Servicios auxiliares en la industria en Eficiencia energética

Estado de desarrollo de la sección: completo Wikilibro: Eficiencia energética > Capítulo 5: Técnicas de ahorro y tecnologías eficientes en el uso final

Sección 6

Servicios auxiliares en la industria

Se exponen a continuación medidas de eficiencia energética en siete servicios auxiliares de la indústria.

Cogeneración y trigeneración Consiste en un sistema alternativo de generación eléctrica de alta eficiencia energética, que utiliza la producción conjunta de electricidad o energía mecánica y energía térmica útil para su aprovechamiento en procesos. Se obtiene un ahorro de energía primaria por el aprovechamiento simultáneo del calor y a la mejora del rendimiento de la instalación frente a una generación convencional. En el ámbito industrial ofrece numerosas ventajas:

Generación convencional de calor y electricidad y cogeneración

La generación se realiza en el propio lugar de consumo y se evitan pérdidas de transformación y transporte. El rendimiento del proceso alcanza hasta el 90%, frente al 65% de un sistema convencional. Potencia la seguridad del abastecimiento energético del usuario. Existen instalaciones adecuadas para cualquier rango de potencias tanto eléctricas como térmicas. Favorece la descentralización energética. Introduce tecnologías más eficientes y competitivas. Reduce el impacto medioambiental asociado a las actividades energéticas. Tiene un importante efecto diversificador de inversiones para el sector eléctrico. Cogeneración con turbina de gas. El esquema general de funcionamiento consiste en la combustión de un combustible en una cámara, introduciéndose en una turbina los gases resultantes, donde se extrae el máximo de su energía, transformándola en energía mecánica. La energía residual, en forma de un caudal de gases calientes a elevada temperatura, puede ser aprovechada para satisfacer, las necesidades térmicas de proceso. Los gases de escape pueden ser utilizados directamente o bien en calderas de recuperación para la generación del vapor requerido por los procesos. En ambos casos existe la posibilidad de incrementar el contenido energético de los gases mediante quemadores de postcombustión. Cogeneración con turbina de vapor En esta turbina, la conversión en energía mecánica se produce por la expansión del vapor a alta presión procedente de una caldera. El sistema genera menos energía eléctrica (mecánica) por unidad de combustible que su equivalente con turbina de gas; sin embargo, el rendimiento global de la instalación es superior. Para la generación del vapor de partida se puede utilizar cualquier combustible, e incluso corrientes energéticas residuales de los procesos productivos. Cogeneración en ciclo combinado Aplicación conjunta de una turbina de gas y una de vapor, con todas sus posibles combinaciones en lo referente a tipos de combustibles utilizados, quemadores de poscombustión, salidas de vapor de turbina a contrapresión o condensación, etc. El rendimiento global de producción de energía eléctrica es mayor que las soluciones anteriores. Cogeneración con un motor alternativo Se obtienen rendimientos eléctricos más elevados pero con una mayor limitación en lo referente a aprovechamiento de la energía térmica, ya que posee un nivel térmico inferior y se encuentra repartida entre diferentes subsistemas (gases de escape y circuitos de refrigeración de aceite, camisas y aire comburente del motor). Los sistemas con motor alternativo presentan una mayor flexibilidad de funcionamiento, lo que permite responder de manera casi inmediata a las variaciones de potencia, sin que ello conlleve un gran incremento en el consumo específico del motor. Más sobre plantas de cogeneración Trigeneración En ciertas industrias que precisan de sistemas de refrigeración para su proceso productivo, la integración de la instalación de frío dentro de un sistema de cogeneración permite la utilización de cierta parte de la energía generada para este fin. La producción conjunta de electricidad, calor y frío se denomina entonces trigeneración. El esquema más habitual de este tipo de sistemas es el que se muestra a continuación, en el que el ciclo de refrigeración por compresión mecánica se sustituye por un ciclo de absorción que absorbe calor para su funcionamiento, permitiendo de esta forma utilizar parte del calor disipado por el motor o turbina para la refrigeración:

Sankey de un sistema de trigeneración. Fuente GNF

Más información sobre plantas de trigeneración. Documento EOI: Cogeneración. Aspectos tecnológicos

Bombeo La finalidad de una instalación de bombeo consiste en el transporte de un fluido hasta el punto de consumo, almacenamiento o evacuación, venciendo una determinada altura geométrica y las pérdidas por rozamiento generadas en el circuito de tuberías (pérdida de carga). Un sistema de bombeo está formado por dos componentes principales: Circuito hidráulico: por el que circula el fluido, caracterizado por la longitud, diámetro y rugosidad del entramado de tuberías. Este circuito vence una determinada altura geométrica y, además, para un caudal determinado que circula por él tiene asociada una determinada pérdida de carga (resistencia al paso del fluido de las paredes de las tuberías), lo que permite elaborar una curva característica (altura-caudal) del funcionamiento del circuito. Equipos de bombeo: bomba o agrupación de bombas que impulsan un determinado caudal de fluido, de modo que le confieren la energía necesaria para vencer la altura geométrica y la pérdida de carga determinada por dicho caudal en el circuito. La bomba consiste en un rodete con álabes arrastrado por un motor, normalmente eléctrico. En función del circuito al que esté conectada, la bomba es capaz de impulsar un determinado caudal hasta una determinada altura (altura geométrica más altura equivalente por pérdidas de carga). Ello permite trazar una curva característica (altura-caudal) de la operación de la bomba. La combinación de ambas curvas determina el punto de operación del sistema, que viene dado por el punto de corte de ambas. El consumo de energía de la bomba es la suma de tres componentes: La energía necesaria para la elevación del fluido (altura geométrica). Pérdidas en el motor de la bomba. La energía necesaria para vencer las pérdidas de carga del circuito hidráulico. Por tanto, el consumo energético de la bomba depende del motor empleado para arrastrarla, de la altura a vencer, el caudal y las pérdidas de carga del circuito. Eficiencia energética en bombeo Las causas más frecuentes de un bajo rendimiento del sistema de bombeo y, por tanto, lo que hay que evitar son las siguientes: Motores de accionamiento de bajo rendimiento: Las medidas de mejora de eficiencia energética en estos equipos ya fueron comentadas en el apartado anterior (motores eléctricos). Circuito inadecuado: diseño defectuoso o modificaciones de la instalación original. Debido a que la característica de funcionamiento de una bomba es fuertemente no lineal, toda desviación de la operación del sistema fuera del rango óptimo de la bomba conduce a un funcionamiento ineficiente de la misma. Estas desviaciones pueden ser fruto de un mal dimensionamiento o de posteriores modificaciones o ampliaciones del circuito hidráulico. Toda modificación del circuito ha de llevar consigo un estudio de la modificación del punto de funcionamiento de la bomba para determinar la necesidad del ajuste o sustitución del equipo de bombeo para asegurar que trabaja en unas condiciones óptimas. Regulación inadecuada: A menudo los circuitos de bombeo no funcionan con una carga constante sino que el caudal que circula por ellos es variable. Esta circunstancia es muy habitual en la industria (centrales de frío, condensadores, circulación de líquidos, etc., en los que la demanda no es constante). Para variar el caudal que circula por el circuito es necesario modificar las condiciones de operación del circuito o de la bomba. Las distintas opciones son las siguientes: Válvulas de regulación: se introduce una pérdida de carga adicional en el circuito, por lo que el caudal disminuye. La potencia requerida disminuye, pero el rendimiento global de la instalación desciende en mayor medida. Arranque/parada: es una opción muy perjudicial para la bomba y el circuito porque se producen golpes de ariete (cambios bruscos en la presión del fluido). Energéticamente es más eficiente que la opción anterior. By-pass: se recircula cierta cantidad de fluido por la apertura de una válvula de by-pass. Es la opción menos eficiente energéticamente. Control de velocidad: es el método más eficiente, ya que en todo momento la bomba opera en su punto óptimo de funcionamiento. Más sobre eficiencia en bombeo: documento EOI: Bombas

Ventilación y extracción Las instalaciones industriales de ventilación y extracción son muy parecidas a las de bombeo, diferenciándose en las propiedades del fluido transportado, que en este caso es un gas (frecuentemente aire). Las medidas propuestas anteriormente para el caso de las instalaciones de bombeo son aplicables en su totalidad a los sistemas industriales de ventilación y extracción. Más sobre eficiencia en ventilación

Distribución y generación de aire comprimido El aire comprimido es un elemento muy habitual en todo tipo de instalación industrial. Normalmente se emplea para obtener trabajo mecánico lineal o rotativo, asociado al desplazamiento de un pistón o de un motor neumático. En otras ocasiones, se emplea para atomizar o aplicar sprays de barnices o pinturas. Una instalación básica de aire comprimido para uso industrial suele constar de los siguientes elementos: compresor, depósito de almacenamiento y regulación, enfriador, deshumidificador, líneas de distribución y los puntos de consumo con su regulador y filtro. El consumo eléctrico del sistema lo realiza el compresor, pero todos los elementos influyen en mayor o menor medida en el rendimiento energético del sistema. Por tanto, este rendimiento depende de múltiples factores. El principal es el buen funcionamiento de los equipos de compresión, seguido por la cantidad de aire perdido por fugas, pérdidas de carga excesivas que afecten a la potencia de las herramientas y equipos consumidores, sistema de control, etc. En el siguiente apartado se presentan algunas actuaciones que se pueden llevar a cabo para reducir el coste derivado del uso de los compresores, sin menoscabo de la seguridad y del rendimiento del personal y los equipos. Propuestas de ahorro: Recuperación del calor: El principio de funcionamiento termodinámico de los compresores es muy ineficiente. Aproximadamente, un 94% de la energía consumida en un compresor se transforma en calor recuperable y únicamente un 6% se transforma en energía de presión. La recuperación del calor disipado puede significar un ahorro de energía importante. Con compresores refrigerados por agua puede recuperarse hasta el 90% de la energía de entrada en forma de agua caliente a temperatura de 70 ºC - 80 ºC, que puede utilizarse para duchas, calefacción, alimentación a calderas, etc. Utilización de compresores de velocidad variable: El aire comprimido es uno de los campos de aplicación más favorable de los variadores de velocidad (o VSD, “Variable Speed Drive”), debido a que la demanda de aire comprimido en una instalación es frecuentemente muy variable, por lo que el compresor (o compresores) operan a carga parcial durante gran parte de su vida útil. Como se comentó en el apartado correspondiente (“Utilización de control electrónico de velocidad”), este tipo de accionamientos permite ajustar la potencia desarrollada por el motor a la carga instantánea, mejorando notablemente de esta forma la eficiencia energética del conjunto. Fraccionamiento de potencia de los compresores: Es otra opción en industrias con un gran consumo de aire comprimido. Consiste en disponer de una central de producción de aire con varios compresores de similar potencia, de forma que uno de ellos sea de velocidad variable. Este último estaría en funcionamiento permanentemente para ajustar el consumo eléctrico a la demanda instantánea de aire del sistema. El resto de compresores entrarían en funcionamiento secuencialmente en función de las necesidades (ver figura 4), de forma que en todo momento todos Más sobre eficiencia en sistemas de aire comprimido.

Cámaras frigoríficas Las cámaras frigoríficas industriales son recintos refrigerados por ciclos de compresión de vapor, o absorción, cuya baja temperatura se mantiene gracias a su revestimiento con materiales aislantes. El espesor del aislante depende de factores como la diferencia de temperaturas exterior e interior, o el máximo flujo de calor permitido. Las cámaras frigoríficas tienen una importante aplicación en diversas industrias, destacando entre ellas la industria farmacéutica ya que muchos de los compuestos utilizados en este sector necesitan ser conservados y almacenados en condiciones estrictas y estables de baja temperatura; la industria alimentaria, en especial los sectores cárnico, pesquero, lácteo y conservero. Los elementos que componen una cámara frigorífica son los siguientes: Compresor, cuya función es aumentar la presión del refrigerante en estado vapor e impulsarlo desde el evaporador al condensador. Condensador, que extrae el calor del fluido refrigerante en estado vapor hasta llevarlo a líquido saturado. Este calor es transferido a otro fluido que puede ser aire o agua (ésta puede absorber un calor latente de vaporización de 600 kcal/kg, por lo que su capacidad es mucho mayor que la del aire). Evaporador, dónde el fluido refrigerante extrae calor de la cámara frigorífica, absorbiendo calor sensible y calor latente de vaporización hasta llegar al estado de vapor sobrecalentado. Dispositivos y válvulas de expansión, cuyas funciones son: Reducción de la presión en el refrigerante líquido saturado, provocando un subenfriamiento. Regulación del caudal de paso de refrigerante. Cámara Frigorífica propiamente, cuyos elementos constitutivos básicos son tres: aislamiento, barrera antivapor, y revestimientos. El aislamiento suele ser de poliuretano, poliestireno expandido o poliestireno extruido. Las barreras antivapor son necesarias para evitar deterioro del aislante y reducir el consumo energético. Las barreras deben ser continuas, estar situadas en la cara caliente del aislamiento y estar constituidas por materiales muy impermeables al vapor de agua. El uso de cada material se recomienda para algunas aplicaciones, desaconsejándose para otras. Eficiencia en cámaras frigoríficas Hay una serie de recomendaciones para obtener la mayor eficiencia en las cámaras frigoríficas: En cuanto a ingeniería de diseño de la factoría, la sala de máquinas ha de estar lo más cerca posible a la zona de demanda de frío para evitar pérdidas y disminuir la inversión inicial. Si hay varias cámaras, se deben instalar en bloque, para conseguir el máximo de paredes comunes para ahorrar en aislamiento y en gastos de funcionamiento por pérdidas de calor. Optimizar la orientación de las cámaras respecto de los puntos cardinales. En cerramientos y falsos techos, evitar o minimizar las pérdidas por transmisión mediante el pintado con color blanco y una buena ventilación que contrarreste la radiación. En lo que respecta al diseño y ejecución del aislamiento de las cámaras, se deben utilizar materiales con un coeficiente de transmisión de calor (K) lo más pequeño posible, como el poliuretano o poliestireno. Utilizar espesores de aislante que permitan una transmisión de calor cifrado entre 7 W/m2 - 9 W/m2, ya que mayores espesores aumentan el aislamiento pero suponen mayor coste inicial. Asegurar que no haya huecos entre paneles y que no estén dañados. Escoger las puertas y cerramientos más adecuados para el tipo de producto que se va a almacenar, para evitar pérdidas de frío en aperturas innecesarias. En lo tocante a la selección y diseño de la instalación frigorífica, hay que estudiar el tamaño idóneo de las unidades compresoras y siempre hacer funcionar a plena capacidad la unidad que esté trabajando en cada momento, ya que no trabajar a plena carga supone un menor COP. Prestar atención al mantenimiento de la instalación para asegurar que la eficiencia energética se mantiene constante. Es necesario realizar periódicamente una limpieza de filtros, cambio de aceite de compresores, control de incondensables, purga de aire, limpieza de condensadores, y un control del sistema de desescarche. Para saber más sobre cámaras frigoríficas y su eficiencia.

Regulación electrónica de velocidad Los sistemas de control de regulación de velocidad, o variadores de velocidad, son dispositivos que permiten controlar a voluntad la velocidad de funcionamiento de los motores de corriente alterna. Los variadores de velocidad son mecanismos electrónicos que permiten variar en forma continua la velocidad y el par de los motores asíncronos trifásicos, convirtiendo la frecuencia y tensión de la red en magnitudes variables. El uso de reguladores de velocidad permite mejorar el rendimiento de los motores, ajustando su funcionamiento al par y velocidad que requiere la aplicación en cada momento. De esta manera se proporciona un ahorro energético importante. Las aplicaciones más comunes de estos sistemas son sobre bombas, ventiladores y cintas transportadoras.

Curvas potencia caudal para distintos sistemas de regulación en bombas

El uso de este sistema, al variar la velocidad varía la curva característica de la bomba. Al disminuir la velocidad, disminuyen a la vez la altura manométrica y el caudal, consumiéndose solo la potencia necesaria. Es el método más eficaz energéticamente.

Curvas potencia caudal para distintos sistemas de regulación en ventiladores

En ventiladores, el caudal se regula ajustando la velocidad del motor a la requerida por el sistema, reduciéndose considerablemente la potencia consumida respecto a otras opciones de regulación, que trabajaban en todo momento con un sistema sobredimensionado. Se trata, por tanto, de un sistema mucho más eficiente energéticamente. Las cintas transportadoras son de los elementos más abundantes en toda la industria. Son mecanismos con par constante con la velocidad, variando la potencia linealmente con la velocidad.

Curvas potencia caudal para distintos sistemas de regulación en cintas transportadoras

Cuando se tiene una cinta de carga variable, si se mantiene la velocidad constante la potencia demandada va desde el 50% en vacío al 100% en plena carga. Utilizando la regulación de velocidad se pueden reducir las potencias demandadas reduciendo las pérdidas de rozamiento, que son proporcionales a la velocidad. Se busca el ajustar la velocidad del motor para que la carga sea siempre el 100%. Más información sobre regulación electrónica de velocidad

Recuperación y aprovechamiento de calores residuales El calor es una energía en tránsito. Según el segundo principio de la termodinámica, éste pasa espontáneamente de los cuerpos de mayor temperatura a los de menor temperatura. Un intercambiador es un equipo en el cuál se produce dicha transferencia de calor, de un fluido o foco caliente a otro menos caliente de forma interesada y controlada. Aunque hay tres tipos posibles de transmisión de calor (conducción, convección y radiación), en los intercambiadores se realiza sólo por conducción y convección. Son intercambiadores de calor: los radiadores de calefacción, cualquier caldera, el condensador de una máquina frigorífica, etc. Los intercambiadores más utilizados son los indirectos, de superficie y de flujos paralelos a contracorriente. Intercambiadores estáticos de aire-aire Se trata de un intercambiador metálico, (generalmente de chapa galvanizada o aluminio anodinado) o plástico reforzado con fibra. Los flujos de aire son en contracorriente o cruzados. Esta última disposición permite una mejor disposición de los conductos, mientras que la primera permite mayor transferencia de calor. Cuando la temperatura de uno de los dos flujos sea inferior al punto de rocío de la otra, se produce una peligrosa condensación, cuyos efectos pueden dar lugar a corrosión y formación de hielo. El valor de la eficiencia suele estar comprendido entre 40% al 60% de calor sensible. Intercambiador de placas Es de más reciente uso, pero se está imponiendo en todos los campos en los que se necesita un intercambio térmico. Las placas suelen estar construidas de acero inoxidable, (llegando a utilizarse el titanio como aleación de acero) y pueden ser soldadas o ser desmontables Intercambiadores multitubulares También se llaman de tubo y carcasa. En ellos, uno de los fluidos circula por el interior del haz tubular, transmitiendo calor a otro fluido confinado entre el haz tubular y la carcasa. Pueden trabajar con flujos en contracorriente y en corrientes paralelas. Suelen estar construidos con tubos de acero inoxidable o cobre y carcasa de acero negro o galvanizado. Para mejorar el intercambio de calor favoreciendo las turbulencias, los tubos pueden tener distintas formas (los más empleados son los tubos corrugados, aleteados o dentados). También se emplean los Intercambiadores de tubo en tubo (tubos concéntricos), muy utilizados como condensadores de máquinas autónomas de aire acondicionado. Se trata de dos tubos concéntricos por los que circula los fluidos en contracorriente. Medidas de eficiencia en intercambiadores de calor Para obtener el máximo rendimiento en los recuperadores aire-aire es necesario que éstos se muevan en contracorriente. Conviene colocar dispositivos para drenar el agua o el hielo que pueda acumularse por condensación o por penetración exterior. En verano, el aire descargado por el recuperador puede ser empleado para alimentar una torre o un condensador por evaporación. Para obtener una gestión más económica se pueden utilizar ventiladores de velocidad variable. Hay que impedir la formación de hielo sobre el rotor. Sobre el aire exterior, es oportuno instalar filtros ordinarios, o especiales si se requiere un aire particularmente limpio. Bajas velocidades frontales determinan un aumento del coste inicial pero una disminución del coste de gestión. Más información sobre recuperación de calor.

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