Revisión del concepto de Exergía
Abstract
Este artículo revisa el desarrollo histórico del concepto de exergía y sus aplicaciones en sistemas energéticos, eficiencia, sostenibilidad y procesos industriales. Se revisan las contribuciones publicadas en los últimos cinco años en torno a la aplicación del análisis exergético en bioprocesos, con el objetivo de identificar las metodologías utilizadas y los enfoques predominantes en la literatura reciente.Introducción
En los años ’70 se publicaron alrededor de 50 artículos sobre exergía en revistas académicas o presentados en talleres y congresos Sciubba (2007). A fines de los ’70 y principios de los ’80 se observa un incremento progresivo de su uso. A partir de los años 2000 se aprecia un crecimiento más marcado y sostenido, que se intensifica entre 2010 y 2018 donde se alcanza el pico máximo. Finalmente, entre 2018 y 2022, se registra una ligera disminución. Se considera hasta 2022, dado que ese es el último año con registro disponible en Google Books Ngram Viewer, herramienta que permite examinar la frecuencia de aparición de palabras en un extenso corpus de libros y textos académicos digitalizados por Google. A continuación, se presenta un gráfico de la frecuencia relativa porcentual de la palabra Exergy a lo largo del tiempo, elaborado como una adaptación del estilo de visualización característico de dicha herramienta.
Evolución del término Exergy
En la actualidad, las principales revistas de Ingeniería Energética publican en promedio uno o dos artículos sobre conceptos relacionados con la exergía en cada número; el auge en esta tematica dio origen, en el año 2000 a una revista especializada la International Journal of Exergy, que incluso frente a competidores más consolidados cuenta con una cantidad satisfactoria de suscriptores y autores Sciubba (2007). Del mismo modo, muchos de los libros más utlizados en los cursos de Termodinámica como el Çengel and Boles (2012) y Moran and Shapiro (2004) entre otros, dedican al menos un capítulo completo a este tema lo que refleja su importancia académica. Esta relevancia se ve reforzada a nivel global, ya que en 2015 la Organización de Naciones Unidas (ONU) aprobó la Agenda 2030 y estableció sus Objetivos de Desarrollo Sostenible (ODS), con especial énfasis en el ODS 7, que busca garantizar un acceso universal a una energía asequible, segura, sostenible y moderna United Nations (2015), han dado un fuerte impulso al análisis exergonómico. Este marco internacional ha incentivado la creación de metodologías orientadas a incrementar la eficiencia energética y reducir los costos asociados, lo que ha favorecido la consolidación de la exergoeconomía como una herramienta clave en la gestión y planificación de sistemas energéticos sostenibles Avila and Gómez (2024). Frente a este escenario de consolidación académica, interés industrial y relevancia global, surge una pregunta clave: ¿cómo puede un concepto derivado de la termodinámica clásica, como la exergía, integrarse de manera eficiente con criterios económicos para maximizar la sostenibilidad y contribuir al cumplimiento del ODS 7? Esta cuestión orienta la presente revisión, que aborda la evolución histórica del concepto, sus fundamentos teóricos y su aplicación en la planificación energética sostenible.
Metodología
Para abordar esta revisión, se adoptó un enfoque exploratorio y sistemático apoyado en herramientas digitales de búsqueda y filtrado bibliográfico que permite analizar la evolución histórica, los fundamentos teóricos y las aplicaciones contemporáneas de la exergía y la exergoeconomía. En una primera instancia, se utilizaron las palabras clave como “concept exergy” y “exergoeconomy” en el software Harzing’s Publish or Perish seleccionando como buscador el Google académico, obteniéndose un conjunto inicial de 200 artículos. De ellos, se seleccionaron los que se encontraban disponibles gratuitamente, priorizando los que presentaban mayor número de citas por año y cuáles se publicaron en los últimos 5 años. Complementariamente, se recurrió a la plataforma Elicit.com, donde se formularon dos preguntas orientadas a enriquecer la búsqueda: (i) ¿Cómo ha evolucionado el concepto de exergía en distintas disciplinas científicas como la ingeniería, la física y la termodinámica? y (ii) ¿Qué metodologías específicas se utilizan actualmente para realizar análisis exergoeconómicos en bioprocesos y cuáles son sus limitaciones? La combinación de estas herramientas de búsqueda y los criterios de selección posibilitó obtener un conjunto de trabajos relevantes y confiable para el análisis de la evolución y aplicación del concepto de exergía.
Desarrollo histórico de la exergía
Hoy se reconoce ampliamente que el concepto de exergía tiene sus raíces en los primeros trabajos de lo que más tarde se convertiría en la Termodinámica Clásica. Si pudiesemos fijar una “fecha exacta de inicio”, esta solo podría ser 1824, cuando Carnot (1824) afimó en su libro Réflexions sur la puissance motrice du feu et sur les machines propres à développer cette puissance (Reflexiones sobre la potencia motriz del fuego y sobre las máquinas adecuadas para desarrollar esta potencia) que “La potencia motriz del calor es independiente del agente empleado para realizarla; su cantidad está determinada únicamente por las temperaturas de los cuerpos entre los cuales se efectúa, en último término, el transporte del calórico” Carnot (1824), esto quiere decir que la eficiencia y, por tanto, el trabajo reversible de una máquina térmica, dependen únicamente de la diferencia de temperaturas entre los reservorios Sciubba (2007). Cabe destacar aquí que Carnot en su libro, no introduce ninguna ecuación matemática de la eficiencia, analiza el ciclo de que hoy lleva su nombre, considerando procesos de expansión, compresión, calentamiento y enfriamiento reversibles, todo esto en el marco de la Teoría Calórica vigente en ese momento Saslow (2020). Esta afirmación condujo a que treinta años más tarde y tras el arduo trabajo de Clapeyron (1832, 1834), Rankine (1851) y Thomson (1852), al planteamiento de la segunda ley de la termodinámica por Clausius (1850, 1867). El enunciado de Clausius se expresa como sigue “Es imposible construir un dispositivo que opere en un ciclo sin que produzca ningún otro efecto que la transferencia de calor de un cuerpo de menor temperatura a otro de mayor temperatura.” Çengel and Boles (2012) Sin embargo, según Sciubba (2007) fue Gibbs (1878), quien había definido anteriormente la función termodinámica de “energía disponible”, fue el primero en introducir explícitamente la idea de trabajo disponible a través de la siguiente ecuación:
\[\begin{equation}
\ -e+t\eta + pv-\sum_{i= 1}^{n} \phi _{i} m_{i}=0\label{Eq1}
\end{equation}\] Donde:
\(e\): energía
\(\eta\): entropía
\(t\): temperatura absoluta
\(p\): presión
\(v\): volumen
\(\phi_i\): potencial de la \(i\)-ésima componente
\(m_i\): cantidad de la \(i\)-ésima componente
A finales del siglo XIX y primeras décadas del XX, distintos autores contribuyeron a la consolidación del concepto de energía útil o disponibilidad. Tait (1868) y Lord Kelvin habían definido algo similar a la disponibilidad de Gibbs, aunque sin ofrecer una discusión extendida del concepto. También Duhem (1904), en Francia, y Carathéodory (1909), en Alemania, elaboraron escritos sobre la “disponibilidad”. GibbGouy (1889) y Stodola (1898) derivaron de forma independiente la expresión de la energía utilizable como la diferencia entre entalpía y el producto de la temperatura ambiente por la entropía, mientras que Maxwell (1871) y Lorenz (1894) aplicaron la entropía a la evaluación de procesos sin definir explícitamente una función de disponibilidad. Posteriormente, Jouguet (1906–1909) en Francia, Goodenough (1911) y de Baufre (1925) en Estados Unidos, Born (1921) en Alemania y Darrieus (1930, 1931) junto a Lerberghe y Glansdorff (1932) en Francia, criticaron la eficiencia basada en la primera ley e introdujeron el concepto de trabajo disipado, que es equivalente al concepto moderno de la destrucción de exergía. En paralelo, Keenan en EE. UU. amplió y sistematizó la noción de disponibilidad, logrando gran difusión a través de su manual de termodinámica. En Europa, Bošnjaković (1935, 1938) estableció las bases de la escuela alemana de termodinámica aplicada, nombrando la disponibilidad de Gibbs como potencial de trabajo. En este mismo período se publicaron estudios relevantes, como el cálculo de la exergía de combustibles, los aportes de Emden (1938), y el análisis de procesos químicos de Rant (1949), junto con aplicaciones a intercambiadores de calor en Rusia y Alemania. Finalmente, Obert y Birnie en 1949 introdujeron en EE. UU. la evaluación de pérdidas en plantas termoeléctricas mediante disponibilidad, marcando el inicio del uso sistemático del concepto para localizar procesos críticos Sciubba (2007). En 1953, el esloveno Zoran Rant propuso en una reunión científica el término exergía (Exergie, en alemán) para designar la noción previamente utilizada por Bošnjaković como technische Arbeitsfähigkeit, que significa “capacidad técnica de trabajo” en alemán. Su elección no fue arbitraria: mientras energía deriva del griego como “trabajo interno”, el prefijo ex- remite a lo “externo”, es decir, a la porción de energía utilizable hacia el entorno. Rant profundizó en esta dimensión lingüística en un ensayo publicado en 1956, donde sugirió traducciones coherentes en varias lenguas, incluyendo exergie en francés, exergia en español, essergia en italiano y eksergija en lenguas eslavas Sciubba (2007). La adopción del nuevo término buscaba unificar los distintos nombres y sustituir denominaciones previas como energía disponible, trabajo potencial o energía útil, entre otras. Sin embargo, la aceptación de la comunidad científica del vocablo fue lenta y requirió medio siglo para ser aceptada, aunque hoy constituye la denominación estándar en la literatura científica, todavía persisten usos residuales de términos antiguos, especialmente en algunos ámbitos académicos de Estados Unidos, donde se continúa empleando la expresión “disponibilidad”. Un ejemplo de esto puede observarse en la definición propuesta por Çengel y Boles Çengel and Boles (2012), quienes mencionan explícitamente, entre paréntesis, dicha denominación alternativa. Durante las décadas de 1950 y 1960 se produjo además un intenso debate académico sobre la definición precisa de exergía, la notación, y las medidas más adecuadas de rendimiento termodinámico, se define la “eficiencia de segunda ley” o eficiencia exergética. A partir de los años 70 la teoría de la exergía se formalizó. En 1987, durante una conferencia internacional celebrada en Zaragoza, se alcanzó un consenso sobre un sistema de símbolos que fue posteriormente adoptado en la literatura y se elaboraron formulaciones generales para sistemas abiertos, cerrados y corrientes de flujo. Autores como Szargut, Kotas, Bejan, Valero, Tsatsaronis, entre otros, contribuyeron decisivamente a dotar de rigor matemático y metodológico al análisis exergético Sciubba (2007). La definición moderna de energía establece que: La exergía se define como el máximo trabajo útil teórico que un sistema puede entregar al alcanzar el equilibrio con su entorno, interactuando únicamente con él. Este concepto, ya presente en la función de disponibilidad de Gibbs (Ecuación 1), se manifiesta en diversas formas según el tipo de energía involucrada. Así, la energía cinética, potencial gravitatoria, mecánica y eléctrica pueden transformarse íntegramente entre sí; en cambio, la energía química solo puede convertirse parcialmente en trabajo, pues depende de la entalpía de formación y de las concentraciones relativas respecto al entorno. El calor constituye la forma menos disponible, ya que su conversión en trabajo está limitada por la temperatura del sistema \(T_{q}\) y la del medio de referencia \(T_{0}\). La tabla que se presenta a continuación resume las principales formas de energía en relación con su contenido de exergía y su potencial de conversión en trabajo útil. ormas de energía según su grado de disponibilidad exergética y permite comprender las restricciones fundamentales impuestas por la segunda ley de la termodinámica Sciubba (2007).
| Tipo de energía | Energía específica (unidad) | Exergía específica | Observaciones |
|---|---|---|---|
| Cinética | 0,5 \(V^{2}\) (J/kg) | 0,5 \(V^{2}\) | Totalmente reconvertible en otras formas de energías en principio |
| Potencial (gravitatoria / campos conservativos) | g \(\Delta\)z (J/kg) | g \(\Delta\)z | Totalmente reconvertible en otras formas de energías en principio |
| Calor | q (J/kg) | q (1 - \(T_{0}\)/\(T_{q}\)) | Fracción convertible depende de \(T_{q}\) y \(T_{0}\) |
| Mecánica | w (J/kg) | w | Convertibilidad completa con eléctrica |
| Eléctrica | I t \(\Delta\)V (J) | I t \(\Delta\)V | No tiene sentido por masa; se expresa por unidad de energía |
| Química (sustancia pura) | \(\Delta\) g | \(\mu\)-\(\mu_{i}\)+R \(T_{0}\) ln c/\(c_{0}\) | Depende de entalpía de formación y diferencias de concentración |
| Radiación | I (W/m²) para cuerpo negro | \(\sigma\)(\(T^{4}\)-\(T^{4}\)-\(T_{0}\)/3 + \(T_{0}^{4}\)/3) | Para radiación y eléctrica la exergía por unidad de masa no siempre es aplicable |
Aplicaciones de la exergía
Con la robustez teórica vinieron aplicaciones sistemáticas, como por ejemplo el análisis exergético de ciclos de potencia (Rankine, Brayton), turbinas, plantas termoeléctricas, intercambiadores de calor, procesos químicos y petroquímicos, cogeneración, desalación, pilas de combustible, y optimización de redes térmicas. Además, en capítulos de Çengel y Boles y de Moran y Shapiro muestran cómo incorporar el análisis de exergía en problemas de diseño y optimización Sciubba (2007). La combinación de exergía con criterios económicos dio lugar a la termoeconomía o Termo-Economía (tan estrechamente vinculada a la exergía que a veces se la denomina “Exergo-Economía” o “Exergoeconomía”) y al concepto de costo exergético acumulado (Cumulative Exergy Consumption, CEC) donde la idea básica es asignar a cada producto el total de exergía (directa e indirecta) consumida a lo largo de su cadena productiva, con aplicaciones a evaluación de tecnologías y decisiones de política energética. Tribus introdujo tempranamente ideas que luego evolucionaron hacia esta área; Valero y su escuela desarrollaron metodologías formales y matrices de costo-exergía Avila and Gómez (2024). A partir de las décadas finales del siglo XX la exergía se aplicó también a evaluación ambiental, contabilidad de recursos y sostenibilidad, Wall y Szargut fueron pioneros en proponer entornos de referencia estándar y en utilizar la exergía para medir degradación de recursos y eficiencia social en el uso de recursos naturales. En los años 90 y 2000 surgieron extensiones como la Extended Exergy Accounting (EEA), que amplía el balance exergético incorporando equivalentes exergéticos para factores productivos (capital, trabajo, remediación ambiental), y las aplicaciones a sistemas grandes y muy grandes (LCS, VLCS) —balances exergéticos nacionales, urbanas y sectoriales—. Sciubba describe estas direcciones y señala trabajos de referencia sobre balances nacionales (Reistad, Wall) y sobre la estructura de costos exergéticos extendidos. Aplicada a los bioprocesos, la exergía no solo evalúa eficiencia térmica sino que también aporta una escala física, una unidad de medida objetiva y cuantificable, para comparar rutas alternativas (fermentación vs gasificación, rutas termofílicas vs mesofílicas), identificar cuellos de botella (p. ej. pérdidas por transferencia de masa gas–líquido) y combinarse luego con análisis económicos o de ciclo de vida. En la mayoría de las aplicaciones prácticas se utiliza el concepto de exergía como herramienta de evaluación ambiental y de sostenibilidad, particularmente en bioprocesos y biocombustibles. Según Dewulf et al. (2008) la exergía permite integrar en una métrica común la calidad energética de recursos y emisiones, también tiene limitaciones al representar fenómenos ecológicos y socioeconómicos complejos.Para Dewulf, el concepto se amplía y constituye un indicador crítico de eficiencia y renovabilidad en sistemas reales, aunque condicionado por la definición del entorno de referencia y por las dificultades de cuantificar correctamente los procesos biológicos. En definitiva, la exergía aplicada a bioprocesos brinda una herramienta sólida para medir eficiencia y sostenibilidad con una base física común, aunque sigue dependiendo de convenciones metodológicas y requiere complementarse con otros enfoques que capten la complejidad de lo ecológico y lo social Avila and Gómez (2024).
Discusión
El recorrido histórico reseñado muestra que el concepto de exergía
nació en un marco teórico dominado por la teoría del calórico y se
consolidó recién a mediados del siglo XX con la formalización de la
segunda ley y la sistematización terminológica de Rant. Esta trayectoria
evidencia dos aspectos relevantes, el primero, que la exergía no fue una
construcción unívoca, sino el resultado de aportes dispersos (desde
Carnot y Gibbs hasta Keenan, Szargut y Valero) que progresivamente le
otorgaron solidez matemática y legitimidad académica; segundo, que su
aceptación no fue inmediata, sino el producto de debates terminológicos
y metodológicos que aún hoy persisten en ciertos ámbitos (por ejemplo,
la coexistencia de “exergía” y “disponibilidad”). La revisión muestra
que, si bien la exergía proporciona una visión más profunda que el
análisis energético convencional, aún persisten desafíos en la
estandarización, la integración con modelos económicos y su
accesibilidad para los responsables de políticas públicas.
Una tendencia creciente es la combinación de exergía con el análisis de
ciclo de vida (LCA), lo cual fortalece las evaluaciones de
sostenibilidad. Por otra parte, la incorporación de la exergía a campos
como la termoeconomía, la evaluación ambiental o los bioprocesos
demuestra su versatilidad, pero también expone tensiones: la medida
física resulta adecuada para cuantificar irreversibilidades y
degradación de recursos, pero puede resultar insuficiente para capturar
la complejidad ecológica, social y económica. En consecuencia, se la
valora más como una base común de comparación que como un indicador
autosuficiente de sostenibilidad.
En síntesis, la exergía constituye un avance conceptual central de la termodinámica moderna, pero su uso debe entenderse en criticamente como una herramienta potente para revelar ineficiencias y orientar decisiones tecnológicas, siempre que se reconozcan sus limitaciones epistemológicas y metodológicas y se la complemente con indicadores de orden ecológico y socioeconómico.
Conclusiones
El análisis exergético ha pasado de ser un constructo teórico a
convertirse en una herramienta versátil en la ingeniería energética y
ambiental.
Las investigaciones futuras deberían centrarse en métodos combinados, en
la integración con herramientas digitales y en su aplicación más amplia
a sistemas renovables.
Esta revisión destaca la exergía como un marco teórico robusto para la
innovación en el desarrollo sostenible, no obstante, su aplicación
práctica exige cautela ya que la dependencia respecto del entorno de
referencia, la calidad de los datos disponibles y las decisiones
metodológicas en contextos complejos pueden condicionar la validez de
los resultados. Por ello, más que un indicador absoluto, la exergía debe
entenderse como un marco analítico potente, cuyo valor reside en
orientar la optimización de sistemas energéticos y ambientales bajo
criterios comparables y rigurosos.
Agradecimientos
La autora agradece al grupo de investigación TECSE por las discusiones y el apoyo brindado, a la Universidad Nacional del Centro de la Provincia de Buenos Aires por el acompañamiento institucional, a prof. Dr. Ricardo Palma por su generosidad y a la Secretaria de Posgrado, Dra. Julia Tasca, por su constante apoyo.