CARACTERIZACIÓN ENERGÉTICA E HÍDRICA EN EL SECTOR INDUSTRIAL Y DE SERVICIOS

GUIA DE APOYO AL EMPRESARIO

Elaborada por: RAFAEL ERNESTO VARÓN L. Ing. Esp. Eficiencia Energética Subdirección de Ecourbanismo y Gestión Ambiental Empresarial SECRETARIA DISTRITAL DE AMBIENTE

PRESENTACIÓN La ley 697 promulgada por el Congreso de la República en octubre de 2001 declaró el Uso Racional y Eficiente de la Energía (URE) como un asunto de interés social, público y de conveniencia nacional. Con esta Ley se espera optimizar la utilización de los recursos energéticos primarios que posee el país, minimizando los impactos ambientales y mejorando la competitividad de la nación. La ley 697 de 2001 y su decreto reglamentario 3683 de 2003, establecen directrices, lineamientos y funciones a entidades de orden público y privado en relación con la promoción, organización, aseguramiento del desarrollo, el seguimiento y el diseño del Programa de Uso Racional y Eficiente de la Energía y demás formas de Energía no Convencionales (PROURE). La situación energética y ambiental que vive la humanidad hace imperativo la toma de decisiones que aseguren tanto el uso racional de los recursos energéticos e hídricos del planeta, para el desarrollo de las futuras generaciones. El sector industrial y comercial funciona con energía y agua, por lo tanto, una decisión fundamental es realizar las acciones para reducir el consumo energético e hídrico en los procesos industriales y comerciales, maximizando su eficiencia energética e hídrica, concibiendo de esta forma, una estrategia para disminuir el peso que estos recursos representan en la estructura de costos operativos de las empresas y ayudar a la conservación del medio ambiente, asumiendo activamente un rol en la responsabilidad social empresarial. La Subdirección de Ecourbanismo y Gestión Ambiental Empresarial de la Secretaria Distrital de Ambiente, pone a disposición de los empresarios, este documento, que constituye una guía para el conocimiento y la aplicabilidad de las actividades de caracterización energética e hídrica, para propender por el uso racional y eficiente de la energía y el agua, en los procesos productivos y de servicios. Esperamos que este documento se constituya no solo en una guía didáctica para el desarrollo de este tipo de actividades, sino en una herramienta de gestión para su organización.

RAFAEL ERNESTO VARÓN L. Ing. Esp. Eficiencia Energética

CARACTERIZACIÓN ENERGÉTICA E HÍDRICA DE LA EMPRESA

Es una metodología que combina diversas herramientas para determinar con exactitud, el balance de la energía y del agua, en los principales equipos y/o procesos consumidores de la empresa, revelando dónde, cómo y con qué grado de eficiencia se utiliza. Para ello, se realizan evaluaciones técnicas y económicas que permiten identificar las posibilidades de reducir el costo específico de la energía en un proceso productivo, de manera rentable y sin afectar la cantidad y la calidad del producto. La caracterización Energética es el paso previo para implementar un sistema de gestión o administración de la energía.

VENTAJAS DE LA CARACTERIZACIÓN ENERGÉTICA E HÍDRICA DE LA EMPRESA

Identificar el grado de control de los consumos energéticos e hídricos por parte de la empresa. Verificar o determinar los indicadores de eficiencia energética e hídrica a nivel global, por áreas y/o por procesos. Identificar los procesos y equipos mayores consumidores donde se concentra la atención para reducir los consumos y los costos. Establecer las metas de reducción de costos alcanzables en la empresa de acuerdo a su comportamiento histórico e identificar los potenciales más evidentes a corto, mediano y largo plazo de soluciones o medidas de uso

racional de la energía y del agua.

REQUISITOS DE INFORMACIÓN Y DE RECURSOS PARA LA CARACTERIZACIÓN ENERGÉTICA E HÍDRICA

1. Disponibilidad de tiempo y personal para realizar estas actividades. La caracterización requiere un responsable de los asuntos energéticos e hídricos de la empresa y en sus manos se debe encomendar:

El planteamiento de metas y estrategias en cuanto al consumo de la energía y del agua.

El Control (toma de datos de energía y

producción o Servicio) y procesamiento de datos para el adecuado manejo de la eficiencia energética e hídrica de la empresa.

Construir e interpretar los indicadores de

eficiencia energética e hídrica.

Determinar posibles anomalías en el comportamiento de los consumos energéticos e hídricos, comparando producciones o servicios y consumos históricos con los actuales o los más recientes, identificando mejoras o desaciertos en las políticas productivas y energéticas y su correspondiente evolución.

Constituir un plan estratégico para la corrección de ineficiencias encontradas, mediante la incorporación de potenciales proyectos de eficiencia energética e hídrica y buenas prácticas operativas.

2. Conocer la factura de energía eléctrica, energía térmica (gas natural, carbón, fuel oil, etc) y agua, para identificar su información relevante.

2.1 Factura de energía Eléctrica (mercado regulado)

A. Nombre del operador de red o empresa comercializadora del mercado regulado. B. Información asociada al circuito, transformador, medidor, nivel de tensión,

potencia contratada y tipo de servicio. C. Histórico de los consumos energéticos expresados en kilovatios-hora al mes

(kWh/mes). D. Información asociada al consumo energético actual y las lecturas generadas por

el medidor y su correspondiente factor de corrección. E. Valor facturado del consumo de la energía de acuerdo al costo unitario del

kilovatio-hora y el consumo medido. F. Cargo del 20% al valor facturado por contribución (sector comercial). El sector

industrial debe cumplir los requisitos establecidos en el decreto 4955 de 2011 del Ministerio de Minas y energía de Colombia, para su correspondiente desmonte.

G. Valor total facturado de energía eléctrica para su correspondiente pago.

N.A, La resolución CREG-131 de 1998 establece los requisitos para aquellos usuarios que quieran ingresar al mercado no regulado de la energía eléctrica.

A

D

E

C

B

F

G

Algunos conceptos básicos sobre energía eléctrica son:

Energía activa: Energía capaz de producir trabajo, se mide normalmente en kilowatt-hora (kWh).

Energía reactiva: Energía requerida por algunos equipos eléctricos, para mantener flujos magnéticos. Esta energía no produce trabajo útil y se mide normalmente en kilo Volt-Amperio reactivos (kVAr).

Energía aparente: Energía que debe entregar la empresa comercializadora de energía a sus clientes y está constituida por la energía activa y reactiva.

Potencia: Es la cantidad de energía requerida en una unidad de tiempo. La unidad comúnmente utilizada es el kilowatio (kW).

Demanda: Para efectos tarifarios, se entiende como la potencia media integrada sobre un intervalo de tiempo de 15 minutos. La demanda contratada corresponde a la potencia que la empresa comercializadora de energía coloca a disposición del cliente, de acuerdo a los términos del contrato establecido o a sus requerimientos eléctricos.

Carga o potencia instalada: Corresponde a la suma de las potencias de todos los equipos existentes en una instalación. Toda esta carga podría ser utilizada por la instalación en algún instante.

Factor de carga: Relación entre la demanda media y la demanda máxima ocurrida en un periodo de tiempo definido.

Factor de potencia: Relación que da cuenta del consumo de energía activa y reactiva de una instalación. Normalmente conocido como el cos (ø).

Precio consumo de energía: Precio cobrado por cada kWh consumido por el cliente. Estos precios varían dependiendo de la tarifa contratada por el cliente, el mercado en el que se encuentra (mercado regulado y no regulado) y su ubicación geográfica.

Tarifas de energía eléctrica: Tarifas del mercado regulado establecidas por la CREG (comisión de regulación de energía y gas) y tarifas del mercado no regulado, establecidas libremente en una relación comercial entre el comercializador de la energía elegido y el usuario, cuyo precio varía dependiendo el nivel de tensión de la frontera comercial (1, 2, 3, 4 y STN (Sistema de transmisión nacional), el tipo de contrato y la libre competencia del mercado (oferta-demanda), entre otros factores.

2.2 Factura de energía eléctrica (mercado no regulado)

A. Nombre de la empresa comercializadora de energía elegida por el usuario. B. Información asociada al circuito, transformador, medidor, nivel de tensión, potencia contratada y tipo de servicio. C. Histórico del consumo energético expresado en kilovatios-hora al mes (kWh/mes). D. Información asociada al consumo energético actual y las lecturas generadas por el medidor y su correspondiente factor de corrección. Valor facturado del consumo de la energía de acuerdo al costo unitario del kilovatio-hora y el consumo medido. E. Cargo del 20% al valor facturado por contribución (sector comercial). El sector industrial debe cumplir los requisitos establecidos en el decreto 4955 de 2011 del Ministerio de hacienda de Colombia, para su correspondiente desmonte. F. Valor total facturado de energía eléctrica para su correspondiente pago.

A

B

C

D

E

F

2.3 Factura de gas natural (grandes y pequeños consumidores)

A. Nombre de la empresa comercializadora de gas natural. B. Información asociada al medidor, factor de corrección del medidor, coeficiente de corrección del gas suministrado según altitud y condiciones atmosféricas y tipo de servicio C. Histórico del consumo de gas natural expresado en metros cúbicos al mes (m3/mes). D. Información asociada al valor facturado del consumo de gas natural según el costo unitario del metro cúbico y el consumo medido, de acuerdo al rango de consumo. Cargo del 8.9% al valor facturado por contribución (sector comercial). El sector industrial debe cumplir los requisitos establecidos en el decreto 4956 de 2011 del Ministerio de hacienda de Colombia, para su correspondiente desmonte. E. Valor total facturado de energía eléctrica para su correspondiente pago.

A

B

C

D

E

2.4 Factura de agua, alcantarillado y aseo (grandes y pequeños consumidores)

A. Nombre de la empresa comercializadora de agua y alcantarillado. B. Información asociada al consumo de agua expresado en metros cúbicos al mes (m3/mes) C. Valor total facturado de agua, alcantarillado y aseo para su correspondiente pago. D. Histórico del consumo de agua expresado en metros cúbicos al mes (m3/mes).

3. Establecer la línea base de desempeño energético e hídrico

Para esta actividad se requiere la obtención de información de consumos de energía y agua por facturación mensual y de producción mes a mes. Con ésta se debe establecer una correlación, con el fin de determinar cómo se encuentra la empresa en términos de eficiencia energética y evaluar sus indicadores correspondientes. ¿Cómo preparar un diagrama de correlación o dispersión?

1. Tomar la información necesaria de consumos de energía eléctrica, térmica, agua, por ejemplo kWh/mes, Gal/mes, m3/mes, y la información de producción o servicio, por ejemplo Toneladas/mes, m2/mes, horas-hombre/mes, etc. Realizar análisis por separado para energía eléctrica Vs Producción o servicio, energía térmica Vs producción o servicio y agua Vs Producción o servicio.

2. Tabular los datos de manera tal que exista una relación entre una variable y otra, por ejemplo, para confrontarse, la variable producción y consumo, deben corresponder a comportamientos de un mismo mes o periodo de tiempo.

3. en la herramienta excel, seleccionar los datos a

correlacionar e insertar gráfica de dispersión (xy).

4. en la grafica de correlación o dispersión creada, seleccionamos los puntos y con el botón derecho se agrega la línea de tendencia y seleccionamos la opción de presentar ecuación del gráfico y presentar r cuadrado del gráfico.

5. si el valor de r es mayor de 0.6 se puede decir que hay buena correlación, por lo que se pueden hacer proyecciones futuras con base en la ecuación mostrada.

6. para la correlación de consumo vs. producción o servicio, se debe tratar de encontrar una correlación lineal, en caso de no encontrarse, es posible evaluar el mes donde se encuentre un comportamiento atípico y de esta forma determinar si el comportamiento de este mes no es representativo dentro de la tendencia histórica de consumo de energía y del agua.

Al culminar este procedimiento

se obtendrá una grafica como esta:

y = 10,60x + 22748R² = 0,8

0

50.000

100.000

150.000

200.000

250.000

300.000

350.000

400.000

450.000

500.000

0 5.000 10.000 15.000 20.000 25.000

PRODUCCIÓN O SERVICIO

CON

SUM

OS

4. Analizar e Interpretar la línea base de desempeño energético e hídrico y sus indicadores

A continuación se contextualiza las principales herramientas de análisis empleadas en la caracterización energética e hídrica, para evaluar la eficiencia con que la empresa administra y usa todos los tipos de energía y agua requeridos en su proceso productivo o de servicios.

a) Diagrama Energético/hídrico – productivo

Consiste en realizar un diagrama de flujo de los principales procesos productivos, señalando en cada bloque: etapa del proceso, productividad del bloque, tipos y cantidades aproximadas de energía y agua que entran y salen del bloque, tipos y cantidades de productos que entran y salen del bloque. La figura 1 ejemplifica la distribución de energía en un bloque productivo.

Figura 1. Distribución de la energía

Beneficios Diagrama Energético/hídrico – productivo

a) Muestra la relación entre las diferentes etapas del proceso productivo y las etapas que presentan mayor consumo energético e hídrico.

b) Muestra donde se encuentran concentrados los rechazos de materiales y los efluentes energéticos no utilizados y la posibilidad de usarlos en el propio proceso.

c) Muestra las posibilidades de cambio en la programación del proceso o introducción de modificaciones básicas para reducir los consumos energéticos e hídricos.

d) Sirve como herramienta de apoyo para determinar la producción equivalente de la empresa.

b) Gráficos de control energético e hídrico

Los gráficos de control son diagramas lineales que permiten observar el comportamiento de la energía y del agua en función de ciertos límites establecidos. Se usan como instrumento de autocontrol y resultan muy útiles como complemento a los diagramas pareto y causa-efecto, para detectar en cuales fases del proceso analizado se producen las alteraciones. En la figura 2 se puede observar un grafico de control diario para el consumo de energía eléctrica en un proceso específico de una empresa.

Beneficios gráficos de control energético

a) Conocer si los consumos energéticos e hídricos están bajo control o no.

b) Conocer los límites en que podemos considerar los consumos bajo control.

c) Identificar los comportamientos que requieren explicación e identificar las causas no aleatorias que influyen en el comportamiento de los consumos.

d) Conocer la influencia de las acciones correctivas sobre los consumos o costos energéticos e hídricos.

Figura 2. Grafico de control para consumo de energía eléctrica

c) Gráficos de Pareto

Esta herramienta de análisis permite identificar visualmente en una sola revisión las minorías de características vitales a las que es importante prestar atención y de esta manera utilizar todos los recursos necesarios para llevar a cabo una acción de mejora sin malgastar esfuerzos ya que con el análisis descartamos las mayorías triviales. La figura 3 muestra un grafico de Pareto para determinar el sistema energético de mayor consumo en una planta.

Beneficios gráficos de Pareto

a) Identificar y concentrar los esfuerzos en los puntos clave de un problema o fenómeno como puede ser: los mayores consumidores de energía y agua de la empresa, las mayores pérdidas energéticas e hídricas de un proceso o los mayores costos asociados.

b) Predecir la efectividad de una mejora al conocer la influencia de la disminución de un efecto al reducir la causa principal que lo produce.

c) Determinar la efectividad de una mejora comparando los Paretos anterior y posterior a la mejora.

Figura 3. Grafico de Pareto sistemas energéticos

d) Gráficos de consumo energético/hídrico – producción (C Vs P)

Realizar un gráfico de la energía y agua consumida con respecto a la producción y/o servicio realizada ofrece información importante sobre la eficiencia del proceso. La figura 4 muestra la relación del consumo de energía eléctrica mensual y la producción asociada.

Beneficios gráficos C Vs P

a) Determinar en que medida la variación de los consumos energéticos e hídricos se debe a variaciones de la producción y/o servicios.

b) Mostrar si los componentes de un indicador de consumo de energía y agua están correlacionados entre sí, y por tanto, si el indicador es válido o no.

c) Determinar cuantitativamente el valor de la energía y el agua no asociada a la producción. La energía y agua no asociada al proceso productivo en una empresa puede ser: Iluminación de plantas, electricidad para equipos de oficinas, ventilación, áreas acondicionadas (calefacción o frío), energía usada en servicios de mantenimiento, trabajo en vacío de equipos eléctricos o térmicos, fugas de aire comprimido, pérdidas por radiación en sistemas térmicos, fugas de vapor y revaporizado de condensados, pérdidas de electricidad por potencia reactiva, fugas de agua, entre otras.

d) Establecer nuevos indicadores de consumos o costos energéticos e hídricos.

e) Establecer metas y planes para reducir la energía no asociada a la producción y/o servicios por tipo de energético.

f) Si existen puntos por encima y por debajo de la recta de ajuste, para un mismo valor de producción, se puede identificar los factores productivos que han provocado ese comportamiento y establecer conclusiones acerca de su influencia en los consumos.

Figura 4. Grafico consumo energético – producción (E Vs P)

-

5.000

10.000

15.000

20.000

25.000

30.000

35.000

40.000

45.000

50.000

55.000

60.000

65.000

- 1.000 2.000 3.000 4.000 5.000 6.000 7.000 8.000 9.000 10.000

PRODUCCIÓN (Kg/mes)

CO

NSU

MO

DE

ENER

GIA

ELÉ

CTR

ICA

(k

Wh/

mes

)

E=6,3823P+727,45

E=6,2365P+6008,5

Energía óptima (ideal) por unidad producida = 6,38 kWh/kg

Energía NO asociada a la producción = 727,45 kWh/mes

e) Gráficos de consumo energético/hídrico y producción en el tiempo (C-P Vs T)

Consiste en un gráfico que muestra la variación simultánea del consumo energético e hídrico con la producción realizada en el tiempo. El gráfico se realiza para cada portador energético importante de la empresa y puede establecerse al nivel de empresa, área o equipos.

Generalmente debe ocurrir que un incremento de la producción produce un incremento del consumo de energía asociado al proceso y viceversa. Comportamientos atípicos son: Incrementa la producción y decrece el consumo de energía. Decrece la producción y se incrementa el consumo de energía. La razón de variación de producción y consumo, ambos creciendo o decreciendo es significativamente diferente en el período analizado. La figura 5 muestra la relación del consumo de energía eléctrica mensual y la producción asociada en función del tiempo.

Beneficios gráficos C-P Vs T

a) Muestra períodos en que se producen comportamientos anormales de la variación del consumo energético e hídrico con respecto a la variación de la producción.

b) Permite identificar causas o factores que producen variaciones significativas de los consumos.

Figura 5. Grafico E-P Vs T

f) Grafico Índice de consumo – producción (IC vs P)

El gráfico índice de consumo - producción y/o servicios es muy útil para establecer sistemas de gestión energética e hídrica, y estandarizar procesos productivos a niveles de eficiencia superiores, valores de índice de consumo por debajo de la curva teórica indican un incremento de eficiencia del proceso, en el caso contrario existe un potencial de disminución del índice de consumo igual a la diferencia entre el IC real (sobre la curva) y el IC teórico (en la curva) para igual producción. También se pueden establecer sobre este gráfico las metas de reducción del índice proyectadas para el nuevo periodo e ir controlando su cumplimiento. En cada gráfico IC Vs. P existe un punto donde comienza a dispararse el índice de consumo para bajas producciones. Este punto lo podemos denominar punto crítico. Producciones por encima del punto crítico no cambian significativamente el índice de consumo, sin embargo, por debajo del punto crítico se incrementa cada vez más. La figura 6 muestra el grafico índice de consumo – producción.

Beneficios grafico Índice de consumo – producción

a) Permite establecer metas de índices de consumos en función de una producción planificada por las condiciones de mercado.

b) evalúa el desempeño de la eficiencia energética e hídrica de la empresa en un período dado.

c) determina el punto crítico de producción de la empresa o de productividad de un equipo y planifica estos indicadores en las zonas de alta eficiencia de consumos.

d) determina factores que influyen en las variaciones del índice de consumo al nivel de empresa, área o equipo.

Figura 6. Grafico índice de consumo energético – producción y/o servicios.

5. Identificar y detallar el censo de equipos de interés energético e hídrico de la empresa

Esta información hace referencia a aquellos sistemas y equipos que intervienen en los procesos productivos de la empresa. Se requiere elaborar un inventario con el fin de desarrollar una distribución energética y de esta manera tener claro cuáles son los equipos y sistemas más relevantes en cuanto a consumos energéticos e hídricos para enfocar la atención en la caracterización. Se sugieren aquellos equipos de mayor uso y capacidad).

6. Determinar buenas prácticas operativas y proyectos potenciales de eficiencia energética e hídrica.

Los potenciales proyectos de eficiencia energética e hídrica y las buenas prácticas operativas (BPO), se basan en la puesta en marcha de una serie de procedimientos destinados a mejorar y optimizar los procesos productivos y a promover la participación del personal en su ejecución y seguimiento. Son actividades de media, baja o nula inversión, que tienen como objetivo fundamental, eliminar el desperdicio o uso excesivo de la energía y el agua, minimizando las emisiones contaminantes y los consumos energéticos.

Eventos de inmediata atención: Proyectos que disminuyen la probabilidad de riesgo eléctrico, térmico, mecánico y que debe ser atendidos con prontitud.

Buenas prácticas operativas en el uso eficiente de la energía y el agua. Proyectos de baja y nula inversión que promueven los consumos responsables.

Proyectos de reconversión tecnológica. Proyectos que requieren un grado de inversión y están destinados a cambiar el perfil de consumos, incrementando la eficiencia energética e hídrica de las empresas.

Algunos tips de eficiencia energética….

Algunos tips de eficiencia hídrica….

Sistemas Alternativos de Ahorro de Agua

Dentro de las alternativas para hacer ahorro y uso eficiente del recurso hídrico, se encuentran la utilización de sistemas que propicien dichas condiciones en las instalaciones convencionales, comunes para distintos tipos de organizaciones. A continuación se realiza una descripción de los más novedosos equipos que van a contribuir al ahorro de agua:

Orinal Ecológico. No consume agua, La capa superficial del esmalte de la cerámica del orinal contiene un repelente bacteriano especial, que elimina con eficacia las bacterias, el olor, las manchas y las escalas generadas por la orina. Sanitario 1 y 2.4 litros. Consume solo 1 ó 2.4 litros por descarga (3 segundos).

Grifería de Sensor Autopotenciada. No tiene consumo de energía, genera su propia energía con el flujo de agua de paso, sensor y aireadores graduables, genera un ahorro de agua hasta del 70% con respecto a uno convencional.

Recuperación de aguas lluvia. Recuperar, aprovechar y recoger agua de lluvia para los usos no potables obtenemos múltiples beneficios: Se utiliza menos agua de los cauces naturales, se incrementan las reservas de agua potable, se ahorra energía de potabilización, desalinización o transporte de agua potable y se crea una mayor conciencia en torno a la optimización de los recursos naturales vitales como el agua y un mayor compromiso con el Medio Ambiente.

Recuperación de aguas residuales. Hay diferentes categorías de aguas residuales: agua jabonosa, agua sanitaria y agua residual industrial. Cada tipo tiene diferentes ventajas y procesos de tratamiento. Lo importante es enfocarnos en dónde y cómo reutilizar esta agua que de no hacerlo siempre se va al alcantarillado y posteriormente a los ríos. El agua jabonosa es un agua que no requiere mucho tratamiento para ser reutilizada especialmente en usos secundarios como servicios, riego, lavados de áreas comunes o exteriores, etc. El agua sanitaria también se puede reutilizar en las mismas aplicaciones

que el agua jabonosa, pero requiere un proceso un poco más elaborado necesitando operadores para su operación y mantenimiento. El agua residual industrial es un tema un poco complicado ya que este tipo de descarga puede tener una variedad de contaminantes que son difíciles de tratar, por ejemplo, los metales pesados. De todas maneras el uso final del agua tratada es similar, dependiendo de sus características, puede ser usado en servicios, riego, etc. También tiene la posibilidad de ser reutilizada en el mismo proceso, permitiendo de cerrar el ciclo de agua dentro del proceso para tener una solución llamada “cero descarga”.

Uso de hidrolavadoras en actividades de mantenimiento y limpieza. Las hidrolavadoras son un instrumento de gran efectividad para el ahorro del agua y para la disminución del tiempo en los procesos de limpieza. El uso de estos equipos permite el ahorro del mas del 70% del agua y del 50% del tiempo utilizado en los procesos de lavado. Adicionalmente, se identifican otras ventajas como la versatilidad para realizar la labor, la calidad del trabajo y la eficiencia.