The Exergy Cost Theory Revisited

This paper reviews the fundamentals of the Exergy Cost Theory, an energy cost accounting methodology to evaluate the physical costs of products of energy systems and their associated waste. Besides, a mathematical and computationally approach is presented, which will allow the practitioner to carry out studies on production systems regardless of their structural complexity. The exergy cost theory was proposed in 1986 by Valero et al. in their “General theory of exergy savings”. It has been recognized as a powerful tool in the analysis of energy systems and has been applied to the evaluation of energy saving alternatives, local optimisation, thermoeconomic diagnosis, or industrial symbiosis. The waste cost formation process is presented from a thermodynamic perspective rather than the economist’s approach. It is proposed to consider waste as external irreversibilities occurring in plant processes. A new concept, called irreversibility carrier, is introduced, which will allow the identification of the origin, transfer, partial recovery, and disposal of waste

Thermodynamic approach to evaluate the criticality of raw materials and its application through a material flow analysis in Europe

This paper makes a review of current raw material criticality assessment methodologies and proposes a new approach based on the second law of thermodynamics. This is because conventional methods mostly focus on supply risk and economic importance leaving behind relevant factors, such as the physical quality of substances. The new approach is proposed as an additional dimension for the criticality assessment of raw materials through a variable denoted “thermodynamic rarity,” which accounts for the exergy cost required to obtain a mineral commodity from bare rock, using prevailing technology. Accordingly, a given raw material will be thermodynamically rare if it is: (1) currently energy intensive to obtain and (2) scarce in nature. If a given commodity presents a high risk in two of the three dimensions (economic importance, supply risk, and thermodynamic rarity), it is proposed to be critical. As a result, a new critical material list is presented, adding to the 2014 criticality list of the European Commission (EC) Li, Ta, Te, V, and Mo. With this new list and using Sankey diagrams, a material flow analysis has been carried out for Europe (EU-28) for 2014, comparing the results when using tonnage and thermodynamic rarity as units of measure. Through the latter, one can put emphasis on the quality and not only on the quantity of minerals traded and domestically produced in the region, thereby providing a tool for improving resource management

Resumen y análisis crítico del informe especial de la Agencia Internacional de la Energía: El Rol de los minerales críticos en la transición hacia energías limpias

This paper makes a critical review of the IEA’s report entitled The Role of Critical Minerals in Clean Energy Transitions. The main goal of this report is to identify key minerals and metals that could generate supply problems and bottlenecks in a clean energy transition. The IEA establishes a series of key recommendations towards mineral security, analysing the amount of different materials used in certain technologies (electric cars, solar PV, onshore and offshore wind, nuclear, coal, and natural gas). Such recommendations include, among others, ensuring adequate investment in diversified sources of new supply, the promotion of technology innovation or strategic stockpiling. This report is an essential step towards awareness rising about this issue, because until recently it had not received the attention it deserved. However, it falls short on the impact that mineral scarcity can have on the development of economies and the planet. For this reason, we analyse section by section the report and provide some additional comments on aspects that could be further addressed to avoid replacing fossil fuel addiction with raw materials dependence

Thermodynamic assessment of raw material use in passenger vehicles

Conseguir una economía mundial libre de carbono es de vital importancia para evitar el aumento de las temperaturas del planeta y sus fatales consecuencias para la humanidad. Para lograr ese objetivo se están llevando a cabo grandes avances en el desarrollo tanto de energías renovables como de vehículos más limpios. En el caso de los vehículos esos avances se están centrando principalmente en mejorar la eficiencia de los motores combustión, reducir la emisión tanto de gases de efecto invernadero como de otros perjudiciales para la salud y en el desarrollo de vehículos libres de emisiones directas, como los vehículos eléctricos.Estos avances hacía la obtención de automóviles más limpios está provocando un cambio en la actual flota de vehículos y se espera que en las próximas décadas habrá una renovación total de la misma. La nueva generación de vehículos reducirá en gran parte su dependencia con relación a los combustibles fósiles, sin embargo a cambio demandará una gran cantidad de recursos naturales, tan valiosos e incluso más escasos en ocasiones que el petróleo. Algunos de estos recursos serán: Co, Ni, Mn o Li para fabricar baterías; Ga, Ge, Y para hacer sistemas de iluminación tipo LEDs; Nd, Dy, Pr para construir imanes permanentes de motores eléctricos; Pt, Pd, Zr para hacer catalizadores que reduzcan la contaminación; Au, Ag, Sn, Ta, Yb para fabricar unidades electrónica; Ce, Tb, Se, La para hacer sensores o Nb, Mo, Cr, Ti, V, Sc, W para hacer aleaciones de acero de alta resistencia. Lamentablemente, estos recursos son finitos y algunos de ellos incluso ya son considerados como críticos por la Comisión Europea y otras institucionesinternacionales.Una de las soluciones para mejorar la sostenibilidad en la fabricación de vehículos desde el puntode vista de los materiales que se emplean es el reciclaje. Sin embargo hay dos grandes problemas en torno al mismo. Por un lado los ratios de reciclaje no están avanzando tan rápidamente como la demanda de materiales y por otro lado las políticas de reciclaje no incentivan la recuperación de metales escasos. En la actualidad, los objetivos de reciclaje de vehículos se fijan en alcanzar un porcentaje de reciclabilidad sobre la masa total del vehículo. Para conseguir esas cuotas de reciclaje se llevan a cabo convencionalmente procesos mecánicos de separación de materiales.Estos procesos son de baja intensidad energética y a la vez muy eficaces para recuperar los metales que se emplean en mayores cantidades (acero, aluminio o cobre) pero resultan ineficaces para recuperar metales empleados en pequeñas proporciones (metales críticos o escasos). Como consecuencia, los metales críticos terminan subciclados en los procesos de fabricación de aleaciones de acero o aluminio y en el peor de los casos dispersos en un vertedero.Esta tesis se desarrolla con el objetivo principal de mejorar la eficiencia en el uso de los recursos necesarios para la fabricación de automóviles. Para conseguir dicho propósito se presenta una metodología que mide la eficiencia en el uso de los recursos e identifica posibles restricciones de suministro de metales.La metodología desarrollada se basa en la aplicación de la segunda ley termodinámica y el concepto de rareza termodinámica. Este enfoque cuantifica el valor real físico de todos los metales empleados y destaca en especial la aportación de aquellos cuya contribución al peso total del vehículo es pequeña, pero cuya escasez y por tanto su valor para el planeta es elevada. Este método evalúa la calidad de los materiales en función de su abundancia en la naturaleza y la energía útil (exergía) requerida tanto para extraerlos como para procesarlos y ponerlos a disposición de las industrias.Además del enfoque termodinámico, en esta Tesis se analizan las posibles restricciones de metales que puedan surgir en las próximas décadas. Para ello se aplica un modelo que considera la disponibilidad geológica de materiales (reservas y recursos), la capacidad de producción anual de los metales, la demanda anual estimada de cada metal, la demanda acumulada hasta 2050, la evolución de las cuotas de reciclaje y el impacto de la demanda de materiales de otros sectores.Los métodos desarrollados se aplican a diferentes tipos de vehículos (ICEV1, PHEV2 y BEV3) y han permitido alcanzar entre otros los siguientes resultados principales: (1) Desde el punto de vista del valor mineral de los recursos empleados, un vehículo eléctrico demanda 2.2 veces más recursos que un vehículo de combustión; (2) Hay 31componentes críticos en un vehículo convencional desde la perspectiva de los materiales que emplean; (3) Se han definido recomendaciones de ecodiseño para esos componentes basadas en reducir la demanda de metales escasos y mejorar tanto su reciclabilidad como su reusabilidad; (4) En los actuales procesos de reciclaje de vehículos un 27 % del valor mineral de los metales no se recicla funcionalmente; (5) Se han propuesto recomendaciones para la reducción de dichas pérdidas; (6) Se ha definido un ranking de los metales más estratégicos para el sector de la fabricación de vehículos siendo los 10 más estratégicos los siguientes: Ni, Li, Tb, Co, Dy, Sb, Nd, Pt, Au y Ag.Las contribuciones de esta Tesis son de gran valor para mejorar la sostenibilidad del sector de la fabricación de vehículos desde la perspectiva de los materiales que se emplean y están principalmente dirigidas a los siguientes grupos de interés: (1) Los diseñadores de vehículos, porque les ayudará a identificar propuestas de ecodiseño desde la perspectiva de los materiales; (2) Los responsables de desarrollar políticas en torno a la eficiencia en el uso de los recursos, ya que demuestra la debilidad de las políticas actuales basadas en el peso de los materiales y ofrece como alternativa un método que evalúa tanto la cantidad como la calidad de los materiales; (3)Los ejecutivos de las empresas, porque les presenta la dependencia y vulnerabilidad de la tecnología sobre ciertos materiales y les ayudará a planificar con antelación líneas de I+D+ibasadas en la eficiencia en el uso de los recursos.Decarbonizing world economies is necessary to avoid the continuous increase of global temperature and its negative consequences for humanity. To get this ambitious target new advances in the fields of power generation with renewables and mobility with cleaner vehicles are being made. In the case of vehicles, these advances are being mainly focused on improving the performance of combustion engines, to reduce greenhouse and polluting emissions and the development of free direct emission vehicles like the electric ones. Advances towards cleaner vehicles are encouraging the continuous renovation of vehicle fleet so it is expected that in the following decades a complete renovation will take place. This new generation of vehicles will significantly reduce its fossil dependency. But in contrast, it will demand a huge quantity of other kinds of natural resources being some of them even scarcer than oil. Some of these resources will be necessary to manufacture the following components: batteries (Co, Ni, Mn or Li); LEDs for lighting (Ga, Ge, Y); permanent magnets for motors (Nd, Dy, Pr); catalytic converters (Pt, Pd, Zr); electronic units (Au, Ag, Sn, Ta, Yb), different kinds of sensors (Ce, Tb, Se, La), infotainment screens (In); automotive high performance steel or aluminum alloys (Nb, Mo, Cr, Ti, V, Sc, W) or injectors (Tb). Unfortunately these resources are finite and some of them are very scarce being even considered as critical for the European Commission and other institutions from several perspectives such as vulnerability, economic importance, supply, or ecological risks. One of the solutions to improve resource efficiency in vehicles is to recycle these valuable metals. Nevertheless, there are two main problems around the recycling situation. On one hand, recycling rates are not growing up as faster as metal demand. On the other hand, current recycling policies define targets based on mass weight approaches, and even if they are ambitious, they fail in enhancing the recycling of minor but critical metals. The legislation compliance is achieved by means of applying mechanical separation techniques. These processes are effective to recycle those metals with the highest contribution in the vehicle weight (steel, aluminum and copper) but they are not effective for the recovery of minor metals like those that are scarce and/or critical. Consequently, minor metals end downcycled during steel or aluminum smelting or in the worst case they finish dispersed in landfills. This Thesis is presented with the main aim to improve the resource efficiency in the vehicle manufacturing sector. To accomplish with this aim, a novel method for measuring the resource efficiency and to identify possible shortages in the supply of metals is presented. The resource efficiency is analyzed through the second law of Thermodynamics through the concept of thermodynamic rarity. This method takes into account the quality of mineral commodities as a function of their relative abundance in Nature and the energy intensity required to extract and process them. The application of the thermodynamic approach allows not only to recognize the physical value of materials with a low weight contribution but also to identify those components that use them. As it has been mentioned before this Thesis also assesses possible metal shortages. This activity is made by means of an own method which combines geological data (reserves and resources), annual capacity production, annual expected demand, cumulative expected demand to 2050, recycling rates evolutions and future resource demand of other technologies. The methodology is applied to different types of vehicles (ICEV , PHEV and BEV ) and it has been useful to achieve the following main results: (1) From a thermodynamic point of view an electric vehicle demands 2.2 times more quality resources than a combustion one; (2) 31 critical components were identified in a conventional vehicle from the perspective of the materials used to manufacture them; (3) Eco-design recommendations for these components have been defined. These recommendations are based on: reducing the demand of scarce metals and to increase both the recyclability and the reusability; (4) In current End of Life Vehicle (ELV) processes 27 % of the mineral capital (measured in rarity terms) is not functionally recycled; (5) Recommendations to reduce these losses have been proposed; (6) A strategic metal ranking for the automobile sector has been produced, being the top 10 most strategic metals the following: Ni, Li, Tb, Co, Dy, Sb, Nd, Pt, Au and Ag. The contributions of this Thesis are valuable to improve the sustainability of the vehicle manufacturing sector from the raw materials point of view. These contributions are mainly valuable for the following stakeholders: (1) Designers because it helps them to apply eco-design proposals from a raw materials point of view; (2) Policy makers because it evidences the weakness of mass based approach recycling policies and it proposes an alternative method that takes into considerations not only quantity but also quality; (3) Company’s executives because it confronts them with the metal dependency and vulnerability of technology and it helps them to plan with enough time R+D+i lines based on resource efficiency.<br /

Exergy assessment of mineral extraction, trade and depletion

Natural resources, especially minerals, are present in all products and are a vital component of society. Mineral consumption is experiencing an exponential increase and hence future availability is now playing a major role in resources efficiency policies. For this reason it is fundamental to have the best possible tools, objective and rigorous, that can help to properly account for this loss of resources. Studies cannot only be centered in analyzing current consumption patterns and reserves as it is happening now, but they need to take into account the gradual loss of future availability of resources due to mineral dispersion and the criticality of each of the materials. By means of the Second Law of Thermodynamics, through property exergy and with a so-called Physical Geonomics approach, mineral extraction and dispersion can be assessed. Exergy, traditionally used to assess energy resources, can be also used to account for non-energy minerals. The advantage of this approach over other conventional ones is that it takes into account not only the quantity but also the quality of the given resource. Moreover, it is totally independent of monetary variations, thereby providing more accurate and objective information. Additionally, using this approach, one can easily cross over from the physical to the economic level, linking Thermodynamics with Economics, something that has been largely sought by the school of Ecological Economics. As the basis of Physical Geonomics model was already established in previous studies, the first task of this PhD Dissertation has consisted on improving the available data. For this endeavor, an analysis on real data on energy consumption from different mining industries was performed to obtain new and more accurate data on energy consumption as a function of ore grade. Additionally, using the available information of fossil fuel and electricity consumption over the years, several energy intensity factors have been calculated. The general trend observed is that average ore grade slowly diminishes over time while energy consumption and production increases. Moreover, new data of exergy replacement costs for several mineral substances, meaning the exergy required restoring a resource from a complete dispersed state where no deposits exist to the physical and chemical conditions found in Nature with the available technology, has been calculated and has been added to the initial model. The second task of this PhD Dissertation has been to propose a new indicator (GDP/DMD) that can be used at global level and that can evaluate natural resource efficiency. This new indicator takes into account not only the quantities of materials that are consumed within a region but also the quality of those materials, being able to put the focus on scarcer and critical substances. With GDP/DMD we can have a better and more accurate assessment of mineral depletion and it can be used to enhance more effective actions in the policy making process. The third task has been to include Physical Geonomics into the Ecological Economics approach, which can be extremely helpful to evaluate natural resource efficiency use. One aspect that can be calculated using exergy replacement costs are the mineral market prices and the monetary loss associated to mineral extraction and depletion. Starting from the current mineral market prices, a new mineral price has been estimated considering that scarcity and not only economic factors are being taken into account. This allows seeing the distance between situations in which resources are treated as ordinary goods and situations in which they are treated as physical assets that need to be replaced. Last, this new approach has been applied to several case studies. Spain, the European Union (EU-28) and Colombia have been chosen as examples of regions where mineral extraction and trade is substantial. Different factors, such as mineral depletion, foreign dependency, trade deficit and monetary loss associated to mineral depletion, have been calculated for each case. As demonstrated by all the case studies, carrying out a conventional material flow analysis to study mineral depletion is not enough, as material flow analysis and conventional indicators are usually related to monetary valuation and usually put together substances that are very different from each other, comparing “apples with oranges”. To complement this model and to obtain more realistic and accurate values, an exergy approach is needed, as using exergy replacement costs instead of tonnage as a yardstick we can place focus on the quality of the minerals and have a better overall picture of mineral depletion.Los recursos naturales, especialmente los minerales, están presentes en la práctica totalidad de los productos y son un componente vital para la sociedad. El consumo de materiales ha experimentado un crecimiento exponencial, que se ha acelerado especialmente en las últimas décadas, por lo que la futura disponibilidad de recursos está empezando a jugar un papel fundamental en las políticas relativas a la eficiencia en el uso de recursos. Por este motivo, es imprescindible contar con herramientas que sean lo más objetivas y rigurosas posible, que puedan ayudar a contabilizar de forma adecuada la pérdida de capital mineral relacionada con el consumo. Los estudios no deben centrarse solamente en analizar los patrones de consumo actuales y las reservas disponibles, tal como se hace hoy en día, también es necesario tener en cuenta la pérdida gradual de recursos en el futuro debido a la dispersión de los minerales y a su criticidad. Mediante la Segunda Ley de la Termodinámica, a través de una propiedad llamada exergía y mediante la Geonomía Física, la extracción mineral y su dispersión pueden ser evaluadas. La exergía se ha usado tradicionalmente para evaluar recursos energéticos pero también puede emplearse en el caso de minerales no energéticos. La ventaja fundamental de este enfoque sobre otros métodos convencionales es que tiene en cuenta no solo la cantidad sino también la calidad de un recursos dado. Al mismo tiempo es una propiedad totalmente independiente de factores y variaciones monetarias, siendo así un indicador objetivo y preciso. Mediante este enfoque es sencillo pasar de un análisis económico a uno físico, uniendo la economía con la termodinámica, siendo este uno de los objetivos de la escuela de la Economía Ecológica. Dado que la base de la Geonomía Física ya fue establecida en estudios previos, la primera tarea de esta tesis doctoral ha consistido en mejorar los datos disponibles. Para ello, se ha llevado a cabo un análisis de datos reales de consumo energético para obtener nuevos y más precisos valores sobre consumo de energía en función de la concentración de los minerales en la mina. Del mismo modo, empleando datos de consumo de electricidad y combustible diesel a lo largo de los años, se han obtenido distintos factores de uso energético. La tendencia general que muestran los datos es que cuanto más disminuye la ley del mineral en la mina, la cantidad de energía consumida aumenta. Partiendo de estos mismos datos, se han calculado nuevos costes exergéticos de reposición, es decir, la exergía necesaria para restaurar un recurso desde un estado completamente disperso hasta las condiciones físicas y químicas que se encuentran en la naturaleza empleando la tecnología disponible, para distintas sustancias. El segundo objetivo ha sido proponer un nuevo indicador que pueda ser empleado a nivel global para evaluar la eficiencia en el uso de recursos naturales. Este nuevo indicador (GDP/DMD) tiene en cuenta no solo las cantidades de materiales que se consumen en una determinada región sino también la calidad de esos mismos materiales, siendo así capaz de hacer énfasis en aquellas más críticos y escasos. Con el indicador GDP/DMD se puede llevar a cabo un análisis mejor y más preciso de la dispersión mineral pudiéndose así emplear para promover acciones más efectivas y concretas en las políticas enfocadas al estudio del consumo de recursos. El tercer objetivo ha sido incluir la Geonomía Física dentro de la rama de estudio llamada Economía Ecológica, función que puede ser extremadamente útil para evaluar el uso de recursos. Un aspecto que puede ser calculado empleando los costes exergéticos de reposición son los precios del mercado de los minerales y la pérdida monetaria asociada a la extracción mineral y consecuente dispersión. Partiendo de los precios actuales de los minerales en el mercado, un nuevo valor puede ser estimado teniendo en cuenta su escasez y no solo factores económicos. Esto permite ver la distancia entre una situación donde los recursos son tratados exclusivamente como una mera mercancía y una situación en la que se tratan como activos físicos que deben ser reemplazados. Finalmente, este enfoque ha sido aplicado a distintos casos de estudio. España, la Unión Europea (EU-28) y Colombia han sido elegidos como ejemplos de regiones donde la extracción y comercio de minerales tienen mucha importancia. Distintos factores, tales como el agotamiento de los recursos, la dependencia del exterior, el déficit comercial y la pérdida monetaria asociada a la dispersión de los minerales han sido calculados para cada uno de estos casos. Tal y como se ha podido demostrar en estos los estudios, llevar a cabo un análisis convencional de flujo de materiales no es suficiente a la hora de estudiar el agotamiento de los recursos minerales, ya que los análisis convencionales suelen estar relacionados con factores económicos y comparan sustancias que son muy distintas unas de otras, sumando así “peras con manzanas”. Para complementar este modelo y para obtener datos más realistas y precisos, se ha empleado la exergía, usando los costes exergéticos de reposición en vez de las toneladas como criterio básico, ya que así se puede hacer más énfasis en la calidad de los minerales y tener así una mejor aproximación de la situación general

Exergy Cost Assessment in Global Mining

El desarrollo económico, social y tecnológico de la sociedad actual está fuertemente ligado a la extracción de recursos minerales. Una sociedad en constante crecimiento que consume estos recursos rápida e ilimitadamente. El continuo incremento de la demanda mundial de recursos minerales se debe en gran medida al crecimiento económico de China y otros países asiáticos, que demandan una gran cantidad de materias primas en los sectores de la construcción, la infraestructura y la manufactura. El agotamiento de los recursos naturales no renovables es la consecuencia de este progreso y constituye el mayor reto al que se enfrentará la industria minera. De ahí que la disponibilidad futura de los recursos minerales está adquiriendo importancia en los planes estratégicos de los gobiernos. Una vez que los minerales han sido extraídos, una serie de procesos que consumen grandes cantidades de energía son necesarios para producir materias primas utilizables. El requerimiento energético de la extracción de minerales y en su posterior procesamiento depende principalmente de la calidad y composición del mineral. Considerando la disminución en la ley mineral a nivel global, los consumos energéticos y los impactos ambientales se han venido incrementando continuamente. Adicionalmente, es necesario procesar más material para obtener una cantidad equivalente de metal. En este sentido, uno de los factores críticos que la industria minera tendrá que afrontar será la disponibilidad de energía para la extracción y el procesamiento de los minerales. Por lo anterior, es de suma importancia analizar y entender los procesos de la industria minera para determinar las posibles mejoras cuando se tiene en cuenta el factor de escasez de las materias primas. La primera actividad puede realizarse a través de un enfoque termoeconómico. La Termoeconomía ha sido utilizada tradicionalmente para la optimización de plantas termoeléctricas haciendo uso de la exergía como unidad de medida. En esta tesis doctoral, el análisis termoeconómico es adaptado y modificado, teniendo en cuenta la complejidad de los procesos mineros y metalúrgicos, en los cuales se presentan flujos de materias primas y energía. Cuando se considera el factor de escasez de los recursos minerales en este tipo de análisis, es necesario incluir una variable adicional. Esto se lleva a cabo a través del enfoque Exergoecológico propuesto por Valero et al. (2003). Conceptualmente, el metódo Exergoecológico permite realizar una evaluación de los recursos minerales utilizando los costos exergéticos de reposición, los cuales representan la exergía requerida para restituir los minerales que han sido totalmente dispersados en la corteza terrestre una vez que su vida útil ha terminado, al estado inicial de composición y concentración en el que se encuentran en las minas. De ahí que esta tesis tiene como objetivo principal adaptar y aplicar metodologías termoeconómicas que permitan realizar un Análisis de Ciclo de Vida absoluto de los recursos minerales: un análisis convencional de la “cuna” a la puerta de entrada (producción de las materias primas refinadas) y un análisis adicional de la “tumba” a la “cuna”, en el cual se cuantifique el factor de escasez de los minerales. El análisis exergético de los recursos minerales y los procesos metalúrgicos de la industria de la minería realizados en esta tesis, requirió el establecimiento de una serie de objetivos. El primero de ellos fue realizar un estudio detallado de las tecnologías y los consumos energéticos asociados a la industria minera y metalúrgica. Un segundo objetivo fue analizar la influencia del aprendizaje tecnológico y la disminución de la ley mineral en la disponibilidad de los recursos minerales, con el objetivo de conocer si la adquisición de experiencia a través del tiempo, ha sido capaz de evitar el aumento en la demanda de energía que presentan los procesos extractivos y de metalurgia. Los resultados obtenidos de las dos actividades anteriores, permitieron una importante mejora del método Exergoecológico: los costos exergéticos de reposición que tradicionalmente habían sido evaluados de manera estática, pudieron ser actualizados considerando la tendencia del decremento de la ley mineral. Una mejora adicional presentada en esta tesis fue resolver el problema de asignación de costos entre productos, subproductos y residuos que comúnmente aparecen en la industria minera y metalúrgica. Considerando los nuevos costos exergéticos de reposición obtenidos, se propuso un nuevo procedimiento de asignación de costos que será utilizado en el análisis termoeconómico aplicado a los procesos mineros y metalúrgicos. Otro objetivo de esta tesis, consistió en la integración del análisis termoeconómico realizado a través del Costo Termoecológico desarrollado por el grupo del ITC de la Silesian University of Technology, para combinar las ventajas de ambos enfoques para el análisis de la industria minera. Finalmente, cada objetivo descrito anteriormente fue aplicado a diferentes casos de estudio

Beyond a tonnage perspective for the assessment of mineral reources. Focus on Latin America and the Caribbean

Los minerales son esenciales para mantener el estilo de vida de la sociedad moderna. En los tiempos actuales se emplean casi todos los elementos de la tabla periódica en la fabricación de dispositivos y aparatos eléctricos y electrónicos.Mientras el consumo de los minerales va en aumento, también se produce un rápido aumento la pérdida de capital mineral en los países y regiones donde se producen. Al mismo tiempo, los depósitos geológicos con altas leyes de mina han sido ya explotados, y el consumo energético para la producción de metales se ha incrementado.La preocupación sobre la importancia y el agotamiento de los recursos minerales desde hace mucho tiempo ha llamado la atención de los investigadores. Se han establecido algunas formas para valorar los recursos minerales con sus respectivas ventajas y desventajas. En el presente trabajo, en función de la revisión bibliográfica estos métodos han sido clasificados en tres categorías: por el peso, por el precio comercial y según metodologías fundamentadas en principios energéticos. El método más común de evaluar los recursos minerales ha sido probablemente según el precio. El mismo que no revela el valor de los mismos, además los precios son volátiles debido a que se encuentran sujetos a varios factores como por ejemplo, oferta-demanda, aspectos geopolíticos y especulación, entre otros. Aunque la valoración de los minerales según su peso, ha tenido un amplio desarrollo y han permitido realizar estimaciones importantes, especialmente mediante metodologías de Análisis de Flujo de Materiales (MFA por sus siglas en Inglés) y su variante EW-MFA. Entre las desventajas de estos métodos se encuentran que según esta perspectiva una tonelada de hierro es igual a una tonelada de oro, sin embargo no se toma en cuenta la escasez geológica del oro, ni el mayor requerimiento energético para su procesamiento.Una alternativa para una evaluación más adecuada de los recursos de los minerales se fundamenta en leyes energéticas. Particularmente se destacan las metodologías fundamentadas en la Segunda Ley de la Termodinámica, Exergía, que toman en cuenta no solo la cantidad, sino también la calidad de los recursos. Con base en aquello, la una división de Exergoecología plantea la evaluación de los recursos no solo en cuenta tomando en cuenta la exergía química, sino también la exergía de los recursos minerales respecto a su concentración. En tal sentido se ha establecido el concepto del costo exergético de reposición (ERC por sus siglas en Inglés). El mismo que estima la energía necesaria para concentrar los minerales desde un estado de dispersión, denominado Thanatia. La metodología de cálculo para el ERC para distintos metales, se fundamenta en análisis estadístico de información del consumo de energía para el procesamiento de metales en función de la ley de mina y extrapolaciones. Aunque los valores reportados de ERC han sido importantes para estimar la pérdida de capital mineral, estos fallan, por su método de cálculo en una estimación más precisa de los recursos minerales. En tal sentido, se hace necesario una nueva metodología de cálculo de ERC tomando en cuenta criterios de procesamiento de minerales y sus tecnologías actuales. Por tanto, en la presente tesis doctoral se establece una metodología estimar valores más precisos de los ERC en función del análisis de los procesos minero-metalúrgicos para la concentración de minerales. Esto mediante de modelos computacionales realizados a partir de un reconocido paquete informático HSC.En función de disponibilidad de información y de los requerimientos de metales para nuevas tecnologías se han escogido tres metales claves producidos en América Latina y El Caribe. Estos metales son el hierro, cobre y oro. Para estos tres metales se determinan los nuevos valores de ERC a partir de HSC y se realiza una comparación con los valores anteriores. Aunque a nivel cualitativo la importancia de los metales es la misma respecto a los valores anteriores y nuevos de ERC, su diferencia es en órdenes de magnitud. También se enfatiza en la búsqueda de mecanismos sostenibles para la producción de metales, así como en el reciclaje. Finalmente, se revela la importancia de continuar con la elaboración de más modelos en HSC para estimar valores más precisos de ERC para el resto de minerales.Minerals are essential to maintain the lifestyle of modern society. Currently, almost all the elements of the periodic table are used in the manufacture of electrical and electronic devices While the consumption of minerals is increasing, there is also a rapid increase in the loss of mineral capital of the countries and regions where they metals are produced. At the same time, geological deposits with higher ore-grades have already been already exhausted, and the energy consumption for metal production has also increased. The concern about the importance and depletion of non-fuel mineral resources have long attracted the attention of researchers, who have established some methodologies for the assessment of mineral resources. These methodologies have their respective advantages and disadvantages. In the present work, based on the literature review, these methods have been classified into three categories: by weight, by wholesale price and methodologies based on energy principles. The most common method for valuing non-fuel mineral resources has probably been according to price. This method does not reveal the real value of minerals, in addition prices are volatile because they are subject to several factors such as supply and demand, geopolitical aspects and speculation, among others. Although the assessment of non-fuel minerals according to their weight, has had a comprehensive development and have allowed realizing important estimations, primarily through methodologies of Material Flow Analysis (MFA) and its variant EW-MFA. Among the disadvantages of these methods are that according to this perspective a ton of iron is equal to one ton of gold. However, the geological shortage of gold or the higher energy requirement for processing is not taken into account. An alternative for an adequate evaluation of mineral resources is based on energy laws. Particularly noteworthy are the methodologies based on the Second Law of Thermodynamics, Exergy. The latter takes into account not only the quantity but also the quality of the resources. Based on that, a division of Exergoecology proposes the evaluation of non-fuel minerals not only taking into account the chemical exergy, but also the exergy of mineral resources concerning their concentration. In this regard, the concept of exergy replacement cost (ERC) has been established. ERC estimates the energy needed to concentrate minerals from a state of dispersion, coined as Thanatia. The calculation methodology for the ERC for different metals has been based on a statistical analysis of energy consumption information for metal processing and extrapolations. Although the reported values of ERC have been influential in estimating the loss of mineral wealth, they fail, because of their method of calculation in a more accurate estimation of valuing mineral resources. In this regard, a new methodology for calculating ERC is necessary, which takes into account mineral processing criteria and current technologies. Therefore, in the present doctoral thesis, a method is established to estimate more precise values of the ERC in the function of the analysis of the mining-metallurgical processes for the concentration of minerals. This has been done through computer models made from a well-known computer software HSC. Based on the availability of information and the requirements of metals for new technologies, three key metals produced in Latin America and the Caribbean have been selected. These metals are iron, copper, and gold. For these three metals, the new ERC values are determined from HSC and a comparison is made with the previous values. Although at a qualitative level the importance of metals is the same concerning the last and new values of ERC, their difference is in orders of magnitude. Emphasis is also placed on the search for sustainable mechanisms for the production of metals, as well as recycling. Finally, it is revealed the importance of continuing with the elaboration of more models in HSC to estimate more precise values of ERC for the rest of the minerals.<br /

Optimización de la eficiencia energética de los vehículos de transporte terrestre mediante el desarrollo y evolución de la inspección técnica de vehículos

El objetivo de este trabajo es proponer un sistema que permita precisamente realizar un control periódico de la eficiencia que tienen los motores de los vehículos puestos en circulación. Para ello, se propone utilizar el actual mecanismo de control del estado de uso y funcionamiento de los vehículos en circulación, la ITV (Inspección Técnica de Vehículos). Esto sería posible haciendo que además de comprobar elementos de seguridad vial y emisiones contaminantes, se añadieran métodos de inspección para controlar la eficiencia de funcionamiento de los motores en dicha inspección periódica que se realiza a los vehículos. Al comparar la eficiencia del motor en el momento de la inspección, con la eficiencia ideal de diseño señalada por los fabricantes, se podría detectar si existe una desviación significativa del valor de eficiencia que requiera de acciones correctoras sobre el vehículo. Además, el control de los parámetros que definen la eficiencia del motor, permitirían conocer sobre qué grupo de componentes se debe realizar la corrección para devolver al vehículo un rendimiento adecuado

Análisis y estimación de los recursos necesarios para una descarbonización de la economía en la biorregión Cantábrico-Mediterránea.

La Biorregión Cantábrico-Mediterránea, es un espacio geográfico natural que cuenta con recursos suficientes para constituir una unidad de resiliencia que aborde, con una visión global a medio y largo plazo, los retos que plantea la adaptación a la emergencia climática, así como la planificación de un desarrollo equilibrado armónico y sostenible. Actualmente, la biorregión tiene un consumo final de energía de 37.322 ktep proveniente principalmente de combustibles fósiles (47,59% productos petrolíferos, 24,75% energía eléctrica, 20,1% gas natural, 5,81% energías renovables de uso directo, 1,02% calor útil y 0,48% carbón), siendo Cataluña y Valencia, con un 38% y un 23% respectivamente, las comunidades con mayor consumo. Por ello el principal objetivo de este trabajo es analizar y estimar los recursos necesarios para la descarbonización de la economía de la biorregión, debido a la necesidad de reducir las emisiones de efecto invernadero para garantizar su sostenibilidad reduciendo su huella ecológica. La primera parte de este trabajo consta de un estudio de la situación actual de la biorregión desagregado por autonomías, fuentes de energía y sectores económicos, esta situación actual sirve como referencia para establecer la estimación de las futuras demandas en los escenarios a 2030 y 2050. El escenario a 2030 se ha formulado según el Plan Nacional Integrado de Energía y Clima (PNIEC), mientras que para el escenario a 2050 se han estimado las demandas finales de una economía con emisiones netas cero, para ello se ha realizado una transformación de las fuentes de energía de cada sector económico siguiendo las previsiones de la Agencia Internacional de la Energía (IEA), la Comisión Europea y el Ministerio para la Transición Ecológica y el Reto Demográfico (MITECO). La segunda parte consiste en un cálculo de la potencia eléctrica necesaria para los escenarios de 2030 y 2050, teniendo en cuenta la disminución de la potencia disponible de fuentes convencionales y la previsión del aumento de la demanda eléctrica. Se ha planteado un escenario de autosuficiencia energética en los balances de energía eléctrica de cada autonomía y un sistema eléctrico 100% renovable en 2050, estimando también sus costes. En la tercera parte se han analizado las posibles limitaciones en el uso de fuentes renovables como biogás, eólica, fotovoltaica en cubiertas y materiales críticos necesarios. Se prevé una disminución de la demanda final de hasta un 26% en el año 2050, principalmente gracias a la mayor eficiencia obtenida a través de la electrificación, que podría suponer un 70% de la demanda final. Una reducción insuficiente para alcanzar un consumo sostenible que requeriría una disminución del 60% de la demanda final, por lo que se proponen medidas sectoriales adicionales para alcanzarlo. La potencia renovable necesaria en la biorregión para 2030 sería de 46,8 GW principalmente eólica y fotovoltaica. Y para 2050 de 162 GW con necesidades de almacenamiento de 23,46 TWh y 16,2 GW. Los costes de un sistema eléctrico 100% renovable estarían entre 52,78 €/MWh y 90,13 €/MWh, inferiores al sistema eléctrico actual. La producción de biogás renovable tendría un déficit de 5.311 ktep para satisfacer al sector industrial y al sector eléctrico. El recurso eólico de Cataluña, País Vasco, Baleares y Comunidad Valenciana podría no ser suficiente para satisfacer sus demandas con el desarrollo actual de la tecnología, las cubiertas podrían permitir la instalación de más de la mitad de la fotovoltaica necesaria y el uso intensivo de materiales puede suponer una demanda de 1.255.702 toneladas de materiales considerados en riesgo alto y medio de suministro.<br /

Economía circular en el sector frutícola

El presente trabajo nace de la creciente preocupación por el medio ambiente y por el uso responsable de los recursos energéticos en la zona agroindustrial de las vegas del Guadiana en Extremadura. El trabajo se centra en el aprovechamiento de restos de poda de frutal para su posterior uso como recurso energético en las posteriores operaciones que sufre la fruta en las centrales frutícolas antes de su expedición para su consumo.En el trabajo se analiza el consumo energético de la etapa de refrigeración de la fruta, así como la necesidad energética para concentrar la fruta de rechazo no apta para venta en fresco, procedente de una explotación de 1000 hectáreas.Una vez analizado los gastos energéticos mencionados se propone sustituir la refrigeración por compresión de vapor por una de absorción amoniaco-agua y para la operación de concentrado se propone sustituir la caldera de combustible fósil por otra de biomasa alimentada con restos de poda de frutal, la cual cubre la necesidad de energía térmica tanto de la máquina de absorción como de los evaporadores en la operación de concentrado de la fruta.Para finalizar se exponen los ahorros energéticos, económicos y de emisiones de CO2 obtenidos con las mejoras propuestas, como un análisis económico de las mismas para ver su viabilidad económica.<br /