En los años 80, debido a los efectos de la crisis del petróleo, se iniciaron los desarrollos en Eficiencia Energética (EE), definida como la “relación entre la energía aprovechada y la total utilizada en cualquier proceso de la cadena energética” [1]. En el 2005, países como Dinamarca, España, Estados Unidos, China y otros, establecieron una normativa sobre gestión energética, que contribuyó a la norma ISO 50001:2011 [2], en alineación con: ISO 9001, ISO 14001 e ISO 22000. La NTC-ISO 50001 es la adopción colombiana de ISO 50001 [3].
La EE es de gran interés para la industria moderna, debido a potenciales beneficios económicos, legales y ambientales, pero sólo en el siglo XXI se produjeron los mayores avances al respecto, destacándose: medidas relacionadas con procesos industriales [7], metodologías para la implementación de ISO 50001 [8,9], análisis de modelos de gestión energética [10-14] análisis de tiempos de adopción y penetración de políticas energéticas industriales [15,16] resultados de implementar soluciones energéticas o de EE [17-19], tecnologías para mejorar el desempeño energético y los procesos industriales [20], generación de nuevos modelos de EE [21], y análisis de la EE en procesos industriales [22].
La Auditoría Energética (AE) se ha convertido en una herramienta fundamental para la identificación y priorización de oportunidades para mejorar la eficiencia energética, reducir el desperdicio de energía y obtener beneficios ambientales relacionados. El mayor referente de la AE es la norma ISO 50002, que define el conjunto de requisitos mínimos que se deben desarrollar para la identificación de oportunidades de mejora de la EE. Ésta es útil para la revisión energética que plantea ISO 50001 y para facilitar el seguimiento, medición y análisis de los sistemas de gestión, o puede ser utilizada de manera independiente por una organización que desee identificar las oportunidades de mejora de la EE y desarrollar planes de acción puntuales mediante la contratación de una Empresas de Servicios Energéticos (ESEs) o de manera individual [23].
Sin embargo, el estándar se queda corto en los detalles de cómo realizar la AE en una organización principalmente de tipo industrial, implicando que el desarrollo y éxito de la misma quede sujeta a la experticia o experiencia con la que el auditor o ESE cuenten para el levantamiento y análisis de la información necesaria para el desarrollo de la AE.
Las AE, se pueden clasificar según los procesos estudiados, el tipo de energético utilizado (Auditoría eléctrica o térmica) así como del alcance de la misma: nivel 1: Revisión rápida de las oportunidades de reducir consumos y costos energéticos, nivel 2: Evaluación detallada de las oportunidades de reducir consumos y costos energéticos, requiere el uso de equipos de medida y su alcance puede abarcar la totalidad de los recursos energéticos de la empresa, o solo un tipo de recurso, nivel 3: Evaluación profunda en una sección específica de la empresa llegando al detalle de toma de registros por equipo, medición de otros parámetros como calentamiento en el sistema de distribución del energético, inventario completo y ubicación en planos de los equipos consumidores de energía, análisis de fallas durante un período determinado y otros análisis que requiera la empresa auditada [24]. En este orden de ideas, las AE de nivel 2 y 3 requieren del desarrollo de un Diagnóstico Energético (DE) donde se hace una caracterización y cuantificación detallada de la manera en que se realiza el proceso de consumo energético en la organización [25].
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Tanto la AE como el DE tienen como fin determinar el grado de eficiencia con la que es utilizada la energía y actualmente no se hace diferencia entre las dos y generalmente se omiten algunos elementos importantes que se deben tener en cuenta en el entorno industrial, como los diferentes aspectos que inciden en el consumo energético, que no solo depende de los equipos y la calidad de la energía, sino también de los procesos, hábitos y prácticas industriales.
En este artículo se presenta una propuesta de AE de tipo eléctrica de nivel 2, orientada al sector industrial y se consignan los resultados obtenidos de su aplicación en una empresa del sector plástico de la ciudad de Cali, Colombia. La organización del artículo es la siguiente: En la Sección 2 se presentan las herramientas y etapas de la auditoría energética propuesta. La Sección 3 presenta los resultados obtenidos al aplicar la auditoría energética en la empresa caso de estudio. Finalmente, en la Sección 4 se consignan las conclusiones.
Herramientas y Etapas de la Auditoría Energética Propuesta
Se parte de estudios internacionales [23] nacionales [1,14], y locales [26] enfocados en el estudio y análisis del desempeño energético, que brindan herramientas para mejorar la eficiencia energética en las organizaciones, a partir de los cuales se propone una AE de tipo eléctrica para el sector industrial que consta de cuatro (4) etapas: 1) Revisión general de la organización, 2) Diagnóstico energético, 3) Identificación del potencial de ahorro y 4) Propuestas de mejora de la EE, con una actividad extra de Implementación de medidas de EE, para evaluar el impacto de la auditoría (ver Fig.
La AE propuesta, hace énfasis principal en el DE, donde se realiza la recolección y análisis de la información, teniendo en cuenta cuatro ejes principales: i) Equipos industriales, ii) Instalaciones eléctricas y calidad de la energía, iii) Procesos industriales y iv) Hábitos y prácticas industriales; considerados los de mayor impacto energético industrial, que permitirán a cualquier industria saber dónde enfocar las acciones de mejora de la eficiencia energética [27] (ver Fig. 2).
Revisión General de la Organización
Realizar una revisión general al inicio de la AE, permite conocer el tipo de organización y el sector industrial al que pertenece. La planta trabaja de lunes a sábado, 24 horas continuas aproximadamente, y la parte administrativa cumple con horarios de oficina.
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Diagnóstico Energético (DE)
El DE permite conocer el estado energético real de la organización y de los procesos industriales. La clave para un DE exitoso radica en la cantidad y calidad de la información recolectada, ésta debe ser recogida de manera clara, ordenada y mediante procedimientos y equipos confiables, ya que información imprecisa dará resultados imprecisos. Información del uso y consumo de energía eléctrica: todo lo relacionado con el desempeño energético al interior y al exterior de la planta o empresa.
Estudiar la industria no es fácil, debido a la complejidad y diversidad de la misma, de sus procesos, de los hábitos del personal, etc. Cada uno de los cuatro ejes propuestos, en sí mismo, es un área difícil con muchas aristas que requiere un manejo especial. Por ejemplo, en el caso de los equipos y maquinaria industrial estos se encuentran disponibles con diversas fuentes energéticas de funcionamiento: vapor, gas, electricidad, etc.
Para solventar esta situación, el DE propuesto se apoya en el uso de distintas herramientas y estrategias basadas en medición, observación, censos de carga, entrevistas, y principalmente en el uso de estándares ISA [28,29] (International Society of Automation) de modelado industrial que a partir de diagramas (ISA S-5: P&ID Process and Instrumentation Diagrams, PFD Process Flow Diagram) y modelos (ISA S-88.1: físico, procedimental y de proceso), para levantar de una manera clara y ordenada, toda la información del proceso productivo.
De igual manera, es importante incorporar equipos especializados como analizadores de red, para recolectar información de variables que afectan el consumo y la calidad de la energía (ver Fig.
Procesos Industriales
Este eje se enfoca en levantar la información sobre los procesos industriales generando mapas de procesos energéticos, modelos y diagramas productivos. El consumo de energía del sistema de iluminación y de los equipos de oficina, en comparación con el consumo energético de las máquinas industriales, es mucho menor, por lo tanto, el DE se enfoca principalmente en los procesos y equipos de producción.
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Debido a la complejidad y extensión de los mismos, en este artículo se presenta únicamente el diagrama de flujo por operaciones del proceso de moldeo por soplado, (ver Fig.
Una vez levantada la información de los tres procesos, es organizada en diagramas según el modelo de proceso de ISA-88.01. Obteniendo los diagramas de modelo de proceso de: moldeo por inyección, moldeo por soplado y molienda.
Maquinaria y Equipos
Este eje se enfoca en levantar información de la maquinaria y equipos utilizados en la empresa, principalmente los involucrados en los procesos industriales. Diagrama de proceso e instrumentación: para identificar los módulos de control, módulos de equipo y unidades de la línea de proceso. Modelo Físico: para identificar sitios, áreas, procesos y equipos de la empresa.
Para levantar en detalle la información de los activos físicos, principalmente los de la planta de producción, se parte de los modelos ISA-88.01. La Fig. En la Tabla 4 se presenta una parte de la información del censo de carga. Mediante la instalación de medidores en cada una de las maquinas, se identifican los consumos parciales, donde la sopladora Chia Ming, la sopladora Bekum y la inyectora con servomotor, representan el 74,23% del consumo total de la planta de producción (ver Fig.
Instalaciones Eléctricas y Calidad de la Energía
Este eje se centra en analizar el estado de las instalaciones eléctricas de la organización, principalmente en áreas donde hay mayor concentración de equipos y procesos, así como de la calidad de la energía suministrada al interior y al exterior de la organización. Análisis de calidad de energía: con un analizador de red para detectar el estado de los circuitos eléctricos, la calidad interna de la energía y descartar una posible relación entre consumos energéticos y variables de calidad (como un bajo factor de potencia, armónicos, etc.).
El levantamiento de información se hace en dos partes, una correspondiente a las instalaciones eléctricas y la otra correspondiente a la calidad de la energía. Se siguieron algunas condiciones de calidad sugeridas en el RETIE [30], a partir de las cuales se encontraron situaciones como: conductores no estandarizados, no existe tablero de distribución, no hay sistema de puesta a tierra, existe una combinación de conductores de diferentes calibres, etc.).
En la calidad de la energía se enfatiza en la calidad de potencia eléctrica suministrada, este factor se relaciona con el aumento de la productividad y la mejora en la EE. Se utiliza el analizador de red Dranetz HDPQ VISA [31] recopilando 21 días de datos de la red eléctrica de EPO. con un factor de escala en 1, porque la medición se realizó directamente (ver Fig. Figura 7. Figura 8.
El análisis se basa en la calidad de potencia eléctrica suministrada, centrado en la forma de onda en tensión y corriente, niveles de tensión, desequilibrio en tensión y corriente, distorsión armónica y factor de potencia. Encontrando que: (i) Formas de onda en tensiones: son perfectamente sinusoidales, resultado de una buena calidad de potencia eléctrica suministrada. (ii) Formas de onda en corrientes: no son sinusoidales, debido a la presencia de distorsión armónica, a la naturaleza de las cargas y al desbalance de las fases. (iii) Bajos niveles de tensión: se registraron en eventos causados por el arranque de motores grandes y una pobre calidad del factor de potencia, sin embargo, estos niveles de tensión no representaron peligro para los equipos, principalmente a causa de la duración de los eventos.
El historial de consumo de energía eléctrica (2014 - 2016), presenta un comportamiento creciente, con un consumo promedio mensual de 14308.33kWh. A principios de 2016 aumentó drásticamente el consumo, (ver Fig. 8), pero debido al deficiente registro de información de producción y del desempeño energético de la planta, no se cuenta con documentación necesaria para comprender las causas de dicho comportamiento.
Hábitos y Prácticas Industriales
Observar y entrevistar a los operarios para identificar cómo interactúan con los procesos y equipos, y determinar su influencia en excesos de consumo energético.
Gráficos de Consumo y Líneas de Consumo Energético
Gráfico de consumo de energía vs tiempo: proporciona un promedio de la demanda energética en periodos de mayor y menor consumo de energía. Gráfico de línea de consumo energético: Resulta de la combinación de los gráficos de consumo de energía vs tiempo y consumo de energía vs producción. Con la línea de consumo energético se conoce el comportamiento de los recursos energéticos utilizados en la empresa, si las áreas y/o equipos cuentan con medidores de energía eléctrica también es posible conocer su comportamiento.
Con los resultados del DE, especialmente el gráfico de línea de consumo, se elabora una serie de indicadores energéticos (IEs) que caracterizan el comportamiento del uso y consumo de la energía en la organización. Estos IEs dependerán en gran parte del grado de agregación o des-agregación de la información que permita evaluar el uso de la energía de forma cualitativa o cuantitativa.
La energía no asociada a producción es mínima, por lo que el consumo energético es directamente proporcional a la producción, (ver Fig. Se plantearon los siguientes IEs: (i) IE de nivel 2 “producción/consumo energético”: relaciona la cantidad de producto procesado por consumo energético (kg/kW), (ver Tabla 5), (ii) IE de nivel 3 “consumo específico para polímeros amorfos semi-cristalinos”.
Identificación del Potencial de Ahorro
La información recolectada y procesada durante las etapas anteriores permite identificar cómo se distribuye el consumo de energía eléctrica entre los distintos procesos, equipos, líneas de producción, etc., insumo principal para identificar cuáles son los potenciales de ahorro energético de la organización.
El consumo mensual de energía correspondiente al sistema de iluminación es de 740kWh, el cambio de luminarias fluorescentes por luminaria Led, es una acción de bajo costo que puede ser implementada fácilmente y cuyo beneficio se evidenciará inmediatamente. (ver Tabla 6). Se propone el uso de guías especializadas organizadas para cada eje: i) Guía de equipos, ii) Guía de procesos industriales, iii) Guía de instalaciones eléctricas y calidad de la energía (IE&CE) y iv) Guía de hábitos y practicas industriales (H&P), para facilitar la identificación de potenciales de ahorro y generar planes de acción para mejora del desempeño energético de la organización [27].
Guía de procesos industriales: Presenta información de los procesos típicos de una industria, para el caso de estudio, se presenta la información de los procesos de una industria del plástico. Guía de IE&CE: recopila información técnica de buenas prácticas en las instalaciones eléctricas industriales y los niveles de calidad de energía necesarios. Guía de H&P: con de buenos hábitos y prácticas industriales, incluyendo acciones e indicadores, encaminados a mejorar los procesos que involucran directamente al personal.
Propuestas de Mejora de la EE
Se organizan los resultados obtenidos durante la auditoría energética y se proponen una serie de acciones de mejora de la EE, que se ajusten a las necesidades y expectativas de la organización, con miras a mejorar su desempeño energético. Estas acciones deben ser viables técnica y económicamente y ser priorizadas de acuerdo con su potencial de ahorro energético y su costo de implementación.
Resultados de la Auditoría Energética en una Empresa del Sector Plástico
Se aplicó la metodología de auditoría energética propuesta en una empresa del sector plástico ubicada en Cali, Colombia. A continuación, se presentan los principales resultados obtenidos:
- Consumo Energético: Se identificó que los procesos de moldeo por soplado e inyección son los mayores consumidores de energía en la planta.
- Calidad de la Energía: Se detectaron problemas de calidad de la energía, como la presencia de armónicos y bajos niveles de tensión, que pueden afectar el rendimiento de los equipos.
- Hábitos y Prácticas: Se observaron prácticas ineficientes en el uso de la energía, como dejar equipos encendidos sin necesidad.
Propuestas de Mejora
Con base en los resultados obtenidos, se propusieron las siguientes acciones de mejora:
- Optimización de Procesos: Revisar y optimizar los parámetros de operación de los procesos de moldeo por soplado e inyección para reducir el consumo de energía.
- Corrección de la Calidad de la Energía: Implementar medidas para corregir los problemas de calidad de la energía, como la instalación de filtros de armónicos y la mejora del factor de potencia.
- Capacitación del Personal: Capacitar al personal en buenas prácticas de uso de la energía para fomentar hábitos más eficientes.
- Reemplazo de Luminarias: Sustituir las luminarias fluorescentes por luminarias LED de bajo consumo.
La implementación de estas acciones de mejora permitirá a la empresa reducir su consumo de energía y mejorar su eficiencia energética, lo que se traducirá en beneficios económicos y ambientales.
Tabla de Indicadores Energéticos
| Indicador Energético | Descripción | Unidad |
|---|---|---|
| Producción/Consumo Energético | Cantidad de producto procesado por consumo energético | kg/kW |
| Consumo Específico para Polímeros | Consumo específico para polímeros amorfos semi-cristalinos | kWh/kg |
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