Eficiencia Energética en la Industria Alimentaria: Fuentes, Equipos y Ahorros, Apuntes de Matemáticas

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LA EFICIENCIA ENERGÉTICA

Y CARACTERÍSTICAS DE LA

ENERGÍA EN EL SECTOR

Guía de Orientación del Uso Eficiente de la Energía y de Diagnóstico Energético

3. LA EFICIENCIA ENERGÉTICA Y CARACTERISTICAS DE LA ENERGIA EN EL SECTOR

LA EFICIENCIA ENERGÉTICA Y CARACTERÍSTICAS

DE LA ENERGÍA EN EL SECTOR

La industria de alimentos procesa la materia prima para obtener alimentos de consumo humano o animal. En este proceso se incluyen las fases de transporte, recepción, almacenamiento, procesamiento, conservación. Las materias primas utilizadas son de origen agropecuario principalmente. Como líneas de producción de origen pecuarios tenemos a los lácteos conformados por la leche envasada (proceso UHT) y sus derivados yogurt, queso fresco, fundido, parmesano, mantequilla, entre otros y productos de origen cárnicos como el jamón, hot dog, chorizo, tocino, etc. La elaboración de productos de confitería y de alimentos balanceados también forma parte de la industria alimentaria. Además de materia prima también se consume energía en sus modalidades de electricidad y/o calor (térmico), para activar el proceso productivo. La eficiencia energética es una herramienta útil para reducir el consumo de energía y optimizar el proceso productivo; o sea producir más o igual pero con menos energía. En consecuencia los industriales tienen la oportunidad de aumentar eficiencia productiva y maximizar el beneficio, ya que el consumo energético es proporcional a la situación económica y los ciclos económicos. 3.1 Proceso productivo típico El proceso productivo de la industria de alimentos tiene muchas variantes, depende del tipo de alimento que se elabore. En la figura N° 1 se muestra el proceso típico general el cual puede ser adaptado en función al producto a obtenerse.

Guía de Orientación del Uso Eficiente de la Energía y de Diagnóstico Energético

Cocción

Es la etapa final previa al envasado, donde se requiere cocinar el producto alimenticio y quedar expedito para el consumo humano. Se puede hacer antes o después del envasado, depende del proceso elegido; las temperaturas de cocción depende del proceso adoptado; por lo tanto el uso de la energía es más intenso en esta etapa, para lo cual se requiere de generar calor mediante la quema de combustible. La electricidad también es necesaria para el accionar los motores de los equipos de cocción.

Envasado

El producto alimenticio cocido y apto para el consumo, es envasado y etiquetado listo para la venta. En algunos procesos se somete a esterilización los productos envasados.

Almacenado

El proceso finaliza con el almacenado, previo control de calidad, quedando listo para la distribución. 3.2 Fuentes y costos de energía En el sector Industrial de alimentos se utilizan electricidad y combustibles como fuentes de energía para el funcionamiento del aparato productivo y la prestación de servicios. Generalmente, se usa gas natural o gas licuado de petróleo-GLP como fuente de energía térmica. En la Figura N° 2, se puede observar el consumo promedio anual de energía en una industria de alimentos. En términos de porcentaje, se consume 17,7 % en electricidad y 82,3 % en combustible. Figura N° 2.

Consumo de energía en industria de alimentos

Electricidad 17.7 % Combustible 82.3 % Elaboración FONAM, Fuente: MINEM

INDUSTRIA DE ALIMENTOS El consumo eléctrico total de una planta de alimentos se distribuye tal como se señala en la Figura N°3, donde se puede apreciar que en promedio el 44,14 % de la electricidad es para la fuerza motriz; explicable por la cantidad de motores que mueven máquinas y equipos durante el proceso productivo. Mientras que la generación de frio para conservar alimentos y calor para procesar alimentos, consume electricidad en el orden de 26,65 y 21,62 % respectivamente, y los servicios auxiliares como son aire comprimido e iluminación, consumen solo el 1,96 y 2,4 % de electricidad respectivamente, mientras que el resto de actividades diversas consumen el 3,2 %. Figura N°3.

Consumo de electricidad en la industria de alimentos

Energía eléctrica 21,62 % Calor de proceso 26,65 % Frío de proceso 44,14 % Fuerza motriz 3,2 % Diversos 2,4 % Iluminación 1,96 % Aire comprimido Elaboración FONAM, Fuente: MINEM Para el caso del consumo de combustibles en el subsector alimentos se puede apreciar, a manera de ejemplo en la Figura N° 4, que el 82 % corresponde al calor para cocción, el 10 % de calor para esterilización y el 8 % para otros usos diversos. Figura N°4.

Consumo de combustibles en la industria de alimentos

Energía térmica 82 % Cocción 8 % Otros 10 % Esterilización Elaboración FONAM, Fuente: Manual de Eficiencia Energética en Industria de Alimentos Elaborados- CHILEALIMENTOS

INDUSTRIA DE ALIMENTOS

• Cortadoras, divisoras para panadería y pastelería
• Dosificadoras para pastelería
• Heñidoras y boleadoras
• Inyectadoras, untadoras de crema (1)
• Hornos para panadería
• Molinos homogeneizadores (0)
• Pulverizadoras, refinadoras para pastelería

Máquinas y equipos para confitería:

• Dosificador
• Bañador
• Cortadoras
• Embolsadora
• Impresora
• Troquelador
• Molino
• Fusionador
• Marmita
• Mezclador
• Secadora
• Selladora
• Separadora
• Temperadoras
• Túnel de enfriamiento
• Bombos
• Transportador Además de estos equipos que son específicos para cada rama alimenticia, también se tienen los equipos electromecánicos que son comunes en esta industria, tales como: - Caldera generador de vapor saturado, que es una fuente de calor para la cocción de alimentos, calentamiento, esterilización, limpieza, etc. El vapor puede ser distribuido en toda la planta donde se encuentran los equipos que requieren de vapor para calentar, como son los hornos, cámaras, esterilizadoras, etc. - C á m a r a s d e c o n g e l a c i ó n , refrigeración y aire acondicionado para la conservación de productos y la materia prima. - Motores eléctricos de diversos tamaños para activar la producción continua. - Generador de aire comprimido, utilizado principalmente en comandos neumáticos de equipos automatizados.

USOS INADECUADOS DE

ENERGÍA Y LAS BUENAS

PRÁCTICAS PARA EL USO

EFICIENTE DE LA ENERGÍA

INDUSTRIA DE ALIMENTOS de análisis de gases. Si no se logra la calibración, puede ser problema del quemador, del sistema de combustión o del combustible. Mejora de Baja inversión.

- Verificar el estado de las paredes externas del caldero y su temperatura, para determinar el nivel de fuga de calor, mediante un analizador termográfico. Mejora de Baja inversión.

Línea de distribución de vapor

- Las fugas de vapor en tuberías y accesorios (válvulas, trampas, etc), origina mayor consumo de combustible en el caldero. La buena práctica indica sellar las fugas reparando o cambiando tubos y accesorios e implementar un plan de mantenimiento periódico. Mejora de Baja inversión. - Considerar que el retorno de condensado no es importante, es permitir mayor consumo de combustible en el caldero. La buena práctica indica recuperar la mayor cantidad posible de condensado hacia el caldero; esto también significa un ahorro importante de agua tratada. Mejora de Baja inversión. - Mantener conectados tramos de tubería de vapor que ya no forman parte del proceso, es consumir más combustible en el caldero para mantener llena esta tubería. Se recomienda eliminar este tramo de tubería. Mejora de Baja inversión.

Refrigeración

- Mantener la cámara innecesariamente a muy baja temperatura, origina mayor consumo de electricidad. La BP recomienda controlar el seteo de la temperatura requerida en la cámara, para la conservación de la carga. Mejora Sin inversión. - No dar importancia a las infiltraciones en los ambientes refrigerados, ocasiona mayor consumo de electricidad. Verificar que no existan infiltraciones en los ambientes refrigerados. Mejora de Baja inversión. - No controlar la operación productiva durante horas de punta, origina mayor gasto en la tarifa. La BP recomienda evaluar posibles ajustes en el proceso productivo. Mejora Sin inversión. - Ubicar equipos de refrigeración en zonas cercanas a fuentes de calor o expuestas al sol, ocasiona mayor consumo de electricidad. La BP recomienda ubicarlos en zonas frescas, ventiladas y bajo techo. Mejora de Baja inversión. - Evitar introducir cargas calientes a la cámara de frio, originando mayor consumo de electricidad. La BP recomienda introducir cargas lo más fría posible. Mejora de Baja inversión. - El condensador de la cámara debe estar ubicado a libre circulación del aire, lejos de las paredes y de los rayos solares directos. Mejora de Baja inversión.

Aire Acondicionado

- Mantener ambientes muy fríos innecesariamente origina derroche de electricidad. La BP recomienda setear la temperatura utilizando estándares recomendados de acuerdo al ambiente enfriado, evitando así

Guía de Orientación del Uso Eficiente de la Energía y de Diagnóstico Energético consumos excesivos de electricidad para el confort. Mejora Sin inversión.

- Mantener sellados las paredes y puertas de los ambientes acondicionados, evitando infiltraciones de aire caliente; lo que evitaría mayor consumo de electricidad. Mejora de Baja inversión. - Ubicar equipos de aire acondicionado en zonas cercanas a fuentes de calor o expuestas al sol, ocasiona mayor consumo de electricidad. La BP recomienda ubicarlos en zonas frescas, ventiladas y bajo techo. Mejora de Baja inversión.

Motores

- Tener motores operando en vacío en las áreas productivas es derrochar electricidad, se recomienda evitarlo. Mejora de Baja inversión. - El arranque simultáneo de varios motores, ocasiona elevados picos de demanda con mayor consumo de electricidad, se recomienda evitarlos y hacer una mejor distribución de cargas. Mejora de Baja inversión. - Al intercambiar motores internamente, puede resultar motores operando con bajo factor de carga y en condiciones distintas a las nominales, lo que origina mayor consumo eléctrico. La BP recomienda hacerlo con una previa redistribución de cargas. Mejora de Baja inversión. - Evitar arranque frecuentes en un motor. Evitar sobre calentamiento y sobretensión del motor. Mejora de Baja inversión.

Bombas

- Si para atender cargas parciales, se utilizan bombas estranguladas, en serie o paralelo es una forma de derroche de electricidad. La buena práctica (BP) recomienda evitarlas. Utilizar una bomba de menor capacidad para aplicaciones específicas. Mejora de Baja inversión. - Para incrementar la presión de las bombas, verificar si la causa de la baja de presión se debe fugas en las tuberías o válvulas. La buena práctica recomienda primero reparar las fugas antes de reemplazar la bomba. Mejora de Baja inversión. - Poner particular atención a las bombas en paralelo, adicionar más bombas puede hacer que el sistema total sea progresivamente menos eficiente. Mejora de Baja inversión. - Usar tuberías de baja fricción sobre todo cuando considere renovar las tuberías viejas. Minimizar el número de cambios de dirección en la tubería. Evaluar el redimensionamiento de tuberías y accesorios para optimizar la operación de la bomba. Mejora de Baja inversión.

Iluminación

- Mantener lámparas encendidas durante períodos no productivos, horas de descanso del personal o en zonas de almacenes sin personal en el interior, origina derroche de electricidad y mayor costo de operación; se recomienda evitarlo. Reemplazar lámparas por otras más eficientes en áreas de producción y

Guía de Orientación del Uso Eficiente de la Energía y de Diagnóstico Energético electricidad. Considerar alternativas como el uso de herramientas eléctricas en vez de usar aire comprimido. Considerar el uso de ventiladores o sopladores para aplicaciones que requieren poca presión. Mejora de Baja inversión. 5.2 Oportunidades de mejoramiento u optimización A modo de ejemplo ilustrativo se muestra los potenciales ahorros identificados en una industria de alimentos luego de un estudio realizado. Figura N° 8.

Ahorros potenciales de energía eléctrica en industria de alimentos

Ahorro potencial en energía eléctrica 11,6 % 2 % Sub producto lacteos 2 % Cárnicos 5 % Equipos de frío 1 % UHT 1 % Bombeo 0,6 % Diversos Fuente: Adaptación de la guía anterior, Guía N° 11 Industria de alimentos Figura N° 9.

Ahorros potenciales de energía térmica en industria de alimentos

Ahorro potencial en energía térmica 13% 6 % UHT 3 % Cárnicos 4 % Sub producto lácteo Fuente: Adaptación de la guía anterior, Guía N° 11 Industria de alimentos

INDUSTRIA DE ALIMENTOS Tabla N°7.

Mejoras energéticas y sus potenciales ahorros de energía

N° Mejora energética Potencial de ahorro Periodo de retorno Nivel de inversión ($) 1 Uso de combustibles más limpios y económicos en calderas De 10 a 30 % Mediana plazo 5,000-30, 2 Instalación de conmutadores de potencia que impiden la operación innecesaria de bombas de repuesto, en calderas De 1 a 10 % Menor a 1 año Menor de 5, 3 Instalación de un controlador automático para el funcionamiento de calderas De 1 a 10 % Menor de 3 años 8,000 a 30, 4 Optimización de la Eficiencia de Combustión de la Caldera De 2 a 10 % Menor de 1 año Menor a 1, 5 Instalación de un control automático para sistemas de refrigeración. De 2 a 10 % Menor de 3 años 4,000 a 30, 6 Instalar y mantener un control de purga automática en la torre de enfriamiento o en el condensador de evaporación De 30 % a 60 % Menor a 1 año Menos 1000 7 Instalar limpiadores automáticos de tubos de condensador De 3 % a 12 % Menor a 1 año $30 - $50 - $ 8 Restablecer manualmente la temperatura del enfriamiento del agua. De 4 % a 10 % Inmediato Mínimo 9 Instalar un control automático de temperatura para el enfriamiento del agua del enfriador De 5 % a 5 % mayor a $1000 Menor a un año Elaboración FONAM, Fuente: Energy Efficiency Manual de Donald R. Wulfinghoff Las oportunidades de ahorro con media o alta inversión se muestran a continuación:

Calderas

- Instalar economizadores para recuperar calor de los gases de combustión y reducir consumo de combustible. Mejora de Mediana inversión. - Evaluar la posibilidad de implementar u n s i s t e m a d e c o g e n e r a c i ó n (generación simultánea de calor y electricidad). Mejora de Alta inversión. - Reemplazar quemadores obsoletos por otras más eficientes. Mejora de Mediana inversión. - Usar gas natural en reemplazo del petróleo. Usar gas licuado de petróleo GLP en lugares donde no esté disponible el gas natural. Mejora de Alta inversión. - Considerar el uso de calderas más pequeñas, para cargas parciales o para requerimientos de menor temperatura o presión. Mejora de Alta inversión.

INDUSTRIA DE ALIMENTOS

Aire Acondicionado

- Evitar en lo posible el uso de aire acondicionado en horas punta, con la finalidad de reducir el consumo de electricidad. Evaluar la instalación de controladores de máxima demanda si el proceso lo permite. Mejora de Mediana inversión. - En ampliaciones o proyectos nuevos evitar el sobre dimensionamiento de los equipos de aire acondicionado. Mejora de Mediana Inversión. - Considere el uso de variadores de velocidad para sistemas de aire acondicionado. Mejora de Media inversión. - Considere el uso de motores de alta eficiencia en los ventiladores. Considere el uso de fajas de transmisión de alta eficiencia en los ventiladores. Mejora de Mediana inversión. - Considere el uso de refrigerantes menos contaminantes como el R-134. Mejora de Mediana inversión. - Verificar el estado de aislamiento y conservación de las tuberías y accesorios del sistema de aire acondicionado a fin de prevenir consumos excesivos de electricidad. Mejora de Mediana inversión.

Motores

- Reparar motores sin llevar un control de las veces que se ha realizado, contribuye a incrementar las pérdidas de eficiencia acumulada, con el consiguiente mayor consumo de electricidad. La BP recomienda efectuar mantenimiento de los motores según especificaciones del fabricante. Mejora de Mediana inversión. - Reemplazar motores de eficiencia estándar por motores de alta eficiencia o eficiencia premium. Mejora de Alta inversión. - En ampliaciones o proyectos nuevos evitar el sobre dimensionamiento de los motores. Para la compra de motores nuevos, verificar que sea de alta eficiencia; efectuar la evaluación económica considerando costos de operación durante la vida útil en adición al costo de inversión inicial. Evaluar la incorporación de variadores de velocidad u otros accesorios que permitan ahorrar energía. Mejora de Alta inversión. - Implementar variadores de velocidad en los motores donde lo permita el proceso. Utilizar fajas de transmisión de alta eficiencia. Mejora de Mediana inversión. - Mejorar el factor de potencia mediante banco de condensadores individuales. Mejora de Alta inversión.

Bombas

- En ocasiones se utilizan bombas en condiciones de caudal y altura de presión distintas a lo establecido por el diseño original del sistema, originando mayor consumo de electricidad. La BP recomienda utilizar la bomba de acuerdo al caudal y altura de agua del diseño del fabricante. Mejora de Mediana inversión. - Utilizar una sola bomba de gran capacidad para atender todo el proceso puede originar baja eficiencia

Guía de Orientación del Uso Eficiente de la Energía y de Diagnóstico Energético y mayor consumo eléctrico; evalué el sistema más óptimo. Mejora de Mediana inversión.

- Si por razones de emergencia se intercambian bombas en diferentes partes de la planta, pasado la emergencia, considerar las características del proceso para el retorno de la bomba o reemplazarla por otra. Mejora de Mediana inversión. - Controlar horas de operación, en particular durante horas punta. Programar el mantenimiento oportuno de la bomba. Evaluar la instalación de controladores de máxima demanda si el proceso lo permite. Mejora de Mediana inversión. - Para adquirir un nuevo equipo, seleccionar una bomba eficiente y operarla cerca de su flujo de diseño. Comprobar si la presión de la bomba es satisfactoria. En ampliaciones o proyectos energéticos nuevos evitar el sobre dimensionamiento de las bombas. Mejora de Mediana inversión. - En bombas de gran capacidad, es necesario un programa de monitoreo para calcular el tiempo óptimo de renovación. Efectuar mantenimiento oportuno según especificaciones del fabricante. Mejora de Mediana inversión. - Evaluar la implementación de controles automáticos de presión y caudal. Implementar variadores de velocidad en el motor de la bomba. Mejora de Mediana inversión.

Iluminación

- Utilizar lámparas halógenas en lugar de vapor de mercurio, en áreas de producción; lámparas de vapor de sodio en áreas de almacenamiento. Evaluar el uso de tecnología más eficiente como son las luminarias LED, para todas las áreas donde sea posible. Mejora de Mediana inversión. - Utilice “timer” o sensores de luz natural para luces exteriores. Utilice “Dimmers” para reducir la intensidad de luz en periodos que se necesite poca luz, ejemplo durante la limpieza. Mejora de Mediana inversión. Nota: Los “timer” son dispositivos temporizadores programables y los “dimmer” son dispositivos que reducen el consumo de energía, principalmente de un foco.

Compresores

- Se operan los compresores en forma desordenada en lugar de instalar un tanque pulmón. Evaluar el uso del motor de alta eficiencia o eficiencia Premium para el compresor. Evaluar el uso de fajas de transmisión de alta eficiencia en el ventilador. Mejora de Mediana inversión. - Utilizar el compresor en forma continua aun cuando el proceso no lo requiera es consumir electricidad inútilmente. Controlar las horas de operación, en particular durante el período de horas punta (18: a 23:00 h). Evaluar la instalación de controladores de máxima demanda

Guía de Orientación del Uso Eficiente de la Energía y de Diagnóstico Energético Media Tensión para reducir costos. Mejora de Alta inversión.

- Mantener activos cables conductores con muchos años de antigüedad, pone en riesgo al sistema eléctrico de la planta, por recalentamiento, pérdidas de aislamiento y por ende fugas de corriente, por lo que se debe planificar la remodelación. Mejora de Mediana inversión. - Si el consumo bordea los 1000 kW, evaluar la conveniencia de ser considerado cliente libre o regulado. Evaluar si la facturación proviene de la mejor opción tarifaria. Mejora de Mediana inversión. - No se controla la calidad de la energía en la planta. Monitorear la calidad de la energía en forma periódica mediante el uso de analizadores de redes. Mejora de Mediana inversión. - Evaluar la instalación de la compensación de energía reactiva (manual o automático). Evaluar la implementación de una subestación para comprar energía en media tensión. Mejora de Alta inversión. Los rangos de inversión de las mejoras energéticas se muestran a continuación: - Menos de US$ 5,000 es Baja inversión - De US$ 5,000 a US$ 30,000 es Mediana inversión - Más de US$ 30,000 es Alta inversión Asimismo para calcular los potenciales ahorros de energía en diferentes equipos y gestionar un óptimo consumo de energía en planta, se cuenta con software de eficiencia energética. En la bibliografía se adjunta algunas referencias de éstos software. 5.3 Nuevas Tecnologías y su contribución en la **Eficiencia Energética

• Implementación de un skid de**

recuperación de energía de

purgas

Las calderas de vapor necesitan realizar purgas para controlar el nivel de los sólidos disueltos totales (SDT) en el agua al interior de la caldera, para esto se instala un sistema de control de SDT, mediante el cual se abre una válvula de forma automática permitiendo purgar el agua de la caldera cuando el nivel de SDT sobrepase el límite fijado. El calor del agua que se descarga a través de este sistema puede ser recuperado a través de un skid de recuperación de energía de purgas.

Funcionamiento

El vapor flash o revaporizado es liberado del agua caliente de purga cuando la presión cae después de la válvula de control de purga de los STD; este efecto se produce dentro del tanque de revaporizado o tanque flash. El revaporizado a baja presión se introduce en el tanque de almacenamiento de agua de alimentación a través de un inyector de vapor. Una trampa tipo flotador, montada en la salida inferior del tanque de revaporizado, descarga el agua residual de purga. Desde la descarga de la trampa, el agua residual de purga que aún está caliente pasa por

INDUSTRIA DE ALIMENTOS un intercambiador de calor de coraza y tubos, donde transmite su calor al agua fría de reposición. Luego el agua de purga ya enfriada puede descargarse al desagüe. Fuente: Boletín Técnico La Llave N°69. Figura N° 10.

- Calderas de vapor de alta

presión UL-S

A diferencia de los sistemas de calderas antiguos, existen en el mercado nuevas calderas con quemadores de gas natural, que además ahorra alrededor del 10 % de energía, y las emisiones de CO2 se reducen en la misma proporción. En las calderas automatizadas el proceso de arranque y salida se realiza presionando un botón o mediante una señal de solicitud externa, lo cual facilita el manejo de la caldera de vapor. Las funciones automáticas protegen el sistema de cargas innecesarias durante los arranques en frío y durante el estado preliminar a la producción. Evita el arrastre de agua y los problemas derivados de ello, como la salinización, la corrosión y los golpes de agua. Todas las funciones automáticas se pueden activar en el control de la caldera, manejable mediante pantalla táctil. Gracias a esta variante de control se obtiene seguridad en el proceso. Estas calderas disponen de un innovador sistema automático de arranque. Además el personal de servicio se ve aliviado de numerosas tareas manuales, como la apertura progresiva de la válvula de vapor principal. También forma parte del equipamiento un economizador integrado que permite un servicio económico y ecológico. Cuenta con una instalación para desgasificación parcial del agua de alimentación, que suministra agua de alimentación procesada térmicamente a la caldera de vapor y recoge el reflujo de agua condensada. Fuente: https://issuu.com/revistaindustria alimentaria/docs/revista

- Instalación del sistema de

control de nivel en calderas,

con sensor de tipo capacitivo

(LP20) para solucionar

problemas de arrastre y

calidad de vapor:

Este sensor nos permite la posibilidad de un monitoreo continuo en todo el rango de control, sin necesidad de calibrarlo a pesar que las condiciones de operación son algo extremas (10 bar y 184 ºC), este va acompañado de un preamplificador de señal PA20 (nos permite operar a niveles de conductividad muy bajas) y un controlador dedicado LC2650 , el cual tiene muchas funcionalidades que hacen segura y confiable la implementación, dentro de su funcionalidad tenemos: