Tecnologías y Sistemas Energéticos Eficientes · implementando sistemas de gestión energética...

UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA DE PANAMA FACULTAD DE INGENIERIA MECANICA DEPARTAMENTO DE ENERGÍA

DIPLOMADO EN ADMINISTRACIÓN EFICIENTE DE LOS RECURSOS ENERGÉTICOS

MÓDULO III: TECNOLOGIAS Y SISTEMAS ENERGETICOS EFICIENTES

Compilación realizada por: Aníbal Borroto Nordelo

Noviembre 2011

1 3.1. USO RACIONAL DE LA ENERGÍA, USO EFICIENTE DE LA ENERGÍA Y

EFICIENCIA ENERGÉTICA.

3.1.1. Conceptos básicos.

La energía posibilita y facilita toda la actividad humana. La energía no significa nada si no entrega lo que se necesita de ella: luz, frío, calor, fuerza y movimiento, transporte y comunicación. Es en el uso final donde se concreta el beneficio de la energía. Antes no significa nada. Las diferentes fuentes y sistemas de producción y uso de la energía utilizadas por el hombre han marcado las grandes etapas en el desarrollo de la sociedad humana, dependiendo el curso de éste de las elecciones energéticas realizadas en cada momento. En el decursar del tiempo el hombre pasó del empleo de su fuerza muscular al uso de diversas fuentes para satisfacer sus necesidades, el empleo del fuego, la utilización de la tracción animal, y finalmente, en rápida sucesión, el dominio de las tecnologías del carbón, del petróleo y el gas natural, y la producción y uso del vapor y la electricidad. Los sistemas energéticos pueden analizarse desde dos puntos de vista. Pueden considerarse sistemas físicos, asociando la energía como la capacidad para realizar trabajo o producir un efecto, sistemas sujetos a leyes físicas que rigen sus transformaciones. Pero también se pueden estudiar desde el ángulo económico social, a partir de su contribución a la satisfacción de las necesidades humanas, y como factor condicionante del desarrollo de la sociedad, sujetos a regularidades de carácter económico y social. Así, un mismo objetivo energético será alcanzado de distinto modo según el grupo social que lo promueva.

Desde esta perspectiva, la historia de la Humanidad no ha sido más que la historia del control de ésta sobre las fuentes y tecnologías energéticas, llegando al esquema energético global actual, el que descansa en la utilización de los combustibles fósiles.

Actualmente el carbón, el petróleo y el gas natural aportan cerca del 80 % del total de energía primaria a nivel global, situación que no se prevé cambie en el futuro mediato. Estos combustibles no son renovables, son contaminantes en alto grado, están concentrados en pocas regiones de la tierra, en manos de grandes consorcios transnacionales y son utilizados de forma muy ineficiente.

3.1.2. Eficiencia energética y desarrollo sostenible.

De todos los desafíos globales a los que se enfrenta la humanidad, ninguno es más importante que gestionar el medio ambiente de La Tierra con vistas a lograr que pueda sostener la vida en todas sus formas, y lograrlo en un entorno cada vez más complejo.

2 Un entorno marcado por el crecimiento de la población y su desplazamiento a zonas urbanas, el incremento de la demanda de alimentos en un mundo, con gran parte de sus habitantes padeciendo de hambre y desnutrición, en el que se requieren mayores y más equitativos servicios energéticos, y todo ello frente al agotamiento de los combustibles fósiles y un acelerado y grave deterioro ambiental.

El desafío consiste en conjugar las demandas contrapuestas de los diferentes usuarios de los mismos recursos y en gestionar esos recursos con vistas a optimizar los beneficios que puedan obtenerse de manera sostenible. Sin dudas, la satisfacción de los servicios energéticos y la seguridad alimentaria, constituyen la esencia de dicho desafío.

Desde los años 1980, la humanidad está en un sobregiro ecológico, con demanda anual excediéndose en los recursos que puede regenerar la tierra cada año. Actualmente la humanidad utiliza el equivalente a 1,3 planetas para suministrar los recursos que utiliza y absorber los residuos que genera, y al ritmo actual antes del 2040 se necesitarían dos planetas.

Los procesos de producción y uso de la energía constituyen la causa fundamental del deterioro ambiental. Sus impactos se producen en todas las fases, desde la extracción de combustibles o la construcción de un embalse, hasta el uso final de la energía, pasando por los procesos de conversión, almacenamiento y distribución de los portadores energéticos.

La satisfacción de los servicios energéticos por una vía basada en los combustibles fósiles, conjuntamente con el desarrollo industrial, el crecimiento de la población y su concentración en grandes urbes, ha alterado significativamente algunos ciclos vitales en el planeta. Se ha aumentado la circulación del carbono en un 20%, del nitrógeno en un 50% y del azufre en un

3 100%.

Se descargan volúmenes crecientes de contaminantes a la atmósfera y las aguas, provocando impactos locales como la contaminación atmosférica en las grandes ciudades, regionales como la lluvia ácida, e incluso de alcance global como los cambios climáticos provocados por el incremento de gases de invernadero en la atmósfera. Los cambios en la cantidad de gases de efecto invernadero y aerosoles en la atmósfera, los cambios en la radiación solar y en las propiedades de la superficie terrestre alteran el balance energético del sistema climático global. Estos cambios se expresan en términos de forzamiento radioactivo, que es una medida de la influencia que tiene un factor en alterar el balance de energía entrante y saliente del sistema Tierra-Atmósfera. Las concentraciones globales de dióxido de carbono, metano y óxido nitroso han aumentado marcadamente como resultado de las actividades humanas desde 1750. Los valores actuales de estas concentraciones son muy superiores a los valores preindustriales determinados por testigos de hielo que abarcan miles de años. Los incrementos en las concentraciones de CO2 se deben fundamentalmente a la combustión de combustibles fósiles y al uso y cambio de uso del suelo, mientras que los aumentos de la concentración de metano y óxido nitroso son causadas principalmente por la actividad agrícola.

El calentamiento del sistema climático se evidencia en las observaciones del incremento de la temperatura media del aire y los océanos, el derretimiento generalizado de hielo y nieve, y el incremento del nivel medio del mar. El acceso a los servicios energéticos y al consumo de energía comercial es muy diferentes en los países desarrollados y en los subdesarrollados. Cerca de 2000 millones de personas no tienen acceso a la electricidad. Una cifra similar continúa cocinando con combustibles convencionales. Son abismales las diferencias en el consumo de energía por habitante. Mientras que un norteamericano consume más de 14000 KWh/año de electricidad, un indio no llega a 300 KWh/año, o sea 43 veces menos. Sin hablar de otros países más pobres aún como el caso de Bangladesh, en donde el consumo de electricidad per cápita no alcanza los 100 KWh/año. La presión sobre el uso de los recursos, en especial los energéticos y los hídricos, obliga a utilizarlos cada vez de manera más racional y eficiente. La marcada tendencia al encarecimiento de la energía y al agotamiento de los recursos hídricos, está presionando social y económicamente a la sociedad y los más afectados son los países con menos recursos. En los países subdesarrollados se presenta un círculo vicioso entre subdesarrollo y deterioro ambiental, causado entre otras causas por la

4 sobreexplotación de los recursos naturales, el alto índice de crecimiento poblacional, la falta de financiamiento, y el éxodo rural, que provoca el desarrollo desmedido y anárquico de las ciudades. Pero no son, por supuesto, los países subdesarrollados los que ocasionan los mayores impactos ambientales. Son los países desarrollados los que cargan sobre sus hombros una gran deuda ecológica, ya que con un 16% de la población mundial consumen el 52% de la energía, producen el 45% de las emisiones de dióxido de carbono a la atmósfera, generan el 60% de los desechos industriales y el 90% de los desechos peligrosos altamente contaminantes. A esta deuda se suma el cargo por la transferencia de tecnologías contaminantes y hasta el envío de desechos tóxicos a los países subdesarrollados.

Con mucha frecuencia, el incremento del consumo de energía ha sido tratado como parte integrante e inevitable del crecimiento económico. Se manejan los índices de consumo per cápita de energía como indicadores básicos del nivel de vida, sin tomar en consideración lo irracional e ineficiente del modo con que ésta se utilice, ni que son los servicios energéticos y no la energía lo que el hombre necesita. Es innegable y un derecho legítimo que el desarrollo en los países más atrasados requiere incrementos en el consumo de energía, pero sería imposible seguir el camino de los países desarrollados. Se sobrepasarían los límites de la capacidad del planeta para absorber los impactos asociados a la producción y uso de la energía.

El inicio del tercer milenio representa para la humanidad la encrucijada de una nueva elección energética, frente al agotamiento de los combustibles fósiles por una parte, pero sobre todo, por la amenaza de una catástrofe ecológica, al rebasarse los límites de la capacidad del planeta para asimilar sus negativos impactos.

Desarrollo Energético Sostenible El previsible agotamiento de los combustibles fósiles y el daño irreversible que se ocasiona al medio ambiente, exige la adopción de nuevas estrategias en materia de energía, como base de un modelo de desarrollo sostenible, que permita satisfacer las necesidades energéticas de la generación actual y preservar las posibilidades para que las futuras generaciones puedan también encontrar soluciones para satisfacer las suyas. Un modelo que posibilite mejorar la calidad de la vida con más y mejores servicios energéticos, que distribuya más equitativamente los beneficios del progreso económico, pero de una forma racional que permita respetar y cuidar las comunidades de seres vivos, no sobrepasar los límites de la capacidad del planeta para suplir fuentes de energía y asimilar los residuos de su producción y uso; un modelo que posibilite, en definitiva, integrar el desarrollo y la conservación del medio

5 ambiente. En este sentido se señalan tres direcciones principales para conformar una política energética acorde al desarrollo sostenible:

1. Elevación de la eficiencia energética, fomentando una cultura de uso racional de la energía, eliminando esquemas de consumo irracionales, implementando sistemas de gestión energética efectivos, utilizando equipos de alta eficiencia, reduciendo la intensidad energética en los procesos industriales, aprovechando las fuentes secundarias de bajo potencial, utilizando sistemas de cogeneración y trigeneración, y empleando, en general, la energía de acuerdo a su calidad. 2. Sustitución de fuentes de energía, por otras de menor impacto ambiental, en particular por fuentes renovables, tales como energía solar, energía eólica, energía geotérmica, hidroenergía, biomasa, energía de los océanos, etc. Asimismo, el uso del gas natural en sustitución del petróleo y el carbón puede ayudar significativamente a la atenuación del impacto ambiental mientras que se va produciendo el relevo por las energías renovables. 3. Empleo de tecnologías para atenuar los impactos ambientales, en primer los sistemas de producción más limpia (PML), así como son los sistemas depuradores de gases de combustión, las tecnologías de gasificación del carbón o biomasa en ciclos combinados con turbinas de gas, etc.

Aunque en realidad, la única alternativa verdaderamente sostenible es la sustitución de fuentes convencionales por fuentes renovables, la eficiencia energética es una alternativa esencial, tanto por su efecto directo, como por lo que la misma puede contribuir al relevo por las energías renovables. En este sentido, la Agencia Internacional de Energía señala en la estrategia propuesta para la Reducción de la Emisiones de CO2 hasta el año 2030 1, la contribución que pudieran tener los siguientes factores claves: 1. Incremento de la Energía Nuclear: 10 %

2. Incremento de Energías Renovables: 12 %

3. Incremento de Eficiencia Energética: 78 %

• en las Plantas Generadoras: 13 % • en el uso final de la electricidad: 29 % • en el uso final de los combustibles fósiles: 36 %

De modo que el incremento de la eficiencia energética podría contribuir a la reducción de más de las dos terceras partes de las emisiones de CO2 hasta el año 2030. Lograr un desarrollo energético sostenible es sin duda el camino correcto, el único camino de la supervivencia humana, el que requiere de acciones

6 urgentes en las siguientes direcciones estratégicas:

• Desarrollar programas de educación energética ambiental a todos los niveles. • Promulgar legislaciones que promuevan el incremento de la

eficiencia energética, tanto en la generación como en los equipos de uso final de la energía.

• Reflejar en las evaluaciones económicas los costos reales o totales de la producción de energía.

• Ampliar y profundizar la legislación ambiental. • Establecer preferencias impositivas para las tecnologías energéticas renovables. • Ofrecer facilidades y apoyo financiero para la introducción de

fuentes renovables y y tecnologías y equipos de uso final de alta eficiencia. • Incrementar el financiamiento para las investigaciones relacionadas con

estas direcciones.

LA NECESIDAD DE UN NUEVO PARADIGMA ENERGETICO

La energía considerada como una cuestión sectorial

Mayor consideración de los impactos económicos, socialesy ambientales del uso de la energía

Limitaciones de combustibles fósiles

Limitaciones en la capacidad de asimilación de La Tierra y su atmósfera

Énfasis en expandir el suministro de combustibles

Énfasis en desarrollar un portafolio más amplio de recursos energéticos y de tecnologías energéticas limpias

Se ignoran mayormente los costos sociales y ambientales de la energía

Se encuentran vías para disminuir las externalidades asociadas al uso de la energía

Al desarrollo económico se le otorga la mayor prioridad

Comprensión de la relación entre economía y ecología, y dela efectividad económica de valorar desde el inicio los impactos ambientales

Tendencia a la focalización en la contaminación local

Comprensión de la necesidad de considerar los impactos ambientales de todas clases y a todos los niveles (local a global)

Énfasis en el incremento del suministro de energía

Énfasis en incrementar los servicios energéticos, ampliar el acceso a los mismos y en incrementar la eficiencia

Preocupación por nosotros mismos y por nuestras presentes necesidades

Reconocimiento de nuestro futuro común y del derecho al bienestar de las futuras generaciones

3.1.3. Eficiencia energética y competitividad empresarial.

La eficiencia energética, entendida como la eficiencia en la producción, distribución y uso de la energía, necesaria para garantizar calidad total, es parte del conjunto de problemas que afectan la eficiencia de las empresas o instituciones.

7 Eficiencia Energética implica lograr un nivel de producción o servicios, con los requisitos establecidos por el cliente, con el menor consumo y gasto energético posible, y la menor contaminación ambiental por este concepto. La eficiencia energética se puede definir como la reducción del consumo de energía, manteniendo los mismos servicios energéticos, sin disminuir el confort y calidad de vida, protegiendo el medio ambiente, asegurando el abastecimiento y fomentando un comportamiento sostenible en su uso. Los aspectos básicos que determinan la competitividad de una empresa o institución son la calidad y el precio de sus productos o servicios. La posición en el mercado y la estrategia de cambio de posición vienen determinadas por la relación calidad – precio con respecto a otras empresas de la competencia.

El objetivo estratégico de todo empresario es ubicarse en el cuadrante de "buena posición", y dentro de este, en la punta de la competencia, logrando mayor calidad y menor precio, o en el caso de precios fijados por un mercado globalizado, mantener una alta calidad con los menores costos posibles, para aumentar las utilidades. Un programa de aumento de la eficiencia energética reduce los costos, permite disminuir el precio o aumentar las utilidades, asegurando la calidad y mejorando la competitividad de la empresa, es decir su posición en el mercado.

El ahorro de energía, si bien no representa una fuente de energía en sí, se acostumbra a considerarla como tal, ya que ofrece la posibilidad de satisfacer más servicios energéticos, lo que es equivalente a disponer de más energía. El incremento de la eficiencia energética tiene un beneficio ambiental inmediato y directo, ya que implica una reducción en el uso de recursos naturales y en la emisión de contaminantes, incluido el CO2. Sin lugar a dudas, la energía más limpia es la energía ahorrada.

La energía cada día se encarece más, por ello en muchos casos uno de las principales partidas del costo total es el costo energético, donde se incluyen los componentes relativos a la producción, distribución y uso de las diferentes formas de energía y el agua.

El impacto de los costos energéticos sobre los costos totales de operación depende del sector y tipo de empresa o entidad.

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Pero aún en aquellas donde la energía no representa una de las principales partidas, es importante la administración eficiente de la energía, ya que es el apartado que crece más rápidamente y uno de los pocos costos que pueden ser realmente controlados. 3.1.4. Indicadores de eficiencia energética.

Para evaluar los cambios en la eficiencia energética se utilizan indicadores de tres tipos fundamentales: Indices de consumo:

• Energía consumida / Producción realizada • Energía consumida / Servicios prestados • Energía consumida / Área construida

Indices de Eficiencia:

• Energía teórica / Energía real • Energía producida / Energía consumida

Indices Económico-Energéticos:

• Gastos Energéticos /Gastos Totales • Gastos energéticos/Ingresos (ventas) • Energía total consumida/Valor de la producción total realizada

(Intensidad Energética)

9 El índice de consumo o consumo específico de energía se define como la cantidad de energía por unidad de producción o servicios, medidos en términos físicos (productos o servicios prestados). Relacionan la energía consumida (kWh, litros de combustible, toneladas de Fuel Oil, toneladas equivalentes de petróleo) con indicadores de la actividad expresados en unidades físicas (toneladas de acero producidas, hectolitros de cerveza producidos, habitaciones-días ocupadas, toneladas-kilómetros transportadas, m2-año de edificios climatizados).

La intensidad energética, aunque se emplea con determinadas limitaciones a nivel de empresa, se utiliza fundamentalmente para dar seguimiento a los cambios en la eficiencia con que los países o ramas de la economía usan la energía. Se define como la relación entre el consumo de energía en unidades tales como: Tcal, TJ o toneladas equivalentes de petróleo (TEP) e indicadores de la actividad económica, normalmente el producto interno bruto (PIB) o el valor agregado (VA) de la rama de actividad. Para una empresa, la intensidad energética sería la relación entre el consumo total de energía primaria y la producción mercantil expresada en valores.

Indicadores de eficiencia energética

Un monitoreo y control energético efectivo en una empresa o entidad de servicio, requiere de la utilización de un conjunto de indicadores de los tres tipos, y no solo a nivel de empresa, sino estratificados hasta el nivel de las áreas, sistemas y equipos mayores consumidores. Tendencias Mundiales en Eficiencia Energética Históricamente se vinculaba el crecimiento económico a un mayor uso de

10 recursos energéticos, sin embargo esto ha ido variando en las últimas décadas. En los países desarrollados se evidencia una marcada acción para elevar la eficiencia energética a partir del alza de los precios provocada por la primera crisis del petróleo de inicios de los años 70, acción que se refuerza con el nuevo incremento de precios que se produjo a inicios de los 80. En los países desarrollados se pusieron en práctica políticas de ahorro en varios sentidos simultáneos. Estas acciones pasaron a formar parte de la política energética de estos países, logrando desacoplar los ritmos de crecimiento del Producto Interno Bruto (PIB), del consumo de energía. Entre los elementos fundamentales de esas políticas están: el incremento máximo de la eficiencia en el uso de todas las formas de energía, la búsqueda de fuentes alternativas al petróleo, el desarrollo de tecnologías y equipos de uso final de una alta eficiencia y el desplazamiento hacia industrias menos energointensivas, como consecuencia del propio proceso de desarrollo y maduración de la industria. Desde 1990 el consumo de energía por unidad de Producto Interno Bruto (PIB) a nivel mundial se ha reducido a razón de 2% por año, sin embargo, parte importante de esta reducción viene de los países de mayor desarrollo.

En el periodo 1980 – 2002 los países desarrollados lograron una reducción del 24 % en su intensidad energética, mientras que en ese mismo periodo, por el contrario, los países de América Latina y El Caribe incrementaron la intensidad energética en un 2%.

11 Evolución de la intensidad energética en los países desarrollados (OCDE) y en América Latina y El Caribe (LAC ) (base 1980=100)

Fuente: Seminario Internacional CEPAL. Energía y Política Exterior Energía. Fernando Sánchez Albavera. Quito, 2006.

El desacoplamiento entre el crecimiento económico y la demanda energética, producido en gran medida por la introducción de políticas de eficiencia energética motivadas por la escasez de recursos y el cuidado del medio ambiente, ha generado la idea intuitiva de que existe un vínculo entre el crecimiento económico sostenible de una nación y la aplicación de políticas de eficiencia energética. Dicho de otro modo, el uso eficiente de la energía, constituye uno de los factores que encaminan a las naciones hacia el crecimiento económico y el desarrollo sostenible. Dentro de los resultados más significativos de Programas de Ahorro de la Energía en la Región se encuentra el de Perú, que en apenas 3 años de haber iniciado un programa de ahorro de electricidad, logró detener el crecimiento de la demanda de electricidad a pesar del incremento del número de consumidores, mejorando los hábitos de consumo y la cultura energética en el sector residencial e industrial.

También reportan resultados positivos México, Colombia, Brasil y algunos otros países de la región.

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Oportunidades para el aumento de la eficiencia energética en América Latina y El Caribe. La baja eficiencia energética en la Región obedece a un conjunto de factores, dentro de los que se encuentran:

• La etapa en que se encuentran en el proceso de industrialización. • Las políticas aplicadas por los gobiernos. • El deficiente funcionamiento de los mercados energéticos. • Los bajos precios de la energía que han prevalecido. • La falta de financiamiento para proyectos de eficiencia energética. • La insuficiente capacidad técnica de la ingeniería local en este campo. • El bajo nivel de la gestión energética empresarial. • La insuficiente información y motivación social por el ahorro de energía.

Esta situación ha venido cambiando rápidamente en los últimos años. El incremento de la demanda, el aumento de los precios de la energía, las restricciones financieras para ampliar la oferta energética, la necesidad de lograr mayor competitividad internacional, así como la imperiosa necesidad de protección del medio ambiente, son factores que impulsan actualmente el aumento de la eficiencia energética en la Región, existiendo un gran potencial para ello. El objetivo de los sistemas energéticos es la satisfacción de los servicios de energía necesarios en los diferentes sectores de la sociedad y la economía (residencial, comercial, industrial, transporte, minería, agricultura, etc.). La eficiencia energética hay que lograrla en todos los eslabones de la cadena que comienza en las fuentes de energía primaria, y termina en los equipos de uso final. Durante muchos años la mayor atención en el sector energético se prestó al lado de la producción y suministro de energía, mientras

13 que en las últimas décadas se ha estado haciendo mucho énfasis en las tecnologías y equipos de uso final eficientes y en la administración de la demanda. El potencial de ahorro de energía en los países subdesarrollados es actualmente mucho mayor que en los desarrollados por varias razones, dentro de las cuales se pueden señalar:

1. Las actividades energointensivas están creciendo a mayor ritmo en los países en desarrollo, de modo que existen mayores oportunidades de lograr ahorros de energía en nuevas instalaciones, que es donde el potencial de ahorro es mayor.

2. Los precios de la energía han sido tradicionalmente más bajos, subsidiados, por lo que el mercado no ha estimulado el ahorro de energía.

3. Ha faltado acceso a tecnologías comerciales para el incremento de la eficiencia energética.

4. Han sido muy limitadas las fuentes de financiamiento para proyectos de eficiencia energética.

Aún existen grandes insatisfacciones por los resultados logrados en la Región. Del lado del consumo, se consideran aún insuficientes la acción institucional y legislativa sobre la eficiencia energética, la capacidad de planificación y gestión para una mejor asignación de recursos y manejo de la demanda energética, y la educación y divulgación sobre la eficiencia energética, entre otras.

El crecimiento económico de los países de la Región a alcanzar en los próximos años y, por tanto, el aumento sostenido de la producción y del bienestar de la población, requerirá indudablemente de mayores consumos energéticos. Pero ese aumento en la producción y consumo de la energía para soportar el crecimiento económico, deberá contribuir a la equidad social y realizarse en armonía con el medio ambiente.

Se requerirá de energía confiable, asequible a bajo costo, económicamente viable, socialmente aceptable y ambientalmente sostenible.

Se considera que el potencial de ahorro de energía alcanzable en los países de la Región es del 20-50 % en el caso de mejoras en instalaciones existentes y del 50-70 % en nuevas instalaciones.

14 Factores de Éxito en los Procesos de Eficiencia Energética

Aun cuando es difícil determinar con precisión la influencia de los diferentes factores y mecanismos en el incremento de la eficiencia energética al nivel de un país, es un hecho que en los países industrializados los cambios tecnológicos, la introducción de equipos y tecnologías eficientes, son los que permiten explicar más de dos tercios de esta disminución, atribuyéndose el resto a cambios estructurales.

Las experiencias internacionales, en particular las de los países industrializados, permiten afirmar que la obtención de resultados significativos en el campo de la eficiencia energética está estrechamente ligada a los marcos regulatorios que contribuyen a eliminar barreras, siendo fundamental un liderazgo por parte del gobierno y de dispositivos o agencias especializadas.

Estas experiencias internacionales han demostrado que la existencia de precios "reales" de los energéticos es una condición necesaria, pero no suficiente, para fomentar el uso eficiente de la energía. La existencia de distorsiones que impiden un funcionamiento adecuado de las señales económicas exige un rol protagónico del estado.

Una política de uso eficiente presupone además la responsabilidad por parte del gobierno de generar un compromiso nacional en torno al tema, desarrollar un sistema de capacitación de los distintos actores involucrados y canalizar recursos financieros nacionales hacia la promoción, difusión y masificación de las tecnologías energéticamente eficientes.

Dentro de los programas de eficiencia energética en el ámbito internacional se destacan seis mecanismos principales para contribuir al éxito de los mismos: 1. Adopción de una Ley. En numerosos países destaca la promulgación de una ley específica sobre eficiencia energética que complementa la legislación sectorial en el área de energía.

2. La agencia o ente especializado Un segundo mecanismo que destaca con nitidez en las experiencias internacionales exitosas en esta materia es la creación de un dispositivo, de un ente especializado o agencia, que se constituye en un instrumento fundamental en la aplicación de programas, normas y estándares que se relacionan con la promoción del uso eficiente de la energía. La creación de una agencia especializada incluye, en algunos casos, la tarea de incentivar el uso de

15 las fuentes renovables de energía.

3. Las normas y los estándares de eficiencia

Un tercer mecanismo lo constituye la definición de normas y estándares de eficiencia, que los países han empleado con frecuencia para racionalizar el consumo de energía. En la gran mayoría de los casos son de carácter obligatorio y relativamente amplios en su cobertura, abarcando con mayor énfasis las áreas de construcción, bienes electrodomésticos y producción industrial.

4. Medidas y programas de uso eficiente de la energía

Un cuarto mecanismo lo constituye la aplicación de medidas y de programas de uso eficiente de la energía, que incluyen la implantación del etiquetado y de sellos de calidad energética. Normalmente estas medidas y programas poseen cobertura nacional y son aplicables al conjunto de actividades que se relaciona con el consumo de energía. El análisis de la experiencia internacional sobre uso eficiente de la energía permite constatar que las medidas y programas de uso eficiente de la energía son orientados preferentemente al consumo de las empresas, construcción de viviendas, comercio, transporte y del sector público.

En ese contexto, la participación activa de las empresas energéticas y energointensivas en los programas de uso eficiente de la energía es una condición esencial, a través de programas especiales de eficiencia, auditorías energéticas, designación de gerentes de energía, etc.

En general estas medidas son de naturaleza económica y fiscal, y adoptan la forma de concesión de créditos con interés preferencial, depreciación acelerada de equipos, y apoyo financiero para la ejecución de auditorías, entre otras.

5. Acuerdos Voluntarios (AV)

Los acuerdos voluntarios constituyen un mecanismo de eficiencia energética que se basa en la autoregulación de los principales consumidores de energía con el propósito de promover determinados patrones de conducta que impacten en la demanda energética de manera socialmente deseable. Los mecanismos empleados pueden ser alianzas o pactos industriales; acuerdos negociados, códigos de conducta, eco- contratos y fijación de estándares técnicos voluntarios.

En algunos países desarrollados los acuerdos voluntarios se transforman en instrumentos con fuerza legal y establecen obligaciones para las empresas que los suscriben, en materias tales como formulación de planes y programas de uso eficiente de la energía y monitoreo de consumo energético.

16 6. Precios reales, costos de la energía y externalidades

En la mayoría de los países desarrollados se advierten medidas específicas destinadas a establecer las condiciones para que los precios de los energéticos reflejen lo más ajustadamente posible sus costos reales, lo que si bien es mencionado como una condición necesaria para el funcionamiento de los mercados, no es suficiente para que éstos cumplan adecuadamente su papel en la asignación de los recursos y en la orientación de una conducta racional de parte de inversionistas y consumidores, de donde deriva la necesidad de adoptar vigorosas políticas de Estado.

En este contexto, la valoración/monetización de las externalidades ha sido uno de los mecanismos adoptados con el fin de corregir las distorsiones que genera la no inclusión, por ejemplo, de los impactos ambientales en los precios de los energéticos. Tal inclusión permitiría establecer condiciones de igualdad entre las diversas fuentes de energía y un mayor atractivo a las tecnologías ligadas a la eficiencia energética y a la conversión de las energías renovables.

3.1.5. Panorama general de las tecnologías y los sistemas energéticos

eficientes.

3.1.5.1. Eficiencia energética en sistemas de refrigeración y aire acondicionado.

Los objetivos y aplicaciones de la refrigeración son muy variados, abarcando desde la climatización de espacios a temperaturas de 20 ó 25 °C, hasta la producción de frío a bajas temperaturas para la conservación de alimentos en cámaras frigoríficas a menos 30 °C. Se acostumbra a llamar climatización a aquellas aplicaciones que trabajan a temperaturas algo inferiores a las ambientales, y refrigeración a las que trabajan a temperaturas mucho más bajas, normalmente desde + 10 °C hasta - 25 °C, o más bajas.

En ambos casos los principios termodinámicos que se aplican son los mismos,

Las instalaciones frigoríficas son altamente consumidoras de energía, y en algunos casos representan los mayores consumos, tal como sucede en algunas industrias alimentarias, frigoríficos, fábricas de hielo, edificios comerciales y hoteles turísticos

Los sistemas de refrigeración se pueden dividir en tres tipos básicos:

• Sistemas de compresión mecánica.

• Sistemas de absorción.

• Sistemas de eyección de vapor. El tipo de sistema más utilizado es el de compresión mecánica, aunque en

17 aplicaciones específicas puede resultar ventajoso el empleo de otro tipo. En particular, los sistemas de absorción pueden resultar convenientes en casos de bajos costos del gas natural y altos costos de electricidad, o cuando exista la posibilidad de aprovechamiento de alguna corriente de calor residual. Especial interés está tomando la aplicación de equipos de refrigeración por absorción en sistemas de cogeneración, combinando la producción de electricidad, calor y frío, sistemas que se conocen como de trigeneración.

Sistemas de compresión mecánica. Un sistema de compresión mecánica está formado por cuatro elementos fundamentales: compresor, evaporador, condensador y dispositivo de expansión, además de la sustancia de trabajo o agente de transformación que recibe el nombre de refrigerante.

El ciclo se desarrolla entre dos niveles de presiones, la llamada presión de alta o presión de condensación y la llamada presión de baja o presión de evaporación, es por ello que con frecuencia se hace alusión al lado de alta y al lado de baja del sistema de refrigeración.

Este ciclo como su nombre lo indica, tiene como finalidad la producción de frío o sea la reducción de la temperatura del objeto de la refrigeración. Este proceso de reducción de temperatura ocurre a expensas de la evaporación del agente refrigerante en el evaporador.

El calor absorbido en el evaporador (equivalente a la refrigeración producida), es transportado por el propio refrigerante hasta el condensador donde este es rechazado.

Los sistemas de refrigeración de compresión mecánica están integrados por cuatro componentes básicos:

• Compresor

• Condensador

• Dispositivo de expansión

• Evaporador Para el estudio de este ciclo, se debe hacer referencia obligada a su representación en el diagrama Presión-Entalpía, la que constituye una herramienta fundamental del técnico frigorista.

Condensador

Evaporador

Compresor Válvula deexpansi

Fluido de enfriamiento del condensador

Fluido o medio a enfriar

Sistema de refrigeración de compresión mecánica de vapor

18 Procesos: 1-2 Proceso de compresión a entropía constante. 2-3 Proceso de desobrecalentamiento del gas. 3-4 Proceso de condensación a presión constante. 4-5 Proceso de subenfriamiento del líquido. 5-6 Proceso de estrangulación a entalpía constante. 6-7 Proceso de evaporación a presión constante. 7-1 Proceso de sobrecalentamiento del gas de succión.

Indicadores Energéticos fundamentales de un ciclo de refrigeración por compresión de vapor.

Para la caracterización de las condiciones de funcionamiento, en particular las energéticas, se hace uso de los llamados Indicadores Energéticos. Algunos de ellos, brindan esta información de manera directa, otros reflejan su repercusión en la eficiencia del ciclo o en las condiciones de explotación en general.

Efecto refrigerante (q)

q = ( isal – ient)evap , kJ/kg.

Se hace necesario precisar, que en este caso, la entalpía de salida del evaporador no necesariamente será igual a i7 , pues de hecho, se presenta sobrecalentamiento y no condiciones de saturación en este punto.

Capacidad de refrigeración

Q = q ∗ Gr , kW

Gr: Flujo de refrigerante (Kg/s).

h

6 1

2 5

P

3 4

7

Representación del ciclo por compresión de vapor en el diagrama presión vs. entalpía

19 El calor removido constituye la Capacidad Frigorífica del sistema, la cual se expresa con mucha frecuencia en Toneladas de Refrigeración.

Una Tonelada de Refrigeración es la cantidad de calor que debe extraerse para congelar una tonelada (inglesa) de agua a 32 0F y convertirla en hielo a 32 0F a presión atmosférica en un día.

1 tonelada de refrigeración

es igual a:

Sistema Ingles Sistema Métrico Sistema Internacional

2 888 000 Btu/día 72 000 kcal/día 303.84 MJ/día

12 000 Btu/h 3 000 kcal/h 12 660 kJ/h

200 Btu/min 50 kcal/ min 211 kJ/min

Trabajo del compresor ( l )

l = (i2 – i1) , kj/kg.

Potencia teórica demandada por compresor Pt= l ∗ Gr , Kw

Potencia real demandada por compresor (P)

Pr = l ∗ Gr ∗ηv , Kw

Siendo ηv la eficiencia volumétrica del compresor. Relación de compresión (Rc)

Rc = PsPd

Los valores de presión de descarga y de succión del compresor (Pd y Ps) deberán estar expresados como valores de presión absoluta.

Calor rechazado por el condensador (Qc) Qc= ( i2 - i5) * Gr , Kw Debe notarse que el calor rechazado en el condensador es resultado de los siguientes procesos.

1- Proceso de desobrecalentamiento del gas que incluye la región de vapor sobrecalentado (calor sensible).

2- Proceso de cambio de fase (calor latente). 3- Proceso de subenfriamiento en la región de liquido subenfriado (calor

sensible).

20 Coeficiente de funcionamiento del Ciclo (COP)

COP = lq ; ó COP=

PrQ

Eficiencia Energética (Energy Efficiency Ratio, EER) Se define como la relación entre el calor removido (carga frigorífica) y la potencia eléctrica total consumida:

WattsconsumidaeléctricaPotenciahBturemovidoCalor

EER,

/,=

La EER se relaciona con el COP mediante la siguiente expresión:

WattBTUEERCOP

/412.3=

Eficiencia Energética Estacional (Seasonal Energy Efficiency Ratio, SEER)

horaWattsconsumidaeléctricaEnergíaBtudadoperiodounenremovidoCalor

SEER−

=,

,

Índice de consumo de potencia (KW/Ton) Con frecuencia se utiliza también para caracterizar la eficiencia de un equipo de refrigeración el índice que refleja la potencia consumida en KW por cada tonelada de refrigeración.

Oportunidades de ahorro de energía en los sistemas de refrigeración Existen oportunidades de ahorro desde el momento de diseño de los sistemas de refrigeración y climatización, y otras factibles de aplicar durante la explotación de las instalaciones existentes.

En la etapa de diseño y proyecto se pierden en muchas ocasiones las mejores oportunidades de lograr instalaciones eficientes, consistentes con la necesidad del ahorro de energía, las que una vez en funcionamiento tienen pocas posibilidades de corrección por parte del personal de explotación interesado en esta tarea. Tal es el caso, por ejemplo, del sobredimensionado del equipamiento, la no incorporación al diseño de los principios de la física ambiental y la arquitectura bioclimática para reducir las cargas de enfriamiento, la mala ubicación de condensadores, etc.

Las medidas para reducir el consumo y los costos energéticos en las instalaciones de refrigeración se pueden agrupar en tres direcciones fundamentales:

21 Reducción de la carga térmica de refrigeración a satisfacer por el sistema

La carga térmica global o carga frigorífica a satisfacer por un sistema de refrigeración está compuesta por los siguientes elementos:

• Carga aportada por el producto, medio o fluido a enfriar.

• Flujo de calor sensible procedente del exterior.

• Carga sensible interna, aportada por motores, alumbrado y equipos internos.

• Carga sensible y latente del aire de renovación e infiltraciones. Los primeros pasos al tratar de disminuir el consumo de energía en una instalación frigorífica deben darse en la dirección de reducir la carga térmica. Hay que recordar que al disminuir la carga térmica, no solo se disminuye el consumo de energía en los compresores de refrigeración, sino también en las bombas de circulación, los ventiladores de torres de enfriamiento y otros equipos auxiliares.

Otro principio a tomar en consideración en cualquier tipo de sistema de enfriamiento, es utilizar primero los agentes de menor costo energético; esto es, comenzar con el aire ambiente, seguir con el agua a temperatura ambiente, luego el enfriamiento evaporativo directo, el indirecto, y solo al final recurrir a los sistemas de refrigeración. Nunca enfriar algo mediante un sistema de refrigeración que sea factible de enfriar con otro agente disponible.

En el caso de las cámaras frigoríficas, el aislamiento es el factor más importante en el consumo energético, siendo mayor su importancia mientras menor es la temperatura interior, como es el caso de las cámaras de congelación. Es también importante disponer de una adecuada barrera de vapor, como protección contra la entrada de vapor de agua, el cual deteriora el aislamiento y los productos almacenados.

Es necesario prestar atención a la selección del material y el espesor económico del aislante, logrando que para un determinado precio de la energía se reduzcan

MEDIDAS PARA REDUCIR EL CONSUMO Y LOS COSTOS ENERGÉTICOS EN SISTEMAS DE

REFRIGERACION Y CLIMATIZACION

Reducir la Carga Térmica de

Refrigeración

Incrementar la Eficiencia del

Sistema

Almacenamiento

de Frío

22 al mínimo los gastos totales. En el diseño de las cámaras debe tratarse también de disminuir la superficie envolvente total, de reducir las paredes expuestas a cargas externas, y de disminuir la potencia de los equipos interiores y las infiltraciones de aire.

Principales medidas para reducir la carga térmica en los sistemas de refrigeración y climatización Sistemas de Refrigeración Comerciales e Industriales • Mantener la temperatura en las cámaras al máximo admitido por los procesos

y productos • Introducir los productos en las cámaras a la menor temperatura posible. • Aprovechamiento máximo de la capacidad de las cámaras y reducción del

número de cámaras en operación. • Maximizar la superficie común entre cámaras en operación. • Seccionalización de cámaras subutilizadas. • Mantener el aislamiento térmico y el sellaje de las cámaras en buen estado y

evaluar si en las condiciones actuales su espesor resulta el económico. • Reducir las entradas de aire exterior mediante adecuada hermeticidad de las

puertas, empleo de puertas automáticas, cortinas, y antecámaras, y reducir el tiempo de apertura de las puertas mediante medidas organizativas.

• Reducir la potencia de los equipos interiores. Apagado de luces en cámaras cerradas, uso de iluminación y equipos eficientes.

• Reducción de empaques y soportes innecesarios en el almacenamiento de productos.

• Mantener condiciones de circulación del aire adecuadas dentro de las cámaras, espacios entre los productos que aseguren la circulación de aire y la uniformidad de temperatura. Mantener la velocidad del aire sobre los productos en valores entre 2 y 7 m/s.

Sistemas de Climatización • Realizar pruebas del sistema y de su balance durante la explotación del

sistema. • Mantener en los locales climatizados la temperatura máxima de acuerdo con

los valores de confort en función de las condiciones ambientales. • Desconectar el aire acondicionado en áreas que no se ocupan. • Apagar el equipamiento cuando este no sea necesario. • Comenzar la regulación de capacidad o la desconexión del equipo cuando se

conozca el momento de salida de los ocupantes. • Arrancar los equipos o regular su capacidad en aumento lo más tarde posible

con relación al momento de ocupación sin afectar el confort.

23 • Cerrar los dampers o compuertas de aire exterior en los momentos cercanos a

los arranques y paradas. • Limpiar de manera regular las superficies de intercambio de calor de

evaporadores, condensadores, fan-coils, unidades manejadoras de aire, etc. • Emplear dispositivos de desconexión del aire acondicionado cuando las

terrazas y/o ventanas se encuentren abiertas. • Apagar la iluminación y desconectar los aparatos eléctricos cuando estos no

sean necesarios, ya que contribuyen a aumentar la carga térmica en el lugar. • Ubicar el termostato en zonas lejanas a fuentes de calor, ya que puede

mandar señales de falta de enfriamiento, haciendo que trabajen más los equipos.

• En los casos que sea posible, no permitir que personal no autorizado reajuste los termostatos.

• Apantallamiento exterior utilizando árboles y otros dispositivos de sombra para reducir la carga exterior.

• Mantener los aislamientos en tuberías y conductos para aire acondicionado en buen estado, eliminando fugas de aire.

• Sustituir los sistemas de iluminación por sus equivalencias más eficientes. • Sustituir los equipos convencionales por equipos más eficientes. • Utilizar aislantes o pinturas reflectivas en la superficie exterior de techos. • Cubrir las ventanas y cristales con películas reflejantes. • Garantizar la máxima hermeticidad en las puertas y ventanas de los locales

climatizados, así como en las aberturas para la colocación de los climatizadores, y procurar que las puertas dispongan de dispositivos para su cierre automático.

• Limpieza mensual como mínimo, o con más frecuencia si las condiciones particulares lo exigen, de los filtros de los climatizadores y mantenimiento periódico a todo el equipo (2 veces al año como promedio).

• Reducir el uso de equipos que generen calor en los locales climatizados, tales como cocinas y planchas.

• Organización y agrupamiento del personal áreas de trabajo en forma que permita reducir el uso de locales climatizados, o eliminar acondicionadores de aire, extractores o ventiladores.

• Posible eliminación de tabiques o divisiones - según las características del trabajo y condiciones del local- para facilitar una mejor circulación del aire en los lugares climatizados y poder, en consecuencia, disminuir el régimen de trabajo de los equipos.

• Instalar los climatizadores de ventana, siempre que las condiciones lo permitan, en el lugar más fresco del local, a una altura no menor de 1,20 m del

24

piso o del techo, en la pared de mas sombra; que por la parte exterior tengan una adecuada circulación de aire y que tampoco se obstaculice su circulación interior.

• En los locales con paredes de cristalería no reflectante hacia el exterior, utilizar apantallamiento con árboles y plantas ornamentales, o la utilización de cortinas u otros aislantes que, aunque pudiera conllevar un cierto incremento en la necesidad de iluminación, siempre seria menor en el orden de la demanda energética.

• En el caso de nuevas inversiones, principalmente hospitales y hoteles, considerar el uso de controles computarizados para la climatización centralizada, y de centinelas automáticos que conecten y desconecten los equipos en dependencia de que las habitaciones estén o no ocupadas, y aplicar por los proyectistas todos los principios de la física ambiental y la arquitectura bioclimática.

• Realizar una rutina de mantenimiento consistente en lubricación, tensión de correas de ventiladores, etc.

• Arrancar equipos en secuencia para limitar la demanda máxima de consumo eléctrico.

Principales medidas aumentar la eficiencia de los sistemas de refrigeración y climatización Dentro de las principales medidas que se pueden emplear para incrementar la eficiencia de los sistemas de refrigeración industrial están las siguientes:

• Reducción de la presión (temperatura) de condensación. • Operar con la mayor presión (temperatura) en el evaporador admitida por

el proceso o los productos a conservar. • Operación económica de sistemas con múltiples compresores. • Recuperación del calor de condensación.

Reducción de la presión (temperatura) de condensación El método que logra una mayor reducción en la potencia consumida por el compresor de un sistema de refrigeración, no hablando ya de la reducción de la carga térmica, es la disminución de la presión (temperatura) de condensación. Téngase en consideración que el aumento de la temperatura de condensación en 1°C origina un sobreconsumo de energía eléctrica entre un 2% y un 2.5%.

Dentro de las acciones en el sistema de condensación para ahorrar energía están:

• Correcta ubicación de los condensadores enfriados por aire.

• Tratamiento adecuado del agua de enfriamiento para evitar incrustaciones en las superficies de transferencia de calor.

• Limpieza periódica de las superficies de transferencia.

25 • Purga de los gases incondensables del sistema. Purgar o revisar el

funcionamiento de las purgas de gases incondensables del sistema.

• Ampliación de la capacidad de los condensadores.

• Lograr un correcto funcionamiento de las torres de enfriamiento.

• Operar con presión de condensación variable. Variar la velocidad o cantidad de ventiladores en servicio en torres de enfriamiento y condensadores evaporativos.

Existen oportunidades para reducir la presión de condensación cuando el sistema de condensación, las torres de enfriamiento, los condensadores evaporativos o condensadores enfriados por aire, estén trabajando por debajo de su capacidad máxima. Como el sistema de condensación se diseña para las condiciones de verano, en el invierno existe un exceso de capacidad en el mismo. Con frecuencia en los sistemas de refrigeración se utiliza un control de la presión de condensación, que mantiene esta en un valor fijo para asegurar una operación segura, independientemente de la temperatura ambiente, controlando la operación de los ventiladores del sistema de condensación. Esta presión fija mantiene un flujo de refrigerante adecuado, evita la congelación de los condensadores evaporativos en climas fríos, y garantiza la adecuada caída de presión en la válvula de expansión para que esta opere correctamente y el adecuado suministro de gas caliente para el desescarche de los evaporadores. Sin embargo, la operación con presión de condensación flotante, manteniéndola siempre por encima del valor mínimo requerido por la válvula de expansión y el circuito de desescarche por gas caliente, puede reducir significativamente el consumo de energía.

Por ejemplo, los condensadores evaporativos en los sistemas de amoniaco se diseñan normalmente para que garanticen una temperatura/presión de condensación de 95 0F/180 psig. La operación a 85 0F/152 psig permite reducir el consumo total de potencia del sistema en un 4 % comparado con la operación a 95 0F.

Elevación de la presión (temperatura) del evaporador La elevación de la temperatura del evaporador reduce la energía requerida por la máquina de refrigeración, ya que esta tiene que realizar un menor trabajo por cada tonelada de refrigeración producida. La reducción de la potencia depende del tipo de máquina; por ejemplo, para una máquina centrífuga en aplicaciones de aire acondicionado, la reducción en el consumo de energía es de aproximadamente 1.5 % por cada grado Fahrenheit de incremento en la temperatura del evaporador.

Por supuesto, que la elevación de la temperatura del evaporador está limitada por el mantenimiento de los requerimientos del proceso o temperatura a mantener en

26 las cámaras de acuerdo a los productos almacenados en ellas. Lo primero en este sentido sería mantener las temperaturas en las cámaras tan altas como los productos lo permitan. En instalaciones de producción de agua helada en chillers, existirá oportunidad de incrementar la temperatura del evaporador si el flujo de agua helada a uno o varios consumidores está estrangulado; en este caso se puede aumentar la temperatura del evaporador, y en consecuencia la temperatura del agua helada, hasta el punto en que alguno de los consumidores alcanza el flujo total de agua.

Para mantener baja la temperatura en el evaporador es importante eliminar periódicamente la escarcha que se forma en los evaporadores, lo cual se realiza mediante los sistemas de desescarche. Los sistemas más empleados para el desescarche de los evaporadores, bien sea por aire, eléctrico o por gas caliente. Revisar el funcionamiento automático del sistema de descongelación. La explotación de las cámaras realizando descongelaciones manuales, conduce a sobreconsumos pues la tendencia es a descongelarlas solo cuando se observa un bloqueo importante del evaporador, lo cual no se hace a diario. Esto es particularmente importante en las cámaras de congelación donde no deberán existir menos de tres descongelaciones al día. Tener presente que en el caso de grandes evaporadores forzados, los consumos eléctricos relativos a los ventiladores son significativos, por lo que deberán también ser revisados.

Chequear el sobrecalentamiento del gas en la succión de los compresores alternativos. No deberán permitirse valores superiores a los 25 °F, en el caso contrario solicitar a un técnico su corrección, lo cual se logra a través del ajuste de la válvula de expansión termoestática. Chequear que la tubería de succión se encuentre aislada correctamente, en caso contrario pudiera tener repercusión en la magnitud del citado sobrecalentamiento del gas en la succión de los compresores.

Drenar el aceite cuando este se acumule de manera excesiva en las proximidades de los evaporadores.

Recuperación del calor de condensación Otra área de oportunidad para incrementar la eficiencia de un sistema de refrigeración industrial está en la recuperación del calor de condensación, el cual es igual a la carga frigorífica más el trabajo de compresión.

La recuperación de calor se puede realizar directamente en los condensadores enfriados por agua, o también instalando un intercambiador de calor entre la descarga del compresor y el condensador evaporativo.

27 El calor recuperado se puede utilizar en algunos consumidores de calor a baja temperatura, como pudieran ser el calentamiento de envases, la calefacción de edificios, o agua caliente para servicios o para algún proceso en particular.

Particularidades del ahorro de energía en los diferentes sistemas de climatización • Sistemas que utilizan unidades de ventana La principal posibilidad de ahorro de energía en estos sistemas se anula cuando se permite el drenaje libre del agua resultado del proceso de deshumidificación del aire, ya que cuando es taponeado el orificio de drenaje, el ventilador permite el rociado de la misma contra la superficie del condensador, aprovechando las ventajas del efecto de evaporación de la misma y logrando así la disminución de la presión de condensación con el consiguiente aumento del COP.

Es de especial interés también, mantener la limpieza de los filtros así como de las superficies de intercambio de calor del evaporador y condensador. En caso contrario aparecerán sobreconsumos. Es i9mportante revisar estado de los ventiladores y en especial de la lubricación de sus rodamientos. Téngase en cuenta que en este caso es el propio usuario el que administra la energía mediante el ajuste del termostato.

• Sistemas que utilizan acondicionadores split piso-techo, consolas, split cassette o similares

Especial revisión deberá hacerse de las condiciones de ventilación de las unidades de condensación, pues suelen ser utilizadas estas unidades en la actualidad para acondicionar muchos espacios no concebidos para ello de acuerdo a la época en que fueron proyectados, apareciendo por lo general su explotación bajo condiciones de mala ventilación. Deberá realizarse la corrección de tales condiciones de explotación. En muchos casos aparecen disposiciones arbitrarias de rechazo de calor en locales interiores, los cuales en caso de imposibilidad de corrección total deberán ser mejorados al menos por la vía de la ventilación forzada y por supuesto con costos energéticos inferiores a los casos de alta presión de condensación por mala ventilación.

Es aplicable también en este caso todo lo referente a filtros, estado de limpieza de las superficies de intercambio de calor y ventiladores.

Aparece ahora una mayor posibilidad de ahorro a través del control de la temperatura del espacio, tal vez se requiera de instruir al personal de la importancia del ajuste del termostato.

• Sistemas todo aire En aquellos sistemas donde se distribuya aire por conductos a los locales, ya sea los grandes sistemas “todo aire“, o los sistemas por conductos y baterías de

28 expansión directa, se deberá velar especialmente por la limpieza de los filtros tanto en los sistemas de toma de aire exterior, como de impulsión y retorno, el incremento de la caída de presión en los mismos trae consigo sobreconsumos de energía eléctrica importantes. Todo lo ya mencionado con relación a los ventiladores es también aplicable.

En el caso de los sistemas con toma de aire exterior deberá chequearse el ajuste de la compuerta en el conducto de aire exterior de acuerdo a la exigencia de ventilación para la instalación en cuestión, y solo deberá corregirse en caso de excesos, pues es una mala práctica ahorrar energía a expensas de la limitación de aire exterior por debajo de los requerimientos.

• Sistemas todo agua Se identifican bajo este término aquellas instalaciones donde se distribuye agua fría a las distintas dependencias a partir de enfriar agua en equipos centralizados que reciben el nombre de chillers, y se usan como unidades terminales los llamados fan-coils o unidades manejadoras de aire.

En el caso de las unidades terminales ya sea por fan-coils o manejadoras de aire es aplicable también en este caso todo lo referente a limpieza de filtro y comprobación del estado de los ventiladores y la lubricación de sus cojinetes.

Especial interés se deberá prestar al funcionamiento de los chillers. Las instalaciones más modernas, tienen concebida la explotación eficiente de los mismos lo cual se logra a través de la regulación automática de la capacidad mediante el uso de un microprocesador. Se deberá determinar en primer lugar si la programación permite el trabajo a cargas parciales y esta se ejecuta de manera adecuada, en caso contrario se requiere de corrección.

Existen oportunidades de ahorro importantes mediante la aplicación de estrategias operacionales de ajuste de la temperatura del agua helada y la capacidad en operación de acuerdo a las condiciones climáticas sin afectar el confort en los locales climatizados.

Se puede utilizar también un economizador para reducir significativamente el consumo de energía cuando la temperatura exterior es baja, el cual consiste en un serpentín por el que circula agua directamente de la torre de enfriamiento y con ella se logra el enfriamiento necesario del aire al local.

La regulación del flujo de agua helada en función de la carga frigorífica mediante variación de velocidad de las bombas constituye otra importante posibilidad de reducir el consumo en estos sistemas.

En la actualidad es posible encontrar en el mercado instalaciones de este tipo realmente muy eficientes, con la sustitución incluso de la conocida válvula de

29 expansión termostática por una válvula de expansión eléctrica, que permite una regulación muy precisa de la capacidad y es asistida por el microprocesador. Tal equipamiento está concebido por el fabricante con el objetivo primario del ahorro de energía.

Acumulación de frío El almacenamiento de frío puede constituir una alternativa para reducir los costos energéticos y de inversión en aquellos sistemas de refrigeración y climatización con una demanda variable durante el día. Esta técnica, que se ha aplicado prácticamente desde los inicios de la refrigeración industrial, permite reducir la capacidad instalada, con la consiguiente disminución de los costos fijos, así como reducir la demanda máxima y el consumo de energía en los horarios de mayor costo de la electricidad, con la correspondiente disminución de la facturación eléctrica.

El principio de este método es trabajar los equipos a mayor carga durante los horarios base o intermedios, acumulando frío durante ellos, el que será utilizado en los horarios punta.

En los sistemas de refrigeración se pueden utilizar tres métodos fundamentales para el almacenamiento de frío:

1. Almacenamiento de agua helada. 2. Almacenamiento de hielo. 3. Almacenamiento de salmuera.

En los sistemas de acondicionamiento de aire se puede utilizar el pre-enfriamiento de los locales, aprovechando los horarios de menor costo de la electricidad, lo cual es también una modalidad del almacenamiento de frío.

En resumen, el almacenamiento de frío posibilita:

1. Reducir la capacidad instalada y los costos fijos. 2. Reducir el cargo por demanda máxima. 3. Reducir el costo promedio de la energía eléctrica (costo del kWh).

30 3.1.5.2. Eficiencia energética en sistemas de bombeo y ventilación

Introducción

Las bombas, los ventiladores y los compresores han tenido y tienen un papel decisivo en el desarrollo de la humanidad. No es posible imaginar los modernos procesos industriales y la vida en las grandes ciudades sin la participación de estos equipos. Están presentes en las grandes centrales termoeléctricas, en las empresas de procesos químico donde resultan buenos ejemplos las empresas de fertilizantes y las refinerías de petróleo, en las industrias alimenticias tales como combinados lácteos, fábricas de refrescos, maltas y cervezas. Están presentes también en los equipos automotores y de izajes de cargas. Tienen un decisivo papel en el confort de los grandes asentamientos humanos con el suministro de agua, evacuación de residuales y suministro de aire acondicionado. Los equipos de bombeo en particular son decisivos en los sistemas de riegos para la producción agrícola de alimentos.

Las bombas, ventiladores y compresores transforman la energía mecánica que reciben del motor en energía del fluido. Se denominan bombas a los equipos que trasiegan fluidos incompresibles (densidad ρ = constante) y ventiladores, soplantes y compresores cuando el fluido es compresible (densidad ρ = variable)

La cantidad de bombas, ventiladores y compresores de distintos tipos producidos hoy por las industrias de los países de más desarrollo supera los millones de unidades por años. La explotación de estos equipos requiere una parte considerable del balance energético nacional. En Estados Unidos el 24% de la energía se utiliza en equipos de bombeo. En México los equipos de bombeo consumen el 22 % de la electricidad total generada en al país, y representan el 22 % del consumo de energía en el sector industrial.

Dentro de los diferentes diseños de bombas, las centrífugas cubren cerca del 85 % de las aplicaciones, por lo que en lo adelante se hará un énfasis especial en este tipo de bomba.

Es por todo lo anterior que las investigaciones teóricas y experimentales dirigidas al perfeccionamiento de los procesos físicos que ocurren en el interior de los equipos de bombeo y el aumento del rendimiento de los mismos tienen una gran importancia. A ello se une la necesidad de determinar las oportunidades de ahorro de energía en los equipos en explotación, como una vía de incrementar la rentabilidad empresarial y elevar la competitividad.

Características hidráulicas de un sistema de tuberías. Tipos de sistemas.

31 En la figura siguiente se muestra un esquema simple de un equipo de bombeo acoplado a un sistema de tubería, él será la referencia para el análisis de la característica hidráulica del sistema de tubería.

Aplicando la Ecuación de Bernoulli entrelos niveles 1-1 y 2-2y denominando al trabajo de la máquina como Hb (trabajo de la bomba) se tiene:

∑+++=+++2

12

22

2

21

21

1

1

22 fhZg

vpHbZ

gvp

γγ

Donde:

Hb.- Carga de impulsión del equipo de bombeo. (Trabajo de la bomba)

∑2

1fh .- Sumatoria de pérdidas fricciónales (Pérdidas de energía) en el sistema

de tuberías. Para el sistema analizado las pérdidas fricciónales (pérdidas de energía) se expresan por la ecuación:

∑∑ ∑ +=2

1

2

1 1ACCESORIOS

DETUBERIATRAMORECTO hfhfhf

Es necesario recordar que las pérdidas fricciónales (pérdidas de energía) en el tramo recto de tubería se determinan según la Ecuación de Darcy – Weisbach.

gv

dlhf

DETUBERIATRAMORECTO 2

22

1λ=∑

donde:

Bomba centrífuga acoplada al sistema de tubería.

32 λ.- Coeficiente de fricción de la tubería. Y que las pérdidas fricciónales de (pérdidas de energía) en los accesorios de tubería se calculan según la ecuación:

gvhf2

2

ξ=

donde:

ξ.- Coeficiente de pérdida del accesorio. Para simplificar el análisis se consideran las tuberías de succión y descarga de sección constante y diámetro d, por lo cual la velocidad es:

CONSTANTEvvv == 21

y se obtiene la expresión

⎟⎠

⎞⎜⎝

⎛+= ∑ ∑∑

2

1

2

1

2

1

2

2 ndl

gvhf ξλ

Haciendo uso de la Ecuación de Continuidad

vAQ ∗=

Despejando la velocidad ( v ) en función del flujo volumétrico (Q ) y sustituyendo, las pérdidas fricciónales quedan expresadas como:

⎟⎠

⎞⎜⎝

⎛+= ∑ ∑∑

2

1

2

1

2

12

2

2 ndl

gAQhf ξλ

Donde el término

Kdl

gA n =⎟⎠

⎞⎜⎝

⎛+∑ ∑

2

1

2

122

1 ξλ

Ecuación que se puede expresarcomo:

∑ =2

1

2KQhf

De modo que el término carga de impulsión de la bomba (Hb) se expresa por:

212

21

2212

2KQZZ

gvvpp

Hb +−+−

+−

=γ

Dado que la velocidad es constante ( vvv == 21 ) el término 02

21

22 =−gvv

y la

ecuación se expresa:

212

12 KQZZpp

Hb +−+−

=γ

33 En esta ecuación los términos de la derecha de la igualdad determinan el comportamiento de la red de tubería y se denominan:

1212 ZZ

ppH ESTATICA −+

−=

γ

2KQH DINÁMICA =

Si no existen cambios en el proceso de explotación del conjunto máquina – sistema de tubería, la carga estática será constante:

)(1212 cteJZZppH ESTATICA =−+

−=

γ

Lo cual permite expresar la ecuación de la carga de la bombacomo: 2KQJHb +=

Donde se demuestra que la Característica Hidráulica de una red de tubería rige su comportamiento por la ecuación de una parábola desplazada de su centro, del tipo

2bxay +=

Esta ecuación expresa el comportamiento de la energía en una red de tubería y su representación gráfica se aprecia en la figura siguiente.

.

Conociendo las particularidades de trabajo con los sistemas de tuberías, se analiza la forma de interrelación de éstos con las máquinas de flujo. Se recordará algunos criterios importantes de estas máquinas y las transformaciones energéticas que en las mismas tienen lugar.

Característica hidráulica del sistema de tubería

34 Equipos de bombeo La bomba es una máquina que absorbe energía mecánica y entrega al líquido que trasiega energía hidráulica.

Las bombas se emplean para impulsar toda clase de líquidos (agua, aceites de lubricación, combustibles, ácidos; líquidos alimenticios: cerveza, leche, etc.; estas últimas constituyen el grupo importante de las bombas sanitarias). También se emplean las bombas para bombear líquidos espesos con sólidos en suspensión, como pastas de papel, fangos, desperdicios, etc.

Las bombas rotodinámicas pertenecen al tipo de las turbomáquinas. En estas el movimiento de trabajo es siempre rotativo, de ahí su nombre, dado que la dinámica de la corriente juega un papel esencial en la transmisión de la energía al fluido. Ej. Bombas centrífugas.

A las bombas de desplazamiento positivo, pertenecen no solo las bombas alternativas, sino también las rotativas, llamadas rotoestáticas porque en ellas la dinámica de la corriente no juega un papel esencial en la transmisión de la energía al fluido. Su funcionamiento se basa en el principio de desplazamiento positivo consistente en la reducción del volumen de la cámara que contiene el fluido al desplazarse una de las paredes que forman la cámara. Ej. El proceso de compresión que ocurre sobre un fluido por el movimiento de un émbolo o pistón en el interior de una camisa o cilindro.

Del gran conjunto de bombas se limitará el estudio a las bombas centrífugas por ser ellas el tipo más difundido.

Bombas centrífugas. Características hidráulicas. En este tipo de bomba la transmisión de la energía al flujo de líquido desde el árbol de la máquina centrífuga se realiza por el impelente de trabajo en cuyo interior se encuentran los álabes.

El impelente de las máquinas centrífugas está formado por el disco delantero (más cercano a la zona de succión) y el disco principal o propulsor, los cuales quedan unido rígidamente por paletas curvadas (álabes). Se forma entre los discos y las paletas las cavidades de trabajo del impelente por las cuales circula el fluido y donde se produce la transmisión de la energía al fluido. En el disco propulsor se encuentra fundido el cubo que sirve para el ajuste rígido con el árbol de la bomba, el cual entrega al impelente la energía mecánica suministrada por el motor.

Los parámetros fundamentales de trabajo de las bombas son: Carga de impulsión (H).- Energía suministrada por la máquina al fluido. En las bombas generalmente se expresa en unidades de longitud. Ej. Metros de una

35 columna de líquido. Resulta común en nuestro país identificarla por el término de carga de la bomba en m.

Caudal (Q).- Cantidad de líquido que desplaza la máquina en la unidad de tiempo. En las bombas puede denominarse también como flujoy se puede expresar en unidades volumétrica o másicas por unidad de tiempo. Ej m3/s ó kg/s.

Potencia y Rendimiento de las máquinas centrífugas. Potencia útil. (Pu).- Cantidad de energía por unidad de tiempo, entregada al fluido que abandona la máquina por la tubería de descarga.

1000HQgPu

ρ= (kW)

Donde: ρ - Densidad del fluido (kg/m3)

g - Aceleración de la gravedad (m/s2) Q - Flujo volumétrico (m3/s) H - Carga de impulsión (m).

Potencia interna. (Pi).- Energía por unidad de tiempoentregada a todo el fluido que circula por el interior de la máquina.

( ) ( )1000

HHQQgPi Δ+∗Δ+=ρ (kW)

Donde: QΔ .- Pérdidas del flujo volumétrico. (m3/s).

HΔ .- Pérdidas en la carga de impulsión (m).

Esquema de las transformaciones energéticas en una bomba centrífuga

36

Rendimiento interno ( iη ) .- Valora que cantidad de laenergía por unidad de

tiempoentregada a todo el fluido que circula por el interior de la máquina se transforma en energía útil en el fluido por unidad de tiempo. Se obtiene relacionado la Potencia útil y la Potencia interna.

PiPu

i =η

Sustituyendo en la ecuación anterior los términos de Potencia útil y Potencia interna por sus expresiones de cálculo se obtiene la ecuación:

( )( )1000

1000HHQQg

HQg

i Δ+Δ+=ρ

ρ

η

Eliminando términos semejantes en la ecuación anterior, ésta se puede representar en la forma dada en la ecuación:

HHH

QQQ

i Δ+∗

Δ+=η

hvi ηηη ∗=

Donde:

vη - Rendimiento volumétrico.

hη - Rendimiento hidráulico.

El sentido de cada uno de estos rendimientos es:

Rendimiento volumétrico ( vη ).- Valora la cantidad de flujo que sale de la

máquina para ser utilizado de forma útil, respecto al flujo total trasegado por la máquina.

Rendimiento hidráulico ( hη ).- Valora la cantidad de energía por unidad de

tiempo , entregada al fluido que abandona la máquina por la tubería de descarga, con relación a toda la energía entregada al fluido.

Otro rendimiento a considerar en las bombas es el Rendimiento mecánico

( mη ), el cual valora que magnitud de la energía entregada en el eje de la

máquina es transferida al fluido en el interior del equipo, ya sea usada de forma útil o gastada en vencer pérdidas.

El Rendimiento mecánico ( mη ) se determina según la expresión

37

PejePi

m =η

La Potencia al eje requerida por la bomba se determina de la Ecuación

m

PiPejeη

=

Considerando que el Rendimiento interno (ηi) es el producto de los rendimientos hidráulicos y volumétricos se tiene que la Potencia al eje de la bomba se determina según la ecuación:

bbvhm

HQgPuPuPejeη

ρηηηη ∗

==∗∗

=1000

Valores comunes del rendimiento de la bomba (ηb) según el tamaño y calidad de fabricación se ofrecen en la tabla siguiente.

Valores del rendimiento de la bomba según tamaño y calidad de la bomba

Tipo de Máquinas ηv ηh ηm Grandes bombas 0.96 – 0.98 0.85 – 0.96 0.92 – 0.96 Bombas medianas y pequeñas 0.85 – 0.95 0.80 – 0.85 0.90 – 0.94

Dado que el rendimiento de la bomba (ηb) es el producto de estos tres rendimientos, se tiene que el rendimiento de la bomba alcanza valores de (ηb= 0.75 – 0.90). Lo que indica que se puede perder más del 25% de la energía dada a la bomba, aun estando bien seleccionado el equipo.

Características hidráulicas de una bomba centrífuga radial

38 En la figura anterior se relacionan la Carga de Impulsión (H), el Rendimiento o Eficiencia (η), La Potencia al freno (P) y la Carga Neta Positiva Requerida en la Succión (NPSHR) con el caudal o Flujo Q.En este caso las gráficas corresponden a un impelente de diámetro dado, rotando a una velocidad angular constante (RPM = Constante).

Muchas firmas productoras ofrecen las características hidráulicas del equipo considerando una familia de impelentes de diferentes diámetros o un impelente dado girando a diferentes velocidades angulares (RPM=variable). Estas características son conocidas con los nombres de características universales, topográficas o de isoeficiencia.

Trabajo Conjunto de la Bomba y el sistema de tubería. Conocidas las formas de las características hidráulicas del sistema y de la máquina resulta de mucha utilidad ver la forma de trabajo conjunto y la información que de ella puede ser obtenida.

Características hidráulicas reales de una bomba

Trabajo conjunto de la bomba y el sistema de tubería.

39 El punto intersección de la característica de carga de la bomba y el sistema, definen el Punto de Operación. Se trazan perpendiculares a los ejes de Carga y Flujo. La intersección en el eje de la carga define el valor de la Carga de Operación. Al trazar la perpendicular al eje del Flujo o Caudal, la línea corta las características de Rendimiento, Potencia y NPSHR. El trazado perpendicular a los respectivos ejes de estas magnitudes definen los valores de Rendimiento, Potencia y NPSHR de Operación.

Oportunidades de ahorro de energia en los equipos de bombeo Con frecuencia las oportunidades de ahorro de energía en las bombas de una industria se pasan por alto, dado que las ineficiencias en los sistemas de bombeo no resultan evidentes en muchos casos.

Las causas más frecuentes de la ineficiencia en los sistemas de bombeo son:

• Mala selección de la bomba. • Condiciones de operación diferentes a las de diseño. • Bombas sobredimensionadas para asimilar futuras ampliaciones de

capacidad en la planta. • Factores de diseño muy conservadores para asegurar que la bomba

cumpla con las condiciones requeridas. • Otras consideraciones de diseño válidas cuando los costos de la energía

eran menores. La búsqueda de oportunidades de ahorro en los sistemas de bombeo, debe concentrarse en el 20 % de las bombas que consumen el 80 % de la energía por este concepto. Otros autores recomiendan analizar solo las bombas por encima de un cierto tamaño, por ejemplo, de más de 25 hp.

Los principales aspectos hacia los que debe enfocarse esta búsqueda de oportunidades de ahorro de energía son:

1. Mantenimiento excesivo, el cual puede estar asociado con: a. Bombas sobredimensionadas, operando severamente

estranguladas. b. Bombas en cavitación. c. Bombas en muy mal estado técnico. d. Bombas no adecuadas para la función que realizan.

2. Sistemas de bombeo con grandes variaciones de flujo o de presión. Cuando el flujo o la presión normal es inferior al 75 % del valor máximo existe energía desperdiciada por un excesivo estrangulamiento, por recirculación de grandes flujos o por tener en operación más bombas de las necesarias.

3. Recirculación de flujos en dispositivos de control o de protección. 4. Válvulas de control de flujo por estrangulamiento. Las bombas que

trabajen con un estrangulamiento fijo indican que están

40

sobredimensionadas. La energía perdida en las válvulas de estrangulamiento es proporcional a la caída de presión en las mismas y el flujo que circule.

5. Ruidos en bombas o en válvulas. Una bomba ruidosa normalmente es señal de cavitación, mientras que en ruido en válvulas puede indicar una alta caída de presión en ella, con la correspondiente pérdida de energía.

6. Sistemas con bombas múltiples. Con frecuencia se pierde energía al recircular un exceso de capacidad, al mantener trabajando bombas innecesariamente, al mantener un exceso de presión en el sistema, o por tener gran incremento de capacidad entre bombas.

7. Cambios en las condiciones de operación. Los cambios en las condiciones de la planta pueden provocar que las bombas instaladas pasen a operar con menor eficiencia.

8. Consumos con bajos flujos y alta presión. Este tipo de consumo hace que todo el sistema tenga que operar a una mayor presión.

9. Bombas con sobrecapacidad conocida, que implican pérdidas de energía por lo ya analizado anteriormente.

Una vez que las posibles causas de ineficiencia han sido identificadas, deben evaluarse los potenciales de ahorro y el costo de implementación y los indicadores de rentabilidad de los posibles proyectos de mejora. El análisis de las condiciones actuales de operación sobre la curva característica original de la bomba puede ser un buen punto de partida para ello. Dentro de las medidas para mejorar el trabajo de los equipos de bombeo están:

1. Realizar una correcta selección de equipo de bombeo. 2. Revisión y corrección de los sistemas para adecuarlo a los equipos de

bombeo. 3. Realizar prácticas eficientes de operación de los equipos de bombeo. 4. Sistematizar buenas prácticas de mantenimiento del equipo de bombeo. 5. Instalar instrumentación y poner en prática sistemas de monitoreo y control. 6. Especificar correctamente la adquisición de nuevos equipos. 7. Elaboración y análisis de características hidráulicas no existentes.

Los dos primeros puntos abordan la explotación del equipo en un punto de operación que lleve a obtener un rendimiento en un rango de 5-10% del valor máximo de la máquina. Todo ello es posible lograrlo a partir de trabajar en el mejoramiento de las condiciones del sistema de tubería. El punto 3 trata la ejecución de prácticas eficientes de operación de los equipos de bombeo y ello se presenta generalmente en dos oportunidades en particular que son:

41 • Regulación del flujo o caudal (En procesos a cargas variables)

• Sobredimensionamiento del equipo de bombeo.

En ambos casos es frecuente aplicar como metodos de regulación:

• El estrangulamiento del sistema de tubería.

• El uso del desvio o by – pass.

• La variación de la velocidad de rotación de la bomba.

• El recorte del impelente.

Estas prácticas aunque bien conocidas, generalmente no se aplican con un sentido de uso racional de la energía y ello puede representar en el caso de equipos de gran tamaño, pérdidas de miles de kWh y cientos de pesos en el año para cualquier empresa.

Antes de iniciar el estudio de cada uno de ellos, se recordarán los elementos teóricos en que se sustentan las soluciones dadas y que seran objetos de estudio.

Teoría de Semejanza en los equipos de bombeo. Para máquinas semejantes las leyes de semejanza permiten obtner la relación de sus parámetros fundamentales, sus dimensiones y la velocidad de rotación, las cuales se expresan como:

vb

va

b

a

b

aba n

nDDQQ

ηη

32

32=

hb

ha

b

a

b

aba n

nDDHH

ηη

2

2

22

22=

hb

ha

b

a

b

a

b

aba n

nDDpp

ηη

ρρ

2

2

22

22=

a

b

b

a

b

a

b

aba n

nDDPP

ηη

ρρ

3

3

52

52=

Las ecuaciones anteriores se simplifican cuando en una misma máquina se modifican las revoluciones de trabajo o el diámetro del impelente, quedando de la siguiente forma:

Cambios del Diámetro D2 Cambio de las RPM (n)

32

32

b

aba D

DQQ = nb

naQQ ba =

22

22

b

aba D

DHH =

2

2

b

aba n

nHH =

22

22

b

aba D

Dpp =

2

2

b

aba n

npp =

42

52

52

b

aba D

DPP = 3

3

b

aba n

nPP =

En estas expresiones la p (minúscula) representa la presión del fluido y la P (mayúscula) es la Potencia del equipo. Con los elementos anteriores de la Teoría de Semejanza se está en capacidad de analizar las oportunidades de ahorro a las que se hicieron referencia con anterioridad.

Estrangulamiento del sistema de tubería. En presencia de máquinas sobredimensionadas o durante la operación de equipos de bombeo que operan a flujo variable, se ve el ingeniero en la necesidad de reducir el flujo de trabajo de la máquina. Lo ocurrido entre el sistema de tubería y el equipo de bombeo queda reflejado en la figura siguiente.

Estrangular una válvula en la descarga del sistema de tubería reduce el flujo de operación Qop a los valores del flujo Q1 o Q2 , incrementado los valores de la carga dinámica (Energía en pérdidas) a las magnitudes H1 y H2. Los incrementos ΔH1 y ΔH2 representan los incrementos productos de las pérdidas.Como se aprecia el consumo de potencia se reduce, pero se incrementa la potencia gastada en pérdida.

Para el punto 2 la potencia consumida se determina por la ecuación

( )b

sist HHQgPη

ρ10002

2Δ+

=

Separando los términos de la ecuación anterior se tiene que la potencia requerida por la máquina se emplea en dar una potencia útil al fluido (primer término) y en

Regulación del caudal por estrangulamiento

43 vencer las resistencias hidráulicas que ofrece el estrangulamiento (segundo término).

bb

sist HQgHQgPη

ρη

ρ10001000

222

Δ+=

Limitaciones energéticas del método de regulación por estrangulamiento. • Solamente permite reducir el flujo, si existiera necesidad de un flujo mayor

se requiere de otro metodo.

• Aunque la potencia realmente consumida es menor y usted paga menos, la cantidad de energía usada de forma útil es menor y usted derrocha energía, que otro metodo permite usar de forma mas racional.

Regulación de caudal por desvio o by-pass En persencia de sistemas sobredimensionados u operando procesos de capacidad variable otra solución dada es la colocación de una tubería con un sistema de válvulas que conecte la tubería de descarga con la de succión, o entre la región de descarga y el tanque de succión del sistema. El objetivo de dicha instalación es reducir el flujo que va al proceso derivando una parte del flujo a la succión. Graficamente dicho proceso se aprecia en la figura siguiente.

Limitaciones energéticas del método de regulación por desvío o by-pass.

• Al pasar al punto de operación 2 la bomba maneja un mayor flujo y reduce su carga de trabajo, demandando una mayor potencia y requiriendo mayor carga neta positiva en la succión (NPSHr).

Regulación del flujo por By-pass o desvío

44

• Se reduce el flujo destinado al proceso, pero se paga una mayor cantidad de energía en esta operación

• Aunque el valor de rendimiento de la bomba es el mismo no es aconsejable trabajar en este punto dado que opera de forma menos rentable. Se paga más por cada unidad de fluido bombeado al proceso.

• El requerir una mayor carga neta positiva en la succión en el punto 2 puede limitar la explotación en el punto 2. Ello depende del NPSH disponible del sistema.

Regulación del caudal por variación de las velocidad de rotación de la máquina. Ante la nececesidad de regular el caudal dado a un proceso o en presencia de un sobredimensionamiento de la máquina, una opción es la regulación por variación de la velocidad de rotación de la máquina.Hasta hace pocos años la regulación por variación de las RPM estaba limitada a máquinas de gran capacidad donde economicamente se justificaba la colocación de:

1. Variadores mecánicos de velocidad. 2. Embragues hidráulicos. 3. Motores eléctricos de velocidad escalonada.

En todos estos casos el costo del sistema de variación de la velocidad resultaba my costos y solo se justificaba en los casos de regulación profunda de la capacidad o flujo del proceso en máquinas de gran potencia.En la actualidad el uso de los variadores de frecuencia presenta una alternativa que bajo un profundo análisis económico permite el uso del metodo de regulación de la capacidad por variación de la velocidad de rotación de la máquina.

En la figura siguiente se representa la acción de la variación de la velocidad de rotación de una bomba centrífuga en interacción con un sistema de tubería.

Regulación de la capacidad por variación de la velocidad de

rotación de la máquina

45 En la figura se observa que para una velocidad de rotación dada (n) se definen todas las característica hidráulicas de la máquina. Para las rpm (n1) se obtiene el punto de intersección de la característica de carga de la máquina con la característica de carga del sistema de tubería, al cual se denomina Punto de Operación 1. A partir de este punto trazando perpendiculares a los ejes coordenados se obtienen los valores de los parámetros de funcionamiento de la bomba al cortar cada característica. Ej. Eficiencia, Potencia, NPSHR, Q y H.

Al hacer funcionar la bomba en la nueva velocidad de rotación (n2) se obtiene un nuevo punto de operación, en este caso el punto 2. Por lo que para el punto de operación 2, se obtienen nuevos valores de carga, potencia, rendimiento, eficiencia y NPSHR.

Para el caso particular de variar las revoluciones de trabajo de una misma máquina, el flujo es proporcional a las RPM(n), la carga varía de forma cuadrática con las RPM (n) y la potencia varía de forma cúbica con las RPM (n). Al aumentar la velocidad de rotación aumenta el caudal, la carga y la potencia y al disminuir la frecuencia de rotación estos parámetros se reducen. Ello es por sí un buen método de regulación de la capacidad o caudal.

Criterios técnicos y energéticos del método de regulación de la capacidad por variación de la frecuencia de rotación de la máquina. • El cambio del punto de operación por la variación de la frecuencia de rotación

de la máquina tiene lugar a lo largo de la característica hidráulica del sistema de tubería lo cual garantiza que no ocurrirá un incremento de las pérdidas producto de la regulación.

• La demanda de potencia decrece con el cubo de las revoluciones por lo que una reducción de flujo con este método resulta energéticamente muy conveniente.

• Este método de regulación a diferencia del método por estrangulamiento permite tanto reducir como incrementar el flujo durante la regulación, lo cual constituye una gran ventaja para la operación de un proceso a cargas variables.

• El desarrollo actual de los variadores de frecuencia y la reducción de los costos que los mismos han sufrido en los últimos años, permite aplicar este método con más facilidad.

• El control de velocidad es el medio más eficaz para modificar las características de una bomba sujeta a condiciones de funcionamiento variables.

Recorte del impelente

46 Se ha dejado para último este método porque no es en sí un método de regulación de la capacidad. Es un medio muy útil cuando es necesaria una reducción permanente del caudal y la carga de la bomba. Esto solo es posible para impulsores de flujo radial y para algunos de flujo mixto.

Un sistema de bombeo que trabaja con gasto constante, regulado con recirculación o estrangulación, consume energía innecesaria y por tal motivo representa una buena medida para ahorrar energía mediante el recorte del impulsor. Los parámetros fundamentales de trabajo de una bomba dependen de las dimensiones del impelente. Es por ello que se acude al recorte del impelente como una vía de reducir sus parámetros de trabajo, pero en ese caso el recorte del impelente modifica los triángulos de velocidades al modificar los ángulos de salida del álabe producto del recorte mecánico del álabe. Se puede tomar como un adecuado criterio para el recorte del impelente las relaciones:

R

i

R

i

DD

QQ

=

2

⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡=

R

i

R

i

DD

HH

3

⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡=

R

i

R

i

DD

PP

Los subíndices usados significan: i.- Inicial (Corresponde a las condiciones de la bomba sin recorte del

diámetro exterior del impulsor). R.- Recorte (Indica las condiciones alcanzadas después del recorte del impelente).

Desde el punto de vista energético es necesario tener mucha precaución con este método dado que en máquinas de baja velocidad específicas (máquinas radiales) la disminución del rendimiento es pequeña si el recorte del impelente es pequeño también, pero en bombas de velocidades específicas medias, la reducción del rendimiento resulta apreciable, aún cuando el recorte del impelente en mínimo.

En máquinas radiales se acepta un recorte del impelente hasta de un 20%. Pero constituye una práctica generalizada recortar el impelente a un valor algo mayor del calculado y realizar la prueba de la bomba antes de alcanzar el diámetro definitivo. Según se incrementa el valor de la velocidad específica el de recorte del diámetro del impulsor se reduce a valores cercanos al 10%.

Es también habitual en las bombas de voluta realizar el recorte en toda la superficie exterior del impelente. En las combas de difusor se recomienda recortar solo el álabe y no tocar las partes exteriores del disco, lo cual constituye una guía al fluido para la entrada a los difusores.

47 El efecto del recorte del impelente en las características hidráulicas de la bomba es similar al obtenido cuando se usa el método de regulación de la velocidad, con la salvedad de que el nuevo punto obtenido es fijo y no se puede retornar al valor anterior. Es por ello que algunos fabricantes, a solicitud, suministran bombas con juegos de impelentes de diferentes diámetros para satisfacer estas necesidades.

Valoración energética del método de recorte del impelente. • El recorte del impelente produce nuevas características hidráulicas de la

bomba. Se representa solo la característica de carga vs flujo, pero hay que obtener, luego del recorte, las características de potencia y eficiencia. Por un análisis teórico se puede obtener de forma aproximada el comportamiento del NPSHR. Al reducirse H y Q se reduce el consumo de potencia.

• Al reducir el consumo de potencia debe valorarse el nuevo valor de eficiencia que se obtiene. En muchas ocasiones es tan bajo que no justifica económicamente la aplicación de este método.

Principales medidas de ahorro de energía en sistemas de bombeo A continuación se resumen algunas de las principales medidas de ahorro de energía en sistemas de bombeo, ordenadas en orden creciente en cuanto a la inversión requerida para su implementación.

1. Sacar de servicio bombas innecesarias. Esta es una medida obvia, pero que muchas veces no sea aprovecha. Si el exceso de capacidad en funcionamiento se debe a que los requerimientos de flujo varían, se puede pensar controlar el número de bombas en operación mediante un sistema

Reducción de la capacidad y la carga de la bomba por recorte del impelente

48

automático, instalando sensores de presión e interruptores en una o mas bombas.

2. Restaurar las holguras internas de las bombas. Esta medida se puede aplicar en los casos en que las características de una bomba hayan variado significativamente a causa de desgaste de las partes de la bomba, lo cual afecta sensiblemente las recirculaciones internas y su eficiencia.

3. Recorte o cambio de impelentes. Si la carga es excesiva se puede utilizar esta medida cuando el estrangulamiento no es suficiente para permitir sacar bombas de servicio. El recorte de impelente es el método más económico para corregir el sobredimensionamiento de una bomba. La carga se puede reducir entre un 10 y un 50 % mediante el recorte del impelente, sin sobrepasar los límites establecidos por el fabricante para la carcaza dada.

4. Reemplazo de bombas sobredimensionadas. Las bombas sobredimensionadas constituyen la causa número uno de pérdidas de energía en los sistemas de bombeo. El reemplazo de bombas debe evaluarse con relación a otras alternativas de reducción de capacidad, tales como el recorte o sustitución de impelentes o el control de velocidad.

5. Uso de bombas múltiples. El empleo de varias bombas conectadas en paralelo ofrece una alternativa a los métodos de control de capacidad por estrangulamiento, recirculación o variación de velocidad. Los ahorros resultan de poder sacar de servicio una o más bombas a bajas demandas, logrando que las bombas en servicio operen a alta eficiencia. Un sistema con bombas múltiples debe considerarse en los casos en que la demanda se mantiene en periodos prolongados por debajo de la mitad de la capacidad unitaria de la bomba instalada.

6. Usar una bomba “booster”. El consumo de energía general del sistema puede reducirse significativamente si se emplea una bomba “booster” para suministrar el flujo a alta presión que requiere un consumidor específico, al permitir que el resto del sistema opere a una presión menor.

7. Cambio de velocidad de la bomba. Los accionamientos de velocidad variable permiten alcanzar los mayores ahorros de energía, al lograr acoplar la salida de la bomba con los requerimientos del sistema. No obstante, estos métodos requieren mayores inversiones que otros métodos de control de capacidad. Dentro de los accionamientos de velocidad variable están:

• Acoplamientos o transmisiones con relación de velocidad variable (mecánicos, hidráulicos, electromagnéticos)

• Motores eléctricos de dos velocidades.

• Variadores de frecuencia.

49 Ahorro de energía en sistemas de ventilación Los ventiladores son también ampliamente utilizados en la industria para la manipulación de aire, gases o transporte neumático de productos de un lugar a otro. Los ventiladores le imprimen al fluido en cuestión la energía necesaria para vencer las resistencias aerodinámicas de los equipos y conductos de distribución incluidos en el sistema.

La clasificación general de los ventiladores los divide en axiales y centrífugos, de acuerdo a la trayectoria del gas a través del impelente.

En los centrífugos se incrementa la velocidad de la corriente de gas mediante un impelente en rotación y luego la energía cinética adquirida se convierte en presión estática a medida que el gas va pasando a la descarga. Los ventiladores centrífugos son capaces de generar relativamente altas presiones. A su vez los centrífugos se dividen en diversos tipos de acuerdo al tipo de impelente. En la tabla siguiente aparecen los tipos básicos de ventiladores y los rangos correspondientes de eficiencia en condiciones normales de operación.

Tipo de Ventilador Eficiencia, % Axial 85 - 90 Centrífugo

Impelente aerodinámico 75 - 80 Alabes curvados hacia detrás 70 - 75 Alabes radiales 60 - 65 Alabes curvados hacia adelante 55 - 60

Los ventiladores axiales, como su nombre indica, mueven una corriente de gas a lo largo de su eje. El gas es presurizado por el empuje aerodinámico generado por los alabes o paletas del rotor, en forma similar a una propela o ala de avión. Los ventiladores axiales son utilizados comúnmente en aplicaciones de aire limpio, baja presión y altos volúmenes. Este tipo de ventilador tiene mayores velocidades de rotación y es algo más ruidoso que los centrífugos de la misma capacidad.

Componentes de un sistema de ventilación Un sistema de ventilación típico está compuesto por:

• Ventilador • Motor (normalmente motor eléctrico) • Sistema de accionamiento • Conductos o tuberías • Dispositivos de control de flujo • Equipos y accesorios (intercambiadores de calor, filtros, etc)

Control de flujo de los ventiladores Muchos ventiladores operan dentro de un amplio rango de condiciones de operación. Por ejemplo, en un sistema de ventilación industrial se producen

50 cargas variables dependiendo del cambio en las condiciones ambientales, ocupación, niveles de producción, etc.

Para asimilar las variaciones de carga el flujo de los ventiladores se controla por tres métodos diferentes:

1. Compuertas o “dampers” en la descarga. 2. Alabes guías en la succión. 3. Alabes de paso variable. 4. Variación de la velocidad de rotación del ventilador

Cada método tiene sus ventajas y desventajas, en términos de costo inicial, efectividad de regulación del flujo y eficiencia energética. En sistemas que trabajan poco (por ejemplo, menos de 500 horas al año), el costo inicial puede ser el factor determinante al seleccionar el método de control de flujo. En aplicaciones de uso continuo, la efectividad del control y el ahorro de energía se convierten en los factores claves.

Compuertas o “dampers” en la descarga Los dampers controlan el flujo cambiando la restricción al paso de la corriente de aire. A medida que la compuerta cierra, se reduce el flujo y aumenta la presión antes del mismo. Al incrementar la resistencia del sistema, el damper obliga al ventilador a operar contra una mayor presión, desplazando el punto de operación hacia la izquierda y reduciendo el flujo. Esto aleja al ventilador del punto de máxima eficiencia.

Alabes guías en la succión. Estos alabes cambian el perfil de la corriente de aire a la entrada, creando una rotación del flujo en la misma dirección del impulsor del ventilador, lo cual reduce el ángulo de ataque entre el gas de entrada y el alabe, lo cual baja la carga sobre el ventilador. Variando la intensidad de la predotación del gas. Los alabes guías modifican la curva característica del ventilador, y mejoran la eficiencia del mismo a cargas parciales.

Alabes de paso variable Una opción aplicable en algunos tipos de ventiladores axiales es la incorporación de un dispositivo que permita variar el paso de los alabes, cambiando el ángulo de ataque entre el gas de entrada y el alabe. Este método posibilita reducir el flujo y la carga del motor, manteniendo la eficiencia del ventilador en un amplio rango de carga.

Ajuste de la velocidad de rotación del ventilador El ajuste de la velocidad de rotación del ventilador constituye el método más eficiente de regulación del flujo, ya que al reducir la velocidad de rotación disminuye la energía entregada al flujo de gas. Se utilizan dos dispositivos

51 básicos para el control de la velocidad de rotación de los ventiladores: motores eléctricos de varias velocidades y accionamientos de velocidad variable.

Los motores eléctricos de velocidades múltiples tienen varios devanados, uno para cada velocidad. Así por ejemplo, pueden tener tres niveles de velocidad: alto, medio y bajo. Aunque estos motores son más caros que los motores de una sola velocidad, los mismos permiten una regulación del flujo de los ventiladores con mayor eficiencia que los dampers y alabes guías.

Los accionamientos de velocidad variable permiten la regulación del flujo en un rango continuo y de forma muy eficiente. Los accionamientos de velocidad variable incluyen diferentes sistemas mecánicos y eléctricos. Los mecánicos comprenden los embragues hidráulicos, los acoplamientos fluidos y las transmisiones por poleas y correas ajustables.

Dentro de los accionamientos de velocidad variable de tipo eléctrico, los más difundidos son los variadores de frecuencia, que han demostrado su efectividad para reducir los costos energéticos en sistemas de ventilación con amplias variaciones en el flujo.Debe señalarse que antes de considerar otras alternativas de control de flujo en un ventilador, hay que comprobar las condiciones de operación del ventilador y el sistema. Algunos factores que provocan la reducción de la eficiencia operacional de los ventiladores son:

Efecto de diferentes métodos de control de flujo sobre el consumo de potencia de un ventilador

52

1. Excesiva caída de presión estática debida a mala configuración de los conductos o a obstrucciones en los mismos.

2. Falta de hermeticidad en los conductos, puertas de acceso abiertas, corrosión de partes, etc.

3. Deficiente sellaje en el cono de succión. 4. Mal estado técnico del ventilador o el motor primario. 5. Acumulación de polvo y suciedad en los alabes o la carcasa del ventilador.

Oportunidades de ahorro de energía en sistemas de ventilación • Selección adecuada de los ventiladores (tipo y capacidad).

• Ubicar la toma de aire de manera que se obtenga la mejor calidad de este y la mejor eficiencia.

• Usar ductos de toma de aire de bordes redondeados y suaves o conos en la succión.

• Minimizar las obstrucciones en las entradas y salidas de los ventiladores.

• Limpiar los filtros y las rejillas con regularidad.

• Reducir la velocidad de rotación en ventiladores sobredimensionados.

• Considerar el uso de ventiladores de dos velocidades y trabajar en lo posible en la más baja.

• Usar correas antideslizantes.

• Verificar la tensión de las correas regularmente.

• Usar variadores de velocidad para cargas variables del ventilador.

• Usar motores eficientes para operaciones continuas o discontinuas.

• Usar conductos bien dimensionadas con las curvas y transiciones adecuadas.

• Eliminar fugas en los ductos.

• Apagar los ventiladores cuando no estén en uso. 3.1.5.3. Eficiencia energética en sistemas de aire comprimido.

El aire comprimido es utilizado ampliamente en la industria, desde los pequeños talleres de maquinado hasta los grandes complejos industriales, se utiliza para el accionamiento de herramientas neumáticas (martillos y taladradoras), aparatos para pintar por pulverización, en limpieza por chorros de aire, equipos de control neumático, equipos de empacado, transportadores, sistemas de combustión, operaciones en reactores químicos, etc.

Algunas razones importantes para la extensa utilización del aire comprimido en la industria son:

- Disponibilidad - Posibilidad de almacenamiento

53

- Simplicidad de diseño y control: los componentes neumáticos son de configuración sencilla y se montan fácilmente para proporcionar sistemas automatizados extensos con un control relativamente sencillo.

- Elección del movimiento: movimiento lineal o rotación angular con velocidades de funcionamiento fijas y continuamente variables.

- Costo inicial relativamente bajo de la instalación, el mantenimiento es poco costoso también debido a su larga duración sin averías apenas.

- Fiabilidad: elevada fiabilidad del sistema por la larga duración de los componentes neumáticos.

- Resistencia al entorno. - Limpieza al entorno: es limpio

Casi todas las industrias poseen al menos dos compresores, y en una planta de tamaño medio, pueden existir cientos de puntos de uso del aire comprimido. En muchos casos el aire comprimido es tan vital que la planta no puede operar sin él.

Los sistemas de aire comprimido pueden variar ampliamente en tamaño, desde unidades de menos de 5 hp, hasta sistemas de más de 50 000 hp.

Los accionamientos neumáticos en determinadas aplicaciones pueden resultar más ligeros y maniobrables que los eléctricos, tienen la capacidad de variación continua de la velocidad y control del torque, no se dañan por sobrecargas, pueden alcanzar la velocidad y el torque de trabajo muy rápidamente. Aunque tienen todas estas ventajas, los accionamientos neumáticos son menos eficientes energéticamente que los eléctricos.

En muchas industrias los compresores de aire son los mayores consumidores de electricidad, y por tanto las ineficiencias en el sistema de aire comprimido resultan muy costosas. Sin embargo, el personal que utiliza el aire comprimido tiende a pensar que se trata de simple aire, por la prácticamente nula peligrosidad de un escape o fuga, es muy frecuente que sin tener en cuenta las consecuencias desde el punto de vista económico no se le presta atención a su ahorro y uso adecuado.

Se estima que para un sistema típico de aire comprimido durante un periodo de 10 años, la energía consumida representa el 75 % del costo total, 15 % es el costo capital y un 10 % el de mantenimiento.

El mejoramiento de la eficiencia energética en estos sistemas puede permitir la reducción del 20 al 50 % del consumo de electricidad de los mismos, lo cual puede significar miles o cientos de miles de dólares de ahorros potenciales anuales. Un sistema de aire comprimido bien operado ahorra energía, reduce el mantenimiento, disminuye las interrupciones productivas, incrementa la productividad y mejora la calidad.

54 En los sistemas de aire comprimido se puede diferenciar el lado del suministro, que incluye a los compresores y los equipos de tratamiento del aire, y el lado de la demanda, que está compuesto por el sistema de almacenamiento, distribución y los equipos de uso final del aire comprimido. Para lograr que un sistema de aire comprimido garantice el suministro estable de aire seco, limpio, a las presiones requeridas y de una forma segura y económica, se requieren acciones tanto del lado del suministro, como del lado de la demanda, así como en sus interacciones.

Componentes de un sistema de aire comprimido industrial Un sistema típico de aire comprimido está compuesto por los siguientes subsistemas:

• Compresor, dispositivo mecánico que toma el aire ambiente y le incrementa su presión.

• Motor primario, encargado de mover al compresor.

• Controles, que regulan la cantidad y presión del aire producido.

• Equipos y accesorios de tratamiento del aire, para garantizar su calidad.

• Sistema de almacenamiento, que mejore el comportamiento y eficiencia del sistema.

• Sistema de distribución, para transportar el aire hasta donde se necesita.

• Accesorios, para asegurar el funcionamiento adecuado del sistema.

• Equipos de uso final.

Existen dos tipos básicos de compresores: los de desplazamiento positivo y los dinámicos.

Esquema de una instalación convencional de aire comprimido

55 En los de desplazamiento positivo una cantidad dada de aire o gas es atrapada en una cámara de compresión, cuyo volumen es mecánicamente reducido, causando la correspondiente elevación de la presión de la sustancia de trabajo antes de ser descargada. En este tipo de compresor, a velocidad constante, el flujo de aire permanece esencialmente invariable con cambios en la presión de descarga, son los más abundantes en la industria, producen flujos menores que los dinámicos pero la presión que pueden desarrollar es mayor.

Capacidad de un compresor. La capacidad de un compresor es la cantidad real de gas entregada, medida por medio de un orificio, a la presión y temperatura de entrada o aspiración expresada en m3/min.

Rendimiento mecánico: Nm= WI/WF Rendimiento de la compresión: Nc= WS/WI Rendimiento de la compresión isotérmica: se define de forma similar aparte de que el numerador sería el trabajo del diagrama convencional con compresión isotérmica. Rendimiento total o general: es el trabajo ideal, ya sea isentrópico o isotérmico, dividido el trabajo del fluido real o sea: NC= (h1 – h2) S/ (h1- h2’) Compresión en múltiples etapas. El rendimiento volumétrico no solo es influido por el espacio muerto, sino también por la relación de presiones P2 / P1. Por tanto, si la compresión se realiza en dos o más cilindros, el rendimiento volumétrico de la máquina multicilíndrica será mayor que el de una máquina monocilíndrica del mismo espacio muerto y de igual intervalo total de presiones. Es posible ahorrar considerable energía empleando dos o más saltos o etapas en lugar a uno si la presión final es superior de 4 a 7 kg/cm2. Para conseguir ahorro de energía se utiliza un refrigerador intermedio con el fin de disminuir la temperatura del aire entre los saltos o etapas.

Rendimiento volumétrico. El coeficiente aire libre descargado/ desplazamiento

Expresado como porcentaje, se conoce como rendimiento volumétrico y varía según el tamaño, tipo y fabricación de la máquina, número de etapas y presión

56 final. El rendimiento volumétrico de un compresor de dos etapas es inferior a la del compresor de una sola etapa, puesto que tanto los cilindros de la primera como los de la segunda etapa, tienen volúmenes muertos.

Rendimiento térmico y global. Aparte de las pérdidas descritas anteriormente, existen también efectos térmicos que bajan el rendimiento global de la compresión de aire. Estas pérdidas reducen aún más el rendimiento global dependiente del coeficiente de compresión y de la carga. Un compresor, que trabaja a capacidad casi total, acumula una gran cantidad de calor y pierde rendimiento. En un compresor de dos etapas, el coeficiente de compresión por etapa es inferior y el aire, comprimido parcialmente en el cilindro de primera etapa, se enfría en un refrigerador intermedio antes de ser comprimido a la presión final en el cilindro de segunda etapa.

Para presiones finales bajas, es mejor un compresor de una etapa, puesto que su rendimiento volumétrico es más elevado. Sin embargo, con una presión final en aumento, las pérdidas térmicas son cada vez más importantes y son preferibles los compresores de dos etapas, con un rendimiento térmico más elevado.

El consumo específico de energía es una medida del rendimiento global y se puede utilizar para estimar el coste de producción del aire comprimido. Como promedio, se puede estimar que se necesita un kW de energía eléctrica para producir 120-150 l/min (= 0,12....0,15 m3n/min/kW) para una presión de trabajo de 7 bares. Las cifras exactas deben de establecerse según el tipo y el tamaño del compresor.

Motores primarios. El motor primario es el que suministra la energía mecánica al compresor, y como fuente de potencia para el accionamiento del compresor, tiene que entregar la potencia suficiente para arrancar el compresor, acelerarlo hasta la velocidad de trabajo, y mantenerlo operando bajo las condiciones de diseño.

Los motores primarios pueden ser motores eléctricos, motores de combustión interna, turbinas de vapor o turbinas de gas, aunque sin dudas los motores eléctricos de inducción son los más utilizados. En muchos casos se especifica que el motor sea de alta eficiencia, ya que el costo inicial se recupera típicamente en corto tiempo a partir de los resultados del ahorro de energía. Al sustituir un motor estándar por uno de alta eficiencia debe prestarse atención a los parámetros de comportamiento, tales como la velocidad a plena carga y el torque.

Los motores de combustión interna son comunes en el accionamiento de compresores en la industria del petróleo y el gas dada la disponibilidad de combustibles para ello, a pesar de que los costos de mantenimiento son superiores.

57 Controles

Los controles de los sistemas de aire comprimido permiten lograr la correspondencia entre suministro del compresor y la demanda del sistema, teniendo una gran influencia en la eficiencia del mismo. Los controles se incluyen normalmente en el conjunto del compresor y muchos fabricantes ofrecen más de un tipo de control en cada modelo. Para sistemas con varios compresores se deben utilizar controles secuenciadores para tener en línea solo los compresores necesarios. El tipo de control a utilizar en un sistema dado esta determinado fundamentalmente por el tipo de compresor y el perfil de demanda de aire comprimido.

Equipos y accesorios para el tratamiento del aire En un sistema de aire comprimido se emplean diferentes tipos de accesorios para eliminar contaminantes, tales como polvo, lubricante, y agua para mantener la operación correcta del sistema y garantizar la presión y calidad adecuada del aire. Los accesorios incluyen: filtros, separadores, secadores, Inter.-enfriadores, post-enfriadores, recuperadores de calor, lubricadores, reguladores de presión, recibidores de aire, trampas y drenajes automáticos.

Filtros de succión Protegen al compresor de las partículas suspendidas en el aire ambiente. No obstante, se requieren otros filtros para proteger a los accesorios situados del lado de la descarga y a los equipos de uso final.

La atmósfera de una ciudad típica puede contener 40 partes por millón / m3 de partículas sólidas, es decir polvo, suciedad, polen, etc. Si se comprime ese aire a 7 bares, la concentración sería de 320 partes por millón/ m3. Una condición importante para la fiabilidad y duración del compresor debe de ser la instalación de un filtro eficaz y adecuado para impedir el desgaste excesivo de cilindros, anillos de émbolo, etc., que es provocado principalmente por el efecto abrasivo de esas impurezas.

El filtro no debe de ser demasiado fino puesto que el rendimiento del compresor disminuye debido a la elevada resistencia al caudal de aire y así las partículas de aire muy pequeñas (2-5u) no se pueden eliminar.

La entrada de aire debe de estar situada de forma que en la medida de lo posible se aspire aire seco limpio, con conductos de entrada de diámetro lo suficientemente grande para evitar una caída de presión excesiva. Cuando se utilice un silenciador, es posible incluir el filtro de aire que se colocará después de la posición del silenciador, de forma que esté sujeto a efectos de pulsación mínimos.

58 Sistema de enfriamiento del compresor: El proceso de compresión es un proceso poli trópico que eleva la temperatura del aire. Como resultado se requiere de un sistema de enfriamiento del compresor que evite el sobrecalentamiento de sus partes, bien mediante aire, agua o lubricante.

Los compresores reciprocantes de menos de 100 hp son normalmente enfriados por aire, soplado por un ventilador integrado en la propia polea de accionamiento del mismo. Los de mayor capacidad, incluyen sistemas de enfriamiento por agua para las camisas y cabezas de los cilindros.

La capacidad de enfriamiento depende de la temperatura de entrada del agua, así como el diseño y estado de limpieza de los enfriadores. Los compresores rotatorios inyectados con aceite emplean el propio aceite para remover la mayor parte del calor de compresión. En el caso de compresores enfriados por aire se utiliza generalmente un radiador de aceite para enfriarlo antes de ser reinyectado.

Inter-enfriador. La mayoría de los compresores multietapas emplean enfriadores intermedios para enfriar el aire entre etapas, separar humedad y reducir el consumo de potencia.

Post-enfriadores. Se instalan a la salida de la última etapa de compresión para reducir la temperatura del aire para condensar, separar y drenar el vapor de agua que no haya sido eliminado en los enfriadores intermedios. Casi todos los sistemas industriales los poseen, salvo aquellos en que el aire caliente no resulta perjudicial, tales como procesos de forja o fundición.

Después de la compresión final, el aire está caliente y, al enfriarse, el agua se depositará en cantidades considerables en el sistema de tuberías, lo cual deberá evitarse. La manera más efectiva de eliminar la mayor parte del agua de condensación es someter el aire a la refrigeración posterior, inmediatamente después de la compresión.

Los post-enfriadores enfrían el aire hasta unos 10 ó 15 °C por encima del medio refrigerante. El control y operación de los elementos de un sistema neumático serán normalmente a temperatura ambiente (aprox. 20 °C). Esto nos puede hacer pensar que no se precipitará ningún condensado más y que la humedad remanente es expulsada con el aire de salida devuelta a la atmósfera. A menudo, la temperatura del aire o la salida del post-enfriador puede ser más alta que la temperatura circundante con la cual pasa por las líneas de tuberías, por ejemplo durante la noche. Esta situación enfría el aire comprimido todavía más, por lo que habrá todavía vapor que se condensará.

59 Los post- enfriadores son intercambiadores que pueden ser refrigerados por aire o por agua. En el caso de la refrigeración por aire la temperatura de salida del aire comprimido del enfriador puede ser de aproximadamente 15 °C por encima de la temperatura del aire de refrigeración. Para los enfriados por agua esta diferencia de temperaturas puede ser de 10 °C.

Los post-enfriadores deberán estar equipados con una válvula de seguridad, un manómetro y se recomienda que se incluyan termómetros tanto para aire como para el agua.

Separadores Los filtros y separadores eliminan los contaminantes (polvo, agua, lubricante) a la entrada y la salida del aire del compresor. Se utilizan diferentes niveles de filtración dependiendo de la calidad del aire que se requiera. Generalmente se instala un separador después de cada enfriador para eliminar la humedad condensada. Los compresores rotatorios inyectados con aceite emplean un separador de aceite inmediatamente a la descarga del compresor para separar el aceite inyectado antes de enfriar el aire y recircularlo al compresor.

Secadores Cuando el aire sale del post-enfriador y el separador de humedad, se encuentra normalmente saturado, de modo que cualquier enfriamiento posterior que ocurra a medida que circula por las tuberías de distribución puede causar condensación de humedad, corrosión y daños en los equipos de uso final. Para evitar este problema se utilizan los secadores de aire. Estos pueden enfriar el aire hasta temperaturas de 3 a 7 0C para condensar la humedad, o utilizar materiales higroscópicos para absorber la humedad que luego son regenerados con calor.

La medida empleada en el secado de aire es la bajada del punto de rocío, el cual se define como la temperatura a la cual el aire está completamente saturado de humedad (100% h.r.). Cuando más bajo sea el punto de rocío, menos humedad queda en el aire.

Existen tres tipos principales de secadores de aire disponibles que operan por procesos de absorción , adsorción o refrigeración.

Secado por absorción (Secado coalescente) El aire comprimido es forzado a través de un agente secante, yeso deshidratado o cloruro de magnesio que contiene de forma sólida cloruro de litio o cloruro de calcio, el cual reacciona con la humedad para formar una solución que es drenada desde el fondo de la cisterna.

60 El agente secante debe de ser regenerado a intervalos regulares ya que el punto de rocío se eleva en función del consumo de sales durante su funcionamiento; de todas formas a presiones de 7 bar, son posibles puntos de rocío de 5 °C.

Las principales ventajas de este método son su bajo costo inicial y de funcionamiento, mientras que la temperatura de entrada no debe de exceder de 30 °C.

Secado por adsorción (desecante) Consiste en una cámara vertical conteniendo un producto químico tal como la sílica gel o la alúmina activada en forma granular, para que, por métodos físicos, absorba la humedad del aire comprimido que pasa a través de él. Cuando el agente secante se satura es regenerado mediante secado, por calentamiento o, por la pérdida de calor de un flujo de aire secado previamente.

Con este método son posibles puntos de rocío extremadamente bajos, por ejemplo de 4 °C.

Un indicador de color puede ser incorporado al desecante para comprobar el grado de saturación. El microfiltrado es esencial a la salida del secador para prevenir el arrastre de partículas absorbentes. El costo inicial y de funcionamiento es relativamente alto, pero los costes de mantenimiento tienden a ser bajos.

Secado por refrigeración Es una unidad mecánica que incorpora un circuito de refrigeración con dos intercambiadores de calor.

El aire húmedo a alta temperatura es pre-enfriado en el primer intercambiador de calor transfiriendo parte de su calor al aire frío de salida.

Entonces, en el segundo intercambiador de calor el aire es enfriado gracias al principio refrigerador de extracción de calor como resultado de la evaporación de gas freón en su propio circuito de refrigeración. En estos momentos la humedad y las partículas de aire se condensan y son automáticamente drenadas.

Mediante los métodos modernos es posible una temperatura de salida de 2°C, aunque una temperatura del aire de salida de 5°C es suficiente para la mayoría de las aplicaciones del aire comprimido. La temperatura de entrada puede ser superior a los 60°C pero es más económico pre-enfriarlo para llevarlo a temperaturas de entrada más bajas.

Como general, el costo del secado del aire comprimido puede representar entre el 10 % y el 20 % del coste del aire comprimido.

Filtros de aire comprimido Incluyen los filtros de partículas, así los de adsorción para remover lubricante y

61 humedad. La filtración debe realizarse solo hasta el nivel requerido para reducir la caída de presión y el consiguiente consumo de potencia. Los elementos filtrantes deben reponerse en función de la caída de presión o al menos anualmente.

Filtro de línea principal A la salida del depósito de aire comprimido se instala normalmente un filtro para eliminar de éste la contaminación, los vapores de aceite procedentes del compresor y el agua.

El filtro debe de tener una mínima caída de presión y capacidad para eliminar el vapor de aceite procedente del compresor con el fin de evitar la emulsión en la línea con el líquido condensado.

El filtro de línea principal no posee deflector para la separación de agua como es el caso de los filtros standard. Una purga de drenaje automático, bien sea incluida de serie o bien acoplada, nos asegurará la descarga regular del aire acumulada. El filtro es generalmente del tipo de cartucho de cambio rápido.

Filtro estándar El filtro standard consta de un separador de agua y un filtro combinados. Si el aire no ha sido deshidratado anteriormente, se recogerá una cantidad considerable de agua y el filtro retendrá impurezas sólidas como partículas de polvo y de óxido.

La separación del agua se produce principalmente por una rotación rápida del aire, provocada por un deflector a la entrada, el líquido puede ser purgado por un drenaje de purga manual o automática.

El elemento filtrante elimina las partículas más finas de polvo, de cascarilla, de óxido y de aceite carbonizado al fluir el aire hacia la salida, elimina todas las partículas contaminantes hasta 5 micras, se puede normalmente retirar lavarse y reutilizarse

Recuperadores de calor Como se señaló anteriormente, los sistemas industriales de compresión de aire generan importantes cantidades de calor, el que puede ser parcialmente recuperado para propósitos útiles. Más del 80 % del consumo de potencia del compresor se convierte en calor, la mayor parte del cual se puede recuperar para producir agua o aire caliente.

Lubricación Los lubricantes se emplean en los compresores para enfriar, sellar y lubricar las partes en movimiento. En los lugares cercanos a algunos equipos de uso final, tales como herramientas neumáticas, se requiere también de la instalación de lubricadores.

62 Los componentes neumáticos modernos ya están prelubricados, a los que requieren lubricación se les añade cierta cantidad de aceite al aire comprimido por medio de un lubricador.

Los elementos compuestos por filtro, regulador de presión y lubricador modulares pueden estar combinados en una unidad de servicio, su tamaño debe de seleccionarse de acuerdo con el caudal unitario máximo del sistema.

Controladores de flujo

Además de regular la presión, estos dispositivos permiten la regulación del flujo de aire de acuerdo a las variaciones de demanda.

Recibidores de aire. Los recibidores de aire se emplean para almacenar una cantidad suficiente de aire para satisfacer las demandas que superen la capacidad del compresor y minimizar la carga y descarga frecuentes del compresor; ayudar a controlar la presión del sistema, suministra también un enfriamiento adicional para precipitar el aceite y la humedad que llegan del refrigerador, antes de que el aire se distribuya ulteriormente. A este respecto, colocar el depósito del aire en un lugar fresco representa una ventaja.

Estos recibidores son especialmente efectivos en sistemas con amplias variaciones en la demanda de aire comprimido, sobre todo con picos intermitentes, al reducir la capacidad a instalar y al contribuir a la operación del sistema de control y estabilizar la presión del sistema. También los recibidores posibilitan el enfriamiento del aire y la condensación y separación de humedad, y en el caso de compresores reciprocantes atenúan las pulsaciones de presión.

Un depósito de aire comprimido es una cisterna a presión construida en chapa de acero soldada, montado horizontal o verticalmente, directamente después del refrigerador final para recibir el aire comprimido amortiguando así los impulsos iniciales en el caudal de aire. El depósito debe de estar provisto de válvula de seguridad, manómetro, purga y tapas de inspección para la comprobación o limpieza interior.

El tamaño de los depósitos de aire se selecciona según las salidas del compresor, el tamaño del sistema y el hecho de que la demanda sea relativamente constante o variable o sea está definido por la capacidad del compresor; cuando mas grande sea su volumen, más largos son los intervalos entre los funcionamientos del compresor. Es muy frecuente que los compresores funciones con arranques y paros automáticos regulados por la presión del depósito.

Los compresores con accionamiento eléctrico en plantas industriales, las que suministran una red, normalmente se conectan y desconectan entre una presión

63 mínima y máxima. Este control se llama automático, para ello es necesario un volumen mínimo del depósito de aire para evitar que la conexión y desconexión sean demasiado frecuentes.

Los compresores móviles con un motor de combustión no se paran cuando se alcanza una presión máxima, sino que se elevan las válvulas de succión de forma que el aire puede fluir libremente dentro y fuera del cilindro sin ser comprimido. La diferencia de presión entre la compresión y la carrera en vacío es bastante pequeña. En este caso se necesita solo un pequeño depósito.

Para las plantas industriales, la regla aproximada para determinar el tamaño del depósito es:

Capacidad del depósito = salida del aire comprimido por minuto del compresor

Ejemplo: Descarga del compresor 18 mn3/min (aire libre), presión media de la linea 7 bares. Por lo tanto, la salida de aire comprimido por minuto es = 18000/7 = 2500 litros aprox. Un depósito con un volumen de 2750 litros será entonces el tamaño más adecuado.

Trampas y Drenajes.

En los sistemas de aire comprimido se utilizan drenajes automáticos o trampas para prevenir la fuga de aire a través de purgas o válvulas. Estos drenajes automáticos permiten la evacuación de condensado pero impiden la salida del aire. Pueden ser mecánicos, del tipo de flotador, o eléctricos, mediante válvulas solenoides que operan en ciclos predeterminados, o mediante sensores de nivel para controlar la apertura del drenaje.

Sistemas de distribución de aire.

El sistema de distribución de aire une los diferentes componentes del sistema para llevar el aire comprimido hasta los puntos de uso con la menor caída de presión. La configuración del sistema de distribución depende de las características y necesidades de la planta, pero generalmente consiste de una red de tuberías principales, ramales, válvulas y mangueras de aire. La longitud del sistema debe ser minimizada y las tuberías deben tener el diámetro adecuado al flujo que circula por ellas para reducir la caída de presión. En muchos casos se emplean sistemas con las líneas principales en forma de anillo cerrado, y todas las líneas con pendiente hacia los puntos de drenaje.

La tomas de aire es un sistema de distribución instalado de forma permanente para llevar el aire a varios puntos de consumo.

Se instalarán válvulas de aislamiento para dividir la toma de aire en secciones con el fin de limitar el área que deba ser vaciada durante períodos de mantenimiento o, reparación. Existen dos configuraciones de trazado básicas: final de línea

64 muerta y conducto principal en anillo.

Final en línea muerta: Para facilitar el drenaje, las tuberías de trabajo tienen una pendiente de cerca del 1 % en la dirección del flujo y deberán ser adecuadamente purgadas. A intervalos ajustables, la línea principal puede ser devuelta a su altura original mediante dos tubos largos curvados en ángulo recto y disponiendo una derivación de purga en el punto más bajo.

Conducto principal en anillo: Es un sistema de conducto principal en anillo, es posible alimentar el aire de dos lados a un punto de consumo elevado, lo que permite minimizar la caída de presión.

Líneas secundarias. A menudo están instalados un post- enfriador eficiente y un secador de aire, el conducto de distribución del aire comprimido actúa como una superficie refrigerante y el agua y el aceite se acumulan a lo largo de su longitud.

Las derivaciones de la línea se toman de la parte superior del conducto, para impedir que el agua del conducto principal entre en ellas. Mientras deberá purgarse la parte inferior de la caída del conducto.

Las purgas automáticas son un poco más caras de instalar al principio, pero compensa si se consideran las horas de trabajo que se ahorran con respecto al funcionamiento de tipo manual. Con la purga manual la negligencia conlleva problemas debido a la contaminación del conducto principal .

Principales áreas de oportunidad en los sistemas de aire comprimido 1. Evaluación correcta de las necesidades de aire comprimido. 2. Uso apropiado del aire comprimido. 3. Diseño adecuado del sistema. Reducción de la caída de presión. 4. Control de la presión del sistema 5. Regulación de la capacidad de producción de aire comprimido. 6. Reducción de las fugas. 7. Recuperación del calor de compresión. 8. Mantenimiento adecuado del sistema. 9. Realización de auditorías energéticas.

1.- Evaluación correcta de las necesidades de aire comprimido. Las necesidades de aire comprimido se definen en función de la cantidad, calidad y presión requerida por los equipos de uso final de la planta.

65 Cantidad de aire – capacidad. La capacidad del sistema de aire comprimido se puede determinar a partir de la suma de las demandas de los equipos de uso final y un determinado factor de diversidad que considere la no operación simultánea a máxima demanda de dichos equipos. Los picos de demanda se pueden absorber instalando capacidad de almacenamiento de aire en tanques recibidores de tamaño adecuado. Se recomienda que los sistemas tengan más de un recibidor. En muchos casos la instalación de recibidores cerca de los puntos donde se producen los picos de demanda pueden ayudar considerablemente a reducir la capacidad a instalar y a estabilizar la presión del sistema.

Los compresores sobredimensionados son siempre ineficientes, ya que trabajarán una gran parte del tiempo a cargas parciales. En muchos casos la instalación de varios compresores con un control secuencial permite mantener la eficiencia en periodos de baja demanda.

Si un sistema está bien diseñado y mantenido y aún presenta problemas de falta de capacidad, debe re-examinarse primero algunos cambios en el uso del aire comprimido, antes de proponer la instalación de nuevos compresores. En algunos usos puede ser ventajoso sustituir el aire comprimido por sopladores o por motores eléctricos como se señalará más adelante.

Perfil de demanda. Un elemento clave para el diseño y la operación de un sistema de aire comprimido es la evaluación de la variación de los requerimientos de aire a lo largo del tiempo. Las plantas con amplias variaciones en la demanda necesitarán que el sistema opere eficientemente a cargas parciales, y en este caso la instalación de varios compresores con un control secuencial puede ser la alternativa más económica. Sin embargo, en los casos en que el perfil de demanda sea plano, podrían aplicarse otras estrategias de control más simples y de menor costo inicial.

Al evaluar el perfil, de demanda debe tomarse en consideración que un incremento en la presión por encima de la necesaria, provoca una demanda artificial en las aplicaciones finales no reguladas.

Como se observa en la siguiente tabla, las calidades del aire comprimido van desde el aire industrial hasta el aire para equipos de respiración.

66

Calidad del Aire Comprimido

Aplicaciones

Aire industrial Herramientas neumáticas, aplicaciones en planta en general

Aire para Instrumentos Laboratorios, atomización de pintura, climatización

Aire de Proceso Procesos farmacéuticos, fabricación de equipos electrónicos

Aire para equipos de respiración

Sistemas hospitalarios, estaciones de relleno de balones para buceo, etc.

Las aplicaciones industriales típicas abarcan una de las tres primeras categorías. La calidad del aire está determinada por la humedad y nivel de contaminantes máximos admitidos por los equipos de uso final, y la misma se logra mediante equipos de filtrado y secado del aire. Una mayor calidad del aire requiere usualmente de equipos adicionales, lo que no solo eleva el costo inicial de la instalación, sino también los gastos en energía y mantenimiento.

Uno de los factores principales al determinar la calidad del aire es si se requiere o no que el aire sea libre de aceite. En estos casos se necesitará un compresor libre de aceite o para compresores con inyección de lubricante, se necesitará equipo adicional de separación y filtrado. Los compresores libres de aceite tienen mayores costos iniciales y de mantenimiento y menor eficiencia que los que utilizan lubricante. Por otra parte, los equipos adicionales de separación y filtración que requieren los compresores con inyección de aceite, incrementan el costo inicial y los de mantenimiento, y también reducen la eficiencia al introducir una caída de presión adicional. Por ello es necesario realizar una evaluación rigurosa antes de seleccionar un compresor libre de aceite.

2.- Uso apropiado del aire comprimido. El aire comprimido es probablemente el portador energético secundario más costo en una planta, sin embargo, por ser limpio, por estar siempre disponible y tener muchas facilidades para su empleo, se utiliza en muchos casos para aplicaciones en las que otros portadores energéticos pueden resultar más económicos.

Como regla general el aire comprimido debe utilizarse solo si se incrementa la seguridad de operación, si se logra un aumento significativo de la productividad, o una reducción de la mano de obra, ya que la eficiencia energética global típica de un sistema de aire comprimido es solo de un 10 %. En los casos en que se utilice el aire comprimido para una aplicación dada, la cantidad de aire debe ser la mínima requerida, a la presión más baja posible y durante el menor tiempo.

Ejemplos de aplicaciones en las que pueden resultar más económicos otros portadores son:

67

• Utilizar aire acondicionado o ventiladores para enfriar gabinetes eléctricos en lugar de tubos vortex con aire comprimido.

• Aplicar bombas de vacío en lugar de sistemas Venturi con aire comprimido a alta presión.

• Usar sopladores en lugar de aire comprimido para soplar, enfriar, agitar, mezclar o inflar empaques.

• Utilizar cepillos, aspiradoras, sopladores en vez de aire comprimido para limpiar partes o remover residuos.

• Emplear aire a baja presión para lanzas de aire, agitación, etc. En lugar de aire comprimido a alta presión.

• Utilizar motores eléctricos eficientes para herramientas y actuadores en los casos en que no sean imprescindibles algunas características específicas de los equipos neumáticos.

Los reguladores de presión son muy útiles y se emplean para limitar la presión máxima en los equipos de uso final y se instalan en el sistema de distribución justamente antes del equipo neumático. Si una herramienta opera sin regulador utilizará la presión plena del sistema, y como resultado se incrementará la demanda de aire y el consumo de energía, además de aumentar el desgaste y los costos de mantenimiento, y disminuir la vida útil del equipo.

Las diferentes herramientas y procesos requieren diferentes presiones de aire, las que son especificadas por los fabricantes. Como regla práctica se puede tener que por cada 2 lb/pulg2 de incremento de la presión de operación se incrementa el consumo de energía en aproximadamente un 1 %.

• Presiones relativas requeridas para los controles neumáticos: 0,07 a 1,05 Kg/cm2

• Herramienta normal 5 a 6,5 Kg/cm2 • Motores aire 3 a 7 Kg/cm2 • Licuefacción de aire 140 a 245 Kg/cm2 3.- Diseño adecuado del sistema (reducción de la caída de presión). La temperatura del aire de aspiración debe ser lo más baja posible, ya que al ser mayor la densidad el flujo másico para un desplazamiento dado aumentará, y además se reducirá la temperatura final en la compresión, lo que reduce el consumo de energía. Un incremento en la temperatura de aspiración de 3 0c representa, aproximadamente, un 1 % más de consumo de potencia en el compresor. Por ello la toma de aire debe realizarse del aire ambiente, y preferentemente estará orientada al norte. Si la aspiración se realiza desde el interior de la sala de máquinas, como es usual en los compresores pequeños,

68 entonces debe ubicarse la aspiración en zonas bajas y los más frías posibles, alejadas de las fuentes de calor.

La tubería de aspiración debe ser lo más recta y corta posible, ya que por cada 25 mBar de caída en la línea de succión el consumo se incrementará en alrededor de un 2 %.

El compresor es el principal elemento consumidor de energía por lo que una correcta selección y un mantenimiento adecuado permitirán una notable reducción en el costo de la energía consumida.

Es difícil dar una regla para seleccionar el compresor correcto, hay demasiadas variables, así como variaciones en las condiciones de operación.

Los compresores de etapas múltiples ofrecen importantes ventajas sobre los de una etapa. Por una parte, disminuyen el consumo de energía, de forma que una compresión de 7 Kg/ cm2 en dos etapas representa un ahorro de energía del 10 al 15 % respecto a una etapa.

La selección dependerá en cada caso de la comparación entre los costes de funcionamiento y la inversión inicial.

Una etapa:

• El costo inicial es menor • Baja presión ( <10 kg/cm2 ) • Adecuado para el servicio intermitente. • El costo de operación es mucho más alto. • El costo de mantenimiento es algo mayor. • No es tan eficiente.

Dos etapas:

• La eficiencia suele ser mayor (más del 75 %) • Es mejor para el servicio continuo • Tiene mejor aplicación para presiones altas (> 10 Kg/cm2) • Requiere menos mantenimiento • Construido para mayor duración • Ahorra hasta el 25 % de la energía eléctrica

Al establecer la presión de operación del sistema hay que tomar en consideración la caída de presión que se produce desde la presión de aire a la descarga de los compresores hasta los puntos de uso final. Se considera que un sistema bien diseñado debe tener una caída de presión inferior al 10 % de la presión de descarga de los compresores, medida entre la salida del tanque recibidor y los puntos de uso del aire.

La caída de presión en la red de distribución se produce por fricción en tuberías y

69 por la resistencia al paso del aire en accesorios, válvulas reguladoras, conexiones, etc. Para reducir la caída que se produce en las tuberías hay que tratar de reducir al mínimo la distancia que debe recorrer el aire desde los recibidores hasta los puntos de uso y dimensionar adecuadamente los diámetros de las líneas.

Las velocidades económicas recomendadas para las líneas de aire oscilan entre 6 y 10m/s, aunque en los ramales se admiten mayores velocidades de hasta 15 m/s.

Sector de la Red de Distribución Velocidad recomendada, m/s

Aspiración 5 – 7

Colectores principales < 8

Tuberías secundarias 10 - 15

Mangueras hasta 30

Resulta importante que los diámetros de las tuberías estén correctamente dimensionados, para evitar excesivas caídas de presiones. Ej. Diámetros de 40 mm producen caídas de presión de 1.8 bar por 100 m mientras que en tuberías de 80 mm de diámetro se producen caídas de presión de 0.04 bar por 100 m.

Al dimensionar la red de distribución deben tomarse en consideración algunas holguras para poder absorber futuros incrementos en la demanda de aire sin necesidad de realizar cambios importantes en la misma. Las tuberías deben de disponerse con las adecuadas pendientes que faciliten su drenaje evitando así las caídas de presión ocasionadas por la acumulación de agua condensada.

En el sistema de distribución las mayores caídas de presión se encuentran normalmente en los accesorios situados en los puntos de uso del aire, que incluyen mangueras, filtros, reguladores y lubricadores. Del lado del suministro las principales caídas de presión están asociadas a los separadores de aceite y de humedad, los post-enfriadores, los filtros y los secadores. En el caso de los filtros, su ensuciamiento provoca elevaciones sensibles de la caída de presión.

4.- Control de la presión del sistema.

El regular la presión de la red entre ciertos límites permite adaptar a la demanda de aire el número de compresores que lo satisfaga con el mínimo de tiempo trabajando en vacío.

En muchas plantas industriales los compresores operan a una presión de descarga a plana carga de 100 psig, y una presión de descarga en vacío de 110

70 psig o mayor, mientras que la mayoría de las herramientas y equipos neumáticos pueden trabajar con presiones de 80 psig o menores. La reducción y el control de la presión del sistema en los puntos de uso permite disminuir la presión de descarga de los compresores y contribuir a reducir la demanda.

Los controles de demanda requieren de una significativa variación de presión en los tanques recibidores a donde descargan los compresores, pero la presión en el cabezal de planta puede controlarse en un rango de presión mucho más estrecho, protegiendo a los compresores de severas oscilaciones en la demanda. Reduciendo y controlando adecuadamente la presión en el sistema se pueden obtener ahorros importantes en el consumo de energía, aunque no se cambie la presión de descarga, ya que ello reduce el consumo de aire en los equipos y disminuye las fugas. El efecto combinado de reducir la presión de descarga de los compresores y la demanda de aire comprimido al disminuir y controlar adecuadamente la presión del sistema puede significar ahorros de energía superiores al 10 % en muchos sistemas industriales.

La mayoría de los equipos neumáticos están construidos para funcionar a 6 Kg/ cm2. Cuando la presión es menor, la herramienta desarrolla su trabajo de forma inadecuada.

Entre las causas de la baja presión se tiene:

compresor muy pequeño

tuberías inadecuadas

elevadas pérdidas en el sistema por fugas.

Si la caída de presión desde el tanque hasta el punto de uso, es mayor al 10 % o 15 % se deberá pensar primero en eliminar fugas.

Al reducir la presión del sistema hay que tener cuidado ya que en momentos de gran demanda la presión en algunos puntos podría caer por debajo de la mínima admisible por los equipos y ocasionar problemas en su funcionamiento. Una reducción de presión del sistema puede requerir modificaciones o cambios en algunos componentes, como filtros, capacidad y localización de tanques recibidores, e incluso de reguladores. Para aplicaciones de alta demanda de aire resulta conveniente especificar equipos que operen a bajas presiones, ya que el costo incremental por utilizar cilindros mayores, etc, se recupera rápidamente a partir de los ahorros de energía.

Si una aplicación específica requiere de una mayor presión, es conveniente remplazarla o modificarla en lugar de incrementar la presión del sistema en su conjunto. Debe prestarse atención a las especificaciones de los fabricantes, pues en ocasiones la presión indicada incluye la caída en filtros, reguladores de

71 presión, lubricadores y mangueras, mientras que en otros casos puede especificarse la presión requerida después de estos elementos. La caída usual en estos elementos puede ser de unas 7 psig, pero en sistemas mal diseñados o con pobre mantenimiento puede alcanzar valores superiores.

Teniendo la presión en el sistema reducida al mínimo y regulada adecuadamente, debe prestarse atención al control de la capacidad en los compresores. 5.- Regulación de la capacidad de producción de aire comprimido. Los controles de capacidad en los sistemas de aire comprimido permiten lograr la correspondencia entre suministro del compresor y la demanda del sistema, teniendo una gran influencia en la eficiencia y el consumo de potencia en los mismos.

El objetivo esencial de todas las estrategias de control es asimilar las variaciones de demanda, manteniendo la presión del sistema en un estrecho rango, operando con la mínima cantidad de compresores en servicio y con la máxima eficiencia en los que se encuentran en operación.

Los sistemas de aire comprimido están integrados generalmente por varios compresores, interconectados a un cabezal de planta común. Los sistemas de control monitorean la presión del sistema y reducen la entrega de los compresores cuando la demanda baja y la presión llega a un valor predeterminado, y vuelven a incrementar la entrega cuando la presión baja a un valor inferior predeterminado. La diferencia entre estos dos niveles de presión se conoce como “rango de presión”, el cual puede estar entre 2 y 20 psi, dependiendo de la demanda del sistema.

72 En el pasado, los sistemas de control individuales para cada compresor y la no existencia de los sistemas supervisorios, hacía que estos fueran lentos e imprecisos, lo que resultaba en amplios rangos de presión y significativas oscilaciones en la presión del sistema. Como resultado de lo anterior, el punto de ajuste de los compresores se fijaba para mantener presiones mayores que las necesarias y de esa forma evitar que durante las oscilaciones de la presión, ésta no cayera por debajo de la requerida por los equipos de uso final. Hoy en día, los modernos y precisos sistemas de control basados en microprocesadores, permiten reducir el rango de presión y disminuir el punto de ajuste de la presiones, con resultados significativos en el ahorro de energía, además de la contribución a la estabilidad del proceso y su impacto positivo en la calidad del producto.

Los controles y el comportamiento del sistema. Las características de comportamiento del sistema a cargas parciales están determinadas fundamentalmente por el tipo de compresor y la estrategia de control utilizados. A su vez, la estrategia de control depende del tipo de compresor y del perfil de demanda del sistema. Para un sistema con un solo compresor y un perfil de demanda estable, será suficiente un sistema sencillo de control, no así para sistemas con múltiples compresores, variaciones significativas en la demanda y diversos tipos de uso, el que requerirá de un sistema de control mucho más sofisticado para garantizar un adecuado comportamiento a cargas parciales.

Estrategias de control individual para compresores. Existen diferentes tipos de control para la regulación de la cantidad de aire que produce cada compresor, que incluyen el control de dos posiciones(on/off), el control carga / descarga, los controles modulantes, los controles por etapas, y los controles con motores con variadores de frecuencia.

Los controles de dos posiciones (on/off) son los más simples, y pueden ser aplicados a compresores reciprocantes o rotatorios. Este tipo de control pone en servicio o apaga el compresor en respuesta a una señal de presión. El mismo no se puede aplicar en el caso de frecuentes ciclos de variación de la demanda, ya que las arrancadas repetidas del compresor pueden provocar el sobrecalentamiento del motor e incrementar significativamente los costos de mantenimiento del compresor.

Los controles de carga / descarga (load/unload) mantienen trabajando continuamente el compresor a velocidad constante, dejándolo sin carga cuando la presión de descarga alcanza el valor requerido. Los fabricantes emplean diferentes sistemas para descargar al compresor, pero el consumo de potencia en

73 vacío puede ser importante. Por ejemplo, es usual que un compresor rotatorio de tornillo consuma entre el 10 y el 15 % de su consumo a plena carga sin estar realizando ningún trabajo útil, lo cual puede conducir a sistemas ineficientes si los periodos de bajas cargas son prolongados.

Los controles por etapas (part-load) operan en dos o más condiciones ce carga parcial, permitiendo mantener la presión más cerca del valor prefijado sin necesidad de parar y arrancar el compresor tan frecuentemente como con un control de dos posiciones. Estos controles se utilizan con frecuencia en compresores reciprocantes y se diseñan para que el compresor trabaje en tres (0%, 50 %, 100%) y hasta cinco (0%, 25 %, 50 %, 75 %, 100%) condiciones de carga diferentes.

Los controles modulantes posibilitan el trabajo del compresor a diferentes capacidades mediante un estrangulamiento del aire en la succión. Este esquema de control se emplea generalmente en compresores rotatorios y centrífugos, sobre todo en este último tipo empleando el sistema de alabes guías en la succión.

El empleo de motores con variadores de frecuencia ha sido bastante poco usual en el accionamiento de compresores, debido a que el alto costo inicial de los mismos puede no justificar la ganancia en eficiencia sobre otros métodos de control. Actualmente, cuando los costos de los accionamientos con variadores de frecuencia han disminuido considerablemente, los mismos podrían ir ganando en aceptación en los sistemas de aire comprimido en la medida que siga aumentando su confiabilidad y eficiencia a plena carga.

Controles del Sistema de Aire Comprimido. Los controles de los sistemas de aire comprimido son los encargados de coordinar el trabajo de todos los compresores interconectados en el mismo. Antes de la existencia de los controles en los sistemas, la práctica era fijar en cascada los puntos de ajuste de los compresores individuales, de forma tal de sumar o quitar capacidad de compresión de acuerdo a la demanda del sistema. Esta estrategia, por su naturaleza aditiva, resulta en mayores rangos de control y mayor consumo de potencia que los sistemas actuales, en los que se logra cubrir la demanda del sistema con los compresores operando a su máxima eficiencia o en valores muy cercanos a ello.

Los controles secuenciadores (single-master) controlan las unidades individuales a partir de una unidad central (master) variando la capacidad o sacando y metiendo en línea compresores a partir del monitoreo de la presión del sistema (demanda). Este sistema permite alcanzar una mayor eficiencia al reducir el rango de control alrededor de la presión predeterminada de ajuste. Este rango más

74 estrecho permite a su vez reducir la presión promedio del sistema, teniendo cuidado en mantener la presión por encima de los valores mínimos admisibles durante los periodos de alta demanda, a lo cual puede contribuir una adecuada capacidad de almacenamiento de aire en tanques recibidores.

La última tendencia en los controles para los sistemas de aire comprimido son los controles en red (multi-master), los que permiten reducir más aun el rango de control de la presión y parar cualquier compresor que resulte innecesario. Estos sistemas en red son una combinación de controladores, que permiten el control individual de los compresores a la vez que el control del sistema en su conjunto, compartiendo la información y el status de cada elemento, posibilitando que las decisiones sobre la operación de los compresores se realicen de forma más rápida y segura. A pesar de su alto costo inicial, la utilización estos sistemas ha ido aumentando en los últimos años como resultado de las reducciones en los costos de operación que se logran con ellos.

Por último, la capacidad de almacenamiento se puede utilizar para controlar los picos de demanda en el sistema, rediciendo la caída de presión y la razón a que esta se produce. Los tanques recibidores se pueden utilizar para proteger algunas aplicaciones críticas de los descensos de presión y ayudando a mantenerla mientras que la velocidad de transmisión permite la respuesta del lado del suministro. En algunos sistemas que tienen un compresor en servicio prácticamente para asimilar los picos de demanda, la instalación de la capacidad de almacenamiento adecuada en lugares cercanos a las cargas críticas puede ayudar a sacar de servicio dicho compresor.

6.- Reducción de las fugas. Las fugas pueden representar una gran pérdida de energía en los sistemas de aire comprimido, llegando a perderse por este concepto hasta 30 %, y en casos extremos hasta el 50 %, de la producción de aire. Se considera que una planta con un buen mantenimiento y un adecuado programa de control de fugas las pérdidas por fugas, las mismas deben estar entre el 5 y el 10 % de la producción de los compresores.

Las fugas, además de significar un consumo de potencia desperdiciado, pueden provocar caídas de presión, afectando el funcionamiento de los equipos y la productividad, hacen que los ciclos de trabajo de los compresores sean más cortos, que se incremente su tiempo de operación y en consecuencia su desgaste y gasto de mantenimiento, y pueden conllevar incluso a la necesidad de instalar capacidad de compresión adicional innecesaria.

En la tabla siguiente se ofrece una idea de lo que puede representar una fuga en costo anual, para un sistema convencional que opere de forma continua, para un

75 costo de la electricidad de 0.05 USD/kWh y una presión de descarga de 115 psig.

Diámetro de la fuga Costo anual, USD/año 1/16 “ $ 523 1/8” $ 2095 1/4 “ $8382

Aunque las fugas se pueden presentar en cualquier parte del sistema, los puntos de fuga más frecuentes son:

• Acoplamientos, mangueras y accesorios.

• Reguladores de presión.

• Trampas de condensado.

• Uniones de tuberías. Estimación del porcentaje de fugas. Para los compresores con control de dos posiciones se puede emplear un método muy sencillo para estimar el porcentaje de fugas en el sistema. El método consiste en estimar inicialmente la producción total de aire comprimido con la planta funcionado a plena carga a partir de los tiempos de trabajo y parada del compresor, y luego de igual forma estimar las fugas con todos los equipos de uso parados. De esta forma se obtiene:

Fugas (%) = 100.)/(

)/(

offonon

offonon

TTTTpTpTp

+

+

Donde: Tpon, Tpoff– tiempos de trabajo y parada del compresor sin consumo en equipos de uso final, minutos.

Ton, Toff - tiempos de trabajo y parada del compresor con equipos de uso final funcionando a plena carga, minutos.

Para instalaciones con otros sistemas de control las fugas pueden ser estimadas a partir del volumen total del sistema y del tiempo en que demora en caer la presión un intervalo dado sin trabajar el compresor y sin consumo en los equipos de uso final. Para realizar esta prueba se requiere primeramente realizar un estimado del volumen total del sistema, incluyendo tuberías principales, secundarias, tanques recibidores, etc.

Luego se arranca el compresor con todos los equipos de uso final parados, y se lleva el sistema a su presión normal de operación (P1), y a continuación se detiene el compresor. Por último, se mide el tiempo t en que el sistema demora en reducir su presión hasta un valor P2, cercano a la mitad de la presión normal de trabajo. A partir de estas mediciones las fugas se pueden calcular por la expresión:

76 Fugas, pie3/min de aire libre = [V x (P1 – P2)/ (t x Patm)] x 1.25 Donde :

V – volumen total del sistema, pie3 P1 – presión inicial, psig P2 – presión final, psig t – tiempo que demoró la presión en descender del valor P1 al P2, minutos. Patm – presión atmosférica estándar, lb/pulg2 ; Patm = 14.7 lb/pulg2 1.25 – factor que se incluye para corregir las fugas a la presión normal de operación, tomando en consideración que estas disminuyen al descender la presión.

Detección de las fugas. El mejor método para localizar los puntos de fugas consiste en el empleo de un detector acústico ultrasónico, el cual identifica el sonido de alta frecuencia asociado a las fugas de aire. Otros métodos, que es más engorroso, consiste en la aplicación de solución jabonosa en las áreas bajo sospecha.

Un buen programa de prevención de fugas incluye la evaluación, identificación, reparación y verificación, logrando involucrar a todo el personal en el mismo.

7.- Recuperación del calor de compresión. Entre el 80 y el 90 % de la energía mecánica consumida por el compresor en un sistema de aire comprimido es convertida en energía térmica, con el consiguiente aumento de la temperatura del aire. Esto requiere de un sistema de enfriamiento del compresor para mantener su temperatura de trabajo dentro de los límites admisibles y de enfriadores de aire intermedios para reducir la potencia consumida y separar humedad, así como de post-enfriadores colocados a la salida del compresor para terminar de condensar y separar la humedad.

En muchos casos, con un buen sistema de recuperación, se puede recuperar entre el 50 y el 90 % del calor de compresión. Los sistemas de recuperación de calor se aplican tanto en compresores enfriados por aire, como en los enfriados por agua.

En el caso de compresores enfriados por aire, usualmente el aire que enfría al compresor sale de éste a unos 15-20 0C por encima de la temperatura de aire de enfriamiento. Las aplicaciones más difundidas en este caso son el empleo del calor recuperado para calefacción ambiental, y como aire caliente para procesos de secado o aire de combustión para quemadores de hornos y calderas de vapor.

En los enfriadores enfriados por agua, esta puede salir de las camisas del compresor y los enfriadores de aire entre 40 y 60 0C, y puede ser utilizada en diversas aplicaciones en la planta.

77 8.- Mantenimiento adecuado del sistema. Como todos los sistemas electromecánicos, los sistemas de aire comprimido requieren de un mantenimiento periódico para operar con máxima eficiencia y reducir las interrupciones.

El mantenimiento debe realizarse de acuerdo a las especificaciones de los fabricantes, aunque en muchos casos tiene sentido acortar los intervalos dados por los fabricantes, los que están previstos para proteger los equipos, para ganar en eficiencia y ahorrar energía.

A continuación se ofrece una lista de chequeo básica para el mantenimiento en función de la eficiencia energética en sistemas de aire comprimido.

• Elementos en filtros de succión. Inspeccionarlos y limpiarlos o cambiarlos según especificaciones del fabricante. La frecuencia puede acortarse dependiendo de las condiciones de operación para mantener baja la caída de presión y ahorrar energía.

• Trampas de condensado. Limpiarlas y comprobar su operación periódicamente.

• Nivel de lubricante. Inspeccionarlo diariamente y cambiarlo según especificaciones del fabricante. Cambiar elementos filtrante según especificaciones.

• Separador de aceite. Cambiarlo según especificaciones del fabricante o cuando la caída de presión exceda de 10 psi.

• Correas de trasmisión. Comprobar el desgaste y la tensión. Ajustarla en caso necesario.

• Temperatura de operación. Verificar que la temperatura coincida con la establecida por el fabricante.

• Filtros en líneas de aire. Reemplazar los elementos cuando la presión exceda de 2 a 3 psi. Inspeccionar anualmente los elementos independientemente de la caída de presión.

• Sistema de enfriamiento. Para sistemas enfriados por agua, revisar la calidad del agua(especialmente PH y sólidos totales disueltos), flujo y temperatura. Limpiar o reemplazar los elementos filtrantes según especificaciones del fabricante.

• Fugas. Evaluarlas periódicamente. Inspeccionar las líneas, uniones, accesorios, válvulas, mangueras, filtros, lubricadores, conexiones de manómetros, y equipos de uso final para detectar fugas.

78 9.- Realización de auditorías energéticas. Una auditoría al sistema de aire comprimido puede poner en evidencia los verdaderos costos del aire comprimido e identificar oportunidades simples de aplicar para incrementar la eficiencia del sistema.

Una auditoría integral debe examinar, tanto el lado del suministro, como el lado de la demanda, así como la interacción entre ellos.

A continuación se presenta una lista de chequeo resumida, en la que se señalan los aspectos esenciales que deben revisarse en una auditoría energética a un sistema de aire comprimido.

Aspectos generales del sistema. • Nivel de tratamiento del aire. Medir la calidad del aire. Determinar sí el

tratamiento es el requerido. Evaluar el empleo de distintos tratamientos para diferentes usos.

• Fugas. Cuantificar e identificar las fugas. Recomendar plan de acción para reducir las fugas.

• Niveles de presión. Determinar el mínimo nivel de presión necesario para los equipos de uso final. Evaluar posibilidad de reducir presión. Evaluar necesidad de almacenamiento para reducir presión.

• Controles. Analizar si el sistema de control es apropiado al perfil de demanda. Evaluar otras alternativas de estrategias de control.

• Recuperación de calor. Identificar potenciales de recuperación de calor.

Aspectos del lado de la demanda. • Sistema de distribución. Examinar esquema general del sistema. Medir

caídas de presión. Evaluar efectividad del sistema de drenaje de condensado. Evaluar cambios que mejoren el comportamiento del sistema.

• Perfil de demanda. Establecer el perfil de demanda. Analizar su influencia en la estrategia de control y en la capacidad de almacenamiento necesaria. Evaluar alternativas de mejoras.

• Equipos de uso final. Revisar equipos de uso final, estado técnico, presiones de trabajo. Evaluar posibles cambios a otros accionamientos, o a equipos que trabajen a menor presión, o de instalación de capacidad de almacenamiento local.

Aspectos del lado del suministro.

• Conjunto de compresores. Evaluar si el tipo de compresor es adecuado y

79

su estado técnico general. Estimar eficiencia de los compresores. Evaluar la instalación de los compresores en cuanto a su ubicación, conexión al sistema de enfriamiento, ventilación, etc.

• Filtros. Inspeccionar estado de los filtros. Medir la caída de presión y estimar pérdidas de energía. Revisar esquema de mantenimiento de los filtros.

• Post-enfriadores. Evaluar efectividad del enfriamiento, de la separación de humedad. Valorar posibles mejoras.

• Secadores. Analizar si son los apropiados para la calidad del aire que se requiere. Medir eficiencia y caída de presión.

• Drenajes automáticos. Revisar el funcionamiento. Evaluar posibles modificaciones o sistemas alternativos.

• Recibidores. Analizar la localización y capacidad de los tanques recibidores para almacenamiento de aire. Evaluar posibles soluciones a problemas en el lado de la demanda con la instalación de nuevas capacidades de almacenamiento.

3.1.5.4. Eficiencia energética en sistemas de combustión y hornos.

La combustión es un proceso físico-químico en el cual intervienen los siguientes elementos:

El combustible, que representa la energía potencial. El aire, que suministra el oxígeno como comburente para la reacción de combustión de los elementos combustibles de combustible. El horno, donde se desarrolla el proceso de combustión. Los sistemas auxiliares, que garantizan la preparación adecuada del combustible y favorecen la mezcla del aire con el combustible.

La reacción de combustión es una reacción química de oxidación rápida del combustible y reducción del comburente, acompañada de la liberación de una

COMBUSTION

Proceso Físico-Químico Transporte Mezcla Reaccionesquímicas Transmisión de calor

Pérdidas Térmicas

Aire

Combustible

Calor absorbido en el horno

Productos de combustión

80 determinada cantidad de calor (reacción exotérmica).

El combustible Se considera un combustible como aquella sustancia capaz de reaccionar rápidamente con el oxígeno y liberar en dicha reacción de una cantidad significativa de calor. Los combustibles energéticos deben cumplir además con los requisitos de disponibilidad y bajo costo que permitan su utilización a escala comercial. Los principales combustibles energéticos para la generación de vapor son el carbón, el petróleo (fuel oil) y el gas natural. En la industria azucarera el bagazo constituye el combustible natural por excelencia para satisfacer las demandas energéticas del proceso de producción de azúcar.

Composición del combustible La composición elemental o Análisis Elemental del combustible, expresa el porcentaje en masa de Carbono, Hidrógeno, Oxígeno, Nitrógeno, Azufre, Cenizas y Humedad, y se puede referir a:

Masa de trabajo (tal como se suministra a la caldera) Ct + Ht + Ot + Nt + St + At + Wt = 100 %

Masa analítica (sin humedad externa) Ca + Ha + Oa + Na + Sa + Aa + Wa = 100 %

Masa seca (sin humedad) Cs + Hs + Os + Ns + Ss + As = 100%

Masa combustible (sin humedad y cenizas) Cc + Hc + Oc + Nc + Sc = 100 %

La composición aproximada o Análisis Inmediato expresa el contenido en porcentaje en masa de sustancias volátiles, Carbono, humedad y cenizas. La humedad en el combustible está compuesta por: Humedad externa: se encuentra mecánicamente ubicada sobre las superficies exteriores de las partículas del combustible. Humedad interna, la cual a su vez está formada por:

- Humedad capilar: se encuentra en las cavidades capilares y poros del combustible.

- Humedad coloidal. - Humedad hidratada: se encuentra ligada químicamente a impurezas

minerales en el combustible (CaSO4, Al2O3, SiO2). Las sustancias combustibles en la masa de los combustibles orgánicos son:

Carbono, C Hidrógeno, H Azufre, S

El carbono es el elemento principal de la parte combustible, pues es el que más

81 calor desprende, ya que aunque el hidrógeno de forma específica por unidad de masa desprende más, se encuentra siempre en mucha menor cuantía y el azufre desprende poco calor durante su combustión.

El azufre constituye la impureza más perjudicial contenida en el combustible, pues provoca una intensa corrosión de las superficies de baja temperatura, dada por la presencia en los gases de la combustión de SO3, si las condiciones son favorables para su formación, lo que acarrea la formación de ácido sulfúrico que ataca al condensarse el metal de las superficies de transferencia de calor. El azufre también resulta perjudicial, desde el punto de vista de la contaminación ambiental, por sus gases sulfurosos que van a parar a la atmósfera.

Propiedades de los Combustibles Dentro de las propiedades más importantes de los combustibles desde el punto de vista de su utilización para la generación de vapor en las calderas están las siguientes:

• Calor específico de combustión (Poder Calorífico o valor calórico) • Humedad • Contenido y composición de impurezas minerales (ceniza) • Contenido de azufre • Contenido de sustancias volátiles • Contenido de azufre.

Adicionalmente para los combustibles líquidos son importantes también: • Viscosidad • Densidad (o gravedad específica) • Temperatura de ignición • Contenido de impurezas mecánicas • Temperatura de solidificación

Calor específico de combustión. Poder calorífico del combustible. El Calor Específico de Combustión de un combustible, también conocido por Poder Calorífico o Valor Calórico, es el calor liberado durante la combustión completa de la unidad de masa del combustible. Se diferencian dos calores de combustión, dependiendo de que se condensen o no los vapores de agua presentes en los gases de combustión, en función de la temperatura final hasta que se enfríen estos.

1. Calor Específico de Combustión Superior (bruto), Qst

2. Calor Específico de Combustión Inferior (neto), Qit

Tomando en consideración que en la oxidación de una unidad de masa de hidrógeno se obtienen nueve unidades de masa de agua, y considerando un calor latente aproximado del agua a presión atmosférica y temperaturas bajas de 2500

82 kJ/kg, se tiene para combustibles líquidos y sólidos:

Qit = Qs

t – 2500 [(9.Ht / 100) + (Wt / 100)], kJ/kg Para combustibles gaseosos la composición se especifica normalmente, en porcentaje volumétrico de los diferentes gases que lo componen, y el poder calorífico está en función de esa composición y del poder calorífico de cada componente.

Determinación del poder calorífico. La determinación del poder calorífico de un combustible se puede realizar:

• Experimentalmente, mediante bombas calorimétricas.

• Analíticamente, en este caso en función de la composición elemental. Existen muchas fórmulas de diferentes autores para determinar el poder calorífico de distintos tipos de combustibles. Un ejemplo de ellas es la fórmula de Mendeleyev, aplicable para combustibles sólidos y líquidos:

Qit = 339 · Ct + 1030 · Ht – 109 · (Ot - St) – 25 ·Wt, kJ/kg

Donde: Ct, Ht, Ot, S y W representan los porcentajes de Carbono, Hidrógeno, Oxígeno, Azufre y Humedad, respectivamente, en la masa de trabajo del combustible. Lastres en los combustibles En los combustibles se tiene presente, en el momento de su combustión, dos tipos de lastres: primero los constituidos por las sustancias minerales no combustibles, y segundo, el agua presente en forma de humedad, a continuación se procede al estudio de ambos.

Tanto las sustancias minerales no combustibles como el agua disminuyen el calor específico de combustión, aumentan los gastos de transportación y afectan el buen funcionamiento de los generadores de vapor.

Al quemarse los combustibles a altas temperaturas, las impurezas pueden sufrir grandes cambios. Primeramente, a temperaturas relativamente bajas, pierden el agua que forma parte de los cristales de algunos compuestos de azufre y de la arcilla. Posteriormente, a temperaturas algo mayores, ocurre la descomposición de carbonatos, con la consiguiente formación de ácido carbónico y, además, la evaporación de las sustancias alcalinas y los cloruros.

El residuo sólido no combustible obtenido después de la combustión de una sustancia, y de las consiguientes transformaciones de sus impurezas minerales no combustibles, es lo que se llama ceniza.

En la utilización de un combustible es importante, además de la cantidad de ceniza, la composición química de esta y las características de las sustancias que la componen. Por ejemplo, los compuestos de calcio, las sustancias alcalinas de

83 fácil fusión y los cloruros presentes en la ceniza provocan incrustaciones duras sobre las superficies de transferencia de calor, que resultan de difícil eliminación. La presencia de pentóxido de vanadio (V2O5), que tiene una temperatura de fusión baja y que se descompone sobre la superficie de los sobrecalentadores, acelera el proceso de corrosión del metal de los tubos. Esto incrementa también los gastos de mantenimiento. Este proceso se ve acelerado con la presencia de sales de níquel y sodio. La presencia de azufre en la ceniza crea también serias dificultades, por las características corrosivas que da a los gases. Su efecto negativo se produce principalmente en las superficies de baja temperatura.

Volumen de oxígeno y aire necesarios para la combustión. Coeficiente de exceso de aire. El oxígeno necesario para la combustión en los hornos de los generadores de vapor es tomado del aire suministrado al horno. El aire es una mezcla de gases, compuesta fundamentalmente por nitrógeno y oxígeno. La composición volumétrica aproximada para cálculos de ingeniería es:

21% de O2, 79% de N2 79/21 = 3.76 moles N2 / moles O2

La combustión puede ser completa o incompleta. Combustión completa: todo el combustible se oxida y se libera completamente

su energía química. Combustión incompleta: no todo el combustible se oxida completamente, no se

libera completamente su energía química. La combustión real de una sustancia en el horno de una caldera adolece de deficiencias, pues resulta materialmente imposible lograr una mezcla perfecta del aire y el combustible para que, suministrando el aire teórico, se produzca la oxidación completa de todo el combustible, es decir, en la práctica se produce una combustión incompleta, obteniéndose productos intermedios. Por ejemplo para el Carbono:

C + O2→ CO2 + 32800 kJ/kg (combustión completa)

2C + O2→ 2CO + 9300 kJ/kg (combustión incompleta) La combustión incompleta puede ocurrir debido a tres factores fundamentales:

1. Insuficiente oxígeno. 2. Pobre mezclado del combustible. 3. Baja temperatura en la cámara de combustión.

84 Una reacción de combustión estequiométrica es aquella en que todo el combustible se oxida y todo el comburente se reduce. Es una reacción ideal entre cantidades de combustible y comburente tales, que no sobra ni falta ninguno de ellos.

Por ejemplo, la reacción estequiométrica de combustión completa de 1 mol de carbono será:

C + O2 = CO2 12 kg + 32 kg = 44 kg

O sea, que para quemar completamente 12 kg de carbono se necesitan 32 kg de oxígeno o el siguiente volumen de oxígeno:

Vo2 = 32 / (12 x 1.429) = 1.866 m3N/kgC.

Esto es, se requiere para la combustión completa de 1 kg de Carbono 1.866 m3de oxígeno en condiciones normales (presión atmosférica y temperatura de 0°C, teniendo en cuenta la densidad del oxígeno en condiciones normales de 1.429 kg / m3N).

Cantidad de oxígeno y de aire necesario en condiciones estequiométricas para la combustión de las tres sustancias combustibles en la masa orgánica de

combustibles fósiles.

Elemento Combustible

Reacción de Combustión

Cantidad de oxígeno necesario para la combustión de 1 kg del elemento

Cantidad de aire necesario para la combustión de 1 kg del elemento

kg / kg m3 N / kg m3 N / kg Carbono C + O2 = CO2 32 / 12 = 2.66 2.67 / 1.429 = 1.866 1.866 / 0.21 = 8.89

Hidrógeno 2H2 + O2 = 2H2O 32 / 4 = 8 8 / 1.429 = 5.598 5.598 / 0.21 = 26.5 Azufre S + O2 = SO2 32 / 32 = 1 1 / 1.429 = 0.699 0.699 / 0.21 = 3.33

De esta forma el volumen teórico de oxígeno necesario para la combustión completa de 1 kg de combustible sólido o líquido en condiciones normales se determina por la ecuación:

Vo2 = 1.866⋅ (C / 100) + 5.59⋅ (H / 100) +0.7⋅ (S /100) - (O /100⋅ 1.429), m3N / kg Para un combustible gaseoso de composición volumétrica igual a: CO2 + H2 + H2S + CmHn + CO + N2 + O2 = 100% El volumen teórico de oxígeno necesario para la combustión completa de 1 m3N de combustible gaseoso será:

Vo2 = 0.01⋅[0.5 ⋅ CO + 0.5 ⋅ H2 + 1.5 ⋅ H2S +Σ (m + n/4) ⋅ Cm Hn - O2], m3N / m3N

85 Este valor se determina análogamente al caso de los combustibles sólidos y líquidos, a partir del balance de materiales en las ecuaciones de combustión de los componentes combustibles del gas.

Pero en un generador de vapor o en un horno indcustrial no es oxígeno, sino aire lo que se suministra al horno para la combustión de los elementos combustibles.

Conociendo que el aire atmosférico contiene 21% en volumen de oxígeno su puede calcular la cantidad teórica de aire necesaria para la combustión completa de 1 kg de combustible de una composición determinada.

Va° = Vo2 / 0.21 A partir de esta expresión se obtiene la ecuación para determinar la cantidad de aire teórico para la combustión completa de un combustible.

Combustibles sólidos o líquidos Va° = 0.0889⋅ (C + 0.375⋅S) + 0.265⋅H - 0.0333⋅O, m3N/kg Combustibles gaseosos Va°= 0.0476 [0.5·CO + 0.5·H2 + 1.5·H2S + Σ(m + (n/4)) ·CmHn-O2] , m3N/m3N

Volumen de aire teórico para el caso específico del Fuel Oil

Tipo de Fuel Oil Va° , m3N/kg Fuel oil bajo azufre 10.62 Fuel oil medio azufre 10.45 Fuel oil alto azufre 10.20

Para el bagazo el volumen de aire teórico oscila alrededor de 2.2 - 2.3 m3N/kg

En las condiciones reales del proceso de combustión en los hornos de los generadores de vapor, no es posible lograr una combustión completa del combustible suministrando la cantidad de aire teóricamente necesaria Va°. Esto obedece a la imposibilidad de lograr en condiciones reales un mezclado perfecto del combustible con el aire en el gran volumen del horno durante el breve tiempo de estancia de los gases en el mismo (1-2 segundos).

La principal medida que se toma para contrarrestar esta dificultad es suministrar aire en exceso, es decir, suministrar una mayor cantidad que la que teóricamente se requiere. Esto trae el inconveniente que una cantidad de aire entrará al horno, se calentará y saldrá de la caldera, sin tomar parte en la reacción química, llevándose consigo una determinada cantidad de calor que constituye una pérdida; no obstante, se ha comprobado que suministrando un exceso de aire

86 razonable, las pérdidas en conjunto disminuyen, pues se logra una combustión mucho más completa.

Por ello, para asegurar una combustión suficientemente completa, que satisfaga los indicadores económicos del trabajo de los generadores de vapor, el volumen real de aire suministrado al horno es siempre mayor que el teórico. La relación entre estos volúmenes se denomina coeficiente de exceso de aire.

α= Vaire real / Va0 (2.6)

El coeficiente de exceso de aire es la relación entre la cantidad (volumen) de aire real y la cantidad (volumen) de aire teórico.

Vaire real> Va0 , α> 1

El coeficiente de exceso de aire suministrado al horno, caracteriza el grado de perfección de la organización del proceso de combustión en las condiciones reales con respecto a las ideales.

El coeficiente de exceso de aire a suministrar al horno depende de:

• Tipo de combustible. • Modo de combustión. • Construcción del horno y sistema de combustión.

Los valores del coeficiente de exceso de aire oscilan entre 1.05 y 1.4 En general los valores están en el rango:

• Para combustibles sólidos α = 1.15-1.4 • Para combustibles líquidos α = 1.05-1.15 • Para combustibles gaseosos α = 1.05- 1.1

Rangos típicos del coeficiente de exceso de aire en función del tipo de

combustible y el sistema de combustión.

Tipo de combustible

Sistema de combustión

Coeficiente de exceso de aire

Porcentaje en volumen de

oxígeno Gas natural - 5 - 10 1 – 2

Propano - 5 - 10 1 – 2 Gas de coke - 5 - 10 1 – 2 Fuel oil N° 2 Atomización

por vapor 10 - 12 2 – 3

Fuel oil N°6 Atomización por vapor

10 - 15 2 – 3

Carbón Pulverizado 15 - 20 3 - 3.5 Carbón Stoker 20 - 30 3.5 – 5

87 Durante la explotación y pruebas de generadores de vapor, el coeficiente de exceso de aire se determina experimentalmente (análisis de los productos de la combustión), y durante los cálculos de diseño o de comprobación se asume por recomendación (documentos normativos).

Una disminución en el coeficiente de exceso de aire reduce el consumo de potencia en los ventiladores de tiro, y reduce, hasta cierto límite inferior, las pérdidas térmicas, aumentando la eficiencia térmica del generador de vapor. Pero su disminución por debajo del valor de diseño conlleva a la elevación brusca de las pérdidas por incombustión y al descenso de la eficiencia del generador de vapor.

Hay que tener presente, además, al seleccionar el coeficiente de exceso de aire suministrado al horno, que al reducirse este, disminuye la corrosión de las superficies de calentamiento, tanto de alta temperatura (por vanadio) como de baja temperatura (por azufre), se reducen las incrustaciones en los sobrecalentadores, así como la emisión de contaminantes (NOx y SO2).

De todo lo anterior se comprende la importancia de lograr, con una adecuada organización del proceso de combustión en el horno del generador de vapor, que esta se realice de forma completa con el mínimo de exceso de aire.

Composición volumétrica de los productos de la combustión. La composición volumétrica de los productos de la combustión se determina mediante instrumentos específicos, los analizadores de gases.

En los análisis de gases se determina el contenido (% en volumen) de:

RO2 = (CO2 + SO2); O2; CO; H2; CH4

Por lo general el % de H2 y CH4 es bajo, y por tanto se determina normalmente solo el % de RO2, O2 y CO. Con frecuencia se utilizan los analizadores de gases con soluciones absorbedoras, tipo ORSAT o Fyrite (simplicidad y bajo costo). Mediante estos analizadores de gases o mediante los electrónicos, se determinan los porcentajes en volumen de: RO2, O2 y CO.

Se considera que el resto de los gases es N2 ya que el análisis es sobre base seca (se mantienen saturados con vapor de agua), y los otros componentes gaseosos están presentes en muy baja proporción (ppm), por tanto:

N2 = 100 - (RO2 + O2 + CO), % En ocasiones, si se utiliza un analizador tipo ORSAT, por ser el contenido de CO < 1%, solo se determina en el análisis el porcentaje de CO2 y O2, y el CO se obtiene de forma indirecta.

88

ββ

++−⋅−

=605.0

)(21 222 OROROCO , %

Donde β es un coeficiente característico del combustible, que depende fundamentalmente de la relación H/C, (β = f (H/C)). Para combustibles sólidos y líquidos:

( )SC

OH⋅+

⋅−⋅=

375.0126.037.2β

(2.8) Para combustibles gaseosos:

791.0001.2995.0994.0

791.0389.2584.1396.0395.0209.0

42

2422 −⋅+⋅+⋅+

⋅−⋅+⋅+⋅+⋅+⋅=

mn

mn

HCCHCOCOOHCCHHCON

β

Conociendo la composición volumétrica de los productos de la combustión se puede determinar el coeficiente de exceso de aire por la fórmula del Nitrógeno:

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛ ⋅−⋅−

=

2

2 5.062.31

1

NCOO

α

También se puede emplear la ecuación del Código de Pruebas de la ASME ("ASME Power Test Codes") para calcular el % de exceso de aire:

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ −−⋅

−⋅=

22682.0

2100

22

2

COON

COOEA , %

Siendo: α = 1+ EA /100 De forma aproximada, despreciando la liberación del contenido de Nitrógeno del combustible, el cual es normalmente pequeño, se puede determinar el coeficiente de exceso de aire por la fórmula del Oxígeno.

22121

O−=α

Otro método que se puede utilizar para determinar el coeficiente de exceso de aire de forma aproximada, es a partir del % de gases triatómicos en gases secos.

2

2

RORO max

=α β+=

121

2maxRO

89

Combustión de combustibles sólidos, líquidos y gaseosos. Regiones de combustión. La combustión del combustible en la cámara del horno abarca complejos procesos físicos y químicos. Dentro de los fenómenos físicos asociados a la combustión se destaca en particular el proceso de formación de la mezcla del combustible con el oxígeno. Dentro de los factores químicos influyentes en el proceso de combustión están en primer plano la temperatura y la concentración de las sustancias que intervienen en la reacción.

La reacción química de combustión es una reacción de tipo exotérmico, la cual es acompañada por la liberación de calor. Sin embargo, en las condiciones de alta temperatura que prevalecen en el núcleo de la llama pueden ocurrir reacciones de tipo endotérmico, tales como la reacción de formación de óxidos de nitrógeno

N2 + O2 = NO - 18 kJ/mol, o la reacción de disociación del dióxido de carbono C + CO2 = 2 CO - 7.25 MJ/kg. La intensidad de la reacción química de combustión se caracteriza por la

Equipos para el Análisis de los Gases de Combustión

90 velocidad de reacción. Por velocidad de reacción se conoce la masa de sustancia que reacciona por unidad de volumen y unidad de tiempo.

WR = - dCa/dt Donde:

dCa - Variación de la masa de uno de los agentes que reaccionan. dt - Intervalo de tiempo, s.

La velocidad de una reacción depende de la temperatura, naturaleza y concentración de los reactivos que en ella intervienen.

WR = k.⋅ Cam⋅ Cb

n mol/m3-s (g / m3-s) Donde:

k - constante de velocidad de la reacción, depende de la temperatura y de la naturaleza química de los reactivos. Ca,Cb - concentración de las sustancias que intervienen en la reacción. m,n - número de moles de las sustancias que intervienen en la reacción.

En condiciones de concentración estable de los reactivos en el tiempo, la velocidad de la reacción es determinada por la constante k, la cual depende de la temperatura y la naturaleza química de las sustancias que intervienen en la reacción. Esta dependencia se expresa por la Ley de Arrhenius:

k = k0⋅ exp (-E / μ⋅R⋅T) Donde:

E- Energía de activación, J/mol. T- Temperatura, K.

μ⋅R- Constante universal de los gases (8.314 J/mol).

Velocidad de la reacción de combustión. Donde:

Ccomb- Concentración de combustible en la mezcla, %. Sin embargo, el tiempo total del proceso de combustión se determina, no solo por la velocidad de la reacción, sino, además, por el tiempo invertido en lograr el

WR WRWR

T E Ccomb

91 contacto de la sustancia combustible con el oxidante, o sea, por el tiempo de formación de la mezcla y su calentamiento hasta la temperatura de inflamación.

t = tc + td Donde:

t - Tiempo total de la combustión. tc - Tiempo de la reacción química (proceso cinético). td - Tiempo de formación y calentamiento de la mezcla, de difusión del oxígeno hacia la superficie del combustible (proceso difusivo).

Las reacciones químicas, incluyendo lógicamente las de combustión, se clasifican en dos tipos según las fases de los reactantes:

Homogéneas: Todos los reactantes están en la misma fase. Ejemplo: combustión del acetileno y el oxígeno. Ambos reactantes están en fase gaseosa.

Heterogéneas: Los reactantes están en fases diferentes. Ejemplos de

éstas son las combustión de: • Bagazo (sólido) y aire (gas). • Fuel oil (líquido) y aire(gas).

En las reacciones homogéneas, el tiempo de la etapa difusiva es el necesario para la formación de la mezcla combustible-oxidante; mientras que en las reacciones heterogéneas, es el tiempo necesario para la difusión del oxidante hacia la superficie del combustible y la salida de los productos gaseosos, a través de las capas de gases que lo envuelven.

Si tc >> td , el tiempo total de la combustión está determinado por la velocidad de la reacción química ( t = tc), y se dice que el proceso transcurre en la región cinética. En el caso opuesto, td >> tc controlan el tiempo total los procesos de formación y preparación de la mezcla, y el proceso se desarrolla en la región difusiva o combustión difusiva.

Si tc = td el proceso se encuentra en una región intermedia en la cual el tiempo total está determinado por ambos factores (físicos y químicos).

El análisis de las regiones de combustión permite analizar la influencia de diferentes parámetros sobre la velocidad del proceso de combustión para diferentes tipos de combustibles y modos de combustión.

En el caso de combustión homogénea (combustibles gaseosos), el tiempo de los procesos difusivos es menor, incluso muchos quemadores utilizan premezclado, acortándolo aún más. O sea, la combustión está determinada en mayor grado por los procesos cinéticos.

En el caso de combustibles sólidos y líquidos, los procesos difusivos son más

92 largos, pues abarcan los procesos de secado, desprendimiento de volátiles o de vaporización, difusión del oxidante hacia la superficie de combustión, etc., por lo cual la región difusiva es más probable.

Combustión de combustibles líquidos. Para los combustibles líquidos derivados del petróleo empleados en calderas, la temperatura de ignición es superior a la de ebullición, y, por tanto, primero ocurre la evaporación del combustible, luego los vapores de combustible se mezclan con el aire, se calientan hasta la temperatura de inflamación y por último se queman.

La pequeña gota de líquido, formada por la atomización del combustible dentro del horno, comienza a recibir calor de los gases calientes y las llamas que la rodean; esto hace que las fracciones más ligeras se evaporen y la envuelvan formando una nube de vapores, los cuales se difunden al medio circundante.

Con la continuidad del flujo de calor esta zona se desarrolla y se comienza a mezclar por difusión con el oxígeno del aire. En la superficie de esta zona se provoca una concentración tal de oxígeno, que con la alta temperatura del horno se inicia la reacción de combustión y la formación de la llama. El comienzo de la reacción de combustión provoca el desprendimiento de calor, parte del cual acelera el proceso de ebullición de la gota y el resto se transfiere al medio por radicación y por convección mediante los propios gases productos de la reacción, que se desprenden y pasan a formar parte de la masa de gases calientes.

Como resultado de estos procesos, a una determinada distancia rest de la gota de combustible, se alcanza la relación estequiométrica entre los gases combustibles y el oxígeno, y en esta zona se establece el frente de llama, formando una esfera alrededor de la gota de combustible.

rest = (4 - 10) ⋅ rg Donde: rg - Radio de la gota.

De este modo, la velocidad de la combustión de una gota de combustible líquido depende de la velocidad de evaporación en la superficie de la gota, de la velocidad de difusión del oxígeno hacia la zona de combustión y de la velocidad de la reacción química en la zona de combustión.

La velocidad de la reacción en un medio gaseoso es muy alta, y no retrasa el proceso de combustión. La cantidad de oxígeno que se difunde a través de una superficie esférica es proporcional al cuadrado de su diámetro, por lo que una pequeña separación de la zona de combustión de la superficie de la gota incrementa significativamente la difusión del oxígeno. Consecuentemente, la

93 velocidad de la combustión de una gota de combustible líquido está determinada por la velocidad del proceso de evaporación.

En resumen, el proceso de combustión de una gota de combustible líquido transcurre por las siguientes etapas:

Etapas del proceso de combustión de un combustible líquido:

1. Calentamiento. 2. Evaporación. 3. Formación de la mezcla. 4. Calentamiento de la mezcla e inflamación del combustible.

Es por ello que la pulverización del combustible en gotas de muy pequeño diámetro constituye el factor esencial para lograr una alta eficiencia en la combustión de los combustibles líquidos. Al disminuir el diámetro de las gotas se incrementa la transferencia de calor entre las gotas y el medio circundante, pues el área total de intercambio aumenta, aumentando sensiblemente la velocidad del proceso de combustión y permitiendo alcanzar mayores eficiencias en el mismo.

Procesos de combustión de una gota de combustible líquido.

A modo de conclusión sobre la combustión de los líquidos se puede plantear que, para lograr una correcta combustión de estas sustancias, deben garantizarse los siguientes aspectos:

• Atomización adecuada del combustible.

Q

Q

Q

Q

O2

O2

O2

O2O2

r

α≈ 1

94

• Suministro del oxígeno suficiente a cada uno de los puntos donde hay combustible.

• Diseño aerodinámico de la cámara del horno, que garantice un mezclado apropiado de los productos de la combustión incompleta con el aire que facilitará el fin de su combustión.

• Suministro correcto del aire a la raíz de la llama para garantizar el mezclado del oxígeno y el combustible y evitar que por descomposición térmica se forme hollín.

• Adecuada temperatura en la cámara del horno para asegurar la estabilidad del proceso.

Combustión de combustibles sólidos. Al ingresar una partícula de combustible sólido conjuntamente con el aire de combustión al horno de un generador de vapor, pasa primero por una fase de preparación térmica, consistente en la evaporación de la humedad y la liberación de las sustancias volátiles, las que se inflaman y queman alrededor de la partícula, incrementando sensiblemente el calentamiento de la misma, la que finalmente compuesta por coque residual alcanza su temperatura de ignición y se quema completando el proceso de combustión.

La partícula de combustible sólido que se introduce al horno comienza a recibir calor del medio circundante, aumentando su temperatura, secándose y desprendiendo una determinada cantidad de gases, ocurriendo de hecho el proceso llamado carbonización. La parte gaseosa, envolviendo la partícula sólida de coque del combustible que se forma, continúa aumentando su temperatura y absorbiendo oxígeno del aire circundante; cuando su temperatura y la concentración de oxígeno son las suficientes se produce la ignición y surge la llama. Agotados los productos volátiles ocurre la combustión de la partícula sólida de coque, calentada por el desprendimiento de calor por la combustión de la parte gaseosa, y que al término de esa etapa quedó en contacto con el oxígeno del aire. Durante este proceso, una buena parte del calor desprendido es transferido al medio ambiente por radiación y por convección.

Etapas del proceso de combustión de un combustible sólido: 1. Secado. 2. Desprendimiento de volátiles. 3. Combustión de volátiles. 4. Carbonización. 5. Combustión del coque residual.

En la figura siguiente se muestra el régimen de temperatura durante la combustión de una partícula de combustible sólido.

95

1-Temperatura del medio gaseoso

2- Temperatura de la partícula I - Zona de preparación térmica II – Combustión de sustancias volátiles III – Calentamiento de coque residual IV – Combustión del coque residual

Régimen de temperatura en la combustión de una partícula de combustible sólido.

Este es un proceso heterogéneo, su velocidad depende del suministro de oxígeno a la superficie de reacción, ya que la combustión de la partícula de coque ocupa la mayor parte del tiempo total del proceso. Mientras menor sea el tamaño de las partículas mayor será la velocidad de la reacción.

La combustión de los sólidos es siempre más lenta y difícil que la de los líquidos, esto hace que en dicho proceso se generen muchos productos intermedios de la combustión como CO, para cuya combustión final es necesario suministrar aire directamente a los puntos en que se encuentre. Este aire recibe el nombre de aire secundario.

En resumen, para lograr una correcta combustión de un combustible sólido será necesario garantizar:

− Pulverización (granulometría) adecuada. − Suministro del aire en la cantidad óptima y en los lugares adecuados,

incluyendo el llamado aire secundario. − Diseño aerodinámico de la cámara del horno que garantice un correcto

mezclado aire - combustible. − Adecuada temperatura en la cámara del horno. − Tiempo suficiente de permanencia de la partícula en la zona de condiciones

favorables. Combustión de combustibles gaseosos. En cuanto a los combustibles gaseosos el más utilizado en la energética es el gas natural -compuesto fundamentalmente por metano- el cual presenta una alta estabilidad térmica, ya que solo por encima de los 600 oC es que se descompone formando partículas de hollín de difícil combustión.

T 1 2

I II III IV t

96 La combustión de los combustibles gaseosos ocurre mediante una serie de reacciones encadenadas, a través de las cuales se transforman las sustancias iniciales en los productos finales. En este tipo de reacción, conjuntamente con los productos finales, se incrementa la formación de centros activos, expandiéndose la reacción a todo el volumen.

Para el inicio de la reacción activa transcurre un cierto tiempo denominado periodo de inducción, en el transcurso del cual en el volumen se acumula una cantidad suficiente de centros activos, hasta que se sobrepasa el equilibrio entre la formación y desaparición de centros activos. Entonces la velocidad de la reacción aumenta y se extiende a todo el volumen, siempre y cuando se mantenga el suministro de mezcla fresca a la zona de combustión.

La combustión de un combustible gaseoso mezclado con aire ocurre a una alta velocidad (por ejemplo, una mezcla de aire con metano con un volumen de 10 m3 se quema en 0.1 segundos). Por esto la intensidad de la combustión de un gas en un horno de un generador de vapor está determinada por la velocidad de su mezclado con el aire en el quemador, esto es, por los factores físicos del proceso de combustión. Las principales dificultades para lograr un mezclado completo del aire y el gas combustible en un corto tiempo radica en la gran diferencia de volumen entre ellos (para 1 m3 de gas se requiere cerca de 10 m3 de aire).

Para intensificar este proceso se divide el flujo de gas en muchos chorros de pequeños diámetros, y se emplean dispositivos para incrementar al máximo la turbulencia en el flujo de aire.

En los casos en que el gas se queme en quemadores de premezcla, en los cuales se unen el aire y el gas antes de llegar a la zona de combustión (boquilla del quemador) el tiempo del proceso de combustión está dado por el tiempo de la reacción química y se dice entonces que la combustión ocurre en la zona cinética. En este caso, si se logra un rápido calentamiento de la mezcla, por encima de la temperatura de inflamación, se logra una alta velocidad de reacción, sin dar tiempo a la descomposición térmica. Esta situación hace que no aparezca hollín en la llama y que ésta resulte no luminosa.

En los casos de quemadores difusivos, que suministran al horno el aire y el gas por separado o mezclados solo parcialmente, el tiempo de la combustión queda determinado por el tiempo de difusión (mezclado) del gas y el aire; en este caso la combustión ocurre en la zona difusiva. El tiempo de combustión será entonces muy superior al anterior y tenderá a formarse cierta cantidad de hollín dando origen a una llama luminosa.

3.1.5.5. Eficiencia energética en sistemas de generación y uso del vapor.

97 Pocas tecnologías han aportado tanto el desarrollo de la humanidad como la generación y utilización del vapor en procesos tecnológicos. Los antecedentes de su uso se remontan a épocas antes de nuestra era, y se dice que constituyó la chispa de la Revolución Industrial, momento a partir del cual se produce el desarrollo acelerado de la industria moderna de procesos.

Los sistemas de vapor tienen hoy en día un uso muy extenso en aplicaciones diversas, tales como generación de energía mecánica y eléctrica, como agente calefactor en servicios comerciales e industriales, y como materia prima en determinados procesos entre otros.

El vapor es utilizado de forma general como fuente de calor o para generar potencia mecánica. En las plantas térmicas el vapor se expande en una turbina, su energía es transformada en potencia mecánica, y esta a su vez en potencia eléctrica. En los procesos industriales el vapor es utilizado como fuente de calor para múltiples aplicaciones. En los sistemas de energía total, o esquemas de cogeneración, el vapor se utiliza para la producción combinada o secuencial de energía eléctrica y térmica, lo cual incrementa la eficiencia global del sistema.

El elemento central en un sistema de vapor lo constituye el generador de vapor o caldera de vapor, el cual vapor tiene la función de transferir al agua, la energía en forma de calor de los gases producto de la combustión de la sustancia combustible, para que esta se convierta en vapor.

El generador de vapor está constituido por un conjunto de superficies de calentamiento y equipos, integrados en un esquema tecnológico para generar y entregar vapor en la cantidad, con los parámetros, calidad y en el momento requerido por los equipos de uso final, en forma continua y operación económica y segura, a partir de la energía liberada en la combustión de un combustible orgánico.

Hoy en día las calderas constituyen un elemento esencial en el funcionamiento de prácticamente todas las empresas industriales al proporcionar la potencia o el calor necesario para el proceso, dependiendo sus resultados productivos y económicos en gran medida de la confiabilidad, seguridad y eficiencia con que operen las calderas

Recae, por tanto, sobre el personal de operación y supervisión del departamento de generación de vapor una gran responsabilidad que requiere del conocimiento y actualización continua en las técnicas y procedimientos para garantizar la estabilidad y seguridad en el suministro de vapor según los requerimientos del proceso, con el menor consumo de combustible, con el menor gasto y el mínimo impacto ambiental.

98 Sistemas de vapor En las instalaciones industriales el vapor de agua se utiliza para diferentes fines, pero todos ellos pueden agruparse en tres servicios básicos, los que en muchos casos se presentan simultáneamente:

1. Como fuente de energía térmica. 2. Para producir potencia mecánica para ser utilizada directamente o bien

para su conversión posterior en electricidad. 3. Como materia prima para el proceso.

En los esquemas de cogeneración a vapor típicos de instalaciones industriales, el vapor se utiliza para la producción de potencia y además como fuente de energía térmica para el proceso. En este tipo de instalación el vapor de extracción o de escape de los motores primarios se envía al proceso para satisfacer los requerimientos de energía térmica del mismo, existiendo diversas alternativas para balancear la relación potencia/calor. Algunas plantas de cogeneración están interconectadas con la red del sistema eléctrico nacional lo que le permite entregar energía eléctrica cuando sobra y consumir de la red en los momentos que lo requiere. Esta operación interconectada permite balancear la relación calor electricidad sin necesidad de pasar vapor estaciones reductoras y aumenta la eficiencia energética de la planta.

El agua como sustancia de trabajo. Salvo en el caso en que el vapor se utiliza como materia prima para un proceso, en el resto de los casos el vapor actúa como un transportador de energía, trasladando la una parte de la energía química liberada en la combustión del combustible desde el generador de vapor hasta los diferentes equipos de la instalación.

¿Cuáles son las razones del uso preferente del agua como fluido portador de calor sobre otros fluidos?

Básicamente son tres las razones para ello:

1. La abundancia del agua 2. Su bajo costo. 3. Sus favorables propiedades, dentro de las que se pueden mencionar:

• Alto calor específico • Alto calor latente • Relativamente baja viscosidad • Alto coeficiente pelicular de transferencia de calor • Alta temperatura de saturación a presiones relativamente bajas • Bajo consumo de potencia de bombeo • No es tóxica, ni inflamable, ni corrosiva

¿Por qué se emplea el agua en fase vapor en preferencia a la fase líquida?

99 Las razones principales para ello son las siguientes:

• El contenido energético del vapor es muy superior al del líquido a igualdad de masa, temperatura y presión.

• El vapor se autotransporta sin necesidad de equipos de bombeo, aunque sobre la base de consumir parte de la energía aportada por el combustible para vencer la resistencia de las tuberías.

• El vapor en condensación permite alcanzar mayores coeficientes de transferencia de calor y un mejor control de la temperatura en los procesos.

• Resulta más fácil satisfacer demandas de energía térmica a diferentes temperaturas.

Componentes de un sistema de vapor: 1. Generador de vapor (caldera) y sus auxiliares 2. Tuberías de vapor 3. Válvulas de regulación 4. Equipos consumidores - Motores Primarios: Máquinas de Vapor, Turbinas - Equipos de Proceso: Intercambiadores, Evaporadores, Secadores, Reactores 5. Trampas de Vapor, sellos barométricos, controles de nivel. 6. Sistema de condensado: Tuberías, Tanques, Bombas 7. Sistema de agua de alimentación: Tanques, Bomba, Calentadores 8. Sistema de tratamiento de agua 9. Instrumentación y sistemas de control. Generadores de vapor. La energía térmica para usos industriales se puede obtener a partir de varias fuentes, aunque en la mayoría de los casos, se obtiene a partir de la energía química liberada en forma de calor por los combustibles, al quemarse en los hogares de los generadores de vapor. De ahí la importancia que tiene la correcta explotación de estos equipos, logrando una operación óptima y eficiente.

Un generador de vapor es un conjunto de equipos y agregados auxiliares, integrados en un esquema tecnológico con el objetivo de producir vapor a partir de agua de alimentación, para lo cual utilizan energía proveniente de una fuente de calor.

La fuente de calor puede ser:

• Combustión: Generadores de vapor convencionales. • Calor residual o gases de escape: Calderas recuperadoras. • Fisión nuclear: Generadores de vapor de centrales nucleares.

Requerimientos que debe cumplir un generador de vapor.

Un generador de vapor debe responder a los siguientes requerimientos:

100

1. Satisfacer demanda de vapor: flujo, presión, temperatura, calidad (producción de potencia, calor, requerimientos de proceso).

2. Eficiencia térmica: mantenerla en el rango de carga. 3. Confiabilidad: alta disponibilidad. 4. Costo: inicial, operación, mantenimiento y reparación. 5. Impacto ambiental: límites de emisiones.

Eficiencia térmica de los generadores de vapor. Introducción. La eficiencia térmica es el indicador más importante del trabajo de un generador de vapor, ya que caracteriza el grado de aprovechamiento de la energía suministrada, o sea, la parte de esa energía que ha sido transferida al agente de trabajo.

Sobre la eficiencia térmica de un generador de vapor influyen muchos factores, pero estos pueden englobarse en tres aspectos básicos para obtener una alta eficiencia:

1. La combustión completa del combustible, lograda con una mínima cantidad de aire en exceso. 2. El enfriamiento profundo de los productos de la combustión. 3. La reducción de las pérdidas de calor por radiación y convección al medio circundante. Ecuación de balance térmico. El balance térmico de una caldera operando a régimen estacionario puede escribirse en la siguiente forma simplificada:

Qd = Q1 + Qp Donde: Qd- Calor disponible, constituye la energía de entrada al generador de vapor.

Q1- Calor útil, constituye el calor transferido al agente de trabajo.

Qp- Pérdidas térmicas, representa la suma de todas las pérdidas que ocurren en los procesos de combustión y transferencia de calor en el generador de vapor.

Esquema simplificado del balance térmico en un generador de vapor

GENERADOR DE VAPOR

Calor Disponible

Calor útil

Pérdidas Térmicas

101 Existen dos métodos para determinar la eficiencia de un generador de vapor a partir de la ecuación de balance térmico: métodos directo e indirecto

a) El método de medición directa de las entradas y salidas, denominado como Método deEntrada-Salida (“Input-Output method”).

b) El método de medición directa de las pérdidas de calor, denominado como

Método de las Pérdidas (“Heat Looses method”). Método de Entrada-Salida requiere medición precisa del flujo y poder calorífico superior del combustible, de los créditos térmicos (otras energías de entrada al generador de vapor) y del calor absorbido por el fluido o fluidos de trabajo.

El Método de las Pérdidas requiere determinar las pérdidas de calor, el análisis elemental y el poder calorífico superior del combustible, así como los créditos térmicos.

Adicionalmente, para poder establecer la capacidad a que se realiza la prueba, se necesita medir bien la entrada o la salida.

El balance se realiza a partir de las energías que cruzan las fronteras del sistema, considerando como tal a todo el generador de vapor.

La entrada (“input”) se define como el calor aportado por la combustión del combustible.

La salida (“output”) se define como el calor absorbido por el fluido de trabajo.

Los créditos son aquellas cantidades de energía que entran a las fronteras del generador de vapor, adicionalmente a la energía química (poder calorífico superior) del combustible tal como se quema (“as fired”). Estos créditos incluyen cantidades tales como el calor sensible en el combustible, en el aire de entrada, en el vapor de atomización, así como el calor que se genera a partir de la potencia consumida por los pulverizadores, ventilador de aire primario y de recirculación, bomba de circulación etc.

La capacidad del generador de vapor se define como la evaporación real en libras de vapor por hora entregada, o en Btu por hora de calor absorbido por el fluido de trabajo.

La eficiencia térmica del generador de vapor determinada por el Método de Entrada-Salida es la eficiencia bruta (“gross efficiency”), la cual se define como la relación entre el calor absorbido por el fluido de trabajo y el calor de entrada. Esta definición no incluye la energía requerida por los equipos auxiliares externos al sistema.

Método entrada-salida

102

100(%) ⋅=EntradaSalidaEficiencia

Eficiencia (%)=[(Calor absorbido) / (Calor en el combustible + créditos térmicos)]⋅ 100

Método de las pérdidas

1001100(%) ⋅⎥⎦⎤

⎢⎣⎡ −=⋅

−=

EntradaPérdidas

EntradaPérdidasEntradaEficiencia

Eficiencia (%) = 100–[(Pérdidas térmicas) / (Calor en el combustible + créditos térmicos)]⋅100

Prueba abreviada de eficiencia (Código ASME) . La prueba abreviada según ASME considera sólo las principales pérdidas térmicas y la energía química (poder calorífico superior) del combustible. Este tipo de prueba se recomienda para evaluaciones de rutina de generadores de vapor de cualquier capacidad, pruebas de aceptación (garantía) de generadores de vapor pequeños para calefacción, así como para generadores de vapor industriales.

Las pérdidas de calor que se consideran en la prueba abreviada son: 1. Pérdidas en gases secos. 2. Pérdidas por humedad en el combustible. 3. Pérdidas por vapor de agua formado por combustión del hidrógeno. 4. Pérdidas de calor por combustible en los residuos. 5. Pérdidas de calor por radiación. 6. Pérdidas indeterminadas.

Eficiencia por el Método de las Pérdidas. 1. Pérdidas en gases secos. Lg Primeramente se calculan las lb de gases secos por lb de combustible, Wg.

I. ( )

⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡+⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ ⋅

−⋅+⋅

+⋅+⋅+⋅=

26714500100)(37811

2

222 SWrHrCCOCO

CONOCOWg , lb/lb

Donde:

CO2, O2, CO, N2- Contenido volumétrico de CO2, O2, CO y N2 en los gases de combustión, %. C,S- contenido de Carbono y Azufre en el combustible tal cual se quema, %. Hr- Poder calorífico de los residuos (promedio ponderado), Btu/lb.

103

Wr- Lb de residuos secos por lb de combustible lb/lb.

( ),.. agpggg TTCWL −= Btu/h Donde:

Cpg- Calor específico de los gases secos. En la prueba abreviada se toma Cpg = 0.24 Btu/lb. Tg- Temperatura de gases a la salida del generador de vapor, ºF. Ta- Temperatura del aire tomada como referencia, ºF.

2. Pérdidas por humedad en el combustible, Lwf

( )wsatpvwf hhWL −⋅=100 , Btu/lb

Donde:

W- Humedad en el combustible, %. hpv- Entalpía del vapor a 1 psia y temperatura de gases de salida, Btu/lb. hwsat- Entalpía de líquido saturado a la temperatura de referencia (aire), Btu/lb.

3. Pérdidas por vapor de agua formado por combustión del Hidrógeno, LH

( )wsatpvH hhHL −⋅=100

9 , Btu/lb

Donde:

H- Hidrógeno en el combustible, %. hpv- Entalpía de vapor a 1 psia y temperatura de gases de salida, Btu/lb. hwsat- Entalpía de líquido saturado a la temperatura de referencia (aire), Btu/lb.

4. Pérdidas de calor por combustible en los residuos, LCR LCR = Hr ⋅ Wr, Btu/lb Donde:

Hr- Poder calorífico de los residuos (promedio ponderado), Btu/lb. Wr- Peso de residuos secos por lb de combustibles, lb/lb. Si no se conoce se puede estimar mediante la siguiente expresión:

RCAWr−

=100

, lb/lb

Donde:

A- Contenido de ceniza en el combustible, %. CR- Contenido de combustible en la muestra de residuos, %.

104 Nota : Si los residuos volantes y los residuos del horno difieren sustancialmente en el contenido de combustible, las pérdidas deben ser estimadas por separado.

CRVCRCCRhCR LLLL ++= Donde:

LCRh- Pérdida por combustible no quemado en los residuos del horno, Btu/lb. LCRC- Pérdida por combustible no quemado en los residuos en los colectores de ceniza, Btu/lb. LCRV- Pérdida por combustible no quemado en los residuos volantes, Btu/lb.

RvRvCRv

RcRcCRc

RhRhCRh

HWLHWLHWL

⋅=⋅=⋅=

Donde:

WRh,WRc, WRv - lb de residuos en el horno, en los colectores y volantes por lb de combustible, lb/lb. HRh, HRc, HRv - poder calorífico de los residuos del horno, residuos en los colectores y residuos volantes, Btu/lb.

5. Pérdidas por radiación, LR Esta pérdida se obtiene por carta de la ABMA (“American Boilers Manufacturers Association”), y se corrige para temperaturas y velocidades del aire diferentes de 50 ºF y 100 pie/min (1.66 pie/seg) por el gráfico complementario. La pérdida se obtiene en %, por lo que para expresarla en Btu/lb se multiplica por el poder calorífico superior del combustible y se divide entre 100. 6. Pérdidas indeterminadas, Li El valor de estas pérdidas se debe definir por acuerdo entre las partes involucradas en la prueba. Como orientación al respecto se pueden estimar: - Para combustibles líquidos y gaseosos. Li = 1.0 % - Para combustibles sólidos. Li = 1.5 % Para expresarlas en Btu/lb se multiplican por el poder calorífico superior del combustible. La suma total de las pérdidas será:

105

IRCRHWFg LLLLLLL +++++= , Btu/lb y la Eficiencia por el Método de las Pérdidas:

%,100100 ⋅−=f

g HLη

Eficiencia por el Método de Entrada-Salida.

%,100.

⋅=fc

Ug HB

Qη

Donde:

Hf - Poder calorífico superior del combustible, Btu/lb Qu - Calor total absorbido por el fluido de trabajo, Btu/hr Bc – Gasto de combustible, lb/hr

)()()( aalspersrraaVSVU hhDhhDhhDQ −⋅+−⋅+−⋅= , Btu/hr

Donde:

DV, Dr, DP- Gasto de vapor sobrecalentado, vapor recalentado y purga continua, lb/h. hvs- Entalpía de vapor sobrecalentado, Btu/lb. hsr, her- Entalpía de salida y de entrada al recalentador respectivamente, Btu/lb. hls- Entalpía de líquido saturado a la presión del domo, Btu/lb.

Métodos para el ahorro de energía en la generación de vapor.

• Selección adecuada de la capacidad de las calderas. • Administración de las cargas en calderas que operan en paralelo. • Reducción del número de calderas en operación. • Almacenamiento y preparación adecuada del combustible. • Secado del combustible (para combustibles sólidos de alta humedad). • Manejo adecuado de la viscosidad del combustible (líquido). • Ajuste de la combustión (optimización de la relación aire/combustible). • Uso de aditivos en combustibles. • Empleo de emulsiones agua - combustible. • Uso de turbulizadores (calderas pirotubulares). • Dampers de gases de chimenea (régimen on/off). • Uso de quemadores de bajo exceso de aire. • Reducción de potencia térmica del quemador (en calderas subcargadas). • Control adecuado del régimen químico.

106

• Reducción del régimen de purgas, manteniendo normas de régimen químico.

• Control automático de las purgas. • Recuperadores de calor de gases de salida. Economizadores y

calentadores de aire. • Recuperación de calor de las purgas. • Reducción de la presión de vapor en sistemas de calentamiento. • Uso de controles automáticos de combustión y tiro. • Reducción de infiltraciones de aire (en calderas con tiro balanceado). • Mejorar el aislamiento térmico. • Mantenimiento sistemático de quemadores. • Limpieza adecuada del horno (para combustibles sólidos). • Limpieza adecuada de las superficies de calentamiento durante la

operación. • Optimización del periodo y tiempo del soplado. • Capacitación del personal técnico y de operación. • Realizar pruebas de eficiencia periódicamente.

Sistemas de distribución de vapor y recuperación de condensado El sistema de distribución de vapor es el encargado de transportar el vapor desde las calderas hasta los diferentes equipos de uso final. A pesar de que el sistema de distribución de vapor puede parecer pasivo, en realidad es un sistema activo que regula el suministro de vapor, respondiendo a los cambiantes requerimientos de los usos finales en cuanto a flujo, presión y temperatura del vapor.

Es por ello que este sistema requiere de un cuidadoso diseño y un mantenimiento efectivo para asegurar el satisfactorio funcionamiento del sistema de vapor en su conjunto.

Los sistemas de distribución de vapor están integrados por las tuberías de vapor, válvulas de diferentes tipos, separadores de vapor, acumuladores de vapor, trampas de vapor y medidores de flujo, y otros instrumentos y equipos auxiliares.

Las tuberías de distribución de vapor deben estar adecuadamente dimensionadas, soportadas, aisladas y configuradas con la necesaria flexibilidad para asimilar las reacciones térmicas durante la puesta en marcha y las paradas. Debe contar el sistema de distribución con válvulas de diferentes tipos, para permitir el aislamiento de partes del sistema, regular el flujo o reducir la presión del vapor. En particular las válvulas reguladoras de presión garantizan las condiciones del vapor en los equipos de uso final y proporcionan un balance apropiado entre los diferentes cabezales de vapor. En el sistema de distribución hay que permitir un adecuado drenaje del condensado, lo que requiere una

107 adecuada ubicación y capacidad de los colectores de condensado y una correcta selección de las trampas de vapor.

Por su parte, el sistema de recuperación recolecta y retorna el condensado a las calderas a medida que este es drenado de las tuberías de distribución y de los equipos de uso final.

La recuperación de condensado en los sistemas de vapor requiere de tuberías, tanques recolectores, tanques de expansión para vapor flash, equipos de bombeo, etc. No obstante, los ahorros asociados a la compra, tratamiento y calentamiento del agua de reposición normalmente hacen muy atractivas las inversiones necesarias para la recuperación del condensado.

Las pérdidas de energía en los sistemas de vapor están normalmente asociadas a:

• Pérdidas de vapor • Pérdidas de calor a través del aislamiento térmico • Pérdidas de condensado • Pérdidas de vapor flash

Existen dos fallas principales que provocan las pérdidas de vapor: Fallas en tuberías Fallas en trampas de vapor Generalmente las fallas en las trampas representan la mayor parte de las pérdidas de vapor en las instalaciones. Los salideros en tuberías se detectan de forma evidente, y son por regla general eliminados por cuestiones de seguridad. Las fallas en las trampas son más difíciles de detectar, especialmente en los sistemas cerrados de recuperación de condensado.

Trampas de vapor Las trampas de vapor son vitales para el funcionamiento eficiente de los sistemas de vapor. Sus funciones son remover el condensado de las tuberías de distribución y los equipos de uso final, así como también eliminar el aire y los gases incondensables, que impiden la adecuada transferencia de calor y provocan corrosión en los equipos de proceso.

Los errores en la selección del tipo de trampa, en su dimensionamiento, así como el deterioro de las mismas durante su operación, son las causas más comunes que ocasionan las fallas en las trampas de vapor.

Las trampas de vapor pueden fallar de diferente forma, pueden fallar quedando abiertas o parcialmente abiertas, o pueden fallar quedando en posición cerrada. En el primer caso se producirá una pérdida de vapor vivo, una fuga de vapor. En el segundo caso no se drenará el condensado del equipo de proceso, afectando

108 la transferencia de calor en el mismo y provocando riesgos de golpes de agua en el sistema.

Tipos de trampas para vapor Sobre la base de su principio de operación, las trampas para vapor pueden clasificarse en cuatro tipos diferentes:

Termostáticas. Mecánicas. Termodinámicas. De orificio.

Principios de funcionamiento de las trampas de vapor

Trampas termostáticas:

Actúan por una diferencia de temperatura, entre el vapor y el condensado. El elemento de accionamiento puede ser un bimetal o un fuelle. Este elemento actúa como un termostato, se dilata con el calor del vapor y se contrae en presencia de condensado. De este modo, al llegar vapor a la trampa con mayor temperatura que el condensado el elemento se dilata y cierra la salida de la trampa. Por el contrario, al llegar condensado, el elemento se contrae y deja pasar el mismo.

Trampa Termostática Bimetálica

Trampa Termostática de Fuelle

109

Trampas mecánicas:

Su actuación se basa en la diferencia de densidades entre el vapor y el condensado. Entre ellas, podemos señalar a las trampas combinadas de flotador y termostato (modelos F.T.) y venteo termostático (modelos V.T.) y a las trampas de cubeta invertida. El flotador o cubeta invertida flota en la presencia de condensado abriendo la trampa, y baja cuando este condensado es arrastrado por el vapor con lo que la trampa cierra hasta que nuevamente se acumule condensado.

Trampa de Cubeta Invertida

Trampa de Vapor de Flotador

110 Termodinámicas:

Estas son en realidad válvulas cíclicas que actúan en base a la diferencia de velocidad y/o de presión con que sale el condensado y el vapor. Cuando sale condensado, la velocidad de éste es relativamente baja y permite que un diafragma permanezca abierto. Cuando lo que empieza a salir es vapor, la velocidad es mayor, cerrando el diafragma por disminución de la presión que actúa sobre el mismo.

De orificio:

Como su nombre lo indica, consisten en un orificio calibrado por el cual drena constantemente el condensado. Se dimensionan con un amplio margen de sobrediseño para asegurar que no se acumulará condensado debido a posibles variaciones de carga. Solo son aplicables cuando se tiene un caudal constante de condensado.

Mantenimiento de las trampas de vapor.

Para garantizar el correcto funcionamiento de las trampas de vapor se requiere ejecutar un programa de revisión y mantenimiento de las mismas. Para ello se necesita tener un conocimiento de las características de todas las trampas, establecer un programa de revisión periódica de las trampas para vapor, así como evaluar las pérdidas que en ellas ocurre debido a su mal funcionamiento.

Trampa Termodinámica

111 Una inundación por acumulación de condensado reduce la capacidad de los equipos de calentamiento y altera los parámetros del proceso, mientras que las fugas de vapor representan elevados costos por pérdidas de energía.

Las fallas más frecuentes en las trampas de vapor son las siguientes:

• Falla en la posición cerrada, la cual afecta el funcionamiento de los equipos debido a la acumulación de condensado.

• Falla en la posición abierta, la cual causa pérdidas de vapor vivo. Las trampas frecuentemente descargan a un sistema de retorno de condensados, y el vapor vivo que sale por el tanque de almacenamiento puede indicar problemas, no obstante es difícil localizar la trampa defectuosa.

• Operación deficiente, la cual es la falla más común, y también la más difícil de identificar y localizar, resultando en una pérdida de vapor. Puede ser causada por cierre incompleto de válvulas, cierre lento en presencia del vapor, etc.

Métodos para la localización de fallas en las trampas de vapor. Para la localización de las fallas en las trampas se utilizan diversos métodos:

a) Método visual. b) Método térmico. c) Medición electrónica. d) Método acústico.

a) Método visual. Observación de descarga a la atmósfera. En este caso resulta fácil observar la descarga de la trampa y comprobar si trabaja correctamente. Las trampas que descargan en forma continua o intermitente son particularmente fáciles de verificar; cuando la trampa está cerrada, únicamente una pequeña neblina debe ser visible y ésta es causada por la evaporación de pequeñas gotas que salen por la conexión de salida. Las trampas termodinámicas, de presión balanceada convencionales y de cubeta invertida, manejando cargas moderadas trabajarán de esta forma. Cuando la trampa está descargando normalmente habrá una cantidad de vapor producido por la vaporización instantánea, que sale junto con el condensado y no debe ser confundido con vapor vivo.

112

a) b)

Las trampas de flotador, bimetálicas y algunas de presión balanceada con elementos de acero inoxidable, en muchos casos darán una descarga continua. Con estos tipos de trampas es más difícil decidir si trabajan correctamente; sin embargo, si hay una zona en la descarga de la tubería con una neblina azulosa, esto será una indicación de que por la trampa está pasando vapor vivo.

Se puede notar el cambio en el ruido de una válvula operando correctamente (sonido regularmente intermitente y de cierta intensidad) y de otra con operación defectuosa (con poco o ningún ruido, además de que éste se presenta de forma continua).

Observación por mirillas de vidrio. Este método es efectivo en el caso de trampas que tienen una descarga limpia, pudiendo ser necesaria alguna experiencia para juzgar si la descarga de la trampa es correcta, particularmente si estas descargas son grandes (Figura 5.6).

En algunas instalaciones puede ocurrir que se presenten incrustaciones en el lado interno del cristal que se encuentra en contacto con el fluido, impidiendo la visibilidad correcta.

c) Método térmico. Este método permite verificar el funcionamiento de las trampas mediante la medición de temperaturas en la entrada y descarga, el cual resulta útil solo cuando una trampa causa serios inundamientos, pudiendo tener relevancia sólo en el caso de trampas termostáticas.

Observación de descarga a la atmósfera de trampas de vapor a) Vapor vivo. b) Condensado y vapor flash

113

d) Medición electrónica. Este método consiste en la utilización de sensores electrónicos para medir la conductividad del condensado en una cámara que se instala al lado de la corriente que llega a la trampa para vapor.

El sensor localizado en el lado de la corriente que entra a la cámara, detecta la presencia de condensado y oprimiendo un botón en un indicador portátil, se cierra un circuito que indica que la trampa está trabajando correctamente (Figura 5.8).

Si la trampa falla en la posición abierta, un volumen relativamente grande de vapor fluye hacia ella, lo que ocasiona una depresión en el nivel de condensado del lado en que se alimenta la cámara, dejando descubierto el sensor e interrumpiendo el circuito eléctrico, con lo cual el indicador portátil señalará que la trampa está fallando.

Observación del funcionamiento de las trampas de vapor mediante

mirillas de vidrio

Medición de temperaturas mediante un termómetro infrarrojo

114

e) Método acústico. Medición con estetoscopio. Otro método muy usado para detectar el funcionamiento de una trampa, consiste en escuchar por medio de un estetoscopio, el sonido que hace la trampa al operar. El estetoscopio consiste en una sonda metálica que al ponerla en contacto con la trampa para vapor, transmite las vibraciones a los auriculares a través de una membrana. Su uso requiere cierta experiencia y tiene el inconveniente de que cuando hay varias trampas para vapor próximas, las tuberías transmiten las vibraciones, mismas que pueden dar lugar a errores en el diagnóstico.

Medición ultrasónica. Se basa en el principio físico de que un fluido al pasar por un orificio restringido, produce vibraciones de frecuencia elevada, no captadas por el oído humano (ultrasonido). Consiste básicamente en una sonda de contacto o receptor de ultrasonidos, un transductor que convierte las señales de ultrasonidos en impulsos eléctricos (con ayuda de un amplificador), filtros y convertidor de la señal en sonido audible por los auriculares. Este método es muy sensible y puede ajustarse según el tipo de fuga a detectar. Resulta muy útil para inspecciones rápidas. En trampas para vapor de descarga continua es más fácil determinar si lo que produce el ultrasonido es la descarga de condensado o una descarga de vapor.

Los varios tipos de trampas para vapor hacen diferentes sonidos cuando están en operación. Un operador o técnico puede ser entrenado para reconocer estos sonidos, y diagnosticar cuando una trampa para vapor funciona en forma incorrecta (esto se aplica también al estetoscopio).

El condensado fluye bajo el

deflector

Flujo

Sensor

Orificio de balance

Esta placa elimina las señales falsas

causadas por flujo intermitente

Cámara sensora

115 Las trampas de cubeta invertida fallan, por lo regular, en la posición abierta, dando como resultado un sonido continuo similar al del vapor cuando pasa por la trampa, la cubeta también puede ser oída, cuando golpea con el cuerpo de la trampa.

Las trampas de flotador y termostáticas normalmente fallan en la posición cerrada. Un pequeño orificio en el flotador de la válvula hará que éste, por su propio peso, caiga hacia abajo; también un golpe de ariete puede causar que el flotador se colapse. En estos la trampa no cierra correctamente y no se oirá ningún sonido. Alternativamente, si la trampa tiene fallas en la posición abierta, un sonido continuo será oído, como cuando el vapor pasa a través de la trampa.

Las trampas termodinámicas generalmente fallan en la posición abierta, permitiendo el paso continuo de vapor. Si la trampa opera normalmente el detector de ultrasonido puede registrar el sonido del disco, en forma cíclica de 4 a 10 veces por minuto.

Las trampas termostáticas, cuando fallan en posición cerrada, lo hacen en forma silenciosa, mientras que aquellas que fallan en posición abierta producen un sonido continuo de vapor. En operación normal el detector ultrasónico será capaz de registrar el sonido del ciclo de apertura y cierre de la válvula.

Recuperación del condensado

La recuperación del condensado posibilita obtener ahorros de energía térmica, así como por concepto de suministro y tratamiento de agua. El condensado que no retorna debe ser compensado por agua de reposición, la cual está fría y debe ser

Fig. 5.9. Comprobación con Detector Ultrasónico

116 tratada. La no recuperación de los condensados incrementa los costos en combustible, en consumo y tratamiento de agua para calderas y los de disposición de aguas residuales.

Puede estimarse que el condensado posee una energía específica equivalente al 10 % de la contenida en el vapor generado en las calderas.

Los sistemas de condensado están compuestos por un conjunto de tuberías de recolección de los drenajes de las trampas de vapor, las que descargan a un tanque recibidor equipado con una bomba o un sistema de tuberías para transportar el condensado hasta el tanque de agua de alimentación de las calderas.

Un problema que se presenta con frecuencia es la insuficiente capacidad de este sistema, ocasionado por no considerar el flujo de vapor flash conjuntamente con el condensado ni el efecto de las fallas en las trampas de vapor sobre el flujo de vapor por estas tuberías de retorno de condensado.

El sistema de recuperación de condensado debe permitir el monitoreo y la no recuperación del condensado contaminado en los equipos de proceso, para evitar la alteración del régimen químico del agua en las calderas y los daños asociados a ello. La conductividad y el PH, entre otros parámetros son utilizados al efecto.

En muchos sistemas existen equipos de uso final que trabajan a diferentes presiones. En estos casos el condensado de los equipos que trabajan a mayor presión entra a las trampas como líquido saturado a una relativamente alta presión, y sale de ellas a menor presión. En las trampas ocurre un proceso de estrangulamiento, un proceso a entalpía constante, de modo que la entalpía con que sale el condensado es superior a la entalpía del líquido saturado a la presión reducida. Esto provoca que una parte del condensado se evapore espontáneamente, o sea, un “flasheo” de parte del condensado a vapor de baja presión. El condensado restante queda como líquido saturado a la presión reducida. El vapor flash producido puede ser utilizado en equipos que trabajen a menor presión, logrando un mejor aprovechamiento de la energía del condensado y una reducción del consumo de combustible en las calderas.

117

El flujo de vapor de baja presión producido por “flasheo” del condensado se puede determinar mediante un balance de masa y energía en el tanque expansionador:

Dla = Dlb + Dvf Dla . hla = Dlb . hlb + Dvf . hvf

Sustituyendo y despejando se obtiene: Dvf = Dla · [( hla - hlb ) / ( hvf – hlb )] Donde: Dla - Flujo de líquido saturado a la entrada del tanque flash, kg/s. Dlb - Flujo de líquido saturado a la salida del tanque flash, kg/s. Dvf - Flujo de vapor flash, kg/s. hla - Entalpía de líquido saturado a la presión de entrada (alta presión), kJ/kg. hlb - Entalpía de líquido saturado a la presión flash (baja presión), kJ/kg. hvf - Entalpía de vapor saturado a la presión flash (baja presión), kJ/kg.

Recuperación del calor de las purgas de calderas. Las pérdidas térmicas asociadas a las purgas de calderas para si no se emplea un sistema de recuperación se pueden determinar por la siguiente expresión: Sin recuperación del calor de la purga.

Qt = Dp⋅ (hlp – hlo ) , kJ/s Donde: Qt - Calor perdido con las purgas, kJ/s Dp – Flujo de purga, kg/s.

Esquema de recuperación escalonada de condensado con producción de vapor flash

118

hlp - Entalpía del agua de caldera (líquido saturado a la presión del domo ) kJ/kg. hlo- Entalpía de líquido saturado a temperatura ambiente, kJ/kg.

En el caso que se utilicen sistemas de recuperación del calor de las purgas, las pérdidas se reducen y pueden ser determinadas por las siguientes expresiones: a) Recuperación del calor de la purga con intercambiador de calor.

Qt = Dp · (hlsi – hlo) , kJ/s Donde: Qt - Calor perdido con las purgas, kJ/s Dp – Flujo de purga, kg/s. hlsi - Entalpía de líquido saturado a la temperatura de salida del intercambiador, kJ/kg. hlo- Entalpía de líquido saturado a temperatura ambiente, kJ/kg.

b) Recuperación de la purga con flasheo o revaporización. Qt = Dlb · (hlb – hlo), kJ/s Donde: Dlb - Flujo de líquido saturado a la salida del tanque flash, kg/s. hlb - Entalpía de líquido saturado a la presión flash (baja presión), kJ/kg. hlo - Entalpía de líquido saturado a temperatura ambiente, kJ/kg.

Los ahorros económicos se calculan a partir del calor recuperado, tomado en cuenta el valor calórico del combustible y la eficiencia promedio de la generación de vapor. En el caso de que se emplee el flasheo como método de recuperación se obtiene un ahorro económico adicional por recuperación de agua. El flujo de purga necesario se calcula como:

( )apn

apapp CC

DCD

−

⋅=

Donde: Cap- Concentración de la sustancia en el agua de aportación o reposición, ppm. Cn- Concentración normada de la sustancia en el interior de la caldera, ppm. Los valores normados pueden tomarse de estándares (tabla 16) o recomendaciones del fabricante. Dap - Flujo de condensados no recuperados, kg/s.

Dap = Dv⋅ (1 - PC/100) Dv- Producción de vapor de la caldera, kg/s. PC- Porcentaje de recuperación de condensados, %. La tasa de purga se calcula como:

119

100⋅+

=pv

p

DDD

K %

Para la determinación del flujo de purga necesario se determinan los flujos de purga a partir de las cuatro sustancias usualmente consideradas en las normas de calidad de agua en calderas, y se selecciona el mayor. En la tabla 4.5 se muestran los valores establecidos por la American Boiler and Affiliated Industries:

Norma de American Boiler and Affiliated Industries sobre límites de las características del agua en el interior de las calderas.

Presión del vapor (lb/pulg2)

Sólidos totales (ppm)

Sílice (ppm)

Sólidos en

suspensión

(ppm)

Alcalinidad total (ppm)

0-300 3500 125 300 700 301-450 3000 90 250 600 451-600 2500 50 150 500 601-750 2000 35 100 400 751-900 1500 20 60 300

901-1000 1250 85 40 250 1001-1500 1000 2.5 20 200 1501-2000 750 1.0 10 150

Más de 2000

500 0.5 5 100

Recuperación de condensados. El calor perdido por año debido a la no recuperación del calor de los condensados contaminados se puede calcular por la expresión: Qt= Dcon · (hls – hlso), kJ/s Donde:

Qt - Calor perdido, kJ/s. Dcon - Flujo de condensados contaminados, kg/s. hls - Entalpía de líquido saturado a la temperatura media de los condensados, kJ/kg. hlso - Entalpía de líquido saturado a temperatura ambiente, kJ/kg.

120 3.2. NORMALIZACIÓN Y ETIQUETADO DE EFICIENCIA ENERGÉTICA

Introducción.

Las normas y etiquetas son herramientas efectivas para incrementar la eficiencia en el consumo de energía de aparatos domésticos, equipos e iluminación, al acelerar la introducción de tecnología de eficiencia energética en el mercado.

Los programas de normalización y etiquetado pueden contribuir decisivamente a reducir el consumo de energía en las próximas décadas, tomando en consideración que mayoría de los productos que consumirán energía en los edificios dentro de veinte años, todavía no se han construido.

3.2.1. Normas y etiquetas para la eficiencia energética.

Etiquetas. Constituyen informaciones adheridas a los productos manufacturados que indican el consumo de energía del producto en la forma de uso de la energía, eficiencia y/o costos de la energía, para proporcionar a los consumidores los datos necesarios para hacer compras con información adecuada.

Las etiquetas pueden ser de tres tipos diferentes: • Etiquetas de aprobación • Etiquetas de comparación • Etiquetas de información únicamente

Las etiquetas de aprobación son esencialmente “sellos de aprobación” de acuerdo a un conjunto específico de criterios.

121 Las etiquetas de comparación le ofrecen al consumidor información que les permita comparar el rendimiento entre productos similares, ya sea utilizando categorías discretas de funcionamiento o una escala continua.

Las etiquetas de información únicamente proporcionan datos sobre el rendimiento del producto.

Las etiquetas pueden utilizarse solas o servir de complemento a las normas de eficiencia energética.

Las etiquetas ofrecen información al consumidor que les permite, si lo desean, seleccionar productos más eficientes y también proporcionan un indicador común sobre la eficiencia energética, lo cual posibilita a las empresas de servicios públicos y a las oficinas gubernamentales para la conservación de la energía, ofrecer incentivos a los consumidores que compren los productos más eficientes. El éxito de las etiquetas de eficiencia energética depende en gran medida de cómo se presente la información al consumidor.

Normas Las normas de eficiencia energética son un conjunto de procedimientos y reglas que indican el consumo de los productos manufacturados, y algunas veces prohíbe la venta de productos con menor eficiencia al mínimo establecido en las normas.

122 El término “norma” generalmente incluye dos significados:

1) un registro bien definido (o procedimiento de prueba) a través del cual se puede obtener un cálculo bastante exacto del consumo de la energía de un producto como es utilizado generalmente, o un rango relativo del consumo de energía comparado a otros modelos;

2) un límite establecido sobre el consumo de la energía basado en un registro de prueba específico.

La mayoría de las normas que se han establecido son aplicadas a cada modelo fabricado y los fabricantes pueden utilizar cualquier combinación de tecnologías para cumplir con una norma específica.

3.2.2. Razones para el uso de normas y etiquetas de eficiencia energética.

Las normas de eficiencia energética y las etiquetas en el mercado son complementarias.

Las normas de eficiencia energética “empujan” al mercado al provocar que los fabricantes eliminen la producción de los modelos menos eficientes antes vendidos. Las etiquetas “halan” al mercado al proporcionar información a los consumidores que les permite tomar decisiones al estar mejor informados y adquirir los modelos más eficientes disponibles, de tal manera estimulando a los fabricantes a diseñar productos con mayor eficiencia energética. De manera conjunta, las normas de eficiencia energética y el etiquetado, incrementan la eficiencia de los productos ofrecidos en el mercado.

Las normas y los programas de etiquetado tienen varias ventajas: a) Tienen un alto potencial para lograr ahorros de energía; b) Constituyen una forma muy efectiva para limitar el desperdicio de energía y contribuyen a un ahorro económico; c) Requieren la modificación en el comportamiento de un número manejable de fabricantes, en lugar del público consumidor total;

123 d) Tratan de forma igual a todos los fabricantes, comercializadores y distribuidores; e) Los ahorros de energía resultantes son generalmente asegurados y comparativamente simples de cuantificar y pueden ser verificados fácilmente; f) Estimulan la investigación y desarrollo para introducir tecnologías más avanzadas; g) Disminuyen la necesidad de inversiones futuras como la construcción de costosas plantas de energía y permiten utilizar el capital para inversiones más ventajosas; h) Incrementan el bienestar del consumidor al ahorrarle dinero y promover mejoras tecnológicas entre los fabricantes; y i) Ayudan a cumplir las metas nacionales de reducción de emisiones de CO2 a la atmósfera. 3.2.3. Historia y propósito de los programas de normalización y etiquetado

en eficiencia energética.

Las normas y etiquetas se pueden aplicar a cualquier producto que consume energía para estipular su funcionamiento asignado, pero los mayores beneficios se obtienen cuando son aplicadas a los productos de mayor uso y más consumo de energía como son: los refrigeradores domésticos y los sistemas de acondicionamiento de aire.

Las primeras normas mínimas obligatorias de ahorro de energía fueron probablemente introducidas en Polonia para una amplia línea de aparatos industriales en el año de 1962. El gobierno francés estableció normas para los refrigeradores en 1966 y para los congeladores en 1978. Otros gobiernos europeos, incluyendo a Rusia, presentaron una legislación que decretaba el uso de etiquetas informativas sobre eficiencia y normas de consumo en las décadas de 1960 y 1970.

Las primeras normas sobre el uso eficiente de la energía que impulsaron enormemente a los fabricantes y que disminuyeron considerablemente el consumo de energía fueron decretadas en Estados Unidos por el estado de California en 1976, entraron en vigor en 1977, a éstas le siguieron las normas nacionales que entraron en vigor en 1988. En la actualidad, un gran número de países han adoptado normas obligatorias de eficiencia energética.

En la República de Panamá, es la Dirección General de Normas y Tecnología Industrial, dependiente de la Dirección Nacional de Desarrollo Empresarial del Ministerio de Comercio e Industrias, el órgano que desarrolla actividades de normalización, metrología, certificación de la calidad y de la conversión al Sistema Internacional de unidades.

124 Con el apoyo técnico de la Fundación Red de Energía (BUN-CA) en el marco del Programa de Eficiencia Energética Regional (PEER), financiado por el Fondo para el Medio Ambiental (GEF, siglas en inglés) e implementado por el Programa de las Naciones Unidades para el Desarrollo (PNUD), se han elaborado 36 normas técnicas en El Salvador, Nicaragua, Costa Rica y Panamá con el fin incentivar el uso de tecnologías para el ahorro de electricidad.

3.2.4. Recursos necesarios para desarrollar programas de normalización y etiquetado de eficiencia energética.

El desarrollo y la implementación de normas y etiquetas de eficiencia energética requieren de recursos legales, financieros, humanos, físicos e institucionales, los que ya pueden existir en cierto grado en determinados países, aunque siempre será necesario apoyo para facilitar el programa de normalización y etiquetado.

Por ejemplo, el gobierno de los Estados Unidos ha gastado en los programas de normalización y etiquetado de eficiencia energética en promedio de 2 centavos a 12 centavos por hogar al año, y ha logrado una rápida recuperación de estos recursos a través de los ahorros energéticos y económicos derivados de su implantación. La cooperación internacional en este tema ha sido considerable y ha ayudado significativamente al desarrollo e implementación de los programas de normalización y etiquetado en numerosos países de la región.

3.2.5. Eficacia de las normas y etiquetas de eficiencia energética.

El nivel inicial establecido para las normas de cada producto ha variado por país, pero en todos los casos las normas se van haciendo más estrictas en el tiempo, como parte de una estrategia básica para atraer al mercado tecnologías eficientes en el uso de la energía. Las normas para refrigeradores en los Estados Unidos es el ejemplo más espectacular de este efecto-gancho, el cual puede ser observado en la figura siguiente.

Efectos de las norma de refrigeradores en los Estados Unidos

125

3.2.6. Pasos para desarrollar los programas de normalización y etiquetado

de eficiencia energética.

Los pasos típicos en el proceso de desarrollo de normas y etiquetas de eficiencia energética para productos que consumen energía se muestran en el diagrama siguiente.

Principales pasos para implementar programas de normalización y etiquetado de

eficiencia energética 3.2.7. Pruebas de consumo de energía para aparatos.

El proceso para crear una capacidad de prueba de consumo de energía debe empezar mucho antes de que se lance un programa de etiquetado o establecimiento de normas.

Los pasos principales en este proceso se muestran en la figura siguiente.

Mantener y Supervisar la Ejecución del Programa

Decidir cómo Implantar la Normalización y Etiquetado de

Eficiencia Energética

Desarrollar una Infraestructura de Laboratorios de Pruebas

Analizar e Implantar las Normas

Diseñar e Implementar un Programa de Etiquetado

Evaluar el Programa y la aplicación de las normas y

etiquetas

Retroalimentación

126

Un procedimiento de prueba de consumo de energía es un método convenido para medir el rendimiento de energía de un aparato electrodoméstico. El procedimiento de prueba (en ocasiones denominado como “método de prueba”) es el cimiento para las normas de eficiencia energética, las etiquetas de consumo de energía y otros programas relacionados.

Los resultados de un procedimiento de prueba de consumo de energía se pueden expresar como rendimiento, eficiencia (para productos de iluminación), uso de energía anual o consumo de energía para un ciclo especificado, dependiendo del aparato electrodoméstico que va a examinarse. En el ámbito mundial, existen procedimientos de prueba de consumo de energía para todos los aparatos electrodomésticos grandes que consumen energía.

Por lo general, el procedimiento de prueba y la norma obligatoria para un aparato electrodoméstico están agrupados, pero son muy diferentes. Una norma obligatoria establece un nivel de eficiencia energética mínima mientras que el procedimiento de prueba describe el método que se usa para medir el consumo de energía del producto. Una norma obligatoria típicamente hace referencia a los procedimientos de prueba adecuados.

El propósito primario de un procedimiento de prueba de consumo de energía es clasificar productos similares por su rendimiento de energía. El mismo procedimiento se usa también para evaluar las tecnologías nuevas y para pronosticar su rendimiento de energía. Cuando la eficiencia es la inquietud principal, a menudo hay que realizar mediciones de rendimiento energético y no sólo medición de consumo de energía.

Un procedimiento de prueba de consumo de energía debe:

• Reflejar las condiciones reales de uso;

• Producir resultados exactos repetibles;

• Reflejar el rendimiento relativo de diferentes opciones de diseño para un aparato electrodoméstico determinado;

• Cubrir un margen amplio de modelos dentro de una categoría;

• Producir resultados que puedan compararse fácilmente con los resultados de otros procedimientos de prueba; y

Establecer un Procedimiento de

Prueba

Crear Facilidades para las Pruebas y Comprobar la Conformidad

Crear un Aparato Administrativo

para su Aplicacin

127

• Ser económico.

Los procedimientos de prueba se crean típicamente por asociaciones de fabricantes, dependencias gubernamentales, organizaciones no gubernamentales (ONGs) y sociedades de profesionales.

Algunas de las principales instituciones responsables de los procedimientos de prueba de consumo de energía que cubren aparatos electrodomésticos se presentan en la tabla siguiente.

Institución Acrónimo

Organización Internacional de Normalización ISO Comité Electrotécnico Internacional IEC Comité Europeo para Normalización Electrotécnica CENELEC Comité Europeo para Normalización CEN Comité de Normas Industriales de Japón JIS Instituto Americano de Normas Nacionales ANSI Instituto de Aire Acondicionado y Refrigeración ARI Sociedad Americana de Ingenieros en Calefacción, Refrigeración y Aire Acondicionado

ASHRAE

Departamento de Energía de los Estados Unidos US DOE Red de Servicios de Normas Mundiales WSSN

La infraestructura para realizar las pruebas se puede apoyar en la creación de un centro experimental dentro del país, puede compartirse entre varios países, o puede ser adquirido fuera del país. En algunos países donde la mayor parte o todos sus productos son importados por fabricantes extranjeros, quizá sea menos costoso apoyarse en las pruebas ya existentes del país de origen.

3.2.8. Análisis e implantación de normas y etiquetas.

La meta de un programa de etiquetado de ahorro de energía debe ser alentar a los consumidores a comprar el aparato que le proporcione el servicio que necesita, utilizando la cantidad mínima de energía.

Después de que el programa de etiquetado ha sido diseñado y se han tomado las primeras decisiones, un programa de pruebas tiene que elaborarse, ya que va a asegurar exactitud y dará confianza en la información presentada en la etiqueta. Luego, se puede diseñar la etiqueta e implementar el programa.

La etiqueta puede proporcionar una sola clasificación o dar muchos datos y se puede mostrar una medición en el consumo de la energía dentro de una categoría, un punto en una escala o un sólo número.

128 Los elementos que se requieren para el desarrollo de un programa de etiquetado de eficiencia energética incluyen:

1. Decisiones iniciales del programa. Decidir cuáles productos deben ser etiquetados y si el programa será voluntario u obligatorio.

2. Pruebas del producto. Establecer laboratorios de prueba y los protocolos de prueba, informes y procedimientos de registro.

3. Diseño de la etiqueta y el programa. Hacer encuestas a los consumidores, diseñar formatos de la etiqueta, lograr un acuerdo en los temas técnicos, cómo establecer categorías definidas y límites de tolerancia.

4. Instrumentación. Comercializar y promover el programa, revisión y cumplimiento de su ejecución, actualizar los procedimientos de prueba, evaluar con regularidad para mejorar el diseño del programa.

Como regla general, el etiquetado funcionará mejor para productos que: • utilizan una cantidad considerable de energía, • están en la mayoría de los hogares o existirá un crecimiento rápido, • existe una tecnología de ahorro de energía pero que no es utilizada en la

mayoría de los productos del mercado, • los compren quienes pagan la cuenta de la energía, • tienen una variación considerable en el consumo de energía entre las

diferentes unidades.

Un programa de etiquetado no va a ser eficaz, a menos que exista un programa de prueba. Iniciar un programa de prueba requiere acceso a laboratorios de prueba reconocidos, ya sea gubernamentales o del sector privado. Los laboratorios de prueba deben ser acreditados y/o certificados para asegurar exactitud y confianza en los resultados de las pruebas.

3.2.9. Evaluación del impacto de las normas y el etiquetado en la eficiencia energética de aparatos eléctricos.

Tanto para los programas de etiquetado como de establecimiento de normas de eficiencia energética, es importante evaluar el desarrollo del proceso del programa, así como de sus impactos energéticos y económicos.

La evaluación es importante para identificar las áreas de debilidad en el diseño y la implementación del programa, de tal forma que éstas puedan reforzarse y para medir los impactos del programa sobre la eficiencia del producto, el consumo de energía, los costos operativos, la manufactura/comercio detallista y el medio ambiente.

129 Medir los impactos es importante para justificar la asignación de recursos para el proyecto y para garantizar que reciba una asignación de fondos suficiente para que sea efectivo.

El proceso de evaluación deberá empezar al mismo tiempo que el proceso para establecer programas de etiquetado y normas de eficiencia energética. De esta forma, los programas pueden ser diseñados de manera efectiva, la recolección de información puede ser conducida eficientemente y los actores clave pueden estar conscientes de la importancia de la información y tenderán a sentirse más receptivos a los resultados de la misma.

Para las normas de aparatos electrodomésticos, la evaluación debe enfocarse en las decisiones de los fabricantes y las modificaciones en cuanto a eficiencia de los diferentes modelos que se venden en el mercado.

Aun cuando las decisiones de los fabricantes son afectadas también por las etiquetas de eficiencia energética, la evaluación de un programa de etiquetado debe poner más énfasis en entender el proceso de compra-venta, con el fin de analizar el impacto del etiquetado en las decisiones del vendedor y del consumidor. La evaluación de un programa de etiquetado deberá involucrar generalmente investigación cualitativa para comprender el proceso de toma de decisiones del consumidor y las acciones de múltiples actores involucrados en la fabricación, venta y distribución de los aparatos electrodomésticos.

Los impactos de los programas de etiquetado afectan el comportamiento durante un período de tiempo más largo y a menudo de una manera más sutil que los impactos de las normas de eficiencia energética, las cuales tienen efecto relativamente rápido y pueden ser completamente observadas durante un razonable corto período de tiempo.

Las cuatro etapas necesarias en la evaluación de programas de etiquetado y aplicación de normas de eficiencia energética son:

1. Planear la evaluación y fijar los objetivos 2. Identificar recursos y necesidades de datos y recopilarlos 3. Analizar datos 4. Aplicar resultados de la evaluación

Las evaluaciones de los impactos pueden ser llevadas al cabo basándose en objetivos sobre uso de recursos o transformación del mercado.

Utilizando una perspectiva de uso de recursos, el objeto primordial de la evaluación es calcular los ahorros de energía y por concepto de demanda eléctrica, así como la reducción de emisiones de gases efecto invernadero.

130 Al utilizar una perspectiva de transformación de mercados, el objetivo principal de la evaluación es observar si han ocurrido cambios sustanciales en el mercado como resultado de los programas de etiquetado y normas de eficiencia energética.

Los elementos de impactos incluyen: • influencia de la etiqueta en las decisiones de compra, • rastreo de tendencias de eficiencia, en función de las ventas, y • determinar los ahorros en energía y demanda.

3.2.10. Políticas energéticas que complementan el etiquetado y la normalización.

Las normas y etiquetas de eficiencia energética funcionan mejor en conjunto con otras herramientas políticas diseñadas para dirigir el mercado hacia un mayor ahorro de energía. Las normas de ahorro eliminan, por lo general, los modelos menos eficientes del mercado. Otras políticas y programas energéticos, incluyendo el etiquetado de ahorro de energía, ayudan aún más a dirigir el mercado hacia un mayor ahorro de energía. Exclusivamente una sola política no logra una economía de ahorro de energía.

Se requiere de una serie de políticas para influenciar la fabricación, suministro, distribución, compra de productos y el diseño, la instalación, operación y mantenimiento de los productos consumidores de energía.

Aunque las normas y las etiquetas para el uso eficiente de la energía constituyen elementos fundamentales dentro de la cartera de acciones para el ahorro y usoracional de la energía, el paquete también debe incluir programas complementarios, como por ejemplo:

• Marco legal,

• Precio de la energía,

• Incentivos y financiamiento,

• Compras gubernamentales para ahorro de energía,

• Promoción de una cultura de ahorro y uso racional de la energía.

Alentar a los fabricantes a cambiar hacia una línea de productos ahorradores de energía puede requerir acciones combinadas en ambas partes del mercado: la demanda y la oferta. Tales acciones pueden incluir:

• crear demanda inicial dentro del sector público,

• ofrecer préstamos o garantías de préstamo a los fabricantes que se equipen con nuevas herramientas para producir productos eficientes,

• proveer rebajas a los fabricantes para reducir el incremento en costo de los productos ahorradores de energía.

131 3.2.11. Conceptos básicos de gestión energética.

La gestión empresarial incluye todas las actividades de la función gerencial que determinan la política, los objetivos y las responsabilidades de la organización; actividades que se ponen en práctica a través de: la planificación, el control, el aseguramiento y el mejoramiento del sistema de la organización.

El subsistema de gestión energética abarca, en particular, las actividades de administración y aseguramiento de la función gerencial que le confieren a la entidad la aptitud para satisfacer eficientemente sus necesidades energéticas.

Eficiencia Energética implica lograr un nivel de producción o servicios, con los requisitos de calidad establecidos por el cliente o usuario, con el menor consumo y gasto energético posible, y la menor contaminación ambiental por este concepto.

El Consejo Mundial de Energía (WEC), establece que el término eficiencia energética se refiere a todos los cambios que resulten en una reducción de la cantidad de energía utilizada para producir una unidad de bien o servicio, o para suplir los servicios energéticos requeridos para un nivel de confort dado.

La eficiencia energética demanda cambios en los planos económico, tecnológico y de conducta.

Las tecnologías para mejorar la eficiencia energética han experimentado un acelerado desarrollo desde la primera crisis del petróleo en 1973. Las innovaciones en equipos y sistemas de iluminación, en motores eléctricos, en equipos de refrigeración, en equipos de oficina, en controles automáticos, etc., ofrecen enormes oportunidades para ahorrar la energía.

Sin embargo, el comportamiento de la eficiencia en los países de la región no ha reflejado el mejoramiento que se pudiera esperar a partir de la existencia de tecnologías avanzadas, menos consumidoras de energía.

Luego entonces, si este comportamiento de la eficiencia energética no es atribuible a fallas en el desarrollo de tecnologías eficientes, el mismo está determinado, entre otras causas, por su aplicación inefectiva, o sea, por una gestión o manejo inefectivo de la tecnología o , por un desconocimiento de las prácticas y tecnologías aplicables.

La primera opción que debe aplicarse para mejorar la eficiencia

132 energética, es organizar y entrenar adecuada y continuamente al recurso humano, para que sea este el que sostenga en el tiempo la óptima utilización de la energía. Con recursos humanos concienciados y capacitados, la inversión en tecnología se aprovechará de manera óptima, eliminando desperdicio de tiempo, recursos y esfuerzos.

Actualmente el ahorro de energía se enfrenta en numerosos casos, al no contar con un sistema de gestión energética competitivo, mediante la adopción de medidas aisladas que no garantizan el mejoramiento continuo de la eficiencia energética. Muchas de las actividades que se realizan orientadas al ahorro de energía son acciones reactivas a las señales de precios y no se conciben con la filosofía de mejoramiento continuo de la eficiencia energética.

El alto nivel competitivo a que están sometidas las empresas desde los años 90 les impone cambios en sus sistemas de administración. No es suficiente dirigir desde un núcleo generador de soluciones a los problemas, a través de medidas que compulsen a los hombres y dediquen los recursos a lo que se ha considerado fundamental; se requiere que exista una estrategia, un sistema entendido por todos y con la capacidad para llevarlo a cabo, que garantice la estabilidad de cada resultado en consonancia con la visión que se ha propuesto la organización.

3.2.12. Sistemas de gestión energética.

Lo más importante para lograr la eficiencia energética en una organización, no es sólo que exista un plan de ahorro de energía, sino contar con un sistema de gestión energética que garantice que ese plan sea renovado cada vez que sea necesario, que involucre a todos, que eleve cada vez más la capacidad de los trabajadores y directivos para generar y alcanzar nuevas metas en este campo, que desarrolle nuevos hábitos de producción y consumo en función de la eficiencia, que consolide los hábitos de control y autocontrol, y en general, que integre las acciones al proceso productivo o de servicios que se realiza.

La experiencia indica que solo se podrán alcanzar resultados significativos y perdurables en la reducción de los consumos y costos energéticos, cuando estos se obtienen como resultado del mejoramiento continuo de la gestión energética, a partir de que el manejo de la energía constituya una prioridad para la alta dirección de la empresa.

Es necesario contar con un enfoque sistemático y estructurado de la administración de la energía para identificar y aprovechar los ahorros potenciales por completo. El enfoque estructurado trata a la energía como un

133 recurso mas bajo el control de la administración, como la mano de obra, la materia prima y el dinero. Se debe garantizar que a la eficiencia energética se le dé el nivel de prioridad adecuado en relación con otras acciones.

Empero, muchos obstáculos o barreras persisten para la adopción hasta de las medidas más simples y más efectivas en términos de costos. Por ejemplo, la experiencia en la aplicación de proyectos relacionados con la energía en muchos países ha demostrado que:

• Existe una fuerte “predilección tecnológica” entre ingenieros y gerentes. Es ampliamente aceptada la creencia de que para incrementar los estándares de eficiencia es necesario contar con tecnología “avanzada”. De hecho, la administración adecuada, la mejoría en las prácticas de mantenimiento y la implementación de medidas simples, de bajo costo y comprobadas, casi con certeza lograrán mucho más en el corto plazo. A menudo es más sencillo quejarse por la falta de dinero para invertir en medidas de ahorro de energía, que admitir que la administración presenta puntos débiles.

• Dada la inclinación a favor de las soluciones técnicas, los ingenieros pueden sugerir proyectos de escaso provecho. En la práctica no siempre se evalúan adecuadamente los indicadores de rentabilidad de las inversiones. Muchas veces los informes de factibilidad se presentan pobremente y con falta de claridad.

• Muchos ingenieros que actualmente trabajan en áreas de eficiencia energética carecen de la habilidad para encontrar buenos proyectos de inversión. Con frecuencia necesitan perfeccionar sus habilidades para emprender auditorías energéticas y poseen poca experiencia o carecen instrumentos para medir las condiciones reales imperantes en un momento dado.

• La verificación de ahorros logrados gracias a una inversión en materia de conservación de la energía es otra área de debilidad, dado que las técnicas prácticas de medición no están bien entendidas y en muchos casos la medición resulta con frecuencia muy pobre. El hecho de que los ahorros reales deben ser medidos o demostrados es algo que con frecuencia ignoran los ingenieros, básicamente porque no han debido probar los resultados de sus acciones, las cuales se apoyan sólo en cálculos que obedecen tan sólo a condiciones teóricas.

Un sistema de gestión energética implica monitoreo, registro, evaluación y acción correctiva continua sobre los equipos, áreas, procesos y personal clave, para mejorar una selección de los indicadores y factores que más influyen

134 en los consumos y gastos energéticos.

La experiencia internacional ha demostrado que la implantación de un sistema de gestión energética puede reducir el costo de facturación de energía de una empresa entre el 10 y el 25 %, en un lapso de 1-3 años, con periodos de recuperación de la inversión típicos inferiores a 2 años.

Las insuficiencias que con mayor frecuencia se presentan en la gestión energética en las empresas del sector productivo y de los servicios son:

Existen indicadores de consumo al nivel de empresa, pero no en todos los casos estos caracterizan adecuadamente la eficiencia energética y su evolución.

• No se han identificado las áreas y equipos mayores consumidores, ni se han establecido índices de consumo en los mismos.

• No se maneja adecuadamente el impacto de los costos energéticos en los costos de producción y operación, su evolución y tendencias. Se conoce el costo de la energía primaria, pero no siempre el de los portadores energéticos secundarios.

• Se asignan y/o delegan acciones relativas al ahorro de energía; sin embargo, no están involucradas todas las áreas, cuesta trabajo implantarlas y mantenerlas.

• La instrumentación necesaria para evaluar la eficiencia energética es insuficiente o no se encuentra totalmente en condiciones de ser utilizada.

• No se ha identificado al personal que decide en la eficiencia energética, falta capacitación y motivación para el ahorro de energía.

• Se realizan algunas inspecciones de tipo preliminar, mediante las que se descubren desperdicios y fugas de energía, las oportunidades de ahorro más evidentes, pero no las más importantes.

• Se llevan a cabo algunas acciones para ahorrar electricidad o combustibles, basadas en el récord histórico de la empresa, pero en forma aislada, con seguimiento parcial, y sus resultados no son los esperados.

• El banco de problemas energéticos no responde a los resultados de la realización de diagnósticos o auditorías energéticas con metodologías y equipos de medición adecuados, y no cuentan con un banco de proyectos de mejoramiento de la eficiencia energética apropiados al escenario energético y financiero de la empresa.

• Son insuficientes los mecanismos para motivar al personal que decide en la eficiencia al ahorro de energía y existe una incipiente divulgación y un bajo nivel de concientización sobre la necesidad del ahorro de energía en el centro.

135 En resumen, los estudios realizados han puesto de manifiesto el bajo nivel en gestión energética que como promedio existe en las empresas analizadas, así como las importantes áreas de oportunidad que existen para reducir los costos energéticos mediante la creación en las empresas de las capacidades técnico organizativas para administrar eficientemente la energía.

La Gestión Empresarial incluye todas las actividades de la función gerencial que determinan la política, los objetivos y las responsabilidades de la organización; actividades que se ponen en práctica a través de: la planificación, el control, el aseguramiento y el mejoramiento del sistema de la organización.

La Gestión Energética o Administración de Energía, como subsistema de la gestión empresarial abarca, en particular, las actividades de administración y aseguramiento de la función gerencial que le confieren a la entidad la aptitud para satisfacer eficientemente sus necesidades energéticas.

Un sistema de gestión energética se compone de: la estructura organizacional, los procedimientos, los procesos y los recursos necesarios para su implementación.

Diagnóstico

SISTEMA DE GESTIÓN ENERGÉTICA

Estructura Organizacional

Procedimientos

Control

Operación, Mtto.

Seguimiento

Aseguramiento

Entrenamiento

Procesos

Productivos

No Productivos

Recursos

Humanos

Materiales

Responsabilidad

Autoridad

Relaciones

136 Al concebir e implantar un sistema de gestión energética hay que tomar en cuenta los cambios que se han producido en la gestión empresarial en los últimos años.

Tendencias de Cambio de los Sistemas Empresariales en los Años 90 Años 70 - 80 Años 90 Sistemas Productivos

Lotes Estandarizados Producción Flexible Economía de Escala Escalas Menores Modelo Integrado Separación de Procesos

Calidad

Control de Calidad del Producto Calidad Total Según Normas Técnicas Como Define el Cliente Órganos Funcionales Integrados a la Producción Inspección Autocontrol

Marketing

Mayor Poder del Productor Mayor Poder el Cliente Vender el Producto Satisfacer Necesidades Identificar Necesidades Crear Necesidades Vender lo que se Produce Producir lo que se Vende Publicidad Promoción

Criterio de Efectividad Bajos Costos Calidad y Diferenciación del Producto

Planificación

Planificación Estrategias Pasado - Futuro Futuro - Presente Factor Estratégico: Tecnología Recursos Humanos

Organización

Estructuras Jerárquicas Estructuras Planas Manual de Normas Detallados Orientaciones, Visión y

Motivaciones Autoridad Formal Liderazgo Dirigir a los Hombres Dirigir con los Hombres Recursos Humanos: Medio Recursos Humanos: Fin Motivación- Manipulación Participación, Cultura, Valores

Control Autoridad Autocontrol Proceso Resultado

Algunos conceptos básicos de gestión energética • Lo más importante para lograr la eficiencia energética en una empresa no es

sólo que exista un plan de ahorro de energía, sino contar con un sistema de gestión energética que garantice el mejoramiento continuo.

• Es más importante un sistema continuo de identificación de oportunidades que la detección de una oportunidad aislada.

• Para el éxito de un programa de ahorro de energía resulta imprescindible el compromiso de la alta dirección de la empresa con esa administración.

• Debe controlarse el costo de las funciones o servicios energéticos y no solo el costo de la energía primaria.

• El costo de las funciones o servicios energéticos debe controlarse como parte del costo del producto o servicio.

137 • Concentrar los esfuerzos en el control de las principales funciones

energéticas. • Organizar el programa orientado al logro de resultados y metas concretas. • Realizar el mayor esfuerzo dentro del programa a la instalación de equipos de

medición.

Errores que se cometen en la gestión energética. • Se atacan los efectos y no las causas de los problemas. • Los esfuerzos son aislados, no hay mejora integral en todo el sistema. • No se atacan los puntos vitales. • No se detectan y cuantifican adecuadamente los potenciales de ahorro. • Se consideran las soluciones como definitivas. • Se conforman creencias erróneas sobre como resolver los problemas.

Barreras que se oponen al éxito de la gestión energética. • Las personas idóneas para asumir determinada función dentro del programa,

se excusan por estar sobrecargadas. • Los gerentes departamentales no ofrecen tiempo a sus subordinados para

esta tarea. • El líder del programa no tiene tiempo, no logra apoyo o tiene otras prioridades. • La dirección no reconoce el esfuerzo del equipo de trabajo y no ofrece

refuerzos positivos. • La dirección no es paciente y juzga el trabajo solo por los resultados

inmediatos. • No se logra conformar un equipo con buen balance interdisciplinario o

interdepartamental. • Falta de comunicación con los niveles de toma de decisiones. • La dirección ignora las recomendaciones derivadas del programa. • El equipo de trabajo se aparta de la metodología disciplina y enfoque

sistemático. • Los líderes del equipo de trabajo son gerentes e inhiben la actuación del resto

de los miembros. Las direcciones estratégicas en los programas de uso racional de la energía son: 1. El ahorro de energía, entendiéndose por ello la eliminación de despilfarros, de

uso innecesario de energía. 2. La conservación de energía, en el sentido de mejorar la eficiencia en los

procesos de generación, distribución y uso final de la energía. 3. La sustitución de fuentes de energía, con el objetivo de reducir costos y

mejorar la calidad de los productos.

Etapas en la implementacion de un sistema de gestion energetica En general, en todos los sistemas de gestión energética o de administración de energía se pueden identificar tres etapas fundamentales:

• Análisis preliminar de los consumos energéticos.

138

• Formulación de un programa de ahorro y uso racional de la energía (Planes de Acción).

• Establecimiento de un sistema de monitoreo y control energético. Debe señalarse que erróneamente en muchos casos la administración de energía se limita a un plan de medidas de ahorro de energía, no garantizándose el mejoramiento continuo.

Análisis preliminar de los consumos energéticos. Para establecer un sistema de gestión energética, un primer paso es llevar a cabo un análisis de los consumos energéticos, caracterizar energéticamente la empresa y establecer una estrategia de arranque.

Esta etapa tiene como objetivo esencial conocer si la empresa efectivamente se verá significativamente beneficiada al implantar un sistema integral de gestión energética que le permita abatir costos por sus consumos de energía, alcanzar una mayor protección ante los problemas de suministro de la energía, reducir el impacto ambiental, mejorar la calidad de sus productos o servicios, y de esta forma elevar su competitividad.

Contar con un buen sistema de gestión energética resulta particularmente importante para las industrias energointensivas, y en general, para las empresas en las cuales la facturación por energéticos puede llegar a representar una elevada fracción de los gastos totales de operación.

No obstante, la gestión energética para reducir los costos puede ser importante aun en empresas donde éstos representan porcentajes relativamente bajos de los costos totales, ya que la energía es el apartado cuyos costos crecen más rápidamente y uno de los pocos costos que pueden ser realmente controlados.

El análisis preliminar abarca la información de las fuentes y consumos de portadores energéticos, del proceso productivo, distribución general de costos, indicadores globales de eficiencia y productividad, etc.

El mismo permite establecer la línea base, conduce a conocer el comportamiento y significación de los costos de las funciones o servicios energéticos, a la caracterización del comportamiento energético de la empresa y sus tendencias en los últimos años, a la identificación de las áreas claves y de las principales oportunidades de ahorro, y posibilita la conformación de la estrategia general para la implantación del sistema de gestión energética en la empresa.

Al elaborar esta estrategia general hay que tomar en consideración, además, los siguientes factores.

• La estrategia general de desarrollo de la empresa.

139 • Las previsiones sobre el entorno de la empresa (factores sociales,

económicos, tecnológicos y políticos). • La capacidad de la empresa para el establecimiento de un sistema de gestión

energética, lo que incluye: a. Recursos materiales y financieros. b. Nivel de desarrollo tecnológico c. Capacidad del personal d. Experiencias anteriores.

Compromiso de la Dirección.

Aunque en las actividades de la Gestión Energética todo el personal debe tomar parte de una forma u otra, resulta imprescindible para el éxito de estas actividades el compromiso de la dirección para con esa administración. Este compromiso implica:

• La definición de organización estructural para su implementación. • El establecimiento de metas. • El comprometer los recursos humanos y económicos necesarios. • La difusión y apoyo sistemático al programa. ¿Cómo obtener este compromiso?

Los resultados del análisis energético preliminar constituyen los elementos básicos para que la Dirección pueda decidir si la empresa necesita realmente perfeccionar o implantar un sistema de gestión energética. La caracterización energética de la empresa permite presentar a la Alta Dirección:

• Tendencias en consumos históricos, costos energéticos, etc. • Nivel de competencia en gestión energética. • Relación de posibles proyectos con su relación beneficio/costo. • Mostrar experiencias y resultados alcanzados en otras empresas. • Informar acciones de la competencia. Organización estructural del sistema En función de las características, política interna, proyecciones y necesidades específicas de la empresa, la dirección deberá decidir cual sería la mejor forma, desde el punto de vista estructural, para establecer su sistema de gestión energética. Existen diferentes posibilidades al efecto, dentro de los cuales podrían mencionarse tres alternativas básicas:

• Creación de una unidad o departamento de ahorro de energía. • Constitución de un comité de ahorro de energía. • Contratación de un grupo asesor.

140 Departamento de Ahorro de Energía. La creación de una Unidad o Departamento de Ahorro de Energía requiere, en primer lugar, de una evaluación de factibilidad económica. Esta unidad es la encargada de la coordinación de la implantación y funcionamiento del sistema. Constituye un enlace entre los niveles ejecutivos y operativos y es responsable de la aplicación de medidas y del logro de metas.

Disponer de este departamento en la estructura de la empresa tendría las siguientes ventajas y desventajas:

Ventajas:

• Mejor definición de funciones y responsabilidades. • Facilita el seguimiento, control y evaluación de los planes de acción. • Posibilita la capacitación intensiva. • Viabiliza modificaciones y ajustes a los planes. Desventajas:

• Pueden presentarse problemas de comunicación entre las áreas involucradas. • Puede entorpecerse la aplicación de acciones y medidas en función de la

posición jerárquica del jefe de la unidad. • Las áreas pueden no sentirse suficientemente involucradas y comprometidas

con los resultados. Comité de Ahorro de Energía. Los comités están formados por personal de todas las áreas involucradas, y tienen como funciones promover, asistir técnicamente y controlar todo lo referente a la gestión energética. De acuerdo con las funciones que se le asignen puede tener un carácter consultivo o ejecutivo y puede ser temporal o permanente.

Las ventajas más importantes de esta alternativa son las siguientes:

• Se involucra a las áreas en la concepción y ejecución de las acciones. • Se logra un mayor apoyo de las áreas. • Facilita la comunicación entre departamentos y la retroalimentación al

coordinador. • Agiliza la aplicación de las acciones y medidas. • Constituye un foro para la generación y revisión de ideas. Como desventajas pueden señalarse:

• Se dificulta el establecimiento de responsabilidades. • Se limitan las posibilidades de capacitación intensiva y de contar con personal

especializado. • Se amplían las funciones y responsabilidades del personal que participa, lo

cual puede generar actividades negativas. • Respuesta lenta ante situaciones imprevistas. Grupo Asesor Externo en Ahorro de Energía.

141 Otra alternativa, que podría utilizarse incluso en combinación con alguna de las dos anteriores, sería la de contratar a un grupo consultor en ahorro de energía para el diseño del sistema y de los planes de acción, incluyendo la realización de diagnósticos energéticos y la formulación de propuestas de proyectos de mejora de la eficiencia energética, así como también para el desarrollo de actividades de capacitación especializada.

Las principales ventajas de esta alternativa son:

• Los análisis son más objetivos y rápidos. • No requiere modificación en la estructura de la empresa. • Se cuenta con personal especializado, lo cual, de alguna manera, garantiza el

éxito. • Se puede acordar el pago por sus servicios en función y en proporción a los

ahorros obtenidos. Contratos de desempeño y ahorros compartidos. Una alternativa de servicio externo que se ha extendido mucho en los Estados Unidos y Canadá son los llamados contratos de desempeño y ahorros compartidos (“Energy Performance Contracting”). Este es un tipo de servicio de ingeniería de tipo llave en mano en materia de eficiencia energética sobre la base del comportamiento alcanzado. Las firmas que ofrecen este tipo de servicios se conocen como “Energy Service Companies (ESCO)”, y en Norteamérica alcanzan en conjunto facturaciones anuales billonarias.

El esquema básico de contrato por desempeño y ahorros compartidos consiste en que una empresa (ESCO), a partir de un diagnóstico preliminar, ofrece a un usuario efectuar mejoras en sus instalaciones que le producirán un aumento significativo de la eficiencia energética, bien sea por mejoras en el equipamiento existente o reemplazo total o parcial por tecnologías más eficientes. La ESCO realiza una auditoria energética y determina la factibilidad de la mejora y la magnitud de los ahorros a obtenerse, así como la inversión requerida para ello. Luego gestiona y efectúa la inversión de modo que el usuario no debe realizar ningún desembolso inicial y paga a la ESCO durante un período de tiempo, compartiendo durante el mismo, los ahorros obtenidos. Al final del contrato el usuario se queda con la totalidad de los ahorros y los nuevos equipos, lo que lo hace parecer bastante a un leasing. El concepto es simple y su realización técnica también, pero su implementación es compleja desde el punto de vista legal, tributario, económico y financiero.

Establecimiento de metas. Una de las acciones iniciales para el establecimiento de un programa de ahorro de energía es el establecimiento de metas. Es importante, que al establecer estas metas por la alta gerencia (lo que forma parte del compromiso de ésta para con el

142 programa), se cuente con el consenso del personal involucrado en la coordinación e implementación del programa.

Las metas que se establezcan pueden ser a corto, mediano y largo plazo.

Las metas deben ser:

• Retadoras y a la vez alcanzables, que impliquen avance, que presenten grados de dificultad.

• Concretas, orientadas a resultados. • Con fechas específicas de inicio y terminación. • Acordadas, colegiadas con el personal involucrado, que constituyan un

compromiso de todos. • Evaluables, con claros y definidos criterios de medida. Diagnósticos o auditorias energéticas. El diagnóstico o auditoría energética constituye una etapa básica, de máxima importancia dentro de todas las actividades incluidas en la organización, seguimiento y evaluación de un programa de ahorro y uso eficiente de la energía, el que a su vez constituye la pieza fundamental en un sistema de gestión energética.

Para el diagnóstico energético se emplean distintas técnicas para evaluar grado de eficiencia con que se produce, transforma y usa la energía. El diagnóstico o auditoría energética constituye la herramienta básica para saber cuánto, cómo, dónde y por qué se consume la energía dentro de la empresa, para establecer el grado de eficiencia en su utilización, para identificar los principales potenciales de ahorro energético y económico, y para definir los posibles proyectos de mejora de la eficiencia energética.

En resumen, los objetivos del diagnóstico energético son:

• Evaluar cuantitativamente y cualitativamente el consumo de energía. • Determinar la eficiencia energética, pérdidas y despilfarros de energía en

equipos y procesos. • Identificar potenciales de ahorro energético y económico. • Establecer indicadores energéticos de control y estrategias de operación y

mantenimiento. • Definir posibles medidas y proyectos para ahorrar energía y reducir costos

energéticos, evaluados técnica y económicamente. Tipos de diagnósticos energéticos. De acuerdo a la profundidad y alcance del diagnóstico energético se acostumbra a clasificarlo en diferentes grados o niveles. Hay autores que señalan dos niveles, otros tres, e incluso algunos especifican cuatro niveles.

143 A modo de ejemplo, puede señalarse la siguiente clasificación, dada por la CONAE de México1 :

Diagnóstico Energético Preliminar. También llamado diagnóstico de recorrido. Consiste en una inspección visual de las instalaciones energéticas de la planta, en la observación de parámetros de operación, en el análisis de los registros de operación y mantenimiento, así como de la información estadística global de consumos y facturaciones por concepto de electricidad, combustibles y agua. Con este diagnóstico se obtiene un panorama global generalizado del estado energético y una idea preliminar de los potenciales de ahorro energéticos y económicos.

De este tipo de diagnóstico se derivan medidas de ahorro o de incremento de eficiencia energética de aplicación inmediata y con inversiones marginales, y se obtiene una idea preliminar sobre otras posibles medidas de ahorro.

El diagnóstico preliminar comprende la realización de una visita de uno o dos días a la instalación y la elaboración y entrega de un informe breve dentro de un término aproximado de una semana.

Diagnóstico Energético de Nivel 1 (DEN 1). Consiste esencialmente en una recolección de información y su análisis, poniendo el énfasis fundamental en la identificación de fuentes de posible mejoramiento en el uso de la energía.

El DEN1 se centra en el análisis de los equipos y sistemas de conversión primaria y distribución de energía, los equipos auxiliares, sin abarcar los procesos tecnológicos. Analiza principalmente sistemas tales como generación y distribución de vapor, generación y suministro de electricidad, sistemas de refrigeración, aire acondicionado, agua, aire comprimido, iluminación, etc.

Ofrece una visión detallada de los patrones de utilización y costos de la energía y permite definir un conjunto de medidas de ahorro, evaluadas técnica y económicamente. Proporciona la información necesaria para un diagnóstico de nivel 2 (DEN2).

Un diagnóstico energético de nivel 1 puede realizarse en un término aproximado de tres a seis semanas, dependiendo de las características de la instalación y del alcance del diagnóstico y los recursos disponibles, incluyendo una visita inicial (un día), el trabajo de campo (una a dos semanas), el trabajo de gabinete (dos a tres semanas) y la elaboración y presentación del informe final (una o dos semanas).

Los objetivos específicos de un DEN1 pueden ser:

1 CONAE. Diagnósticos Energéticos. México, 1995

144 • Recopilación y desarrollo de una base de datos de consumo y costos de

energía y de producción. • Definición de índices energéticos globales. • Evaluación de la situación energética de la planta. • Identificación de medidas de ahorro de energía. • Evaluación del nivel de instrumentación y su utilidad en el control energético. • Establecimiento de estrategias para el establecimiento de un programa de

ahorro de energía. • Identificar necesidad y conveniencia de realizar un diagnóstico de nivel 2.

Diagnóstico Energético de Nivel 2 (DEN 2). Este tipo de diagnóstico abarca todos los sistemas energéticos, tanto equipos de conversión primaria y distribución, como del proceso tecnológico. Incluye además, los aspectos de mantenimiento y control automático relacionados con el ahorro y uso eficiente de la energía.

Un diagnóstico de nivel 2 puede ser la continuación, una etapa subsiguiente de un diagnóstico de nivel 1, aunque no necesariamente, ya que se puede plantear directamente un DEN2, el que por supuesto incluirá todo lo referente al DEN1. El período para la realización de un diagnóstico de nivel 2 puede extenderse hasta 12 a 15 semanas

Actividades de un diagnóstico o auditoría energética. En sentido general, un diagnóstico o auditoría energética comprende las siguientes actividades:

• Reunión inicial en la empresa. • Integración del grupo de trabajo. • Determinación de la información necesaria para el diagnóstico. • Selección de unidades, áreas y equipos a diagnosticar. • Planeación de los recursos y el tiempo. • Revisión metrológica en los lugares claves a diagnosticar. • Recopilación de información. • Elaboración del plan de mediciones. • Mediciones en campo, recopilación y filtrado de los datos. • Procesamiento de datos y análisis de resultados. • Determinación de posibles medidas de ahorro. • Estimación del potencial de ahorro energético y económico. • Definición de medidas de ahorro y proyectos de mejora de la eficiencia

energética. • Elaboración y presentación del informe final del diagnóstico.

145

3.2.13. Monitoreo y control energético.

En general, el control es la acción de hacer coincidir los resultados con los objetivos. Persigue elevar al máximo el nivel de efectividad de cualquier proceso. Para que exista la acción de control debe existir un estándar (objetivo a lograr), una medición del resultado, herramientas que permitan comparar los resultados con el estándar e identificar las causas de sus desviaciones, y variables de control, sobre las cuales actuar para acercar el resultado al estándar.

Muchas empresas realizan muchos registros de indicadores energéticos, sin embargo, su uso es mayormente informativo, ya que no han establecido un sistema de control, perdiendo una buena parte de los costos en que incurren en el sistema de información.

Necesidad del Control.

El control de cualquier proceso es una necesidad real, ya que el medio en que se desarrollan los procesos es dinámico y provoca desviaciones que deben ser corregidas.

También la acción del hombre que actúa sobre el proceso es imperfecta y los equipos que componen el proceso fallan o se deterioran en el tiempo. El control permite identificar todas las desviaciones y corregir las que sean posibles, señalando cuándo se hace necesario efectuar una mejora general en el proceso.

En el caso particular de la eficiencia energética, la necesidad del control se justifica debido a:

• Factores internos y externos al proceso que influyen en la variación de la eficiencia y el consumo de energía de los equipos y sistemas (niveles de producción, características de los productos y servicios, calidad de la materia prima, temperatura ambiente, etc.)

• El precio de la energía cambia, provocando el cambio en los estándares.

• El estado técnico de los equipos consumidores cambia, produciendo cambios en los resultados.

• La actitud, motivación y nivel de competencia del personal que decide en la eficiencia energética se modifica con el tiempo.

Sólo un sistema de control energético puede mantener la atención sobre estos aspectos y lograr hacer coincidir los resultados en materia de eficiencia energética con los estándares o metas fijadas.

Procedimiento y herramientas para organizar un sistema de monitoreo y control energético.

146 El proceso de control de puede realizar de diferentes formas. En los sistemas de control energético es recomendable utilizar el método de control selectivo. La selección de las áreas y equipos se realiza sobre la base de la estructura de consumo y de pérdidas energéticas de la empresa. Se cubre el 20% de las áreas o equipos que provocan el 80% del consumo de energía (“Puestos Claves”). Este método incluye el control por excepción, o sea, dentro de estas áreas o equipos se priorizan aquellas que tienen tendencia a las mayores desviaciones.

El procedimiento a seguir para la organización de un sistema de monitoreo y control energético consta de las siguientes etapas:

1. Establecimiento de los objetos de control: la selección de los objetos de control se realiza de la siguiente forma:

- Establecimiento del diagrama energético – productivo de la empresa.

- Establecimiento de la estructura de consumo de la empresa por portadores energéticos.

- Selección del 20% de los equipos y áreas que provocan el 80% del consumo y los costos energéticos (Puestos Claves).

2. Establecer indicadores de control:

- Identificación de posibles indicadores de control de empresa y de áreas a partir del diagrama energético – productivo. Ejemplos: índice de consumo, índice de costos, energía no asociada, consumo, etc.

- Selección y validar los indicadores de control mediante la aplicación de los diagramas de dispersión y correlaciones .

3. Establecer herramientas de medición de indicadores de control:

- Definir períodos de medición.

- Definir la toma y el flujo de la información.

- Establecer la toma de medición: medición directa, cálculos, estimaciones, balances.

- Definir la forma de registro.

4. Establecer estándares:

Para ello utilizar cuatro fuentes de información:

• Comportamiento histórico. Precisar mejores valores del comportamiento.

• Datos técnicos del equipos o sistema.

• Comparaciones con equipos o sistemas similares (“benchmarking”).

147

• Pruebas técnicas en condiciones controladas.

- Realizar la toma de datos de períodos productivos típicos de la empresa.

- Establecer para los indicadores de control seleccionados lo siguiente:

• Gráfico de control (para determinar el valor promedio y límites superior e inferior del estándar).

• Estándar vs. producción (para determinar la variación del estándar con el nivel de producción).

• Diagrama de correlación estándar vs. producción (para determinar la ecuación que rige la variación del índice de control con respecto a la producción en el período estándar con un nivel de correlación significativo).

5. Establecer herramientas de comparación de indicadores con estándares:

• Gráfico de control (graficar valores reales del resultado sobre el valor medio y los límites superior e inferior estándares).

• Gráfico de tendencia (graficar tendencia del valor real del resultado respecto al estándar).

• Gráfico IC vs. P (graficar puntos reales de IC y P sobre la curva estándar de ICs vs. Ps).

• Evaluar la ecuación de desviación relativa del consumo: (Cp – Cr) (determinar la desviación relativa del consumo real con respecto al seleccionado como estándar).

6. Establecer herramientas para determinación de causas de la desviación del indicador respecto al estándar:

• Establecer los factores claves que influyen sobre los indicadores de control.

• Análisis de anomalías en el gráfico de control.

• Análisis de causas de la desviación relativa del consumo.

• Análisis de la influencia del valor real de las variables de control sobre los indicadores de control.

• Conclusiones cualitativas y recomendaciones para corregir las desviaciones.

7. Establecer las variables de control:

148

• Seleccionar las posibles variables de control a partir del diagrama energético – productivo del proceso y los indicadores de proceso del departamento de producción de la empresa.

• Identificar las variables de control a partir de los diagramas de correlación de estas variables con los indicadores de control energético seleccionados.

• Determinar gráfica y analíticamente la relación entre las variables identificadas y los indicadores de control.

• Determinar la influencia de las variables de control sobre los indicadores de control.

Ejecución del Proceso de Control

El proceso de control, en su ejecución, consta de las siguientes etapas:

1. Recolección de datos

2. Determinación del resultado

3. Comparación del resultado con los estándares

4. Ejecución del diagnóstico de causas de derivaciones

5. Modificación de las variables de control o corrección de desviaciones.

Un proceso de control general incluye también una etapa de mejoramiento del proceso, cuando la acción sobre las variables de control no es suficiente para corregir las constantes variaciones que en este se presentan. Esta etapa consiste en una revisión periódica de procedimientos y evaluación técnico-económica de posibilidades de inversión que producen, sin duda, un cambio en los estándares y en los resultados del control frecuente.

149

Esquema General de un Sistema de Monitoreo y Control Energético

3.2.14. La necesidad de las normas de gestión energética.

La existencia de una estructura organizativa, un comité o comisión de ahorro de energía, así como de un administrador de energía capacitado y certificado, sin dudas ha contribuido significativamente a la mejor gestión energética en las empresas, pero la ausencia de un proceso formalizado para la administración de la energía impide la evolución y el mejoramiento continuo de la misma, sobre la base de un programa estable y de largo plazo.

Un sistema de gestión constituye una estructura documentada que define la política, los objetivos y las responsabilidades de la organización, y establece los procedimientos y procesos de planificación, control, aseguramiento y mejoramiento. Un sistema de gestión establece claramente las responsabilidades, los procedimientos, el entrenamiento, la verificación interna, las acciones correctivas y preventivas, y el mejoramiento continuo.

Los sistemas de gestión para conducir los programas de calidad y medio ambiente de las empresas, establecidos por las Normas ISO 9000 y 14000, han

Comparación regular de resultado

con estándar

Recolección de datos

Monitoreo del Resultado Estándares

Revisión periódica de procedimientos y evaluación de posibilidades de inversión

Establecimiento de nuevos procedimientos

oinversiones para ahorro de energía

Determinación de nuevos estándares

Diagnóstico y causas de desviaciones

Modificación de variables de control

Al proceso

Mejoramiento

Información

Control

150 demostrado su efectividad y tienen una amplia y creciente difusión a nivel internacional.

Un sistema de gestión se fundamenta en una estructura que establece todo lo que hay que hacer, pero a la vez es flexible en el sentido de que no dice cómo hay que hacerlo.

La aplicación de un sistema de gestión energética, al igual que de otros sistemas como el de gestión de calidad, requiere de una guía, una norma que estandarice lo que hay que hacer para implementarlo, para mantenerlo y mejorarlo continuamente, con la menor inversión de recursos, en el menor tiempo y la mayor efectividad.

3.2.15. Experiencias internacionales en normas de gestión energética.

Son Antecedentes en este campo:

• Estados Unidos. United States ANSI/MSE 2000:2005 A Management System for Energy.

• Irlanda. Ireland IS 393:2005 Energy Management Systems-Specification (December 2006).

• Dinamarca. Denmark DS 2403:2001 Energy Management-Specification and DS/INF 136:2001 Energy Management-Guidance on Energy Management

• Suecia. Sweden SS 627750:2003 Energy Management Systems-Specification

• España, Sistema de Gestión Energética. Norma UNE 216 301. AENOR 2007.

• Gran Bretaña. BS EN 16001, Energy Management System, 2009.

• China, Holanda, Korea, Thailandia, Unión Europea, …

3.2.16. La nueva norma internacional ISO 50001.

En el año 2008 la ISO identificó la necesidad de desarrollar una Norma Internacional para los Sistemas de Gestión Energética, la ISO 50001.

“The urgency to reduce GHG emissions, the reality of higher prices from reduced availability of fossil fuels, and the need to promote energy efficiency and the use of renewable energy sources, provide a strong rationale for developing this new standard building on the most advanced best practices and existing national or regional standards”. Alan Bryden

ISO Secretary-General

151

En junio de 2011 se publicó la nueva norma internacional ISO 50001. Sistemas de Gestión de la Energía – con orientación para su uso.

La Norma ISO 50001 establece un marco internacional para la gestión de todos los aspectos relacionados con la energía, incluidos su uso y adquisición, por parte de las instalaciones industriales y comerciales, o de las compañías en su totalidad.

3.2.16.1. Objetivos y alcance.

El propósito de esta Norma Internacional es facilitar a las organizaciones establecer los sistemas y procesos necesarios para mejorar su desempeño energético, incluyendo la eficiencia energética y el uso y el consumo de la energía.

La implementación de esta Norma Internacional está destinada a conducir a la reducción de las emisiones de gases de efecto invernadero y de otros impactos ambientales relacionados, así como de los costes de la energía a través de una gestión sistemática de la energía.

La ISO 50001 es aplicable a organizaciones de todos los tipos y tamaños, independientemente de las condiciones geográficas, culturales o sociales. Su implementación exitosa depende del compromiso desde todos los niveles y funciones de la organización, especialmente de la alta dirección.

Esta Norma Internacional especifica los requisitos de un sistema de gestión de la energía (SGEn) a partir del cual la organización puede desarrollar e implementar una política energética y establecer objetivos, metas, y planes de acción que tengan en cuenta los requisitos legales y la información relacionada con el uso significativo de la energía.

Esta Norma Internacional se basa en el ciclo de mejora continua Planificar – Hacer – Verificar – Actuar (PHVA) e incorpora la gestión de la energía a las prácticas habituales de la organización.

PLANEAR: establecer los objetivos y los procesos necesarios para alcanzar los resultados de acuerdo con las oportunidades para mejorar el comportamiento energético y las políticas de la organización.

HACER: implementar los procesos.

VERIFICAR: monitorear y evaluar los procesos y los productos con referencia a las políticas, objetivos y sus características claves.

ACTUAR: tomar acciones para la mejora continua del comportamiento energético.

152 Esta norma puede ser utilizada para la certificación, el registro o para la implantación de un sistema de gestión energética en una organización. Ella no establece requerimientos absolutos en cuanto a un comportamiento energético, más allá de los compromisos de política energética de la organización y su obligación para cumplir con los requerimientos legales o de otro tipo aplicables al caso. De modo, que dos organizaciones que desarrollen similares operaciones, pero que tengan diferente comportamiento energético, pueden ambas satisfacer sus requerimientos.

La ISO 50001 especifica requerimientos aplicables al suministro, uso y consumo de energía, incluyendo las mediciones, documentación y reportes, prácticas de diseño y procura de equipos, sistemas, procesos y personal. La Norma es aplicable a todos los factores que afectan el uso de la energía que pueden ser monitoreados e influenciados por la organización, pero no prescribe criterios específicos de desempeño con respecto a la energía.

Las organizaciones pueden decidir integrar la Norma ISO 50001 con las de otros sistemas de gestión, tales como las de gestión de calidad, medio ambiente, salud y seguridad ocupacional, responsabilidad social u otras.

Modelo de Sistema de Gestión de la Energía ISO 50001

153 Esta Norma Internacional está basada en los elementos comunes de las normas ISO de sistemas de gestión, asegurando un alto grado de compatibilidad principalmente con las Normas ISO 9001 e ISO 14001.

Esta Norma Internacional es aplicable a toda organización que desee asegurar que cumple con su política energética declarada y que quiera demostrar este cumplimiento a otros. Esta conformidad puede confirmarse mediante una autoevaluación y autodeclaración de conformidad o mediante la certificación del sistema de gestión de la energía por parte de una organización externa.

3.2.16.2. Términos y definiciones. • Límites • Mejora continua • Corrección • Acción correctiva • Energía • Línea de base energética • Consumo de energía • Eficiencia energética • Sistema de gestión energética (SGEn) • Equipo de gestión de la energía • Objetivo energético • Desempeño energético • Indicador de desempeño energético (IDEn) • Política energética • Revisión energética • Servicios energéticos • Meta energética • Uso de la energía • Parte interesada • Auditoría interna • No conformidad • Organización • Acción preventiva • Procedimiento • Registro • Alcance • Uso significativo de la energía • Alta dirección 3.2.16.3. Requisitos del sistema de gestión energética según la norma

ISO 50001.

La organización debe:

154 a) establecer, documentar, implementar, mantener y mejorar un SGEn de

acuerdo con los requisitos de esta Norma Internacional; b) definir y documentar el alcance y los límites de su SGEn; c) determinar cómo cumplirá los requisitos de esta Norma Internacional con el fin

de lograr una mejora continua de su desempeño energético y de su SGEn.

Política energética La política energética debe establecer el compromiso de la organización para alcanzar una mejora en el desempeño energético. La alta dirección debe definir la política energética y asegurar que: a) sea apropiada a la naturaleza y a la magnitud del uso y del consumo de

energía de la organización; b) incluya un compromiso de mejora continua del desempeño energético; c) incluya un compromiso para asegurar la disponibilidad de información y de los

recursos necesarios para alcanzar los objetivos y las metas; d) incluya un compromiso para cumplir con los requisitos legales aplicables y

otros requisitos que la organización suscriba, relacionados con el uso y el consumo de la energía y la eficiencia energética;

e) proporcione el marco de referencia para establecer y revisar los objetivos energéticos y las metas energéticas;

f) apoye la adquisición de productos y servicios energéticamente eficientes y el diseño para mejorar el desempeño energético;

g) se documente y se comunique a todos los niveles de la organización; h) se revise regularmente y se actualiza si es necesario.

Planificación energética La organización debe llevar a cabo y documentar un proceso de planificación energética. La planificación energética debe ser coherente con la política energética y debe conducir a actividades que mejoren de forma continua el desempeño energético. La organización debe llevar a cabo y documentar la planificación energética, incluyendo: • los requisitos legales y otros requisitos, • la revisión energética, • la línea de base energética, • los indicadores de desempeño energético, • los objetivos, metas y planes de acción.

155

Diagrama conceptual que ilustra una planificación energética. Revisión energética La organización debe desarrollar, registrar y mantener una revisión energética. La metodología y el criterio utilizados para desarrollar la revisión energética deben estar documentados. Para desarrollar la revisión energética, la organización debe: a) analizar el uso y el consumo de la energía basándose en mediciones y otro

tipo de datos, es decir: • identificar las fuentes de energía actuales; • evaluar el uso y consumo pasados y presentes de la energía;

b) basándose en el análisis del uso y el consumo de la energía, identificar las áreas de uso significativo de la energía, es decir: • identificar las instalaciones, equipamiento, sistemas, procesos y personal

que trabaja para, o en nombre de, la organización que afecten significativamente al uso y al consumo de la energía;

• identificar otras variables pertinentes que afectan a los usos significativos de la energía;

• determinar el desempeño energético actual de las instalaciones, equipamiento, sistemas y procesos relacionados con el uso significativo de la energía;

• estimar el uso y consumo futuros de energía; • identificar, priorizar y registrar oportunidades para mejorar el desempeño

energético. • en las instalaciones, equipamiento, sistemas o procesos.

156 La revisión energética debe ser actualizada a intervalos definidos, así como en respuesta a cambios mayores en las instalaciones, equipamiento, sistemas o procesos. Línea de base energética La organización debe establecer una(s) línea(s) de base energética utilizando la información de la revisión energética inicial y considerando un período para la recolección de datos adecuado al uso y al consumo de energía de la organización. Los cambios en el desempeño energético deben medirse en relación a la línea de base energética. Indicadores de desempeño energético La organización debe identificar los IDEns apropiados para realizar el seguimiento y la medición de su desempeño energético. La metodología para determinar y actualizar los IDEns debe documentarse y revisarse regularmente. Los IDEns deben revisarse y compararse con la línea de base energética de forma apropiada.

Concepto de desempeño energético

Objetivos energéticos, metas energéticas y planes de acción para la gestión de la energía. La organización debe establecer, implementar y mantener objetivos energéticos y metas energéticas documentados correspondientes a las funciones, niveles, procesos o instalaciones pertinentes dentro de la organización. Deben establecerse plazos para el logro de los objetivos y metas. Los planes de acción deben incluir:

• la designación de responsabilidades; • los medios y los plazos previstos para lograr las metas individuales; • una declaración del método mediante el cual debe verificarse la mejora del

desempeño energético; • una declaración del método para verificar los resultados. Los planes de acción deben documentarse y actualizarse a intervalos definidos. Implementación y funcionamiento La organización debe utilizar los planes de acción y los otros elementos resultantes del proceso de planificación para la implementación y la operación,

157 incluyendo: • Competencia, formación y toma de conciencia. • Comunicación • Documentación. • Control operacional • Diseños y nuevos proyectos. • Adquisición de servicios de energía, productos, equipos y energía. Verificación En la etapa de verificación la organización debe: • asegurar que las características clave de sus operaciones que determinan el

desempeño energético se sigan, se midan y se analicen a intervalos planificados;

• evaluar periódicamente el cumplimiento de los requisitos legales y otros aplicables;

• tratar las no conformidades reales y potenciales haciendo correcciones, y tomando acciones correctivas y preventivas;

• realizar auditorías internas a intervalos planificados para asegurar que el SGEn cumple con las disposiciones planificadas para la gestión de la energía, incluyendo los requisitos de esta Norma Internacional; cumple con los objetivos y metas energéticas establecidas; se implementa y se mantiene eficazmente, y mejora el desempeño energético.

Revisión por la Dirección La alta dirección debe revisar, a intervalos planificados, el SGEn de la organización para asegurarse de su conveniencia, adecuación y eficacia continuas. Los resultados de la revisión por la dirección deben incluir todas las decisiones y acciones relacionadas con: a) cambios en el desempeño energético de la organización; b) cambios en la política energética; c) cambios en los IDEns; d) cambios en los objetivos, metas u otros elementos del sistema de gestión de la

energía, coherentes con el compromiso de la organización con la mejora continua;

e) cambios en la asignación de recursos. 3.2.16.4. Documentos y registros para la certificación por la ISO 50001.

Documentos para la certificación por la ISO 50001 1. Alcance y los límites del SGEn. 2. Política energética.

158

3. Planeación energética. 4. Metodología y los criterios utilizados para desarrollar la revisión energética. 5. Objetivos y metas de la energía. 6. Los planes de acción. 7. Otros documentos determinados por la organización como necesarios. 8. Decisión de comunicar o no externamente información acerca de su SGEn

y eficiencia energética. 9. Cualquier cambio necesario que se incorpore a la documentación

Registros para la certificación por la ISO 50001

1. Revisión energética. 2. Oportunidades de mejora. 3. Líneas base de energía. 4. La metodología para determinar y actualizar los IDEns. 5. Entrenamiento y acciones para detectar las necesidades de capacitación. 6. Resultados de las actividades de diseño. 7. Los resultados del monitoreo y medición de las variables claves. 8. Registros de los resultados de las evaluaciones de cumplimiento de los

requisitos legales. 9. Acciones correctivas y preventivas. 10. Resultados de la auditoria interna del SGEn. 11. Registros que sean necesarios para demostrar la conformidad con los

requisitos de su SGEn y de esta Norma Internacional y los resultados del desempeño energético alcanzado

12. Revisión por la dirección.

3.2.17. Procedimientos y herramientas para la implementación de sistemas de gestión energética.

3.2.17.1. Diagramas energético-productivos.

Esta herramienta consiste en desarrollar el flujograma del proceso productivo, agregándole todas las entradas y salidas de materiales (incluidos residuos) y de energía, con sus magnitudes características para los niveles de producción típicos de la empresa. También en el diagrama se muestran los niveles de producción de cada etapa, así como entradas externas al proceso de materiales semiprocesados si los hubiera. Es conveniente expresar las magnitudes de la energía consumida en cada etapa del flujograma por tipo de energía consumida y en porcentaje con respecto al consumo total de cada tipo. Utilidad del Diagrama Energético – Productivo • Muestra la relación entre las diferentes etapas del proceso productivo y las

etapas mayores consumidoras por tipo de energético.

• Muestra donde se encuentran concentrados los rechazos de materiales y los efluentes energéticos no utilizados.

• Muestra las posibilidades de uso de efluentes energéticos en el propio proceso productivo.

• Muestra las posibilidades de cambio en la programación del proceso o introducción de modificaciones básicas para reducir los consumos energéticos.

159 • Facilita el establecimiento de indicadores de control por áreas, procesos y

equipos mayores consumidores.

• Permite determinar la producción equivalente de la empresa.

¿Cómo preparar un diagrama energético – productivo? 1. Elaborar el flujograma del proceso productivo de la empresa.

2. Indicar con flechas las entradas de materiales y tipo de material, de energéticos o tipo de energético, así como las salidas de productos y sus tipos, los rechazos o residuos de productos y sus tipos y los efluentes energéticos y sus tipos.

3. Escribir en las flechas las magnitudes de los elementos representados, en las mismas unidades de medición, de ser posible. En el caso de energéticos, expresar las magnitudes en tep o kWh, en las unidades características de ese tipo de energía y en porcentaje respecto al consumo total de cada portador energético. Indicar además, la productividad de cada etapa del proceso, así como las magnitudes de productos que no pasan a la etapa siguiente y se almacenan, en caso que existan.

4. A partir del diagrama confeccionar una tabla de consumos y efluentes energéticos por etapas del proceso productivo, como se muestra en la tabla siguiente.

5. Establecer los posibles indicadores de control por área para cada tipo de portador energético.

6. Establecer la producción equivalente de la empresa.

Proceso

Consumo Energético Efluentes Energéticos

Portador 1 Portador 2 Gases Líquidos Sólidos

Unid. Caract

Unid. Equiv.

Unid. Caract

Unid. Equiv.

Unid. Caract

Unid. Equiv.

Unid. Caract

Unid. Equiv.

Unid. Caract

Unid. Equiv.

Total

Uso del diagrama energético – productivo para la caracterización energética de la empresa. La figura siguiente muestra la distribución energética de una planta típica industrial. La energía primaria es utilizada para obtener la energía secundaria necesaria a la planta: vapor, aire comprimido, agua helada, etc. Estos departamentos de interconexiones o auxiliares deben medir el consumo de las energías secundarias que producen para las necesidades de la planta. Distribución de energía en una planta industrial típica.

160 Los departamentos de servicio son no productivos; realizan funciones de administración, mantenimiento, tratamiento de residuales o de aguas etc. Su consumo energético no está asociado a la producción. Los departamentos productivos son de consumo variable, ya que el incremento o disminución de la producción influye directamente en la energía consumida por sus máquinas. Esta dependencia puede en muchos casos ajustarse linealmente, como se verá en el diagrama E vs. P posteriormente. Si se realiza el diagrama E vs. P utilizando como E la energía primaria que entra a la empresa, el intercepto o energía no asociada a la producción Eo, crece con la cantidad de departamentos de servicios y transformadores de energía, así como con las pérdidas y consumos no productivos de los departamentos de producción. Uso del Diagrama Energético – Productivo para determinar la producción equivalente de la empresa. 1. Establecer el diagrama energético – productivo de la empresa. 2. Identificar los productos o subproductos finales del proceso productivo y los

gastos energéticos asociados a ellos durante todo el proceso de su formación. 3. Plantear la expresión de producción equivalente como la suma de cada

producto o subproducto multiplicado por la tasa de consumo (% consumo/100). Para cada portador energético importante existe una producción equivalente.

4. Establecer como indicador de control de la empresa el consumo total del portador en el período seleccionado (mes, día, año) con respecto a la producción equivalente en el mismo período.

5. Comprobar el indicador de control realizando un diagrama de correlación o dispersión entre el consumo y la producción equivalente.

Transformadores de energía

Combustible Electricidad

Vapor Agua Fría

Aire Comprimido

A1 2Tratamiento de agua

Administración

Mantenimiento

3 4

5 6

B

C

El consumo de energía depende de la producción

El consumo de energía casi no depende de la producción

E N E R G I

E N E R G I

E N E R G I

161 3.2.17.2. Gráficos energía y producción.

Consiste en un gráfico que muestra la variación simultánea del consumo energético con la producción realizada en el tiempo. El gráfico se realiza para cada portador energético importante de la empresa y puede establecerse a nivel de empresa, área o equipos. Utilidad de los gráficos E-P vs. T. • Muestran períodos en que se producen comportamientos anormales de la

variación del consumo energético con respecto a la variación de la producción.

• Permiten identificar causas o factores que producen variaciones significativas de los consumos.

¿Cómo preparar un gráfico E-P vs. T? 1. Se registran los valores de consumo energético y de producción asociada a

los mismos en períodos de tiempos homogéneos (día, mes, año, etc).

2. Se grafican en un diagrama x,y la curva de variación en el tiempo de la producción y del consumo. En el caso que la escala de valores de producción y consumo sea muy diferente, será necesario realizar un gráfico de 2 ejes del tipo x,y1, y2.

3. Se comparan las tendencias de variación de la producción en cada período (de un día a otro, de un mes a otro, etc.) con las tendencias de variación del consumo y se identifican los períodos donde ocurren variaciones anormales.

Variaciones anormales en el gráfico E-P vs. T Generalmente debe ocurrir que un incremento de la producción produce un incremento del consumo de energía asociado al proceso y viceversa. Comportamientos anómalos son: - Incrementa la producción y decrece el consumo de energía. - Decrece la producción y se incrementa el consumo de energía. - La razón de variación de la producción y el consumo, ambos creciendo o

decreciendo, son significativos en el período analizado.

0

50

100

150

200

250

300

350

0

200

400

600

800

1000

1200

Energía

Meses

Gráfico E-P vs. Tiempo

Producción

Energía

Producción

162 El gráfico E-P vs. T puede acompañarse de una tabla de variación relativa de la producción y el consumo en el tiempo que permite la evaluación numérica de las anomalías descritas. La tabla se confecciona a partir de los datos obtenidos de la siguiente forma: Tabla numérica del gráfico E-P vs. T

Período

Consumo

% variación del consumo

Producción

% variación de la producción

Comportamiento

Donde: Período: es el tiempo en que se mide el consumo y la producción: día, semana, mes, año, etc. Consumo: el valor del consumo de energía en las unidades del portador energético que se evalúa. % variación del consumo: (valor anterior – valor actual)/valor anterior x 100. El % de variación será negativo si se disminuye el consumo y positivo si se incrementa de un período a otro. El primer período no tiene valor anterior, por lo que se ignora el % de variación. Producción: el valor de la producción en las unidades productivas. % variación de la producción: (valor anterior – valor actual)/valor anterior x 100. Será negativo si se disminuye la producción y positivo si se incrementa. En el primer período se ignora el % de variación. Comportamiento: se escribe anómalo si los signos del % de variación del consumo y de la producción son diferentes. También se escribe anómalo si los signos son iguales pero los valores de los % son significativamente diferentes a las diferencias medias. Uso del gráfico E-P vs. T para identificar factores que influyen en el consumo. • Seleccionar indicadores cuantitativos y cualitativos de producción que pueden

influir en los consumos.

• Recopilar los datos de esos factores en los períodos que se analizan en el gráfico.

• Comparar las variaciones de esos factores individualmente y de combinaciones de ellos, con las variaciones que ocurren en los comportamientos anómalos.

• Sacar conclusiones acerca de los factores que influyen y cómo influyen.

• Verificar las conclusiones obtenidas en los períodos no anómalos.

3.2.17.3. Estratificación

163 Cuando se investiga la causa de un efecto, una vez identificada la causa general aplicando el diagrama de Pareto, es necesario encontrar la causa particular del efecto, aplicando sucesivamente Pareto a estratos más profundos de la causa general. La estratificación es el método de agrupar datos asociados por puntos o características comunes pasando de lo general a lo particular. Pueden ser estratificados los gráficos de control, los diagramas de Pareto, los diagramas de dispersión, los histogramas y otras herramientas de descripción de efectos. Utilidad de la Estratificación. - Discriminar las causas que están provocando el efecto estudiado.

- Conocer el árbol de causas de un problema o efecto.

- Determinar la influencia cuantitativa de las causas particulares sobre las generales y sobre el efecto estudiado.

Empleo de la estratificación. La estratificación es un método de análisis, no consta de un diagrama particular. Consiste en utilizar las herramientas de diagramas para profundizar en las capas interiores de las causas. Si se estratifica un diagrama de Pareto, en cada capa se utiliza un diagrama de Pareto para encontrar las causas particulares más influyentes en el efecto estudiado. Si se estratifica un gráfico de control, se subdivide el gráfico en períodos, máquinas, áreas, etc. para encontrar la influencia de estos elementos en la variabilidad del gráfico. Si se aplica la estratificación a un diagrama de dispersión, se agrupan los puntos por materiales, fabricantes, períodos, etc. para encontrar las causas de una alta dispersión, etc. Uso del método de estratificación para el control y reducción de los consumos y costos energéticos: - Identificar el número mínimo de equipos que provocan la mayor parte de los

consumos totales equivalentes de energía de la empresa (“Puestos Claves”).

- Identificar el número mínimo de las causas de pérdidas que provocan la mayor parte de los sobreconsumos de energía de la empresa.

- Identificar el número mínimo de áreas o equipos que provocan los mayores costos de energía de la empresa.

- Identificar factores o variables de control que pueden influir sobre los consumos, pérdidas y costos energéticos.

- Identificar causas de comportamientos no esperados de las variaciones de los consumos energéticos.

Los diagramas de Pareto son gráficos especializados de barras que presentan la información en orden descendente, desde la categoría mayor a la más pequeña en unidades y en por ciento. Los porcentajes agregados de cada barra se conectan por una línea para mostrar la suma incremental de cada categoría respecto al total. El diagrama de Pareto es muy útil para aplicar la Ley de Pareto o Ley 80 – 20, que identifica el 20% de las causas que provoca el 80% de los efectos de cualquier fenómeno estudiado.

164 Utilidad del Diagrama de Pareto. - Identificar y concentrar los esfuerzos en los puntos clave de un problema o

fenómeno como puede ser: los mayores consumidores de energía de la fábrica, las mayores pérdidas energéticas o los mayores costos energéticos.

- Predecir la efectividad de una mejora al conocer la influencia de la disminución de un efecto al reducir la barra de la causa principal que lo produce.

- Determinar la efectividad de una mejora comparando los diagramas de Pareto anterior y posterior a la mejora.

¿Cómo preparar un diagrama de Pareto? 1. Seleccionar las categorías de elementos de los datos que van a ser

registrados en el diagrama. Por ejemplo: consumos equivalentes de energía por portador, costos de energía por portador, pérdidas de energía por áreas o por equipos, etc.

2. Tabular los datos y calcular los números acumulativos. La tabulación se puede presentar de la siguiente forma:

Tabulación de datos para el Diagrama de Pareto

3. Dibujar los datos como un gráfico de barras, estableciendo las escalas

correspondientes en el eje horizontal y vertical.

En el eje horizontal se escriben las categorías en orden descendente de su valor. En el eje vertical izquierdo se dibuja la escala del valor de las categorías; en el eje vertical derecho se dibuja la escala del porcentaje del valor de las categorías. Sobre las barras se escribe el valor del porcentaje da cada categoría respecto al total. Sobre el gráfico de barras se dibuja la línea que une los puntos acumulativos de los porcentajes de las categorías seleccionados.

4. Etiquetar el diagrama:

Es muy importante escribir correctamente el título del gráfico y de cada eje del diagrama. Los títulos deben reflejar la categoría, el período de recogida de datos, y el elemento que influye sobre la categoría. Ej. Consumo de energía equivalente por portador (categoría: consumo de energía, elemento: portador energético).

5. Obtener conclusiones sobre el diagrama.

Un diagrama de Pareto informa sobre los siguientes aspectos: - ¿Cuál es la causa o elemento de mayor importancia de los registrados y cuál

es su influencia cuantitativa?

Número Categoría Valor de la categoría

Porcentaje Valor acumulado

Porcentaje acumulado

1

2

165 - ¿Cuál es el 20% de los elementos que producen el 80% del efecto reflejado en

la categoría? Por ejemplo: ¿Cuál es el 20% de los portadores energéticos que producen el 80% del consumo de energía equivalente de la empresa?

- ¿Cómo influye cuantitativamente la reducción de una causa o elemento en el efecto o categoría general analizado?.

Por ejemplo: si el consumo equivalente de gas mensual representa el 30% del consumo equivalente total de la empresa, la reducción de este consumo en un 25% impactará en un 7,5% el consumo total equivalente. Sin embargo, la reducción de un 25% en el consumo equivalente de energía, si ésta representa el 70% del total, impactará en un 17,5%.

Uso del diagrama de Pareto para identificar puntos claves de control de los consumos y costos energéticos. - Identificar el 20% de los portadores energéticos de las fábricas que producen

el 80% del consumo total equivalente, realizando un diagrama de Pareto de los consumos equivalentes de energía (tep) por portador energético.

- Identificar el 20% de las áreas de la empresa que producen el 80% del consumo energético de un portador energético específico, realizando un diagrama de Pareto de los consumos energéticos de ese portador para las diferentes áreas que lo utilizan en la fábrica.

- Identificar el 20% de los equipos que producen el 80% del consumo energético de un portador específico, realizando un diagrama de Pareto de los consumos de ese portador para todos los equipos que lo utilizan.

- Realizar de igual forma que lo explicado en los 3 puntos anteriores, diagramas de Pareto para los costos energéticos.

- Identificar el 20% de los equipos o áreas que producen el 80% de las pérdidas energéticas equivalentes de la empresa, realizando un diagrama de Pareto de

50,0 %

80,0 %

95,0 %

0%

20%

40%

60%

80%

100%

0

200

400

600

800

1000

ElectricidadCombustóleo Diesel Gas

TCC

Diagrama de Pareto de Portadores Energéticos

166

las pérdidas energéticas equivalentes para todos los equipos donde estas son significativas.

3.2.17.4. Gráficos de control.

Los gráficos de control son diagramas lineales que permiten observar el comportamiento de una variable en función de ciertos límites establecidos. Se usan como instrumento de autocontrol y resultan muy útiles como complemento a los diagramas causa y efecto, para detectar en cuales fases del proceso analizado se producen las alteraciones. Su importancia consiste en que la mayor parte de los procesos productivos tienen un comportamiento denominado normal, es decir existe un valor medio M del parámetro de salida muy probable de obtener, y a medida que nos alejamos de este valor medio la probabilidad de aparición de otros valores de este parámetro cae bruscamente, si no aparecen causas externas que alteren el proceso, hasta hacerse prácticamente cero para desviaciones superiores a tres veces la desviación estándar (3σ) del valor medio. Este comportamiento (que debe probarse en caso que no exista seguridad que ocurra) permite detectar síntomas anormales actuando en alguna fase del proceso y que influyan en desviaciones del parámetro de salida controlado. El objetivo del uso de este gráfico dentro del sistema de GTEE es determinar si los consumos y costos energéticos tienen un comportamiento estable o un comportamiento anómalo. Utilidad de los gráficos de Control. • Conocer si las variables evaluadas están bajo control o no • Conocer los límites en que se puede considerar la variable bajo control. • Identificar los comportamientos que requieren explicación e identificar las

causas no aleatorias que influyen en el comportamiento de los consumos. • Conocer la influencia de las acciones correctivas sobre los consumos o costos

energéticos.

Parámetro de Control

Límite Superior

Límite Inferior

Parámetros fuera de control

Parámetros controlados

Parámetros mejorados

Valor Medio

X - 3σ

X

X - 3σ

167 ¿Cómo preparar un gráfico de control? Existen diversos tipos de gráficos de control. Se utilizará el gráfico de control para una sola muestra. 1. Conformar la tabla de datos: Tabla de Datos

No Xi

1 2 . . n

.

.

.

.

.

Suma Σx

Media Σxi/n

2. Cálculo de los límites de control: Para el gráfico de control de x :

nx

xn

i i∑ == 1

1

)( 21

−

−=∑ −

n

xxn

i iσ

LCS = x + 3 σ límite de control superior de x

LCI = x – 3 σ límite de control inferior de x Dibujar los gráficos de control. Dibujar las líneas rectas paralelas al eje x de x, LCS, LCI y los puntos de las muestras xi. 3. Evaluación Criterios para determinar la estabilidad del proceso. Un proceso es estable cuando cumple los siguientes criterios: 1. No hay puntos fuera de los límites de control (si un punto está en el mismo

límite de control se considera que está fuera). 2. No hay pautas de distribución anormales. Evaluación de pautas de distribución anormales. • Secuencia: Si existe una secuencia continua de puntos en un solo lado la línea

de centro, entonces puede haber cambiado el valor medio de la distribución. Si hay siete o más puntos consecutivos, entonces puede juzgar que el valor

168

medio de la distribución ha cambiado hacia el lado de la línea de centro en que se encuentran los puntos consecutivos.

• Sesgo: Si no coinciden 7 puntos consecutivos a un lado de la línea, pero existen una gran cantidad de puntos no consecutivos de un lado de la línea.

• Tendencia: Se considera tendencias a un ascenso o caídas sostenidas en la posición de los puntos. Una tendencia consistente en 7 o más puntos que suben o caen (independientemente de que lado de la línea se encuentren) consecutivamente es señal de una anomalía en ese período de tiempo.

• Aproximación al límite: Si dos de 3 puntos consecutivos o 3 o más puntos de 7 consecutivos se aproximan al límite superior o inferior de control o están a más de 2/3 de la distancia entre el límite y la línea centro, puede considerarse que en ese período existió una anomalía.

• Periodicidad: Ocurre periodicidad si la posición de los puntos de datos puede ascender y descender en forma de onda periódica. A menudo es útil en el análisis del proceso determinar el período, amplitud y causas de este fenómeno periódico.

Uso del gráfico de control para la disminución y control de los consumos energéticos: • Identificar las pautas anómalas que presenta el gráfico.

• Determinar las causas de cada anomalía, verificando qué factores de producción u otro tipo variaron el período de la anomalía y cómo variaron.

• Verificar que en los estados estables estos factores no influyeron.

• Establecer acciones o estrategias para eliminar las anomalías que provocan incremento de los consumos o mantener las condiciones que provocan reducción de los mismos.

• Una vez que se hayan adoptado acciones para evitar la recurrencia de los problemas, se descartan los datos de las anomalías y se calculan los nuevos límites de control para el seguimiento del comportamiento de los consumos. Si solamente 1 de 35 puntos consecutivos o 2 de 100 consecutivos están fuera de los límites de control, puede considerar estable el proceso y continuar empleando los mismos límites.

• Continuar situando los datos en el gráfico de control. Actuar inmediatamente que se produzca una anomalía.

3.2.17.5. Diagramas de dispersión y correlaciones.

En un gráfico que muestra la relación entre 2 parámetros. Su objetivo es mostrar en un gráfico x,y si existe correlación entre dos variables, y en caso de que exista, qué carácter tiene esta.

169 y y Correlación no lineal y Correlación nula

C.P. C.N. x x x X: Variable independiente. C.P. Correlación positiva. Y: Variable dependiente. C.N. Correlación negativa.

¿Cómo preparar un diagrama de dispersión?

1. Seleccionar las variables a evaluar.

2. Seleccionar las unidades que expresen el rango de valores de cada variable; determinar una escala para el eje x y otra para el eje y, de tal manera que ambos ejes tengan aproximadamente la misma longitud.

3. Ubicar los pares (x,y) de las variables sobre el plano x,y.

4. Determine el factor de correlación o coeficiente de correlación, lo cual se puede realizar mediante un software de procesamiento estadístico.

DIAGRAMAS DE CONSUMO – PRODUCCIÓN (E vs. P) Para las empresas industriales y de servicios, realizar un diagrama de dispersión de la energía usada por mes u otro período de tiempo con respecto a la producción realizada o los servicios prestados durante ese mismo período, revela importante información sobre el proceso. Este gráfico de E vs. P puede realizarse por tipo de portador energético, y por áreas, considerando en cada caso la producción asociada al portador en cuestión. Por ejemplo: una fábrica de helados graficará el consumo de combustible o electricidad versus las toneladas de helados producidas, mientras que en un hotel turístico se puede graficar el consumo de electricidad o de gas versus los cuartos-noches ocupados. Utilidad de los Diagramas E vs. P - Determinar en qué medida la variación de los consumos energéticos se deben

a variaciones de la producción.

- Mostrar si los componentes de un indicador de consumo de energía están correlacionados entre sí, y por tanto, si el indicador es válido o no.

- Establecer nuevos indicadores de consumos o costos energéticos.

170 - Determinar la influencia de factores productivos de la empresa sobre los

consumos energéticos y establecer variables de control.

- Identificar el modelo de variación promedio de los consumos respecto a la producción.

- Determinar cuantitativamente el valor de la energía no asociada a la producción.

Cómo realizar el gráfico E vs. P 1. Recolectar los datos de consumo de energía y producción asociada a ellos

para el mismo período de tiempo seleccionado (día, mes, año, etc.).

2. Graficar los pares (E, P) en un diagrama x, y. En el eje y se ubica la escala de consumo energético y en el eje x la escala de producción.

3. Utilizando el método de los mínimos cuadrados o algún paquete estadístico, determinar el coeficiente de correlación entre E y P. Trazar la recta que más ajuste a los puntos situados en el diagrama o línea de tendencia.

4. Calcular analíticamente la pendiente y el intercepto de la recta, expresando su ecuación de la forma:

E = m.P + Eo Donde:

E - consumo de energía en el período seleccionado P - producción asociada en el período seleccionado m – pendiente de la recta que significa la razón de cambio medio del consumo de energía respecto a la producción. Eo – intercepto de la línea en el eje y, que representa la energía no asociada directamente al nivel de producción.

E = 0.5106.P + 55.975R2 = 0.8769

0

50

100

150

200

250

0 50 100 150 200 250 300 350

Producción (toneladas)

Diagrama de Consumo Electricidad vs. Producción

Consumo de Energía fijo, no asociado directamente a la producción

MWh

171

m.P – es la energía utilizada en el proceso productivo. La energía no asociada directamente al nivel de producción en una empresa puede corresponder a:

• Iluminación de plantas, electricidad para oficinas, ventilación.

• Áreas climatizadas, tanto de calefacción como de aire acondicionado.

• Energía usada en servicios de mantenimiento.

• Trabajo en vacío de equipos eléctricos o térmicos.

• Energía perdida en salideros de vapor, aire comprimido, deficiente aislamiento térmico, etc.

• Pérdidas eléctricas por potencia reactiva.

• Pérdidas por radiación y convección en calderas y equipos térmicos.

• Precalentamiento de equipos y sistemas de tuberías.

El porcentaje de energía no asociada directamente al nivel de producción (Ena) se determina como:

Ena = (Eo/Em).100, % Donde:

Em – es el valor del consumo medio de energía determinado como el valor de la línea central del gráfico de control de consumo del portador energético correspondiente.

El valor del porcentaje de energía no asociada directamente al nivel de producción debe ser tan pequeño como sea posible. Este valor varía con el tipo de producción y de proceso tecnológico utilizado para una producción dada. Constituye un parámetro a monitorear y controlar. La literatura y la experiencia acumulada en los trabajos realizados por el CEEMA indican que se pueden considerar adecuados, a los efectos de estos análisis energéticos, valores del coeficiente de correlación R2 ≥ 0,75.

Valores de dicho coeficiente inferiores al valor señalado indican una débil correlación entre los parámetros representados en el diagrama de dispersión, y por tanto, que el índice de consumo formado por el cociente entre ellos no refleja adecuadamente la eficiencia energética en la entidad, área ó equipo mayor consumidor en cuestión.

Las causas más frecuentes de la baja correlación entre energía y producción son las siguientes:

- Existen errores en la medición o captación de los datos primarios o en su procesamiento.

- Pobre disciplina tecnológica. El consumo de energía en la empresa no es controlado adecuadamente y las prácticas de operación y mantenimiento están pobremente definidas. No hay estabilidad en los procesos productivos o de servicios.

172 - Los períodos en que se han medido la producción (P) y el consumo (E) no son

iguales.

- El término producción (P) no ha sido adecuadamente establecido:

- Existe producción en proceso que ha consumido energía y esta no ha sido considerada. Por ejemplo, en una fábrica de cemento la producción de clinker.

- La estructura de producción incluye productos con diferentes requerimientos energéticos. Por ejemplo, habitaciones diferentes en un hotel, o distintos productos en una fábrica de helados, o almacenamiento de productos diferentes y a distintas temperaturas en un frigorífico.

- Existen factores que influyen sensiblemente sobre el consumo de energía y que no han sido considerados. Por ejemplo, la temperatura ambiente en instalaciones con un peso determinante en el consumo de sistemas de refrigeración o climatización.

- En el proceso productivo o de servicios se incluyen actividades que consumen energía y no se reflejan en la producción o servicios incluidos en el índice. Por ejemplo, el uso de salones de conferencias en un hotel y que no se reflejan en las habitaciones ocupadas ni el la cantidad de huéspedes alojados.

En los casos en que la correlación sea débil (R2 < 0.75), lo primero es analizar si existen problemas con los datos o su procesamiento o de disciplina tecnológica e inestabilidad en los procesos. Descartadas estas causas, se puede aplicar el método de la Producción Equivalente, para construir el diagrama de dispersión y establecer los índices de consumo. Este método de la Producción Equivalente se basa en incorporar al parámetro que caracteriza la producción o el nivel de actividad de servicios, factores y actividades que tienen una influencia significativa sobre el consumo de energía y que no son normalmente considerados. Algunos ejemplos darán mayor claridad a la aplicación de este concepto.

Ejemplo 1. El Coeficiente de Correlación obtenido en el gráfico de Energía vs. Producción de una fábrica de cemento ofrece un bajo valor. (R2 < 0.75).

Causa del Problema: El término producción (P) no ha sido adecuadamente establecido, ello se debe en que para el período analizado (el día, la semana o el mes) existe una producción en proceso que ha consumido energía y no ha sido considerada. Ello se refiere al Clinker producto en fase final para la producción del cemento, pero que todavía no se contabiliza en la producción final.

Solución: 1. Una solución aproximada, que permite elevar el coeficiente de correlación R2

es considerar como producción equivalente la suma de la producción de

173

cemento más la variación en el inventario de clinker en el período tomado para el análisis. Ello es posible dado que las diferencias entre los requerimientos energéticos para la producción de cemento y los requeridos para la producción de clinker no son muy altas y no se incurre en un gran error al hacer esta consideración.

∑ ∑±= kerclincementoeequivalent PPP

2. Una solución más exacta sería tomar la energía específica (energía por unidad de masa, peso o volumen de producción) requerida para la producción de cemento y la energía específica requerida por el proceso para la producción de clinker, y llevarlo todo a una misma unidad de medida de producción equivalente. En este caso puede ser la Producción de Cemento Equivalente. La forma de hacerlo consiste en determinar las toneladas equivalentes de cemento que energéticamente se igualan al inventario de la producción de clinker. La Producción de Cemento Equivalente se obtiene como la suma de la producción real de cemento más la producción de cemento equivalente al cambio en el inventario de clinker en proceso.

3. Obtenida por una de las dos vías la Producción de Cemento Equivalente se procede a la aplicación del gráfico de dispersión de Energía vs. Producción a fin de corroborar el mejoramiento del Factor de Correlación.

Ejemplo 2. – El coeficiente de correlación entre energía y producción en una Fábrica de Helados es pobre y el índice utilizado, kWh/ton, no refleja adecuadamente la eficiencia energética de la fábrica. Causa: La Fábrica produce varios productos con diferentes consumos específicos de energía (kWh/tonelada de producto), mientras que la producción total de la fábrica se determina como la suma de las toneladas de los diferentes productos. Solución: Mediante balances energéticos se determinó el consumo de electricidad necesario para producir una tonelada de cada producto (helado en masa, helado en paletas y mezcla para batidos), y sobre esta base se encontró un factor de conversión energético para expresar la producción en toneladas equivalentes al helado en mas, ya que este es el producto con mayor peso en la estructura de producción. TonEquiv = 1* TonHelado en Masa + FP* TonPaletas + FB * TonBatido

174 Resumen del consumo por producto

Etapa del proceso

Consumo por etapa del proceso de cada producto, kWh/Ton

Helado en masa

Helados en Paletas

Mezcla para Batidos

Recibo de leche. 48.29 - 48.29

Disolución de azúcar 2.893 59.02 2.893

Derretimiento de Grasa. 7.152 29.37 7.152

Agua Helada.

Vapor. Agua ambiente.

Pasterización.

171.0 172.81 171.0

15.27 15.41 15.27

10.01 10.10 10.01

Envejecimiento. 16.59 16.64 16.59

Congelación. 469.38 22.23 -

Máquina Rolo - 503.23 -

Neveras. 28.17 29.08 -

Consumo esp. total, kWh/Ton

805.8 926.5 255.9

Factores de conversión

Helado en Masa: FM = 1 Paletas: FP = 926.5/805.8 = 1.149 Batidos: FB = 255.9/805.8 = 0.317

Producción Equivalente

TonEquiv = 1* TonHelado en Masa + 1.149 * TonPaletas + 0.317 * TonBatido

Uso del diagrama E vs. P para la reducción y control de los consumos energéticos.

• Caracterizar la situación actual de los consumos energéticos por portadores fundamentales, determinando la producción asociada (o producción equivalente asociada) significativa, el porcentaje de energía no asociada a la producción y los posibles problemas que afectan estos parámetros.

• Controlar periódicamente el porcentaje de energía no asociada a la producción por tipo de portador.

• Establecer metas y planes para reducir la energía no asociada a la producción por tipo de portador.

• Si existen puntos por encima y por debajo de la recta de ajuste, para un mismo valor de producción, identificar los factores productivos que han

175

provocado ese comportamiento y establecer conclusiones acerca de su influencia en los consumos.

Diagrama índice de consumo – producción (ic vs. P) Este diagrama se realiza después de haber obtenido el gráfico E vs. P y la ecuación, E = m.P + Eo, con un nivel de correlación significativo. La expresión de la función IC= f(P) se obtiene de la siguiente forma:

E = m.P + Eo IC = E/P = m + Eo/P IC = m + Eo/P

El gráfico IC vs. P es una hipérbola equilátera, con asíntota en el eje x, al valor de la pendiente m de la expresión E= f (P). A continuación se presentan dos gráficos reales de IC vs. P, en los que se observa la influencia del nivel de producción sobre el índice de consumo.

0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

1,2

1,4

0 200 400 600 800 1000 1200

Indi

ce d

e C

onsu

mo

Producción

Indice de Consumo vs. Producción

4

5

6

7

8

9

10

100.000 150.000 200.000 250.000 300.000 350.000

Indi

ce d

e C

onsu

mo

Producción

Indice Consumo vs Producción

176 Los gráficos anteriores muestran como el índice de consumo aumenta al disminuir el nivel de la producción realizada. En la medida que la producción se reduce debe disminuir el consumo total de energía, como se aprecia de la expresión E=f(P), pero el gasto energético por unidad de producto aumenta. Esto se debe a que aumenta el peso relativo de la energía no asociada a la producción respecto a la energía productiva. Si la producción aumenta, por el contrario, el gasto por unidad de producto disminuye, pero hasta el valor límite de la pendiente de la ecuación E=f(P). En cada gráfico IC vs. P existe un punto donde comienza a elevarse significativamente el índice de consumo para bajas producciones. Este punto se puede denominar punto crítico. Producciones por encima del punto crítico no cambian significativamente el índice de consumo; sin embargo, por debajo del punto crítico éste se incrementa rápidamente. El gráfico IC vs. P es muy útil para establecer sistemas de gestión energética, y estandarizar procesos productivos a niveles de eficiencia energética superiores. Valores de IC por debajo de la curva que representa el comportamiento del índice durante el periodo de referencia comparativa, indican un incremento de eficiencia del proceso; en el caso contrario existe un potencial de disminución del índice de consumo igual a la diferencia entre el IC real (sobre la curva) y el IC teórico (en la curva) para igual producción. También se pueden establecer sobre este gráfico las metas de reducción del índice proyectadas para el nuevo periodo e ir controlando su cumplimiento.

Utilidad del Diagrama IC vs. P - Establecer metas de índices de consumos en función de una producción

planificada por las condiciones de mercado.

- Evaluar el comportamiento de la eficiencia energética de la empresa en un período dado.

- Determinar el punto crítico de producción de la empresa o de productividad de un equipo y planificar estos indicadores en las zonas de alta eficiencia energética.

5

5,5

6

6,5

7

7,5

8

8,5

9

9,5

10

100000 150000 200000 250000 300000 350000

Indi

ce d

e C

onsu

mo

Producción

Indice de Consumo

Comportamiento periodo anterior

Meta: Reducir el índice con respecto al periodo anterior en un determinado porcentaje.

177 - Determinar factores que influyen en las variaciones del índice de consumo a

nivel de empresa, área o equipo.

¿Cómo elaborar un gráfico IC vs. P? 1. Se determina y traza la curva teórica IC=f(P) a partir de la expresión E=f(P).

2. Se determinan los pares de datos reales (E/P, P) de los registros de datos de E y P utilizados para realizar el diagrama E vs. P.

3. Se dibujan sobre el diagrama IC vs. P los pares de datos (E/P, P).

Uso del diagrama IC vs. P para la reducción y control de los consumos energéticos. - Caracterizar el nivel de eficiencia con que un trabajo en el período evaluado al

comparar los pares reales (E/P, P) sobre el diagrama con la curva de referencia.

- Comprobar y determinar los índices de consumo por portador energético de la empresa a planificar para un nivel de producción previsto.

- Determinar las metas de índices de consumo para los diferentes niveles de producción.

- Determinar el punto crítico de producción para la programación de la producción en la empresa, áreas o equipos. Conocer la zona de producción de alta y baja eficiencia energética.

- Identificar factores que influyen en el incremento o disminución del índice de consumo de la empresa, área o equipo.

- Evaluar el nivel de eficiencia energética de la producción por portador energético a nivel de empresa, área o equipo.

Uso del diagrama IC vs. P para la identificación de factores que influyen en los índices de consumo. 1. Realizar la curva teórica IC vs. P y dibujar los pares (E/P, P) sobre el

diagrama.

2. Identificar puntos con igual producción P pero diferentes valores de IC.

3. Seleccionar indicadores de producción de la empresa que puedan influir sobre el índice de consumo. Ej.: productividad, rendimiento horario, interrupciones, rechazos, tipo de producciones, etc.

4. Evaluar, para los puntos que están por encima de la curva de referencia y los que están por debajo, la influencia de los indicadores de producción.

5. Obtener conclusiones acerca de la influencia de los indicadores de producción en el índice de consumo y verificar que éstas sean válidas para el resto de los puntos del diagrama.

178

3.3. EDIFICACIONES SOSTENIBLES. 3.3.1. Eficiencia energética en edificaciones. Equipos y tecnologías.

Los edificios sostenibles son estructuras específicamente diseñadas para reducir el impacto negativo del entorno construido en la salud humana y el medio ambiente. Sus objetivos son:

- El uso eficiente de la energía, agua, tierra y materiales. - Proteger la salud de los ocupantes y mejorar la productividad de los

empleados - Reducir los residuos y la contaminación generada por el edificio.

Las construcciones sostenibles consumen menos energía, ahorran dinero en el tiempo, proporcionan una mejor calidad de vida y confort a los ocupantes, y son más amigables con el medio ambiente. La construcción sostenible es una práctica de crear estructuras y utilizar procesos que son medioambientalmente responsables y eficientes en el uso de recursos a través del ciclo de vida de los edificios, desde la selección del sitio, la construcción, la operación, el mantenimiento, la renovación y la demolición. Esta práctica se expande rápidamente y complementa los aspectos clásicos del diseño de edificios relacionados con la economía, la utilidad, el confort, la durabilidad. Los edificios sostenibles son también conocidos como edificios alto desempeño. La construcción sostenible abarca un proceso completo, desde la elección del solar en que iniciará la construcción hasta la proyección de la estructura y la utilización de materiales ecológicos o la posibilidad de reciclaje de los mismos. El ahorro en los costes de mantenimiento y gestión de un edificio sostenible debe justificar el coste de la inversión inicial. Algunas fuentes refieren que una construcción sostenible no cuesta más, e incluso puede llegar a costar menos que una construcción convencional. El error más común, que encarece la construcción sostenible, es decidir después del pre diseño el nivel de sustentabilidad del proyecto, lo que produce costos adicionales por haber cambiado los objetivos del proyecto. Otro error que se comete es el de trabajar en forma desintegrada (sin que las distintas especialidades y profesionales interactúen entre si) lo que aumenta los costos de profesionales por las horas extras que se deben trabajar en correcciones, las cuales generalmente conducen a errores que se transforman en costos extras en el proceso de construcción. En relación a los costos otros dicen que los edificios sostenibles pueden tener un costo de inversión superior a los convencionales entre un 3 a 5 %. Incluso se refieren costos de hasta un 15 % superior. Pero en todos los casos se coincide en que el sobrecoste se recuperará relativamente rápido dado el ahorro de entre el 25 y el 30 % del consumo de energía, adicionalmente al resto de los beneficios. En resumen, un edificio sostenible permite obtener los siguientes beneficios:

179 Beneficios Ambientales:

- Mejora y protege los ecosistemas y la biodiversidad. - Mejora el aire y la calidad del agua. - Reduce los residuos sólidos. Conserva los recursos naturales.

Beneficios Económicos: - Se reducen los costos de operación y mantenimiento. - Aumenta el valor y los beneficios del edificio. - Mejora la productividad y satisfacción de los empleados. - Optimiza el rendimiento económico en todo su ciclo de vida.

Beneficios para la Salud y la Comunidad: - Mejora el entorno térmico, acústico y la calidad del aire. - Aumenta el confort y la salud de los usuarios. - Mejora la calidad de vida.

El primer paso en el proceso de la construcción de un edificio sostenible consiste en definir el nivel de sustentabilidad del proyecto. Una vez definido el nivel de sustentabilidad a alcanzar, es importante lograr integrar cada uno de los recursos y disciplinas utilizadas en el proceso de diseño, construcción y operación. Estos procesos están asociados a equipos de: diseño, construcción, subcontratistas, usuarios y operarios del edificio, de manera que los distintos elementos del edificio puedan trabajar conjuntamente para lograr una mejor comprensión, consiguiendo los objetivos planteados desde el inicio. El diseño integrado es uno de los factores más importantes en la producción de edificios sostenibles, puesto que es clave para evitar incurrir en sobrecostos. La secuencia lógica de los pasos en un proceso de diseño integrado para lograr la máxima eficiencia y sostenibilidad en un edificios es la siguiente:

1. Reducción de carga: Reducción de todas las cargas de energía consumida al mínimo y la eliminación de cargas innecesarias.

2. Eficiencia de sistemas: Satisfacción de las cargas restantes de la manera más eficiente posible.

3. Sistemas regenerativos: Uso de los desechos energéticos con fines útiles.

4. Sistemas renovables: Generación de potencia renovable y en el lugar.

3.3.2. Certificación energética de edificaciones

Para definir el nivel de sustentabilidad de un proyecto se han desarrollado diferentes certificaciones de construcción sostenible como la BREEAM, Green

180

Star, CASBEE, GSBC y LEED, por mencionar algunas y todas tienen distintos niveles de sustentabilidad.

Certificaciones de Construcción Sostenible BREEAM GREEN

STARCASBEE GSBC LEED

Pasa Una Estrella

C Bronce Certificado

Bien Dos Estrellas

B Plata Plata

Muy bien Tres Estrellas

B Oro Oro

Excelente Cuatro Estrellas

A Platino

Cinco Estrellas

S

Seis Estrellas

Nota: Los niveles no son comparables entre si.

3.3.3. Edificios verdes. 3.3.3.1. Sistema de clasificación de edificios verdes LEED, Líder en

Eficiencia Energética y Diseño Sostenible, (Leadership in Energy and Environmental Design).

El World Green Building Council –World GBC - es un organismo que tiene como objetivo facilitar el intercambio de información sobre el desempeño medioambiental de los edificios sostenibles entre los consejos de edificios verdes de cada país. La certificación LEED (Liderazgo en Energía y Diseño Ambiental), por sus siglas en ingles, fue creada por el U.S. Green Building Council siendo la más utilizada en América y una de las más utilizadas a nivel mundial (más de 120 países). Si bien LEED fue inicialmente concebido para su aplicación en los Estados Unidos, LEED se ha venido utilizando en otras partes del mundo, existiendo en la actualidad edificios certificados en más de 30 países. LEED es un sistema de certificación de edificios verdes, voluntario y privado, cuyo fin es validar y respaldar el éxito conseguido en el diseño, construcción, operación y mantenimiento de un edificio. La certificación LEED busca, sobre la base de la aplicación de un proceso de diseño y construcción integrado, fundamentar principios ambientales para lograr una armonía entre las prácticas usualmente utilizadas y los conceptos que integran la sostenibilidad.

3.3.3.2. Bases y fundamentos de la metodología para la certificación LEED.

181 La certificación LEED contempla 6 categorías y la asignación de puntos por categoría: 1. Sitios sostenibles (20 %). 2. Eficiencia del agua (7 %). 3. Energía y atmósfera (25 %). 4. Materiales y recursos (19 %). 5. Calidad en ambientes interiores (22 %). 6. Innovación y procesos de diseño (7 %). El nivel de aceptación, en función de la puntuación LEED obtenida, son los siguientes:

Nivel de aceptación Puntos LEED Certificado 26 - 32 Plata 33 - 38 Oro 39 - 51 Platino 52 - 69

Estructura de la Guía para la Implementación LEED

3.3.4. Edificios ZERO.

Un edificio energía cero (ZEB) o edificio energía neta cero es un término aplicado a edificios con un consumo de energía neta cercana a cero en un año típico. En otras palabras, la mayor parte de la energía proviene del propio edificio, mediante fuentes de energías renovables, que deberá ser igual o acercarse a la energía demandada por el edificio. A fin de alcanzar la eficiencia y la sostenibilidad energética, los edificios de energía neta cero son la meta máxima.

182 Los ZEB pueden ser edificios residenciales o comerciales cuyo consumo neto de energía proveniente de fuentes no renovables, como electricidad, gas natural o combustible, es igual o próximo a cero. Estos edificios son tan eficientes desde el punto de vista energético que funcionan principalmente con energía renovable generada en el mismo sitio.

3.3.4.1. Objetivos ZERO. Propuesta, definición y aplicación.

Edificios de Energía Neta Cero en Europa En la actualidad, diferentes programas y políticas fomentan la implementación de edificios de energía cero en Europa. El Consejo Europeo acordó en 2007 tres objetivos claves de cara a la mitigación del cambio climático:

1. Reducir en al menos un 20% las emisiones de GEI de aquí al 2020. 2. Lograr que las Energías renovables representen el 20% del consumo

energético en 2020. 3. Reducir, mediante la mejora de la eficiencia energética, un 20% el

consumo energético en Europa en 2020. En la Unión Europea, una resolución de marzo de 2009 requiere que, para el año 2019, todos edificios de nueva construcción sean edificios de energía cero, estos es, que generen en el lugar tanta energía procedente de fuentes renovables como la que consumen.

Edificios de Energía Neta Cero en los Estados Unidos A nivel nacional en los EE. UU., la Iniciativa de Edificios Comerciales (CBI) de Energía Cero del Departamento de Energía de los Estados Unidos tiene el objetivo de lograr edificios comerciales de energía cero comerciables en todas las zonas climáticas para el año 2025. La Ley Federal de Independencia y Seguridad Energética del año 2007 establece que la CBI desarrolle y distribuya tecnologías, prácticas y políticas para el desarrollo y el establecimiento de edificios comerciales de energía cero en los Estados Unidos para:

• Cualquier edificio comercial recién construido en el año 2030. • El 50 % de los volúmenes de edificios comerciales para el año 2040. • Todos los edificios comerciales para el año 2050.

Características Comunes de los Edificios Comerciales de Energía Cero Existentes • No son grandes: De los ocho edificios de energía cero conocidos en los Estados

Unidos, todos son de uno o dos pisos y de menos de 15 000 pies cuadrados.

• Alta eficiencia: La energía ahorrada en un ZEB es energía que el edificio no tiene que producir.

183 • Integración necesaria del diseño y el funcionamiento: Los edificios de energía

cero alcanzan mejor sus objetivos cuando participan todas las partes involucradas, desde los propietarios hasta los arquitectos y los contratistas, los operadores de la instalación y los ocupantes de los edificios.

• Generación de energía renovable en el lugar: a partir de sistemas solares, eólicos,

biomasa o geotermia.

• Conexión a la red: Los edificios no interconectados a la red, capaces de alcanzar el estado de energía neta cero, deben utilizar tecnologías de almacenamiento bastante costosas.

184 3.4. APLICACIÓN DE LA COGENERACIÓN Y TRIGENERACIÓN DE

ENERGÍA. 3.4.1. Conceptos básicos y filosofía de la cogeneración.

La cogeneración consiste en la producción secuencial de energía eléctrica o

mecánica y de energía térmica útil, a partir de la misma fuente primaria.

La cogeneración posee varias ventajas importantes con respecto a la producción

separada de calor y electricidad. La energía se utiliza más eficientemente, tanto

en términos de la Primera Ley de la Termodinámica como de la Segunda Ley. Se

obtiene una reducción en el consumo total de energía primaria, con la

consiguiente reducción del impacto ambiental. Para la empresa, si bien consumirá

entre un 5 y 10 % más de energía primaria, la diferencia entre el precio de la

electricidad y el combustible por unidad energética, representará un importante

ahorro económico. La cogeneración posibilita además, flexibilidad en el uso de

combustibles, mejora la seguridad del suministro de energía, y favorece el

desarrollo de regiones alejadas de las redes de suministro eléctrico.

En los sistemas de cogeneración la energía empleada para generar la energía

eléctrica y térmica es mucho menor a la utilizada en los sistemas convencionales

de generación de energía eléctrica y térmica por separado. En una central

termoeléctrica convencional y un sistema de transmisión y distribución

convencional, solo aproximadamente un 22 % de la energía aportada por el

combustible se suministra a los equipos de usos finales, el resto se pierde en el

condensador, los gases de escape, las pérdidas mecánicas y las pérdidas

eléctricas por transformación, transmisión y distribución. En los sistemas de

cogeneración se llega a aprovechar hasta un 80 % de la energía contenida en el

combustible para la generación de energía eléctrica y calor al proceso.

Las tecnologías de cogeneración son aplicables a una amplia gama de sectores

industriales e instalaciones, en las que se utiliza calor de proceso, y las

tecnologías necesarias para su aplicación están técnicamente desarrolladas y

disponibles comercialmente.

Lo anterior se puede observar en los diagramas que se muestran en la figura

siguiente:

185

22% Uso Final

7%T&D

Central Convencional

48% Pérdidasde

Condensación

15% Pérdidas enCalderas

2%Otras

6%Consumo

Propio

100%

80% Térmica yEléctrica de Uso

FinalCogeneración

18% Pérdidas enCalderas

2%Otras

100%

Eficiencia en la utilización del combustible en Centrales Termoeléctricas y Plantas

de Cogeneración

La cogeneración es un término relativamente nuevo, pero sin embargo el

concepto que describe el proceso data de más de cien años. Se ha dicho que la

palabra Cogeneración fue acuñada por el Presidente de los Estados Unidos,

James Carter, quien en su mensaje del 20 de abril de 1977 sobre energía, la

definió como la producción de electricidad y otras formas de energía útil (tales

como calor o vapor de proceso) en la misma instalación.

La tecnología necesaria para una cogeneración económica está disponible, es

una tecnología suficientemente madura. En las pasadas décadas las barreras han

sido fundamentalmente institucionales, las que han sido determinantes en su bajo

nivel de aplicación en la actualidad.

La cogeneración posibilita además, flexibilidad en el uso de combustibles, mejora

la seguridad del suministro de energía, y favorece el desarrollo de regiones

alejadas de las redes de suministro eléctrico.

186 Beneficios e inconvenientes de la cogeneración.

En términos generales, los beneficios potenciales de la cogeneración son:

• Ahorros de energía primaria. Incrementando la capacidad de cogeneración en

la industria, puede ayudar a reducir el consumo de combustibles que

actualmente se usan en las plantas de generación de potencia.

• Incremento de la eficiencia de distribución. Las pérdidas por transformación y

distribución disminuyen al tener a los sistemas generadores ubicados en los

centros de consumo.

• Difiere inversiones requeridas en ampliar la capacidad instalada en el país.

Con los sistemas de cogeneración industrial se disminuye el crecimiento de la

demanda, por lo que el crecimiento de la oferta se puede realizar más

lentamente, lo que implica disminuir la velocidad de construcción de nuevas

plantas generadoras.

• Reduce emisiones globales. Al disminuir globalmente el uso de energía

primaria, produce que las emisiones derivadas de la combustión de

combustibles fósiles disminuya, con el consiguiente beneficio.

A pesar de las grandes ventajas que tiene la cogeneración existen una serie de

inconvenientes:

• Los sistemas de cogeneración requieren de una inversión sustancial, que

muchas compañías no están en disposición de erogar por tratarse de un

proyecto que no incrementa su capacidad de producción, aunque sea

altamente favorable. Los sistemas de cogeneración pueden llegar a ser

complejos en su diseño, instalación y operación, por lo que requieren la

utilización de empresas o personas bien capacitadas en esta área.

• En algunos proyectos su economía puede ser muy sensible a los costos de

energía eléctrica y de los combustibles, los cuales son impredecibles, aunque

la tendencia normal es hacia la alza, por lo menos en el mediano plazo. Para

los proyectos que son altamente dependientes de la venta de excedentes a la

red, deben de buscar contratos a largo plazo con precios de compra que

mantengan la rentabilidad del proyecto.

Para el país

Ventajas

1. Ahorro de energía primaria, tal como ya se ha indicado.

187 2. Mayor diversificación energética gracias al aprovechamiento de calores

residuales y combustible derivados del proceso.

3. Disminución de la contaminación como resultado del menos consumo global de

combustible.

4. Ahorro económico debido al menos coste de generación, y sobre todo, de

distribución de la calidad de la electricidad respecto a los sistemas

convencionales.

5. Desarrollo de un mercado de bienes de equipo nacionales, especialmente

equipos auxiliares generadores de vapor, alternadores u transformadores.

Inconvenientes

1. Necesidades de una normativa adecuada para regular y resolver los

numerosos posibles puntos conflictivos que pueden presentarse en las relaciones

cogenerador-compañía eléctrica. 2. Exigencia de una infraestructura adecuada para el correcto mantenimiento de

las instalaciones.

Para el industrial

Ventajas

1. Ahorro económico como consecuencia del menos coste de la electricidad

autoconsumida y el beneficio por la vendida.

2. Mayor garantía de suministro. Ante un posible fallo en la red puede seguir

suministrando electricidad, al menos a los equipos considerados como críticos.

Inconvenientes

1. Inversión adicional y además, en una actividad apartada de las líneas normales

de actuación de la empresa. Por otra parte, se enfrenta con riesgos poco

conocidos para él, como la evolución de los precios de la electricidad,

combustibles, etc.

2. Aumento de la contaminación local, como consecuencia del mayor consumo de

combustibles en la propia factoría (se entiende, para los ciclos de cabecera).

Para las compañías eléctricas

Ventajas

1. Incremento en la garantía del suministro eléctrico

2. Posibilidad de rebajar la potencia de reserva

188 3. Utilización más económica de sus medios de producción al suministrar la

cogeneración a aquellas centrales con costes de generación más altos.

4. Construcción de nuevas centrales de forma incremental a pequeña escala, en

lugar de construir grandes centrales en previsión de un incremento de demanda

de energía a largo plazo incurriendo fácilmente en una sobreestimación.

Inconvenientes

1. Problemas de regulación de la red al conectar en paralelo de los equipos del

generador con la red de distribución debido a los intercambios de energía entre

ambos y a los posibles fallos de suministro de los equipos del cogenerador.

2. Menor mercado. El cogenerador reduce el suministro de la compañía eléctrica

con su propio autoabastecimiento y con la posible venta a la red o a terceros.

3.4.2. Clasificación y componentes de un sistema de cogeneración.

Los sistemas de cogeneración se clasifican de acuerdo al orden o posición relativa

de la generación de energía eléctrica y térmica. Cuando la energía para producir la

electricidad o el trabajo mecánico se extrae de una corriente de energía térmica

anterior a un proceso, el esquema se conoce como Sistema Superior ("topping

cycles"). Inversamente, cuando la electricidad o la energía mecánica se extraen

de la corriente térmica proveniente de un proceso, el esquema se conoce como

Sistema Inferior ("bottoming cycles").

• Sistemas superiores, en los cuales la energía primaria se emplea para obtener

un fluido a alta temperatura, con el que se genera energía mecánica y/o

eléctrica, y luego el calor residual se utiliza en un proceso. Estos sistemas son

típicos en la industria del papel, petróleo, textil, alimentos, azúcar, etc.

• Sistemas inferiores, en los que la energía primaria se convierte en calor de

proceso, y a partir del calor residual del mismo es que se produce energía

mecánica y/o eléctrica. Este tipo de sistema es utilizado en la industria del

cemento, del vidrio, del acero, etc.

Los principales elementos constituyentes de un sistema de cogeneración son: la

fuente de energía primaria, el motor primario, los sistemas de aprovechamiento de

las energías mecánica y térmica, los equipos auxiliares, la instrumentación y el

sistema de control

189 El componente más importante es el motor primario, el cual convierte la energía

del combustible en potencia mecánica. Los motores primarios más utilizados son

las turbinas de vapor, las turbinas de gas y los motores de combustión interna.

3.4.3. Desarrollo actual y perspectivas de la cogeneración a escala mundial y regional. Barreras que se oponen al desarrollo de la cogeneración. Marco legal para la cogeneración.

A principios del Siglo XX los sistemas de cogeneración, producían más del 50%

de la energía demandada por la industria. Sin embargo, este porcentaje cayó al

15% en los años 50 y hasta menos del 5 en la década de los 70.

A partir del desarrollo de la producción de electricidad y la expansión de las redes

eléctricas en los años de 1920, el uso de la cogeneración comenzó a declinar.

Las compañías eléctricas suministraban un servicio más barato y muy confiable.

Otros factores contribuyeron a reducir el empleo de la cogeneración tales como el

aumento de legislaciones restrictivas sobre la generación de electricidad, las

políticas de las compañías eléctricas para desestimular la autogeneración, el bajo

costo de la energía, representando un porcentaje decreciente de los costos

totales, así como los avances tecnológicos en la fabricación de calderas

compactas.

La importancia y el uso de la cogeneración fue disminuyendo debido a:

• Extensión de las redes eléctricas

• Bajos costos de la energía primaria

• Tarifas eléctricas subsidiadas

• Oposición de las compañías eléctricas nacionales.

En los años 40 cerca del 20 % de la electricidad en los Estados Unidos era

producida en plantas de cogeneración, mientras que a mediados de los 70 esta

tasa era solo del 5 %.

190

Evolución de la Cogeneración en los E.U. % de la capacidad de nueva instalación

A partir de mediados de la década de los 70, ésta tecnología resurge debido a:

• Alza de los precios de los combustibles y encarecimiento de la energía

eléctrica producida en centrales térmicas.

• Manifestaciones cada vez más evidentes y graves de los impactos

ambientales de la producción y uso de la energía.

El cambio en el panorama energético que se produce a partir de la década de los

70, revive el interés de la industria en la cogeneración como una fuente estable de

electricidad más barata. Este interés se extiende al sector de los servicios,

apareciendo el concepto de la trigeneración como vía para adecuar la relación

calor/electricidad a los rangos viables para sistemas de cogeneración.

En los años 80 recibe el uso de la cogeneración un impulso adicional, dado por:

• Nuevas legislaciones en algunos países

• Desarrollos tecnológicos:

♦ Incremento de eficiencia de las turbinas de gas (de 15-20% a 35%). Nuevos materiales, Mejoras en los ciclos.

♦ Introducción de turbinas aeroderivadas.

♦ Desarrollo de calderas recuperadoras.

♦ Inicio de tecnología de gasificación.

♦ Ciclo Combinado Vapor-Gas.

♦ Sistemas de cogeneración tipo paquete.

♦ Motores de combustión interna más eficientes (40%).

Estado actual de la Cogeneración

191 La cogeneración tiene poca participación en la matriz mundial de generación

eléctrica, por debajo de 7 % en el año 2005. Sin embargo, su rol ha aumentado

en los últimos tiempos debido a la necesidad de maximizar el uso de los

combustibles, mayor aprovechamiento del combustible supone un ahorro

importante así como un alivio para la atmósfera.

En algunas regiones del mundo, la cogeneración está pasando por un período de

auge. Europa occidental y el sureste Asiático son dos regiones donde este tipo de

proyectos crecen a gran velocidad.

En Europa actualmente el 9% de la energía eléctrica generada se obtiene en

sistemas de cogeneración, y se pronostica que para el 2010 alcance alrededor del

18 % y que para los próximos 20 años se incremente hasta un 25 %.

En América Latina el porcentaje de la electricidad generadoa en instalaciones de

cogeneración es muy bajo, y su aplicación ha dependido en gran medida de la

situación del mercado en el sector eléctrico de cada país y del precio y

disponibilidad de los combustibles, gas natural en la mayoría de los casos, para

que se den las condiciones necesarias para que estos proyectos sean viables.

Son varios los países donde empieza a verse movimiento con respecto a la

cogeneración. Entre estos países destacan México, Brasil y Colombia, así como

algunos países del Caribe y Centroamérica. En Argentina se podría empezar a

ver algún desarrollo de la cogeneración gracias a incentivos delgobierno a ciertas

industrias para que generen su propia energía ya que expertos, incluido el

gobierno, apuntan a que este país podría sufrir una crisis eléctrica en el 2008 o

2009.

Experiencias internacionales

La mayor eficiencia de los procesos de cogeneración ha sido la razón

fundamental para su crecimiento a nivel mundial.

Hoy en día la necesidad imperiosa de reducir las emisiones de gases de

invernadero, el desarrollo de nuevas tecnologías de producción de energía a

pequeña escala y las ventajas y tendencias hacia la generación distribuida, están

dando un fuerte impulso a los sistemas de cogeneración.

Dentro de los países con mayor aporte de los sistemas de cogeneración al

balance energético se destacan:

192 Dinamarca: 40 %; Holanda: 35 %; Austria: 23,5 %; República Checa:19 %;

Italia:18%; Alemania: 16 %; Portugal: 13 %; Hungría: 12 %; Polonia: 11 %.

Un caso destacado en el incremento de la cogeneración en los últimos años es el

de España. En este país en el año 2001 el 15 % de generación de energía

eléctrica era en sistemas de cogeneración. La producción de electricidad

mediante cogeneración ha experimentado en los años 2000-2001 un crecimiento

del 56%, ha sido la turbina de gas el equipo empleado en 28 de un total de 42

nuevas instalaciones. Un estudio elaborado por IDAE, Instituto para la

Diversificación y Ahorro de la Energía, relativo al potencial tecnológico de

cogeneración existente en la industria española, refería lo siguiente:

- No. de instalaciones: 298

- Potencia eléctrica instalada: 1,672 MW

- Electricidad cogenerada: 12,460 GWh/año

- Incremento de consumo de combustible en las industrias: 17,805 GWh/año

- Ahorro de energía primaria: 1,533,677 tep/año

Un estudio promovido por IDAE y presentado en La Feria Internacional de

Energía y Medio Ambiente, Genera 2007 muestra que en el año 2020, la

producción de energía a través de la cogeneración se situará en una banda

comprendida entre algo más de 8.000 y 11.300 MWe. Una producción que

equivaldrá al 20% de la energía que consume España.

En Turquía las plantas de cogeneración representan el 12 % de la capacidad, las

que generan 17,6 % del total de la energía.

Otros países europeos que se destacan en el empleo de la cogeneración son

Suecia con un 7 % y el Reino Unido con 6%.

Francia es uno de los países mas rezagados en este sentido en la Unión

Europea, en el que solo el 3 % del total de la energía generada es por

cogeneración.

En América se destacan los Estados Unidos por el desarrollo de la cogeneración.

Desde 1978, con la creación de la Ley conocida por sus siglas como “PURPA”

(Public Utility. Regulatory Policy Act), la cogeneración recibió un fuerte impulso.

De esa fecha y hasta el 2001 se instalaron 9500 MWe. En el año 2005 el 7 % del

193 total de la energía generada fue por cogeneración y se pronostica alcanzar el 20

% en el 2010.

En México en el 2005, el 6 % del total de la energía generada se generó en

plantas de cogeneración, mientras que en Colombia la cogeneración solo

representa el 1 % de la energía generada, a pesar de existir un potencial

apreciable.

En Asia se destaca el caso de China, donde según datos del 2005, el 10 % del

total de la energía generada es por cogeneración.

Marco legal y barreras que se oponen al desarrollo de la cogeneración.

El desarrollo de la cogeneración se ha visto favorecido particularmente en

aquellos países que han establecido un marco legal favorable, claro y consistente.

Así se tiene el ejemplo de los Estados Unidos, donde se promulgó en 1978 la

menionada ley ”PURPA”, la cual:

• Obligó las compañías de electricidad a comprar a las instalaciones de

cogeneración antes de expandir su capacidad generadora, y a suministrar

capacidad de respaldo y remunerar adecuadamente los excedentes.

• Estableció una política de precios sobre la base del costo evitado.

• Consideró la cogeneración como industria prioritaria para el uso del gas.

• Estableció calificaciones previas para asegurar que solamente los

autoproductores eficientes, como son los cogeneradores, pueden recibir las

ventajas y estímulos establecidos por el PURPA.

Esta ley cambió profundamente la perspectiva de los cogeneradores y generó

condiciones para el incremento de la participación de la cogeneración en la oferta

de energía eléctrica.

En poco más de 10 años la participación de la cogeneración pasó de 2% a casi

15% y actualmente hay 43000 MW instalados en 3000 plantas cogeneradoras.

La regulación varía no siempre siguiendo un patrón único, sino que han intentado

variantes más acordes a la realidad de cada país.

En España y Francia las centrales eléctricas están obligadas a comprar hasta 8

MW.

194 En Italia y Alemania los cogeneradores no tienen limite de venta, pero siempre que la producción sea con combustible renovable.

En general, las tarifas de compraventa se fijan a partir de diferentes criterios, en algunos casos en base del costo de producción con utilidades razonables para centrales y productores.

En Colombia el mercado es desregularizado y el estado solo actúa como ente regulador en cuanto a los precios. Los excedentes de energía eléctrica pueden venderse si se cumple con los siguientes requisitos:

• Sí se produce la energía eléctrica a partir de energía térmica, deberá ser mayor al 5% de la energía total generada por el sistema (eléctrica + térmica).

• Sí produce energía térmica a partir de un proceso de generación de energía eléctrica, la energía térmica producida deberá ser mayor al 15% de la energía total generada por el sistema (térmica + eléctrica).

En México el mercado es controlado por el estado a través de la Comisión Federal de energía (CFE), lo cual determina:

• La venta a CFE cuando los proyectos no excedan la capacidad de 30MW.

• Generar menos de 1MW en pequeñas comunidades rurales o áreas aisladas que carezcan de energía eléctrica.

• La exportación hasta 30MW

En España. El criterio de calificación en España requiere que el sistema de cogeneración permita un ahorro de energía primaria de por lo menos 45% comparándolos con sistemas convencionales. En Cuba, la actual política es la de promover la cogeneración basada en la disponibilidad de fuentes energéticas renovables provenientes de biomasa, hidráulica, energía solar, eólica, oceánica y geotérmica. En particular, para el Ministerio del Azúcar, como organismo cogenerador, las tarifas actuales se han fijado para distintos horarios, tanto para la compra, como para la venta, de modo que se estimule el ahorro y la autogeneración. Barreras que se oponen al desarrollo de la Cogeneración Al desarrollo de la cogeneración se oponen barreras económicas, institucionales y técnicas. Barreras económicas

• Bajos costos de la electricidad (subsidiada aun en algunos casos) como para

hacer la inversión atractiva.

• Altos cargos de las empresas eléctricas para el servicio de respaldo (back-up).

195 • Las inversiones en sistemas de cogeneración no están relacionadas con los

objetivos productivos principales de la empresa

• Bajos precios pagados por las empresas eléctricas por la electricidad que

compran

• Irregularidades en los pagos de las empresas eléctricas (sobre todo en las

empresas estatales)

Barreras institucionales

Del lado de la empresa industrial:

• Tecnología no familiar

• Equipos diferentes para se operados y mantenidos

• Temor que la producción de energía produzca presiones sobre el proceso

productivo principal.

• Temor a que problemas en el suministro de energía afecten la producción

• Rechazo a vender potencia bajo las regulaciones vigentes.

Del lado de las Empresas Eléctricas:

• Las empresas eléctricas se consideran monopolios energéticos

• Temor a que se complique la operación del sistema eléctrico

• Temor a que inestabilidad, en la operación de las plantas afecte la operación

del sistema.

• Tendencia a considerar a la cogeneración como potencia no firme y por lo

tanto de bajo valor.

Barreras técnicas

• Las demandas de calor del proceso pueden variar ampliamente y causar

inestabilidad en el trabajo de los motores primarios.

• Las calderas deben operar a mayor presión y requieren mayor disciplina

tecnológica de operación y mejor tratamiento de agua.

• El condensado retornado de procesos frecuentemente se contamina.

• El equipamiento en la planta de cogeneración debe estar diseñado para un

mayor nivel de fiabilidad.

En la Región de América Latina y el Caribe las principales barreras que se

oponen a la Cogeneración son:

1. Insuficiente legislación y reglamentación de parte de los gobiernos.

196 2. La comercialización de la energía eléctrica no se hace en condiciones justas.

3. No se logra una negociación de contratos a largo plazo para garantizar la

amortización del sistema de cogeneración en el tiempo esperado.

4. No existe la posibilidad de obtener un adecuado financiamiento para la compra

del paquete de cogeneración.

5. Alta dependencia del extranjero para la adquisición de equipos de

cogeneración.

6. Poca experiencia nacional en cuanto al manejo de la tecnología involucrada.

3.4.4. Principales características de los diferentes esquemas de cogeneración. Sistemas con turbinas de vapor. Sistemas con turbinas de gas. Sistemas con motores de combustión interna. Sistema de ciclo combinado.

Cogeneración con Turbinas de Vapor

Existen dos esquemas básicos con turbinas de vapor: con turbinas de

contrapresión y con turbinas de extracción - condensación.

En las turbinas de contrapresión su principal característica es que el vapor,

cuando sale de la turbina se envía directamente al proceso sin necesidad de

contar con un condensador y equipo periférico, como la torre de enfriamiento; la

generación de energía eléctrica depende de la demanda de vapor en el proceso,

la relación calor/electricidad es superior a 4.

Turbina de Vapor a Contrapresión

En las turbinas de extracción - condensación, una parte del vapor puede extraerse

en uno o varios puntos de la turbina antes de la salida al condensador, obteniendo

así, vapor a proceso a varias presiones, mientras que el resto del vapor se

197 expande hasta la salida del condensador. Estos sistemas se aplican

principalmente en aquellas instalaciones en las que la necesidad de generar

energía eléctrica es superior y es independiente a la demanda de vapor en el

proceso.

Turbina de Vapor a Extracción-Condensación

Consideraciones respecto a las instalaciones de cogeneración con turbinas de vapor.

Es el esquema más conocido y utilizado hasta el momento en aquellas industrias

que consumen vapor de baja presión.

Los esquemas con turbinas de vapor dominan aun el mercado en aplicaciones de

gran potencia. Usualmente representan una opción competitiva para potencias

mayores de 10 MW, aunque se utilizan desde 3 MW en adelante. Sin embargo, no

resultan convenientes en procesos que requieren vapor de altos parámetros o

gases calientes a elevada temperatura para secado directo.

Los esquemas con turbinas de contrapresión poseen una alta relación

calor/electricidad y presentan una estrecha dependencia entre la potencia

generada y el calor demandado por el proceso.

Los costos unitarios de la potencia instalada son altos y aumentan rápidamente a

capacidades bajas.

Los esquemas con turbinas de vapor pueden aprovechar en ocasiones las

calderas existentes, aumentando su presión de trabajo y reduciendo la inversión

inicial necesaria.

198 Se facilita en estos esquemas la producción de vapor de proceso a diferentes

presiones y pueden utilizar toda la gama de combustibles disponibles, en

particular combustibles residuales y de bajo costo.

El tiempo de construcción y puesta en marcha es elevado y tienen una alta

seguridad de operación y una larga vida útil.

Los esquemas con turbinas de extracción condensación permiten aumentar la

relación potencia/calor, tienen una alta flexibilidad de operación y de ajuste de la

relación potencia/calor, pero su costo es mayor y requieren volúmenes

considerables de agua de enfriamiento. En la turbina de extracción/condensación,

una parte del vapor puede extraerse en uno o varios puntos de la turbina antes de

la salida al condensador, obteniendo así, vapor a proceso a varias presiones,

mientras que el resto del vapor se expande hasta la salida del condensador.

En las turbinas de condensación, la salida de vapor expandido en la turbina pasa

al condensador a una presión, normalmente, inferior a la presión atmosférica.

Estos sistemas se aplican principalmente en aquellas instalaciones en las que la

necesidad de energía térmica respecto a la eléctrica es de 4 a 1 o mayor.

Cogeneración con Turbinas de Gas.

En este sistema el combustible es quemado en una cámara de combustión, de la

cual los gases generados son introducidos a la turbina, para convertirse en

energía mecánica, la que podrá ser transformada en energía eléctrica usando un

alternador. Los gases de escape tienen una temperatura que va de 500 a 650°C.

Los gases de escape de las turbinas de gas son limpios, poseen una temperatura

del orden de los 500 a 650 0C y un contenido de oxigeno libre entre el 15 y el 17

%. Los mismos pueden ser utilizados directamente en procesos o para la

producción de vapor en calderas recuperadoras. El empleo de quemadores de

postcombustión en las calderas posibilita aumentar la relación calor/electricidad,

así como proporciona una gran flexibilidad para ajustar la misma a las variaciones

de demanda del proceso.

El gran desarrollo tecnológico que han tenido las turbinas de gas en los últimos

tiempos ha influido en el creciente uso de estos equipos como motores primarios

en sistemas de cogeneración.

199 Los esquemas con turbinas de gas son relativamente simples, requieren poco

espacio, su costo es bajo, su instalación es rápida y se ponen es servicio en corto

tiempo, y se pueden aplicar en potencias desde 500 KW hasta más de 100 MW.

Los esquemas con turbinas de gas están limitados en cuanto al combustible a

utilizar, por cuanto los gases de combustión circulan directamente a través de la

turbina y su vida útil es relativamente baja y requieren de un mantenimiento

especializado.

Su capacidad se afecta significativamente con la altitud de la instalación y

presentan baja eficiencia a cargas parciales.

Los esquemas con turbinas de gas inyectadas con vapor (Ciclo CHENG) permiten

incrementar la potencia, mejorar el rendimiento a cargas parciales, mayor

flexibilidad en el ajuste de la relación calor/electricidad y una disminución en el

impacto ambiental (NOx).

Cogeneración con Esquemas de Ciclo Combinado

Estos esquemas emplean turbinas de gas y turbinas de vapor. La variante más

utilizada es utilizar los gases de escape de la turbina de gas para generar vapor

en una caldera recuperadora (con o sin postcombustión) y el vapor generado

utilizarlo para el accionamiento de la turbina de vapor, enviando el vapor de

extracciones y/o de escape de esta al proceso para suplir la demanda de calor.

Existen varios esquemas con ciclo combinado.

Su eficiencia en muy alta, tienen un mediano costo de inversión y poseen una alta

relación potencia/calor. Tienen una gran flexibilidad de operación para ajustarse a

las variaciones de demanda de potencia y calor, pero están limitados en cuanto al

Esquema de Cogeneración con Turbina de Gas

200 combustible a utilizar, al igual que los esquemas con turbinas de gas de ciclo

simple.

Cogeneración con Motores de Combustión Interna.

Estos sistemas poseen la mayor generación eléctrica por unidad de combustible

consumido, alrededor del 34% al 40%, aunque los gases residuales son a baja

temperatura, entre 200 y 250°C. Se aplican fundamentalmente en instalaciones

de baja capacidad. Se producen desde 15 KW de potencia hasta cerca 20 MW.

Tienen una alta eficiencia, la cual se mantiene aceptablemente a cargas parciales.

Su costo de inversión es relativamente bajo, requieren poco espacio, su

instalación es sencilla y se ponen en marcha en corto tiempo.

La relación calor/electricidad es baja. La energía térmica producida es de bajo

potencial ( agua caliente o vapor saturado de baja presión) y la energía térmica

recuperable está dispersa ( gases, agua de enfriamiento y aceite).

Se producen en forma de módulos compactos o paquetes de cogeneración en

potencias desde 6 KW hasta 1 MW.

En la Tabla siguiente se muestran las características generales de un grupo de

tecnologías establecidas y de probada efectividad existentes en el mercado.

Esquema de cogeneración con Motor de Combustión Interna

201

Características generales de las tecnologías de cogeneración.

Tecnología Combustible Potencia MW

Eficiencia Eléctrica, %

Eficiencia Global, %

Inversión,USD/kW

O&M,USD/Kwh

Turbina de vapor

Cualquiera 0.5 - 500 7-20 60-80 900-1800 0.0027

Turbina de gas Gaseoso o líquido

0.25-50 25-42 65-87 400-850 0.004-0.009

Ciclo combinado

Gaseoso o líquido

3-300 35-55 73-90 400-850 0.004-0.009

Motores Diesel y Otto

Gaseoso o líquido

0.003-20 25-45 65-92 300-1450 0.007-0.014

Microturbinas Gaseoso o líquido

15-30 60-85 600-850 < 0.006-0.01

Celdas de combustible

Gaseoso o líquido

0.003-3 37-50 85-90 - -

Motor Stirling Gaseoso o líquido

0.003-1.5 ~ 40 65-85 - -

En términos generales, con la cogeneración se obtiene entre un 15 y un 40% de

ahorro de energía primaria a nivel global, en comparación con la producción

independiente de calor y electricidad. La inversión inicial en un proyecto de

cogeneración puede ser relativamente alta pero en un marco favorable, puede

esperarse un período de recuperación en el entorno de los 3 - 5 años. La

efectividad económica y los ingresos dependerán fundamentalmente de la

diferencia entre el precio del combustible y el precio de la energía eléctrica

vendida.

3.4.5. Sistemas de trigeneración.

Si el calor residual en un sistema de cogeneración (o parte de él) se utiliza para la

producción de frío mediante los conocidos ciclos de absorción se habla de

procesos de trigeneración.

Por tanto, se define el término de trigeneración como la producción conjunta, de

electricidad, calor y frío, a partir de un único combustible.

Básicamente, una planta de trigeneración es sensiblemente igual a una de

cogeneración a la que se le añade un sistema de absorción para la producción de

frío.

Debido a su alto rendimiento, las plantas de trigeneración posibilitan una gran

reducción del coste energético de los procesos productivos allí donde se

requieren importantes cantidades de calor en forma de vapor o agua caliente, frío

industrial o energía eléctrica.

202 La trigeneración es aplicable al sector terciario, donde además de necesidades

de calefacción y agua caliente se requieren importantes cantidades de frío para

climatización, que consume una gran proporción de la demanda eléctrica. La

estacionalidad de estos consumos (calefacción en invierno y climatización en

verano) impediría la normal operación de una planta de cogeneración clásica.

Las máquinas de absorción se aplican cuando existe una demanda de frío, bien

sea para algún proceso de fabricación, climatización, congelación o conservación,

y una energía residual.

Este calor residual puede ser aportado por diferentes fluidos térmicos, como

vapor, agua caliente, agua sobrecalentada o gases calientes.

La instalación de una máquina de absorción permite tener una curva de demanda

térmica más homogénea a lo largo del año, permitiendo aumentar el tamaño de la

instalación de cogeneración

Una planta de trigeneración está compuesta por una planta de cogeneración a la

que se le añade un sistema de absorción para la producción de frío.

Los sistemas típicos de cogeneración donde se integran máquinas de absorción

para producción de frío son aquellos que emplean motores alternativos o turbinas

de gas, tanto en ciclo simple como combinado.

Ventajas de la tecnología • Reducción de costos energéticos

• Reducción de emisiones de gases de efecto invernadero

• Disminución de pérdidas en el sistema eléctrico e inversiones en transporte y distribución.

• Aumento de la competitividad industrial.

203

• Promoción de pequeñas y medianas empresas de construcción y operación de plantas de trigeneración.

Inconvenientes • Inversión adicional y además, en una actividad apartada de las líneas

normales de actuación de la empresa.

• Aumento de la contaminación local, como consecuencia del mayor consumo de combustibles en la propia instalación.

3.4.6. Termodinámica de los sistemas de cogeneración. Rendimientos de las plantas de cogeneración. Cálculo del ahorro energético. Cálculo del ahorro económico.

Rendimiento Global del Sistema de Cogeneración (Eficiencia Energética)

cg

cgcggcg EP

QE +=η

Donde: Ecg – Energía eléctrica generada

Qcg – Calor cogenerado

EPcg – Energía primaria consumida por el sistema.

Rendimiento Ponderado (precios)

EPcg

qcgecgpcg PEP

PQPE.

.. +=η

Rendimiento Exergético

EP

qEEXcg E

EE +=η

Rendimiento en la Producción de Energía Eléctrica

cg

cgNcg EP

E=η

Rendimiento Neto en la Producción de Energía Eléctrica

q

cgcg

cgcg Q

EP

E

η

η−

=

204 Eficiencia Tipo PURPA

100*2cg

cgcg

PURPA EP

QE +

=η

Para calificar y convertirse en QF – Qualified Facility

ηPURPA> 42.5 % para ciclos “Topping”

ηPURPA> 45% para ciclos “Bottoming” Indice de calor neto (Net Heat Rate)

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛

−−

−

=hKw

BTUhKw

KcalE

QEP

ICNcg

gv

cgcg η

Índice de calor/electricidad (Power to Heat Ratio) 4.

Motor Diesel 0.6 – 1.2 KWt / KWe

Turbina de Gas 2.3 – 4.8 KWt / KWe

Turbina de Vapor (contrapresión) > 4 KWt / KWe

Cálculo del ahorro energético.

Ahorro Energético sin Excedentes de Energía Cogenerada.

qeqESCG

QEEPEPEPηη

+=+=

Red Nacional ηe

CALDERA ηq

SISTEMA

EPe

EPq

E

Q

205

q

a

cg

cg

e

aqcgeccg

QEEEPEPEPEP'

''ηηη

++=++=

cg

cgcg

cga

cga

EPE

QQQ

EEE

=

−=

−=

η

El ahorro de energía primaria será:

)''( qcgeqeccgscgep EPEPEPEPEPEPEPA ++−+=−=

Introduciendo los conceptos de:

Tasa de cobertura eléctrica E

Ecge =Γ

Tasa de cobertura térmica Q

Qcgq =Γ

Se obtiene el ahorro de energía primaria y η’q = ηq

⎥⎥⎦

⎤

⎢⎢⎣

⎡−+Γ=

cgq

cg

eeep

REA

ηηη11** siendo

cg

cgcg E

QR =

de donde se deduce que para que haya ahorro energético (energía primaria)

q

cg

ecg

Rηηη

+<11

Red Nacional ηe

Sistema de Cogeneración

ηcg

Caldera η’q

SISTEMA

EP’e

EPcg

EP’q

Ea

E

Ecg

Qcg

Qa

Q

206 Ahorro Energético con Excedentes de Energía Cogenerada

En este caso se obtiene un ahorro adicional de energía primaria debido a la

energía exportada.

q

ex

e

exep n

QEA

''' +=

η

Cálculo del ahorro económico

Ahorro Económico sin Excedentes de Energía

Costo Sistema Convencional

VqQVeECSC ** += , $/Año

donde: Ve – costo electricidad comprada de la red, $/Kwhe.

Vq – Costo del calor útil, $/Kwh.

Costo Sistema de Cogeneración.

mcgqaeacgcgcg VEVQVEVEC *'*'** +++=, $/Año.

Ahorro Energético Anual

cgscea CCA −=

Red nacional ηe

S. Cogeneración

Caldera η’q

SISTEMA

EP’

EPc

EP’

Ea

E

Ee

Qex

Ecg

Qcg

Qa Q

Costo de la energía primaria para la Cogeneración

Costo de la energía

eléctrica de apoyo

Costo de la energía térmica

de apoyo

Costo adicional de operación y

mtto

207

4.6.2. Ahorro Económico con Excedentes de Energía

''** '' qQVEC

CCCA

exeexex

excgSCEA

+=

+−=

3.4.7. Fundamentos del diseño de sistemas de cogeneración. Análisis energético. Perfiles de demanda de calor y electricidad. Estimación de curvas de demanda.

Recopilación de datos e información inicial Objetivos: Recolectar datos energéticos (técnicos y económicos de la empresa)

Caracterizar el estado actual de los sistemas energéticos y tecnológicos,

equipos y operación de los mismos.

Establecer la actitud de la industria hacia el estudio de Cogeneración.

Aspectos que incluye: Identificación general de la empresa

Datos energéticos básicos

Descripción general de la instalación

Datos adicionales (técnicos y económicos)

Planes y perspectivas de la empresa.

Identificación general de la empresa. o Datos generales

o Tiempo de operación

o Condiciones ambientales

o Índices energéticos.

Datos Energéticos

• Consumo de energía eléctrica. o Consumo anual, MW-h

o Demanda promedio, máxima y mínima

o Variabilidad del consumo

• Energía eléctrica comprada. o Consumo, MW-h

o Demanda, promedio, máxima y mínima.

o Factor de potencia

208

o Costo de la energía. (cargo por consumo y por demanda)

• Energía eléctrica autogenerada. o Tipo de sistema empleado. Datos de los equipos

o Capacidad nominal, KW

o Energía generada, hrs/año

o Horario de generación (horario base, horario pico)

o Costo promedio de la energía generada, $/KW-h

• Consumo de energía térmica

o Combustibles empleados

o Consumo mensual, costo y poder, calorífico de cada combustible.

o Producción de vapor anual. Producción de vapor anual. Producción

horaria máxima, mínima y promedio.

o Datos técnicos de las calderas. Parámetros de vapor. Eficiencias

Horas de operación.

o Porcentaje de retorno de condensado

o Temperatura del agua de alimentación

o Equipos que consumen vapor. Tipo de equipo, potencia, consumo y

parámetros del vapor. Horas de operación.

o Otros equipos térmicos. Turbinas de gas. Calderas de fluido térmico.

Equipos de refrigeración y aire acondicionado.

Descripción general de la instalación. a. Proceso

b. Red de vapor

c. Red eléctrica

Datos Adicionales.

• Confiabilidad y costo del servicio eléctrico (cortes)

• Perspectivas de suministro y costos de combustibles (gas natural)

• Espacio disponible para la instalación del sistema de cogeneración.

Planes y perspectivas de la empresa

• Actitud de los directivos y técnicos hacia la cogeneración

• Perspectivas de desarrollo y ampliación

• Interés en tener excedentes eléctricos para venderlos a la red o a la

empresa vecina.

209

• Interés para realizar inversiones en este tipo de sistemas y posibilidades de

financiamiento.

Análisis energético Capacidad Instalada Eléctrica y Térmica

• Censo de cargas conectadas (eléctricos y térmicos)

• Factor de Utilización

• Cargas por tipo de servicio y condiciones de operación.

Consumos y costos mensuales de electricidad y combustibles (para el último año)

• Demandas máximas, mínimas y promedios mensuales

• Estimación del potencial para la cogeneración

o Relación Calor/electricidad cg

cgcg E

QR =

o Disponibilidad de combustibles y electricidad

o Costos de combustibles y electricidad

o Posibilidad y precio de venta de electricidad

o Disponibilidad de agua

o Restricciones ambientales

o Valoración preliminar de las alternativas, tipos de sistemas, etc.

Perfiles de Demanda Horaria.

Para elaborar las demandas de calor y electricidad es necesario analizar la

variabilidad de esta a lo largo del día y para diferentes períodos del año. Se

puede dividir el año en distintos periodos durante los cuales la demanda es

parecida y escoger dentro de éstos un cierto número de días, representativos de

las diferentes condiciones características de operación.

Una industria de funcionamiento continuo tendrá curvas de demanda mucho más

estables que un centro del sector de los servicios, con una ocupación y

actividades fuertemente variables a lo largo del año y día, y que pueden depender

grandemente de las condiciones atmosféricas.

En cuanto a la forma de obtención de estas curvas se distinguen tres casos:

a. Instalación existente y con datos experimentales suficientes

b. Instalación existente pero con insuficientes datos experimentales.

c. Instalación en una planta nueva (proyectada)

210 Estimación de Curvas de Demanda

Un procedimiento que se puede seguir para realizar la estimación de las curvas

de demanda térmica y eléctrica es el siguiente:

Elegir una potencia de cálculo eléctrica y térmica, Nec ó Nqc.

• Seleccionar un mínimo limitado de días tipo (atendiendo al régimen de trabajo

y temporada del año).

• Dividir cada día tipo en intervalos de tiempo determinados (2 horas)

adjudicando a cada uno de ellos una potencia expresada en porcentaje de la

potencia de cálculo. (O demanda nula; 100 funcionamiento a plena

carga)

• Se distribuyen los días tipo definidos anteriormente a lo largo del año,

indicando el número de veces que se repite cada día (el total debe ser igual al

número de días de operación en el año)

• Se calcula por cada intervalo horario y cada día tipo la demanda energética

multiplicando la potencia de cálculo por el porcentaje y dividiendo por 100 la

suma de estos productos multiplicada por la duración del intervalo del horario

dará la demanda para cada día tipo, y sumatoria de la demanda diaria de cada

día tipo por el número de días año será la demanda anual del sistema (Ee y

Qe)

Si se conocen las demandas reales Ef y Qf, se puede calcular un factor de

corrección

e

fe E

Ef = y

e

fg Q

Qf =

Donde.

Ef– demanda anual real de electricidad (facturada)

Qf– demanda anual real de calor.

q

ccff

PMQ

η*

=

Donde.

Mcf– Combustible comprado en el año,

211

Pc – Poder calorífico del combustible.

Si los factores de corrección son próximos a la unidad se afecta la demanda

en cada intervalo por el factor correspondiente. En caso contrario hay que

volver al paso Nº 1 y repetir el estimado.

La aplicación de este método conduce a la creación de las siguientes tablas:

Distribución de los días tipo a lo largo del año.

Día Tipo 1 2 ..... i .....

Número de días / año n1 n2 ..... ni .....

. Potencia eléctrica y térmica demandada media, en porcentaje para cada intervalo

Intervalo Horario Demanda relativaDía Tipo 1

en el intervalo Día Tipo 2

Día Tipo i

1 η1,1 η2,1 ηi,1

2 η1,2 η2,2 ηi,2 ..... j η1,j η2,1 ηi,j

.....

Potencia eléctrica y térmica demandada media para cadaintervalo.

Intervalo Horario

Potencias mediaDía Tipo 1

en el intervalo Día Tipo 2

Día Tipo i

1 N1,1 N2,1 Ni,1 2 N1,2 N2,2 Ni,2

..... ..... .... .... j N1,j N2,1 Ni,j

..... .... .... ....

100*,

ecjiij

NN η= ó 100

*,,qc

jiji

NN η=

La energía demandada durante un día cualquiera será:

212

( )( ) ( )

ejiqcqjii

ejiecejii

nNhNhQ

NhNhE

∑∑∑∑

==

==

,,

,,

***

**)(* η

donde: h- duración de los intervalos de tiempo en horas.

La energía demandada a lo largo del año será:

∑∑

=

=

iis

iis

QnQ

EnE

*

*

Curvas de Frecuencias y Frecuencias Acumuladas

A partir de las tablas de potencia media demandada se generan las tablas de

frecuencias, una para la demanda de electricidad y otra para la demanda de calor.

Frecuencias de potencia media demandada.

Potencia Media Demandada

Número de horas/ año

N1 f1

N2 f2

..... ....

Nk fk

..... ....

Total H

donde:

fk – es el número de horas al año en que la potencia demandada está

comprendida entre NK y NK+1

H – total de horas anuales de funcionamiento.

213

Curva de Frecuencias

A partir de las tablas de frecuencia se generan las tablas de frecuencias acumuladas.

Frecuencias Acumuladas.

Potencia Demandada Número de horas/año

N1 h1 = f1

N2 h2 = f1 + f2

--- ---

Nk hk = f1 + f2 +... + fk

--- ---

Frecuencia

ƒ

Nmin Nmáx Potencia, N

Potencia

Nmax

NA

NB

Nmin

ηA ηB Horas/año, H Curva de Frecuencias Acumuladas

214 Elección del equipo.

Selección del tipo de Sistema. Análisis y Evaluación de alternativas. Selección y especificación de los equipos principales.

Conociendo las curvas de demanda de calor y electricidad y los datos energéticos

y el resto de la información sobre la empresa se puede elegir el tipo de sistema y

el equipo más adecuado para la instalación.

Para ello será necesario formular y comparar diferentes alternativas, tomando en

consideración los siguientes criterios.

• Tasas de cobertura de electricidad y de calor.

• Número de horas/año de funcionamiento del equipo.

• Ahorros energético y económico.

• Otros aspectos inherentes a las características de cada tipo de sistema y las

condiciones específicas de instalación.

En un principio interesa conseguir la mayor tasa de cobertura, ya que esta influye

directamente sobre los ahorros energéticos y económicos. Por otra parte, el

período de recuperación de la inversión se reduce a medida que aumentan las

horas de operación en el año.

La potencia del equipo de cogeneración puede modularse utilizando equipos que

permitan regular la generación de energía o bien distribuyendo la potencia total en

varias máquinas que se ponen en servicio según la demanda del sistema.

Hay que tomar en consideración que las máquinas que permiten regular la

energía generada (potencia y calor) sólo pueden trabajar aceptablemente entre

dos potenciales extremos (Nmín y Nmáx.)

Para aumentar las tasas de cobertura pueden instalarse varias máquinas,

repartiendo, la potencia total en varios módulos, las que funcionarían diferentes

números de horas/año.

Esto influye, evidentemente en que el período de recuperación de la inversión de

las máquinas con menos tiempo de operación aumente y pudieran llegar a no ser

viables económicamente.

215 3.4.8. Formas de operación de los sistemas de cogeneración.

Se pueden caracterizar cuatro formas básicas de operar un sistema de

cogeneración:

a. Siguiendo la curva de demanda de electricidad se controla la generación de

electricidad de manera que siempre sea igual a la demanda. Si falta calor se

utiliza una caldera de apoyo y si sobra se vende a un tercero o se disipa.

b. Siguiendo la curva de demanda de calor, el control se ejerce sobre la

producción de calor de manera que no haya excedentes de él. Si falta

electricidad se compra de la red eléctrica y si sobra se vende.

c. Siguiendo las curvas de calor y electricidad no se admiten excesos de calor ni

de electricidad.

d. Independientemente de las curvas de demanda de calor y electricidad, el

sistema genera energía térmica y eléctrica, funcionando en condiciones de

máximo rendimiento. Si falta energía se compra y si sobre se vende (o se

disipa en el caso del calor).

Debe también tomarse en consideración al seleccionar el número y potencia de

los módulos a instalar que es recomendable que las máquinas trabajen en un

régimen lo más uniforme posible, evitando paros y arranques demasiado

frecuentes.

La comparación de los perfiles de demanda térmica y eléctrica permite visualizar

la simultaneidad con que ocurren las demandas máximas y mínimas de cada una

de ellas. A partir de estas curvas de demanda se puede graficar el

comportamiento de la relación calor electricidad Q/E la cual puede mostrar

uniformidad en todo el rango de cargas o frecuentes y significativas variaciones.

En el primer caso se simplificará el dimensionamiento del sistema, el cuál sólo

será necesario una determinada flexibilidad para ajustarse a pequeñas

variaciones en la relación calor/electricidad (Q/E). En el segundo caso, se

requerirá un sistema más complejo, que pueda asimilar grandes variaciones, por

encima de las posibilidades de ajuste inherentes al tipo de equipo utilizado.

216

Interrelación entre las curvas de frecuencias acumuladas de las demandas de energía térmica y eléctrica (siguiendo la demanda de energía térmica)

Déficit de Energía Eléctrica

MWt

Tiempo

MWe

Tiempo Demanda Térmica Generación Eléctrica

Tiempo

MWe

I. Demand

MWe

Tiempo

Excedente de Energía Eléctrica

217 3.4.9. Elementos y etapas de un proyecto de cogeneración. Secuencia general de un estudio de factibilidad de un sistema de cogeneración. Estimación de costos. Alternativas de financiamiento.

Los estudios de factibilidadde sistemas de cogeneracióntienen como objetivos:

• Definir que tipo de arreglo es el más conveniente en cada caso específico, con

la finalidad de que la inversión a realizar sea rentable.

• Conocer el tamaño de los equipos y los requerimientos adicionales de

combustible necesarios para la operación adecuada del sistema de

cogeneración.

• Tener el conocimiento del tamaño de la inversión que se requiere para llevar a

cabo el proyecto y de sus indicadores preliminares de rentabilidad.

Un estudio de factibilidad de un sistema de cogeneración debe partir de las

cargas eléctricas y térmicas a satisfacer, de las características operacionales de

la instalación, de la disponibilidad de equipo y de combustibles, así como, de los

parámetros económicos que se utilizan en la entidadpara evaluar las inversiones.

Los pasos principales de este tipo de estudio son los siguientes:

1. Información preliminar de la planta.

2. Estudio del marco legal para la cogeneración.

3. Análisis energético de la planta.

4. Determinación de los perfiles de demanda eléctrica y térmica y la capacidad

del sistema.

5. Definición de alternativas.

6. Cálculo de los balances energéticos.

7. Definición de instalaciones técnicas.

8. Determinación de las inversiones y costos de operación.

9. Cálculo de los ahorros anuales.

10. Estudio económico finaciero.

11. Análisis de sensibilidad.

12. Conclusiones finales del estudio.

La secuencia general para la realización de un estuido de factibilidad de un

sistema de cogeneración aparece representada en la figura sif¡guiente.

218

Secuencia general de un estudio de factibilidad de sistemas de cogeneración

MARCOLEGAL

INFORMACION PRELIMINAR

DE LA PLANTA

ANALISIS ENERGETICO DE LA PLANTA

DETERMINACION DE PERFILES DE DEMANDA Y

CAPACIDAD DELSISTEMA

ANALISIS DE FACTIBILIDAD

TECNICA

DEFINICION DEALTERNATIVAS

CALCULOS DEBALANCES

ENERGETICOS

DEFINICION DE INSTALACIONES

TECNICAS

DETERMINACIONDE LAS

INVERSIONES Y COSTOS DEOPERACION

CALCULOS DELOS

AHORROS ANUALES

ESTUDIOECONOMICOFINANCIERO

ANALISIS DE SENSIBILIDAD

CONCLUSIONES FINALES DEL

ESTUDIO

219

Métodos de financiamiento de proyectos de cogeneración Métodos Tradicionales • Financiamiento con recursos propios.

• Financiamiento con recursos propios y contratación de empresa

administradora de Proyectos.

• Financiamiento con créditos.

Métodos No Tradicionales • Arrendamiento Financiero.

• Financiamiento por ahorros compartidos.

• Financiamiento por ahorros netos.

• Asociación en participación (Unión Temporal de Empresas).

Tecnologías y Sistemas Energéticos Eficientes · implementando sistemas de gestión energética...

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