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Incremento de la efciencia estacional de los usossignifcativos de energia mediante el controloperacional del desempeño energético.
Juan Carlos Campos Avella; Herlin Moreno Puello;Lourdes Meriño Stand
Introduccin
La efciencia energética de los equipos mayores consumidoresde energia en las empresas puede ser determinada de dos
ormas, mediante la efciencia en condiciones estacionarias o
instantánea o mediante la efciencia estacional u operacional.
La efciencia en condiciones estacionarias considera que los
parámetros operacionales del equipo son constantes en el
tiempo y por lo tanto no es capaz de determinar la inuenciade la variabilidad operacional y el estado técnico del equipo
en el incremento de su demanda de energia. Por ello un
análisis de la efciencia en condiciones estacionarias casi
siempre resulta en medidas de cambios tecnológicos del
equipo para reducir su demanda y muy pocas vecesrecomienda meoras del control operacional o de la gestión
del mantenimiento.
La efciencia estacional del equipo es aquella que tiene en
cuenta los eectos de la variabilidad operacional en el
incremento de la demanda energética. La misma considera elimpacto de las paradas, los arranques, los cambios de carga,
el trabao a cargas parciales o con el equipo principal apagado
y el deterioro de condiciones técnicas que dependen deltiempo de operación, en la efciencia global del equipodurante un ciclo de operación t!pico.
Las dierencias entre el valor de la efciencia estacionaria y la
efciencia estacional de los equipos altamente consumidoresde energ!a es signifcativamente alta. "n el caso de
#
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generadores de vapor esta dierencia puede ser entre #$%#&
puntos, menores para la efciencia estacionaria que la
efciencia instantánea. Para los sistemas deacondicionamiento de aire las dierencias entre el '(P
instantánea y el )'(P estacional también son signifcativas ,ocurriendo que la cantidad de calor absorbido en elevaporador por unidad de energ!a eléctrica suministrada al
sistema, puede ser estacionalmente * veces inerior que en la
evaluación instantánea que entrega el abricante.
"sta situación conduce a una oportunidad de reducción de lademanda de energ!a trabaando sobre el incremento de las
efciencias estacionales de los equipos, con la ventaa
adicional que esta labor no requiere de grandes inversionespara los cambios tecnológicos en los mismos, sino de una
metodolog!a sistemática para la meora de su controloperacional.
Metodolog!a para el incremento de la efcienciaestacional mediante el control operacional deldesempeño energético.
)e requiere una metodolog!a espec!fca para implementar un
control operacional que incremente la efciencia energéticaestacional de los usos signifcativos de energia de una
empresa. "llo se debe a que las e+presiones t!picas dedeterminación de efciencia energética no pueden usarse para
el cálculo, ya que no tienen en cuenta la variabilidad de los
parámetros operacionales y del estado técnico delequipamiento sobre este indicador.
La metodolog!a propuesta permite controlar la variabilidad de
la demanda de energia de un equipo actuando sobre lasvariables operacionales y de gestión del mantenimiento que
impactan signifcativamente el consumo energético.
Los pasos metodológicos son los siguientes
#. -efnir un per!odo base.
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*. -efnir una muestra de datos m!nima correspondiente alper!odo base seleccionado.
. "stablecer las variables operacionales y demantenimiento signifcativas en el consumo de energ!a.
/. 0oma de datos&. 1iltrado de variables signifcativas2. 1iltrado de datos3. Linealización del modelo de comportamiento de la
demanda de energia en el uso signifcativo de energia.4. 5dentifcación de los criterios operacionales de control.6. )eguimiento y monitoreo de los criterios operacionales
#$. "valuación de resultados.
"efnicin del per!odo #ase
"l per!odo base es el periodo que se toma como reerencia
para establecer el nivel de variabilidad de la demanda
energética que se desea reducir y también el potencial al cualpuede ser reducido. "ste per!odo debe reear el
comportamiento c!clico del proceso para tener en cuenta la
inuencia de todas las variables potenciales sobre el consumode energ!a. Por eemplo para procesos en que la estación del
a7o inuye en la demanda, el periodo t!pico es un a7o.
8n elemento importante del per!odo base es determinar larecuencia de tiempo de los datos de este per!odo, pues de
esta recuencia depende el n9mero de datos potenciales de la
población total. ". Para una recuencia diaria de un per!odoanual, la población de datos es de 2&, pero para una
recuencia mensual es de #*. :eneralmente el control
operacional se realiza en una empresa en una recuencia
;oraria, por tanto la población de datos para este caso es de432$, pero también puede ser por turnos de trabao u otra
recuencia.
"efnir la muestra de datos m!nima.
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La muestra de datos m!nima es aquella cantidad de datos del
per!odo base que me permite obtener un modelo lineal
univariable o multivariable del comportamiento del consumode energia, que sea signifcativo con respecto a sus variables
independientes y con un nivel de confanza y de precisiónsufcientemente alto. 8na orma de estimar inicialmente unacantidad de datos que garantice estas condiciones es
determinar esta cantidad de la ecuación que determina el
error t!pico de un modelo < #=
8na vez obtenido el valor m!nimo de datos de la población delperiodo base seleccionada se defnen las variables
signifcativas que aectan el consumo de energia.
"eterminacin de las varia#les signifcativas $uea%ectan el consumo de energia.
Las variables signifcativas se clasifcan en
• Variables que no dependen de la operación y del mantenimiento Ej.
producción realizada; grados día de refrigeración, tipo de materia prima,etc…
• Variables que dependen de la operación y el mantenimiento Ej.
Relación airecombustible de un quemador; frecuencia del r!gimen de
purgas de una caldera de "apor; frecuencia de limpieza del filtro de
admisión de aire de un compresor de aire et…
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• Variables est#ticas Ej. $quellas que condicionan el consumo de energia
pero no "arían en el tiempo Ej. %ipo de motor &de baja eficiencia'; rpm
del motor &(ijas'; %ipo de luminaria; )ne*istencia de superficies
recuperati"as de calor &en calderas de "apor'; tambi!n pueden ser
condiciones operacionales limites por factores de seguridad oambientales operacional Ej. + de - de gases a la salida del orno
límites.La identifcación de estas variables se realiza por análisis
teórico del proceso que ocurre en el uso signifcativo de
energia a controlar.
&oma de datos
La toma de datos es una de las etapas más importantes yaque de ello depende la calidad y eectividad del controloperacional. Los elementos a tener en cuenta son
• /a cantidad mínima de datos a tomar es el "alor determinado de la
muestra mínima multiplicado por 01 y por un factor de seguridad que
me permita realizar un filtrado de datos estadístico posterior y
mantenerme en ese rango. - sea, la cantidad de datos a tomar puede ser2
n1 3 0134,05
• /os datos deben cumplir la cualidad que deben estar adecuadamente
distribuidos en todo el período de la población. 6i la población es de un
a7o, no deben estar concentrados al inicio o al final del a7o.• /os datos deben corresponder a la frecuencia de tiempo con que se
determinó la población.
• Es necesario tomar datos de2 todas las "ariables clasificadas como
independientes de la operación y del mantenimiento; todas las "ariables
clasificadas como dependientes de la operación y del mantenimiento.
'iltrado de varia#les signifcativas
La selección de las variables signifcativas se ;a realizado poranálisis del proceso, pero su confrmación requiere de aplicaruna prueba de ;ipótesis sobre si su inuencia sobre el
consumo de energia es realmente signifcativo o no.
Para esto se aplica la prueba de ;ipótesis denominada P%
value. "sta prueba consiste en determinar si la probabilidad
&
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de que las variaciones de la variable seleccionada no inuye
sobre las variaciones del consumo de energia, es nula o no.
'uando el valor de probabilidad es menor de $,$& seconsidera que la ;ipótesis es nula y por lo tanto la variable si
eerce inuencia.Para aplicar la prueba se utiliza cualquier ;erramientaestad!grao como ">'"L de ?icrosot (@ce, )0A0:BAPC5')
Plus
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Para fltrar los datos tomamos la inormación de consumo de
energ!a y de cada variable signifcativa que no dependen de la
operación y del mantenimiento # G m*F >* GHmn F >n G b
(btenemos el valor del error t!pico y del coefciente de
determinación r* de este modelo. "l error t!pico y el
coefciente de determinación pueden obtenerse aplicando elmétodo P%value anteriormente descrito, a los datos de
consumo y de las variables signifcativas involucradas en el
modelo.
"l proceso de fltrado de datos se realiza solo si el coefcientede determinación obtenido del modelo lineal es inerior a
$,3&, en caso contrario, indicar!a una relación muy uerte
entre las variaciones de las variables que no dependen de laoperación y del mantenimiento y las variaciones del consumo
de energia. )i esto ocurre el modelo lineal obtenido
representa adecuadamente el comportamiento lineal de lasvariaciones del consumo de energia con estas variables.
"n el caso que r*I$,3& se realiza un proceso de e+tracción dela muestra de aquellos datos reales de consumo más aleadosdel valor de consumo estimado seg9n el modelo lineal
obtenido. "l procedimiento para la e+tracción es comenzar
con una rontera superior e inerior de z veces el error t!pico
D G zF error t!picoJ D K zF error t!pico
D% valor estimado por el modelo de regresión lineal.
"l primer valor de z es un valor donde todos los datos de lamuestra se encuentren dentro de esa rontera.
Al reducir el valor de z se va estrec;ando la rontera ;asta
encontrar uno o más valores reales de D, que se salgan de la
rontera. "sos valores son eliminados de la muestra y con losvalores que quedan en la muestra se vuelve a determinar el
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'uera de primera %rontera
valor del coefciente de determinación r*. "ste proceso se
repite ;asta que ocurra cualquiera de estas condiciones
• El "alor de r0 89 1,:5
• El nmero de datos de la muestra disminuye a un "alor igual a no 3 01
(currida una de estas condiciones los datos que queden en la
muestra es la muestra de datos fltrada.
1ig. #. ?uestra del proceso de fltrado de datos
Lineali(acin del modelo de comportamiento de lademanda de energia en el uso signifcativo de energia.
'onocemos que el comportamiento del consumo de energia
en los procesos no es lineal, pero partimos de la ;ipótesis de
que puede ser linealizado.
La base de esta ;ipótesis radica en que generalmente todo
consumo de energ!a de un proceso estacional se compone deuna parte fa y una parte variable. La parte fa es aquella
parte del consumo que no depende de la variableindependiente de la operación o el mantenimiento, ". La
producción en un proceso productivo.
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"sta parte fa puede ser, en una l!nea de producción, la
iluminación, la ventilación, el consumo en vac!o de los
motores eléctricos, las pérdidas energéticas que no dependende la cantidad de producción realizada < perdidas por
traserencia de calor al medio, pérdidas por ricción=etcHLa parte variable del consumo de energ!a es aquella asociadaa la cantidad de producto realizado. "s la cantidad de energia
necesaria para trasormar una materia prima en un producto
elaborado o semielaborado y también la que se encuentra
asociada a las pérdidas que dependen de la cantidad deproducto realizado ". "nerg!a perdida en rec;azos,
reprocesos, etcH
La parte variable de la energ!a puede tener uncomportamiento no lineal, pero siempre podrá trasnormarse
matemáticamente como una constante multiplicada por la
variable, ya que la energ!a teórica requerida para transormaruna unidad de sustancia es generalmente constante, a unas
condiciones dadas, y los procesos productivos generalmente
se realizan a condiciones establecidas y estacionarias deproducción.
"sta ;ipótesis puede ser rec;azada o aprobada al utilizarmodelos estad!sticos de linealización que cuentan con
dierentes métodos para poder verifcar el grado deapro+imación del modelo al comportamiento real y la
capacidad de estimación del mismo en situaciones uera de la
muestra de datos, utilizada para establecerlos.
8na vez defnida la muestra fltrada de la inormación del
consumo de energia y las variables independientes de la
operación y el mantenimiento que inuyen signifcativamenteen las variaciones del consumo, se linealiza el modelo del
comportamiento de estas variaciones, utilizando el método de
modelo de regresión, ya que nuestro obeto es intentarpredecir el comportamiento del consumo de la energ!a a partir
de otras variables del proceso.
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Para aplicar el modelo de regresión lineal univariable o
multivariable utilizamos la ;erramienta P%value. "sta
;erramienta nos puede indicar los siguientes atributos delmodelo
• oeficiente de determinación del modelo r0, que me indica la magnitud
de la relación de los cambios de las "ariables independientes del modelo
con los cambios en el consumo de energia
• oeficiente de determinación corregido r0, que es una corrección a la
baja de r0 y que depende del nmero de datos utilizados para elaborar el
modelo y la cantidad de "ariables independientes que inter"ienen en el
mismo.
• Error típico del modelo que representa la medida de cuanto se separa la
estimación del consumo de energia del modelo para un "alor de las
"ariables independientes del "alor real del consumo.• oeficientes de regresión, que representan el coeficiente de las "ariables
independientes del modelo lineal y el "alor del inicio del modelo de
regresión. /os coeficientes de las "ariables independientes significan la
razón de cambio del consumo de energia por unidad de "ariación de la
"ariable independiente y el origen del modelo representa el incremento
fijo que sufre el consumo de energia o el consumo de energia base que
no depende del cambio de las "ariables independientes.
•
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La aplicación del método P%value y la verifcación de los
atributos del modelo de regresión lineal univariable o
multivariable nos lleva a una ecuación que representa elcomportamiento del consumo de energia con la variación de
las variables del proceso, que son independientes de laoperación y del mantenimiento del tipo general
'onsumo de energia unidad de tiempo E
• = consumo fijo de energía unidad de tiempo >
• ?4 consumo de energía por unidad de la "ariable independiente $43
unidades de $4 unidad de tiempo >
• ?0 consumo de energia por unidad de la "ariable independiente $0 3
unidades de $0 unidad de tiempo >
• ?@ consumo de energia por unidad de la "ariable independiente $@3unidades de $@ unidad de tiempo >
•
• ?n consumo de energia por unidad de la "ariable independiente $n3
unidades de $n unidad de tiempo.
"sta ecuación cuenta con atributos de coefciente de
determinación r* y una relación signifcativa no casual con las
variables independientes consideradas en el mismo.
"ste modelo obtenido debe interpretarse correctamente ya
que las variables independientes de la operación y del
mantenimiento utilizado para predecir el consumo de energiano son las 9nicas variables signifcativas que inuyen en el
consumo de energ!a. -eliberadamente no ;emos incluido en
el modelo las variables signifcativas que si dependen de laoperación y del mantenimiento y que seguramente pueden
tener una inuencia en el consumo de energia.
"l valor del coefciente de determinación del modelo puede
ser un indicador de cuanto pueden impactar el resto devariables no consideradas a ormar parte del modelo. )i el
valor de r* es $,4&, puede signifcar que el resto de variables
no consideradas en el modelo ;an inuenciado las variacionesdel consumo de energia en un #&M, mientras las
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consideradas, lo ;an ;ec;o en un 4&M. "sto signifca que la
dispersión del valor real del consumo de energia con respecto
al valor estimado del modelo se debe a la inuencia de lasvariables que si dependen de la operación y del
mantenimiento y que no ;emos considerado en el modelo.-ebido a que esta variabilidad del consumo de energia seproduce tanto al incremento del consumo de energia con
respecto al valor del modelo, como al decremento del mismo,
podemos identifcar cuando las variables que si dependen de
la operación y del mantenimiento ;an inuenciado para que elconsumo sea inerior al valor medio estimado, por aquellas
variables sobre las cuales no podemos actuar.
"sto nos pone en una posición de poder identifcar losparámetros operacionales y de mantenimiento que producen
a;orros de energia en el uso signifcativo de energ!a.
Identifcacin de los criterios operacionales de control
Los criterios operacionales de control son los l!mites en que
deben encontrarse las variables signifcativas del consumo de
energ!a que dependen de la operación o del mantenimientopara lograr un buen desempe7o energético.
"stos l!mites pueden encontrarse en manuales de operación,
recomendaciones del abricante o prácticas operacionalesimpuestas por operadores de mayor e+periencia, pero
recuentemente, los criterios utilizados para establecerlos no
son el buen desempe7o energético, sino, Nzonas de conortO
de operadores, criterios de seguridad o ambientales quepueden ya estar obsoletos y que pueden ser modifcados sin
impactar negativamente estos indicadores.
"n la práctica estos l!mites pueden encontrarse también delas operaciones de meor desempe7o energético que ;an
servido para elaborar el modelo lineal del comportamiento del
consumo. "stas operaciones son las que tienen valores deconsumo de energia por debao de la curva que representa el
modelo lineal obtenido.
#*
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0omando los datos de las variables que dependen de la
operación y del mantenimiento para las ec;as de las meores
operaciones y realizando un gráfco de control de las mismas,podemos obtener el valor medio y los l!mites operacionales en
que se movieron estas variables, estableciendo criteriosoperacionales para lograr un meor desempe7o energético.
* / & 2 3 4 6 #$&$
/$$
/&$
&$$
&&$
2$$
2&$
3$$
3&$
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1ig. . -eterminación de los l!mites de control operacional de
meor desempe7o energético para la variable presión dedescarga del compresor de polipropileno correspondiente a la
1ig. *.
"n el gráfco de la 1ig. se observa que la presión de
descarga del compresor, para todos los datos operacionales
que provocaron consumos de energ!a por encima del valorestimado del modelo, se encontró en el intervalo
Pdescarga E $,/4 G% #,44 barg
)in embargo, para las operaciones de meor desempe7oenergético
Pdescarga E *6,6/ G% #,/3 barg
"stablecer un criterio operacional de la presión de descargadel compresor de $ G% #,& barg podr!a traer un a;orro de
energia, que seg9n el modelo de consumo aplicado a las
meores operaciones, que podr!a ser de
A;orro E
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Seguimiento ) Monitoreo de los Criterios *peracionales
"l seguimiento de los criterios operacionales se realiza a
través de un gráfco de tendencia del desempe7o energético."ste gráfco es el que meor puede reear el comportamiento
de la efciencia estacional y de sus cambios en el tiempoindicando cuando un criterio operacional o de mantenimientopuede no ;aberse cumplido.
La tendencia del desempe7o energético se mide a través de
un gráfco de las sumas acumulativas, de las dierencias delconsumo real, con respecto al consumo del modelo de
regresión lineal, para el mismo valor de las variables
independientes que no dependen de la operación y del
mantenimiento, es decir para el mismo valor de las variablesindependientes del modelo.
)uma acumulativa E )uma
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%*$$$$
%#&$$$
%#$$$$
%&$$$
$
+rafco de tendencia del consumo del compresor posterior al control operacional
dias de trabao
QR; a;orrados
1ig. / :rafco de tendencia del consumo de energia delcompresor.
"n el gráfco se observa la tendencia del comportamiento del
consumo de energia, posterior a la implementación delcriterio operacional identifcado, con respecto al
comportamiento anterior, representado por el modelo de
regresión lineal, en unción de la variable toneladas deproducto comprimido.
)e observa que la pendiente del gráfco es casi constante lo
que indica que el a;orro diario también es prácticamente
constante, ya que se debe a una misma medida.
"n caso que el criterio operacional se deara de aplicar,
inmediatamente se ver!a reeado en un cambio de pendiente
de la tendencia. "l d!a en que ocurre el cambio de la
pendiente es el d!a en que probablemente ocurre el cambio
del criterio operacional. 8na corrección posterior del criteriooperacional también se ve reeado en el gráfco con la
recuperación de la pendiente del mismo.
"l valor fnal del grafco corresponde al valor del a;orro totalde energia que ;a conseguido el control operacional por la
#2
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aplicación del criterio operacional durante el periodo de
tiempo monitoreado.
,valuacin de resultados
La evaluación de los resultados del incremento de la efcienciaestacional del uso signifcativo de energia puede realizarse
mediante el resultado fnal del gráfco de tendencia. )in
embargo, lo que se espera es una estabilización del control
operacional de aquellas variables que dependen del operadory del mantenedor del proceso para que ese resultado sea
sostenible en el tiempo.
Pueden ocurrir en el proceso de control cambios en latendencia no e+plicados por los cambios en las variables
operacionales y de mantenimiento pre identifcadas. "sto
indicara que no ;emos sido capaces de preidentifcar todas
las variables que impactan signifcativamente en el consumode energia y requerirá de un nuevo análisis e incorporación y
validación de la nueva variable.
(tro resultado de la evaluación de los resultados es la
determinación de cuales variables de mantenimiento queaectan el consumo de energia deben implementarse y con
cual recuencia. "sta determinación se realiza a partir de
criterios económicos, cuando el impacto en el costo de laenergia de no ;acer la actividad de mantenimiento se iguala
al costo de realizar la actividad.
"l grafco de tendencia permite determinar el impacto
económico en costos de energia, de aplicar las medidas de
mantenimiento y ello puede compararse con el costo de laactividad de mantenimiento. La comparación de estos costos
permite conocer si es viable ;acerlo con esa recuencia, debeampliarse el per!odo de realización para reducir los costos o
defnitivamente no se debe realizar ;asta el mantenimiento
total ya que no es viable económicamente.
#3
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La evaluación de los resultados en el tiempo debe concluir con
el control total de la efciencia estacional de los equipos de
uso signifcativo de energia de la empresa y el má+imoaprovec;amiento de la energia con el menor impacto
ambiental asociado.
Conclusiones
"s importante la medición y control de la efciencia estacional
de los usos signifcativos de energia de las empresas, ya queesta efciencia es la responsable del gasto real de energia de
los procesos y servicios y su potencial de meora es
signifcativo, requiriendo para ello menores inversiones que
los cambios tecnológicos para el incremento de la efcienciaenergética.
La metodolog!a planteada para elevar la efciencia estacional
mediante el control operacional de los usos signifcativos deenergia de las empresas permite
• )dentificar los potenciales de mejora de la eficiencia estacional
mediante la reducción de la "ariabilidad operacional del consumo
energ!tico• )dentificar y establecer criterios operacionales y de mantenimiento de
las "ariables significati"as que impactan el consumo de energia para la
mejora del desempe7o energ!tico y el incremento sostenido de la
eficiencia estacional
• Realizar el seguimiento y monitoreo del cumplimiento de los criterios
operacionales establecidos y su impacto en la reducción del consumo de
energía.
• El control total de la eficiencia estacional de los equipos optimizando
los costos de las acti"idades rutinarias de mantenimiento que impactan
el consumo de energia.
-i#liogra%!a
4.
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0. )6-. 0144. )6- 51114. 6istemas de gestión de la energía A Requisitos
con orientación para su uso. Binebra2 -rganización )nternacional de
Cormalización, 0144
@. Buerra, aridad D.; abrera, $.; (ern#ndez, /ucía riterios para la
selección de modelos estadísticos en la in"estigación científica Re"ista
ubana de iencia $grícola, "ol. @:, nm. 4, 011@, pp. @41 ISSN:0034-
7485)nstituto de iencia $nimal. /a Fabana, uba
/. D. 6cmid y R. /azos, Buía para Estimar la )ncertidumbre de la
?edición, entro Cacional de ?etrología.Gttp2 HHH.cenam.m*8
5. /a Eficiencia Energ!tica en la Bestión Empresarial ampos $"ella I..;
Bómez Jorta R, 6antos ?acias /. Editorial Kni"ersidad de ienfuegos.
)6=C L5L M 05: M 14N M @. 4LNL.
O. ?anual de ?antenimiento entrado en la Eficiencia Energ!tica para
6istemas )ndustriales. ampos I..; /ora E., $l"arez P.)6=C L:NL5NN40@OO1. 011L.
#6
http://www.cenam.mx/http://www.cenam.mx/