats lineals baixes, la calor que es perd per metre és una fracció gran de la que s'entrega (les pèrdues van amb la longitud i la demanda amb els edificis): per això es recomana una densitat mínima de l'ordre d'1 MWh/(m·any) (valor orientatiu); els barris dispersos no són bons candidats.

d) La biomassa consumeix 3,21 GWh de combustible contra 2,61 GWh de gas (un 23 % més) perquè la xarxa té pèrdues i la caldera té menys rendiment, però el combustible és renovable (el CO₂ alliberat va ser captat pels arbres) i només té emissions fòssils indirectes (96 contra 522 t). Inconvenients: les partícules (PM) i els NO_x de la combustió de biomassa afecten la qualitat de l'aire local si els filtres no són bons; la neutralitat depèn de la gestió forestal sostenible (si es talla més del que creix, o es fa servir fusta que podria tenir un altre ús, el balanç empitjora); i el transport dels pèl·lets (28 camions) té un impacte i un cost.

Errors típics

• Calcular el combustible amb la calor lliurada i oblidar les pèrdues de la xarxa.
• Dir que la biomassa «no emet CO₂» sense tenir en compte el cicle del combustible.
• Comparar només l'energia de combustible i no les emissions o la qualitat de l'aire.

Conceptes treballats: xarxes de calor, biomassa, rendiments i pèrdues, balanç de masses i d'energia, emissions de CO₂ i sostenibilitat forestal, qualitat de l'aire.

a) Estàndard: $\tfrac{15}{0{,}910}$ = 16,48 kW. Alta eficiència: $\tfrac{15}{0{,}940}$ = 15,96 kW. Diferència: 0,526 kW. Energia estalviada: 0,526·6000 = 3156 kWh/any → 473 €/any → 631 kg CO₂/any.

b) Retorn: $\tfrac{700}{473}$ = 1,5 anys.

c) VAN = 473,5·10,38 − 700 ≈ +4214 € a 15 anys. Energia del motor estàndard: 16,48 kW·6000 h·0,15 €/kWh = 14 835 €/any → en 15 anys, 222 500 €, 89 vegades el preu de compra de 2500 €. El cost d'energia és més del 98 % del cost total del cicle de vida.

d) 1000 h/any: 0,526·1000 = 526 kWh → 79 €/any; retorn $\tfrac{700}{79}$ = 8,9 anys (encara rendible a llarg termini, però molt menys). Quan el motor funciona moltes hores, el cost de compra és negligible davant del cost de l'energia, i només es pot jutjar pel cost del cicle de vida; quan funciona poc, el preu d'adquisició pesa molt més. Si el motor mou una bomba o un ventilador de cabal variable, el gran estalvi no és un motor millor sinó un variador de freqüència que ajusti la velocitat a la demanda: la potència d'una bomba varia amb el cub de la velocitat, i reduir-la un 20 % estalvia gairebé la meitat de l'energia.

Errors típics

• Triar el motor pel preu de compra sense comptar el consum energètic de tota la vida.
• Calcular l'estalvi amb la diferència de rendiments (3 punts) multiplicada per 15 kW.
• No actualitzar els fluxos futurs en calcular el VAN.

Conceptes treballats: eficiència energètica de motors, cost del cicle de vida, període de retorn i VAN, emissions evitades, variadors de freqüència.

a) n = 1/0,04 = 25 usos de mitjana.

b) Per ús: 0,55/25 + 0,05 + 0,03 = 0,022 + 0,08 = 0,102 kg CO₂e, pràcticament igual que el PET d'un sol ús (0,100): no hi ha avantatge en aquestes condicions.

c) 0,55/n + 0,08 < 0,100 → 0,55/n < 0,020 → n > 27,5 usos → taxa de pèrdua màxima 1/27,5 = 3,6 %. Amb distribució local (transport 0,01): 0,55/n + 0,06 < 0,100 → n > 13,75; a 25 usos, l'emissió és 0,022 + 0,06 = 0,082 (−18 % respecte del PET). Amb pèrdues del 2 %: n = 50 → 0,55/50 + 0,08 = 0,091 (−9 %).

d) La reutilització només és més sostenible si es retorna una gran proporció d'ampolles (sistema de dipòsit amb incentius), si la distribució és local i si el rentat és eficient. El gran cost de l'ampolla de vidre és l'energia de fabricació, que cal repartir entre molts usos. Si el PET tingués un 50 % de reciclat, la seva emissió baixaria (en la hipòtesi de 0,070), i l'ampolla retornable hauria de fer encara més usos per competir (n = 0,55/(0,07 − 0,08) no té solució: ni amb infinits usos no guanyaria). El resultat depèn de dades concretes, per això es fan ACV (anàlisis de cicle de vida) amb el sistema real de cada lloc abans de decidir.

Errors típics

• Repartir la fabricació de l'ampolla en un nombre fix d'usos sense considerar les pèrdues.
• Pensar que reutilitzar és sempre millor que reciclar o que l'ús únic.
• Comparar només l'emissió de fabricació sense incloure el rentat i el transport de tornada.

Conceptes treballats: anàlisi de cicle de vida, unitat funcional, reutilització i reciclatge, economia circular, distribució geomètrica, sensibilitat a les dades.