17 abril 2009

Primeros pasos hacia la gestión de la energía en la Industria

El uso de la energía en la industria se ha caracterizado históricamente por el derroche, y este lastre energético es una de las causas principales de la baja productividad industrial. Las causas de este desmedido afán por tirar la energía provienen sobre todo de carencias en ingeniería y de una insuficiente información sobre los flujos energéticos que tienen lugar dentro de la factoría. En este artículo hablamos brevemente de la importancia que tiene la gestión energética por su capacidad para disminuir los costes de la energía.

La gestión de energía en la industria

La gestión de la energía en la industria es una nueva disciplina que surge como respuesta a las instalaciones ineficientes. Básicamente consiste en estudiar los flujos de energía consumidos en la factoría y conseguir disminuir el consumo utilizando medidas de ingeniería. En muchas ocasiones soluciones con un mínimo coste permiten conseguir disminuciones muy significativas del consumo total. En este artículo proporcionamos una serie de ejemplos de cómo los ingenieros pueden identificar y dirigir – con poco o sin coste – las principales fuentes de derroche energético en las facilidades de producción.
Uso de energía por las máquinas

Un primer paso importante para los ingenieros interesados en interesados en gestionar el uso de energía en las facilidades es comprender cómo la energía se consume y cómo se está usando. Esto puede hacerse fácilmente trabajando con las compañías suministradoras locales, usando dispositivos de medición portátiles, o instalando dispositivos de medición. Puesto que el sector industrial es el mayor consumidor de energía, el potencial inherente a un ahorro energético significativo es también mayor.

La forma más fácil de gestionar el uso de energía es observar al modo en que la planta opera es emplear una disciplina de gestión de la energía conocida como "load shedding". Para empezar debemos analizar como tiene lugar el consumo energético en los diferentes servicios de la planta industrial. Considerar, por ejemplo una planta en la que se trabaja con tres turnos de producción. Muchas de las operaciones son neumáticas y la energía procede de un compresor de aire central. Una estrategia de ahorro es planificar el uso del compresor para que funcione solamente en periodos de tiempo programados. Esto mismo puede hacerse extensible a los sistemas de refrigeración, aire acondicionado, iluminación y sistemas de agua.

Otra forma de optimizar el consumo de energía es observar el "comportamiento de la demanda". Si una planta usa bastante agua como parte del proceso de producción, la cantidad de agua usada variará según el número de máquinas que estén en funcionamiento en cada momento. Si los motores que impulsan las bombas operan en línea (es decir, son encendidas/apagadas con contactores en el voltaje de línea), se consume la misma cantidad de energía independientemente de la demanda actual. Puede conseguirse un ahorro energético importante midiendo la demanda (caudal) y haciendo variar la velocidad de la bomba con una transmisión basada en la demanda.

Un beneficio adicional que se consigue actuando sobre la demanda es la mejora del factor de potencia, ya que el sistema de mando/motor típicamente tendrá un factor de potencia más alto que el motor sólo. En términos generales, el factor de potencia es una medida de lo bien que la planta está usando la energía. Un factor de potencia más bajo significa que el sistema de distribución debe estar dimensionado para producir trabajo (potencia real), y además potencia aparente. Si no se actúa sobre el factor de potencia se debe pagar un sobrecoste a la compañía distribuidora.

La aplicación de la bomba mencionada arriba puede también servir como ejemplo para entender la importancia de controlar la "demanda pico". Cada vez que una bomba se pone en marcha, dependiendo del tamaño del motor, el arranque origina una gran demanda de corriente eléctrica. Esto produce incrementos momentáneos en el consumo de energía de la planta. Muchas plantas industriales contratan con la compañía suministradora en función de una demanda típica. Cualquier pico en la demanda puede hacer que la planta pase a un tipo de tarifa superior y ello haga que aumente la factura a nivel global.

Un método fácil para limitar este influjo de corriente es el uso de un arrancador o mando suave, que aumenta progresivamente la velocidad del motor. De esta forma se reduce la corriente de arranque.
Motores y transmisiones

Puesto que los sistemas de motor están entre las fuentes de mayor consumo de energía industrial, es aconsejable prestar atención a los mismos. Sorprendentemente, sólo el 30 % de las industrias de fabricación usan transmisiones de frecuencia variable con sus motores trifásicos. Sin embargo, aplicando VFDs a los motores trifásicos es una forma con la que los ingenieros pueden afectar directamente la potencia demandada por la industria.
  • Sobredimensionado de transmisiones y motores: Los gestores empresariales de las plantas industriales no son conscientes de la gran cantidad de energía que se está perdiendo por el mero hecho de utilizarse motores de un tamaño superior al que requiere cada aplicación. Es muy fácil diseñar sobredimensionando, y ello se ha hecho siempre, pero estamos pagando el coste de esa ingeniería ineficiente durante toda la vida útil de los equipos. En los tiempos actuales de escasez de energía es vital dejar de sobredimensionar transmisiones y motores. Deben controlarse los requerimientos de carga para un proyecto particular de forma que se maximice el potencial de la transmisión. Si se reduce la velocidad y el par de una transmisión, obviamente se reducirá la energía consumida para cumplir con el trabajo previsto.
  • Transmisiones finless: Estas transmisiones de diseño especial pueden ser beneficiosas, y pueden reducir la necesidad de métodos de enfriamiento adicionales. Esto es posible por las características de transmisión de calor de la parte trasera de la transmisión. En general, de esta forma se reducen las necesidades de refrigeración.
  • Secuenciación de operaciones por uso del control de ventiladores de disipación de calor: El uso de controles de ventilación automáticos reducirá el uso de energía innecesaria. Esta medida suena bien, pero a veces se pierde energía.
  • Control magnético permanente. Los motores con control magnético permanente utilizan el campo magnético como una ventaja del motor. Estos motores son capaces de incrementar el ahorro energético, y a veces pueden conseguir un porcentaje de ahorro superior a los motores de alta eficiencia.
  • ¿Cómo las transmisiones de frecuencia variable reducen los costes de energía? Las transmisiones de frecuencia variable consiguen ahorrar energía eliminando las corrientes elevadas de arranque del motor. Las compañías suministradoras cargan a los clientes por demanda pico, limitando el pico de arranque y manteniendo la demanda pico tan baja como sea posible. VFD puede producir bastante ahorro, especialmente en aplicaciones cíclicas. Aplicando un VFD, el voltaje y la frecuencia se aplican de una forma lineal y ajustable. La velocidad del motor nunca está alejada de la velocidad del campo electromagnético. Las grandes compañías industriales o de generación de energía encontrarán lo necesario para explorar el espectro de posibilidades que dan los VFD. Para tales operaciones, los VFDs de voltaje medio y grande pueden ser una de las mejores opciones para conseguir ahorro energético y mejorar el rendimiento del sistema. En los últimos años, las grandes compañías de generación de energía industrial han comenzado a emplear esta tecnología y los resultados están bien probados. Junto con los beneficios mecánicos y eléctricos proporcionan ahorros añadidos. Por ejemplo, las plantas de generación de energía pueden alcanzar una mejora en el rendimiento térmico del 1.0-1.5 %
Palabras clave: load shedding, variable frequency drives (VFDs),
Bibliografía: Energy Management: First Steps Toward Greater Efficiency. David Greenfield, Control Engineering, 1/1/2009
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