01-ESTUDIO DE MEJORA DE EFICIENCIA ENERGÉTICA EN INSTALACIONES FRIGORÍFICAS
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ESTUDIO DE MEJORA DE EFICIENCIA ENERGÉTICA EN INSTALACIONES FRIGORÍFICAS, ENCAMINADO AL AHORRO Y CONSUMO EFICIENTE DE LA ENERGÍA ELÉCTRICA EN LAS INSTALACIONES FRIGORÍFICAS. 0. CONSIDERACIÓN PRELIMINAR La S.A.T. 4.207, “La Forja”, situada en Carretera de Fuente Alamo, km. 6, en Balsicas, T.M. de Fuente Alamo en Murcia, perteneciente al Grupo C.F.M. La Dirección de la mercantil, consciente de la necesidad del uso racional de la energía acomete el presente estudio, con posterior implantación, de un conjunto de acciones orientadas a reducir y optimizar el consumo de energía eléctrica en términos unitarios, manteniendo el nivel de los servicios prestados, como mínimo, y encaminadas al ahorro energético mediante una mejor eficiencia y gestión en la generación de frío, como un aporte muy importante de su necesidad productiva. La Eficiencia Energética se medirá, en este estudio, en la instalación productora de frío, proceso que tiene esta instalación en el conjunto de actividades, como necesidad energética, y en consecuencia, de las mejoras técnicas adoptadas. La energía es un coste que representa una fracción muy importante de los gastos de nuestra empresa, de ahí la necesidad de su control. La Dirección, entiende que una gestión energética adecuada en la organización implica un uso eficiente de sus consumos energéticos, de forma que se consiga una reducción de los costes energéticos en sus diferentes procesos productivos. La importancia de la reducción de los consumos energéticos se integra dentro de la mejora de la competitividad de la empresa y de la reducción de costes a la que toda organización debe tender, pero igualmente estos ahorros Estudiode Eficiencia Energética en instalación de cámaras frigoríficas Página 1
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ESTUDIO DE MEJORA DE EFICIENCIA ENERGÉTICA EN INSTALACIONES FRIGORÍFICAS, ENCAMINADO AL AHORRO Y CONSUMO EFICIENTE DE LA ENERGÍA ELÉCTRICA EN LAS INSTALACIONES FRIGORÍFICAS.
0. CONSIDERACIÓN PRELIMINAR
La S.A.T. 4.207, “La Forja”, situada en Carretera de Fuente Alamo, km. 6, en Balsicas, T.M. de Fuente Alamo en Murcia, perteneciente al Grupo C.F.M.
La Dirección de la mercantil, consciente de la necesidad del uso racional de la energía acomete el presente estudio, con posterior implantación, de un conjunto de acciones orientadas a reducir y optimizar el consumo de energía eléctrica en términos unitarios, manteniendo el nivel de los servicios prestados, como mínimo, y encaminadas al ahorro energético mediante una mejor eficiencia y gestión en la generación de frío, como un aporte muy importante de su necesidad productiva.
La Eficiencia Energética se medirá, en este estudio, en la instalación productora de frío, proceso que tiene esta instalación en el conjunto de actividades, como necesidad energética, y en consecuencia, de las mejoras técnicas adoptadas.
La energía es un coste que representa una fracción muy importante de los gastos de nuestra empresa, de ahí la necesidad de su control.
La Dirección, entiende que una gestión energética adecuada en la organización implica un uso eficiente de sus consumos energéticos, de forma que se consiga una reducción de los costes energéticos en sus diferentes procesos productivos.
La importancia de la reducción de los consumos energéticos se integra dentro de la mejora de la competitividad de la empresa y de la reducción de costes a la que toda organización debe tender, pero igualmente estos ahorros energéticos tienen otros componentes, a parte del económico, como es su relación con la mejora medioambiental, la optimización de los recursos, la reducción de emisiones de CO2 (principal responsable del efecto invernadero) o la implantación de energías de carácter renovable entre otros.
Así pues, mediante el control y reducción de los consumos energéticos, se conseguirá un beneficio, no solo para la organización por los menores costes generados, sino también para la sociedad y el medio ambiente, y en definitiva, para el desarrollo sostenible tanto de la organización como de la sociedad.
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¿Por qué es importante reducir el consumo de energía?.- La energía y su gestión eficiente es un aspecto crucial en la actualidad para la competitividad de cualquier tipo de empresa, debido a que la misma:
Es cara. Es limitada. Los precios de la energía han crecido de forma significativa en los
últimos años y se incrementarán significativamente en el futuro. El derroche de energía provoca extracostes en las empresas y a la
sociedad.
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1. ANTECEDENTES.
La S.A.T. 4.207, “La Forja” dispone en sus instalaciones de conservación, manipulación y envasado de frutas y ortalizas, de instalaciones frigoríficas de elevada potencia, adecuadas a las necesidades productivas de la industria.
1.1. Características de las instalaciones frigoríficas actuales.
Dispone de:
5.200 m2 de cámaras frigoríficas, entre cámaras de campo y de producto manufacturado (producto limpio).
2 unidades de vacuun-cooling, para enfriamiento rápido al vacio.
Están provistas de:
gas refrigerante R-404a,
dos compresores de 260 kW cada uno.
Los parámetros actuales de funcionamiento son:
12 horas/dia
28 dias/mes de campaña
10 meses/campaña por año
El promedio de consumo de energía eléctrica de la actividad industrial fue de 4.371.328 kW·h. por campaña anual, correspondiendo el 43,47 % a la generación de frío (≈1.900.000 kW·h).
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2. PROPUESTA DE AHORRO ENERGÉTICO.
2.1. Escenario actual.
Se parte de las mismas cámaras frigoríficas (locales) y vacuum-cooler existentes, así como de los parámetros funcionales antes expuestos, para permitir comparar la situación actual con la solución propuesta en igualdad de condiciones.
Compresores para R-404a:
Marca MYCONModelo N-200VLCantidad 2Gas frigorígeno R-404aCapacidad frigorífica 723,40 kWPotencia motor eléctrico 355 kWPotencia eléctrica absorbida 281,20 kW *Temperatura de condensación 35º CTemperatura de evaporación -12º CCOP 2,52 kW/kW
*Consumo para la capacidad frigorífica de 723,40 kW
Consumo energético:
2 ud. x 281,20 kW x 12 h/dia x 28 dias/mes x 10 meses/campaña =
= 1.889.664 kW·h
La potencia frigorífica en diseño se estableció para 18 horas/dia de funcionamiento.
Dada la carga de producto a conservar y la simultaneidad en el funcionamiento de los compresores, se toma 12 horas/dia, el 66,66% del funcionamiento de diseño.
Se destaca que las instalaciones datan de junio del año 2004.
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Unidades de vacuun cooling:
Los ciclos de trabajo de estas dos unidades necesitan, como tiempo medio, de 18 minutos para producir las condiciones de trabajo, con el accionamiento de un motor de 400 CV y un consumo de 315 kW·h, lo que equivale a (315 kW·h/60)x18 = 94,5 kW·h, que por dos unidades supone 2 ud. x 94,5 kW/ciclo = 189 kW·h/ciclo.
Este consumo, como después se justificará, puede ser reducido a la mitad.
2.2. Escenario optimo.
Se consideran las siguientes actuaciones:
a) Utilizar como gas refrigerante R-717, amoniaco (NH3), en el circuito primario y agua glicolada en el secundario, de mejores características térmicas con mayor rendimiento.
b) Reutilizar los locales de las cámaras, los compresores, la torre de enfriamiento evaporativo, y en resumen, todo aquello que por sus características y estado sigue siendo útil y minimiza la inversión de mejora energética.
c) Promover la mejora de los aislamientos térmicos, principalmente el aislamiento de las tuberías, de forma que, no se incrementen los consumos energéticos por fugas o pérdidas térmicas.
d) Monitorizar y registrar el consumo de agua (en torre) y energía, permitiendo comprobar en tiempo real los consumos energéticos, de forma que se posibilite la toma de medidas, para reducir o reconducir los consumos, si estos se desvían de la normalidad.
e) Utilización de variadores de frecuencia en los motores, permitiendo la mejora de la flexibilidad del proceso de hilado, facilitando los procesos de acuerdo con los requerimientos específicos de funcionamiento, logrando finalmente la eficiencia energética de los procesos.
f) Optimizar la gestión energética, mediante la implantación de sistemas de gestión de la energía.
g) Utilizar los equipos más eficiente a su máxima capacidad y los equipos menos eficientes solamente cuando sea necesario, consiguiendo de esta forma, una optimización de los consumos.
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h) Establecer procedimientos de producción bien documentados para evitar perdidas de recursos materiales, energéticos y humanos por prácticas de trabajos inadecuados.
i) Adopción de sistemas de cogeneración energética (electricidad y calor) allí donde sea económica y técnicamente viable.
j) Sustituir motores y equipos sobredimensionados y de baja eficiencia por otros más adecuados a la dimensión de la instalación.
De las actuaciones detalladas, la de mayor importancia y peso específico en la eficiencia energética, sin dejar de considerar el resto, es sin duda utilizar una planta enfriadora de agua glicolada, como máquinas enfriadoras, utilizando como gas refrigerante R-717, amoniaco (NH3), en el circuito primario y agua glicolada en el secundario, de mejores características térmicas para estas producciones de frío.
La energía precisa para la compresión del gas refrigerante se valora por la diferencia de entalpías entre el punto 4 y el punto 3, (ver gráfico) y está a cargo del electromotor que mueve el compresor, estando motivada por el valor de la presión a la salida del compresor.
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Para el refrigerante actual (R-404a), se obtienen valores de:
Mientras que para el R-717 tenemos:
Fuente: Pecomark
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Con entalpías de evaporación de:
Fuente: Pecomark. Valores aproximados.
Con independencia de cálculos termodinámicos, más o menos complejos, se opta por adoptar los datos obtenidos por el fabricante de los compresores, por ser de mayor experiencia y aplicación práctica. Así tenemos del fabricante MYCON los siguientes datos:
Fuente: MYCON
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1300 kJ/kg
220 kJ/kg
Para las condiciones de temperatura de condensación de 35º C y de evaporación de -12º C se obtienen valores de COP 2,52 para el refrigerante R-404a y COP 3,57 para el R-717.
El factor COP del compresor permite comparar el enfriamiento obtenido con la potencia consumida por el equipo. Esta relación sin embargo, no toma en cuenta el consumo de potencia en los equipos auxiliares, que puede llegar a ser del 40%.
Coeficiente de eficiencia energética (COP), que tambien se le suele llamar EER ó CEE, calculado por:
Lo que podemos simplificar por W térmicos_producidos/W eléctricos_consumidos, y esto es el rendimiento.
Compresores para R-717:
Marca MYCONModelo N-200VLCantidad 2Gas frigorígeno R-717Capacidad frigorífica 754,30 kWPotencia motor eléctrico 250 kWPotencia eléctrica absorbida 211,20 kW *Temperatura de condensación 35º CTemperatura de evaporación -12º CCOP 3,57 kW/kW
*Consumo para la capacidad frigorífica de 754,30 kW
Consumo energético:
2 ud. x 211,20 kW x 12 h/dia x 28 dias/mes x 10 meses/campaña =
= 1.419.264 kW·h
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Comparando los escenarios Actual Optimo, vemos que:
Parámetro Escenario
óptimo; R-717Escenario
actual; R-404a
Tendencia con
R-717
Marca MYCON MYCON =Modelo N-200VL N-200VL =Cantidad 2 2 =Gas frigorígeno R-717 R-404a ≠Capacidad frigorífica 754,30 kW 723,40 kW ↑Potencia motor eléctrico 250 kW 355 kW ↓Potencia eléctrica absorbida 211,20 kW * 281,20 kW * ↓Temperatura de condensación 35º C 35º C =Temperatura de evaporación -12º C -12º C =COP 3,57 kW/kW 2,52 kW/kW ↑Consumo energético kW·h 1.419.264 1.889.664 ↓
Diferencia en consumo -470.400 +470.400↓
Proporción en % /base R-404a -24,89 --↓
Efecto sobre emisiones contaminantes.
Se resume en el siguiente cuadro:
Parámetro Escenario
óptimoR-717
Escenario actualR-404a
Tendencia con
R-717
COP (kW/kW) 3,57 2,52 ↑Consumo energético MW·h 1.419,264 1.889,664 ↓
Diferencia en consumo -470,400 +470,400↓
Tep por consumo (1MWh = 0,086 tep)(1) 122.056,70 162.511,10↓
Tep por ahorro eficiente 40.454,40↑
Emisiones de ton CO2 por consumo MW·h (2) 611,277 813,878
↓
NO Emisiones de CO2 por ahorro eficiente, en toneladas
263,277↓
(1) Fuente de los datos: Plan de Energías Renovables en España 2005-2010(2) Fuente National Energy Foundation (0,430698 ton CO2/MW·h)Tep = toneladas equivalentes de petróleo
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3. OTRAS APORTACIONES RELACIONADAS CON EL AHORRO DE ENERGÍA.
Aún cuando son más dificiles de ponderar, por la particularidad y variedad de todos los elementos que componen la instalación, exponemos los siguientes.
a. Al disponer de un circuito secundario con agua glicolada el enfriamiento libre entre un líquido y otro ocurre con tan solo con un diferencial de temperatura de 4°C, mientras para el intercambio de calor entre un gas y otro (frigorífico y aire) se necesitará de una diferencia de temperatura de 10 a 15°C para que resulte rentable.
b. El desvío de gases por válvulas de expansión incrementa costos en un 20% o más, caso del R-404a, que dispone de una válvula de expansión por evaporador.
c. Los evaporadores de enfriamiento de aire experimentan problemas por la formación de hielo en las superficie de los tubos y aletas de los mismos, como producto de la humedad presente en el aire a enfriar. La acumulación de hielo se produce principalmente en las zonas póximas a la válvula de expansión, produciendo una disminución en el coeficiente de transferencia lo cual tiene un impacto negativo sobre la operación de la planta de refrigeración.
d. Los diámetros de conductos de los fluido frigoríficos se reducen considerablemente, así como las presiones interiores, lo que minimiza la energía de impulsión y la superficie de perdida de calor con el exterior.
e. En este tipo de instalación, con R-717, predomina un ciclo dónde la presión intermedia de trabajo corresponde a la temperatura de evaporación de –10ºC. Este ciclo frigorífico es aquél en que se
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basa la instalación cuando hay una o más cámaras funcionando como almacén de frescos. Los evaporadores de las cámaras de frescos se alimentan del recipiente acumulador de agua glicolada a baja presión y temperatura de utilización.
f. Cuando no exista ninguna cámara funcionando como almacén de frescos, para conseguir una mayor eficiencia energética se modifica la presión intermedia de los compresores, según la siguiente ecuación:
donde:
PA = la presión de alta o de condensación, PA =13,504 bar.
PB = la presión de baja o de los evaporadores PB =1,195 bar.
PI = la presión intermedia de máxima eficiencia energética.
La presión intermedia es de PI = 4,017bar y corresponde a la temperatura de saturación de TSAT(PI) = -1,77ºC.
La presión intermedia que cumple esta ecuación hace que el coeficiente de eficiencia energética CEE o COP, sea máximo. Ciclo de máxima eficiencia.
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4. RECUPERACIÓN DE LAS INVERSIONES CON EL AHORRO DE ENERGÍA
Se parte de los siguientes parámetros:
Coste de la inversión en € 709.072,91
Ahorro energia en kW·h/año 470.400,00
Precio energia kW·h en €, año en curso 0,09925
Periodo amortizacion años-(vida útil) 15,00
Depreciación del capital, en % anual 3,00
Depreciación de la instalación, en %/año 6,67
Incremento anual del precio de la energia % 1,50
Con esto valores en principio, en el 9º año, las inatalaciones quedan completamente amortizadas.
En anexo se adjunta las tablas con los cálculos.
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5. RESUMEN Y CONCLUSIONES.
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