¿Cómo reducir costos energéticos en plantas de extrusión e inyección?

¿Cómo encontrar cuál es el tiraje de producción para que el costo energético por unidad producida sea mínimo? Aquí le contamos.

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Por Nicolás Muñoz y As Augusto Rios, ICIPC.

El Dr. Robin Kent, experto en gestión energética en procesos de plásticos, en uno de sus múltiples trabajos relata que el costo de generar un producto plástico está mayormente influenciado por los  costos de materiales y los costos de consumos energéticos, y no los costos de mano de obra como se suele pensar. Los consumos de energía en muchas plantas se pueden reducir en alrededor del 20% sin inversión o con inversiones que son retornadas en menos de 9 meses: 10% a través de técnicas como la focalización y el seguimiento, la mejora de la gestión de procesos y la creación de sistemas de control de gestión pertinentes y el restante 10% puede ser viable a través de pequeñas inversiones que controlen los servicios generales en procesos y edificios. En caso de querer alcanzar cerca del 30% de ahorro en energía ya se requieren mayores inversiones.

Estas mejoras son logrables a través de una política de mejora continua en el manejo de energía. Para la obtención de estos objetivos es necesario usar datos para comprender mejor los resultados, muchos datos los cuales se suelen tener, solo hace falta una búsqueda de los mismos y ordenarlos. Así, el sistema de gestión necesita información para funcionar y compararse. Puede ser una comparación interna de una línea base de funcionamiento o para la búsqueda de mejores resultados una comparación externa. Esto requiere de un ejercicio de recolección de datos de consumo y producción final conforme (no información de ventas). Información de la cual se tiene disponibilidad en factura de energía y en los programas de producción los cuales solamente requieren ser organizados.

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Herramientas para el monitoreo energético

Un monitoreo del análisis de la eficiencia energética puede ser acotado cuanto se requiera, puede ser a nivel de la producción de toda la planta, una sección de la misma o equipo, teniendo en cuenta que los datos de  consumo energético requiere una medida del consumo energético individualizada de esa sección. A esa región estudiada se le denomina centro de costos de energía.

El consumo específico de energía se obtiene como el cociente entre el consumo energético y la producción, también llamado consumo específico de energía. La comparación de este  parámetro entre diferentes periodos suele ser la práctica más común que les permite evaluar y comparar a las empresas la eficiencia energética entre períodos, de tal manera que los meses en donde este cociente presenta valores inferiores son mejores respecto a los que tienen valores mayores. Sin embargo, esta metodología presenta limitaciones, ya que al realizar la comparación entre periodos con producciones muy diferentes, los de mayor producción tienden a obtener mejores eficiencias energéticas.

Una forma de mitigar esta limitación, es a través del uso de herramientas matemáticas que permiten monitorear la eficiencia energética en un intervalo de tiempo (usualmente meses) o referencias específicas. Una de estas herramientas es una tendencia gráfica conocida como objetivos basados en actividades (ABT, “Activity Based Targeting”). Esta se construye relacionando en un gráfico cartesiano el consumo energético en el eje Y o eje de ordenadas  y la producción conforme en el eje X o eje de abscisas. Se ajusta una tendencia lineal a esta relación y su respectiva ecuación de tendencia, verificando que su valor de correlación que representa que tan bien se ajusta la tendencia lineal a los datos sea mayor o igual a 0,7. Para el procesamiento indica que tan reproducibles son los procesos realizado. En caso de no alcanzar este valor se puede disminuir el periodo de los datos a semanas, lo cual requiere del levantamiento de información que para el consumo energético se puede hacer mediante la toma de datos del contador de energía de la empresa.

Así el ABT y su ajuste lineal entrega información como con el intercepto de la regresión lineal, el cual representa el consumo fijo de la planta, que se puede entender como el consumo energético que tendría la planta si no se generase producción, consumo debido a conceptos como la iluminación, acondicionamiento de áreas, arranque de equipos o también por causas no deseadas como maquinaria o servicios quedando en funcionamiento sin producción, fugas de aire comprimido, mal aislamiento de equipos que generan ineficiencias en calentamiento o enfriamiento. Posteriormente con este valor se calcula que porcentaje del consumo energético promedio de todos los periodos estudiados representa, y se compara este porcentaje con valores reportados en estudios, en donde se encuentra que llegan a porcentajes reportados de cerca del 30% del consumo de energía promedio de todos los periodos estudiados. Se pueden realizar reducciones en la carga base de proceso sin afectar las tasas de producción, calidad u operaciones, ya que no se encuentra directamente relacionada con la producción. No obstante, si se genera una reducción en el consumo eléctrico.

Por otra parte la pendiente de la ecuación de tendencia lineal nos indica la carga variable que representa el consumo de energía promedio por kilogramo conforme producido, por encima de la carga base de proceso y representa que tan eficiente es el procesamiento del plástico, lo que se ve afectado principalmente por parametrización de los equipos y tecnologías utilizadas. Los valores reportados para este parámetro suelen ser de  0.9 a 1.6 kWh/kg para inyección, de 0.4 a 0.7 kWh/kg para extrusión y de 0.8-1.3 kWh/kg para extrusión soplada.

Del ABT se deriva otro material gráfico, conocido como el consumo específico de energía versus tasa de producción (SECvsPR, “Specific energy consumption vs production rate”), el cual se obtiene relacionando el consumo energético específico de los diferentes periodos en el eje Y o eje de ordenadas y su respectiva producción conforme en el eje X o eje de abscisas. Del cociente de la ecuación de tendencia obtenida en el ABT y la producción conforme, se obtiene una tendencia que permite estimar el consumo específico de energía esperada a diferentes niveles de producción:

Esta ecuación permite generar una línea de tendencia del consumo específico de energía esperado comparada con los niveles de producción, lo cual permite comparar de manera gráfica y más confiable los diferentes periodos respecto a la línea. Esto se hace ubicando los puntos de cada periodo en la gráfica, de tal manera que los puntos que están por debajo de la curva, ese periodo tuvo un mejor desempeño energético y viceversa.

Esto inclusive se puede acotar a referencias para verificar cuáles productos son más eficientes energéticamente y cuales pueden presentar sobre costos. Así mismo este análisis puede permitir hacer la comparación entre dos equipos diferentes o sistemas de operación diferentes de planta, permitiendo evaluar cual es más conveniente para disminuir los consumos de energía.

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¿Qué se encuentra consultando a empresas?

De datos recolectados de 35 empresas del sector de procesamiento de materiales termoplásticos, de las cuales 15 solo tienen procesos de inyección, 15 solo tienen procesos de extrusión y 5 tienen ambos procesos.

La gráfica ABT presentada abajo se construyó con datos de consumo energético mensual relacionado con su producción conforme de empresas del sector. Dentro de estos datos se encuentran valores promedios de producción de cerca de 128.000 y 137.000 kg/mes con máximos cercanos a 555.000 kg/mes y 642.000 kg/mes para el sector de extrusión (puntos azules) e inyección (triángulos rojos) respectivamente. También se observa que hay una mayor variación en los consumos energéticos de inyección comparado a los de extrusión.

Considerando los ajustes lineales se evidencia que las empresas de inyección presentan un consumo fijo de 28.087 kWh/mes y las de extrusión  10.217 kWh/mes respectivamente. Esto corresponde al 15% de los consumos promedios mensuales para las empresas de inyección y 10% para las empresas de extrusión. Estos son valores inferiores a los que se suelen reportar en estudios realizados por el Dr. Robin Kent, que son del 30% del consumo promedio, lo que representa valores de mayor eficiencia.

Por el lado de los consumos variables, el sector de inyección se muestra una carga variable de proceso de 1,27 kWh/kg y para el procesamiento de extrusión 0,65 kWh/k, lo que se encuentra dentro del rango esperado para los dos sectores. Pese a esto el sector puede seguir mejorando y acercarse a los valores más bajos del rango usual.

Con las ecuaciones obtenidas en el ABT se construyen las líneas de tendencia del gráfico SECvsPR, el cual puede ser usado como punto de referencia respecto al sector para comparar la eficiencia energética en las empresas. Para esto debe calcular el consumo específico de energía mensual y graficarlo respecto a la producción.

Mediante la construcción de la gráfica SECvsPR, la herramienta entrega un dato de alto valor, que se encuentra en el punto de la curva de referencia en donde la inclinación de la línea tiende a ser plana y a mantener un valor más estable y más o menos constante del consumo específico de energía pese a que se aumenten las producciones. Con este valor es posible fijar un valor mínimo de producción que disminuya el sobrecosto energético en función de las necesidades propias de cada empresa, de tal manera que se consuma menos energía en la producción del material. Este valor para las empresas de inyección se encuentra en cerca de 100.000 kg/mes y para extrusión en cerca de 60.000 kg/mes.

 

 

El equipo de investigación agradece a Minciencias, quien mediante el proyecto 91911 financió este estudio. La investigación se lleva a cabo bajo el liderazgo del PhD. Omar Augusto Estrada, y el ICIPC reconoce la participación de la Universidad Nacional Sede Minas Medellín y Sume Energy quienes son parte del equipo del proyecto.