Manual de eficiencia energetica para medianas y pequeñas industrias

Introducción

La eficiencia energética (EE) es una herramienta que ayuda a reducir el consumo energético de los sistemas eléctricos y térmicos, y a su vez busca optimizar el desempeño de los mismos, evaluando sus parámetros de funcionamiento, sus consumos energéticos, la variación de la carga durante el periodo de trabajo, sus rendimientos, entre otros parámetros específicos de cada equipo. El objetivo principal del manual está orientado a que las empresas tengan un panorama general de las medidas en eficiencia energética y evalúen sus sistemas energéticos dentro de sus procesos productivos. Apoyándose también, de algunos ejemplos de cálculo de oportunidades de EE, y de esta forma estimar los beneficios económicos a alcanzar. En los siguientes capítulos se presentaran los principales sistemas térmicos y sistemas eléctricos en la producción industrial, en donde se describirán los conceptos generales de cada sistema y se identificarán las oportunidades de eficiencia energética que pueden ser aplicadas en la Mediana y Pequeña Empresa (MYPES). Este manual, pretende ofrecer a sus lectores versatilidad en la gama de medidas, presentando oportunidades de nula, baja y alta inversión; facilitando de este modo la ejecución de ellas, y con esto reducir los consumos energéticos por unidad de producto. A su vez, la replicación de estas medidas de EE en la mayoría de las MYPES, abre la posibilidad de que los resultados obtenidos, sean representativos a gran escala, en materia de consumo energético para el país.

1. Eficiencia energética en la producción industrial

El esfuerzo de implementar "eficiencia energética" (EE) en la industria inició alrededor de 1970, originado en primer lugar por la necesidad de reducir los costos de operación. A pesar que la energía es vital para muchos procesos, esto no es necesariamente un componente crítico de costos. Actualmente, la EE es vista de forma fragmentada debido a la ausencia de una metodología establecida. Muy pocos practicantes de EE están preocupados por los resultados medioambientales de la aplicación de EE, aún cuando una parte de las opciones de EE pueden llevar a obtener beneficios medioambientales y estas no son vistas de forma relevante. Para la EE la reducción de costos es la principal preocupación ya que favorecería de forma económica a las empresas, aun cuando estas opciones conlleven impactos negativos al medioambiente.

1.1 Sistemas térmicos Los sistemas térmicos son equipos cuya función es la generación de calor a través de la combustión de un combustible con el oxígeno del aire. Se utilizan para cubrir necesidades térmicas de calefacción y agua caliente y de procesos productivos tales como el tratamiento térmico de metales, el calentamiento y el secado de sustancias en diferentes sectores industriales como el químico, textil, agroindustrial, construcción, metal-mecánica, etc. Los equipos térmicos más representativos son calderas, hornos y secadores. El equipo térmico más empleado es la caldera. Estos sistemas utilizan el calor producido durante la combustión de un combustible, para calentar un fluido que posteriormente será utilizado donde existan necesidades térmicas. Los hornos, por su parte, en lugar de calentar un fluido, elevan la temperatura directamente de la carga que se encuentra en su interior. Estos equipos suelen encontrarse en la industria del metal, química, alimentos, entre otros y se emplean para el tratamiento térmico, la cocción, el curado y otras aplicaciones. Por último, los secadores, cuya función es la de reducir el contenido de humedad de las sustancias, son ampliamente utilizados en el sector alimenticio y agroindustrial. En las industrias antes mencionadas, estos sistemas térmicos son generalmente los equipos más importantes en los que se basa el proceso de producción y por lo general son los mayores consumidores de energía en la planta, llegando a alcanzar costos superiores al 50 % de la demanda energética total.

1.1.1 Calderas El principio de funcionamiento de las calderas es combustible y comburente (aire) se inyectan en el interior de la caldera a través del quemador y se inflaman con ayuda de la llama que alimentan. La reacción que tiene lugar entre el combustible y el oxígeno del aire es altamente exotérmica, y genera como productos, residuos sólidos (como cenizas y escorias) y humos o gases a elevadas temperaturas (de 200 a 1,000 oC). El contenido energético de estos gases se aprovecha en calderas para calentar un fluido (aire, agua o aceite) mediante una superficie de intercambio. El fluido que ha aumentado su temperatura servirá posteriormente para calentar un área, mover una turbina, etc. Finalmente los gases de combustión que han cedido gran parte de su temperatura, son evacuados por una chimenea.

1.1.1.1 Tipos de calderas Las calderas se pueden clasificar en función de múltiples criterios. Según el tipo de combustión, las calderas pueden ser de cámara de combustión abierta (atmosférica o tiro natural) o cerrada (presurizada o tiro forzado). Estas últimas presentan multitud de ventajas sobre las atmosféricas como el mejor rendimiento, la estabilidad de la combustión o el mínimo exceso de aire necesario. De acuerdo con la forma de intercambio de calor, se encuentran calderas acuotubulares o pirotubulares. En las acuotubulares, hay una serie de tubos por los que circula el fluido a calentar, y por su exterior circulan los gases que ceden parte de su energía a través de las paredes de los tubos. En las pirotubulares, son los humos calientes los que pasan por los tubos, los cuales están rodeados por el fluido a calentar. Según el rendimiento pueden ser estándar, de baja temperatura y de condensación. La caldera estándar es una caldera para la producción de agua caliente, con tubos de pared simple, que trabaja a una temperatura constante del agua a la salida entre 70 y 90 oC, el diseño de este tipo de caldera no permite que el vapor de agua contenido en los gases de salida condense en su interior, limitando la temperatura de retorno del agua a la caldera a los 70 oC aproximadamente. Una caldera de baja temperatura permite aprovechar el calor sensible de los humos a través de un recuperador de calor especial, mientras que una caldera de condensación está diseñada para permitir que el vapor de agua de los gases de combustión condense sobre la superficie de los tubos de humos, consiguiendo recuperar el calor latente de los gases de combustión. Las calderas de alta eficiencia (baja temperatura o condensación) pueden suponer un ahorro del 10-20 % del combustible utilizado especialmente si se trabaja a bajas cargas.

1.1.1.2 Rendimiento de la caldera Uno de los parámetros más importantes para evaluar el funcionamiento de una caldera es su rendimiento, que se define como la relación entre el calor útil producido (considerando las diversas pérdidas a través de los gases de combustión, las paredes de la caldera y los caudales de purga) y la energía proporcionada por el combustible. Para evaluar el rendimiento es necesario disponer de un analizador de gases de combustión que proporcione la concentración en gases de O2, CO2, CO y la temperatura de los gases, así como un termómetro de superficie para medir la temperatura de las paredes de la caldera. Los valores adecuados de O2, CO y temperatura de gases dependen del tipo de combustible, quemador utilizado y del tamaño de la caldera. Valores de O2 bajo y CO alto indican que la cantidad de aire de combustión es insuficiente. Esto suele verse reflejado en el color negruzco de los humos que salen por la chimenea. Para nivelar estos valores no hay más que aumentar la compuerta de paso de aire del quemador. Aunque humos claros y una concentración de O2 elevada no aseguran de por sí un buen funcionamiento. Podría ser que se estuviera utilizando una cantidad excesiva de aire, lo cual implica un gasto energético innecesario, pues el aire "arrastraría" mucho calor por la chimenea impidiendo su aprovechamiento para la calefacción. En este caso debería disminuirse la compuerta de paso del aire hacia el quemador. El color oscuro de los humos puede implicar también un desajuste en la mezcla aire-combustible debido a una pulverización insuficiente del combustible. Si se emplean combustibles líquidos, es necesario realizar una regulación y limpieza de los quemadores para obtener una buena pulverización. El ahorro de combustible obtenido con una buena regulación de la combustión puede llegar a suponer entre el 5-7 % del consumo total del equipo. Las pérdidas de calor a través de las paredes pueden reducirse hasta un 70-80 %, lo que puede suponer un ahorro del 1-2 % del combustible. Si la temperatura de los gases de chimenea supera los 230 oC, puede ser debido a un mal intercambio de calor en el interior de la caldera. Para solucionarlo, habría que proceder a una limpieza. Una limpieza periódica de la caldera mejora la transferencia térmica en el interior de la misma, aumentando el calor útil obtenido y disminuyendo la temperatura de los gases de salida. Por cada 20 oC que se consiga disminuir la temperatura de los gases, se reduce el consumo de combustible en un 1 % aproximadamente. A continuación se presentan las pautas a seguir para mejorar la eficiencia en caldera.

1.1.1.3 Sustitución de la caldera Normalmente, las intervenciones de mantenimiento periódico permiten mantener el rendimiento dentro de los límites establecidos. Pero el rendimiento no es constante a lo largo del tiempo, sino que va disminuyendo hasta que llega un punto en el que por la antigüedad de la caldera y su mal funcionamiento puede ser necesario sustituirla. La vida útil de estos equipos es aproximadamente de 15 años. Tanto en el caso de haber superado la vida útil o de haber detectado serios desperfectos de la caldera, es recomendable sustituirla por una de alto rendimiento. La instalación de una caldera de alto rendimiento, requiere una mayor inversión inicial. En comparación con una caldera estándar, el costo de una caldera de baja temperatura es un 25 – 30 % superior, mientras que para una caldera de condensación puede llegar a duplicarse la inversión inicial.

1.1.1.4 Utilización de economizadores y pre-calentadores Los gases de combustión que salen de la caldera suficientemente calientes (a una temperatura superior a 230 oC) tienen todavía energía sobrante que puede ser utilizada para precalentar el agua o el aire de combustión y disminuir la demanda de combustible. El calor recuperado de los gases puede aprovecharse incluso en un equipo distinto. Por ejemplo, pueden utilizarse los gases de escape a baja temperatura para procesos de secado. Los equipos encargados de precalentar el agua de alimentación se denominan economizadores, que no son más que intercambiadores de calor que permiten que los gases de escape calientes cedan calor al agua de alimentación. Si lo que se desea es precalentar el aire de combustión, estos se denominan pre-calentadores, que son también un tipo especial de intercambiadores de calor gas-aire. En cualquier caso se debe tener en cuenta que existe un límite por debajo del cual no es posible enfriar los gases (150 -175 oC), ya que se podrían producir importantes corrosiones en conductos debido a la condensación de ácido sulfúrico. A esta temperatura se le denomina temperatura de rocío. Esta restricción no se aplica en combustibles con bajo contenido en azufre tales como gas natural o gases licuados del petróleo (GLP).

1.1.1.5 Medidas de ahorro generales A continuación se describen una serie de medidas adicionales que pueden ayudar a incrementar el rendimiento de la caldera:

• 1. Purgar los circuitos para eliminar el aire que pueda haber quedado atrapado en el interior, ya que disminuye la transferencia de calor.

• 2. Revisar el estado de los componentes del sistema como bombas, ventiladores, etc. Y proceder a su mantenimiento de ser necesario.

• 3. Las pérdidas en las purgas se pueden disminuir racionalizando la cantidad de las mismas y mejorando la calidad del agua de alimentación.

El rendimiento de las calderas a baja carga es menor que a plena carga. Es por esto que en muchos casos resulta más conveniente instalar varias calderas más pequeñas que puedan entrar en servicio o parar en función de la demanda de calor, trabajando así todas ellas en su punto de máximo rendimiento. En el caso de que existan varias calderas, es importante que aquéllas con mejor rendimiento funcionen constantemente en régimen estacionario, dejando las menos eficientes para absorber las variaciones en la demanda de calor.

1.1.2 Hornos térmicos Los hornos térmicos tienen un principio de operación similar al de las calderas: el calor generado al quemar un combustible se utiliza para transformar físicamente cierto producto. La diferencia fundamental con las calderas es que en este caso, en lugar de calentar un fluido intermedio que posteriormente se empleará para realizar la transformación, es directamente el producto el que eleva su temperatura en el interior del horno. Debido a la similitud en el principio de operación con las calderas, las medidas de ahorro expuestas en la sección anterior, tales como un buen aislamiento del equipo, la recuperación de calor de los gases, etc. pueden también aplicarse a estos sistemas. Hay que mencionar que últimamente los hornos eléctricos vienen sustituyendo a los hornos térmicos debido a su mayor limpieza, facilidad de control y mantenimiento y en algunos casos mejor eficiencia.

Ilustración 4. Horno industrial

1.1.2.1 Medidas de ahorro Antes de optimizar el equipo, es necesario investigar si se puede mejorar el proceso. A continuación se enuncian algunas medidas:

• 1. Es muy importante que el equipo térmico se utilice exclusivamente para los procesos y los productos para los que fue diseñado.

• 2. Los procesos en continuo utilizan generalmente menos energía que los procesos por lotes. Si los productos requieren de un proceso por lotes, es mejor utilizar equipos de baja inercia térmica de modo que la temperatura de funcionamiento se alcance rápidamente.

• 3. La automatización completa del control de los equipos térmicos y de las operaciones de carga y descarga acelerará el proceso y permitirá un mejor funcionamiento de los equipos.

• 4. Evitar operar a cargas parciales. Operar a plena carga implica utilizar menos combustible por unidad de producto y reducción de costos.

• 5. Al igual que en calderas, se pueden obtener importantes ahorros de combustible utilizando el calor de los gases de escape para precalentar el aire de combustión.

• 6. Los gases calientes también pueden utilizarse para precalentar el producto antes de entrar al dispositivo de calentamiento. De esta manera la demanda energética en el interior del equipo térmico disminuirá, por lo que se necesitará menos combustible.

• 7. Si después de optimizar el proceso, todavía existe un flujo significativo de calor residual, se puede reconsiderar su uso para producción de agua caliente, limpieza de áreas/equipos, etc.

1.1.3 Distribución y utilización de vapor El sistema de distribución de vapor permite llevar el vapor en la cantidad y calidad requerida por el proceso. En este sistema, es importante:

• 1. Contar con buenos procedimientos de operación

• 2. Operar adecuadamente las trampas de vapor

• 3. Mantener aisladas las tuberías, equipos y dispositivos

• 4. Evitar las fugas de vapor

• 5. Mantener una presión de vapor adecuada

A continuación se describe cada una de ellas:

• 1. Procedimientos de operación generales.

• Considerar la viabilidad de sustituir los eyectores de vapor (para producir vacío), por bombas de vacío mecánicas.

• Operar con el menor número de eyectores de vapor. • Reparar cualquier fuga que se presente. • Clasificar cada generador de vapor de acuerdo con sus características de desempeño y eficiencia. De esta forma, durante los periodos de demanda "pico" de vapor, los generadores más eficientes son los que trabajarán a plena o mínima carga, lo cual mantendrá un consumo de energía al mínimo. • Revisar periódicamente los sistemas de vapor para detectar líneas de vapor usadas con muy poca frecuencia y que puedan ser eliminadas o puestas fuera de servicio.

• Incluir en el diseño de este sistema, equipos de medición de flujo de vapor.

• 2.  Operar adecuadamente las trampas de vapor.

La función de las trampas de vapor es la de permitir automáticamente el drenado de condensado que se forma en el sistema, sin dejar escapar el vapor, además de permitir la eliminación de aire y gases incondensables. Para asegurar un funcionamiento adecuado, sin pérdidas de energía, se recomienda:

• 1. Elaborar para cada área operativa, un programa de revisión rutinaria de las trampas de vapor para verificar su operación adecuada.

• 2.  La frecuencia de revisión dependerá de las condiciones particulares de cada área; sin embargo, debe revisarse, como mínimo, mensualmente.

• 3. Mantener un censo actualizado de las trampas de vapor.

• 4. ¤ Numerar todas las trampas y registrar su localización en un croquis para facilitar su revisión y registro.

• 5. Capacitar al personal operativo y de mantenimiento sobre las técnicas de pruebas de operación de trampas.

• 6.  Se puede utilizar equipo ultrasónico, estetoscopios para escuchar la apertura y cierre de la válvula, verificación de temperaturas antes y después de la trampa.

• 7. Asignar máxima prioridad a la reparación y mantenimiento de trampas.

• 8. El aplicar un procedimiento de mantenimiento periódico puede reducir las fallas en trampas hasta un 3 ó 5 %. Una trampa que no cierra puede representar pérdidas de vapor entre 22 y 45 Kg de vapor/hr, (50-100 lb de vapor/hr). Por ello, se debe establecer un programa de mantenimiento y tomar en cuenta que el número de trampas defectuosas debe ser menor del 5% del total.

• 9. Seleccionar las trampas de vapor de acuerdo a su aplicación y descarga esperada de condensado.

• 3 Mantener aisladas las tuberías, equipos y dispositivos.

El aislamiento en tuberías, equipos y accesorios del sistema de distribución de vapor y retorno de condensado, evitará pérdidas de calor hacia el ambiente. Es muy importante instalar, en cada tramo de tubería, el espesor óptimo de aislamiento. En la tabla 2 se indica el efecto que produce un inadecuado aislamiento. • Inspeccionar periódicamente el aislamiento para reemplazar o reparar los tramos dañados o deteriorados. ¤ Esto es especialmente necesario después de que se han tenido que retirar tramos de aislamiento para reparar fugas de vapor. En general, al menos una vez por año, debe realizarse esta inspección de las líneas de vapor. Durante una inspección de rutina, debe identificarse el daño físico, grietas; bandas y cintas rotas; juntas rotas o dañadas y/o cubiertas dañadas.

• 1. Un instrumento muy útil para verificar el estado del aislamiento es la revisión termográfica del mismo, mediante un dispositivo capaz de identificar temperaturas y las variaciones de está. Este instrumento indica la temperatura superficial con imágenes compuestas de varios colores; es ideal para revisar áreas extensas. Los pirómetros de contacto y pistolas caloríficas deben estar en contacto directo con la superficie, para medir su calor.

• 2. Revisar el aislamiento después de cualquier mantenimiento.

• 3. Las áreas donde se han efectuado otros trabajos de mantenimiento, tienen que revisarse

• 4. para identificar dónde debe repararse el aislamiento.

• 5. Bloquear las líneas de vapor que no estén en operación.

Las fugas de vapor son una forma visible de desperdicio de energía y, por lo mismo, también indican una indiferencia por la operación eficiente del sistema. Existen dos métodos para estimar las pérdidas de vapor por fugas: En función del tamaño del orificio (Tabla 3) y en función de la presión de operación vs. altura de pluma.

4 Evitar las fugas de calor. Para evitar pérdidas de energía por fugas de vapor, se recomienda: • Todas las fugas de vapor deben repararse tan pronto como sea posible. • En los procedimientos de mantenimiento, especifique las juntas y empaques para las bridas de las válvulas. • En el diseño del sistema de vapor, se debe evitar el uso de conexiones roscadas.

5. Mantener una presión de vapor adecuada. • Usar vapor a la mínima presión posible, para servicios de calentamiento. ¤ Esto reducirá el consumo de energía. Los cambios en el proceso o en los equipos, frecuentemente permiten el uso de una menor presión del vapor.

• Aprovechar el vapor a todos los niveles de presión posible. ¤ En el vapor de alta presión no deben utilizarse válvulas reductoras de presión, y el vapor de baja presión no es conveniente que sea venteado a la atmósfera. Existen grandes ahorros cuando se eliminan los venteos (descargas de vapor) y reducciones de presión. La instrumentación tendrá que considerar, desde su diseño, el monitoreo constante de la presión y los venteos de vapor.

1.2 Sistemas eléctricos La energía, especialmente la eléctrica, es un recurso con gran incidencia en los procesos productivos y en los actos cotidianos, íntimamente relacionado con el confort, la calidad de vida y el desarrollo económico. Para poder analizar las oportunidades de ahorro de los equipos eléctricos en la industria, es conveniente analizar la secuencia que sigue la energía eléctrica desde que se genera hasta que se consume:

• 1. En primer lugar los generadores eléctricos producen energía eléctrica en las centrales generadoras (térmica, hidroeléctrica, geotérmica y biomasa) produciendo potencias muy elevadas y por tanto grandes corrientes.

• 2. Esta potencia es transformada en otra de mayor nivel de tensión y por lo tanto de menor

• 3. corriente en las estaciones transformadoras, para minimizar las pérdidas en el transporte.

• 4. Para el transporte de esta energía eléctrica hacia los centros de consumo se utilizan las redes de transporte para luego pasarla a las redes de distribución.

• 5. Por último, a partir de estos puntos la tensión se reduce nuevamente a los valores necesitados por los elementos que vayan a conectarse a la red (clientes de media y baja tensión).

Las pérdidas energéticas se producen en todas las partes de una instalación eléctrica. Esto es, generación, transporte, distribución y consumo. Las empresas, para conseguir ahorros, pueden actuar tan sólo sobre su consumo eléctrico, por lo tanto, el ahorro de energía se centrará en los procesos de producción. "La eficiencia de un sistema energético se define como el cociente entre la potencia de salida (que es igual a la potencia de entrada menos las perdidas) y la potencia de entrada al sistema".

1.2.1 Administración de la energía eléctrica

1.2.1.1 Control del consumo de energía eléctrica Los estudios realizados han demostrado que reducir la operación innecesaria del equipo representa un potencial significativo de ahorro de energía eléctrica; es común encontrar luminarias encendidas sin necesidad, máquinas encendidas sin procesar producto, cuartos refrigerados con la puerta abierta, entre otros. Actualmente, los dispositivos automáticos ofrecen tantas ventajas significativas a su contraparte humana; su confiabilidad es mucho mayor, ya que la fatiga, la falta de atención, mala actitud, incapacidad y otras características humanas no entran en juego. La recopilación de información de energía eléctrica en una empresa nos ayuda a:

• 1. Interpretar y controlar las variables energéticas

• 2. Costeo Efectivo del producto

• 3. Generación de indicadores de desempeño y evaluar:

¤ Eficiencia en los procesos ¤ Detección de Anomalías ¤ Nuevas tecnologías

• 4. Reducción de picos de demanda

• 5. Evaluación de proyectos de generación alterna de energía.

1.2.1.2 Controles de Encendido y Apagado Existe una variedad de dispositivos simples y de bajo costo, que usualmente controlan sólo una carga, se pueden clasificar dentro de esta categoría.

• 1. Controles de tiempo, los tipos mecánicos y más recientemente los tipos electrónicos, controlan el encendido y apagado de equipo específico a tiempos preestablecidos durante un día o semana.

• 2. Interlocks, pueden conectarse al cableado del equipo auxiliar de un equipo primario de manera que, por ejemplo, cuando se apaga una máquina de proceso, su ventilador, o iluminación o flujo de agua se suspende automáticamente.

• 3. Relevadores de foto-celda, empleados especialmente para sistemas de iluminación para encender en la oscuridad y apagar cuando la iluminación natural sea adecuada.

• 4. Equipo termostático, que puede tener diferentes puntos de referencia para ciertos períodos del día o de la noche, y pueden reducir el empleo de los equipos de calefacción o refrigeración.

• 5. Sensores infrarrojos de presencia, que perciben la presencia o ausencia humana y pueden apagar o encender la iluminación de un área o algún equipo.

1.2.1.3 Controladores Programables Se emplean principalmente en equipos que tienen cargas cíclicas y sustituyen a los relevadores electromecánicos. También son usados con frecuencia para controlar equipo individual con el método de encendido/apagado o a una hora específica del día. Los equipos típicos disponibles controlan una variedad de puntos. El tiempo de arranque o paro de cada punto puede controlarse individualmente o monitorearse.

1.2.1.4 Control de la demanda máxima El control de demanda es la administración de las principales cargas eléctricas para reducir y establecer un límite máximo a la demanda (kW) durante ciertos períodos de tiempo. Los cargos por demanda máxima representan un componente importante y apreciable de la factura eléctrica. Dependiendo del factor de carga de la planta, los cargos directos por demanda típicamente representan entre 15 % y el 30 % de la facturación. Demanda Máxima Medida Esta es la demanda instantánea registrada por el medidor de la compañía eléctrica sobre cualquier intervalo de 15 minutos. Estos valores medidos de la demanda máxima se registran mensualmente durante el período punta, valle y resto. A. Metodología de control de la demanda i. Recopilación de la información: Es el primer paso de esta metodología, en donde básicamente se debe obtener los datos de la facturación eléctrica y producción de la empresa a analizar, el censo de las principales cargas y sus horarios de operación. ii. Análisis de la información, esto requiere de un análisis histórico de la facturación eléctrica revisando los índices energéticos de un año de la empresa (kWh/producto), comportamiento de la demanda punta, valle y resto, graficar el comportamiento de la demanda y del consumo de energía anual, revisar el perfil de demanda proporcionado para un mes y verificar el comportamiento de la demanda en períodos sin producción. iii. Mediciones. En esta etapa se requiere de equipos de medición apropiados, ya que se realizan mediciones en transformadores y en cada una de las principales cargas, además se realiza un análisis de las mediciones eléctricas y de la operación de estas cargas. iv. Propuesta de control de la demanda, se realiza con base a la información entregada, en donde básicamente se presentarán los nuevos horarios de operación y con ellos se elaborarán los nuevos perfiles de operación ya sea para un día típico o para un fin de semana, con estos se tendrá el nuevo perfil de demanda mensual con la reducción en la demanda máxima y en la demanda facturada. Si se tienen el consumo y demanda de energía eléctrica en cada uno de los horarios de facturación podremos calcular el monto a pagar, dependiendo de la tarifa eléctrica. En el anexo A se encuentra un ejemplo de propuesta de control de demanda. v. Evaluación económica del proyecto. Para esta etapa se requiere de dos aspectos, el primero es la determinación de los beneficios económicos y energéticos, el cual consiste en el ahorro obtenido por las modificaciones sugeridas de cambios de horarios, ajuste de cargas, modificaciones en el contrato de las demandas energéticas, entre otros; el segundo aspecto es la inversión a realizar en el equipo de control que la empresa requiere y/o capacitaciones. B. Equipos para control de demanda Un controlador de demanda básicamente es un dispositivo que actúa sobre una señal, que temporalmente apaga cargas eléctricas predeterminadas, para mantener la demanda máxima bajo control. El controlador, apaga o establece ciclos de trabajo a las cargas cuando la demanda alcanza un valor preseleccionado, o crece a una tasa. El punto prefijado debe ser cuidadosamente seleccionado, para que no se afecte la producción o necesidades de operación. Los controladores automáticos, tienen la posibilidad de manejar diferentes tablas de niveles de acuerdo al día, la fecha, el mes, la estación, o el año. Algunos equipos implementan esquemas de re-conexión y/o conexión anticipada en el caso de demandas bajas y cargas programables de gran "capacitancia". De esta manera, la capacidad de la planta de almacenar energía, se optimiza en forma económica. Existen sistemas para control que van desde un sistema de monitoreo, registro y adquisición de parámetros eléctricos. Este sistema permite cubrir cualquier necesidad de medición eléctrica y control de demanda, ya que ofrece entre otras cosas:

• 1. Control de demanda

• 2. Estado de las cargas en control

• 3. Mediciones en tiempo real

• 4. Registro de eventos de medición y operación

• 5. Manejo de tendencias

• 6. Facturación

• 7. Generación de reportes

1.2.1.5 Control del factor de potencia El factor de potencia se define como el cociente entre la potencia activa o real (útil) y la potencia aparente. Trabajar con un factor de potencia bajo es caro e ineficiente. Las compañías eléctricas imponen recargos adicionales cuando una empresa opera con un factor de potencia inferior a 0.9. Un bajo factor de potencia también reduce la capacidad eléctrica de distribución del sistema porque se incrementa la corriente, causando un aumento de las caídas de tensión. Un bajo factor de potencia es causado por cargas inductivas tales como transformadores, motores eléctricos y lámparas fluorescentes. Son este tipo de elementos los que precisamente consumen la mayor parte de la energía en la industria. Los principales beneficios que conlleva la mejora del factor de potencia son:

• Reducir la factura de la compañía eléctrica. Debido a las modificaciones realizadas en los equipos y a la eliminación de multas.

• Aumento de la capacidad de transmitir energía útil en el sistema eléctrico. Un factor de potencia incorrecto causará pérdidas de potencia en el sistema de distribución y provocará caídas de tensión lo que puede causar sobrecalentamiento y fallos prematuros en motores y otros equipos con carácter inductivo.

Algunas de las estrategias más utilizadas para corregir el factor de potencia son:

• 1. Minimizar la operación de motores sin carga o con baja carga.

• 2. Evitar que los equipos operen por encima de su tensión nominal.

• 3. Sustituir los motores convencionales por motores de alta eficiencia. No obstante, aun los motores de alta eficiencia deben operarse a su capacidad óptima.

• 4. Instalar banco de capacitores en el circuito de corriente alterna para disminuir la magnitud de la potencia reactiva.

A continuación, se presenta un ejemplo de cálculo de la capacidad del banco de capacitores para mejorar el factor de potencia. Ejemplo. Se quiere averiguar la capacidad de un condensador necesario en kVA, para una potencia de 410 kW con un 0.73 de factor de potencia inicial. Se busca un factor de potencia final de 0.95.

En la gráfica anterior se observa la intersección de la fila del factor inicial 0.73 y la columna del factor de potencia final 0.95, entonces se obtiene el factor multiplicador necesario: 0.607. Multiplicando 410 por 0.607 se tienen 248.87 kVA. Por lo tanto se utilizará un condensador estándar de 250 kVA para corregir el factor de potencia.

1.2.2 Refrigeración Los equipos de refrigeración son sistemas generadores de frío destinados fundamentalmente a tareas de conservación de alimentos y creación de hielo. Su principio de operación es similar al de los equipos de aire acondicionado, pero en lugar de enfriar un espacio abierto, absorben el calor de una cámara en donde se encuentran los elementos que se requieran refrigerar. Los principales sistemas de refrigeración comerciales empleados en la industria y servicios son:

• 1. Cámaras frigoríficas

• 2. Congeladores

• 3. Máquinas de hielo

• 4. Expendedores de bebidas y máquinas de vending

Estos equipos pueden llegar a suponer más del 30 % del consumo energético en muchos establecimientos, puesto que operan usualmente 24 horas al día y tienen vidas útiles de más de 10 años. Es por ello que incluso pequeños ahorros energéticos obtenidos del sistema pueden rentabilizarse rápidamente.

1.2.2.1 Mejora de las condiciones de operación La mejora de las condiciones de operación son medidas de bajo o nulo costo que alargan la vida útil de los equipos y no implican necesariamente ahorros despreciables. Con un buen mantenimiento se puede alcanzar hasta un 25 % de reducción de los costos de operación. Este mantenimiento debe incluir:

• 1. Des-escarchado de los serpentines del evaporador y limpieza del condensador.

• 2. Realización de una inspección frecuente de cada uno de los componentes del sistema como compresor, motor, etc.

• 3. Comprobación de la cantidad de gas en el circuito de refrigeración.

Un buen aislamiento es requerido en los equipos de refrigeración, ya que la producción de frío es usualmente más cara que la de calor. Es necesario la revisión de:

• 1. La línea fría del refrigerante en el sistema está correctamente aislada.

• 2. Las puertas de las cámaras están cerradas. Existen detectores que avisan cuando las puertas se quedan abiertas. Si no se desea realizar la inversión, unos carteles que recuerden que las puertas deben cerrarse siempre, pueden ser también útiles.

• 3. Existen juntas para conseguir un cierre hermético de las puertas. Estas juntas deben revisarse periódicamente para comprobar su estado.

• 4. Las cámaras frigoríficas deben estar lo más lejos posible de áreas calientes. De nada sirve una cámara muy potente si el ambiente que la rodea está demasiado caliente. Si esto no es posible, el espesor de aislamiento debe ser especialmente grande para que las pérdidas no sean excesivas.

• 5. En el caso de que exista más de un equipo de refrigeración, la colocación proximal de uno con otro puede disminuir la superficie de contacto con el ambiente y reducir los consumos.

1.2.2.2 Mejora en la eficiencia de los equipos. El cambio de algunas piezas del sistema de refrigeración existente puede mejorar significativamente el rendimiento global de la instalación. Los ahorros varían entre un 1 y un 20 %, dependiendo de la tecnología empleada. A continuación se detalla una serie de equipos que pueden mejorar la eficiencia de los equipos.

• 1. Existen ventiladores de alta eficiencia para el evaporador y condensador que necesitan menos energía para operar y generan menos calor, por lo que reducen la carga a refrigerar. El ahorro potencial de energía se estima entre el 3 y 15 %.

• 2. También hay sistemas de compresión de alta eficiencia que permiten ahorros entre el 6 y el 16 %, dependiendo del equipo de refrigeración empleado.

• 3. Los amplificadores de presión de la línea líquida son pequeñas bombas de refrigeración situadas después del condensador, que aumentan la presión del refrigerante líquido antes de entrar a la válvula de expansión. Este aumento de presión proporciona un sub-enfriamiento del refrigerante, mejorando la eficiencia del sistema. Pueden ahorrar hasta un 20 %.

• 4. Una iluminación eficiente como lámparas fluorescentes tipo T-8 o balastros electrónicos, pueden reducir el consumo eléctrico y la carga de refrigeración en el compresor. Los ahorros pueden llegar hasta el 10 %. Ahorros adicionales pueden conseguirse mediante la instalación de controles de iluminación, que apagan las luces cuando no se utilizan.

• 5. La escarcha que se produce en las paredes de cámaras frigoríficas, congeladores, etc. disminuye la transferencia de calor y aumenta considerablemente el consumo energético. Los sistemas eficientes anti-escarcha mejoran el ciclo de des-escarchado, identificando la caída de temperatura presión del evaporador o midiendo la acumulación de escarcha y detectando la humedad. Estos sistemas son más eficientes que los que inician el des-escarchado siguiendo ciclos programados. Los ahorros varían entre el 1 y 6 %.

La siguiente tabla resumen muestra los ahorros energéticos conseguidos en la utilización de los dispositivos comentados.