Guía para alcanzar la eficiencia energética en la transformación de plásticos

La urbanización masiva y con ella la posibilidad de alcanzar nuevos mercados (Kent, 2012), el crecimiento de la industria del cuidado de la salud (Singh, 2012), y la seguridad alimentaria de la mano del desarrollo de nuevos empaques (Dupont, 2012) han sido identificadas por muchos autores como tendencias mundiales importantes que definirán el futuro de los plásticos. Sin embargo, la sustentabilidad y el desarrollo sostenible son las tendencias en las cuales convergen la mayoría de los autores. (Kent, 2012; Singh, 2012; Dupont, 2012; Bayer, 2012).

La sustentabilidad de la industria del plástico se alcanzará en la medida en que se puedan abordar de forma ecoeficiente los siguientes elementos: el primero, darle una función sostenible al producto plástico, por ejemplo al ser usado para construir automóviles más livianos, o para elementos de construcción que permitan mayor paso de luz y mejor aprovechamiento de calor. El segundo, dándole características ambientalmente amigables a la disposición final del producto, ya sea mediante reciclaje, compostaje, reutilización, incineración con generación de energía, u otro mecanismo que permita cerrar su ciclo de vida con la menor generación de residuos sólidos y gases de efecto invernadero. El tercer elemento, es poder hacer el proceso de transformación de termoplásticos más eficiente, aprovechando mejor los recursos y con un claro compromiso con el bienestar humano.

La sustentabilidad en el proceso de transformación adquiere importancia tanto ambiental como económica, porque hace los procesos más rentables y menos consumidores de recursos. Se estima, que en los países industrializados, la materia prima y la energía representan cerca del 45% y 15% respectivamente del costo total del producto (Contet, 2012).

El uso eficiente de la energía eléctrica tiene como objetivo reducir el consumo específico de energía (relación kilovatio hora consumido por cada kilogramo de material transformado), lo que repercute en una reducción de los costos de producción, en una reducción de los gases de efecto invernadero y en un incremento de la competitividad e imagen de las empresas. A manera de ejemplo, en el proceso de inyección de termoplásticos, con maquinaria de un estado tecnológico reciente, alta productividad y pocos cambios de referencia de producto, se ha medido que el consumo de energía específico puede llegar a ser de tan sólo 0.3 kWh/kg por máquina.

No existe un método que por sí solo pueda lograr el uso eficiente de la energía eléctrica. Se logra gracias a una combinación de medidas correctivas y preventivas, programas educativos y de concientización, maquinaria eficiente, procesos bien diseñados, programación de la producción, y medidas para evitar pérdidas. Es una combinación de estos elementos lo que finalmente permite obtener un proceso más eficiente (MAPFRE, 2011).

En ese orden, se exponen a continuación 5 pasos metodológicos para mejorar la eficiencia en la utilización del recurso energético en los procesos de transformación de termoplásticos:

Paso 1: Identifique las entradas y salidas de energía y materia prima de la planta

Identifique cuáles son los equipos consumidores de energía. Levante la información sobre la capacidad nominal de cada equipo y los históricos de la planta sobre los consumos de energía y materia prima. Recuerde que muchos generadores y/o comercializadores de energía eléctrica están en capacidad de entregarle el histórico de los consumos de energía durante el último año, definidos en el intervalo de tiempo que usted desee, incluso minuto a minuto.

Paso 2: Revise los planes de producción y los planes de mantenimiento

Revise que el plan de mantenimiento de cada equipo y las líneas de servicio de los equipos estén en orden. Revise los planes de producción y establezca si están acordes a la capacidad nominal de los equipos. Establezca, desde el pareto de producción, cuáles son los productos críticos de su compañía y los equipos asociados a su transformación. Revise, desde el contrato de suministro con la empresa generadora y/o comercializadora de energía eléctrica, si existen diferentes tarifas para las subestaciones de la planta, y ajuste el programa de producción y los equipos a las subestaciones con la menor facturación, de ser posible.

Paso 3: Mida el consumo de energía y registre las variables del proceso.

Instale medidores de energía en los equipos críticos de la compañía y registre, con la misma periodicidad con la que esté en capacidad de consolidar la producción, los requerimientos de potencia (kW) durante la producción. Documente la producción (kg/h) total y de producto conforme, condiciones de proceso, tiempos de operación y tiempos de parada, y consolídelos en el mismo lapso de tiempo que las mediciones energéticas. Estos registros permitirán identificar los hábitos de consumo de la energía eléctrica en dicho equipo.

Paso 4: Establezca el Consumo de Energía Específica (SEC por sus iniciales en inglés) y compare.

Cada vez que culmine el tiempo representativo, divida el requerimiento de potencia (kW) por la producción (kg/h) en ese tiempo. Igualmente, grafique en un diagrama de dispersión la Potencia suministrada vs la Producción conforme.

También podrá construir este tipo de gráficos con el histórico de energía eléctrica consumida por la planta, dividiéndolo por la cantidad de materia prima consumida. Recuerde que ambos datos deben estar en el mismo lapso de tiempo, es decir, si posee el histórico de energía eléctrica del último año, mes a mes, deberá dividir por la cantidad de material transformado, también mes a mes. Así, podrá comparar los meses del último año, en los que la planta fue energéticamente más eficiente.

Paso 5: Identifique los puntos de operación de mínimo SEC, correlaciónelos con los parámetros del proceso y reprodúzcalos

En la gráfica construida en el paso anterior, podrá identificar los puntos de operación en los que se requieren menor potencia para transformar una cantidad dada de material. Estos puntos son aquellos en los que el SEC es bajo. Tome los registros, parámetros de operación y hábitos de consumo de dichos puntos y trate de reproducirlos en las otras condiciones de producción; así disminuirá el consumo de energía específica promedio del equipo.

Disminuir las cargas

Para disminuir la carga del proceso, reduzca los no conformes, los desperdicios y los tiempos muertos de procesamiento. Reduzca los cambios de referencia e identifique los cuellos de botella que impiden alcanzar la máxima productividad del equipo. Opere con el perfil de temperatura recomendado para el material, siempre y cuando el producto obtenido esté bajo los estándares de calidad.

Identifique a qué porcentaje de la carga nominal están los equipos y trate de acercarse al 75 %, lo que implica incrementar la velocidad de procesamiento, cuando sea posible.

Por ejemplo, como puede verse en la Figura 1 que es un caso de extrusión con alimentación ranurada, las condiciones de operación de alta restricción y alta velocidad de rotación benefician la eficiencia energética y el SEC, ya que en este tipo tecnología el flujo másico no se reduce apreciablemente con el nivel de restricción del cabezal (contrapresión). Estas mismas condiciones de operación proporcionan mayor estabilidad en el flujo másico.

La Figura 1 muestra la curva de operación de una extrusora con zona de alimentación ranurada, extruyendo polietileno de baja densidad en tres niveles de restricción y cinco velocidades de rotación diferentes (J. Mena, 2013). Estas medidas fueron realizadas en el laboratorio de extrusión del ICIPC.

Por otro lado, para disminuir la carga base, debe identificar y corregir los defectos y fallas en los equipos, evaluar acciones para evitar pérdidas de energía por falta de aislamientos, temperaturas excesivamente bajas en los enfriadores de agua, fugas de aire comprimido, etc. Esto lo podrá lograr desde el plan de mantenimiento revisado en el paso 2.

Tecnología más eficiente

En muchos casos, los mayores impactos en la reducción del consumo de energía específico se alcanzan mediante inversiones en equipos eficientes y cambios hacia tecnología desarrollada con criterios de eficiencia energética. En el caso del procesamiento por extrusión, serán los motores de accionamiento, el calentamiento de las unidades de plastificación y el diseño de husillos y/o cabezales los mayores responsables de los consumos de energía.

Para los motores encontramos de dos tipos: Motores eléctricos de corriente directa (DC) y motores eléctricos de corriente alterna (AC). Hasta hace algunos años el estándar tecnológico de accionamiento para los equipos de extrusión eran los motores DC. El desarrollo de motores de corriente alterna sincrónicos de alto torque operados con variadores electrónicos de velocidad, ha desplazado el motor de corriente directa por dos razones básicas: La facilidad de mantenimiento y la mayor eficiencia energética, especialmente a regímenes de baja velocidad (Barlow, 2009)

En el sistema de accionamiento convencional, constituido por el motor y el sistema de reducción que emplea una caja de engranajes y/o poleas, cerca del 20% de la energía perdida se origina en el rozamiento de los engranajes o de las correas en las poleas. Por este motivo, los nuevos motores de accionamiento directo, que pueden trabajar a bajas velocidades con un alto torque, vienen convirtiéndose lentamente en el estándar tecnológico del proceso de extrusión (Noriega, 2009).

El husillo de extrusión o inyección deberá ser diseñado de acuerdo a la reología del material a procesar. Éste husillo deberá ser óptimo para el transporte del material, la plastificación y mezcla de los materiales, además de poseer un control adecuado de la disipación viscosa. Esta última resulta de la acción de las fuerzas de cizalladura convertidas en calor por la velocidad de rotación del husillo.

En el calentamiento de las unidades de plastificación en los procesos de extrusión e inyección se han empleado convencionalmente resistencias eléctricas. Sin embargo, la transferencia de calor por radiación y convección hacia el medio ambiente genera pérdidas importantes de energía. Una solución a ésta problemática es el aislamiento de las bandas. Empresas como Taylor ofrecen un conjunto integrado de resistencia eléctrica cerámica y cubierta de aislamiento (Noriega, 2009). Los costos de operación del sistema se reducen hasta en un 45% y se estima que el proceso de arranque y puesta a punto es un 35% más rápido.

Existen otras propuestas como el uso de la inducción en el calentamiento de cilindros en las unidades de plastificación. Esta es la propuesta de Xaloy a través del sistema nXHeat. Con esta tecnología se logran eficiencias superiores al 95%, con una reducción de las pérdidas de energía cercanas al 98% y una reducción del consumo de potencia de hasta un 70% (Xaloy, 2008). Algunas empresas como Engel Global, ya utilizan esta tecnología en sistemas de extrusión e inyección. (Engel, 2009)

En cuanto a los procesos de inyección, la energía que una máquina consume es una función del mecanismo de accionamiento escogido y de la máxima capacidad para procesar plástico. Los mecanismos de accionamiento más conocidos son el accionamiento hidráulico, el accionamiento eléctrico y la maquinaria híbrida que mezcla los dos accionamientos.

Las máquinas eléctricas dominan los mercados de máquinas pequeñas, hasta 400 toneladas. Las máquinas hidráulicas, por el contrario, son muy efectivas para transferir grandes fuerzas y cantidad de energía, es por eso que en rangos superiores a las 1.000 toneladas son preferibles las máquinas hidráulicas e incluso con acumuladores.

Una máquina diseñada con la habilidad de varios movimientos (plastificar mientras abre y cierra el molde), tiene una mayor productividad. Mayor productividad se traduce en menores SEC, si la eficiencia es alta. La utilización de motores eléctricos incrementa la eficiencia al no consumir energía cuando algunas funciones no son utilizadas, como sí ocurre en los sistemas hidráulicos. Una bomba con servomotor es una mejora frente a los sistemas proporcionales por caudal, debido a que ésta sólo bombea cuando es necesario, removiendo la válvula de control y se detiene completamente en los períodos innecesarios (Mark Elsass, 2010).

REFERENCIAS
Barlow, S. (2009). Reducing electrical energy costs for extrusion processes. Antec.
Bayer. (2012). Plastics Industry and its Role in our Society. Bayer Science for a Better Life .
Contet, P. (2012). Guide to resource efficiency in manufacturing.
Dupont. (2012). Survey of Future Packaging Trends. A Study by Packaging World magazine and DuPont Packaging & Industrial Polymers .
Engel, G. (2009). Press Release 2009.
J. Mena, O. A. (2013). Eficiencia energética en el proceso de extrusión monohusillo con alimentación forzada. Memorias ICIPC Colloquium 2013 .
Kent, M. (2012). The five mega-trends shaping tomorrow's customers. BBC Business .
MAPFRE, F. (2011). Guía práctica para la implementación de sistemas de gestión energética.
Mark Elsass, C. M. (2010). Evaluating Energy Consumption of Molding Machines: What Have We Learned in 40 Years? . Plastics Business .
Noriega, M. d. (2009). Uso eficiente de la energía en el procesamiento de plásticos. Tecnología del plástico .
Singh, S. (2012). Top 20 Global Mega Trends and Their Impact on Business, Cultures and Society. Frost & Sullivan .
Xaloy. (2008). Energy Reduction through induction heating in polymer processing.