Printer Friendly

Aplicaciones del modelado matematico en problemas energeticos: un recorrido desde la investigacion a la creacion de empresas.

RESUMEN

En este trabajo se presentan diversas aplicaciones del modelado matematico a problemas de interes en el campo de la Energia, desarrolladas en el seno de nuestro grupo de investigacion. Entre ellas podemos destacar desde el estudio de los sistemas de climatizacion geotermica de edificios, la trasmision de calor en el proceso de rectificado industrial o las soluciones fotonicas para aumentar la eficiencia de los paneles solares hasta el modelado del metabolismo de sistemas microbianos para la produccion de biocombustibles de ultima generacion.

Asi mismo, se hace especial hincapie en un ejemplo de transferencia tecnologica a la sociedad, impulsado desde el grupo de investigacion y materializado en la creacion de una spin-off: Energesis Ingenieria, una empresa que no solo esta implantando sistemas geotermicos de climatizacion en edificios, sino que apuesta por una fuerte presencia de las actividades de I+D entre sus tareas centrandose, fundamentalmente, en dos campos: el ahorro energetico en la edificacion y el uso del suelo como foco de intercambio termico. Ambos campos requieren el despliegue de sofisticados modelos de simulacion numerica, tanto de los intercambios energeticos en edificios como de la trasmision de calor en suelos.

Palabras clave: modelado matematico. Sistemas energeticos. Creacion de spin-off.

ABSTRACT

This paper presents various applications of mathematical modeling to several problems of interest in the field of Energy, all of them developed in our research group. Among these are geothermal heat pumps, heat transfer in grinding process, photonic solutions to increase the efficiency of solar panels and metabolic modeling of microbial systems for production of next-generation biofuels.

Furthermore, we focus on ah example of technology transfer to society, promoted by our research group and resulting in the creation of a spin-off: Energesis Engineering, a company that not only is implementing geothermal HVAC systems in buildings, but which is also developing strong R&D activity, mainly on two areas: energy efficiency in buildings and the use of the soil as a focus for heat exchange. Both fields require the development of sophisticated numerical simulation models.

Keywords: mathematical modeling. Energy systems. Spin-off generation.

1. Introduccion

Las investigaciones que se recogen en este trabajo se han Ilevado a cabo en el Grupo de Modelizacion Interdisciplinar, InterTech (www.intertech.upv.es), un equipo cuyos investigadores estan adscritos mayoritariamente al Instituto Universitario de Matematica Pura y Aplicada (IUMPA, www.impa.upv.es) de la Universidad Politecnica de Valencia (UPV); en este trabajo se presentan algunas areas de investigacion dentro de un proyecto global que mantiene como Iinea vertebradora el desarrollo de modelos matematicos avanzados para sistemas de interes en el campo de la Energia. En particular, y dentro de este campo, el proyecto focaliza su actividad en cuatro areas de manifiesto interes aplicado: el modelado de los sistemas de energia geotermica, de la trasmision de calor en el proceso de rectificado industrial, de las soluciones fotonicas para aumentar la eficiencia de los paneles solares y el modelado metabolico de sistemas microbianos para la produccion de biocombustibles de ultima generacion.

La eleccion de estos campos de interes dentro del sector energetico no ha sido casual, sino que se fundamenta en la motivacion del grupo por promover al maximo la transferencia tecnologica desde el ambito de las Matematicas. Podemos citar, como ejemplo de este leitmotiv, el hecho de que parte de la actividad investigadora del grupo se ha materializado no solo en aportes teoricos sino en una verdadera transferencia a la sociedad, incluyendo la creacion de Energesis Ingenieria (www.energesis.es), una empresa nacida en el seno de la UPV.

A continuacion, se presentara brevemente el estado actual de la investigacion que el grupo esta realizando en este campo, asi como algunas de las ideas futuras en las que pretende centrar parte de su actividad.

1.a Modelado matematico de los sistemas de energia geotermica

La energia geotermica para la climatizacion de edificios es una tecnologia que se basa en el uso del suelo como foco termico con el cual un edificio puede intercambiar calor, tanto para refrigeracion como para calefaccion [1,2]. En la estacion fria, se absorbe calor del suelo que circunda o sustenta un edificio, para despues disipar dicho calor en el mismo edificio. En la estacion calida se invierte el proceso: se extrae calor del edificio y se disipa en el suelo. Ello implica, en particular, un sustancial ahorro energetico respecto a las instalaciones termicas convencionales.

En las instalaciones geotermicas se intercambia calor con el suelo circundante mediante un conjunto de tuberias. Estas tuberias ("intercambiadores de calor") forman un circuito cerrado por el que se hace circular un fluido caloportador.

A la hora de disenar una instalacion geotermica, se deben evaluar las necesidades termicas del edificio y calcular el numero y la geometria de los intercambiadores de calor que seran necesarios para satisfacer esa demanda energetica. Por supuesto, para realizar un buen diseno de un sistema de climatizacion geotermico, es necesario conocer las propiedades termicas del suelo donde se va a realizar el intercambio de calor, por ejemplo, su conductividad termica. Para determinar este parametro, critico en el diseno de un sistema geotermico, se utiliza un laboratorio movil (TRT por sus siglas en ingles) [27-30]. De la importancia de esta tecnologia para el futuro desarrollo del aprovechamiento de la geotermia para climatizacion da fe el hecho de que la Agencia Internacional de la Energia, a traves del acuerdo de implementacion (Implementing Agreement) denominado ECES (Energy Conservation trough Energy Storage), ha impulsado recientemente un anexo (Annex 21) dedicado enteramente al perfeccionamiento y difusion internacional de las tecnologias de medida de la respuesta termica del terreno.

l.b Modelado matematico del proceso de rectificado industrial

El rectificado industrial consiste en el pulido de piezas mediante muelas abrasivas que giran a gran velocidad [3]. La investigacion sobre este tema tiene una gran relevancia en el ambito industrial. No es extrano, por tanto, que esta Iinea de investigacion tenga un enorme interes tanto a nivel cientifico como tecnologico [4]. Durante el proceso de rectificado, la mayor parte de la energia se convierte en calor, el cual se acumula en la zona de contacto entre la pieza y la muela. Las altas temperaturas alcanzadas pueden aumentar, por un lado, la tolerancia del acabado y reducir, por otro, la calidad de la pieza, debido a las tensiones residuales generadas en la misma. El danado termico de la pieza ocurre cuando las temperaturas generadas en el rectificado superan la temperatura de cambio de fase en la estructura metalica de la misma [5]. Para reducir estos efectos adversos se suele inyectar un liquido refrigerante sobre la zona de contacto entre pieza y muela. De este modo, se disminuye la generacion de energia por friccion y al mismo tiempo se refrigera la zona por conveccion. Ademas, el liquido refrigerante ayuda a eliminar de la zona de contacto el material extraido de la pieza. La gran desventaja de estos liquidos refrigerantes es que son altamente contaminantes, por lo que la optimizacion en su uso tiene un gran valor medioambiental y energetico. La minimizacion de la presencia de este liquido refrigerante requiere modelar adecuadamente el proceso de rectificado.

En este sentido, nuestro grupo trabaja en la busqueda de la evaluacion teorica del campo de temperaturas generado en la pieza por la friccion con la muela para evitar el danado termico de la misma.

Tradicionalmente, el modelo clasico de Jaeger (1942) ofrecia una solucion analitica del regimen estacionario del problema de transmision de calor en el rectificado seco y continuo [6]. Una solucion analitica del problema siempre es deseable, pues podemos estudiar cualitativamente la dependencia de la solucion en funcion de los parametros que influyen en el proceso. Ademas, la implementacion computacional para la representacion del campo de temperaturas es mucho mas rapida y eficiente que si tuvieramos que resolver numericamente las ecuaciones diferenciales que modelan el proceso de una manera directa. De todas maneras, el resultado analitico debido a Jaeger resulta demasiado limitado, pues no aborda el problema del rectificado con aplicacion de refrigerante, ni la posibilidad de estudiar el rectificado intermitente, ni tampoco saber que ocurre en el estado transitorio, ni cuanto dura este. Debido al interes del problema, en los ultimos anos se han dedicado muchos articulos de investigacion al analisis de la transmision de calor en el rectificado industrial de piezas metalicas, modelando el problema mediante sistemas acoplados de ecuaciones en derivadas parciales que, posteriormente, tratan de resolverse numericamente para un rectificado intermitente con aplicacion de liquido refrigerante. Nuestro grupo, en colaboracion con investigadores de la Universidad Aeroespacial de Samara, Rusia, ha obtenido el modelo SV (modelo Samara- Valencia) [7], en el cual se aborda el problema de la transmision de calor en el rectificado industrial de piezas metalicas. Este modelo desarrolla un enfoque del problema fundamentalmente analitico, de tal manera que una razonable simplificacion de las hipotesis en las que se basa este modelo permiten reducir notablemente la complejidad de las ecuaciones diferenciales que rigen el proceso real. Esta simplificacion permite abordar la ecuacion diferencial que modela el proceso de transmision de calor con tecnicas matematicas estandares, como las transformaciones integrales de Laplace y Fourier. De este modo, el modelo SV obtiene una solucion al problema en forma de ecuacion integral, que se puede abordar numericamente de una manera mucho mas sencilla que la resolucion numerica directa de las ecuaciones diferenciales, y que se ha computado con exito para ciertos casos realistas de rectificado [8]. La principal ventaja del modelo SV consiste en que consigue una solucion analitica mucho mas general que la ofrecida por el modelo clasico de Jaeger, pues se obtiene la dependencia explicita del tiempo para el caso de rectificado humedo (con refrigerante) y friccion no continua. De hecho, se ha podido comprobar la compatibilidad entre ambos modelos particularizando el modelo SV a las hipotesis que sustentan el modelo clasico de Jaeger [9].

1.c Modelado matematico de sistemas fotovoltaicos de alta eficiencia

Otra de las areas en las que nuestro grupo esta trabajando activamente es en el estudio de estrategias para aumentar la eficiencia de los paneles solares. Se trata este de un problema en el que se estan realizando do muchos esfuerzos en el panorama internacional. Desde el punto de vista economico, factor esencial en este campo, la apuesta actual de mayor futuro es la dei desarrollo de las tecnologias de Iaminas delgadas fotovoltaicas. En este caso el medio activo esta formado por una estructura de diferentes materiales semiconductores basados en el silicio y depositados en forma de capas delgadas de escala submicrometrica o nanometrica. La cantidad de material que se necesita para su fabricacion es significativamente inferior que en otras tecnologias fotovoltaicas, lo que se traduce en unos costes mucho menores y en la posibilidad de generar dispositivos mas versatiles. Sin embargo, aunque el medio activo pueda ser eficiente energeticamente como material en bloque, su reduccion a laminas tan delgadas afecta a su eficiencia; esto es debido, basicamente, a que el recorrido libre medio de los fotones que iluminan la celula tras transmitirse en el medio activo se ve considerablemente disminuido debido a la delgadez de las Iaminas semiconductoras. Por este motivo, la eficiencia de estas celulas fotovoltaicas se encuentra actualmente todavia por debajo de las derivadas de otras tecnologias fotovoltaicas. Sin embargo, la distancia se va reduciendo [10,11]. Una de las razones de este rapido avance se debe a la introduccion de estrategias innovadoras que incorporan las ultimas tecnologias en el campo de la fotonica. La estrategia fundamental consiste en la integracion de estructuras fotonicas en el dispositivo que aumenten el atrapado de la luz en el medio activo de la celula fotovoltaica. En la actualidad, las Iaminas delgadas fotovoltaicas ya incluyen recubrimientos transparentes de capas dielectricas disenadas para minimizar las reflexiones (laminas antireflejantes) y aumentar la transmision hacia el medio activo. Sin embargo, esta tecnologia optica posee ya mas de setenta anos y no aprovecha las inmensas posibilidades de los dispositivos fotonicos actuales. Dispositivos opticos basados en sofisticadas micro y nanoestructuras dielectricas, como los denominados cristales fotonicos, o metal-dielectricas, que permiten el guiado optico a escala nanometrica mediante los denominados plasmones superficiales, han sido desarrollados en los ultimos veinte anos ofreciendo nuevas posibilidades de control de la luz que todavia se estan explorando. En la actualidad, la comunidad optica y fotonica internacional ha tomado conciencia de este enorme potencial y esta reaccionando rapidamente para dar respuesta a una cuestion fundamental: ?hasta donde se puede mejorar la eficiencia energetica de las celulas fotovoltaicas mediante el apropiado diseno de micro o nano-estructuras de cristal fotonico o plasmonicas? Un nuevo campo, denominado "Optics for Energy" ha sido puesto en marcha por las mas importantes sociedades opticas mundiales para afrontar, entre otros, este nuevo reto. Para predecir el comportamiento de las celdas solares en terminos del atrapado de la luz, deben resolverse el conjunto de ecuaciones diferenciales en derivadas parciales acopladas, las ecuaciones de Maxwell, en las diferentes capas que conforman la celda fotovoltaica. Esto se consigue por medio de diferentes aproximaciones numericas como son: el metodo de Diferencias Finitas en Dominios Temporales (FDTD), el Metodo de Elementos Finitos (FEM) o con la ayuda de metodos semi-analiticos como el Metodo Diferencial, el Metodo de Coordenadas o el Metodo Riguroso de Analisis de Ondas Acopladas (RCWA). Actualmente existen ya propuestas de modelado matematico de estas ecuaciones en dispositivos opticos de cristal fotonico y plasmonico utilizando estos esquemas numericos cuyo objetivo es la optimizacion del atrapado de la energia de la luz incidente en las zonas semiconductoras activas mas eficientes para la generacion de la corriente fotovoltaica. Asi se ha demostrado numericamente que una estructura de cristal fotonico en una dimension excitada por una onda plana en una celula solar de Iamina delgada aumenta su eficiencia energetica [12].

1.d Modelado matematico del metabolismo de microorganismos productores de biocombustibles

Los avances actuales en la Biologia de Sistemas, que trata de estudiar la logica y los distintos mecanismos de un sistema biologico, han propiciado el desarroIio de una nueva disciplina Ilamada Biologia Sintetica (BS) que se centra en el diseno y construccion de sistemas geneticos artificiales, capaces de desarrollar una funcionalidad especifica al ser insertados dentro de un sistema vivo [13-21]. Con el desarrollo de la BS, ha aparecido una nueva generacion de disenadores, biotecnologos y bioingenieros, que plantea el desarroIio de circuitos geneticos biologicos complejos con un gran nivel de integracion. EI avance de esta disciplina cientifica pasa por establecer un marco computacional y conceptual donde, gracias a una metodologia abstracta y sistematica, sea posible desarrollar sistemas bacterianos artificiales modulares. Nuestro grupo viene trabajando en el modelado matematico del metabolismo de los microorganismos sobre los que se van a desarrollar las ulteriores aplicaciones. En estos momentos, el grupo ha desarrollado diferentes redes metabolicas a escala genomica de microorganismos fotosinteticos con aplicaciones bioenergeticas (en el marco de su participacion tanto en proyectos europeos dei VI y Vil Programa Marco de la Comision Europea como en proyectos nacionales) y afronta, entre otros, el reto de analizar desde el punto de vista abstracto las propiedades topologicas y dinamicas de dichas redes metabolicas, buscando los criterios que permitan definir modulos estandarizables entre las diferentes rutas metabolicas. Ademas, en la actualidad, se esta haciendo un gran esfuerzo en el desarrollo de herramientas informaticas que faciliten el diseno de estos sistemas biologicos. En el marco conceptual de la BS, cualquier sistema biologico puede ser visto como una combinacion compleja de elementos funcionales, combinados en dispositivos y sistemas de manera similar a la de otros sistemas artificiales creados por el hombre y, por consiguiente, puede ser deconstruido en un numero limitado de componentes y reconstruido formando configuraciones dotadas de propiedades y posibilidades enteramente nuevas. Por tanto, la BS es un nuevo campo de investigacion que combina ciencia e ingenieria. En definitiva, su objetivo es el diseno y construccion de novedosos sistemas biologicos para un fin concreto. Nuestro grupo esta interesado en su utilizacion en el campo de la generacion de biocombustibles [22-26].

2. El experimento europeo GeoCool y el nacimiento de la spin-off Energesis

En lo que sigue, y con el animo de ofrecer una vision general de la situacion de la energia geotermica en Europa, y mas concretamente en Espana, asi como del estado actual de esta tecnologia, es interesante empezar definiendo la energia geotermica: la geotermia es la energia almacenada en forma de calor bajo la superficie terrestre. Asi, ya se acepta a nivel europeo como geotermia el aprovechamiento del terreno como un recurso termico. Estas Iineas vana tratar de desvelar como la geotermia, una de las fuentes de energia renovable menos conocidas, posee al mismo tiempo un importante potencial para la generacion de energia termica y electrica.

Estas posibilidades no se limitan, como habitualmente se cree, a zonas con condiciones geologicas favorables. Tambien existen usos y tecnologias que permiten utilizar recursos geotermicos a temperaturas sustancialmente inferiores a las que se necesitaban anos atras, y que se hallan presentes en amplias zonas del planeta.

Partiendo de esta base es importante diferenciar dos grandes sectores de aplicacion y tecnologicos:

* La geotermia para produccion de electricidad en yacimientos de alta temperatura (superiores a los 100-150[grados]C), propia de zonas con unas determinadas caracteristicas geologicas.

* Los usos termicos en los sectores industrial, servicios y residencial, para temperaturas por debajo de los 100[grados]C ya sea en la modalidad de uso directo (calentamiento de distrito, balnearios, acuicultura, etc.) o a traves de bomba de calor geotermica (calefaccion y refrigeracion) para temperaturas del terreno muy bajas (por debajo de los 25[grados]C). Esta vertiente se suele clasificar como energia geotermica somera, de muy baja entalpia o geotermia mediante bomba de calor. En este sentido, la bomba de calor constituye el elemento que nos permite hacer un uso eficiente de las temperaturas del terreno. A dia de hoy, se trata de una tecnologia que se encuentra en auge en Espana, emergente y de claro interes industrial.

2.a Principios basicos

La bomba de calor es uno de los elementos fundamentales para la climatizacion en la edificacion mediante energia geotermica. Esta es un dispositivo bien conocido que permite refrigerar espacios cuando la temperatura exterior es calida y calentar espacios cuando la temperatura exterior es fria.

En resumen, termodinamicamente podriamos decir que la bomba de calor establece un flujo de calor de un cierto foco frio hacia uno caliente gracias a un consumo de trabajo Ilevado a cabo en un compresor. De esta forma, cuanto mayor sea la diferencia de temperaturas entre focos, peor sera el rendimiento energetico, generalmente denominado COP (Coefficient of Performance), de la maquina.

En el caso concreto de una bomba de calor aplicada a la geotermia, se busca establecer el flujo de calor entre el subsuelo y el lugar a acondicionar segun interese. Dicho subsuelo y el lugar a acondicionar juegan el papel de foco frio o caliente, independientemente de que se opere en condiciones de verano (refrigeracion) o invierno (calefaccion).

Por ejemplo, en Valencia, Espana, la temperatura interior deseable en verano en un edificio es de unos 24[grados]C. Si imaginamos que queremos refrigerar una habitacion a esta temperatura, se pueden presentar dos escenarios energeticamente muy diferentes: el sistema tradicional, que elimina el calor excedente al aire que rodea el edificio, el cual puede encontrarse, por ejemplo, a 35 grados y el caso geotermico, en el que el calor excedente se trasmite al subsuelo, que en Valencia esta a unos 20 grados. EI diferente salto termico que la bomba de calor debe vencer en ambos casos es la razon ultima por la que el sistema geotermico requiere menor aporte electrico para climatizar un edificio. Es decir, como el salto de temperaturas que la bomba de calor geotermica debe vencer es potencialmente mucho menor, su rendimiento (COP) sera notablemente mayor. A pesar de ello, la bomba de calor geotermica utiliza elementos tecnologicamente muy parecidos a los usados en un sistema de acondicionamiento convencional.

El verdadero reto tecnologico de esta tecnologia renovable consiste en limitar el fenomeno de la afectacion termica del terreno. Esto consiste en minimizar la modificacion de las temperaturas del suelo de manera limitada y controlada a fin de no penalizar el rendimiento del sistema. Esto implica la elaboracion de un cuidadoso diseno del conjunto de la instalacion que habra de tener en cuenta el conjunto de los flujos energeticos dei edificio y las caracteristicas termicas del terreno, entre otros. En definitiva, se dice que una bomba de calor geotermica es una bomba de calor que utiliza el suelo para funcionar en condiciones de temperatura mas favorables comparadas con el aire, permitiendo un ahorro sustancial de energia (alrededor de un 50% para un clima como el de Valencia), siempre que el sistema haya sido disenado correctamente para que el suelo absorba o ceda el calor adecuadamente.

En definitiva, la geotermia es una energia limpia y renovable que aprovecha el calor del sol almacenado por el suelo para obtener calefaccion, refrigeracion y agua caliente de forma ecologica. La climatizacion geotermica aprovecha que la temperatura del suelo es estable durante todo el ano para ceder o extraer calor de la tierra, segun queramos enfriar o calentar un edificio, a traves de un circuito cerrado de tuberias enterradas en el suelo por las que circula agua.

En la siguiente figura se presenta un esquema de funcionamiento basico del sistema de climatizacion geotermico de un edificio y a continuacion se describen, de forma sucinta, tanto los elementos principales que constituyen un sistema geotermico como las ventajas

[ILUSTRACION OMITIR]

Elementos de un equipo geotermico

* Bomba de calor geotermica. Es un aparato electrico que permite que el intercambio de calor con el suelo se realice. Dispone de modo frio para el verano y modo calor para el invierno.

* Tuberias plasticas enterradas en el suelo por las que circula agua.

* Bomba hidraulica, que bombea el agua que fluye por las tuberias.

Ventajas de la energia geotermica

Economicas

* 50% de ahorro medio en la factura de la electricidad (en las condiciones climaticas valencianas)

* Costes de mantenimiento minimos frente a los sistemas tradicionales

* Aumento de la vida util del equipo de climatizacion

* Energia renovable (en Espana esta subvencionada por organismos oficiales)

Para la salud

* Eliminacion del riesgo de transmision de legionelosis (este tipo de instalaciones no requiere torres de refrigeracion para su funcionamiento. De esta manera se eliminan los problemas asociados a ellas)

Medioambientales

* Uso de la energia del sol almacenada por el suelo

* Reduccion de las emisiones de CO2 en torno al 50% en las condiciones valencianas

* Sistema silencioso (con la alternativa geotermica se eliminan fuentes de ruido como las asociadas a las unidades exteriores convencionales de climatizacion. De esta manera, la opcion geotermica reduce la contaminacion acustica del medio)

Arquitectonicas

* Eliminacion de elementos externos visibles en fachadas y cubiertas

* Mejora de la estetica del edificio

* Ahorro de espacio en azoteas y terrazas

Otras ventajas

* Calefaccion, refrigeracion y agua caliente sanitaria con un solo sistema

* Funciona las 24 horas del dia, los 365 dias del ano, independientemente de las condiciones climatologicas

* Perfectamente compatible con instalaciones de otras energias renovables

?Donde se puede instalar un sistema geotermico?

En cualquier edificacion que requiera calefaccion y/o refrigeracion, asi como agua caliente: hospitales, edificios de oficinas, colegios, hoteles, edificios publicos, bloques de viviendas, viviendas unifamiliares, etc. Ademas, la geotermia se puede implantar tanto en edificios ya construidos como de nueva construccion.

2.b Breve historia de la investigacion (experimento europeo GeoCool) y transferencia social

La geotermia de baja temperatura es una tecnologia que se utilizaba desde hace decadas en paises como EE.UU., Alemania y Suecia para proveer exclusivamente de calefaccion a los edificios. EI objetivo del proyecto Geocool consistia en demostrar que esta tecnologia es igual de eficiente a la hora de aportar refrigeracion a los edificios, es decir, para climatizarlos (calefaccion y refrigeracion).

El proyecto Geocool (Geothermal Heat Pump for Cooling and Heating Along European Coastal Areas--Bomba de Calor Geotermica para Refrigeracion y Calefaccion en Zonas Costeras Europeas) consistio en la implantacion de una instalacion geotermica piloto en la Escuela Tecnica Superior de Ingenieros Industriales (ETSII) de la UPV.

Esta instalacion, con seis perforaciones de 50 metros de profundidad, permite climatizar doce despachos y un aula de esta escuela universitaria. La investigacion fue liderada por la UPV y subvencionada por la Union Europea.

GeoCool es una instalacion singular y unica en el mundo porque incluye el sistema tradicional de climatizacion y el sistema geotermico. Un sofisticado sistema de monitorizacion permite comparar rigurosamente ambos sistemas. La conclusion final es que la geotermia conlleva ahorros energeticos en torno al 50%.

Aunque la investigacion se desarrollo entre febrero de 2003 y febrero de 2006, GeoCool sigue funcionando y se siguen tomando mediciones para mejorar el sistema geotermico.

De los resultados obtenidos del estudio de esta instalacion geotermica, se creo en 2004 la empresa Energesis, especializada en el diseno, implantacion y gestion de este tipo de instalaciones. Esta empresa nacida de la UPV es un ejemplo real de como la colaboracion universidad-empresa es fundamental para que la sociedad se beneficie de los conocimientos e investigaciones realizados en los centros universitarios.

En las figuras que presentamos a continuacion se ilustran algunos de los elementos que caracterizan el experimento, asi como los principales resultados de la investigacion.

[ILUSTRACION OMITIR]

[ILUSTRACION OMITIR]

[ILUSTRACION OMITIR]

[ILUSTRACION OMITIR]

[GRAFICO OMITIR]

[GRAFICO OMITIR]

Reflexiones finales y conclusiones

En este trabajo se presentan diversas aplicaciones del modelado matematico a problemas de interes en el campo de la Energia, desarrolladas en el seno del Grupo de Modelizacion Interdisciplinar, lnterTech.

InterTech se creo hace mas de una decada como resultado de la colaboracion de un grupo de matematicos, fisicos e ingenieros de la Universidad Politecnica de Valencia y de la Universidad de Valencia interesados en potenciar nuevas lineas de colaboracion en campos que generalmente permanecian aislados. EI objetivo principal de este grupo interdisciplinar es generar sinergias en varias areas prioritarias de investigacion.

Actualmente InterTech esta formado por mas de 30 investigadores adscritos mayoritariamente ai Instituto Universitario de Matematica Pura de la UPV pero tambien cuenta con profesionales de la Universitat de VaIencia y de la Universidad Catolica de Valencia (UCV), con un perfil muy diverso que va desde matematicos a fisicos, pasando por ingenieros, biologos y quimicos.

La peculiaridad de este grupo reside en que su filosofia de trabajo viene definida por la modelizacion avanzada de sistemas de interes energetico con una fuerte componente de fisica y matematicas. Los investigadores de InterTech se centran principalmente en la resolucion de problemas multidisciplinares cuya simulacion numerica requiera una computacion exigente de altas prestaciones y en problemas cuya resolucion permita el desarrollo de aplicaciones tecnologicas con potencial de transferencia empresarial.

Entre estos destacan los temas de investigacion expuestos en este articulo, que van desde el estudio de los sistemas de climatizacion geotermica de edificios, la trasmision de calor en el proceso de rectificado industrial, las soluciones fotonicas para aumentar la eficiencia de los paneles solares o el modelado del metabolismo de sistemas microbianos para la produccion de biocombustibles de ultima generacion.

Por ultimo, se ha presentado un ejemplo de transferencia tecnologica a la sociedad, impulsado desde el grupo de investigacion y materializado en la creacion de una spin-off: Energesis Ingenieria, una empresa que no solo esta implantando sistemas geotermicos de climatizacion en edificaciones, sino que apuesta por una fuerte presencia del I+D entre sus actividades centrandose, fundamentalmente, en dos campos: el ahorro energetico en la edificacion y el uso del suelo como foco de intercambio termico. Ambos campos requieren el despliegue de sofisticados modelos de simulacion numerica, tanto de los intercambios energeticos en edificios como de la trasmision de calor en suelos.

Recibido: Enero 13 de 2012.

Aceptado para su publicacion: Marzo 2 de 2012.

Bibliografia

[1] G. Hellstrom. Thermal Analysis of Duct Storage Systems, Dept. of Mathematical Physics, University of Lund, Sweden (1991).

[2] W. Austin. Development of an in situ system for measuring ground thermal properties, M.Sc. Thesis, Oklahoma State University, Stillwater, OK, USA (1998).

[3] S. Malkin. Grinding technology: theory and application of machining with abrasives, Ellis Horwood Ltd. and John Wiley and Sons (1989).

[4] A. S. Lavine. An exact solution for surface temperature in down grinding, Int. J. Heat Mass Transfer 43 (2000) 4447.

[5] A. S. Lavine. Thermal aspects of grinding: the effects of heat generation at the shear planes, Annals of CIRP 40 (1991) 343.

[6] Jaeger JC. (1942) Moving sources of heat and the temperature at sliding contacts. Proc R Soc NSW 76:204.

[7] D.L. Skuratov, Yu.L. Ratis, I.A. Selezneva, J. Perez, P. Fernandez de Cordoba and J.F. Urchueguia. Mathematical modelling and analytical solution for workpiece temperature in grinding, Applied Mathematical Modelling 31, Issue 6, June 2007, 1039.

[8] J. Perez, S. Hoyas, D. Skuratov, y. Ratis, I. Selezneva, P. Fernandez de Cordoba, J. Urchueguia. Heat transfer analysis of intermittent grinding processes, Int J Heat Mass Transf. 51 (2008) 4132.

[9] J. L. Gonzalez-Santander, J. Perez, P. Fernandez de Cordoba, J. M. Isidro. An analysis of the temperature field of the workpiece in dry continuous grinding. J Eng Math, DOI 10.1007/s10665-009-9335-6.

[10] S. Grama. A Survey of Thin-Film Solar Photovoltaic Industry & Technologies. Massachusetts Institute of Technology, 2008.

[11] M. A. Green. Consolidation of thin-film photovoltaic technology: the coming decade of opportunity. Progress in Photovoltaics: Research and Applications 14, no. 5 (2006): 383-392.

[12] Aimi Abass, Honghui Shen, Peter Bienstman, Bjorn Maes. Increasing polymer solar cell efficiency with triangular silver grating. EPFL-PROC-148778 (2010).

[13] D.K. Ro, E.M. Paradise, M. Ouellet, K.J. Fisher, K.L. Newman, J.M. Ndungu, K.A. Ho, R.A. Eachus, T.S. Ham, J. Kirby, MC. Chang, S.T. Withers, Y. Shiba, R Sarpong, and J.D. Keasling. Production of the antimalarial drug precursor artemisinic acid in engineered yeast. Nature 440; April 2006.

[14] R Weiss. From bacteria to stem cells. Proceedings of the annual conference in functional genomics. Goteborg, Sweden, 2007.

[15] J. Aleksic, F. Bizzari, Y. Cai, B. Davidson, K. de Mora, S. Ivakhno, S.L. Seshasayee, J. Nicholson, J. Wilson, A. Elfick, C. French, L. Kozma Bognar, H. Ma, and A. Millar. Development of a novel biosensor for the detection of arsenic in drinking water. IET Synthetic Biology 1 pp 87, 2007.

[16] L.L. Looger, M.A. Dwyer, J.J. Smith, H.W. Hellinga. Computational design of receptor and sensor proteins with novel functions. Nature 423 (2003) 185.

[17] USDOE. 2005. Genomics: GTL Roadmap: Systems biology for energy and environment. DOE/SC 0090. Available at http://genomicsgtl.energy.gov (verified 14 Aug. 2007). USDOE, Office of Science, Washington, DC.

[18] USDOE. 2006. Breaking the biological barriers to cellulosic ethanol: A joint research agenda. DOE/SC 0095. http://genomicsgtl.energy.gov/biofuels/b2bworkshop.shtml (verified14 Aug. 2007). USDOE Office of Science and Office of Energy Efficiency and Renewable Energy, Washington DC.

[19] M.B. Elowitz, S. Leibler, A synthetic oscillatory network of transcriptional regulators, Nature 403 (2000) 335-338.

[20] T.S. Gardner, C.R. Cantor, J.J. Collins. Construction of a genetic toggle switch in Escherichia coli. Nature 403 (2000) 339-342.

[21] A. Becskei, L Serrano. Engineering stability in gene networks by autoregulation, Nature 405 (2000) 590-593.

[22] E. Navarro, A. Montagud, P. Fernandez de Cordoba y J.F. Urchueguia. Metabolic flux analysis of the hydrogen production potential in Synechocystis sp. PCC6803". International Journal of Hydrogen Energy 34 (2009) 8828.

[23] A. Montagud, E. Navarro, P. Fernandez de Cordoba, J. F. Urchueguia y K. R. Patil. "Reconstruction and analysis of genome-scale metabolic model of a photosynthetic bacterium". BMC Systems Biology 4 (2010) 156.

[24] A. Montagud, A. Zelezniak, E. Navarro, P. Fernandez de Cordoba, J. E Urchueguia y K. R. Patil. Flux Coupling and Transcriptional Regulation within Genome-Scale Metabolic Model of Photosynthetic Bacterium Synechocystis sp. PCC6803. Biotechnology Journal 6 (2011) 1.

[25] R. Reyes, J. Garrido, R.A. Jaime, V. Cordova, J. Triana, L. Villar, J.C. Castro, P. Fernandez de Cordoba, J.F. Urchueguia, E. Navarro y A. Montagud. Desarrollo de una plataforma computacional para el modelado metabolico de microorganismos. Nereis. Revista Iberoamericana de Metodos, Modelizacion y Simulacion Interdisciplinar 3 (2011) 25.

[26] C. Vilanova, A. Hueso, C. Palanca, G. Marco, M Pitarch, E. Otero, J. Crespo, J. Szablowski, S. Rivera, L. Dominguez-Escriba, E. Navarro, A. Montagud, P. Fernandez de Cordoba, A. Gonzalez, J. Arino, A. Moya, J. Urchueguia y M. Porcar. Aequorin-expressing yeast emits light under electric control. Journal of Biotechnology 152 (2011) 93.

[27] T. V. Bandos, A. Montero, E. Fernandez, J.L.G. Santander, J.M Isidro, J. Perez, P. Fernandez de Cordoba y J. Urchueguia. Finite Line-Source Model for Borehole Heat Exchangers: Effect of Vertical Temperature Variations. Geothermics 38 (2009) 263.

[28] T. V. Bandos, A. Montero, P. Fernandez de Cordoba y J. Urchueguia. Improving Parameter Estimates Obtained from Thermal Response Tests: Effect of Ambient Air Temperature Variations. Geothermics 40 (2011) 136.

[29] T. Bandos, A. Montero, P. Fernandez de Cordoba y J.F. Urchueguia. Use of Thermal Conductivity from Thermal Response Test for Estimating Static Temperatures in Rock and Stratified Soil near Line Source of Heat. HVAC and Research 17 (6) (2011) 1030.

[30] J.L.G. Santander, P. Castaneda, J.M. Isidro y P. Fernandez de Cordoba. Calculation of some integrals arising in heat transfer in Geothermics. Mathematical Problems in Engineering (2010) ID 784794.

Pedro Fernandez de Cordoba Castella *

* Doctor en Fisica. Doctor en Matematicas. Catedratico de Universidad. Grupo de Modelizacion Interdisciplinar, InterTech. Instituto Universitario de Matematica Pura y Aplicada Universidad Politecnica de Valencia, Valencia, Espana. Vocal de la Junta Directiva de la Red Espanola de Matematica-lndustria math-in. Direccion Postal: Departamento de Matematica Aplicada. Escuela Tecnica Superior de Ingenieros Industriales Universidad Politecnica de Valencia, Camino de Vera s/n 46022--Valencia--Espana
COPYRIGHT 2012 Academia Colombiana de Ciencias Exactas, Fisicas y Naturales
No portion of this article can be reproduced without the express written permission from the copyright holder.
Copyright 2012 Gale, Cengage Learning. All rights reserved.

Article Details
Printer friendly Cite/link Email Feedback
Title Annotation:modelado matematico
Author:de Cordoba Castella, Pedro Fernandez
Publication:Revista de la Academia Colombiana de Ciencias Exactas, Fisicas y Naturales
Date:Mar 1, 2012
Words:6172
Previous Article:Comentarios acerca de la recepcion de la teoria de Charles Darwin en Colombia.
Next Article:Evaluacion de los parametros fisicoquimicos de plaguicidas utilizados en salud publica.
Topics:

Terms of use | Privacy policy | Copyright © 2019 Farlex, Inc. | Feedback | For webmasters