Eficiencia energética del transporte en la construcción

Resumen

El trabajo resume las principales medidas que se pueden tomar para disminuir el consumo de combustible en la transportación de cargas y específicamente de la construcción, sin realizar grandes inversiones. Se propone gestionar eficiencia energética en los vehículos de transporte pesado de la construcción y se fundamenta bibliográficamente el ahorro que se puede lograr con cada una de las medidas que se proponen.

TITTLE: Energy efficiency of construction Industry freight transportation vehicle: Technology, maintenance and driving.

Abstract:

This paper summarizes the major steps the construction industry can take to reduce the fuel consumption in freight transportation without major investments. Its aim to manage energy efficiency in heavy construction transportation vehicle and it's based bibliographically in the savings that can be achieved, with each of the measures proposed.

Palabras Claves: Eficiencia energética, vehículos de transporte pesado.

Key Word: Energetic efficiency, heavy-duty trucks.

Introducción

El transporte es una de las actividades más importantes dentro del sistema económico. En efecto, los beneficios económicos que genera el transporte de personas y/o mercancías en una economía basada en el intercambio han sido ampliamente documentados (Galindo 2008). En el sector de la construcción el transporte es vital. Sin la transportación del personal, los recursos e insumos y el equipamiento necesario, no se puede acometer ninguna obra. En la mayoría de los casos las obras se encuentran distantes de los lugares donde se producen los materiales de construcción, de las canteras de áridos y de las plantas de producción de hormigones, morteros y elementos prefabricados. Estas son las razones por la que se debe elaborar un riguroso balance de la transportación de cargas para garantizar el correcto aseguramiento de las obras; pero la planificación del transporte no garantiza la eficiencia energética de su explotación. Hay sobrados ejemplos de transportaciones de cargas donde se cumple con el servicio planificado, pero no se utiliza el equipo más adecuado, no se aprovecha toda la capacidad de carga disponible y no se transporta carga en todo el recorrido. Lograr la explotación eficiente del transporte y específicamente su eficiencia energética, depende de varios aspectos, dentro de los cuales podemos citar, la tecnología que posee, su diseño, la correcta selección y organización de los equipos en función del trabajo a realizar, la experiencia del conductor y la asistencia técnica o mantenimiento que se les brinda.

Desde hace unos años, la eficiencia energética de los vehículos de carga por carretera ha mejorado por el éxito logrado mediante la introducción en los motores de combustión interna (MCI) diesel con Turbo-compresores de Inyección Directa (TDI) y la continua aparición de numerosas tecnologías para incrementar la eficiencia (Kahn y Kobayashi et al. 2007). Es  preciso  tener  presente  que  la   eficiencia  energética  en  su  concepción  más  amplia   pretende  mantener  el  servicio  que  presta,  reduciendo  al  mismo  tiempo  el consumo de energía. Es  decir,  se  trata  de reducir las pérdidas que se  producen  en toda transformación o proceso, incorporando mejores hábitos de uso y mejores tecnologías (Maciá 2007; Poveda 2007).

Independiente a los problemas planteados en la explotación de los medios del transporte, hay tres aspectos que hoy afectan la eficiencia energética del parque de transporte para la construcción, provocando sobre consumos de combustible y lubricantes. Primero, la tecnología es obsoleta en la mayoría de los equipos. Segundo, la falta de calidad en las operaciones de mantenimiento que se realizan a sistemas o agregados de los equipos y medios de transporte motivado por la carencia de partes, piezas y materiales de explotación. Tercero, la conducción de los equipos carece de conductores capacitados en técnicas de conducción eficiente. Estas problemáticas, que prácticamente no se consideran por parte del personal responsable de administrar las bases de transporte, son las responsables objetivas de la ineficiencia energética de muchos medios de transporte en la construcción. En este trabajo, analizamos la influencia de cada uno de los tres aspectos citados en la eficiencia energética de los equipos de transporte en la construcción, cuantificamos cuanto puede afectar el consumo de combustible el uso de tecnología obsoleta, la violación de las actividades de mantenimiento relacionadas con el motor de combustión interna, la trasmisión de fuerza y el tren de rodaje, y por último la conducción del vehículo.

Eficiencia energética en el transporte

La eficiencia energética es la relación entre la cantidad de energía consumida y los productos y servicios finales obtenidos, o bien, el incremento o la mejora de los productos y servicios generados manteniendo un nivel dado de energía. Dentro de un proceso productivo y en todos los ámbitos de la sociedad, en general, la eficiencia energética se puede mejorar mediante la implantación de diversas medidas e inversiones a nivel tecnológico, de gestión y de hábitos de consumo (Federcom 2011; Repsol 2013). Un sistema tiene una eficiencia energética tanto más grande cuanto menor sea el consumo de energía que se emplea para conseguir los servicios energéticos que requiere un determinado nivel de calidad de vida. Al aumentar la eficiencia energética se consigue que disminuya el impacto ambiental y que aumenten la seguridad de suministro, la competitividad de la economía y la sostenibilidad. La consecución de estos objetivos mediante el aumento de la eficiencia energética requiere la implantación de permite valorar las pérdidas que se producen en la transformación de la energía. (Romero 2011)

La eficiencia energética en el transporte viene determinada por dos factores: la energía requerida para mover el vehículo y la utilización de la capacidad del vehículo. La energía requerida para mover el vehículo está determinada por el consumo de combustible, las condiciones de transporte (tráfico y geografía) y las características del vehículo (modelo y tamaño). La utilización de la capacidad del vehículo depende de los niveles de ocupación y carga de los vehículos individualmente, la utilización relativa de cada tipo de vehículo y la distribución de los distintos tipos de vehículos en el conjunto del parque (Leónardi y Baumgartner 2004; Monzón y Pérez et al. 2010; Pérez-Martínez y Monzón de Cáceres 2010; WEC 2013).

Consumo de energía

Según (Monzón et al. 2010), el consumo de energía de los vehículos de transporte es la suma aritmética de los siguientes componentes de gasto energético:

• Consumo por resistencia al avance (Era)- resistencia mecánica de rodadura, la resistencia del viento y la resistencia aerodinámica de presión

• Consumo de energía en el frenado (Ebr)-disipada durante el proceso de frenado

• Consumo de energía en los servicios auxiliares (Eax)- energía consumida en alimentar los servicios auxiliares (aire acondicionado, luces, ordenador de a bordo, etc.)

A estos componentes se añade un sumando que mide las pérdidas de energía debidas a la eficiencia del motor y las transmisiones. Los consumos de cada uno de dichos sumandos dependen de una serie de parámetros: masa del vehículo, coeficiente aerodinámico, coeficiente de rodadura, densidad del aire, temperatura ambiente, velocidad de circulación, sección frontal del vehículo, perímetro mojado, longitud, coeficiente de frenado, número de paradas, etc. (Monzón et al. 2010). Se estima que para el año 2050 los camiones de carga mediana y pesada en todo el mundo llegarán a consumir 1.240 mil millones de litros de combustible, lo que significa un aumento del 138 % sobre los niveles de consumo que la industria presentaba en el año 2000 (Villalobos 2014).

Gestión del combustible

Según (Jimenez 2005) entiende por gestión del combustible el diseño y la puesta en práctica de un sistema de control, supervisión y, muy especialmente, de seguimiento del consumo de carburante global e individualizado de los vehículos de una flota de transporte. La gestión del combustible permite aprovechar de la manera más rentable cada litro de combustible adquirido, contribuyendo con ello no sólo a la economía de la empresa, sino también al ahorro energético y a la mejora de la conservación del medio ambiente.

Una adecuada gestión del combustible está además ligada a:

• Un correcto mantenimiento de los vehículos.

• La utilización de las técnicas de conducción eficiente.

• Una adecuada planificación de rutas y de vehículos.

• La calidad del servicio prestado al cliente.

Dada la amplitud del tema, solo abordaremos la influencia de los dos primeros aspectos en la gestión del combustible y por su importancia en la eficiencia energética; añadimos otro aspecto: La tecnología que disponen los vehículos.

Tecnologías del Motor Diesel

El diesel es el combustible dominante de camiones medianos y pesados, constituye el 90 % del combustible usado por estos vehículos (Davis y Diegel et al. 2014). Casi todos los camiones de servicio pesado y la mayor parte de camiones de carga mediana (60 % vendidos) tienen motores de diesel. Todos los camiones modernos con motores diesel están equipados con turbo compresores. Las turbinas alimentadoras operan usando energía de los gases de escape para conducir un compresor que aumenta la presión en el múltiple de admisión, introduciendo más aire a la fuerza en el motor. Las mejoras para la eficiencia de compresor o de la turbina reducen el consumo de combustible. Los compresores radiales de alta de presión, o los axiales, son tecnologías emergentes con el potencial para incrementar más el ahorro de combustible (Vyas y Patel et al. 2013).

El principal foco de atención continúa siendo en el motor diesel la eficiencia de la cámara de combustión, que incluye el sistema de inyección, la inducción de aire, y el diseño de la cámara de combustión. Los nuevos diseños en los sistemas de alimentación permiten presiones de inyección sobre 240 MPa con inyecciones múltiples durante el proceso de combustión y la proporción adecuada durante cada inyección. La inducción de aire realizada con turbinas alimentadoras de geometría variables y la recirculación de los gases de escape. Desafortunadamente, toda esta tecnología ha conllevado a incrementar los óxidos de nitrógeno y reducciones de las partículas de materia, aun cuando minimizar las pérdidas de eficiencia, o mejor lograr ganancias de eficiencia, se traduciría en reducción de las emisiones de Gases de Efecto Invernadero (GEI). De hecho, los motores del camión más eficientes fueron producidos en 1998, antes de que los requisitos de emisiones de óxido de nitrógeno, quedando en aproximadamente un 10 % la pérdida en la eficiencia del motor. (Greszler 2010)

En los motores de combustión interna, la transformación de la energía está limitada por el segundo principio de la termodinámica. Esta eficiencia de conversión aumenta al aumentar la temperatura de motor y disminuir la de los gases de escape. Pero la resistencia de los materiales, limita la máxima temperatura del motor y la temperatura ambiente pone una restricción a la temperatura de los gases de salida (Gil y Prieto 2013). Actualmente, los motores diesel para camiones solo logran un rendimiento térmico de 42 %, lo que significa que un 58 % o más de la energía del combustible se pierden en forma de calor. La ganancia potencial más grande de eficiencia del motor está de recuperación residual de calor. Dos formas de recobrar esta energía son el uso de turbocompresores y ciclos profundo o a fondo (Greszler 2010; Vyas et al. 2013). Un ciclo profundo o a fondo usa un motor secundario que utiliza la energía de los gases de escape u otro calor desperdiciado por el motor primario para desarrollar potencia adicional. Es posible lograr hasta un 10 % de reducción del consumo de combustible (NESCAF y ICCT et al. 2009). Otro forma es la Termo-electricidad, que utiliza materiales de termo-eléctricos capaces de generar una corriente eléctrica de un gradiente térmico (Greszler 2010).

Los nuevos motores controlados por sensores electrónicos incrementan la eficiencia al controlar funciones clave (como la entrada de aire y combustible al motor) a la vez que ayudan a monitorizar parámetros críticos del motor y funciones de diagnóstico. Los camiones nuevos, los cuales operan con sistemas de gestión electrónica, mejoran la eficiencia energética mediante un mejor control y diagnóstico de las operaciones de transporte (Pérez-Martínez et al. 2010) .

Los camiones de carga que llevan entre 40 – 44 toneladas, tienen potencias del motor entre 260 kW y 360 kW. Sin embargo, un camión de 40 toneladas y el remolque sólo necesita alrededor de 120 kW en el impulso constante a 85 km·h-1 en una carretera plana para superar las resistencias de tracción. La potencia adicional sólo es necesaria para acelerar y subir montañas o grandes pendientes. El consumo de combustible de un camión promedio, ha disminuido en los últimos 30 años desde unos 50 litros por cada 100 km a 30 – 35 litros por cada 100 km. Mientras, la potencia del motor se ha duplicado, pasando de alrededor de 180 kW a 360 kW. Los motores de camiones de hoy en día tienen una alta eficiencia termodinámica, sin embargo, es posible disminuir el consumo de combustible a unos 25 litros por cada 100 km con medidas como: reducción del tamaño del motor, reducción de la resistencia aerodinámica, reducción de resistencia al rodado, y mejorar la eficiencia de los sistemas auxiliares (Villalobos 2014).

Disminuir la fricción del motor utilizado lubricantes de baja viscosidad y controlar la temperatura puede conducir a una disminución del 1 – 2 % del consumo de combustible. Las mejoras de la inyección del combustible pueden lograr una disminución del consumo de combustible del 1 – 4 %. El control de la combustión a tiempo real puede dar como resultado una reducción del consumo de combustible de 1 – 4 %. La electrificación de accesorios permite apagarlos o encenderlos según sea necesario en lugar de imponer una constante demanda parásita de potencia al motor. Tal electrificación puede reducir consumo de combustible de 2 –5 %, y tiene más efecto en aplicaciones urbanas o recorridos cortos (Vyas et al. 2013).

En conjunto, se estima que las mejoras tecnologías del motor diesel en camiones nuevos pueden reducir el consumo de combustible de 15 – 20 % en el período entre el 2020–2030 (Greszler 2010).

Uso de equipos auxiliares

El uso de equipos auxiliares aumenta el consumo de carburante de forma significativa, por lo que hay que utilizarlos con moderación. En particular, la utilización del aire acondicionado puede incrementar el consumo combustible entre un 10 – 25 % (Escobar y Güiza et al. 2010; Halpern 2013). La temperatura de confort en el interior del habitáculo se debe mantener en torno a 23- 24 ºC. Sin embargo, conducir con las ventanillas bajadas aumenta la resistencia del aire del vehículo, por lo que crece el consumo un 5 % aproximadamente (Escobar et al. 2010). Es importante valorar que en las condiciones de nuestro país, la conducción de equipos y medios de transporte de la construcción en cabinas climatizadas humanizan e incrementa la productividad del trabajo.

Novedades en la Eficiencia Energética

Ya existen automóviles de carga que funcionan con mezclas de biocombustibles y otros, que se están desarrollando, que incorporan novedosos conceptos y complejos sistemas de propulsión como los vehículos híbridos, los vehículos puramente eléctricos y los de pila de combustible (López 2013; Villalobos 2014).

Combustibles alternativos: El biodiesel puede ser utilizado para reemplazar el petróleo, diesel, y bencina. Está hecho de aceites vegetales, aceites de cocina reciclados, o grasa animal, y da la oportunidad de reducir en un 20 % las emisiones de CO2. Se utiliza para la combustión de los motores, sin necesidad de modificarlos y no requiere cambios sustanciales en la infraestructura de distribución. Sin embargo lo anterior, la reducción neta de CO2 al usar biodiesel puede variar significativamente de la teoría a la práctica dependiendo del proceso de manufactura y los efectos indirectos sobre el uso de la tierra (Villalobos 2014).

Mantenimiento técnico y eficiencia energética

De acuerdo a las investigaciones realizadas por (Escobar et al. 2010), un mantenimiento adecuado de la flota es necesario para asegurar el funcionamiento y seguridad de los vehículos pero, además, puede incidir directamente en la disminución del consumo de combustible.

Control de filtros: Coinciden (Jiménez 2006; Escobar et al. 2010; Villalobos 2010), que el cuidado y cambio periódico de los filtros es parte importante del mantenimiento de cualquier vehículo:

– Del estado del filtro de aceite depende en gran medida la vida útil del motor y puede aumentar el consumo del vehículo hasta un 0,5 %.

– Un filtro de aire obturado puede incrementar el consumo de combustible hasta en un 1,5 %, debido a que altera la mezcla de aire combustible.

– El mal funcionamiento del filtro de combustible puede aumentar el consumo hasta un 0,5 %.

La transmisión y el tren de potencia: La transmisión y el tren de potencia de un camión son los componentes que conectan el motor con las ruedas. Reduciendo la fricción en la transmisión y los arboles utilizando lubricantes sintéticos mejorados ayuda a reducir consumo de combustible aproximadamente un 1 %. La eficiencia también puede ser mejorada usando una estrategia de optimización que depende del ciclo de conducción. Dentro de las transmisiones manuales automatizadas, una computadora optimizan los cambios de marchas evaluando el mapa de eficiencia del motor, la carga, la velocidad y aceleración del vehículo. Las transmisiones manuales automatizadas tienden a ser ligeramente más eficiente el consumo de combustible que la típica transmisión manual. En el período del 2015–2020, la transmisión en los camiones pesados de arrastre y el tren de potencia, pueden reducir el consumo de combustible potencialmente hasta un 7 % (Greszler 2010; Vyas et al. 2013).

Control de los neumáticos: Se deben respetar las presiones mínima y máxima recomendadas por el fabricante. Con una presión incorrecta aumenta el consumo de combustible, disminuye la velocidad y se produce un desgaste irregular, lo que dificulta la conducción. Una presión excesivamente baja de los neumáticos redunda en una mayor resistencia a la rodadura (Escobar et al. 2010). Alrededor del 30 % de la demanda de energía de un camión es debido a la resistencia a la rodadura, un 3 % de reducción en resistencia a la rodadura se traduce en 1 % de ahorro de combustible del vehículo (Bachman y Erb et al. 2005; Franzese y Knee et al. 2010; Greszler 2010; Villalobos 2014). La potencia requerida para vencer la resistencia a la rodadura se define por la siguiente ecuación:

Pr = Cr g M v

Donde:

Cr = Coeficiente de resistencia a la rodadura,

g = Aceleración debido a la gravedad,

M = Masa del camión, y

v = Velocidad del camión

El coeficiente de rodadura f es adimensional y depende principalmente de una magnitud &µr= Cr en [m], denominado coeficiente de resistencia a la rodadura y del radio de la rueda rr, según la siguiente expresión:

f = &µr / rr

El valor del coeficiente de rodadura f, es característico de cada sistema y depende de: La rigidez o dureza de la rueda y de su superficie; del radio de la rueda, de la carga a que se someta cada rueda, la temperatura, acabado de las superficies en contacto, velocidad relativa, etc. En el caso de ruedas neumáticas, de su presión de inflado (Marchese y Golato 2011). Cuanto menor sea el diámetro del neumático más alto es el coeficiente de resistencia a la rodadura. La resistencia a la rodadura total, depende del número de neumáticos en el vehículo y las cargas de las ruedas. Una disminución de 20 a 25 % en resistencia a la rodadura, ahorraría aproximadamente el 10 % de combustible. Teóricamente, una reducción de la resistencia a la rodadura promedio de 2,2 % para todos los neumáticos se traduce en un ahorro de combustible 1 % (Villalobos 2014).

Según la experiencia de (Bridgestone 2015) en algunos neumáticos especiales de su manufactura para camiones, dan cuenta de valores de f = 0,0041 a 0,0059.

En este sentido son dos las medidas que han demostrado mayor efectividad:

• Inflado de Neumáticos con Nitrógeno Seco, el cual ha demostrado tener una menor pérdida de presión y mayor estabilidad de temperatura al interior del neumático, así como menor humedad y por ello una mayor duración de la carcasa del neumático.

• •Inflado automático de neumáticos ante variaciones en los niveles de presión.

Control de alineación: la deficiente alineación en los neumáticos implica una mayor resistencia a la rodadura de los equipos implicando un mayor consumo; unas ruedas que luchan entre sí desperdician combustible y se gastan rápidamente. El desgaste irregular de las bandas de los neumáticos es una señal visual de una mala alineación. Aunque también existe tecnología que permite monitorear "al paso" el alineamiento de los neumáticos (Villalobos 2010).

Conducción del vehículo

Según (Jimenez 2005; Escobar et al. 2010; Villalobos 2014), la formación de los conductores en técnicas de conducción eficiente es un aspecto fundamental para las flotas de transporte. Se trata de la aplicación de una serie de sencillas técnicas que suponen una modificación, respecto a ciertos hábitos adquiridos por los conductores. Realizando una conducción eficiente se pueden alcanzar ahorros inmediatos de combustible del 10 al 15 %. Además, mediante una conducción eficiente se consigue mejorar la seguridad y el confort, se reducen las emisiones asociadas y se disminuyen los costes de mantenimiento. Plantean (Jimenez 2005; Villalobos 2014), que las empresas deben desarrollar programas de formación para sus conductores, enfocados en función de los distintos tipos de vehículo que utilizan. Una plantilla preparada permitirá aprovechar más eficientemente los vehículos de la flota.

La conducción eficiente permite:

– Ahorros de carburante de hasta el 15 %.

– Reducción en las emisiones de CO2.

– Disminución de la contaminación acústica.

– Aumento del confort en el vehículo.

– Ahorro en los costes de mantenimiento.

– Mejora de la seguridad en la conducción.

Uno de los aspectos más importantes de la conducción eficiente es mantener la estabilidad en la velocidad de desplazamiento. La Resistencia del aire se incrementa significativamente con la velocidad, por ejemplo disminuir la velocidad de 110 a 100 km·h-1, reduce la Resistencia del aire un 20 % y a su vez aproximadamente un 6 % el consumo de combustible. Mantener una velocidad de 100 km·h-1 disminuye el consumo de combustible entre un 3 – 5 % en un camión con remolque (Davis et al. 2014). En la mayoría de los países, la velocidad máxima permitida en carretera es legalmente promulgada y restringida por restricciones de fábrica al motor. Europa, por ejemplo, se establece la velocidad máxima permitida en 90 km·h-1 (56 mph), lo cual está programado en el sistema de control del camión desde la fábrica. La Asociación Americana de Camioneros (ATA: American Trucking Associations) está a favor de colocar un límite de velocidad máxima permitida en carretera en 105 km·h-1 (65 mph) para aumentar la eficiencia del combustible y la seguridad, casi todo el país tuvo límites de velocidad hasta 105 km·h-1 o 113 km·h-1 (65 mph o 70 mph), aunque las leyes han cambiado en 14 estados permitiendo velocidades superiores (Adler 2015). En Cuba el límite de velocidad máxima permitida en carretera es de 80 km·h-1 en carreteras y 90 km·h-1 en las autopistas, para los automóviles de transporte de carga rígidos y articulados (MINJUS 2010). La velocidad recomendada para la optimización del combustible se encuentra en el rango de 50 a 70 km·h-1 (Wang y Fu et al. 2008).

Conclusiones

• 1. Con el uso de lubricantes de baja viscosidad, las mejoras de la inyección del combustible, el control de la combustión a tiempo real y la electrificación de accesorios del MCI; se reduce el consumo de combustible de 10–15 %. Se estima que las mejoras tecnologías del motor diesel en camiones nuevos logren reducir el consumo de combustible de 15–20 % en el período entre el 2020–2030.

• 2. Utilizar biocombustibles nos permite reducir en un 20 % las emisiones de CO2.

• 3. Prolongar la vida útil de los filtros de aceite, aire y combustible incrementa el consumo del vehículo hasta un 2,5 % y disminuye en gran medida la duración del motor.

• 4. La reducción de un 3 % de la resistencia a la rodadura se traduce en 1 % de ahorro de combustible; en ella influyen, la rigidez y dimensiones de los neumáticos, el acabado de las superficies en contacto, la carga a que se someta cada rueda, la presión de inflado, la alineación de los neumáticos directrices, la temperatura y la velocidad.

• 5. La formación y recalificación de los conductores permite alcanzar una conducción eficiente y ahorros inmediatos de combustible del 10 al 15 %.

• 6. La velocidad recomendada para la optimización del combustible se encuentra en el rango de 50 a 70 km·h-1.

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Autor:

Ing. Erick Sánchez González*

M.Sc. David Verdecia Torres**

Institución:

*Dirección de Operaciones. Grupo Empresarial de la Construcción Granma

**Departamento de Ciencias Técnicas. Facultad de Ciencias Técnicas. Universidad de Granma.

Dirección: *Ave. Frank País No. 46. Rpto. Jesús Menéndez. Bayamo. Granma. Cuba.

**Carretera Manzanillo km 171/2. Bayamo. Granma. Cuba.