"Los economistas modernos no obtienen sus recompensas y premios por estar preocupados por la energía, y las sociedades modernas se preocupan por ella solo cuando el suministro de cualquier forma de energía comercial principal se ve amenazado y los precios se disparan". Cómo funciona el mundo (How the World Really Works), Vaclav Smil
La transformación digital y las mejores prácticas de la Industria 4.0 están ayudando a muchas industrias a enfrentar la crisis energética actual. Muchos fabricantes no podrían haber sobrevivido al aumento del costo de la electricidad y el gas sin la automatización y la administración de potencia habilitada digitalmente.
Las industrias ahora usan más robots, fábricas oscuras y sensores de ocupación. Además, las fábricas inteligentes equipadas con la más reciente tecnología inalámbrica pueden gestionar de forma remota la maquinaria y el transporte. Además, muchas fábricas ahora tienen paneles solares, ventanas fotovoltaicas, sensores de ocupación y otras tecnologías de ahorro de energía.
El surgimiento de la "fábrica oscura"
La frase "fábrica oscura" indica una instalación de fabricación en la que no están presentes las personas que necesitan luz para su trabajo y, en teoría, podrían funcionar sin iluminación, es decir, en la oscuridad. Esto se conoce como "fabricación con luces apagadas". Detrás de esto está la idea de que una producción automatizada por completo puede ocurrir únicamente mediante la implementación de tecnologías emergentes, como la nube, el aprendizaje automático, la inteligencia artificial (IA) y los gemelos digitales.
Las fábricas oscuras están automatizadas en su totalidad y no requieren presencia de personas en el lugar. Todo el proceso de producción, desde la entrega de las materias primas en la fábrica hasta la entrega de los productos terminados, se lleva a cabo íntegramente a través de máquinas controladas de manera automática.
El reconocimiento de imágenes y el aprendizaje automático ahorran energía y costos al optimizar el control de la calidad y la producción
Las nuevas tecnologías de inteligencia artificial, como el aprendizaje automático y la informática periférica, ayudan a detectar problemas de calidad e interrupciones en la producción. Se ha demostrado que el procesamiento de imágenes mediante aprendizaje automático es mucho más eficiente y preciso que la inspección humana tradicional. Esto ayuda a reducir el tiempo de inactividad y el desperdicio de productos, por lo que ahorra tiempo y energía.
Además, al combinar los principios de economía circular con la información generada por miles de millones de dispositivos inteligentes conectados, esto permite la innovación y el consumo sostenible, lo que prolonga la vida útil del producto y ayuda a crear un uso secundario para ellos.
Las energías renovables resultan útiles, pero están alterando las operaciones tradicionales de ahorro de energía
Hasta hace poco, era una práctica común en las industrias que consumen mucha energía operar fuera de las horas de máxima demanda para beneficiarse con las tarifas eléctricas más bajas. Muchas fábricas que consumen gran cantidad de energía optan por trabajar de noche para obtener el beneficio de las tarifas eléctricas más asequibles. En algunos casos, las empresas de servicios públicos les pagaban a esas industrias para que usaran el excedente de energía que, de lo contrario, se desperdiciaría.
Debido a la pandemia y la crisis energética actual, esto ha cambiado de manera drástica. En la actualidad, especialmente en Europa, la tarifa de electricidad más económica puede ocurrir en cualquier momento del día.
Una de las razones es el aumento de la generación de energía mediante energía solar. Dado que los paneles solares solo funcionan durante el día, su afluencia hacia la red hace que los precios bajen y que, por la noche, vuelvan a subir. Además, la misma situación puede revertirse en lugares con gran capacidad de turbinas eólicas.
Por lo tanto, para optimizar la oportunidad de beneficiarse con las tarifas más económicas, las fábricas deben ser sumamente eficientes y flexibles en sus operaciones.
Utilización de redes sensibles al tiempo (TSN) y comunicación inalámbrica
Conectar máquinas, vehículos, edificios y operaciones es un pilar clave de la Industria 4.0. Supervisar y controlar de manera remota todos los aspectos del proceso de fabricación permite aumentar la eficiencia, predecir fallas, mejorar la seguridad y admitir el mantenimiento predictivo.
No obstante, si bien resulta altamente eficiente y confiable, el hecho de depender de nuevas tecnologías como las redes privadas 5G puede aumentar de forma significativa el consumo de energía. Si la conexión inalámbrica es la única opción, los estándares LPWAN como LoRaWAN o Zigbee son mucho más eficientes en términos de energía que las redes celulares.
Si bien las comunicaciones inalámbricas ahora se elogian por ser la forma más rápida de conectar muchos dispositivos, maquinaria y otros activos en la fábrica, la clave para la administración de energía consiste en usar soluciones de CC/CC de alta eficiencia, lo que garantiza que los procesadores permanezcan en un modo de espera de bajo consumo tanto como sea posible y reduzcan al mínimo las comunicaciones inalámbricas.
En la actualidad, Ethernet está reemplazando a los buses de campo debido al auge de los nodos de sensores necesarios para la Internet Industrial de las Cosas (IIoT). Sin embargo, Ethernet presenta una desventaja, ya que agrega latencia y no es determinista. Por lo tanto, como IIoT requiere un sistema determinista, la solución es usar redes sensibles al tiempo (TSN) dado que proporcionan una ruta de alta prioridad para datos críticos en el tiempo. Las TSN podrían prevenir los daños a las máquinas con comunicación en tiempo real, lo que evitaría tiempos de inactividad y ahorraría dinero.
Además, las TSN pueden proporcionar conectividad de banda ancha y un transporte de paquetes garantizado con baja latencia limitada, baja variación de retardo de paquetes y baja pérdida de paquetes a través de una sola conexión Ethernet de par trenzado. Las TSN crean una tecnología básica estandarizada dentro del marco de IEEE 802.1 para calidad de servicio (QoS) garantizada y mayores demandas en Ethernet. Esto solo afecta la comunicación OSI de Capa 2 y no la interfaz de usuario.
La fabricación distribuida y la impresión en 3D permiten un mayor ahorro de energía y una producción más sostenible
La impresión en 3D para la industria permite la producción de numerosas estructuras geométricas y simplifica el proceso de diseño del producto; y también es relativamente respetuosa con el medio ambiente. La impresión en 3D puede reducir los plazos de entrega y los costos totales de manufactura en una producción de volumen bajo a medio.
A diferencia de la fabricación tradicional, el costo por unidad no depende del volumen. La impresión en 3D también permite que se produzcan las mismas piezas con exactamente las mismas especificaciones en cualquier parte del mundo, lo que ahorra el costo adicional y el consumo de energía para el transporte, y esto permite que la producción sea más sostenible. Además, a medida que las impresoras 3D industriales se vuelven más rápidas y asequibles, la necesidad de almacenamiento y grandes inventarios se vuelve menos crítica, ya que las piezas se pueden fabricar bajo demanda.
Según HP, las series de producción de menos de 100 000 unidades de la misma pieza se pueden imprimir en 3D a nivel local y sin incurrir en costos adicionales, lo que ahorra tiempo y admite cambios rápidos. También es una forma mucho más sostenible de fabricar productos, ya que las impresoras 3D utilizan solo una fracción de la energía en comparación con los procesos tradicionales de moldeo por inyección.
"El hecho de que la Industria 4.0 permita económicamente la fabricación distribuida significa que podemos cambiar la forma en que se crean y distribuyen los productos", explicó Ramón Pastor, vicepresidente y gerente general de Impresión en 3D de HP en una entrevista con IoT Times. "Hay algunas estimaciones de que hasta la mitad del combustible (fósil, en este caso) consumido en el mundo se usa para transportar productos desde donde se producen hasta donde se consumen. En este sentido, la combinación de la Industria 4.0, la fabricación digital y la impresión en 3D nos permite cambiar este paradigma y pasar a la fabricación distribuida, que en esencia consiste en fabricar lo que se necesite, en el momento en que se lo requiera y en el lugar donde exista esa demanda."
Durante el último siglo, gracias a los combustibles fósiles, nuestro mundo ha disfrutado del crecimiento industrial más extenso de la historia, alimentado por el acceso ilimitado a energía asequible, aunque contaminante. Hoy en día, cuando enfrentamos los efectos del cambio climático y a los nuevos conflictos regionales, es fundamental que cambiemos a fuentes de energía limpia y reduzcamos el consumo energético.
Las industrias tradicionales necesitan de manera urgente adoptar las mejores prácticas y las tecnologías de la Industria 4.0 para enfrentar la crisis energética a fin de competir y sobrevivir.
