Cuando las empresas deciden transformar digitalmente sus operaciones, el objetivo clave a menudo es reducir los costos mediante el incremento de los resultados y el rendimiento, la reducción del desperdicio de materiales y la disminución del tiempo de inactividad de los equipos. Por lo tanto, los equipos y procesos de fabricación se optimizan principalmente en términos de producción y rendimiento.
La necesidad de evaluar la eficiencia energética utilizando las tecnologías de la Industria 4.0 es imperiosa, sobre todo porque la industria consume casi el 41,8 % de toda la electricidadi, lo que aporta una cantidad no insignificante a los costos operativos. Esa conciencia de costos ha existido durante algún tiempo y los fabricantes estadounidenses lograron disminuir su intensidad energética de manufactura en un 26 % mientras aumentaban la producción bruta de fabricación en un 12 % de 1998 a 2018ii.
Sin embargo, la novedad es un desafío doble para la industria: satisfacer la demanda de energía en constante aumento y limitar las emisiones de carbono que ni siquiera son una parte integral de la conversión de materias primas en productos terminados. En los Estados Unidos, el Departamento de Energía (DoE) está promoviendo y apoyando la importancia del desempeño energético para impulsar la rentabilidadiii. La Unión Europea, por su parte, ha propuesto actualizaciones de su Directiva de Eficiencia Energética (EED) a fin de cumplir con los nuevos objetivos para 2030. La EED impulsa el ahorro de energía en los sectores de uso final, incluidos los edificios, la industria y el transporte, al exigir auditorías energéticasiv. Las empresas, que buscan reducir costos y establecer sus credenciales ecológicas, obtienen la certificación de sus operaciones según ISO 50001, que exige el uso de sistemas de administración de energía (EMS) y la implementación de auditorías de energía.
Si bien no existe un sustituto para equipos eficientes y fuentes de energía renovables, la fabricación inteligente ofrece varias herramientas que se pueden usar para monitorear, evaluar y administrar el uso de energía a fin de optimizar aún más las operaciones en términos de consumo de energía.
Monitoreo de energía y sensores
El enfoque tradicional para el monitoreo de energía en las operaciones de fabricación se puede resumir de la siguiente manera: los fabricantes advierten sus costos de energía a partir de la factura de servicios públicos cuando no pueden relacionar con seguridad la información de consumo de energía con la información operativa y, por lo tanto, tienen poco control sobre la eficiencia energética.
El método más directo para mejorar la eficiencia energética de una instalación es monitorear y comprender cómo funcionan los activos, lo que incluye los equipos de proceso y las fuentes de alimentación. Esto es posible gracias al uso inteligente de sensores en red para informar a los sistemas de EMS y análisis de qué forma exactamente cada activo alimentado utiliza la energía. Los principales tipos de sensores que realizan este trabajo incluyen medidores de potencia o, para mayor flexibilidad, sensores de tensión y corriente. La información de este último elemento se combina como tensión × corriente × tiempo para obtener energía.
Otros sensores, como sensores de temperatura, presión y flujo de gas, que recopilan datos sobre las condiciones del proceso, informan a las organizaciones sobre la energía necesaria para lograr parámetros de proceso óptimos. Esto les permite desarrollar indicadores clave de desempeño y generar mejores pronósticos operativos.
Calidad de energía
Monitorear el consumo de energía en puntos específicos del flujo del proceso o en cada equipo puede revelar información sobre la calidad de la energía que se suministra. Por ejemplo, los motores industriales ofrecen una carga inductiva al suministro que genera una tensión de retardo actual y, por lo tanto, reduce el factor de potencia (PF). Un PF bajo significa que se necesita suministrar un voltamperio (de tensión × corriente) o una potencia aparente mucho mayor para la cantidad necesaria de potencia real medida en kilovatios que realiza el trabajo actual.
Si no se corrige el factor de potencia, la instalación puede experimentar fluctuaciones de tensión y ruido armónico cada vez que cambia el estado del equipo. Las cargas reactivas también disipan la potencia reactiva en condiciones sin carga y reducen la eficiencia energética. Otro problema es que el factor de potencia y los armónicos cambian con el estado operativo del equipo y la interacción de las cargas reactivas entre sí.
La solución radica en la detección de la ubicación y las condiciones operativas en la planta de fabricación donde surge un bajo PF. Esto, junto con el análisis de datos, permite la determinación de elementos reactivos adecuados, como componentes capacitivos para cargas inductivas, y su incorporación donde, e incluso, cuando se necesiten.
Perspectivas a partir del análisis de big data
Los sistemas de monitoreo de energía extraen más valor de los datos de consumo de energía de lo que sería posible de otra manera. En combinación con herramientas analíticas e inteligencia artificial (IA), generalmente basadas en la nube, es posible conocer los patrones y las tendencias en el consumo de energía, junto con los parámetros del proceso. Además, estos datos se vuelven accionables. Los beneficios incluyen:
1. Optimización de la energía: los consumidores de energía a gran escala a menudo pagan una tarifa basada en su demanda máxima dentro del período de facturación. Los picos de consumo de energía a corto plazo pueden generar costos desproporcionadamente más altos. Los conocimientos de los sistemas de administración de energía permiten que las instalaciones optimicen el consumo de energía al "reducir los picos". Esto se puede hacer, por ejemplo, modificando los procesos de producción para reducir la corriente de irrupción exigida por el arranque simultáneo de varias máquinas.
2. Gestión de las instalaciones: los datos de supervisión colaboran con la gestión remota de las instalaciones al informar a los planificadores de producción acerca del estado en tiempo real, lo que incluye la detección de tiempos de actividad e inactividad.
3. Detección de fallas: el monitoreo de energía y el análisis de los datos resultantes también pueden suministrar información importante sobre el estado del equipo. Por ejemplo, los patrones anómalos de consumo de energía indican condiciones de funcionamiento inseguras o averías inminentes del equipo. Un tiempo de inactividad planificado para el mantenimiento es mucho mejor para la eficiencia operativa.
4. Recalibración de procesos: debido a que el alto rendimiento a menudo compromete la confiabilidad y la eficiencia energética, el análisis de datos puede ayudar a optimizar el rendimiento para lograr compensaciones razonables con los otros factores. La recalibración del proceso puede aumentar tanto el rendimiento como la productividad, al mismo tiempo, que reduce el consumo de energía.
Esta lista representa evaluaciones dinámicas, ajustes y beneficios debido a que la carga eléctrica del equipo no es fija. Varía con los cambios en los parámetros del proceso; aumentos periódicos en el rendimiento para satisfacer la demanda, plazos de comercialización o presiones competitivas; expansión y modernización continua de las instalaciones; desarrollo de nuevos procesos; y cambios en los estándares de eficiencia energética. Sin análisis continuos y en evolución, es difícil mantener las certificaciones de eficiencia y los costos de energía objetivo.
Mejorar las operaciones con inteligencia
La frase "fábrica inteligente" evoca imágenes de activos cargados de sensores, análisis en la periferia, aprendizaje automático, control automatizado de robótica, y análisis y simulaciones de tendencias impulsadas por IA. Eso hace que los responsables de la toma de decisiones empresariales teman la necesidad de tener que realizar gastos de capital para la transformación digital.
Sin embargo, actualizar las instalaciones existentes para recopilar datos de energía es relativamente fácil de lograr. Incluso la robótica semiautomática que se usa comúnmente en la fabricación actual puede ofrecer datos de energía para correlacionarlos con la información del proceso.
Los módulos sensores de corriente y tensión se fijan fácilmente al equipo. El acondicionamiento de señales, los convertidores analógicos/digitales y las redes 5G pueden conectar rápidamente el hardware de tecnología operativa a las herramientas de EMS implementadas en la infraestructura de TI existente.
Aunque siempre se desea una mayor eficiencia energética, esto no ha sido el motivo principal de los despliegues de la Industria 4.0. Sin embargo, el monitoreo de energía y la potencia analítica de las soluciones de bajo costo y fácil implementación son un punto de partida ideal para la transformación digital de una empresa. La nueva inteligencia de esas implementaciones puede generar ahorros significativos en las facturas de energía y facilitar las auditorías y la certificación de las instalaciones según los estándares de eficiencia.
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iIEA. “Key World Energy Statistics 2021.” www.iea.org/reports/key-world-energy-statistics-2021/final-consumption
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iiiU.S. DoE, Advanced Manufacturing Office. www.energy.gov/eere/amo/advanced-manufacturing-office
ivEuropean Commission. “Energy efficiency directive.” energy.ec.europa.eu/topics/energy-efficiency/energy-efficiency-targets-directive-and-rules/energy-efficiency-directive_en