Uso de la energía en el sector industria - IUSES
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Uso de la energía en el sector industria Manual para estudiantes Edición ES 1.0 - Octubre 2010 Versiones actualizadas en la página web del proyecto IUSES www.iuses.eu Descargo de responsabilidad Este proyecto ha sido financiado con el apoyo de la Comisión Europea. Esta publicación refleja únicamente las opiniones del autor y la Comisión no se hace responsable del uso que pueda hacerse de la información contenida en él. Autores: Tadhg Coakley (Clean Technology Centre - Cork Institute of Technology ), Noel Duffy (Clean Technology Centre - Cork Institute of Technology ), Sebastian Freiberger (Stenum), Johannes Fresner (Stenum), Jos Houben (University of Leoben), Hannes Kern (University of Leoben), Christina Krenn (Stenum), Colman McCarthy (Clean Technology Centre - Cork Institute of Technology ), Harald Raupenstrauch (University of Leoben) Traducción y adaptación: Giuseppe Pugliese (CIRCE), Sergio García Beltrán (CIRCE) Layout Fabio Tomasi (AREA Science Park) A cerca de este manual y IUSES Este manual se ha desarrollado en el marco de IUSES (Uso Inteligente de la Energía en los Centros Escolares de Educación Secundaria) y ha sido financiado por la Comisión EuropeaPrograma de Energía Inteligente para Europa. Los socios del programa son : AREA Science Park (Italia), CERTH (Grecia), CIRCE (España), Clean Technology Centre - Cork Institute of Technology (Irlanda), Enviros s.r.o. (República Checa), IVAM UvA (Holanda), Jelgava Adult Education Centre (Letonia), Prioriterre (Francia), Science Centre Immaginario Scientifico (Italia), Slovenski E-forum (Eslovenia), Stenum GmbH(Austria), University “Politehnica” of Bucharest (Rumanía), University of Leoben (Austria), University of Ruse (Bulgaria) Derechos de autor Este libro puede ser copiado y distribuido libremente, a condición de incluir siempre las notas de derechos de autor. Los profesores, formadores y cualquier otro usuario debe siempre citar a los autores, al proyecto IUSES y al Programa de Energía Inteligente para Europa. El libro también puede ser libremente traducido a otros idiomas. Los traductores deben incluir los derechos de autor presentes y enviar una copia del texto traducido al coordinador del proyecto ([email protected]), que la publicará en la página web del proyecto IUSES para su libre distribución. . I Índice de contenidos …………………………………………………… PREFACIO ........................................................................................................................ 3 CAPÍTULO 1: INTRODUCCIÓN A LA ENERGÍA .................................................... 5 ¿Qué es la energía?..................................................................................................... 5 Problemas asociados a la energía.............................................................................. 5 Fuentes de energía...................................................................................................... 5 Consumo de Energía .................................................................................................. 6 Energía y potencia...................................................................................................... 7 Potencia humana ........................................................................................................ 7 CAPÍTULO 2: FUENTES DE ENERGÍA.................................................................... 10 Problemas asociados a las fuentes de energía no renovables (fósil y nuclear) ... 13 Energía renovable .................................................................................................... 15 Uso de energía renovable en la industria ............................................................... 15 CAPÍTULO 3: TRANSFORMACIÓN DE LA ENERGÍA Y SU USO EN LA INDUSTRIA .................................................................................................................... 19 3.1 TRANSFORMACIÓN DE ENERGÍA (PORTADORES DE ENERGÍA).......... 19 Tipos de energía y portadores................................................................................. 19 Producción de combustible...................................................................................... 20 Producción electricidad ........................................................................................... 20 Centrales de ciclo combinado.................................................................................. 22 Plantas de cogeneración........................................................................................... 23 Balances energéticos nacionales e intensidad energética...................................... 24 3.2 USOS FINALES DE LA ENERGÍA EN LA INDUSTRIA Y OPTIMIZACIÓN DE EQUIPOS......................................................................................................................... 27 Funcionamiento de las calderas .............................................................................. 27 Ventiladores y soplantes (Motores eficientes)........................................................ 30 Aire comprimido ...................................................................................................... 32 Fluido para calefacción y refrigeración ................................................................. 34 1 CAPÍTULO 4: GESTIÓN DE LA ENERGÍA ..............................................................37 Objetivos de un sistema de gestión de la energía ...................................................38 Elementos de un sistema de gestión de la energía..................................................39 Política energética .....................................................................................................40 Planificación ..............................................................................................................41 Aplicación y operación .............................................................................................45 Auditoría....................................................................................................................47 Revisión de la gestión................................................................................................48 CAPÍTULO 5: USO EFICIENTE DE LA ENERGÍA EN LA INDUSTRIA DEL PAPEL ..............................................................................................................................50 Introducción ..............................................................................................................50 Ciclo de vida del papel..............................................................................................51 Materias primas para la fabricación de papel .......................................................52 Proceso de producción del papel .............................................................................55 Papel reciclado vs. El uso de fibras nuevas ............................................................59 Funcionamiento de la máquina de papel ................................................................64 . 2 Prefacio ¡La energía está en todas partes! Es lo que hace que las cosas sucedan y se muevan. Es aquello que proporciona luz y calor. Es lo que utilizamos para viajar, para cocinar, para conservar los alimentos frescos, etc. Acerca de este manual Este manual, “Uso de la Energía en la Industria” forma parte del curso denominado Uso Inteligente de la Energía en la Escuela. Este curso está dirigido a ayudar a los estudiantes a aprender los principios básicos de la eficiencia energética. La lectura del manual te enseñará qué es la energía y cómo se utiliza, sobretodo en el sector de la industria. En el manual se explican muchos de los términos relacionados con la energía, las diferentes fuentes de energía, cómo se genera la electricidad y cómo se utiliza la energía en las operaciones industriales. Uno de los principales objetivos de este manual y de este curso es mostrar cómo se puede generar la energía de una manera más limpia, cómo se puede utilizar de una forma más eficiente y también cómo se puede mejorar la gestión, especialmente en relación con la reducción de residuos. ¿Cómo está estructurado el Manual? Este manual está elaborado para presentarte la información de una manera interesante e interactiva, para ello, dentro del manual podrá encontrar textos, imágenes, gráficos, definiciones, sugerencias, puntos clave, etc. El manual también contiene diferentes actividades como ejercicios, preguntas y alguna pequeña práctica. A continuación se presenta un pequeño resumen de cada capítulo. Capítulo 1: Introducción a la Energía Este capítulo le explicará qué es la energía y lo que significa, cómo se mide y en qué unidades. También se explicará el concepto de potencia y la diferencia entre energía y potencia. Se explicará la dependencia que la industria y la sociedad tiene del uso a gran escala de la energía, donde la energía humana en sí misma no es suficiente. La producción de energía a gran escala causa problemas ambientales y además provoca el agotamiento de las principales fuentes convencionales de energía. Capítulo 2: Fuentes de Energía Este capítulo explica el origen de la energía. Las principales fuentes de energía que usamos son fuentes de energía no renovables que únicamente se utilizan una vez, principalmente combustibles fósiles como el petróleo, carbón y gas. La producción de energía a partir de estos combustibles fósiles lleva asociada una serie de emisiones de gases de efecto invernadero (sobretodo CO2) que tienen una importante contribución al cambio climático. Además de las ya mencionadas, existe otro tipo de fuentes de energía, dichas fuentes tienen un origen renovable por lo que siempre están a nuestra disposición para ser utilizadas y además no emiten gases contaminantes por lo que no tienen ningún efecto negativo sobre el medio ambiente. Estas fuentes de energía renovable son el sol, el viento, la biomasa o el agua de los ríos y mares. Otra fuente de energía y que también se considera renovable son los residuos, tanto residuos agrícolas como residuos sólidos urbanos o residuos de depuradoras. Por tanto, la energía se puede obtener de diferentes formas, unas más limpias que otras. Capítulo 3: Transformación de la Energía (portadores de energía y uso en la industria) Este capítulo explica cómo la energía, a menudo, se transforma en combustibles transportables (en refinerías petrolíferas) o en electricidad (en plantas generadoras). Algunas veces se puede producir tanto electricidad como calor útil que será utilizado en determinados procesos. Dentro de la energía consumida en un país, la industria es uno de los mayores consumidores junto con el transporte y la energía consumida en los hogares. Por último se introduce la idea de intensidad energética. Capítulo 4: Gestión de la Energía Este capítulo describe cómo se puede aplicar un sistema de gestión de la energía en la industria. Un enfoque similar puede ser adoptado por una escuela para proporcionar una estructura para la gestión de la energía. Este enfoque puede ser adoptado tanto por pequeñas como por grandes empresas u organizaciones. Capítulo 5: Estudio de un caso de la industria papelera 3 El capítulo 5 presenta el proceso de fabricación del papel. Se ha elegido este tipo de industria como un ejemplo que ilustra los diferentes procesos energéticos que tienen lugar en la industria. También se incluyen instrucciones sobre cómo los estudiantes pueden hacer su propio papel. Algunos de los iconos y consejos del manual En la estructuración del manual se ha tratado de separar la información en partes manejables e interesantes. No únicamente se trata de leer página tras página, se pretende presentar la información de una manera sencilla y divertida, por eso cuando aparezcan definiciones, actividades, objetivos de aprendizaje, una nota importante o una referencia, se marca con icono. A continuación se presentan los iconos que nos acompañarán a lo largo de nuestra lectura: Definición: explica lo que un término significa. Nota: muestra que algo es importante, un consejo o una pieza clave de información. ¡Cuidado con ellos! Objetivo de aprendizaje: aparece al principio de cada capítulo y explica lo que se aprenderá en dicho capítulo. Experimento, ejercicio o actividad: indica algo para hacer en base a lo que has aprendido. Enlace web: muestra una dirección de internet donde se puede obtener más información. Referencia: indica de donde proviene la información. Estudio del caso: cuando se muestra un ejemplo o una situación real. Puntos clave: se trata de un resumen de todo lo explicado, por lo general aparece al final de cada capítulo. Preguntas: son preguntas que se efectúan al alumno al final de cada capítulo para comprobar los conocimientos adquiridos. Nivel 2: indica el nivel de aprendizaje. 4 Capítulo 1 Introducción a la Energía Objeto de aprendizaje: Qué es y qué significado tiene la energía. Un vistazo general de alguno de los principales problemas relacionados al uso de la energía, sus fuentes y la forma en que se consume. Las principales unidades de medida de energía y potencia A partir de un experimento se mostrará cómo se transforma la energía de una forma a otra ¿Qué es la energía? La energía existe en todas partes y sin ella no podríamos vivir ya que se utiliza todos los días y de muchas maneras diferentes. Los alimentos que comemos contienen energía; este manual se ha originado consumiendo energía; la luz que utilizas diariamente también es energía, etc. Pero, ¿de dónde proviene toda esta energía? y, ¿qué hacemos con ella?, ¿la usamos sabiamente o por el contrario la estamos malgastando?, ¿qué ocurrirá cuando se agoten los combustible fósiles? Estas son sólo algunas de las preguntamos que intentaremos responder en este manual. También tenemos que pensar sobre las consecuencias del uso y la transformación de la energía. ¿Has oído hablar de la emisión de gases de efecto invernadero y del cambio climático? Son problemas muy graves para el planeta y una de las principales causas que los provocan es la producción y consumo de energía. Pero no es necesario continuar de esta manera, existen formas mejores y más limpias de producir y usar la energía que aprenderemos según se vaya profundizando en este manual. Definición: la energía se define como la capacidad para hacer un trabajo. La cantidad de energía que tiene algo, es la cantidad de trabajo que puede hacer. . Problemas asociados a la energía La emisión de contaminantes debida a la producción de energía a partir de combustibles fósiles es la principal causa del cambio climático. La extracción y uso de estos combustibles también provoca contaminación y además su incontrolada explotación está llevándolos hasta la extinción. Lo que significa, que para un país, la seguridad en el suministro es algo muy importante hoy en día ya que somos totalmente dependientes de los combustibles fósiles y una falta de suministro podría provocar el colapso de un país entero. El fomento del uso de las energías renovables y la aplicación de medidas de eficiencia energética son la mejor manera de reducir el daño provocado al planeta. Esto no sólo es de aplicación importante en la vida cotidiana sino también en la industria y los negocios. La eficiencia energética en la industria o conseguir la autosuficiencia mediante energías renovables, no sólo conduce a una mejora del medio ambiente sino también puede incrementar la rentabilidad de una empresa, lo que se puede conseguir a través de reducciones en costes de energía y, en general, en aumentos en la eficiencia del proceso. Aprenderemos más acerca de estas posibilidades más adelante. Fuentes de energía La naturaleza nos ofrece numerosas fuentes de energía, incluida la radiación del sol, el agua de ríos y pantanos, las olas del mar, el viento o el calor de la tierra. Además de todas estas fuentes de energía renovable, como bien se ha comentado anteriormente, también existen otras fuentes 5 de energía que nos presenta la naturaleza pero que no son renovables ya que se necesitan muchos miles de años para que se vuelvan a formar. Estas fuentes son los combustibles fósiles (carbón, petróleo y gas natural) y el uranio (energía nuclear). Las fuentes renovables de energía se derivan de varias maneras: Las fuerzas gravitacionales del sol y la luna que crean las mareas; La rotación de la Tierra combinada con la energía del sola que genera las corrientes marinas y las corrientes de viento; La desintegración de minerales radiactivos y el calor interior de la Tierra que proporciona la energía geotérmica; La producción fotosintética de la materia orgánica (biomasa); Y el calor directo del sol (energía solar). Éstas son las llamadas fuentes de energía renovable, ya sea porque están continuamente en reposición o, para todos los efectos prácticos, porque son inagotables. Por el contrario, los combustibles fósiles son fuentes de energía muy extendidas en la mayor parte del mundo industrial, de servicios públicos y del transporte. Consumo de Energía Según la Agencia Internacional de la Energía (AIE), el consumo de energía mundial, en promedio, sigue aumentando en un 2% al año, lo que da lugar a una duplicación del consumo cada 35 años. El consumo de energía está ilógicamente relacionado con los resultados económicos ya que existe una gran diferencia entre la energía utilizada en la mayoría de los países altamente desarrollados y los más pobres. ¿Sabía usted que el consumo promedio de energía de una persona que vive en Estados Unidos es 57 veces mayor que el consumo de una persona de Bangladesh? Los Estados Unidos consumen el 25% de la energía mundial (con una cuota de la producción global de un 22% y una proporción de la población mundial del 5%). Note: el crecimiento más significativo del consumo de energía está teniendo lugar hoy en día en China, que ha estado creciendo en un 5,5% por año durante los últimos 25 años. En Europa, la tasa de crecimiento fue tan sólo del 1%. Pregunta: ¿Qué indican las cuatro imágenes expuestas arriba? Escribe un párrafo sobre cada imagen en relación al tipo de fuente de energía. Enlace web International Energy Agency (IEA): http://www.iea.org European Environment Agency: http://www.eea.europa.eu/themes/energy 6 Energía y potencia Definición: la potencia es la cantidad de trabajo que se efectúa por unidad de tiempo. Esto equivale a la velocidad de cambio desde una forma de energía a otra, por ejemplo, desde energía química (carbón) a energía eléctrica en una central térmica y desde energía eléctrica a energía mecánica en un motor. Unidades de energía y potencia Julio (J) – es la unidad para medir la energía térmica, mecánica y eléctrica. Como la energía es la capacidad de hacer un trabajo, un julio (J) es el trabajo realizado por la fuerza de 1 newton en un desplazamiento de 1 metro en dirección a la de la fuerza. También equivale al trabajo realizado cuando 1 amperio de corriente pasa a través de una resistencia de 1 ohmio durante un segundo. Vatio (W) – es la unidad de potencia y equivale a la transferencia de 1 julio de energía por segundo. Múltiplos de unidades: ya que 1 julio y 1 vatio son unidades bastante pequeñas, a menudo se habla en múltiplos de miles, mil julios (1 kilojulio, kJ), 1 millón de julios (1 megajulio, MJ), mil millones de julios (1 gigajulio, GJ). Del mismo modo se habla de potencia, mil vatios (1 kilovatio, kW), 1 millón de vatios (1 megavatio, MW), mil millones de vatios (1 gigavatio, GW). Potencia humana Pero, ¿cuál es el significado de julios y vatios en realidad?, ¿cuánta energía y potencia utiliza nuestro cuerpo? y, ¿es suficiente para nosotros vivir de esta forma? Un deportista olímpico que levanta pesas podría alcanzar una potencia de 1500-1800 W pero sólo durante un tiempo inferior a un minuto. Un ciclista profesional puede alcanzar una potencia de 500 W durante varias horas y una persona sentada utilizará alrededor de 100 W de potencia para realizar las funciones básicas del metabolismo: respirar, pensar, etc. “Caballo” es una antigua unidad de medida de potencia que equivale a 745 W, y se le asignó este nombre porque es la potencia que podría llegar a desarrollar un caballo. Pero, en realidad, la potencia desarrollada por el cuerpo humano o por un caballo no es suficiente para realizar los trabajos de hoy en día. Se trata de cantidades muy pequeñas en comparación con lo que se necesita para producir nuestra electricidad, poner en marcha las fábricas, mover nuestros vehículos, etc. Ésta es la razón por la que se necesita petróleo, carbón, gas, energía solar, energía hidráulica, energía eólica, etc. 7 Unidades de energía y potencia Kilovatio-hora (kWh) es una unidad de energía asociada generalmente a la electricidad, aunque también se puede utilizar para describir otras formas de energía. Si la energía se consume a una velocidad de 1000 julios por segundo (1000 W) durante una hora, se habrá consumido 1 kWh. Por ejemplo, si una bombilla incandescente de 100 W de potencia se mantiene encendida durante 10 horas, se consume 1 kWh (100 x 10horas = 1000 Wh = 1 kWh). 1 kWh equivale a 3,6 millones de julios. Tonelada equivalente petróleo (tep) es una medida de energía convencional normalizada y se define sobre la base de una tonelada de petróleo con un valor calorífico neto de 41.868 kJ, aproximadamente 42 GJ. Esta unidad es útil para comparar diferentes tipos de combustibles cuando las unidades son elevadas. 1 tep = 11.630 MWh Ejercicio – Experimento: Consideraremos cómo la energía se puede transformar de una forma a otra (de energía eléctrica a energía térmica); Se formulará un simple balance de energía; Se evaluará cómo de grande es un julio y un vatio realmente. Cuando el agua se coloca en un hervidor eléctrico, la energía eléctrica se convierte en energía térmica, aumentando la temperatura del agua. La capacidad de calor específico de una sustancia es la cantidad de energía necesaria para aumentar 1 grado celsius (o kelvin) la temperatura de 1 kilogramo de esa sustancia. Posee unidades de J/kg.K. El calor específico del agua es aproximadamente 4180 J/kg.K. A modo de ejemplo, a continuación se calcula la energía necesaria para calentar 1 kg de agua desde 20ºC hasta 60ºC: Energía = 1 kg x 4180 J/kg.K x (60 – 20) K = 167.200 J = 167,2 kJ La energía necesaria es 167,2 kJ por lo que se puede ver que un Julio no es una gran cantidad de energía. Para este experimento se necesita: Agua, una balanza, un hervidor eléctrico, un termómetro, un vatímetro y un cronómetro. ¿Qué tenemos que hacer? 1. Introducir una cantidad conocida de agua en el hervidor y medir la temperatura del agua. 2. Poner el cronómetro en marcha a la vez que se enciende el hervidor. Medir la potencia absorbida por el hervidor en vatios. 3. Cuando el hervidor se apague, detener el cronómetro y medir la temperatura del agua cuidadosamente (¡Ojo el agua caliente puede producir quemaduras!). 4. Calcula el aporte de energía mediante el uso de la lectura del vatímetro y el tiempo utilizado en el calentamiento. 5. Usando la masa conocida de agua, el incremento de temperatura y el calor específico del agua, calcula la energía en forma de calor absorbida por el agua. Nota: aunque la conversión de la energía en el hervidor de agua puede ser muy eficiente, la electricidad probablemente ha sido generada en una central eléctrica cuya fuente son combustibles fósiles, con una eficiencia menor del 50% 8 Pregunta: Si una persona con una gran capacidad de trabajo puede alcanzar una potencia de 200 W de promedio, ¿cuánta energía (en julios) puede producir esa persona trabajando a lo largo de un año? ¿Cuál es ese valor expresado en kWh? Un vatímetro es capaz de medir la cantidad de energía empleada para realizar una determinada tarea. ¿Podrías utilizarlo para medir la energía que se necesita para lavar la ropa en la lavadora o los platos en el lavavajillas? ¿Cuál es el valor de esta energía? Los sistemas de vapor se utilizan normalmente en la industria, debido a qué, para evaporar agua tú necesitas proporcionar el calor latente que es liberado una vez que el vapor condensa. El calor latente se define como la cantidad de energía en forma de calor liberada o absorbida por una sustancia química durante un cambio de estado (p.e. sólido, líquido o gas) o una transición de fase. Sabiendo la definición de calor latente, ¿sabrías calcular el calor latente de 1 kg de agua a la presión atmosférica? y, ¿cómo se compara con el calor necesario para elevar la temperatura del agua líquida hasta 80 ºC? Definición: calor latente es la cantidad de energía en forma de calor liberada o absorbida por una sustancia química durante un cambio de estado (es decir, sólido, líquido o gas), o una transición de fase. Puntos clave: La energía es importante para nuestras vidas. La producción y el consumo de energía está causando enormes daños al planeta, por lo que se tiene que encontrar una solución que está en las energías renovables y en la eficiencia energética. La energía proviene tanto de fuentes no renovables (petróleo, carbón, gas natural) como de fuentes renovables (sol, agua, viento, etc.), siendo estas últimas la única perspectiva de garantizar el suministro de energía en el futuro. Las unidades de energía y potencia son el julio y el vatio respectivamente. Debido a que estas unidades son muy pequeñas, se utilizan múltiplos como medidas normales. La energía consumida diariamente es muy superior a la capacidad humana de producir energía. Enlace web: International Energy Agency (IEA) website: http://www.iea.org European Environment Agency: http://www.eea.europa.eu/themes/energy 9 Capítulo 2 Fuentes de energía Objeto de aprendizaje: Conocer las principales fuentes de energía, tanto renovables como no renovables. Conocer las perspectivas de las energías renovables. Definición: La energía primaria es aquella energía que no ha sido sometida a ningún proceso de transformación o conversión, es decir, es la energía tal cual se encuentra en la naturaleza. Por lo tanto esta energía primaria puede ser tanto renovable (solar, eólica, hidroeléctrica, geotérmica) como no renovable (carbón, petróleo crudo, gas natural, uranio). Las tendencias de la oferta de cada una de estas fuentes de energía han sufrido un aumento global en el suministro de energía a nivel mundial en los últimos 35 años. Dentro de este crecimiento global, el gas y la energía nuclear ha tenido una mayor proporción de aumento, a la vez que la tendencia del petróleo se quedaba estancada. Nota: Europa, al igual que España, es todavía muy dependiente de los combustibles fósiles. En Europa, entre 1990 y 2005, la proporción de energía procedente de combustibles fósiles en relación al total de energía producida disminuyó sólo ligeramente, pasando de alrededor de 83% a 79%. La figura 1 muestra la demanda de energía primaria en Europa desde 1990 hasta 2005. Figura 1: Contribución de las fuentes de energía renovables al consumo de energía primaria en EU-27 (Fuente: EEA) Obviamente, los distintos países utilizan diferentes cantidades de energía primaria ya que varía en función de la población, la intensidad energética de su industria, el clima, etc. Además cada país utiliza diferentes fuentes de energía ya que unos deciden apostar por la energía nuclear o el carbón mientras otros prefieren el gas natural y las energías renovables. Según datos del 2005, en Europa, el 79% de la energía primaria proviene de combustibles fósiles, correspondiendo un 36,7% al petróleo, 24,6% al gas natural y 17,7% al carbón y siendo importado el 54% de todos 10 ellos. La figura 3 muestra la contribución de cada fuente de energía al consumo de energía primaria de distintos países europeos. Figura 2: Contribución de cada fuente de energía al consumo de energía primaria de los distintos países europeos, 2005. (Fuente: EEA, Energy & the Environment, 2008) Obviamente, los distintos países utilizan diferentes cantidades de energía primaria ya que varía en función de la población, la intensidad energética de su industria, el clima, etc. Además cada país utiliza diferentes fuentes de energía ya que unos deciden apostar por la energía nuclear o el carbón mientras otros prefieren el gas natural y las energías renovables. Según datos del 2005, en Europa, el 79% de la energía primaria proviene de combustibles fósiles, correspondiendo un 36,7% al petróleo, 24,6% al gas natural y 17,7% al carbón y siendo importado el 54% de todos ellos. La figura 3 muestra la contribución de cada fuente de energía al consumo de energía primaria de distintos países europeos. Figura 3: Evolución de la demanda de energía primaria en España, 2008. Fuente: Ministerio de Industria, Turismo y Comercio 11 Nota: Según los datos del 2008, en España la energía primaria procedente de combustibles fósiles representa aproximadamente el 81,7% de la energía total mientras que la energía nuclear representa el 10,7% del total. Toda esta energía se importa del exterior a excepción de la energía renovable y parte de carbón que es de producción nacional. En total, España tiene una dependencia energética del exterior de 79,1%. La figura 4 muestra la evolución de la demanda de energía primaria en España desde el año 2001 al 2008, mientras que la figura 5 presenta la contribución de las distintas fuentes de energía primaria en el año 2008. Figura 4: Evolución de la demanda de energía primaria en España, 2008. Fuente: Ministerio de Industria, Turismo y Comercio A lo largo de la evolución se observa que tanto el petróleo como la energía nuclear tienen una aportación casi constante, mientras que el gas natural ha experimentado un importante incremento en detrimento del carbón que ha disminuido su aportación. Este hecho se debe, como se comentó en párrafos anteriores, a la mayor eficiencia de las centrales de gas natural y al alto índice de contaminación de las centrales de carbón. Figura 5: Contribución de las distintas fuentes de energía primaria en España, 2008. (Fuente: Ministerio de Industria, Turismo y Comercio) 12 Los 3 grandes consumidores de toda esta energía son la industria, el transporte y el hogar. Se debe tener en cuenta que dentro del transporte está incluido el uso del coche privado que representa un 15% del total, por lo que si se añade este consumo al consumo del hogar, se tiene que alrededor del 32% del consumo de la energía primaria se debe a las personas (hogar + coche privado). La figura 6 muestra el consumo de energía final por sectores en España en el año 2006. Figura 6: Consumo de energía por sectores en España, 2006 (Fuente: IDAE) En España las industrias del cemento, del vidrio y cerámica junto con la siderúrgica y fundición son las de mayor consumo energético. Previsiblemente reducirán su actividad al frenarse el ritmo de construcción de viviendas, aunque esto incidirá negativamente en la evolución del empleo y la economía. La figura 7 muestra el reparto del consumo de energía por la industria. Figura 7: Reparto del consumo de energía por la industria en España en el año2006 (Fuente: IDAE) Problemas asociados a las fuentes de energía no renovables (fósil y nuclear) Los combustibles fósiles al quemarse para producir energía emiten CO2, gas de efecto invernadero que contribuye al cambio climático. Además, dependiendo de las condiciones de combustión, del equipo de limpieza de los gases de escape y especialmente de la composición del combustible, se puede producir humo, partículas y gases que dan lugar a procesos de acidificación (SO2 y NOx producen lluvia ácida). Otro inconveniente de los combustibles fósiles es que se encuentran en la naturaleza de una forma limitada y además están muy lejos de España. 13 Problema Solución Recursos limitados Es una verdad absoluta, el carbón, petróleo y gas natural se encuentran en la naturaleza de forma limitada. Se puede explorar las profundidades del mar, el Ártico y la Antártida para obtener más combustibles fósiles, pero a mayor coste financiero y ecológico. Seguridad de suministro Además de estar limitados, estos combustibles fósiles no se disponen en España y hay que importarlos desde el extranjero por lo que la incertidumbre política puede resultar en la pérdida de acceso a estos recursos. Emisión de gases de efecto Existen planes para desarrollar tecnologías de captura de CO2 y almacenarlo, pero existe una incertidumbre acerca de la viabilidad Emisión de contaminantes Los costosos equipos de limpieza de gases, la preparación del combustible y el control sofisticado de combustión han tenido exitosos resultados en la Todas estas soluciones tienen sus propios problemas, por lo que un aumento de la eficiencia y el uso de energías renovables es un objetivo de mayor importancia para el futuro. Pico de explotación del petróleo: el consenso actual entre los 18 estimó que en los perfiles de extracción de petróleo se produciría un pico en el año 2020, a razón de 93 millones de barriles por día (mbd). El consumo actual de petróleo está en la tasa de 0,18 ZJ por año (31,1 billones de barriles) o 85 mbd. Por lo que existe una preocupación generalizada ya que hemos llegado al “pico de explotación del petróleo”, donde la tasa de nuevos descubrimientos no es suficiente para satisfacer nuestra creciente demanda. (Fuente: www.peakoil.com). Figura 8: Producción mundial vs. Tiempo. Fuente: ASPO, 2005 En 1956 M. King Hubbert, un geólogo de Shell Oil, predijo que el pico de la producción de petróleo de Estados Unidos se produciría a finales de la década de los 60. A pesar de que la mayoría de la industria se burló de él, este hombre tenía razón. Fue el primero en afirmar que el petróleo algún día desaparecería y, por tanto, la explotación del mismo a lo largo del tiempo 14 seguirían una curva en forma de campana. Energía renovable Según la Agencia Internacional de la Energía (2007), las energías renovables representan el 13,1% del total de la demanda mundial de energía primaria en 2004, con la biomasa representando un 79,4% y la energía hidráulica el 16,7% entre las principales fuentes. Las “nuevas” fuentes de energía renovable (solar, eólica y las mareas) constituyen menos del 0,1% del suministro total de energía primaria. En su Escenario de Políticas Alternativas (políticas impulsadas por la preocupación por la seguridad energética, la eficiencia energética y el medioambiente, bajo discusión pero aún no adoptadas, que podrían frenar el crecimiento de la demanda de energía), la AIE (2007) predice que para el 2030 las energías renovables representarán alrededor del 14% del consumo mundial de energía y su proporción en la producción de electricidad aumentará de 18% a 25%. (Fuente: http://www.iea.org/ weo/2007.asp). En Europa, la energía renovable tiene la mayor tasa de crecimiento anual en el consumo total de energía primaria, con un promedio del 3,4% entre 1990 y 2005, aunque el estado actual muestra una amplia variación entre países, como se muestra en la figura 9: Figura 9: Producción de energía primaria a partir de fuentes renovables en 2006 (biomasa, geotérmica, hidráulica, eólica y solar en ktep). Fuente: Eurostat Uso de energía renovable en la industria Energía hidráulica Los molinos de agua son uno de los primeros ejemplos de la utilización de las energías renovables, capturan la energía producida por el movimiento del agua y la transforman en energía mecánica para mover una maquinaria. Más tarde, la generación de electricidad se convirtió en una práctica habitual. Existen centrales hidráulicas de bombeo que se utilizan para almacenar energía, de esta forma el agua fluyente es bombeada a un depósito de alta durante la noche cuando la demanda y el precio de la electricidad son menores. Se produce un consumo de electricidad en el bombeo para almacenar el agua, pero que luego se verá recompensado ya que durante las horas de máxima demanda, cuando el precio de la electricidad sea más caro, el agua almacenada es liberada para producir energía eléctrica. Dado 15 que muchas de las fuentes de energía renovables son variables, se trata de una tecnología útil para almacenar grandes cantidades de energía. De esta manera la energía cinética del agua no se pierde en las horas en que la demanda es baja ya que se puede almacenar para cuando la demanda aumente. Energía eólica Una vez más, los molinos de viento eran comunes para aprovechar la energía que nos ofrece el viento, y obtener así energía mecánica que moviese una maquinaria para moler el grano. Actualmente, es muy normal ver parques eólicos llenos de aerogeneradores para producir electricidad. Debido a la complicación de encontrar buenos emplazamientos para la construcción de un parque eólico (los mejores emplazamientos ya están escogidos) se está rápidamente desarrollando la tecnología necesaria para construir estos parques en medio del mar. Estos emplazamientos presentan la ventaja de que no existen obstáculos y que el viento es mayor y más uniforme, pero en cambio presentan las complicaciones de montar los aerogeneradores en medio del mar. Algunas industrias situadas en un lugar muy ventoso y con terrenos disponibles, presentan aerogeneradores que contribuyen a disminuir el consumo eléctrico de la red pública. Energía solar Los sistemas de aprovechamiento de la energía solar se clasifican en dos tipos: sistemas solares fotovoltaicos y sistemas solares térmicos. Los primeros captan la radiación solar mediante paneles fotovoltaicos para producir electricidad. Esta captación solar para producir electricidad se puede realizar en sistemas aislados para autoconsumo (edificios de montaña aislados donde no llega el suministro de electricidad), y a gran escala, formando huertas solares donde la producción de electricidad se vende a la red eléctrica. La otra posibilidad que existe de aprovechar la energía solar mediante sistemas solares térmicos, se basa en captar la radiación del sol mediante colectores solares para calentar un fluido y producir calor que se utiliza en la producción de agua caliente y en calefacción. También existen plantas solares térmicas que concentran la radiación del sol consiguiendo temperaturas muy elevadas para producir vapor que luego se utiliza para mover una turbina y producir electricidad. Energía mareomotriz Este tipo de centrales incluye el aprovechamiento de las mareas y de las corrientes marinas. Para explicar el aprovechamiento de las mareas se nombrará como ejemplo la central mareomotriz de Rance en Francia. El sistema de la central es sencillo y sigue el mismo principio que los antiguos molinos de mareas. Cuando la marea sube, se abren las compuertas y se deja pasar el agua hasta que llega a su máximo nivel. Entonces se cierra el dique para retenerla y se espera a que el mar vaya bajando al otro lado. Esto produce un desnivel que es aprovechado para hacer pasar agua a través de turbinas que generan electricidad. El aprovechamiento de las corrientes marinas consiste en aprovechar la energía cinética del agua 16 mediante turbinas submarinas para convertirla en energía mecánica que a su vez se transformará en energía eléctrica. Un ejemplo es la central de Strangford Lough en Irlanda del Norte. Geotérmica La energía geotérmica es aquella que aprovecha el calor interior de la Tierra y a menudo se asocia a aguas termales, géiseres y actividad volcánica. En 1904 se construyó la primera planta geotérmica de vapor seco en Larderello, Italia. Esta planta proporciona electricidad a un millón de hogares. Biomasa Existen diferentes tipos de biomasa que se puede utilizar para la producción de energía, bien sea para producir calor como para producir electricidad o combustibles gaseosos y líquidos. La biomasa vegetal, tanto la residual como los cultivos energéticos se puede quemar en una central térmica y obtener electricidad y calor, pero también se puede obtener biocombustibles a través de procesos bioquímicos. La biomasa se considera una fuente de energía renovable ya que el carbono liberado en su combustión ha sido previamente fijado por la planta durante su crecimiento. Si las cosechas son replantadas existe la posibilidad de lograr un ciclo cerrado. La plantación de árboles y cultivos específicos destinados a ser fuente de combustible se ha aplicado durante siglos, y su uso moderno es una extensión de esta tradición. La biomasa tiene la ventaja sobre otras fuentes renovables de energía que se puede almacenar, pero se han producido muchas críticas sobre el cultivo de cereales destinados a la producción de electricidad ya que según algunos sectores esto ha llevado al aumento del precio del cereal en el sector alimenticio. Energía procedente de residuos La materia orgánica residual puede ser usada para producir energía térmica y eléctrica. Los residuos sólidos urbanos biodegradables, se utilizan en los vertederos para producir el llamado biogás que se puede quemar, normalmente, para producir electricidad, aunque también se produce calor y por lo general se pierde. Las aguas residuales urbanas, los lodos de depuradora, residuos ganaderos y los lodos residuales biodegradables de cervecerías, mataderos y otras industrias agroalimentarias se pueden descomponer biológicamente para producir un combustible rico en metano. Por otro lado, los residuos urbanos, industriales y comerciales no biodegradables como por ejemplo los embalajes, se pueden quemar en un incinerador o en un horno de una cementera para producir calor y energía eléctrica. Muchas industrias, además de las agroalimentarias, por ejemplo, fabricación de papel, fabricación de muebles, producen importantes cantidades de residuos biodegradables o combustibles que pueden utilizarse como fuente de energía. Sin embargo, cada uno de estos casos debe analizarse por separado ya que la combustión de estos residuos puede producir emisión de CO2, gases contaminantes y partículas por lo que entonces ya no estaríamos hablando de energía renovable. 17 Pregunta: ¿Cuáles son las fuentes de energía más comunes en España? Determina el porcentaje de distribución de energía renovable y energía no renovable de España, y a continuación haz lo mismo para las distintas fuentes de energía. Compara esta distribución con la de otros países de Europa. Puntos clave: La UE al igual que España sigue siendo muy dependiente de los combustibles fósiles (causantes de la emisión de gases de efecto invernadero), y gran parte de estos son importados (planteando cuestiones acerca de la seguridad del suministro). Existe un gran potencial e interés en las energías renovables, pero aún queda mucho por aplicar. Enlaces web Portal de información medioambiental: http://earthtrends.wri.org/searchable_db/index.php?action=select_variable&theme=6 Agencia Europea del Medioambiente: http://themes.eea.europa.eu/indicators/ Eurostat: http://epp.eurostat.ec.europa.eu/portal/page? _pageid=0,1136239,0_45571447&_dad=portal&_schema=PORTAL 18 Capítulo 3 Transformación de la Energía y su uso en la Industria 3.1 Transformación de Energía (portadores de energía) Objetivo de aprendizaje: Cómo se transforma la energía primaria en formas más útiles para su consumo: combustibles líquidos y electricidad. La importancia que tiene el consumo de energía en la industria en el contexto del consumo total de energía. Cuáles son los principales portadores y usuarios de energía en la industria. Tipos de energía y portadores El siguiente diagrama ilustra la idea de energía primaria, transformación, energía final y uso final. . Figura1: Diagrama que muestra la transformación de energía primaria (carbón, viento, etc.) a energía final (electricidad, gasolina, etc.) y su uso en calefacción, iluminación, motores, etc.( Fuente: EU BREF) Utilizar la energía primaria en su forma natural es una tarea difícil y complicada por lo que se tiene que transformar a energía final para adecuarla a su uso final. Por lo tanto, la energía final es aquel tipo de energía que ya está lista para ser consumida, como por ejemplo la electricidad o la gasolina. La electricidad es el ejemplo más común, siendo producida a partir de carbón, petróleo, gas natural, eólica, hidroeléctrica, etc., en una central eléctrica. La conveniencia de la electricidad como un portador de energía ha dado lugar en nuestro desarrollo a una amplia “red” para distribuir la electricidad desde las estaciones de generación centralizada hasta los puntos de consumo. El uso de energías renovables ha promovido una mayor distribución y generación por lo que la transformación de energía primaria a energía final que puede ser distribuida con relativa facilidad está demandando sistemas de distribución más sofisticados. La electricidad se puede transportar pero su almacenamiento es una tarea muy 19 complicada. En cambio, los combustibles líquidos son fácilmente almacenados y transportados. El petróleo crudo puede ser refinado en una serie de combustibles que nos son familiares: gasóleo, gasolina, etc. Todos ellos se pueden transformar en energía térmica, por ejemplo, el sistema de calefacción que funciona con gasóleo, o también se transforman en energía mecánica, por ejemplo, para mover vehículos de transporte. Sin embargo, debemos recordar que los procesos de refino y transporte también consumen energía. Como se verá más adelante, una industria puede transformar electricidad o combustible en otro portador de energía, como son el aire comprimido y el vapor. Los usuarios finales de la energía pueden usar tanto energía primaria como energía final para fines tales como procesos de calor, proporcionar movimiento, iluminación, etc. Producción de combustible. Definición: Los principales combustibles líquidos se producen por destilación fraccionada del petróleo crudo (mezcla de hidrocarburos y derivados de hidrocarburos que van desde el metano hasta asfaltos pesados). Normalmente, los combustibles ligeros y medios (gasóleo y queroseno) se utilizan en la industria para producir calor y vapor de agua. La gasolina y el gasóleo son los principales combustibles usados en el transporte de vehículos. Los biocombustibles se producen a partir de fuentes renovables como es la biomasa. Esta biomasa ya sea cultivada especialmente para la obtención de biocombustibles o aprovechada a partir de residuos forestales, se puede transformar en combustibles tales como metanol, etanol, esteres metílicos (biodiesel) o éteres metílicos. Producción electricidad Definición: La electricidad se puede producir a partir de fuentes renovables: eólica, solar, hidroeléctrica, biomasa y geotérmica, aunque la mayoría se genera mediante la combustión de combustibles fósiles o mediante reacciones nucleares. La figura 2 muestra la evolución de la generación de electricidad para Europa en las dos últimas décadas. La proporción de generación a partir de gas en la UE ha aumentado debido a que es el combustible fósil que menos contamina y las centrales son más eficientes, pero la preocupación por la seguridad de suministro y el aumento de los precios están replanteando la cuestión. Figura 2: Generación de electricidad, UE 27. Fuente: EEA website 20 La figura 3 muestra el reparto de generación eléctrica en España para las distintas fuentes de energía en el año 2008. Figura 3: Mix de generación eléctrica español 2008. Fuente: UNESA Más concretamente, y dentro de la aportación renovable, el 10,85% de la electricidad consumida en España en 2008 salió de los parques eólicos; el 7,5% tuvo su origen en las grandes presas hidroeléctricas; y el resto hay que adjudicárselo a la fotovoltaica, biomasa y minihidráulica. Comparando las dos figuras anteriores, se observa que el gas natural y las energías renovables tienen una aportación mayor en la generación eléctrica en España que la que tienen en Europa. Por el contrario, en Europa la aportación de la energía nuclear y el carbón es mayor. La contribución de las energías renovables a la producción de electricidad en los distintos países europeos se puede ver en la figura 4, indicando que muchos países aún tienen un amplio margen de mejora para conseguir los objetivos fijados. Figura 4: Producción de electricidad a partir de energías renovables (%) en 2005 y los objetivos marcados para el 2010. Fuente: EEA, Energía y Medioambiente 2008 Nota: La mayoría de las centrales convencionales generadoras de electricidad están diseñadas únicamente para producir electricidad quemando combustibles fósiles y obteniendo energía térmica. La energía nuclear es una tecnología diseñada para 21 extraer energía útil en forma de calor de los núcleos atómicos a través de reacciones de fisión nuclear controlada. A su vez, esta energía térmica (tanto la proveniente de combustibles fósiles como nucleares) convierte el agua líquida en vapor sobrecalentado a alta presión, el cual mueve una turbina produciendo energía mecánica de rotación. Esta rotación provoca un movimiento relativo entre un campo magnético y un conductor produciéndose así la energía eléctrica. Después de abandonar la turbina, el vapor se encuentra a baja presión y condensa (cambia a estado líquido) por medio de refrigeración externa, antes de volver al inicio del ciclo (para transformarse en vapor nuevamente). Un aspecto crítico de esta operación es que la eficacia global puede ser baja: 40-50%. Existen pérdidas de calor a través de los gases de escape a la atmósfera, pérdidas en el edificio y los equipos, pero las más importantes, se deben al calor que se transfiere al sistema de enfriamiento cuando el vapor se condensa. Esta refrigeración es esencial, y en condiciones de verano en Europa, algunas centrales eléctricas han tenido que reducir la producción a causa de los límites de refrigeración. Otro 5-10% de la energía se pierde en el transporte de electricidad a través de la red de distribución. Centrales de ciclo combinado Definición: Una planta de ciclo combinado es una central que utiliza gas natural como combustible, se quema y los gases resultantes pasan a través de una turbina de gas para producir electricidad, después estos gases calientes son utilizados para producir vapor que pasará por una turbina de vapor para producir electricidad. Este tipo de plantas son más eficientes pero su uso se limita en gran medida a la generación de nuevas plantas con acceso a suministro de gas, aunque otras fuentes de combustibles fósiles, como por ejemplo el carbón, también se puede gasificar y utilizar esta tecnología. El balance térmico total se muestra a continuación: Figura 5: Diagrama de flujo de energía de un ciclo combinado. Fuente: Progress in Energy and Combustion Science 33 (2007) 22 Plantas de cogeneración Definición: La cogeneración consiste en una producción combinada de calor y electricidad. Normalmente, las plantas de cogeneración suelen ser para autoconsumo (generación solo para uso propio), aunque también pueden vender el calor producido a alguna industria cercana a la planta de cogeneración y la electricidad generada se puede verter a la red de distribución. Las plantas de cogeneración tienen una alta eficiencia energética, mientras la eficiencia media de generación de electricidad es menos del 50%, las plantas de cogeneración presentan eficiencias superiores al 75%. Figura 6: Contribución de la Cogeneración a la generación de electricidad en 2006. Fuente: Eurostat Preguntas: ¿Cuáles son las formas más comunes para producir electricidad en España? ¿Cuánta electricidad (en GWh y en porcentaje del total) se genera a partir de fuentes renovables en España? Compara los valores de España con el resto de países europeos. 23 Balances energéticos nacionales e intensidad energética Balances de energía Caso de estudio: un balance nacional de energía Considera el siguiente diagrama que ilustra los flujos de energía en España, 2008. Este tipo de diagrama utilizado se denomina diagrama Sankey. La anchura de las flechas en el diagrama es proporcional a la magnitud del flujo de energía. La energía primaria se ha previsto para que coincida con la energía consumida. Algunas observaciones se pueden hacer rápidamente: España es muy dependiente de los combustibles fósiles y nucleares y la aportación de energía renovable está en aumento. La mayor parte de la energía se consume en el transporte y en la industria. Figura 7: Flujo de energía en España, 2008. Fuente: Elaboración propia. Datos de Ministerio de Industria Pregunta: Busca en internet y obtén datos similares para la Comunidad de Aragón. Dibuja el correspondiente diagrama de Sankey para la Comunidad de Aragón. ¿Qué fracción de energía procede de fuentes no renovables? ¿Qué porcentaje del consumo de energía le corresponde a la industria en Aragón? Calcula la energía consumida por persona (intensidad energética) en España y en Aragón Conociendo la aportación de cada combustible, ¿cuál es la cantidad de CO2 emitido por persona? Necesitarás obtener información adicional sobre las emisiones de CO2 asociadas al petróleo, el gas y el carbón. Compara el diagrama de flujo correspondiente a España y el de Aragón, ¿encuentras alguna diferencia entre ambos? Coméntalo. 24 Intensidad energética. ¿Cuál es su significado? La intensidad energética es una medida del consumo total de energía en relación a la actividad económica. Es decir cuanta energía hace falta para producir una unidad económica. El consumo total de energía en la UE-27 creció según una tasa anual de poco más del 0,8% en el periodo comprendido entre 1990 y 2005, mientras que el Producto Interior Bruto (PIB, medida económica) a precios constantes creció en una tasa media anual del 2,1% durante el mismo periodo. Como resultado, el total de la intensidad energética en la UE-27 disminuyó a una tasa promedio de -1,3% por año. Esto significa que hace falta menos energía para generar crecimiento económico. Ejercicio: la figura 8 representa el consumo final de energía para diferentes países europeos. Dibuja una gráfica similar donde aparezca el consumo de energía por habitante para cada país. Figura 8: Consumo final de energía para diferentes países europeos en 1995 y 2006. Fuente: Eurostat Tabla.1 Consumo final de energía (ktep) para diferentes países en 1995 y 2006. Fuente: Eurostat. 25 Estos datos pueden no reflejar el comportamiento energético de los individuos, sino más bien la naturaleza de la industria, el transporte, así como las prácticas de consumo de energía en los hogares. Enlaces web: European Environment Agency: http://themes.eea.europa.eu/indicators/ Eurostat, Environment and Energy Homepage: h t t p : / / e p p . e u r o s t a t . e c . e u r o p a . e u / p o r t a l / p a g e ? _pageid=0,1136239,0_45571447&_dad=portal&_schema=PORTAL 26 3.2 Usos finales de la energía en la industria y optimización de equipos Objeto de aprendizaje: Conocer los principales equipos consumidores de energía de a industria Como localizar las pérdidas y mejorar la eficiencia energética de equipos y procesos industriales Los principales usos finales de energía en la industria son: Térmica Hornos Calefacción Procesos de frío Refrigeración Panificación Secado Calefacción y refrigeración de espacios, incluyendo ventilación Electricidad Motores Bombas Ventiladores Transportadores Trituración, molienda Mecanizado, formación, fabricación Sistemas de vacío Tabla 2: Principales usos finales de energía Más del 85 % de la electricidad consumida en la industria se debe al consumo de motores eléctricos. Éstos convierten la energía eléctrica en energía mecánica, accionan bombas y ponen en marcha ventiladores, cintas transportadoras, compresores, etc. Los motores, normalmente funcionan durante muchas horas a lo largo de varios años, por lo tanto seleccionar motores de alta eficiencia y garantizar su correcto funcionamiento, será importante para minimizar el consumo de electricidad. La iluminación es otro gran consumidor de electricidad en la industria. Se pueden tomar una serie de medidas para reducir el consumo, como por ejemplo ajustar correctamente el nivel de iluminación para cada área y tarea a realizar, utilizar siempre un sistema de iluminación eficiente y aprovechar al máximo la luz natural. Los ventiladores y las soplantes de aire se utilizan en determinados procesos industriales o simplemente se usan para proporcionar ventilación, extrayendo aire de los edificios e intercambiándolo con el aire del exterior Funcionamiento de las calderas Definición: una caldera es un dispositivo que se utiliza para producir agua caliente o vapor. Normalmente, se utiliza un combustible fósil como fuente de energía. Si la caldera es muy pequeña se puede incluso usar electricidad. Tal y como has aprendido en un ejercicio anterior, el vapor contiene el calor latente necesario para evaporar el agua, y es un portador de mayor concentración de calor que un líquido caliente. El vapor se utiliza en calefacción y también para accionar equipos mecánicos tales como sistemas de vacío, compresores centrífugos y turbinas de vapor para mover maquinaria o generar electricidad. Una vez que el vapor se ha condensado, normalmente es devuelto a la caldera para evitar la pérdida de agua y la pérdida del calor residual que contiene el agua. 27 Figura 9: Corte de una caldera de gas En la figura siguiente se puede ver el diagrama de flujo de una caldera. Las principales pérdidas se deben al escape de los gases de combustión. Las pérdidas debido a la radiación y convección, así como las debidas a la purga se contabilizan en un 4% y 3% respectivamente. Figura 10: Balance de energía de una caldera. 28 Programa de mejora de la eficiencia en calderas Figura.11: Programa de mejora de la eficiencia de calderas Un enfoque sistemático para mejorar la eficiencia energética de las calderas implica algunos pasos simples a seguir, como se muestran en la figura anterior. Sin embargo el funcionamiento eficiente del sistema de calderas no debería ser examinado de forma aislada. Para aumentar las oportunidades de ahorro y recuperación de energía, se debería analizar lo siguiente: Las necesidades de calefacción y los aspectos relacionados con la eficiencia energética de los procesos consumidores de calor, de los productos y de los equipos; Los sistemas de distribución de calor (tales como vapor y condensados). Las pérdidas de energía y calor de una caldera se pueden reducir de varias maneras. Alguno de estos sistemas son sofisticados y complejos, y otros pueden ser fácilmente aplicados y además ofrecen un buen retorno de la inversión. Una de ellas consiste en combinar producción de calor y producción eléctrica (cogeneración). Las principales prioridades para mejorar la eficiencia energética son las siguientes. Reducción de la presión de vapor y de la temperatura del agua de los sistemas Evitar fugas Mantener limpia la caldera ya que excepto para el gas, todos los combustibles dejan una cierta cantidad de cenizas en los tubos. Nota: recuerda, una capa de un milímetro de cenizas puede aumentar el consumo de combustible un 2%. Figura12: Fugas de vapor 29 No permitir la entrada de aire no deseado La purga de agua son pérdidas que se van por el desagüe Maximizar el retorno de condensados calientes Control gases de escape Nota: una reducción de temperatura de 20ºC en los gases de escape, mejora la eficiencia de la caldera en un 1% aproximadamente. Ejemplo: na fábrica de productos químicos está ahorrando $500.000 por año, únicamente controlando y reparando todas las fugas de vapor. Otra planta de madera contrachapada redujo su carga de vapor en 2700 kg/h mejorando el aislamiento de tuberías. Pregunta: ¿Cuáles son las principales pérdidas en un sistema de calderas? ¿Qué posibilidades pueden mejorar la eficiencia y evitar las pérdidas? Ejercicio: 1. Lo más probable es que tu escuela tenga una caldera para la producción de agua caliente y para calefacción en invierno. Consulta con mantenimiento si se puede realizar una visita a la sala de calderas, tal vez durante el verano, cuando la caldera sea limpiada o esté en un proceso de mantenimiento. Échale un ojo al control de la caldera, los indicadores, al hogar (habitáculo donde se quema el combustible), las tuberías y la chimenea. 2. Piensa en una visita a una empresa y trata de encontrar respuestas a las siguientes preguntas: ¿Cuál es el valor de la temperatura de los gases de escape? ¿Cuál es el valor de la presión del vapor? ¿Quiénes son los consumidores de vapor? ¿Cuánta distancia existe entre los consumidores y la caldera? ¿Están las tuberías bien aisladas? ¿Hay alguna fuga evidente? ¿Cuánta energía registra la caldera? A partir de la figura 2: Balance de energía de una caldera, intenta calcular las pérdidas. Ventiladores y soplantes (Motores eficientes) Los ventiladores y soplantes son movidos por motores, por lo tanto la clave del ahorro energético aquí está en conseguir motores eficientes. La relevancia de las medidas está marcada por un simple análisis. Como referencia se utiliza el llamado “Coste de Ciclo de Vida”, que es el total de los costes de inversión, servicio y mantenimiento y los costes de energía consumida a lo largo de toda la vida útil del motor (10-20 años). 30 A continuación se detallan los tres criterios seguidos por un test de eficiencia para saber si un motor es eficiente: la edad del motor, las horas de operación y la eficiencia promedio. Criterio 1: La edad del motor. El año de fabricación se puede leer en la placa de identificación o preguntando al fabricante. Criterio 2: Potencia nominal. También tiene que estar anotada en la placa de identificación. Criterio 3: Horas de funcionamiento. El consumo de energía se puede calcular mediante asistencia técnica o leyendo el contador de horas de funcionamiento. Procedimiento: Se asigna un valor entre 1 y 5 para cada rango de edad, de potencia nominal y de número de horas de funcionamiento. La importancia de las medidas para Tabla 3: Test de eficiencia de motores inspeccionar el motor se establece mediante el cálculo de la suma de los tres valores: Resultados de acuerdo a la tabla Área roja: Si la puntuación es mayor de 10, se recomienda un cambio rápido del motor. Área amarilla: Si la puntuación está entre 6 y 10, se recomienda prestar una atención especial al motor. Área verde: Si la puntuación es inferior a 6, no será necesario tomar ninguna medida. El ahorro de electricidad no se produce únicamente por el mero hecho de cambiar los motores por otros nuevos más eficientes, por lo que se recomienda el siguiente proceso para optimizar el consumo de energía: Fase 1: Análisis de consumo. Esta fase es la etapa más importante para ahorrar el máximo de energía. Analiza la demanda de energía de los procesos, debate e identifica los parámetros relevantes del proceso con las personas responsables del mismo. Luego identifica la variación del consumo requerido por el proceso realizando alguna medición. Las mediciones se pueden tomar incluso si el proceso no se ha optimizado aún, debido a que la variación relativa tendrá que ser la misma después de la optimización, a no ser que el análisis muestre que el proceso en sí no es el mejor y debiera ser cambiado. Fase 2: Análisis de la máquina de proceso El proceso puede ser: vapor, aire comprimido, aire, agua, etc. Las preguntas que se deben hacer son: ¿el tamaño de la máquina es adecuado al consumo (o está sobredimensionada)? En caso de sobredimensionamiento, la máquina (bomba, ventilador, compresor, etc.) trabaja a cargas parciales lo que conduce a una reducción de la eficiencia. Fase 3: Control correcto de la máquina El manejo de la máquina ha de ser adaptado óptimamente a los requisitos de máxima eficiencia. Por regla general se trata de una unidad de frecuencia controlada por bombas, soplantes y compresores. 31 Fase 4: Optimización del motor eléctrico Existen tres reglas importantes para esta fase: a) la adaptación ideal del tamaño del motor a la exigencia de potencia efectiva, b) la eficiencia del motor ha de ser máxima y c) el control tiene que ser adaptado a las características del consumo. Ejercicio Imagínate una excursión a una empresa y encontrarás varios motores eléctricos (no olvides las bombas de agua y la bomba de la calefacción) Aquí tienes un interesante experimento para ti: Haz una lista del número de motores/bombas iguales. Anota la capacidad de cada uno de los motores/bombas (ver las características de la máquina, kW) Averigua las horas de funcionamiento (multiplica los días de funcionamiento por las horas de funcionamiento al día) de cada uno de los motores/bombas. Component e Autoelevad or Compresor 1 Número de elementos Potencia por elemento Potencia total [kW] Horas de funcionamient Consumo energía 2 2,2 4,4 182 800.8 1 4 4 1600 6400 Tabla 4: Como ejemplo, el cuadro muestra los datos de las instalaciones de un distribuidor de coches Pregunta: verdadero o falso Si la puntuación del test de eficiencia está entre 6 y 10, todo está correcto y no es necesario tomar ninguna medida. Hacer un listado de consumo [kWh] por el consumidor es esencial. Comparar la potencia de un componente con la potencia necesaria es realmente esencial. Comprar un nuevo motor todos los años es absolutamente necesario. Un criterio importante es la etiqueta del componente. Únicamente los más grandes y más caros son los mejores motores. Aire comprimido 1 Por lo general, los compresores están impulsados por motores eléctricos, aunque los compresores muy grandes pueden ser impulsados por turbinas de vapor o gas y los pequeños compresores pueden funcionar con gasolina o diesel. Los compresores son elementos muy ineficientes ya que hasta el 90% de la energía puede perderse como calor residual. El aire comprimido se almacena en un tanque, que actúa como un reservorio o tanque de suministro a una red de tuberías que se encuentran por encima de la presión atmosférica al igual que los instrumentos a los que están conectados. 2 En la figura se muestran las pérdidas producidas en un compresor. Sólo el 5% del total de la energía se almacena en el aire a presión. El 95% de la energía se convierte en calor (las pérdidas mecánicas también se convierten finalmente en calor). 3 4 32 5 Figura 13: Balance de energía de un compresor 6 7 A continuación se muestra el potencial de ahorro mediante la optimización de un sistema de aire comprimido. 8 Figura 14: Ahorro energético de un sistema de aire comprimido 9 10 Con el propósito de ayudar a minimizar las pérdidas, a continuación se presenta un procedimiento a seguir para tal fin. Dicho procedimiento consta de 4 fases: 1. Evitar las fugas Uno de los principios fundamentales es que la eficiencia de toda instalación de aire comprimido se puede mejorar reduciendo las fugas. Si bien se debe hacer todo lo posible para mantener el sistema sin fugas, siempre existe alguna. Sin embargo, existen varias maneras de reducir la posibilidad de aparición de fugas: ¿Dónde se localizan las fugas? Principalmente las fugas se localizan en la recogida de condensados, accesorios y tuberías, bridas, colectores, filtros, tubos flexible, puntos de drenaje y purga, etc. 1. No generar más presión de la necesaria, cuanta más alta sea la presión, más pérdidas se producirán ya que el aire tendrá más facilidad de escapar por poros o pequeños agujeros. 2. No mantener todo el sistema presurizado durante horas no productivas ya que algunos 33 4. elementos de la maquinaria requieren un suministro constante de aire comprimido. Aislar las partes del sistema que requieren de aire en distintos momentos. Las válvulas de aislamiento pueden accionarse manual o automáticamente usando simples dispositivos de control como temporizadores o interruptores o también se puede controlar utilizando un sistema de gestión de la energía del edificio, si se tuviera uno. Recuperación de calor Más o menos el 80-93% de la energía eléctrica consumida por un compresor se convierte en calor. En muchas ocasiones, un buen diseño de la unidad de recuperación de calor puede recuperar alrededor de 50-90% de toda esta energía térmica residual y usarla para calefacción por aire o agua. Caso de estudio: Fuga de aire Pérdida de energía Coste anual Diámetr o del agujero (mm) 6 bar (l/s) 12 bar (l/s) 6 bar (kWh) 12 bar (kWh) 6 bar (€) 12 bar (€) 3 11,1 20,8 3,1 12,7 1.488 6.096 5 30,9 58,5 8,3 33,7 3.984 16.176 10 123,8 235,2 33 132 15.840 63.360 Tabla 5: Pérdidas de energía debido a fugas Ejercicio: Imagina una visita a una fábrica que utilice aire comprimido (por ejemplo una fábrica de pinturas o de carpintería). Prepara una lista de todos los dispositivos que utilizan aire comprimido. ¿Puedes identificar las fugas? Utiliza la tabla anterior para estimar el coste de la electricidad debido a las fugas. ¿Tienen algún sistema de recuperación de calor? ¿Se puede estimar el potencial de recuperación de calor? Ayúdate con la figura: Balance de energía. Fluidos para calefacción y refrigeración Todos estos fluidos reciben el nombre de fluidos caloportadores ya que transportan el calor de un lugar a otro. El agua, tanto para refrigeración como para calefacción, es el fluido caloportador más comúnmente utilizado. Otros fluidos caloportadores son el glicol (una mezcla de agua y alcohol usada en refrigeración) y el aceite (mineral o silicona para calefacción y refrigeración). La ventaja de los fluidos distintos al agua es que ofrecen un mayor rango de temperatura de trabajo, ya que se pueden enfriar por debajo de 0ºC y se calientan por encima de 100ºC sin comenzar a hervir (o aumentar la presión en un sistema cerrado). Estos fluidos tienen propiedades muy ventajosas para determinados procesos de la industria donde las temperaturas se encuentran fuera del intervalo entre 0º y 100ºC. 34 Mejoras de eficiencia Los procesos de calefacción y refrigeración pueden alcanzar una mayor eficiencia si se llevan a cabo las siguientes acciones: Regular la formación de incrustaciones y se reducirán las pérdidas por bombeo. La energía recuperada de los fluidos caloportadores se puede utilizar en otras partes del proceso. Recubrir las tuberías con aislante reduce las pérdidas de calor Figura 15: Sistema de refrigeración de circuito cerrado Puntos clave: Las centrales eléctricas son relativamente ineficientes ya que tienen una eficiencia inferior al 50% Las centrales de cogeneración que producen tanto calor como electricidad son mucho más eficientes La contribución de las energías renovables todavía representa una pequeña parte, pero su contribución en la producción de electricidad está creciendo considerablemente. El consumo de energía de la industria es una parte importante del consumo energético total de todo un país. La energía se utiliza en la industria de muy diferentes maneras y para fines muy diversos. 35 Referenciass: A. Martinez, A. Valero, A. Usón, I. Zabalza, S. Scarpellini, Disminución de costes energéticos en la empresa, FC Editorial, 2006. Meilner Mechanical Sales, Inc. www.boilersource.com Dockrill P., Friedrich F., Federal Industrail Boiler Program, Natural Resource Canada, CANMET Energy Technology Centre, 1 Haanel Drive, Nepean ON K1A 1M1, Boilers and Heaters: Improving Energy Efficiency, Catalogue No: M92-299/2001E, 2001 Initiativ Energieeffizienz in Industrie und Gewerbe www.industrie-energieeffizienz.de Top Motors www.topmotors.ch Heat Recovery with Compressed Air Systems http://www.compressedairchallenge.org/library/ factsheets/factsheet10.pdf Enlaces web: www.topmotors.ch www.compressedairchallenge.org www.boilersource.com 36 Capítulo 4: Gestión de la energía Objetivos de aprendizaje: Qué es, por qué se usa y cómo funciona un sistema de gestión de la energía. La actividad industrial de todo tipo está cada vez más preocupada en lograr y demostrar el desempeño medioambiental mediante el control de los impactos de sus actividades, productos y servicios sobre el medioambiente. Para ser eficaces es necesario que se lleve a cabo un sistema de gestión estructurado y que esté bien integrado dentro de la empresa. Existen normas internacionales que tienen por objeto proporcionar a las empresas, los elementos de un sistema eficaz de gestión que les ayuden a lograr metas ambientales y económicas. Un sistema de este tipo permite a una empresa desarrollar una política, establecer objetivos y procesos para alcanzar los compromisos marcados y tomar las medidas necesarias para mejorar su rendimiento. Las empresas deben atenerse a las normas, de otro modo no obtendrían la Certificación. El objetivo general de un sistema de gestión es apoyar la calidad, la protección del medioambiente y las necesidades socioeconómicas. Definición: ISO 9001: ISO 14001: ISO 16001: Gestión de la calidad Gestión medioambiental Gestión de la energía ISO 9001: Es una norma internacional que establece las bases que garantizan que los clientes obtengan la calidad que esperaban. ISO 14001: Un Sistema de Gestión Medioambiental es un conjunto de procesos y prácticas que permiten a una empresa reducir sus impactos ambientales y aumentar su eficiencia operativa. ISO 16001: El objetivo general de esta norma es ayudar a las empresas a establecer sistemas y procesos necesarios para aumentar la eficiencia energética. Una gestión sistemática de la energía debería originar una reducción de los costes energéticos y de las emisiones de gases de efecto invernadero. Pero, ¿por qué una empresa debe aplicar un sistema de gestión? En la figura 1 se puede ver la respuesta. Existen varios puntos que argumentan la implantación de un sistema de gestión. 37 Figura 1: Beneficios de un sistema de gestión ( ISO 14001) Nota: En general, todos los sistemas de gestión consisten en sólo unos pocos elementos importantes que son comunes para todos. Tal y como indica el título de este manual, vamos a dirigir nuestra atención a la gestión de la energía. Objetivos de un sistema de gestión de la energía El objetivo de la aplicación de un sistema de gestión de la energía es producir una mejora de la eficiencia energética de la empresa. La empresa, periódicamente, debe identificar oportunidades de mejora y control de su aplicación. El tipo, el alcance y el calendario de este proceso de mejora continua, está determinado por la empresa según circunstancias económicas y otras prácticas, como el tamaño de la organización, la intensidad energética de sus actividades ó los cambios en la producción. Nota: Algunas preguntas importantes que debe formularse la empresa son las siguientes: ¿Qué tipos de energía se utilizan? (Electricidad, gas natural, carbón, gasóleo…) ¿Cuál es el tipo de energía que predomina? ¿Una parte de la energía consumida es producida por fuentes de energía renovable? (Energía eólica, fotovoltaica, geotérmica, etc.) ¿Cuál es la demanda diaria/anual de energía? ¿Cómo llega la energía hasta la empresa? (Suministro eléctrico desde la red pública, gasoducto propio (gas natural), camión o barco (carbón y keroseno). ¿Cuál es el valor del coste diario/anual de la energía? ¿Qué parte de la empresa está más concienciada en cuanto al consumo de energía? ¿Qué parte de la empresa tiene un mayor consumo? ¿Cuál es la proporción del coste de la energía sobre el total de costes de explotación? 38 ¿Cuál ha sido la evolución de los costes energéticos durante los últimos años? ¿Qué planes tiene la empresa para el futuro suministro de energía? ¿Cuál es la demanda energética de la producción? Paralelamente, ¿qué parece tener una mayor demanda energética? (Alumbrado, calefacción, cafetería, etc.) Ejerccicio Trata de responder las preguntas anteriormente citadas como si fueran dirigidas a tu escuela. Habla con el conserje y hazle una entrevista preguntando las cuestiones de arriba. Elementos de un sistema de gestión de la energía En la figura 2, se presentan los principales puntos de un sistema de gestión de la energía. El objetivo de un sistema de gestión de la energía es mejorar la eficiencia energética y no repetir comportamientos ineficientes anteriores. La consecución de este objetivo debería conducir a la reducción de los costes y de las emisiones de gases de efecto invernadero a través de la gestión sistemática de la energía. La totalidad de los requisitos de un sistema de gestión de la energía se definen en las normas internacionales (ISO 14001, ISO 16001). Los apartados que se presentarán más adelante, tratarán las fases de un sistema de gestión de energía con más detalle. Figura 2: Ciclo de gestión de la energía Ejercicio: Trata de encontrar los documentos relativos a la norma ISO 14001 o EMAS en internet y realiza algún comentario sobre ellos. Pregunta: ¿Alguna vez has considerado la cantidad de papel que se utiliza en un sólo día en la escuela o en tu casa? Explica cómo se podría reducir el consumo de papel. ¿Cómo se podrían organizar todas estas ideas dentro de un programa para toda la escuela? ¿Qué consume electricidad en tu escuela? ¿Qué sistema de gestión conoces? ¿Cuál es su contenido? 39 Política energética La política energética de una empresa es una declaración escrita mediante la cual la empresa manifiesta que quiere ahorrar energía, mejorar la empresa continuamente y comunica que está dentro del marco legal. Esta política energética debería adoptar la forma de una declaración oficial de compromiso de las empresas y estar a disposición del público para alcanzar los objetivos de la gestión energética y reducir las emisiones asociadas al consumo de energía. Caso sometido a estudio: Figura 3: Política energética (Star Paper Mills Limited) 40 Nota: la política energética debe: Estar disponible en un documento escrito Estar firmada por el mando superior de gestión Proporcionar un marco para la definición de objetivos medioambientales Estar actualizada Ser comunicada a todos los empleados Pregunta: Cómo debería estar estructurada una política energética? Busca empresas productoras de papel en Aragón a través de internet. ¿Se trata de empresas certificadas según la norma ISO 14001 o ISO 16001? ¿La empresa expone la política energética/medioambiental en la página web? Trata de encontrar una política de empresa (energética/medioambiental). ¿Tiene tu escuela desarrollada alguna política? Por ejemplo, relacionada con la minimización de residuos, la conservación de agua o la reducción del consumo energético. Planificación Nota: la planificación recoge los siguientes aspectos: Aspectos medioambientales Requisitos legales y otros (leyes, decretos, acuerdos voluntarios y obligaciones, requisitos del cliente, requisitos de otras partes interesadas y la consideración de estos requisitos) Metas y objetivos: establecer objetivos y metas proporciona medios para transformar las políticas en acciones. Los objetivos garantizan que la compañía ha definido los criterios de éxito a fin de que el progreso hacia la mejora de la eficiencia energética puede ser medida. El éxito de la gestión de la energía se basa en una buena planificación: Figura 4: Pasos importantes de la planificación 41 El análisis de entradas y salidas del proceso (análisis del flujo de materiales y balance de energía) conduce hacia los objetivos y éstos hacia las medidas. Es importante revisar los procedimientos para una buena planificación (Figura 4: Pasos importantes de la planificación). La transparencia de los flujos de materiales ofrece una base para la sensibilización y creación de conciencia. Las herramientas como los análisis de entradas y salidas, análisis de flujo de materiales y análisis de flujo de energía construyen la base de un sistema de información que permite determinar la eficiencia de los materiales, los flujos de energía y la eficacia de las medidas. Esto los convierte en una valiosa herramienta para medir la mejora del comportamiento medioambiental. Entradas-salidas del proceso El primer paso en el análisis inicial se trata de identificar las zonas de importante consumo de energía. En la figura 5 se visualiza un diagrama general de las entradas y salidas en el sector industrial. Figura 5: Principio del análisis de entradas y salidas de los procesos industriales Inicialmente, la empresa necesita tener una idea de la cantidad y naturaleza del consumo de energía. El análisis debería incluir un historial del consumo de energía producido en el pasado y en el presente para poder estudiar la evolución del mismo. El grado de detalle dependerá del tamaño de la empresa y del consumo energético, pero debería incluir, como mínimo, las entradas de energía (electricidad, gasóleo, gas natural u otras) y las estimaciones del uso final de la energía (secado, bombeo, aire acondicionado, iluminación u otros). Como se ha comentado anteriormente, se debería revisar las tendencias del consumo de energía en los años anteriores y crear una base de datos para la fijación de objetivos. La información que ya está disponible se debería usar para efectuar una revisión, por ejemplo, facturas de electricidad, lectura de contadores, creación de informes de gestión de energía u otro tipo de información existente. A menudo, las mayores oportunidades para mejorar el rendimiento energético resultarán de medidas de gestión interna sin coste alguno, por ejemplo, formación y sensibilización del personal a cerca de prácticas de eficiencia energética para hacer un buen uso de la energía. La empresa debería actualizar anualmente la revisión. Las revisiones deberían, cuando sea posible, estar basadas en mediciones actuales y se debe tener en cuenta los cambios producidos en la empresa, por ejemplo, la expansión de la producción, modificaciones en la planta, cualificaciones del personal, descripciones de puestos de trabajo, etc. 42 Caso de estudio: Un ejemplo de una revisión anual de una fábrica de papel Figura 6: Análisis de entradas y salidas Ejercicio: Intenta realizar un análisis de entradas y salidas en tu escuela Haz una lista del número de equipos que existen en tu escuela (bombillas, ordenadores, televisores, etc.) Identifica la potencia de cada uno de estos equipos (mira en las características) Averigua o estima las horas de funcionamiento de cada equipo. Luego, pregunta a tu director acerca del consumo energético de la escuela (por ejemplo en todo un año). Entonces, compara los resultados obtenidos en nuestro cálculo con los proporcionados por el director. ¿Son casi iguales o existe alguna diferencia? 43 Objetivos En primer lugar, la empresa tiene que fijar unos objetivos que deberían ser: Específicos Apreciables Ambiciosos Realistas Finalizados Tal y como se ha comentado anteriormente, el objetivo de la aplicación de un sistema de gestión de energía es mejorar la eficiencia energética. Para ello, la empresa debe identificar periódicamente oportunidades de mejora y control de la aplicación. El tipo, el alcance y el calendario de este proceso de mejora continua, está determinado por la organización según circunstancias económicas y otras prácticas, como el tamaño de la organización, la intensidad energética de sus actividades ó los cambios en la producción. Algunos ejemplos de posibles objetivos de un plan de gestión de la energía son: Conseguir ahorros energéticos en áreas bien definidas, por ejemplo, reducir las pérdidas de aire comprimido en un 10%; Introducción de nuevas tecnologías de conservación de energía (por ejemplo, limitadores de flujo de agua para reducir el consumo de agua caliente, intercambiadores de calor para recuperar el calor residual de los gases de escape, etc.) para la reutilización del 20% de las antiguas pérdidas de calor; Formación, sensibilización y motivación de los empleados para reducir el agua caliente de limpieza en un 20%; Mejorar y ampliar las actividades de vigilancia para reducir el consumo total de energía en un 5%; Establecer y aplicar nuevos procedimientos, instrucciones de trabajo, etc., para reducir las pérdidas de aire en un 10%. 44 Medidas Después de fijar los objetivos, tienes que ser capaz de tomar decisiones acerca de la forma en que quieres conseguir estos objetivos. La siguiente tabla muestra un ejemplo de medidas tomadas por una empresa: Tabla1: Ejemplo de objetivos y medidas Ejercicio: Haz una lista mostrando la entrada de materiales y energía de las empresas que buscaste en los ejercicios anteriores. Compara los consumos de energía de las distintas empresas. ¿La lista de los aspectos energéticos es actualizada periódicamente? Haz una tabla como la del ejemplo (tabla 1) que incluya los objetivos y las medidas de ahorro de energía. Aplicación y operación La dirección de la empresa debería designar una persona con autoridad como responsable de la aplicación del programa de gestión de la energía. El representante del programa también debe informar a la dirección sobre el desempeño y los resultados del sistema de gestión. Figura 7: Estructura organizativa 45 Equipo Un elemento central de una organización eficaz es el equipo: El equipo trabaja durante la aplicación y después de la misma, analizando los efectos sobre el medioambiente, creando conciencia, desarrollando opciones de mejora, etc. Por eso es mejor nombrar a los miembros del equipo con el fin de cubrir las principales operaciones. Al seleccionar a los miembros del equipo, asegúrese de que cubren las áreas siguientes: Experto en derecho Comercial Jefe técnico Jefe de mantenimiento Técnico de seguridad Ejercicio: Perdido en la luna: Imagínate que eres un astronauta náufrago en la luna. La nave que te puede llevar de vuelta a la Tierra está a 300 km de distancia. Debes decidir los elementos que llevarás contigo (cerillas, brújula, balsa, bengalas señalizadoras, medicamentos, agua, comida, armas…): Primero individualmente razonando tus decisiones En segundo lugar como resultado de un equipo de debate Pregunta: Debate las siguientes preguntas: ¿Quién es el responsable de la administración de tu escuela? ¿Quién es el responsable de la gestión de las instalaciones? ¿Quién recoge los datos del consumo de energía e informa al director acerca de los mismos? Comunicación, educación y formación Una comunicación eficaz es esencial para garantizar el éxito del sistema de gestión de la energía. Se puede distinguir entre dos tipos de comunicaciones: comunicación interna y externa. Comunicación interna. La comunicación interna ayuda a los trabajadores a entender la visión, los valores y la cultura de la empresa. La comunicación puede ser tanto oral como escrita, cara a cara o virtual (videoconferencias, teléfono), entre dos personas o en grupo. La comunicación interna si es clara y concisa ayuda a establecer oficialmente las funciones y responsabilidades de los empleados y a mantener la empresa y la claridad dentro de lo establecido. El procedimiento debería incluir lo siguiente: Asignación de un responsable de la comunicación interna sobre el programa de conservación de la energía; Información pertinente sobre el establecimiento, la aplicación y el funcionamiento del sistema de gestión de la energía; Medios de comunicación de la información (reuniones internas, seminarios, intranet, correo electrónico, paneles informativos, etc.); El procedimiento en que las propuestas de los empleados se revisan y se responden. 46 Comunicación externa La comunicación con agentes externos es importante para un sistema de gestión medioambiental efectivo. Documentación La documentación es necesaria para describir y apoyar el sistema de gestión. La documentación debería incluir todas las operaciones y procesos ya que es el punto de referencia para la aplicación y mantenimiento del sistema general. Para supervisar y controlar los impactos que ciertos procesos o materiales pueden tener sobre el medioambiente, se deberían definir y poner a disposición de todos y en todo momento unos procedimientos. Estos procedimientos documentados, que debieran ser fácilmente actualizables cuando fuera requerido, garantizarán el buen funcionamiento del sistema de gestión de la energía. Ejercicio: En cuanto a las empresas identificadas en ejercicios anteriores: ¿Existe una lista de conocimientos técnicos y experiencia de los empleados? ¿Hay presentaciones sobre las actividades de sensibilización para la conservación de la energía? Auditoría No se debe confundir una auditoría con una revisión de la gestión. Figura 8: Auditoría Las auditorías internas implican una inspección sistemática y una comparación de los métodos operativos con los procedimientos especificados en el manual del sistema de gestión de energía/ medioambiente. El objetivo es evaluar si el sistema de gestión está funcionando bien. Por otra parte, la auditoria debe identificar y destacar las áreas donde los objetivos del sistema de gestión se han cumplido, así como detectar incumplimientos y sugerir posibles mejoras. Una auditoría puede centrarse en un procedimiento (por ejemplo, la respuesta a la señal de emergencia) o en un 47 área de operación o línea de producción. La clave para el éxito del sistema de gestión es el compromiso de todos los empleados, ya que si los empleados no están comprometidos, el sistema de gestión será difícil de aplicar o mantener. Las auditorías constituyen una herramienta valiosa para medir el compromiso dentro de las distintas partes de la empresa. Nota: El propósito de una auditoría interna es llevar a cabo una inspección sistemática del sistema de gestión de la energía y evaluar si el sistema funciona de acuerdo con las necesidades de la propia empresa. Frecuencia La frecuencia de las auditorías depende de la importancia de los aspectos medioambientales, pero todos los procedimientos y todas las áreas deberían ser auditadas por lo menos una vez al año. El representante de la gestión energética es responsable de establecer el programa de auditoría y comunicar los resultados de las mismas a la dirección de la empresa. Áreas de alto riesgo; Áreas en las que la empresa no pudo cumplir los requisitos legales en el pasado. Basándose en la información de las áreas anteriormente citadas, el calendario de una auditoría se elabora indicando qué áreas y procedimientos se van a auditar y cuando. Revisión de la gestión El paso final de la aplicación del sistema de gestión es la revisión de la propia gestión. Considera: ¿El sistema de gestión es práctico, operativo y efectivo? ¿Qué logros se han conseguido? ¿Cuáles son las razones de cualquier deterioro o mejora? ¿La empresa está cumpliendo con los requisitos legales? La revisión debería basarse en los documentos pertinentes, tales como el informe de auditoría de gestión. Dependiendo de los resultados de la revisión de la política o de las especificaciones del sistema de gestión, puede que necesite ser revisada. La frecuencia con que se hacen estas revisiones depende de la organización. Ejercicio: Presentación: ¡¡¡Enhorabuena!!!: ahora conoces los pasos principales de un sistema de gestión de la energía. Utilizando los ejercicios y preguntas que realizaste anteriormente, trata de configurar una presentación que incluya objetivos y medidas que ayuden a ahorrar energía en tu escuela. 48 Puntos clave: Un sistema de gestión está formado por cinco pasos: Política energética. Planificación: Análisis de entradas y salidas, objetivos, medidas. Aplicación y operación: equipo, comunicación, documentación. Auditoría. Revisión de la gestión. Referencias: [1] ISO 14001 [2] Energy policy (Star Paper Mills Ltd.) http://www.energymanagertraining.com/banner/ EMP2005_pdf/Star_Paper_Mills_EMP.pdf [3] M-real’s Environmental Declaration 2007 http://www.m-real.com/ilwwcm/resources/file/eb7e914b0803b58/M-real%20EMAS%202007% 20E_ENDI_08082007.pdf [4] http://www.southbirminghampct.nhs.uk/_services/rehab/Images/AuditCycle.jpg Enlace web: www.sappi.com www.m-real.com www.iso.org www.nsai.ie 49 Capítulo 5 Uso eficiente de la energía en la industria del papel Introducción ¿Quién podría imaginar un mundo sin papel? Es uno de los materiales más versátiles y más utilizados en nuestra vida cotidiana. Incluso en tiempos de la comunicación electrónica, el papel sigue siendo insustituible, no sólo en el ámbito de la educación y la transferencia de información, sino también para miles de otros productos que usamos a diario. Figura 1: Productos de papel. La idea de la fabricación del papel tuvo su origen hace aproximadamente 2.000 años en China y se hizo popular en Europa a mediados del siglo XIII. En estos tiempos, las fibras de la corteza de morera, los papiros, la paja o el algodón fueron utilizadas como materia prima para la fabricación de papel. La industrialización de la producción de papel se inició sólo a mediados del siglo XIX cuando se comenzó a extraer las fibras de la madera para utilizarlas como materia prima. La energía siempre ha desempeñado un rol importante en la producción de papel. Durante su comienzo, la fabricación siempre tuvo lugar junto a grandes ríos para garantizar el abastecimiento de agua y de energía hidroeléctrica utilizada en la operación de los procesos. El poder energético del sol y el viento ayudó a secar y blanquear el papel. El uso extensivo de los combustibles fósiles también empezó con la industrialización de la fabricación de papel. Actualmente, el 48% de la energía primaria utilizada en la industria europea de la pasta de papel se genera a partir de combustibles fósiles. Datos europeos sobre papel1 El consumo de papel en Europa aumenta de media un 2,6% anual, siendo la capacidad de producción anual de los países europeos algo superior a 100 millones de toneladas. Los documento gráficos representan alrededor del 48%, los envases de papel el 40% y el papel destinado a higiene junto con otros papeles especiales representa el 12% de la cantidad de papel producida. Alemania es el mayor productor de papel, seguido por Finlandia, Suecia, Italia y Francia. La industria papelera proporciona empleo directo e indirecto a más de 2 millones de personas y comprende 1200 fábricas de pasta2 y papel y otras 800 empresas en toda Europa. La industria de pasta y papel tiene una facturación anual de 79 billones de euros que 1 Datos de CEPI (Confederación de Países Papeleros Europeos). Miembros en 2007: Austria, Bélgica, República Checa, Finlandia, Francia, Alemania, Hungría, Italia, Noruega, Polonia, Portugal, República Eslovaca, España, Suecia, Suiza, Holanda y Reino Unido. 2 Solución acuosa formada principalmente por fibras de madera y de papel reciclado que son utilizadas para la fabricación de papel. 50 representa el 1,4% del total de la facturación de la industria manufacturera europea. El consumo de madera de la CEPI fue superior a 119 millones de toneladas. La fabricación de pasta y papel representa el cuarto mayor consumo de energía primaria en la industria. Más de la mitad de energía térmica y eléctrica consumida se genera a partir de la combustión de biomasa mientras que, el resto de energía se obtiene a partir de los combustibles fósiles. La figura 2 muestra el origen de la energía primaria consumida por la industria de pasta y papel. Figura 2: Fuentes de energía primaria utilizadas en la industria de pasta y papel (CEPI). La producción de pasta y papel provoca graves impactos sobre el medioambiente, ya que el proceso requiere un uso intensivo de madera, productos químicos, agua y tiene una alta demanda de energía. En este contexto, este manual describe los métodos de fabricación de papel y da una visión de la eficiencia energética y del ahorro de energía en el sector de la industria papelera. Ciclo de vida del papel Bajo ciertas premisas, el ciclo del papel es un ciclo integrado y sostenible. Los árboles producen madera fijando dióxido de carbono y éste queda almacenado en el papel. Con la recuperación y el reciclaje de los productos papeleros una vez usados, se prolonga la vida útil de las fibras de celulosa obtenidas de la madera, optimizando el aprovechamiento de este recurso natural. Por otra parte, la biomasa y los residuos del proceso de fabricación pueden ser valorizados material o energéticamente. De este modo se cierra y equilibra el ciclo sostenible del papel, que parte de una fuente renovable y natural de materia prima: el bosque. La figura 3 muestra los pasos básicos del ciclo de vida del papel. Antes de explicar la fabricación de papel, se deben distinguir 2 procesos principales. El primero es la producción de pasta que consiste en separar las fibras de celulosa de los otros componentes de la madera con el propósito de conseguir una suspensión de fibras. El segundo es la propia fabricación de papel, donde se utiliza la pasta como materia prima y se obtiene papel. La madera, así como los subproductos de la industria maderera, se transporta a la planta de celulosa donde se separan las fibras del resto de componentes de la madera. Las fibras extraídas 51 Figura 3: Ciclo de vida del papel]. (pasta) se mezclan con agua y productos químicos y se introducen en la máquina de papel para obtener papel como producto final. Los residuos se recogen, se clasifican y se reciclan al proceso de producción. La forma de reciclar estos residuos consiste en quemarlos en plantas de generación de energía con el propósito de evitar el uso de combustibles fósiles y reducir la cantidad de residuos destinados a vertederos. Materias primas para la fabricación de papel La producción de pasta y papel necesita una entrada de materias primas. Las entradas que se producen en el proceso de fabricación del papel son las fibras (pasta) obtenidas de la madera y del papel usado, los productos químicos, agua y energía. Fibras Según su origen existen dos tipos de fibras que se utilizan en la fabricación de papel. Las primeras de ellas se llaman fibras primarias o vírgenes y proceden de plantas leñosas, plantas herbáceas y de los residuos industriales de aserradero. Las segundas proceden del papel usado y se llaman fibras secundarias. En el primer paso del proceso de fabricación, las fibras se extraen de la materia prima y se forma con ellas la llamada “pasta”. Esta pasta se mezcla con agua y productos químicos antes de que sea aplicada a la maquinaria donde se fabrica el papel. Madera La madera es un material orgánico cuya composición aproximadamente es 49% carbono (C), 44% oxígeno (O), 6% hidrógeno (H), menos del 1% de nitrógeno inorgánico (N) y otros componentes como sodio (Na), potasio (K), calcio (Ca), magnesio (Mg) y silicio (Si). Estos 52 elementos forman macromoléculas dando lugar a los constituyentes básicos de la madera: celulosa, hemicelulosa y lignina. La figura 4 muestra la composición celular de la madera. Figura 4: Principio simplificado de la composición celular de la madera. En la fabricación de papel únicamente se pueden utilizar las fibras de celulosa y deben ser separadas mecánica o químicamente de los otros componentes de la madera. Las fibras de los árboles de madera blanda, tales como el abeto y el pino, son más gruesas y largas que las fibras de madera dura. Las fibras de madera blanda proporcionan al papel resistencia al estiramiento y al desgarro, mientras que las fibras de madera dura producen superficies más suaves de la hoja del papel. Plantas herbáceas Las plantas herbáceas como la hierba, el lino y el cáñamo, así como los residuos agrícolas, por ejemplo, la paja y la caña de azúcar, son importantes materias primas para la producción de fibra virgen en países como China y la India. Papel usado En el año 2006, el 56% del consumo de papel y cartón producido en Europa se corresponde con papel reciclado. Los principales productos que se fabrican con papel reciclado son periódicos y cartón. Productos químicos Se utilizan productos químicos para proporcionar al papel el acabado deseado. Entre estos productos están los pigmentos, carbonato de calcio y caolín. La adición de este último, hace que el papel sea más opaco, más resistente al envejecimiento, contribuye a adquirir una superficie más suave e incrementa su flexibilidad. Por otro lado, también existen varias etapas del proceso de producción de pasta que también requiere la adición de compuestos químicos para disolver la lignina de las fibras vírgenes de madera, limpiar y blanquear. Agua La materia prima más importante de todo el proceso es el agua, ya que se necesita para limpieza, refrigeración, generación de vapor y trabaja como agente vinculante para formar puentes de hidrógeno entre las fibras. Los procesos de producción de pasta y papel pueden requerir entre 10100 litros de agua por kilogramo de papel producido. Las nuevas fábricas de papel disponen de sistemas de recirculación de agua para reducir al mínimo la demanda. 53 Energía La mayoría de las fábricas de papel disponen de sus propias plantas de generación de electricidad y producción de vapor. Hoy en día, la generación propia de energía, representa casi el 60% del consumo total de energía en la industria papelera europea. La energía hidráulica, el gas natural, los combustibles fósiles, la biomasa y los residuos, así como la energía recuperada en el proceso de producción, se transforma en vapor y electricidad para ejecutar los procesos. A modo de ejemplo, la figura 5 muestra el diagrama de flujo de energía de una fábrica de papel en Austria. Most paper mills have their own plants for the generation of electricity and the production of steam. Today, self generation of energy accounts for almost 60% of the total energy use in the European pulp and paper industry. Hydropower, natural gas, fossil fuels, wastes and biomass fuels, as well as energy that is recovered within the production process, are transformed to steam and electricity to run the process [18]. To give an example, Figure 14 shows the simplified energy flow sheet of an Austrian paper mill. Figura 5: Diagrama de flujo energético de una fábrica de papel en Steyrermühl, Austria. El gas natural, las cortezas de los troncos y los residuos del proceso de producción se queman para producir calor. Este calor se utiliza para producir vapor que mueve una turbina que genera electricidad. El exceso de vapor de la turbina se utiliza para proporcionar calor a determinados subprocesos de producción. Los sistemas de recuperación de calor también contribuyen al suministro de energía. En el ejemplo de arriba, la fábrica de Austria también cuenta con una pequeña central hidroeléctrica que suministra electricidad al proceso de producción. El resto de la demanda energética se cubre con energía de la red pública. Las fábricas de papel utilizan energía térmica en forma de vapor con el propósito de calentar y secar (por ejemplo en los procesos que se dan en la máquina de papel), y electricidad para hacer funcionar las distintas máquinas y motores. Los costes de energía suponen el 15-25% de los costes totales de producción. La energía utilizada para la producción de una tonelada de papel se encuentra en un rango de 3-5 MWh, lo que se corresponde con la cantidad media de energía consumida en un hogar europeo en 3 meses3. Debido al alto consumo de energía y a razones económicas, uno de los objetivos principales de la industria papelera es reducir la demanda de energía primaria y hacer cumplir el uso eficiente de la electricidad y el vapor generado. Especialmente mediante la combustión de residuos de los procesos de producción y combustibles biomásicos tales como las cortezas, 3 Fuente: www.aee.or.at; El promedio de consumo de energía anual (incluidos todos los consumidores eléctricos y el sistema de calefacción) es de aproximadamente 20.000 kWh 54 residuos madereros y otros residuos producidos en actividades forestales ya que contribuyen a reducir el uso de combustibles fósiles y a una entrada sostenible de los recursos. Además de esto, existen instalaciones de recuperación de calor en todo el proceso de fabricación, que ayudan a reducir la demanda total de generación de energía y de esta manera también se contribuye a disminuir las emisiones de CO2. Proceso de producción del papel La fabricación de papel se puede dividir en dos etapas mediante las cuales las materias primas se transforman en el producto final: Producción y preparación de la pasta Extracción de fibras de las materias primas. Las fibras se extraen mecánicamente (véase la pasta termomecánica) o químicamente (véase la pasta química) a partir de madera o de papel usado. Cribado, limpieza y blanqueo de las fibras extraídas. Máquina de papel A partir de la pasta se fabrica el papel Sistemas de producción y preparación de la pasta Cuando se utilizan troncos de madera como fuente de fibra, primero es necesario quitar la corteza de los troncos. Generalmente, el descortezado de los troncos tiene lugar en un tambor giratorio donde la corteza se separa de la madera por fricción. Una vez separada, la corteza se puede quemar para producir energía. Esta combustión de la corteza reduce la demanda de combustibles fósiles así como la cantidad residuos originados en el proceso. A continuación, las fibras de celulosa de los troncos de madera se separan del resto de componentes en una planta de celulosa y se monta una masa únicamente formada por fibras. En el caso de una planta integrada de pasta y papel, la producción de pasta y la fabricación de papel tienen lugar en la misma planta, de lo contrario, la pasta se seca y se prensa en balas para usarlas posteriormente en una fábrica de papel. Pasta química En el proceso de producción de pasta química se combina calor, productos químicos y altas presiones que descomponen la lignina que une a las fibras de madera, liberando así dichas fibras a fin de que puedan ser lavadas. Con el propósito de separar las fibras, los troncos descortezados se lavan y se astillan. El cribado elimina las astillas de gran tamaño para su reprocesamiento. El serrín producido se puede quemar junto con las cortezas y demás residuos producidos. Las astillas de madera se cuecen junto con el líquido de cocción (licor blanco) que contiene hidróxido sódico (NaOH) y sulfato de sodio (NaS). Bajo la influencia de estos compuestos químicos y temperaturas de proceso del orden de 155 a 175 ºC, la lignina y parte de las hemicelulosas se disuelven, de modo que sólo las deseadas fibras de celulosa permanecen. Figura 6: Pasta química blanqueada. 55 Las fibras extraídas (pasta) contienen “licor negro”, una mezcla de productos químicos y lignina. Mediante los procesos de lavado, el licor negro se separa de la pasta y se recoge en un sistema de recuperación de agentes químicos, donde aproximadamente el 70% de la energía de entrada al proceso de cocción y más del 90% de los compuestos químicos se recuperan. Inicialmente, la pasta tiene un color marrón. Dependiendo de las calidades de pureza y brillo deseadas, la pasta se debe blanquear con el fin de eliminar más exhaustivamente los restos de lignina y otras impurezas. Los productos químicos blanqueantes que se utilizan son el cloro/compuestos de cloro, ozono/oxígeno en diferentes formas y peróxido de hidrógeno. Debido a los graves impactos medioambientales que algunos compuestos de cloro producen, existen objeciones contra su uso y las fábricas de papel más modernas han optado por procesos libres de cloro. La figura 7 ilustra el diagrama de flujo másico y energético más importante de la producción de pasta química. Figura 7: Diagrama de flujo de la producción de pasta química Sistema de recuperación de energía y de agentes químicos En el sistema de recuperación, el agua se elimina del licor negro por evaporación; el resto se lleva a una caldera de recuperación. Los componentes orgánicos de la madera en el licor negro (lignina y otros componentes) tienen un alto contenido energético y se queman para producir vapor. Los compuestos químicos usados en la producción de pasta (licor blanco) se recogen en la parte inferior de la caldera de recuperación y se recrculan al proceso. Figura 8: Diagrama de flujo del sistema de recuperación. 56 Pasta termomecánica (TMP) La producción de pasta termomecánica utiliza energía térmica y mecánica para extraer las fibras de la madera. Las astillas de la madera se impregnan con vapor para humedecer los materiales. Posteriormente, las fibras se separan de las astillas por la acción de una máquina rotativa (refinador). El diseño más simple de esta máquina, básicamente, consiste en dos discos rotando entre sí. Al girar el refinador se libera una gran cantidad de vapor de las astillas húmedas. Este vapor residual se separa de las fibras de la madera y se conduce al sistema de recuperación de energía. Después, las fibras se criban para eliminar partículas de gran tamaño, se limpian y se blanquean para alcanzar las calidades requeridas de la pasta. La figura 9 muestra el diagrama de flujo de la producción de pasta mediante métodos termomecámicos. Figura 9: Diagrama de flujo de la producción de pasta termomecánica. Sistema de recuperación de energía El vapor que se lleva al sistema de recuperación de energía contiene una gran cantidad de impurezas (por ejemplo, trementina, aceites orgánicos volátiles), de modo que no puede ser utilizado directamente para calentar el proceso. Por lo tanto, el vapor caliente se suministra a una caldera de recuperación de calor para calentar agua fresca y producir vapor nuevo para impregnar las astillas de la madera. El vapor residual circula a través de la caldera de recuperación y calienta el agua fresca. Así que, finalmente, se condensa y se retira por la parte inferior para ser llevado al sistema de tratamientos de efluentes. Debido a la operación de la caldera de recuperación, el 60-70% de la energía necesaria para hacer funcionar el refinador puede ser recuperada en forma de vapor fresco. Figura 10: Intercambiador de calor entre el vapor residual y el agua fresca 57 Pasta a partir de papel usado (Papel reciclado) Con el propósito de ahorrar materias primas y energía, el papel puede ser reciclado reutilizando las fibras del papel usado en lugar de las fibras de la madera. Este papel usado debe ser preparado previamente antes de aplicarse a la máquina de papel. La figura 11 muestra un posible diagrama de flujo del proceso de reciclado del papel. Se produce una suspensión bombeable a partir de la entrada de material en un recipiente lleno de agua y papel usado. En este recipiente se rompe el papel usado en fibras por disolución en agua. Las partículas de tinta e impurezas tales como papel de aluminio, productos textiles, bolsas de plástico, piedras, grapas o trozos de madera se separan de la suspensión antes que se pueda aplicar a la máquina de papel. Figura 11: Fabricación de papel a partir de fibras recicladas. Las impurezas que se eliminan durante el proceso de reciclado (rechazo) se pueden quemar con el objeto de generar energía. Reciclado vs. incineración El reciclado de papel contribuye a una producción sostenible, sin embargo siempre es necesaria la aportación de nuevas fibras de los bosques en el ciclo del papel. Los residuos de papel contienen una gran cantidad de fibras rotas que no pueden volver a ser procesadas. En cada ciclo de reprocesamiento, el 10-20% de las fibras son demasiado pequeñas para su reutilización y tienen que ser sustituidas. El papel que no se puede reciclar más, se puede combustionar junto con otros residuos domésticos en los incineradores municipales. El papel influye positivamente en el proceso de incineración, ya que se quema fácilmente y, por tanto, reduce la demanda suplementaria de los combustibles fósiles. A modo de ejemplo, la combustión de una tonelada de papel usado sustituye aproximadamente 600 litros de petróleo. Dado que los incineradores municipales comúnmente generan energía, por ejemplo, vapor para sistemas de calefacción y electricidad (figura 13), la incineración de residuos de papel que no 58 pueden ser reciclados o reusados en otras materias más veces, es una manera de recuperar energía. Figura 12: Grúa para manipular residuo Figura 13: Salida de energía de la incineración de residuos. Papel reciclado vs. El uso de fibras nuevas Los impactos medioambientales provocados por la producción de papel son numerosos; en este capítulo se detallarán las influencias más conocidas de la fabricación de pasta y papel sobre el medioambiente. A pesar de los diversos procesos de la producción de pasta y papel, numerosos expertos europeos y estadounidenses afirman que el papel fabricado a partir de fibras recicladas es menos nocivo para la naturaleza que el papel producido a partir de fibras vírgenes. La tabla 1 muestra los distintos impactos ambientales derivados del proceso de producción de 1 tonelada de papel fabricado a partir de fibras nuevas (escenario A) comparado con la producción de 1 tonelada a partir de fibras recicladas (escenario B). Estos graves impactos sobre el medioambiente son los siguientes: Emisión de gases de efecto invernadero (GEI): tales como dióxido de carbono (CO2) y metano (CH4) que contribuyen al cambio climático permitiendo que el calor se concentre en la atmósfera terrestre. Emisión de partículas: las partículas pequeñas (< 10µm) que se dispersan en la atmósfera durante la combustión pueden causar asma y otras enfermedades respiratorias e incluso cáncer por inhalación de las mismas. Emisión de dióxido de azufre (SO2): el SO2 resulta de la combustión de combustibles que contienen azufre (carbón, petróleo) en las calderas y produce problemas de contaminación atmosférica como la lluvia ácida o el smog. Demanda Química de Oxígeno (DQO): la DQO indica la cantidad de materia orgánica que persiste en los efluentes de agua. Demanda Bioquímica de Oxígeno (DBO): la DBO indica la cantidad de oxígeno consumida por los microorganismos al degradar la materia orgánica del efluente. Verter efluentes con un alto valor de DBO puede provocar una reducción del oxígeno disuelto en 59 el agua y afectar negativamente a los peces y otros organismos. Halógenos orgánicos adsorbibles (HOA): son una medida indirecta de compuestos orgánicos clorados, algunos de los cuales son tóxicos. A: 100% fibras nuevas B: 100% fibras recicladas 2.200 kg - - 1.100–1.300 kg Minerales (p.e. tiza) 100 kg 25 kg Productos químicos (p.e. pigmentos) 230 kg 130 kg 30.000-100.000 l 10.000-20.000 l Materia prima Madera Papel usado Agua Consumo energético Combustión de residuos madereros 3-4 MWh Combustión de residuos de proceso Adicional (p.e.: combustibles fósiles) 0,5-1 MWh 0,5-1 MWh 1-2 MWh 3,5-5 MWh 1,5-3 MWh DQO 5-50 kg 2-10 kg DBO 1,8-2,1 kg 1,6-2 kg HOA <0,5 kg <0,5 kg 1.200-2.500 kg 4-5 kg 900-1.400 kg 2,5-3 kg 10-12 kg 9-11 kg Total Vertidos Emisiones GEI (CO2 equivalente) Partículas SO2 Tabla 1: Comparación del impacto ambiental entre el papel producido a partir de fibras nuevas y el papel producido a partir de fibras recicladas En cuanto a la eficiencia energética del ciclo del papel, la recuperación de fibras consume menos energía que la producción de papel a partir de fibras nuevas. Sin embargo, se necesita un aporte externo de energía procedente de los combustibles fósiles. Una tonelada de papel producida a partir de fibras recicladas consume aproximadamente 2 MWh, es decir, un 40% menos energía que el papel producido a partir de fibras nuevas. Esta cantidad de energía se corresponde con la energía que consume un hogar europeo en un mes y medio4. Si analizamos las emisiones de CO2, el potencial promedio de emisiones evitadas es de 700 kg por tonelada de papel reciclado en comparación con el papel producido a partir de fibras nuevas. Suponiendo que un automóvil medio emite 160 gramos de CO2 por kilómetro, un viaje de 4.400 kilómetros emite la misma cantidad de CO2 que el potencial de ahorro mencionado anteriormente. 4 Fuente: www.aee.or.at: El promedio de consumo de energía anual (incluidos todos los consumidores eléctricos y el sistema de calefacción) es de aproximadamente 20,000 kWh ) 60 Combustión de residuos del proceso de producción Los datos de la industria papelera alemana en el año 2001 muestran que el 35% de los residuos sólidos (cortezas, residuos madereros, todo tipo de rechazos…) se utilizó para la generación de energía, el 18% fue compostado o biológicamente tratado, el 41% se reutilizó como materia prima en otros sectores de la industria y sólo el 6% llegó a la eliminación final en vertederos. La importancia de la combustión de los residuos del proceso de producción aumenta debido a los altos costes de los combustibles fósiles, a la legislación medioambiental más estricta y al alto coste de los vertederos. La industria de producción de pasta y papel es el mayor productor y consumidor de combustibles alternativos, tales como serrín, cortezas y otros residuos madereros. Generación de vapor y electricidad Existen procesos en los que es necesario el uso del vapor, como por ejemplo la sección de secado de papel. El vapor se genera por el intercambio de calor entre los gases calientes de salida del proceso de combustión (combustión de combustibles fósiles, alternativos y agentes químicos de proceso recuperados) y el agua fresca. La figura 14 muestra el principio básico de la generación de vapor. Figura 14: Principio simplificado de la generación de vapor. Desde la caldera, el vapor se dirige a una turbina donde su energía térmica se convierte en energía mecánica de rotación. El eje de la turbina está conectado a un generador que transforma la energía mecánica de rotación en electricidad. El vapor que sale de la turbina se conduce al proceso de fabricación de papel para fines de calefacción. Una vez que el vapor ha liberado su energía, se condensa. El condensado se bombea de nuevo a la caldera donde se vaporizará de nuevo. Este proceso es un ciclo de cogeneración ya que combina la generación de calor y electricidad. Dicho ciclo de cogeneración se ilustra en la figura 15. 61 Figura 15: Diagrama de flujo de la combustión de residuos para la generación de vapor y electricidad. Los lodos y el biogás5 procedente del tratamiento de efluentes y el rechazo de los procesos de producción de pasta y papel se combustionan junto con las cortezas, los residuos madereros y otros combustibles fósiles. Actualmente, el tratamiento llevado a cabo para las aguas residuales de las fábricas de papel es el tratamiento biológico, pudiendo tener lugar en la misma planta o en plantas de tratamiento municipales. El volumen de agua residual originada en las fábricas modernas de papel está en un rango de 10-12 L/kg de papel producido. Funcionamiento de los sistemas de cogeneración para asegurar la eficiencia La cogeneración es la generación simultánea de energía eléctrica y energía térmica en un sólo sistema integrado. El calor residual producido en la generación de electricidad, se utiliza en las etapas siguientes del proceso, bien sea para secar o calentar. Por lo tanto, la cantidad de energía residual desaprovechada se reduce produciéndose un ahorro en el uso de combustibles fósiles. Esto significa que la eficiencia global de los procesos de cogeneración es mayor en comparación con la eficiencia de la generación convencional de electricidad y vapor por separado. La eficiencia (ŋ) de un proceso puede ser calculada como el cociente entre la energía de salida de un sistema (energía térmica producida, producción neta de electricidad…) y la energía de entrada o utilizada para su producción (el poder calorífico inferior de un combustible)6. ŋ = Esalida/Eentrada; Donde: Esalida = energía útil a la salida (p.e.: electricidad, calor); Eentrada = energía utilizada en la producción de energía útil 5 El biogás es una mezcla de metano (55%), CO2 (44%) y otros componentes gaseosos (1%) producida por microorganismos mediante la llamada digestión anaerobia de la materia orgánica en ausencia de oxígeno. Se produce biogás en pantanos, vertederos y en los procesos de clarificación de aguas residuales [32]. 6 Poder calorífico inferior: Cantidad de calor liberada por la combustión completa de una unidad de combustible cuando el agua producida se supone que se mantiene como vapor]. 62 La cogeneración se considera como una tecnología clave para ahorrar energía y de esta manera reducir las emisiones de CO2. Las instalaciones de cogeneración son capaces de conseguir ahorros de energía de hasta el 25%. La figura 16 muestra lo ventajosa que es la cogeneración frente a la generación de electricidad y calor por sepado. Figura 16: Eficiencia global de la cogeneración (abajo) en comparación con la generación de electricidad y calor por separado (arriba)]. 63 Al separar la generación de electricidad, aproximadamente, sólo el 31% de la energía contenida en el combustible se puede convertir en energía eléctrica, el resto de energía se pierde como calor residual en la planta de generación. Por otro lado, las calderas típicas para la producción de vapor convierten el 80% de la energía del combustible en energía térmica útil. Si por ejemplo, una fábrica de papel requiere 30 unidades de electricidad y 45 de vapor, serán precisas 154 unidades de combustible para el funcionamiento del proceso. La eficiencia global se calcula de la siguiente manera: ŋ = Esalida/Eentrada = (30+45)/154 = 0,49 ŋ = 49% Un proceso de cogeneración utiliza el calor residual de la generación de electricidad por lo que requiere menos cantidad de energía. Únicamente, se necesitan 100 unidades de combustible para producir 30 unidades de electricidad y 45 unidades de vapor para la fábrica de papel. De esta manera queda demostrada la mayor eficiencia del sistema de cogeneración. ŋ = Esalida/Eentrada = (30+45)/100 = 0,75 ŋ = 75% Funcionamiento de la máquina de papel Esta es la última etapa del proceso de fabricación de papel. La figura 17 muestra los componentes básicos de una máquina de papel. Existen 5 partes principales: el cajón de entrada, la formación de la banda húmeda de papel, la zona de prensado, la sección de secado y la sección de acabado. Figura 17: Principio de funcionamiento de la máquina de papel. En el cajón de entrada, la pasta acuosa que contiene las fibras cae sobre una tela móvil donde se produce la formación de la hoja por el entrecruzamiento de las fibras. El contenido en agua de esta pasta acuosa es del 99%. Durante la formación de la banda húmeda de papel, el agua se elimina de la suspensión mediante rodillos y cajas de vacío para aumentar el contenido en sólidos en un 20%. La deshidratación de la pasta continúa en la parte de prensado por la compresión de la banda de papel entre los rodillos metálicos. El contenido de sólidos se incrementa al 50%. En la sección de secado existen unos cilindros calentados con vapor por su interior y cuya misión 64 es eliminar el agua restante. Se forman enlaces químicos entre las fibras y finalmente se crea la hoja de papel. La figura 18 muestra el principio simplificado de funcionamiento de la sección de secado. Figura 18: Principio de la sección de secado Para un funcionamiento eficiente de la máquina de papel, se instalan sistemas de recuperación de calor por encima de la sección de secado. El aire caliente de escape de la sección de secado se recoge y se reutiliza para fines de calefacción dentro de la propia máquina de papel. La sección de acabado aplica pigmentos adicionales u otros compuestos químicos a la hoja de papel si fuera necesario. El papel acabado se enrolla en rollos que pueden medir hasta 10 metros de largo y pesar 25 toneladas. Figura 19: Rollo de papel Nota: Consejos para ahorrar papel Nunca olvides que tienes una responsabilidad frente al medioambiente y al planeta en que vivimos. Mediante el uso de recursos y productos de manera responsable, cada uno puede contribuir a hacer de la Tierra un lugar un poco más agradable para vivir. Reduce tu consumo de papel Imprime únicamente los correos electrónicos y los documentos si realmente es necesario Imprime las hojas a doble cara No deseches las hojas que sólo están escritas por una cara y aprovéchalas para tomar notas Siempre que sea posible utiliza papel fino Utiliza productos fabricados con papel reciclado Recoge el papel residual y échalo en el contenedor adecuado para su reciclaje 65 Ejemplo: Cálculo Una fábrica de papel tiene un consumo energético de 2,4 MWh por tonelada de papel producida. A) ¿Cuánta energía primaria (energía contenida en el combustible) se necesita para que funcione el proceso de producción cuando la generación de electricidad y vapor se realiza por separado con una eficiencia global del 49%? ŋ = Esalida/Eentrada Eentrada = Esalida/ŋ = 2,4 MWh/0,49 Eentrada = 4,9 MWh por tonelada de papel producido B) ¿Cuánta energía primaria se necesitaría si se dispone de un sistema de cogeneración con una eficiencia del 75%? ŋ = Esalida/Eentrada Eentrada = Esalida /ŋ = 2,4 MWh/0,75 Eentrada = 3,2 MWh por tonelada de papel producido C) Si en el caso a) y b) toda la energía fuera generada por combustión de gas natural, ¿qué volumen de gas natural se podría ahorrar utilizando un sistema de cogeneración en lugar de la generación por separado? El poder calorífico inferior del gas natural es aproximadamente 10 kWh/m3? 4,9 MWh – 3,2 MWh = 1,7 MWh 1.700 kWh/10 kWh/m³ = 170 m³ 170 m³ de gas natural por tonelada de papel producido se puede ahorrar con el sistema de cogeneración. D) Completa la reacción química de la combustión de gas natural: CH4 + O2 CO2 + H2O CH4 + 2O2 CO2 + 2H2O E) Suponiendo que el gas natural solo está formado por CH4, ¿cuántos gramos de CO2 se pueden evitar emitir por tonelada de papel producida si se utiliza un sistema de cogeneración? La combustión de 1 m3 de CH4 emite 1 m3 de CO2 a la atmósfera. El peso molecular del CO2 es de 44 g/mol. 1 mol = 22,414 l 1 m³ = 1.000 l/22,414 l/mol = 44,6 mol 44,6 mol/m³ * 44 g/mol = 1.962,4 g/m³ 170 m³ * 1.962,4 g/m³ = 333.608 g 66 Experimento: Produce tu propio papel! Desde Internet: http://www.autosuficiencia.com.ar/shop/detallenot.asp?notid=79 MATERIALES BÁSICOS: Para obtener Hojas ó láminas de papel artesanal se debe contar con los siguientes elementos: Papeles - Recipiente de plástico - Batea o recipiente profundo - Procesadora o licuadora – Tamiz – Agua - Retazos de lienzo ó tela de algodón - Prensa (objetos pesados para prensar) - Anilinas para tela – Plancha Los papeles más aconsejables son: Papel de fotocopias, papel tisú, cartulina blanca o de color, papel secante, papel madera, papel de diario, hojas de cuaderno o carpeta, cartones protectores de cajones de frutas, envases de cartón de presentación de huevos, cartones corrugados etc. Papeles que no se pueden utilizar: No hay que utilizar papeles engomados, ni plastificados, carbónicos, papel vegetal, de calcar, papeles metalizados o celofán. PREPARACIÓN DEL TAMIZ El tamiz está formado por el marco y el contramarco, 2 piezas iguales que pueden confeccionarse con listones de madera. Su tamaño dependerá del tamaño del papel que se quiere elaborar. En el marco se debe clavar la malla (en este caso de acero inoxidable Nro. 30), que servirá para recoger la pulpa. Para ello se debe cortar un trozo de malla que exceda el perímetro del marco y clavarlo o abrocharlo en los laterales, colocando la trama de la malla paralela a los listones del marco. El contramarco es exactamente igual al marco, sólo que no lleva malla. Se ubica sobre el marco, y su función es la de contener la pulpa al retirarla del agua para darle forma a la hoja de papel. 67 OBTENCIÓN DE LA PULPA DE PAPEL Algunos consejos para tener en cuenta para obtener la pulpa de papel: 1- Seleccionar el papel a reciclar y cortar en pequeños trozos. El corte del papel deberá efectuarse a mano, rasgando trozo por trozo, para una mejor absorción del medio líquido. 2- Colocar el papel cortado a remojar en abundante agua, por lo menos tres horas para lograr una buena hidratación. 3- Poner el papel ya hidratado en la licuadora o procesadora, en pequeñas porciones y con abundante agua, para preservar el electrodoméstico. En el caso de trabajar con papeles de diferentes colores procesarlos por separado. 4- La pulpa obtenida ya está en condiciones de ser utilizada de inmediato para hacer papel reciclado. No es necesario colarla, porque se la incorporará a una batea con agua. 5- Si se desea guardarla para un posterior uso será conveniente colarla y presionarla con las manos para extraerle todo el exceso de agua. Luego colocarla en envases plásticos y guardarla en la heladera hasta el momento de su uso. Otros consejos: - Si la pulpa fuera blanca y quieres darle color, tienes que incorporarle al agua anilinas, ferritas o jugo de diferentes vegetales, como la remolacha. - Si quieres realizar aplicaciones con pulpa sobre una superficie pintada con pinturas acrílicas o látex, tenéis que esperar que la pintura se encuentre completamente seca, si no es así se desprenderá. - Todas las piezas realizadas con pulpa presentan una rugosidad que las caracterizan, si quieres alisar un poco la superficie, hay que humedecer un pincel con agua y pasarlo por la pulpa o se puede alisar con una llana. - Las piezas realizadas con pulpa llevan muchas horas de secado, las que varían según la temperatura ambiente. Por lo tanto te recomiendo que asignes un lugar para su secado. Para obtener hojas ó láminas de papel reciclado necesitas: Pulpa de papel - Batea o recipiente profundo – Agua - Tamiz ó bastidor - Retazos de lienzo o tela de algodón - Objetos pesados para prensar FABRICACIÓN 1- Llenar las ¾ partes del recipiente con agua. 2- Agregar una taza de pulpa húmeda por cada 5 litros de agua 3- Agitar la pulpa con la mano para que permanezca en suspensión 4- Introducir el bastidor en el recipiente en forma vertical 5- Rotar el bastidor en forma horizontal 6- Retirar el bastidor de la batea en forma horizontal y dejar escurrir un momento. 7- Quitar el contramarco y colocar el paño sobre el papel presionando en forma pareja hasta que no suelte más agua. 8- Dar vuelta el bastidor sobre papeles de diario y desmoldar el papel obtenido. 9- Cubrirlo con otro paño y prensarlo entre papeles de diario durante 24 horas. 10- Retirar el papel reciclado todavía húmedo y con ayuda de una plancha tibia completar el secado y alisado. 68 Si quieres incorporar elementos decorativos a modo de inclusión (hojas secas, palitos, hilos y otros, tienes que agitarlos junto con la pulpa de papel en el paso numero. 3. TERMINACIÓN DEL PAPEL Prensar las hojas de papel para que tenga consistencia. Para agregar brillo al papel, le puedes incorporar brillantina o trocitos de láminas metalizadas. Para escribir sobre el papel tienes que rociarlo con laca en aerosol. Para teñir el papel se utilizarán, anilinas, acrílicos, témperas o colorantes vegetales. Estos se incorporan al agua de la batea. Referencias: The paper making process - From wood to coated paper: Sappi idea exchange; from the Internet: www.ideaexchange.sappi.com, 06.october 2008 European Commission: Integrated Pollution Prevention and Control (IPPC), Reference Document on Best Available Techniques in the Pulp and Paper Industry. December 2001; from the Internet: www.bmwa.gv.at., 06.october 2008 Herbert Holik (Ed.): Handbook of paper and board; Wiley – VCH Verlag GmbH & Co, KgaA, Weinheim (Germany), 2006 Herbert Sixta (Ed.): Handbook of pulp, Volume 2, Wiley – VCH Verlag GmbH & Co, KgaA, Weinheim (Germany), 2006 Anders Thoren (Ed.) 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