Ingeniería e Industria

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Ingeniería e Industria
ISSN 0012-7361 • SICI: 0012-7361(20120301)87:2<>1.0.TX;2-O • CODEN: DYNAAU
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INGENIERÍA E INDUSTRIA
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IKERTU
BERRITZEKO
MARZO - ABRIL 2012
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GRÁFICOS DE CONTROL
GESTIÓN DE ENERGÍA
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Tranvía híbrido
QUÍMICA INDUSTRIAL
EVALUACIÓN DE LA
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Producción de Bioetanol
DIRECCIÓN DE PROYECTOS
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Lean
INGENIERÍA DEL
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Optimización del Servicio de
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LOGÍSTICA
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DESIGN FOR ASSEMBLY
Aplicación en chásis de armarios
eléctricos
SISTEMAS DE
POTENCIA
INGENIERÍA E INDUSTRIA
Definiciones de
desequilibrio de
tensión
DISEÑO DE
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Motor de 2
tiempos para
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IDEKO
123 - 242 / VOL. 87, Nº 2
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Ingeniería Multidisciplinar
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permite a los clientes elegir el proyecto al que destinar los beneficios que generan sus operaciones en la entidad. La Obra Social,
a la que Caja Navarra destina cada año el 30% de sus beneficios, está íntegramente en manos de sus clientes.
Somos el banco de las mejores empresas.
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A través de la ‘Cuenta Cívica’, Caja Navarra comunica a sus clientes cuánto dinero gana con ellos y cuánto dinero aportan a los
proyectos sociales que han elegido. Este ejercicio de transparencia hacia los clientes también lo practican en la Banca Cívica las
entidades sociales en sus actos de rendición de cuentas o en los blogs de la Comunidad de la Banca Cívica, donde les informan
sobre cómo están desarrollando los proyectos y cómo emplean el dinero recibido. Y, por último, Caja Navarra reconoce a sus
clientes el derecho a saber y a decidir dónde invierte Caja Navarra su dinero.
La Revista DYNA es el Órgano Oficial de Ciencia y Tecnología de la Federación de Asociaciones de Ingenieros Industriales de España (FAIIE).
Fundada en 1926, DYNA es una de las revistas de ingeniería más influyentes y prestigiosas del mundo, como lo reconoce Thomson-Reuters en la edición anual de su informe JCR.
Es el medio más indicado para la comunicación de los Ingenieros Industriales Superiores y de cuantos vean en ella el medio de expresión de sus ideas y experiencia.
DYNA es una revista bimestral que edita 6 números al año: enero, marzo, mayo, julio, septiembre, noviembre.
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Dyna Marzo - Abril 2012 • Vol. 87 nº2
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Dyna Marzo - Abril 2012 • Vol. 87 nº2
Índice
Marzo - Abril 2012
160
SIMULACIÓN Y OPTIMIZACIÓN DE LOS RECURSOS DE SERVICIO DE ASISTENCIA TÉCNICA (SAT)
TECHNICAL ASSISTANCE SERVICE (TAS) SIMULATION AND OPTIMIZATION
Arkaitz Uriarte-Zearra, Itziar Ricondo-Iriondo, Aitor Goti-Elordi, Kristina Bogataj
169
APLICACIÓN DEL DESIGN-FOR-ASSEMBLY EN EL DESARROLLO DE UN NUEVO CHASIS PARA
ARMARIOS DE DISTRIBUCIÓN ELÉCTRICA
APPLICATION OF DESIGN-FOR-ASSEMBLY TO DEVELOP A NEW CHASSIS FOR ELECTRICAL
CABINETS
Alberto Comesaña-Campos, José Benito Bouza-Rodríguez, Antonio Riveiro-Rodríguez, Luis González-Piñeiro
180
HERRAMIENTA DE CÁLCULO PARA LA EVALUACIÓN DE LA SOSTENIBILIDAD DE
ESTRUCTURAS DE HORMIGÓN SEGÚN LA INSTRUCCIÓN ESPAÑOLA EHE-08
COMPUTER TOOL FOR ASSESSING SUSTAINABILITY OF CONCRETE STRUCTURES ACCORDING TO
THE SPANISH EHE-08 CODE
Diego Gómez-López, M. Pilar de la Cruz-López, Alfredo del Caño-Gochi, Ignacio Arroyo-Cunha
190
DISEÑO DE UN NUEVO MOTOR DE EXPLOSIÓN DE DOS TIEMPOS CON ETANOL COMO
COMBUSTIBLE
DESIGN OF A NEW TWO STROKE ENGINE THAT USES ETHANOL AS FUEL
Rubén Lostado-Lorza, Pedro María Villanueva-Roldán
126
DYNA hace 80 años
128
198
Noticias Breves
ANÁLISIS DE LAS DEFINICIONES DE DESEQUILIBRIO DE TENSIÓN EN LOS SISTEMAS DE
POTENCIA
ASSESSMENT OF VOLTAGE UNBALANCE DEFINITIONS IN POWER SYSTEMS
María Reyes Sánchez-Herrera, Patricio Salmerón-Revuelta, Salvador Pérez-Litrán, Alejandro Pérez-Vallés
132
Evolución
204
134
Aula DYNA
138
Juan Pérez-Torreglosa, Francisco Jurado-Melguizo, Pablo García-Triviño, Luis Miguel Fernández-Ramírez
214
Noticias
MODELOS DE GESTIÓN DE PROYECTOS: DIRECCIÓN DE PROYECTOS COMPATIBLE CON EL
PENSAMIENTO LEAN
PROJECT MANAGEMENT MODELS: LEAN THOUGHT PROJECT MANAGEMENT
José Manuel Sánchez-Losada
140
Colaboraciones
GESTIÓN DE ENERGÍA PARA TRANVÍA HÍBRIDO BASADO EN PILA DE COMBUSTIBLE, BATERÍA
Y SUPERCONDENSADOR
ENERGY MANAGEMENT FOR HYBRID TRAMWAY BASED ON FUEL CELL, BATTERY AND
ULTRACAPACITOR
222
241
Desarrollo Sostenible
ELOCONS: UN ALGORITMO DE CONSTRUCCIÓN DE RUTAS EFICIENTE PARA LA PEQUEÑA Y
MEDIANA EMPRESA DE DISTRIBUCIÓN
ELOCONS: AN EFFICIENT CONSTRUCTION ALGORITHM FOR VEHICLE ROUTING PROBLEMS WITH
TIME WINDOWS IN SMALL AND MEDIUM ENTERPRISES
Arturo Nieto-de Almeida, Alejandro García-del Valle, Diego Crespo-Pereira
229
LA VAINA DEL ALGARROBO COMO NUEVA MATERIA PRIMA PARA LA PRODUCCIÓN DE
BIOETANOL
CAROB POD AS A NOVEL FEEDSTOCK FOR THE PRODUCTION OF BIOETHANOL
Sergio Sánchez-Segado, Luis Javier Lozano-Blanco, Antonia Pérez-De Los Ríos, Francisco José HernándezFernández, Carlos Godínez-Seoane, Diego Juan-García
234
SISTEMA INTEGRAL DE CONTROL DINÁMICO SICD: UN ENFOQUE HÍBRIDO PARA EL
CUMPLIMIENTO DE LAS ESPECIFICACIONES DE CALIDAD
INTEGRAL DYNAMIC CONTROL SYSTEM IDCS: A HYBRID APPROACH TO MEETING THE QUALITY
SPECIFICATIONS
Roberto Baeza-Serrato, Javier Yáñez-Mendiola, Antonio Vázquez-López
Dyna Marzo - Abril 2012 • Vol. 87 nº2
125
DYNA hace 80 años
(marzo - abril 1932)
EL ROTÓGRAFO DE LAS CÓNICAS
Tras exponer “la importancia que tienen las curvas de segundo grado” y que para
su expresión gráfica “es tan frecuente como necesario su trazado en la confección
de proyectos de ingeniería, arquitectura, etc.”, expone el aparato ideado por el
autor: el rotógrafo de las cónicas, apto para trazar “todas las curvas cónicas
y complementariamente otras curvas como la espiral envolvente, cicloide y
epicicloide”.
La descripción de su funcionamiento se basa en “dos reglas cremallera formando
los radios vectores de la curva que se desea trazar; dos piñones que engranan
entre sí, lo hacen también con las ruedas dentadas, describiendo uno de ellos
la curva que se quiere obtener; otra regla sin dentar, sirve de directriz para el
trazado de la parábola”.
El texto continúa mostrando con figuras el trazado de la elipse, la hipérbola y la
parábola. Asegura que el aparato ha sido patentado en España y en las naciones
más adelantadas, y alabado por la Academia de Ciencias de Madrid.
Antonio G. Navascués
PURIFICACIÓN DE LOS GASES
Dado que “un cierto número de procesos industriales para el tratamiento de gases exigen la más completa purificación…
especialmente para algunos procesos catalíticos, como son la síntesis de alcoholes y la de hidrocarburos con el gas de agua”, en
el artículo se reúne la bibliografía correspondiente a la purificación química.
“En el empleo del gas de alumbrado para calefacción, iluminación y motores, basta la separación del ácido sulfhídrico… por
lavado con agua, que es aumentada con agua a presión”, y aún mejorada si se emplea disolviendo en ese agua potasa, cal,
carbonato sódico o hidróxido férrico. También se ha estudiado que “el ferricianuro potásico en presencia de carbonato sódico
separa cuantitativamente el ácido sulfhídrico a la temperatura ordinaria”.
Concluye indicando que en las grandes cokerías del Ruhr, se mezcla su gas con gas de agua purificado “para industrializar la
obtención de combustibles líquidos artificiales”.
José Manuel Pertierra
ESCUELA DE ESPECIALIZACIÓN PROFESIONAL
Describe los medios y métodos de que dispone la Escuela de Aprendizaje
de la S.E. de Construcciones Babcock & Wilcox para superar la gravísima
carencia de operarios especializados.
“La enseñanza de la Escuela se divide en 8 cursos de 6 meses cada uno…
divididos en dos períodos; el primero de preparación, que dura cuatro cursos
durante los cuales el alumno recibe la necesaria educación teórica-práctica
y el segundo de especialización”. En este último, los alumnos ya trabajan
en el taller y reciben un jornal. “La edad de ingreso es a los 14 años… y los
aspirantes deben sufrir un examen para demostrar suficiencia en ciertas
materias”. Entre éstas se contaban la lectura, aritmética y geometría con
sencillos problemas y un examen psicotécnico. En octubre de 1931 ya había
salido la quinta promoción de oficiales y, a la fecha, el número de alumnos
era de 40.
E. Pérez Villamil
Una noticia de la época: El dirigible “AKRON”
Con cierta extensión, DYNA comenta el haber superado en Estados Unidos todas las pruebas el mayor dirigible del mundo,
el “Akron”, y autorizado a su constructor, la Goodyear Zepelin Corp., la construcción de otro gemelo, el ZRS-5. El vuelo de
resistencia del “Akron”, de 48 horas ininterrumpidas levantó gran expectación en todos los lugares a su paso. Ambos aparatos tienen
240 m de longitud, 41 de diámetro y casi dos millones de metros cúbicos de capacidad, llenados con helio. Para la construcción del
ZRS-5 se dispondrá en Lakehurst del mayor edificio del mundo sin soportes intermedios con 359 m de largo, 100 de ancho y 65 de
alto. El costo del aparato será de 2.000.000 de dólares y el plazo de construcción de 15 meses.
126
Dyna Marzo - Abril 2012 • Vol. 87 nº2
Editorial
EL FUTURO DE COLEGIOS Y ASOCIACIONES
Unión de jóvenes y veteranos, de culturas y regiones
cabe duda que la sociedad española está pasando por un momento histórico realmente
Nocomplicado
que, por supuesto, también afecta a los Ingenieros. Basta con abrir un periódico,
encender la radio o la televisión para comprobar que la situación económica de nuestro país es
complicada: paro, recortes sociales y laborales, falta de crédito, crisis bancaria... Desde luego la
solución no pasa por mirar a otro lado y esperar a que todo se resuelva solo, por arte de magia. Ha
llegado el momento de liderar y de tomar iniciativas que reactiven el tejido empresarial de la Industria
española y principalmente la pequeña y mediana empresa.
Esta situación complicada está afectando a los Colegios, Asociaciones y entidades vinculadas con
la Ingeniería, puesto que las reformas legislativas probablemente impedirán que puedan existir con
el modelo que actualmente conocemos. Nos encontramos ante una oportunidad para reorganizar
nuestras instituciones, centrando nuestros esfuerzos en un objetivo común, que es aportar valor a los
Ingenieros y que esto repercuta en la sociedad.
La composición de nuestros colectivos ha cambiado en los últimos años. La Constitución Española
propició que apareciesen numerosas Escuelas de Ingeniería, lo que ha permitido la adhesión de
numerosos Ingenieros a nuestros colectivos. Sin embargo este cambio no ha tenido consecuencias
significativas en nuestras instituciones, de tal forma que muchos jóvenes no se sienten motivados para
participar y formar parte de los Órganos de Gobierno.
Este desencanto proviene probablemente de esa Reforma Universitaria: el hecho de que haya más
escuelas y más egresados, propicia que la profesión de Ingeniero no tenga la misma proyección
que tenía antaño. La escasez de titulados en el pasado provocó que la profesión fuese valorada
económicamente y, por extensión, socialmente. La situación actual es diferente, de tal manera que la
ley de oferta y demanda ha conllevado a una devaluación económica de nuestra profesión que, unida
a la actual crisis, empuja a los Ingenieros a emigrar como única solución factible.
Desde las instituciones no podemos ser ajenos a esta realidad y debemos impulsar un cambio de
rumbo, que apoye y promueva a la Industria como motor económico del país y a los Ingenieros como
catalizadores de dicho cambio. Si conseguimos proyectar a la sociedad que Colegios y Asociaciones
son útiles para la ciudadanía, habremos dado un paso adelante para mejorar la imagen de estas
organizaciones y para que los jóvenes valoren positivamente unirse a nosotros.
Roma no se hizo en un día y, por tanto, no será un camino rápido y sencillo. Sin embargo, a largo
plazo se podría conseguir que el tejido productivo de este país mejorase y eso implicaría que muchos
Ingenieros emigrados puedan retornar a nuestro país, para así reconocer y empujar a la Industria con
su valiosa experiencia internacional.
Para que estos Ingenieros vuelvan, no deberíamos dejarlos solos en esta travesía migratoria,
fomentando que desde nuestras instituciones se les pueda dar soporte y ayuda en esa etapa de su vida.
En ese sentido, las Certificaciones Profesionales promovidas desde el Consejo General de Ingenieros
Industriales deben ayudar a la internacionalización y también a la puesta en valor del Ingeniero en
nuestro país, para que la contratación de los servicios de este profesional por parte de las empresas
sea percibida como una inversión rentable y no como un gasto.
En definitiva, el futuro pasa por la unión entre generaciones y culturas, consiguiendo que todos los
Ingenieros se sientan parte de la unidad que implica esta profesión, independientemente de su lugar
de residencia, edad o condición social. En este reto nos jugamos mucho: la sostenibilidad social de
nuestras instituciones y de la Ingeniería Industrial.
Dyna Marzo - Abril 2012 • Vol. 87 nº2
127
✍
Noticias Breves
`ELECTRODOS DE
SUPERCONDENSADORES
Investigadores de la Universidad de
Stanford (EE.UU.) han desarrollado
una sencilla técnica que puede mejorar
apreciablemente el rendimiento de
los supercondensadores. Éstos son,
propiamente hablando, condensadores
de doble capa o electroquímicos y
almacenan mucha más energía que
los convencionales. Consiste en
recubrir los electrodos compuestos
por grafeno y óxido de manganeso
por una solución conteniendo o
nanotubos de carbono o un polímero
conductor: en el primer caso se llega a
mejorar la carga más del 20% y en el
segundo hasta un 45%, lo que supone
almacenar hasta 380 faradios por
gramo de peso del supercondensador.
Este método, denominado
recubrimiento conductivo, también
podría mejorar la siguiente generación
de electrodos para baterías de ionlitio, hechos de azufre, fosfato de litiomanganeso y silicio.
`EL ELEMENTO 117
Entre los elementos superpesados
incorporados a la Tabla Periódica
128
había aun un hueco sin completar.
Desde hace años se había definido
el elemento 118 (ununoctio), aunque
al decaer se convertía en el 116
(ununhexio) dejando un espacio no
cubierto. Ahora, científicos rusos
y americanos conjuntamente, han
elaborado de forma experimental seis
átomos del elemento 117 (ununheptio)
de peso atómico 292, tras dos años de
trabajo, bombardeando berkelio con
iones de calcio.
Este elemento era el único que faltaba
en la séptima fila de la Tabla, y tras su
obtención, decae rápidamente al 115,
al 113, etc., hasta descomponerse.
Desde 1940 se han sumado a la Tabla
Periódica, 40 elementos situados más
allá del uranio.
`RECICLADO DE COMPOSITES
Los materiales compuestos
(composites) que generalmente están
realizados con capas de resina de
poliéster intercaladas de fibra de
vidrio, a diferencia de los metales o
los plásticos convencionales, son de
reciclado complejo. Como productos
típicos de consumo duradero
fabricados con estos materiales, están
los cascos de barcos de recreo, que
acaban quemados, hundidos o en
vertederos.
En los últimos años, el centro noruego
SINTEF, junto con empresas de
reciclado y de composites viene
desarrollando un proceso para
disolver este material en un tiempo de
aproximadamente dos horas a 220ºC,
de manera que las fibras puedan ser
separadas.
También se piensa aplicar similar
método al reciclado de las partes
de bicicleta realizadas con fibra de
carbono.
`SIEMENS BUSCA ENERGÍA DE
LAS MAREAS
En alianza con la británica Marine
Current Turbines, se une a las varias
Dyna Marzo - Abril 2012 • Vol. 87 nº2
grandes organizaciones que buscan
en la energía marina de corrientes un
nuevo nicho de producción.
Desde su primer ensayo en 1994,
este tipo de turbinas, denominadas
SeaGen, ha llegado, utilizando dos
rotores de 16 m de diámetro a una
potencia generadora de 1,2 MW con
una velocidad de corriente de 2,4 m/
seg. Este diámetro de rotor puede
variar entre 14 y 20 m de diámetro
dependiendo de las condiciones del
entorno marino. La posición de las
palas se ajusta a la corriente para
trabajar, si es preciso, en las dos
direcciones
Comparativamente con los
aerogeneradores, puede decirse
que la producción global de una
de estas turbinas equivale a la de
un aerogenerador de 2,4 MW de
potencia nominal, pues no está
sujeto a la impredecibilidad de éstos.
La extracción de los rotores para
comprobación y mantenimiento se
hace por elevación deslizante en la
columna soporte y puede trabajar
tanto con corrientes de mareas como
oceánicas.
`¿FUTUROS COCHES
AUTORECARGABLES?
El problema de los coches híbridos
es que cuando funcionan en el modo
combustible deben arrastrar un peso
suplementario de baterías y el de
los coches con pila de combustible,
que no se ha llegado a un adecuado
almacenamiento para el hidrógeno
utilizado en ellas.
Noticias Breves
autopista consumen más del 50% de la
energía de la motorización.
Tras los necesarios proyectos y
simulaciones, así como ensayos en
el mayor túnel de viento del mundo
en el Complejo Nacional de Ensayos
Aerodinámicos a Escala Natural
(NFAC), un dispositivo colocado en
los bajos de un tráiler ha mostrado
un incremento en la eficiencia de
alrededor del 12%.
Sin embargo hay pilas de combustible,
capaces de funcionar con gas natural
o gasolina, aunque hasta ahora no
aptas para automoción por su tamaño
y por operar a elevadas temperaturas,
típicamente alrededor de los 900º.
Investigadores de la Universidad
de Maryland tratan de conseguir
ambas metas: reducir la temperatura
de marcha por debajo de los 350º
(ya han llegado a los 650º) y reducir
el tamaño de las celdas con nuevos
tipos de electrolito, que llegarían
a dimensiones de 10x10 cm. Un
paquete de estas celdas, alimentado
por combustible convencional podría
ir recargando de manera continua las
baterías de un vehículo eléctrico para
prolongar la distancia de su radio de
acción.
`SEMIRREMOLQUES MÁS
EFICIENTES
El centro americano LLNL ha liderado
un equipo público y privado para
reducir la resistencia aerodinámica de
los semirremolques. Esta resistencia
procede de las diferencias de presión
que se generan alrededor del vehículo
en marcha y que a velocidades de
“stress test” e introduzcan las mejoras
exigidas en las nuevas regulaciones de
operación.
Actualmente, de los 54 reactores
existentes, solamente 5 están en
marcha, a esperas del resultado de
dichas pruebas. Ello ha obligado a
generar la energía necesaria utilizando
combustibles convencionales.
Paralelamente se iniciarán planes
intensivos para la progresiva
sustitución de la generación nuclear
por energías renovables.
`BIOFUEL DE LAS VIRUTAS DE
MADERA
La empresa americana RENMATIX
aplica agua a presión y elevada
temperatura para transformar residuos
de madera en azúcares que puedan
fermentar y obtener bioetanol u otros
productos químicos, con el objetivo
de resultar competitivos con los
derivados de la caña de azúcar.
El tratamiento de la celulosa es
uno de los problemas a superar
para conseguir evitar el consumo
de cereales en la producción
de bioetanol. Hasta ahora se ha
practicado con ácidos, enzimas y otros
procedimientos, generalmente caros o
tóxicos.
La empresa alemana BASF ha
aportado una importante inversión
a RENMATIX para la erección de
una planta capaz de tratar 100.000 T
anuales de biomasa.
`60 AÑOS PARA LAS
NUCLEARES
`RECARGA SIN ENCHUFAR
Un prototipo de coche eléctrico (EV)
basado en el Golf de VW ha sido
utilizado por IHI (Japón) para probar
sus avances en equipos de recarga
sin conexión por cable, de forma que
pueda ser adaptada a cualquier tipo de
vehículo.
Este ensayo ha sido realizado a
partir de un emisor de alimentación
situado en el suelo y un receptor
en el vehículo, desarrollados por la
americana WiTricitry y basado en la
resonancia magnética, consiguiendo
una transmisión de 3,3 kW a una
distancia entre emisor y receptor de 20
cm con una eficiencia del 90%.
Hasta ahora, los sistemas basados en
inducción magnética o microondas no
habían conseguido esas metas.
Japón prolonga de los 40 de diseño
hasta los 60 años la vida de las
centrales nucleares que superen los
Dyna Marzo - Abril 2012 • Vol. 87 nº2
129
Sociedad e Ingen
Consejo de Colegios y Federación de Asociaciones de Ingeniería Industrial de España
` “GRADUADO EN INGENIERÍA DE LA
EDIFICACIÓN”, UN TÍTULO EN EXTINCIÓN
Son ya muchos los meses en que se lleva hablando de
esta polémica, y muchas las sentencias que afirman que el
título de Graduado en Ingeniería de la Edificación “…induce
a confusión [...], es tan genérico que induciría a pensar
que estos arquitectos técnicos tienen en detrimento de otros
profesionales una competencia exclusiva en materia de
edificación…”.
Estas afirmaciones, que se basaban en la Sentencia
del Tribunal Supremo de 9 de marzo de 2010, han sido
ratificadas por el Tribunal Constitucional en Sentencia del
21/11/2011 y han dado lugar a que en los dos primeros meses
de 2012 se hayan conocido nuevas resoluciones, tanto del
propio Tribunal Supremo, como de Tribunales Superiores de
Justicia de varias Comunidades Autónomas, todas ellas en
la dirección por la que lleva luchando el Consejo General de
Colegios Oficiales de Ingenieros Industriales desde el año
2008.
Así, hasta el momento de la publicación de este artículo,
las Universidades que tienen cautelarmente suspendida
su denominación son:
-
Universidad de Sevilla
Universidad de La Laguna
Universidad del País Vasco
Universidad de Burgos
Universidad de A Coruña
Universidad de San Pablo CEU
Universidad de Illes Balears
Universidad de Granada
Universidad de Alfonso X El Sabio
Universidad de Extremadura
Universidad de Salamanca
Universidad Miguel de Cervantes de Valladolid
Pero la confusa nueva denominación de lo que hasta
ahora era “Arquitectura Técnica” se ha extendido también
a los Colegios profesionales, que modificaron sus Estatutos
para convertirse en “Colegios Oficiales de Aparejadores,
Arquitectos Técnicos e Ingenieros de la Edificación”, y
que ahora han de dar marcha atrás y eliminar esta última
denominación.
Por el momento, el Tribunal Supremo ha anulado
esta denominación del Colegio de Madrid, en Sentencia
de 17 de noviembre de 2011, aseverando que infringe el
artículo 4.5 de la Ley 2/1974 de 13 de febrero sobre Colegios
Profesionales, que establece que “no podrá otorgarse a un
130
Colegio denominación coincidente o similar a la de otros
anteriormente existentes o que no responda a la titulación
poseída por sus componentes o sea susceptible de inducir a
error en cuanto a quiénes sean los profesionales integrados
en el Colegio”. El Tribunal Supremo continúa afirmando
que “[…] no existiendo la profesión regulada de «Ingeniero
de Edificación» ni la titulación de «Graduado o Graduada
en Ingeniería de la Edificación», es claro que se infringen
dichos principios y disposiciones legales. Además, la
denominación controvertida induce a confusión en cuanto
permite considerar que los Ingenieros de la Edificación
ostentan competencia exclusiva en tal materia edificatoria.
Por el contrario, dicha competencia es compartida con otros
profesionales, en el seno de sus respectivas atribuciones”
Estos mismos fundamentos de derecho han sido el
argumento utilizado por el Tribunal Superior de Justicia
de Aragón para fallar mediante la Sentencia de 23/12/2011
la eliminación de la denominación “Ingenieros de la
Edificación” de los Colegios de Huesca, Teruel, Zaragoza,
y del Consejo General de Colegios Oficiales de Aragón.
En un intento de poner fin a la polémica que acontece en
sus universidades y a las revueltas y desconfianza generada
en sus alumnos, las Universidades de Burgos, Alfonso X El
Sabio de Madrid y la Politécnica de Catalunya, han propuesto
modificar la actual denominación por la de “Graduado en
Tecnologías de la Edificación” y “Graduado en Edificación”,
respectivamente.
El Consejo General ya ha manifestado públicamente el
desacuerdo con estas expresiones, por cuanto de conformidad
con los fundamentos jurídicos de las sentencias, se continúa
generando confusión social con el término edificación, al dar
a entender que son los únicos profesionales competentes en
este ámbito de actuación.
Dyna Marzo - Abril 2012 • Vol. 87 nº2
enieria Industrial
Consejo de Colegios y Federación de Asociaciones de Ingeniería Industrial de España
Desde nuestras instituciones profesionales, esperamos
que el Ministerio de Educación junto con las Universidades
cumplan las resoluciones judiciales y acuerden una
denominación alternativa que goce de la aprobación de todas
las partes.
Se trata de un tema muy complejo, por lo que en caso
de querer profundizar sobre esta cuestión, puede consultar
las respuestas que el Presidente de FAIIE contestó en el
Encuentro Digital organizado por El Economista.
` AUMENTA LA DEMANDA DE INGENIEROS
EXPERTOS EN GESTIÓN Y EFICIENCIA
ENERGÉTICA
Los cambios producidos en los últimos años en el
sector de la energía implican un área de trabajo en el
que las necesidades de profesionales capacitados, supera
constantemente a la oferta.
La gestión y auditorías energéticas, los estudios de movilidad, la mejora de eficiencia en instalaciones, etc., son, por una
parte, actividades exigidas por una legislación cada vez más
compleja, y, por otra, una demanda acuciante del mercado, que
obliga a nuestras empresas a ser cada día más competitivas.
La aparición de nuevas tecnologías, nuevas herramientas
informáticas, legislación y reglamentación, son en muchas
ocasiones obstáculos para poder desarrollar adecuadamente
actividades profesionales en este sector.
Con el fin de facilitar a todos los profesionales los conocimientos necesarios para abordar con garantías suficientes cualquier actividad en este sector, el Consejo General de Colegios
Oficiales de Ingenieros Industriales ha organizado un Curso
Superior de Ingeniería de Gestión y Eficiencia Energética.
http://www.eleconomista.es/encuentro-digital/1003/Luis-Manuel-Tomas-Balibrea-Presidente-de-la-Federacion-de-Asociaciones-de-Ingenieros-Industriales-de-Espana-2012-01-17
Dyna Marzo - Abril 2012 • Vol. 87 nº2
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¿Cómo han evolucionado los
temas de nuestros artículos
de investigación?
El punto de vista de los autores sobre la evolución de las conclusiones expresadas en
su artículo.
MODELO QUE IDENTIFICA LA MADUREZ DE LOS PROCESOS.
CASO: PEQUEÑA EMPRESA MANUFACTURERA
Oscar Montaño-Arango (Univ. Aut. del Estado de Hidalgo - Instituto de Ciencias Básicas)
José Ramón Corona-Armenta (Univ. Aut. del Estado de Hidalgo - Instituto de Ciencias Básicas)
Aurora Pérez-Rojas (Univ. Aut. del Estado de Hidalgo - Instituto de Ciencias Básicas)
Joselito Medina-Marin (Univ. Aut. del Estado de Hidalgo - Instituto de Ciencias Básicas)
Publicado en DYNA (junio 2010)
RESUMEN DEL ARTÍCULO ORIGINAL
La alta competitividad existente en los mercados y las pautas que marca la globalización amplifican la incertidumbre del futuro
inmediato de las pequeñas empresas en México: eso se magnifica porque las capacidades de respuesta a las expectativas del
sector, que es dinámico y cambiante, son ambiguas, originadas por el desconocimiento del nivel de madurez de sus procesos y la
capacidad de responder a los diferentes subsistemas que configuran a la empresa. Se propone un modelo que analiza e identifica
el nivel de madurez de 5 pequeñas empresas del sector manufacturero que han superado el umbral de desaparición, el cual se
encuentra entre los 4-5 años y representa el 70% de éstas.
COMENTARIO ACTUAL
Oscar Montaño-Arango (Dr. en Ingeniería/Sistemas de Planeación – UAEHidalgo)
La propuesta del Modelo que identifica la Madurez de los Procesos surgió como resultado del análisis del desarrollo y
posicionamiento empresarial de las pequeñas empresas en sus distintos sectores donde participan. Se observó que desarrollar
la estrategia no era complicado, donde se complicaba era en la implementación por no tener el conocimiento suficiente y
equilibrado en sus procesos. Se caracterizó a la empresa de acuerdo a sus procesos más representativos, partiendo del hecho
que los procesos son causa-efecto y que la madurez de cada uno afecta el desempeño individual y por consecuencia la sinergia
del grupo que representa a la organización.
El resultado más relevante es que se caracteriza a las empresas de acuerdo al nivel de madurez alcanzado por las mejores
prácticas utilizadas en los procesos, lo que establece el potencial para poder aplicar prácticas o mejoras y el nivel que pueden
alcanzar, también permite detectar donde se debe poner atención por ser un punto vulnerable y en que procesos se ha alcanzado
el éxito, con lo cual se puntualiza la salud de la empresa. Otro aspecto importante, es que se puede hacer un benchmarking con
otras empresas del sector para conocer su posición en el mercado con respecto a la madurez de sus procesos.
Actualmente este proyecto tiene el apoyo de PROMEP que es un fondo de la Secretaría de Educación Pública de México y de la
Universidad Autónoma del Estado de Hidalgo, donde un grupo de investigadores del área ha seguido trabajando con el proyecto
y actualmente se ha migrado hacia el estudio de la madurez de los procesos de la cadena de suministros.
El propósito es caracterizar la práctica actual, identificando debilidades y fortalezas, y la habilidad del proceso para controlar o
evitar las causas de baja calidad, que pueden propiciar desviaciones en planes, costos y tiempos de respuesta.
132
Dyna Marzo - Abril 2012
Evolución
Cuando se utiliza el enfoque de madurez en los procesos para mejorar el desempeño de la cadena de suministro,
se deben hacer las siguientes preguntas:
•
¿Se cuenta con los recursos necesarios para poder desarrollarla?
•
¿Las empresas participantes están preparadas para desarrollar una cadena de suministro?
•
¿Los especialistas han evaluado los procesos de acuerdo a los requerimientos de respuesta?
•
¿Se toma en cuenta que los procesos no son homogéneos en sus capacidades?
•
¿La capacidad de respuesta de los procesos es diferente?
•
¿El tiempo es limitante?
•
¿La integración de procesos está tomando en cuenta el balanceo de los procesos?
•
¿Qué estrategias se desarrollaran para balancear los procesos?
Actualmente la aplicación de modelos de madurez para medir capacidades y desarrollo de los procesos en la
cadena de suministro es incipiente y existen pocos trabajos que realmente se enfoquen a este precepto, sobre
todo porque muchos de los artículos desarrollados se centran en la optimización de la cadena, sin acotar y
valorar primero las capacidades de los procesos que tienen influencia, por lo que se considera importante
estudiarlos y sobre todo entender su aportación.
Los Modelos de Madurez se concibieron inicialmente en capacidad del desarrollo del software y calidad, en la
actualidad el área de aplicación es muy diversa. De acuerdo a lo expuesto por diferentes autores en el tema, se
puede encontrar la siguiente aplicación de los Modelos de Madurez:
•
Modelos de Madurez para el desarrollo de Software
•
Modelos de Madurez para el desarrollo de las Capacidades
•
Modelos de Madurez para la Gestión de Proyectos
•
Modelos de Madurez de Habilidad de Cambio
•
Modelos de Madurez de Gestión del Conocimiento
•
Modelos de Madurez para el desarrollo de los Procesos
•
Modelos de Madurez para la Cadena de Suministros
Las empresas con mejor desempeño competitivo tienden a ser las que utilizan modelos para conocer, controlar
e integrar sus procesos internos clave con sus proveedores externos y sus clientes, tomando en cuenta que su
entorno competitivo las obliga a madurar continuamente.
Modelo conceptual causal para una cadena de suministros
Dyna Marzo - Abril 2012
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Aula DYNA
BATERÍAS Y ACUMULADORES
DEL SIGLO XXI. (1ª PARTE)
José Mª Canales-Segade
(Ing. Automática y Electrónica Industrial – Univ. de Mondragón)
Jon Andoni Barrena-Bruña
(Dr. Ing. Automática y Electrónica Industrial – Univ. de Mondragón)
Unai Iraola
(Ing. Automática y Electrónica Industrial – Univ. de Mondragón)
David Garrido-Díez
(Ing. Electrónico – Univ. de Mondragón)
1. INTRODUCCIÓN
De las baterías de plomo y las pilas secas tradicionales
a las que mueven los vehículos o alimentan los aparatos
electrónicos hay un gran trecho. Además se percibe la
necesidad de almacenar grandes cantidades de energía
para equilibrar la producción no continuada de algunas
renovables. ¿Cuáles son sus principios tecnológicos y cómo
se prevé su evolución futura?
Hace más de 150 años, en 1859, se inventó el primer
acumulador recargable, se trataba de la batería de PlomoAcido (PbAcido), 40 años más tarde se construyó la primera
batería de Níquel-Cadmio (NiCd). Un siglo después, en
1980 se desarrollaron las primeras baterías de PbAcido
sin mantenimiento, tecnología que se produce en masa
actualmente para el mundo de la automoción y sistemas
de alimentación ininterrumpidas. También en 1980 se
desarrolló comercialmente las baterías de Níquel-Hidruros
Metálicos (NiMH) y en 1991 se lanzaron al mercado las
primeras baterías de Iones de Litio (LiOn) recargables. Hoy
en día conviven las cuatro tecnologías, siendo la tecnología
LiOn la más destacable por sus prestaciones.
almacenar los iones de litio de forma segura y no cambia su
estructura cristalina.
El cátodo se compone de una combinación de sales de
litio con un metal específico, siendo los más comunes LiCoO2, LiMn2O4 y LiFePO4, aunque con apreciablemente
distintas energías específicas.
La reactividad del litio con el oxígeno obliga a utilizar
electrolitos no acuosos. Típicamente se emplean sales de litio
sólidas disueltas en un solvente orgánico como el éter. Este
electrolito, durante la primera carga de la celda, reacciona
rápidamente con el ánodo, formando una capa denominada
SEI (Solid Electrolyte Interface). Esta capa evita la
descomposición del electrolito a partir de la segunda carga
de la celda. La capa SEI actúa como un aislante eléctrico,
pero proporciona una conductividad iónica suficiente, esto
repercute en un aumento de la impedancia interna limitando
la corriente máxima de descarga. Además por encima de los
120ºC de temperatura, la capa SEI se rompe, produciéndose
la reacción entre el electrolito y el ánodo liberando calor, lo
que provoca un embalamiento térmico no controlado.
Como conclusión, los materiales empleados en el ánodo,
Fig. 1: Detalle capas de una celda LiOn
2. LAS BATERÍAS DE IONES DE LITIO (LIOn)
CARACTERÍSTICAS
Si nos fijamos en la tabla periódica el litio es el
elemento metálico menos pesado y el de mayor potencial
electroquímico, esto se traduce en ser el material metálico
que más densidad energética presenta.
Las primeras baterías de litio recargables utilizaban
el metal de litio puro, elemento químico que reacciona
muy violentamente en presencia con el oxígeno. Esto
provocaba serios problemas de seguridad, ya que la batería
se desestabilizaba térmicamente pudiendo acabar en un
incendio o incluso explosión. Los siguientes desarrollos se
encaminaron a utilizar compuestos químicos que incluyeran
el litio.
El ánodo está formado generalmente por carbono
mezclado con grafito. Las propiedades del grafito son:
su coste razonable, conduce eléctricamente, es capaz de
134
cátodo y electrolito influyen enormemente en la tensión,
capacidad, ciclos de vida y seguridad de las celdas de LiOn.
También conviene indicar que las celdas de LiOn
pueden presentar tres tipos de formatos. Las cilíndricas que
típicamente se utilizan en con capacidades inferiores a los
15Ah y cuya carcasa está materializada en acero, suelen
incorporar algún tipo de protección basado en PTC y una
válvula de venteo. Las prismáticas, con envolventes rígidas,
se emplean en celdas con capacidades superiores a los 10
Ah y también incorporan protección basada en PTC y una
válvula de venteo. Las “pouch” o tipo sobre, son celdas
cuya envolvente no es rígida y está sellada para asegurar el
vacío en su interior, no incorpora ningún tipo de protección
ni válvula de venteo. El formato “pouch” permite adaptar
las dimensiones físicas de la celda a las dimensiones de la
aplicación final y se presenta en capacidades a partir de los
5 Ah hasta los 50 Ah.
Dyna Marzo - Abril 2012 • Vol. 87 nº2
Las ventajas que presenta la celda de LiOn son:
- Densidad de energía y potencia así como tensión
nominal por celda, altas.
- Muy baja autodescarga.
- Muy bajo mantenimiento.
- Admite cargas rápidas.
- Número de ciclos carga/descarga >1000.
Entre los inconvenientes se citan los siguientes:
- Necesita protecciones que fijen el funcionamiento
dentro de zona segura.
- Restricciones en el transporte, sujeto a normativas.
- Coste de fabricación altos.
- Degradación rápida ante aumentos de temperatura.
- No es posible recargar la celda a temperaturas
inferiores a 0º o con tensiones inferiores a 2 V por
celda.
Fig. 2: Formatos celdas LiOn. Cilíndrica, prismática y “pouch”
El principal inconveniente de la celda de LiOn es
asegurar que su funcionamiento se encuentre dentro del
rango seguro, delimitado por la tensión (máxima y mínima),
temperatura (máxima y mínima) y corriente (carga máxima
y descarga máxima). Si la celda supera cualquiera de ellas
Fig. 3: Diagrama de energía específica vs potencia específica de almacenamiento electroquímico.
entraría en un modo fallo que la inutilizaría o incluso podría
provocar un incendio o explosión. Para no superar la zona
de operación segura es obligatorio tomar, a nivel de celda,
medidas que eviten su destrucción.
Las baterías LiOn de los sistemas portátiles como los
móviles, incorporan en el propio módulo de la batería una
electrónica que mide la tensión, corriente y temperatura
y actúa abriendo el circuito si se superan los límites. Esta
electrónica, típicamente, se compone de una resistencia NTC
para la medición de la temperatura, un fusible reversible
tipo resistencia PTC que actúa en caso de sobretemperatura
y/o sobrecorriente y un circuito integrado que controla dos
interruptores electrónicos para permitir la carga o descarga
de la batería si no se superan los límites.
COMPARACIÓN DE LAS TECNOLOGÍAS DE
BATERÍAS ELECTROQUÍMICAS
Principalmente se toman los parámetros de densidad de
energía y densidad de potencia para clasificar las tecnologías
de almacenamiento de energía. En la Figura 3 se muestra un
diagrama con la situación de cada una de las tecnologías
electroquímicas citadas.
Se observa que la tecnología de PbAcido es la que
menor potencia y energía específica presenta, mientras que
claramente el LiOn es la celda de mayores prestaciones.
Destacar que dentro de las tecnologías de LiOn y NiMH
se distinguen celdas para aplicaciones de alta energía con
potencia limitada o celdas para aplicaciones de alta potencia
con energía limitada.
Como un ejemplo de comparación ilustrativo se puede
plantear una aplicación de ciclo de carga y descarga diario
de un sistema de almacenamiento de 5 Kwh de energía, para una
potencia máxima mantenida de
2,2 Kw y una vida útil de 10 años,
siendo la temperatura ambiente entre 10 y 40ºC. En este tipo de aplicación la especificación más crítica
es el número de ciclos, aproximadamente 3500. Esto supone diseñar
un sistema de almacenamiento que
al final de su vida útil proporcione
los 5 Kwh a 2,2 Kw. Ello obliga a
un sobredimensionamiento de la
energía almacenada según la tecnología empleada. En cualquiera de
las tecnologías de almacenamiento
electroquímico, cuanto menos profundidad de descarga se produzca,
mayor será el número de ciclos que
puede soportar. De partida, se descartan las baterías de NiCd por su
nivel de toxicidad y la tendencia
general a ser sustituidas por las baterías de NiMH.
Dyna Marzo - Abril 2012 • Vol. 87 nº2
135
Aula DYNA
Otro parámetro importante es la temperatura ambiente,
sobre todo por debajo de los 10ºC y por encima de los
40ºC. Las temperaturas por encima de los 40ºC aceleran el
envejecimiento de cualquiera de las tecnologías de batería
y las temperaturas bajas limitan la potencia máxima que
se puede extraer. En este ejemplo la temperatura no es un
parámetro crítico.
Finalmente se ha de tener en cuenta la tasa de descarga,
en este caso se puede evaluar la tasa de descarga máxima
como la relación entre la energía, 5 Kwh, y la potencia,
2.2 Kw, lo que supone 2 horas de descarga. En términos
de capacidad nominal C en Ah supone, C/2h=0.5C. Todas
las tecnologías a excepción del PbAcido admiten como
corriente óptima de descarga los 0,5C y, por eso, la tasa de
descarga es un condicionante para el dimensionamiento de
la tecnología PbAcido.
El resultado del análisis de los parámetros de ciclos
de vida, temperatura y tasa de descarga máxima para el
dimensionado de la aplicación, se muestra en la Tabla 1.
Para la aplicación estudiada donde los ciclos de vida son
el parámetro crítico, la conclusión es clara, desde el punto
de vista de coste la solución con baterías de PbAcido es la
más económica. Es 4 veces más barata que la solución en
LiOn. Sin embargo, su peso y volumen es 6 veces mayor. En
un término medio queda la solución de NiMH, muy cercano
a las prestaciones del LiOn.
CONSTITUCIÓN DE UN MÓDULO DE BATERÍA
DE LIOn
Un módulo de batería está constituido por la asociación
de celdas, bien conectadas en serie, en paralelo o una
combinación de ambas. Esta asociación da como resultado
una tensión y capacidad total del módulo de batería. La
tensión de la batería, típicamente se determina a partir de
la potencia, con el objetivo de que la corriente máxima de
la celda se sitúe por debajo de su nivel óptimo de descarga,
de este modo se consigue alargar al máximo la vida del
conjunto de baterías.
Con la tecnología LiOn y al utilizarse en aplicaciones
por encima de los 100 voltios se suelen constituir packs de
baterías mediante la serialización de módulos básicos que
a su vez contienen un número limitado de celdas. Estos
módulos básicos pueden contener entre 4 y 16 celdas,
depende del fabricante y del tipo de formato de la celda
empleado.
Como se ha mencionado en la tecnología LiOn es
necesario incluir circuitería electrónica que se encargue
de monitorizar la tensión, corriente y temperatura de cada
celda, esta electrónica se observa en la Figura 4. Al asociar
los módulos para componer un pack completo de baterías,
todas las medidas de las celdas se han de centralizar en
un gestor denominado Battery Management System o
BMS. La principal función del BMS es la protección del
pack de baterías, gestionando las medidas de cada celda y
determinando si alguna se sale del rango de tensión, corriente
y/o temperatura establecidos. En caso de superar los límites
el BMS o bien abre el circuito principal o bien comunica
a la aplicación donde se emplean el pack de baterías que
debe limitar su actuación para preservar la integridad de las
celdas.
Fig. 4: Módulo de 8 celdas cilíndricas con electrónica asociada. Módulo con 4 celdas tipo
pouch de NEC.
Durante los procesos de carga, las celdas van
incrementando su valor de tensión hasta llegar a un máximo.
No todas las celdas siguen el mismo ritmo de aumento de
la tensión, por lo que unas celdas llegan al nivel máximo
antes que otras, principalmente debido a que las celdas no
son exactamente iguales y presentan pequeñas desviaciones
de capacidad e impedancia interna. Para evitar superar la
tensión máxima por celda durante la
carga, el BMS activa circuitos para el
PbAcido
NiMH
LiOn
equilibrado de la tensión. Los circuitos
27,8 kWh
10,3 kWh
7,5 kWh
Energía
de equilibrado se encargan de desviar
parte de la corriente de carga en aquellas
679 kg / 348 L
163 kg / 78 L
100 kg / 60 L
Peso/Volumen
celdas que se encuentran a tensión
3100 €
8000 €
11000 €
Coste
máxima, permitiendo que el resto de
Tabla 1: Sistemas de almacenamiento para aplicación de ciclo diario 5 Kwh potencia máxima 2.2 Kw durante 10 años.
celdas puedan seguir cargándose hasta
completar su capacidad. Los circuitos de
136
Dyna Marzo - Abril 2012 • Vol. 87 nº2
equilibrado puede ser disipativos, donde la energía sobrante
de la celda se consume en resistencias o puede ser activo,
donde la energía sobrante se trasvasa a las celdas menos
cargadas.
Por otro lado, el BMS incorpora funcionalidades como
la estimación del estado de carga de la batería (SOC) que
indica el nivel de capacidad disponible en cada momento
y la estimación del estado de salud (SOH), indicador de
la vida del módulo de batería. Los algoritmos de SOC y
SOH son estimaciones realizadas a partir de las mediciones
de tensión, corriente, temperatura de las celdas y de los
históricos de los ciclos de carga y descarga a los cuales
se han sometido. Estos algoritmos pueden presentar gran
complejidad y una alta carga computacional en el cálculo
de la estimación cuando se requieren precisiones por debajo
del 5 % tanto en el SOC como en el SOH. El BMS también
dispone de canales de comunicación, para transmitir y
recibir información tanto de los módulos que componen el
pack de baterías como de la aplicación externa.
Fig. 5: Pack de baterías de 120V/4,7 kWh de Kokam refrigerado por agua.
Otro aspecto muy importante a tener en cuenta en los
packs de baterías es la gestión térmica o TMS (Thermal
Management System). Para aprovechar al máximo
la energía y la potencia específicas del conjunto de
baterías así como alargar al máximo la vida, es primordia
controlar la temperatura de las celdas. El rango óptimo
de funcionamiento en las celdas de LiOn se sitúa entre
los 20 y 35ºC de temperatura ambiente. Además, es muy
recomendable que la diferencia máxima de temperaturas
entre celdas no sea superior a 5ºC, de este modo se garantiza
que el envejecimiento de todas las celdas sea equilibrado.
Por este motivo, en muchas ocasiones el TMS tiene que
disponer de capacidad tanto de enfriar como de calentar.
Los procesos de calentamiento del pack de baterías se
ocasionan principalmente por las pérdidas de Joule debido a
la conducción de corriente en el interior de cada celda y en
muy menor medida a la reacción química de la misma tanto
en los procesos de carga como en descarga. Este calor ha
de ser evacuado al ambiente y en función de la temperatura
exterior será necesario enfriar o calentar el conjunto de
baterías.
Los métodos de refrigeración típicos en los packs de
baterías son la convección natural, aire forzado y agua.
Como método de calentamiento se emplean resistencias que
junto a un ventilador calientan el interior del pack de batería
de forma homogénea. Actualmente se está investigando
en la utilización de células de efecto Peltier, dispositivo
electrónico capaz de bombear calor en ambos sentidos, lo
que significa capacidad de enfriar y calentar.
PARA SABER MÁS:
[1] Linden D, Reddy T B. Handbook of batteries. 3ª edición.
McGraw-Hill, 2002. p.838 ISBN: 0-07-135978-8
[2] Williams B W. Principles and elements of Power Electronics.
2ª edición. Glasgow: Barry W Williams, 2006. p.277 ISBN:
0-978-0-9553384-0-3
[3] Crompton T R. Battery Reference Book. 3ª edición. Oxford:
Newnes, 2000. p.774 ISBN: 0-7506-4625-X
[4] Schwartz R. “Battery charging strategies“ ECPE Valencia,
2011 p.30
[5] Oudalov A, Cherkaoui R. “Sizing and Optimal Operation of
Battery Energy Storage System for Peak Shaving Application“ Power Tech IEEE Lausanne, 2007. p.621-625 ISBN:
978-1-4244-2189-3
[6] “Distributed Energy Storage Modules“ Descriptive bulletin
ABB Group, 2010. p.12
[7] “A123 Systems Grid Solutions” A123 Inc, 2010.
[8] Johnson R. “Smart Grid: Carbon and Economic implications
for Colorado“ PUC Smart Grid Policy Specialist, 2010.
[9] Khiene H A. Battery Technology Handbook. 2ª edición.
Germany: Marcel Dekker Inc, 2003. p.509 ISBN: 0-82474249-4
[10] Dhameja S. Electric Vehicle Battery Systems. 1ª edición.
Oxford: Newnes, 2002. p.240 ISBN: 0-7506-9916-7
[11] Jang-Soo L, Sun Tai K, Ruiguo C et al. “Metal–Air Batteries
with High Energy Density: Li–Air versus Zn–Air” Advanced
Energy Materials. 2011. Vol. 1 p.34-50
[12] Kumar B, Kumar J, Abraham K M et al. “A Solid-State,
Rechargeable, Long Cycle Life Lithium–Air Battery” Journal
of The Electrochemical Society. 2010. p.50-54
[13] Tahil W. “The Zinc Air Battery and the Zinc Economy: An
Virtuous Circle” White Paper from Meridiam International
Research. 2007. p.9
Dyna Marzo - Abril 2012 • Vol. 87 nº2
137
Noticia
Metales avanzados en la Industria de la Automoción
Fuente: OPTI
A
pesar de la
situación
actual
de
crisis que estamos viviendo, se espera que
la industria del automóvil tenga un
gran futuro en los próximos años y, en
este contexto, los metales avanzados
tendrán una participación destacada.
Según un estudio llevado a cabo
por Frost and Sullivan, en términos de
materiales estructurales y materiales
para componentes que los automóviles
presentarán en un futuro, se pueden visualizar algunas tendencias que determinan la dirección que va a tomar la
industria, tanto directa como indirectamente.
La primera tendencia se centra en
el hecho que los fabricantes se encaminan hacia los materiales ligeros con
el objetivo de conseguir un menor consumo energético por parte de los vehículos.
Otra tendencia que se puede observar es la demanda de seguridad para el
vehículo, tanto para los usuarios finales como de cara a que los gobiernos
globales y los cuerpos legislativos puedan asegurar que se utilizan materiales
más seguros en la construcción de automóviles en un futuro.
Y la tercera y última tendencia relacionada con los materiales estructurales
y para componentes de vehículos en un
futuro es la creciente preocupación hacia la conservación del medioambiente, que conlleva como resultado unos
vehículos más eficientes energéticamente que produzcan menos emisiones
y, por ende, que causen menos daño al
medioambiente.
Por todo ello, se espera que en los
próximos años los metales avanzados
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tengan un papel muy relevante en la
industria de la automoción.
METALES NANOESTRUCTURADOS
SÚPER RESISTENTES CON
APLICACIÓN EN AUTOMOCIÓN
Un estudiante de la Universidad
Riso, en Dinamarca, ha descubierto un
fenómeno que podría acelerar la aplicación práctica de los nanometales en
automoción.
Los nanometales están formados
por granos metálicos muy pequeños
(de 10 a 10.000 nanómetros dependiendo de la aplicación). Cuanto más
pequeños son los granos, más resistente se vuelve el metal. Por ejemplo, un
metal se puede volver 10 veces más
resistente si los gránulos que lo forman
se reducen 4 veces.
Por lo tanto, una de las ventajas del
uso de estos materiales en los automóviles es el aumento de la resistencia de
las piezas metálicas, así como la aportación de ligereza y seguridad.
No obstante, existe un problema al
reducir el tamaño de los granos metálicos. Cuanto más pequeños son estos
granos, más resistente se vuelve el
metal, pero, a su vez, también provoca
que el metal tienda a volverse blando
cuando sube la temperatura.
El investigador Tianbo Yu ha resuelto el problema dejando de lado los
granos y prestando más atención a los
espacios entre ellos. El investigador
verificó que cuanto menores son los
gránulos, más fácil es para ellos moverse en una estructura cristalina, lo
que explica el reblandecimiento, incluso a temperaturas relativamente bajas.
La solución está en la creación de
una especie de interfaz doble entre los
granos, que evita que se muevan entre
ellos. Esta solución es tecnológicamente viable en términos industriales,
abriendo el camino para el uso de estos
metales en la industria automovilística.
La universidad ha solicitado la patente y está negociando con una empresa danesa para el desarrollo de las
primeras muestras de nanoaluminio
super-resistente. ■
Dyna Marzo - Abril 2012 • Vol. 87 nº2
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Colaboración
¿Producen cáncer los teléfonos móviles?
Autor: Ismael Pérez Fernández
L
a creencia de que los teléfonos
móviles, en concreto que
las ondas electromagnéticas
usadas por los servicios de telefonía
móvil causan cáncer, está ampliamente
extendida. Probablemente la creencia
se sustente en un miedo irracional a lo
que no se entiende, además de una nula
compresión de la física y, por supuesto,
la experiencia cotidiana de conocer
alguien que usa el teléfono móvil y
haya desarrollado un cáncer. Pero la
cuestión no es lo que creemos o dejamos
de creer, la cuestión es ¿realmente la
telefonía móvil genera cáncer? Desde
un punto de vista físico no parece
posible, por no decir imposible. Las
ondas utilizadas en telefonía móvil
son microondas, las cuales son ondas
electromagnéticas cuya frecuencia se
encuentra entre 1 GHz y 300 GHz,
pues bien, estas frecuencias están
muy por debajo de las frecuencias que
pueden ionizar moléculas, es decir,
arrancarles electrones a las mismas y
por lo tanto modificar así la forma de
140
la molécula o los enlaces que ésta esté
formando. Las frecuencias que pueden
ionizar moléculas están por encima
del ultravioleta, rondan los 750 Tera
Hertzios (THz).
Planteémonos la siguiente cuestión
¿por qué nadie afirma que la luz visible
genera cáncer? Los fotones de la luz
visible son mucho más energéticos que
los fotones de microondas, si creemos
que los fotones de microondas crean
cáncer, ¿por qué no creemos que
también generan cáncer los fotones
de la luz visible, máxime, cuando
estos son mucho más energéticos? La
energía de un fotón viene dada por su
frecuencia, a mayor frecuencia mayor
será su energía.
La frecuencia más alta de las microondas usadas para comunicaciones
de telefonía móvil es de unos 3 GHz y
la más baja de la luz visible es de unos
620 THz, por lo tanto, ¡los fotones de
la luz visible son más de 206.000 veces
más energéticos que los de microondas! Si no creemos que estos fotones
creen cáncer, ¿por qué creemos que si
lo hacen los de microondas? A esto podemos añadir un dato interesante, los
índices de exposición de la población a
las radio frecuencias de telefonía móvil
son realmente bajas, en concreto son
entre 1.000 y 10.000 veces menores
del límite que establece el International Commission on Non-Ionizing Radiation Protection (ICNIRP).
No obstante, a pesar de que el
conocimiento científico actual parece
señalar que la radiación de los móviles
no puede generar cáncer, siempre
debemos estar alerta y realizar estudios
para ver que es lo que dice la realidad.
A este respecto se han realizado varios
estudios, veamos algunos de ellos.
En Journal of the National Cancer
Institute, apareció publicado el
artículo “Time Trends in Brain Tumor
Incidence Rates in Denmark, Finland,
Norway, and Sweden, 1974–2003”, en
el mismo se ha estudiado la incidencia
de dos tipos de tumores cerebrales, los
Dyna Marzo - Abril 2012 • Vol. 87 nº2
gliomas y los meningiomas. El estudio
concluye que no se ha hallado ningún
aumento en la incidencia de estos
tumores en el período que va desde
1998 a 2003, periodo durante el cual
se debería haber encontrado alguna
influencia del uso de teléfonos móviles
en el caso de haber existido.
Otro estudio más ambicioso fue
el publicado en International Journal
of Epidemiology, donde se cruzan los
resultados de los 13 países participantes
en el estudio. El resultado es bien
claro: no se ha encontrado ningún
aumento del riesgo de padecer glioma
o meningioma, entre los usuarios de
teléfonos móviles.
Otro estudio más es el Mobile phone
base stations and early childhood
cancers: case-control study que fue
publicado en la revista British Medical
Journal. El objetivo del estudio ha
sido ver si existe riesgo de aparición
de cáncer en fases tempranas de la
infancia, que pudieran estar ligados
con la exposición de la madre durante
el embarazo a las radio frecuencias de
telefonía móvil. Los resultados son
claros, no aparece ninguna relación
entre tener cáncer y que la madre haya
estado expuesta a las radio frecuencias
de la telefonía.
A la vista del conocimiento actual
y la literatura científica de la que
disponemos, podemos concluir que la
creencia de que los móviles generan
cáncer es completamente errónea e
injustificada.
Noticia
Uni-versidad para la creatividad
l 30 de Noviembre pasado
-auspiciada por Sabino Arana
Fundazioa- se celebró en los
locales del museo GOAZ de Bilbao,
una mesa redonda bajo el epígrafe
“Tres pilares, una conexión: Arte,
Ciencia y Tecnología”.
podrían resumirse en conceptos como
estos:
- “Detrás de una gran teoría
hay siempre una intuición” (A.
Einstein).
- No bastó el telescopio de
Galileo para alumbrar un nuevo
paradigma del Universo: hubo
que atreverse a cuestionar el
Esta inusual reunión en la que
participaron:
- D. Enrique Amezua (Director
de la Escuela de Ingenieros
Industriales de Bilbao).
- D. Gustavo Ariel Schwartz
(científico titular del CSIC de San
Sebastián).
- D. Agustín Ramos (Ex decano de
la facultad de Bellas Artes de la
UPV).
En el citado encuentro convergieron
diferentes disciplinas universitarias
que conforman la creatividad y las
repercusiones sociales que conlleva.
Leonardo da Vinci, Galileo
Galilei o Albert Einstein -entre otrossus obras y realizaciones, desfilaron
en las palabras y proyecciones de
los ponentes para resaltar las ideas
compartidas por aquellos, las cuales
modelo heredado para interpretar
lo nunca visto hasta entonces.
- El Arte debe ofrecerse a la
Sociedad como una nueva visiónfaceta de la realidad. En ello
radica su justificación.
- La Teoría de los Fractales, además
de interpretar matemáticamente
los fenómenos morfológicos que
se encuentran en la Naturaleza,
sirve hoy para desarrollar la
fabricación de piezas exentas
de procesos de mecanizado
convencional (es decir, sin
arranque de viruta).
- La frase unamuniana “¡Que
inventen ellos!” solo tendría
algún sentido conociendo las
circunstancias específicas en las
que las pronunció el polémico
autor de “Contra esto y aquello”.
Autor: Alfonso Parra
E
142
Dyna Marzo - Abril 2012 • Vol. 87 nº2
Probablemente Unamuno mismo
aceptaría de buen grado un
¡Ideemos nosotros!, viviendo en
nuestro tiempo.
- Hay que saber esperar lo
imprevisto.
El encuentro acogió también dos
eventos complementarios:
- La
intervención
de
la
investigadora británica Dña.
Anna Dumotriu (Directora
del “Instituto de Ciencias
Innecesarias”) que ofreció datos
sobre las aportaciones biológicoutilitarias de sus trabajos.
- El taller “Serious Play” que,
basándose en piezas especiales de
una conocida marca de piecerío
para construir juguetes -hasta
ahora solo dirigido a niñosdemostró su utilidad para facilitar
constructos
periféricos
que
estimulan la intercomunicación
y la creatividad de los equipos
de diseñadores y ejecutivos
empresariales (juego que, según
la información presentada por
“Creativity Zentrum”, practican
divertida y exitosamente los
promotores de Google).
- Los participantes se constituyeron
en grupos de 6, pudiendo experimentar
las novedades que tal sistema de
colaboración descubre.
Este tipo de encuentros interdisciplinares favorecen aquello de lo
que hoy estamos tan necesitados: la
creatividad. ■
Noticia
Informe de Riesgos Globales 2012:
Las turbulencias sociales y económicas ponen en riesgo
los logros de la globalización
Fuente: Marsh
L
a vulnerabilidad mundial ante
nuevos desastres económicos y
los riesgos de revueltas sociales
ponen en peligro el progreso aportado
por la globalización, advierte el Foro
Económico Mundial en la séptima edición de su informe Riesgos Globales
2012.
Los desequilibrios fiscales crónicos y la grave disparidad de ingresos
serán los principales riesgos de los
próximos 10 años. Este tándem amenaza el crecimiento mundial, ya que
es un catalizador de nacionalismos,
populismos y medidas proteccionistas,
en un momento en el que el mundo
sigue siendo muy vulnerable a problemas financieros sistémicos y a posibles crisis relacionadas con el agua y
los alimentos. Los resultados de este
Informe, realizado por 469 expertos y
líderes del sector, reflejan un importante cambio en las principales preocupaciones mundiales con respecto al año
anterior: los riesgos medioambientales
pierden influencia frente a los riesgos
socioeconómicos.
“Por primera vez en generaciones,
mucha gente no cree que sus hijos disfrutarán de un nivel de vida superior
al que ellos tuvieron”, indica Lee
Howell, el Director General responsable del Informe. “Esta nueva sensación de malestar es especialmente agu-
da en los países industrializados, que
históricamente han sido fuente de gran
confianza e ideas audaces.”
El informe analiza los tres principales riesgos que generan mayor
preocupación:
1. Semillas de distopía
El creciente número de jóvenes
con pocas perspectivas y de jubilados
que dependen de estados sobrecargados por deudas públicas (que alimentan los desajustes fiscales), así como
el aumento de la brecha entre ricos y
pobres, están alimentando el resentimiento global. En conjunto, estas
tendencias corren el riesgo de acabar
con el progreso alcanzado por la globalización. “Cada vez más, se pide a
los individuos que hagan frente a riesgos, que antes asumían los gobiernos y
empresas, para poder disfrutar de una
jubilación segura y acceder a servicios de salud de calidad. Este informe
es una llamada de atención, tanto al
sector público como privado, para que
aporten nuevas vías, capaces de realinear las expectativas de una comunidad global cada vez más inquieta,”
indica John Drzik, Consejero Delegado del grupo Oliver Wyman (Marsh &
McLennan Companies).
2. Medidas de protección
inseguras
Las políticas, normas e instituciones del siglo XX no podrán seguir
protegiéndonos en un mundo cada vez
más complejo e interconectado. La
debilidad de las actuales medidas de
protección se suma a los riesgos relacionados con las tecnologías emergentes, la interdependencia financiera, el
agotamiento de recursos y el cambio
climático, que dejan a la sociedad cada
vez más vulnerable. “Hemos visto
Dyna Marzo - Abril 2012 • Vol. 87 nº2
ejemplos de regulación excesiva, como
la respuesta a las erupciones volcánicas en Islandia, o de regulación insuficiente, como con la crisis de las
hipotecas de alto riesgo (subprime)
o la crisis de la Eurozona. Debemos
lograr un equilibrio adecuado en las
políticas regulatorias y, para hacerlo,
nuestras medidas de protección deben
ser preventivas en lugar de reactivas.
Es igualmente importante que las regulaciones sean más flexibles para así
responder de forma efectiva ante el
cambio,” indica David Cole, Director
de Riesgos de Swiss Re.
3. El lado oscuro de la
conectividad
Nuestra vida cotidiana depende
casi en su totalidad de sistemas online, lo que nos hace más vulnerables
ante individuos, instituciones y naciones con fines maliciosos, cuya capacidad para desatar devastadores ciberataques de forma anónima y remota es
cada vez mayor. “La Primavera Árabe
demostró el poder que tienen las redes
sociales para avanzar en la libertad
personal; sin embargo, no olvidemos
que es la misma tecnología que actuó
al servicio de los disturbios en Londres (agosto 2011). Los gobiernos,
las sociedades y las empresas deben
comprender mejor el riesgo de interconectividad en las tecnologías actuales
si realmente queremos aprovechar las
ventajas que ofrecen,” indica Steve
Wilson, Director de Riesgos de General Insurance en Zurich.
Los desastres naturales también
nos recuerdan el poder devastador de la
Naturaleza y las limitaciones de la tecnología, como quedó patente en el gran
terremoto de Japón y la posterior crisis
nuclear de la planta de Fukushima. En
un capítulo especial sobre las lecciones
143
Noticia
que se deben aprender del desastre, el
Informe resalta que las organizaciones
tienen una mayor capacidad de recuperación ante grandes crisis si establecen
unas líneas de comunicación claras y si
conceden capacidad de decisión a sus
empleados.
El Informe describe 50 riesgos
globales agrupados en las siguientes
categorías: económicos, medioambientales, sociales, geopolíticos y tecnológicos. En cada categoría, se indica
el riesgo sistémico más importante. El
informe también destaca los “Factores
X” o preocupaciones emergentes que
merecen mayor investigación. Estos
incluyen un invierno volcánico, el neotribalismo cibernético y la epigenética.
“El Informe de Riesgos Globales
2012 indica que la gobernanza global
está estrechamente relacionada con el
resto de riesgos globales. El informe
aboga por un replanteamiento de las
responsabilidades públicas y privadas
para impulsar una mayor confianza.
Además, ofrece la base para un diálogo sobre el impacto negativo de un
pensamiento miope, y la importancia de diseñar estrategias factibles a
largo plazo, capaces de generar una
buena acogida,” indica Howard Kunreuther, profesor James G. Dinan
y profesor de Políticas Públicas y de
Ciencias de la Decisión en la Wharton
School de la Universidad de Pensilvania, EE. UU.
Los tres casos de riesgo y los “Factores X” se discutirán en una serie de
sesiones especiales durante la Reunión
Anual del Foro Económico Mundial
2012, que tendrá lugar en Davos-Klosters, Suiza, entre el 25 y el 29 de enero.
Publicado en colaboración con
Marsh & McLennan Companies, Swiss
Re, el Wharton Center for Risk Management y Zurich, el Informe de Riesgos Globales 2012 es una iniciativa de
la Red de Respuesta ante Riesgos del
Foro Económico Mundial (RRN por
sus siglas en ingles). La RRN ofrece a
los líderes del sector público y privado una plataforma independiente para
detectar, controlar, gestionar y mitigar
mejor los riesgos globales. ■
Para leer el informe completo Riesgos Globales 2012: http://www3.weforum.org/docs/WEF_GlobalRisks_Report_2012.pdf
El aporte por láser permite recuperar para el sector
aeronáutico piezas deterioradas de alto valor añadido
Fuente: Basque Research
C
IC marGUNE, Centro de Investigación Cooperativa de
Fabricación de Alto Rendimiento, lidera un proyecto de colaboración donde participan varias empresas,
centros tecnológicos y universidades
del País Vasco. El objetivo del proyecto es desarrollar y mejorar un sistema
que permita recuperar piezas de alto
valor deterioradas, y ahorrar así el elevado coste de sustitución.
Teniendo en cuenta la ventaja que
llevan algunos países como Japón o
Alemania en el desarrollo del sistema,
los agentes vinculados a CIC marGUNE han optado por la colaboración
para afrontar la carrera tecnológica con
la suficiente velocidad y garantizar los
objetivos del proyecto.
Se trata de una tecnología que gira
en torno a dos componentes básicos:
144
el láser, que se utiliza como fuente de
calor y el material que se aporta, polvo de cualquier material que puede ser
soldado. El sistema consiste en fundir
una pieza base, es decir, la pieza que se
quiere reparar, y se le va aportando material para que se funda con ella en el
punto exacto que se quiere recuperar.
“La idea es que ese polvo que estamos inyectando entre en el material
fundido y se vaya generando una capa
de aporte” explica Aitzol Lamikiz,
investigador del departamento de Ingeniería Mecánica de la UPV. “Superponiendo capas podemos ir aportando
un volumen en 3D”. La aportación del
polvo se hace con ayuda de un gas, a
través de un tubo que va desde el depósito de polvo hasta la boquilla de
aporte.
Una de las ventajas que presenta
el láser es que se trata de una fuente
de calor muy selectiva, que permite
realizar aportes en superficies muy pequeñas, de hasta 400 micras. Su baja
aportación de calor permite también
realizar fusiones que en soldadura son
imposibles, como recubrimientos cerámicos sobre piezas metálicas. Pero su
principal uso es en materiales termorresistentes.
Dyna Marzo - Abril 2012 • Vol. 87 nº2
Para que el sistema sea totalmente
eficaz es necesario hacer encajar con la
exactitud de un puzzle todos los parámetros que entran en juego, tanto los
del láser como los del material que se
aporta: alinear la boquilla que aporta el
polvo con el foco del láser, inyectar la
cantidad justa de polvo, ajustar la potencia del láser…
“Una de las líneas de actuación
dentro de CIC marGUNE es desarrollar un modelo informático que simule
el proceso”, explica el investigador del
departamento de Ingeniería Mecánica
la UPV Eneko Ukar. “Se trata de realizar simulaciones mediante ordenador
con la idea de poner a punto el proceso
e ir a la máquina con los parámetros
ajustados”. Eso ahorrará mucho tiempo y dinero en pruebas.
La modelización está prácticamente terminada y esto supondrá un importante paso en la reconstrucción, reparación y recuperación de piezas de alto
valor añadido. El sector aeronáutico es,
a corto plazo, el principal interesado en
esta tecnología, que puede ser extensible al sector de la máquina herramienta
o al del transporte. ■
Valorización de CO2 ¿Residuo o materia prima?
INGENIERÍA Y TECNOLOGÍA DEL MEDIO AMBIENTE
Víctor Antonio de la Peña O’Shea, Juan M. Coronado, David P. Serrano
3308.99-1 DESARROLLO SOSTENIBLE
Valorización de CO2
¿Residuo o materia prima?
La dependencia de los combustibles fósiles, junto con un aumento continuado de la demanda de energía y el uso de tecnologías energéticas
ineficientes, ha conducido a un incremento desmedido de las emisiones antropogénicas de CO2, lo que está dando lugar a problemas
medioambientales tan graves como el cambio climático y el calentamiento global. A día de hoy, se están realizando grandes esfuerzos con objeto
de reducir las emisiones de gases de efecto invernadero, por medio del desarrollo de tecnologías energéticas más eficientes, el uso de energías
renovables y la utilización de procesos de captura y almacenamiento de CO2. Asimismo, se plantea como un reto de gran relevancia el desarrollo
de procesos de valorización de CO2 que permitan trasformar este compuesto en productos de interés energético o industrial.
Autores: Víctor Antonio de la Peña O’Shea, Juan M. Coronado, David P. Serrano. Instituto IMDEA Energía
RESUMEN
En una sociedad donde el continuo progreso tecnológico
e industrial da lugar a un consumo de energía todavía basado
principalmente en combustibles fósiles, uno de los mayores
retos a los que debemos enfrentarnos es el impulso de nuevas
tecnologías que permitan hacer frente a estas necesidades
energéticas de una forma sostenible y compatible con el
medio ambiente. En la actualidad, las fuentes de energía
primaria fundamentales son el petróleo, el gas natural
y el carbón, que aportan el 80% de la energía total que
Transcripción
consumimos. El resto está repartido entre energía nuclear,
hidroeléctrica y otras energías renovables.
Dentro de este panorama tecnológico y energético mundial, la demanda de combustibles fósiles se ha incrementado
de una manera tan desmesurada que está provocando, además, enormes daños medioambientales. Durante las últimas
décadas se ha producido un aumento continuo de emisiones
de dióxido de carbono a la atmósfera, fruto de este modelo
energético no sostenible basado en combustibles fósiles. Las
emisiones antropogénicas de CO2 (incluidos los efectos in-
Dyna Marzo - Abril 2012 • Vol. 87 nº2
145
INGENIERÍA Y TECNOLOGÍA DEL MEDIO AMBIENTE
Valorización de CO2 ¿Residuo o materia prima?
Víctor Antonio de la Peña O’Shea, Juan M. Coronado, David P. Serrano
3308.99-1 DESARROLLO SOSTENIBLE
directos de la deforestación) han alcanzado en 2010 cifras
record de 30.6 Gt/año [1]. El incremento de la concentración de CO2 atmosférico es uno de los principales responsables del calentamiento global debido al efecto invernadero,
ya que las vías naturales de fijación del dióxido de carbono
por las plantas (fotosíntesis) o en los océanos (formación de
CaCO3) no resultan suficientes para absorber la gran cantidad de CO2 producido por el uso de combustibles fósiles.
Recientemente, la Agencia Internacional de la Energía ha
publicado la edición de 2011 del informe CO2 Emissions from
Fuel Combustion [2], que ha servido de base para los debates
en el seno de la última Convención del Cambio Climático,
que tuvo lugar en Durban, Sudáfrica, en el pasado año 2011.
Este informe muestra que los países en vías de desarrollo han
incrementado sus emisiones de CO2 hasta 2009, mientras que
los países desarrollados disminuyeron de manera significativa
dichas emisiones, alcanzando niveles un 6.4% por debajo
de las emisiones globales en 1990. Esta disminución de las
emisiones ha sido posible gracias a la entrada en vigor del
Protocolo de Kyoto que puso de manifiesto la necesidad de
reducir las emisiones antropogénicas de dióxido de carbono
mediante la aplicación de un conjunto de medidas destinadas
a cambiar el actual modelo energético.
Además, de acuerdo con el IPCC (Panel
Intergubernamental sobre Cambio Climático), para
estabilizar la concentración de CO2 en la atmósfera en 450
ppm (el valor actual es de aproximadamente 390 ppm), sería
necesario lograr una reducción en las emisiones de CO2 del
50-60% antes del 2050. En este sentido, la reciente adopción
de una Política Energética Europea y su transposición al
ámbito español marcan ambiciosos objetivos en la reducción
de emisiones para el año 2020 (20%) y recomendaciones
para el año 2050 (50%), y similares porcentajes para la
penetración de las energías renovables. Para la consecución
de estos objetivos es imprescindible: 1) la mejora de la
eficiencia de los sistemas de generación y uso de energía,
2) la utilización de energías renovables y no contaminantes,
3) la investigación y desarrollo de nuevas tecnologías en
procesos de post-tratamiento de CO2 que incluirían secuestro,
almacenamiento y valorización.
Dentro de estas medidas, una de las más importantes es
la sustitución paulatina de los combustibles fósiles (carbón,
petróleo y gas natural). Como posibles alternativas se
barajan, principalmente, la utilización de fuentes de energía
renovables (eólica, solar y biomasa). La utilización de
combustibles derivados de la biomasa puede contribuir a una
disminución de las emisiones netas de CO2 generadas por el
sector del transporte. Por ejemplo en la Unión Europea se
ha acordado que para el año 2020 el 10 por ciento de los
carburantes utilizados sean derivados de la biomasa.
Una reducción relevante de las emisiones de CO2 a la
atmosfera requiere la eliminación de varias Giga-toneladas
por año. Por esta razón, los métodos más efectivos son los
de captura (absorción, adsorción y procesos de membrana)
combinados con el almacenamiento geológico de CO2. Sin
embargo, a pesar del desarrollo que han experimentado estas
146
tecnologías se encuentran todavía en fase de demostración.
Por otra parte, el transporte y/o almacenamiento de grandes
cantidades de CO2, ya sea en formaciones geológicas, depósitos subterráneos, terrestres o en océanos, presenta ciertas
incertidumbres respecto de sus efectos medioambientales y
su estabilidad a medio/largo plazo. Por otro lado, la utilización de estos procesos conllevará un incremento en el coste
de producción de la electricidad, que puede llegar a ser del
50%, además de implicar un gasto energético adicional con
sus correspondientes emisiones de CO2.
Otro posible enfoque, que está suscitando interés en los
últimos años, es el desarrollo de procesos de valorización de
CO2 que sean capaces de consumir una fracción significativa
de las emisiones totales. En la actualidad cerca de 110 Mt
de CO2 se convierten cada año en productos químicos [3]
como: urea (70 Mt/año), carbonatos inorgánicos y pigmentos
(cerca de 30 Mt/año) o se usan como aditivos en la síntesis
de metanol (6 Mt/año). Otros productos químicos de valor
añadido, obtenidos a partir de la valorización de CO2, son
el ácido salicílico (20 kT de CO2 por año) y el carbonato de
propileno (varios miles de toneladas por año), que ocupan una
pequeña parte del mercado. Por otra parte, 18 Mt/año de CO2
se utilizan como fluido tecnológico, así como en la industria
alimenticia y la agroquímica. Teniendo en cuenta todos
estos consumos, apenas un 1% del total de CO2 emitido es
reutilizado y valorizado en productos de interés. Por lo tanto,
resulta necesario el planteamiento de nuevas estrategias
de I+D+i respecto de la valorización de CO2, que puedan
ampliar el horizonte de alternativas tecnológicas, mejorando
los aspectos económicos, energéticos y medioambientales.
Llevado a una visión francamente optimista todo ello podría
sentar las bases para una futura “Economía del CO2”.
El principal obstáculo al que se enfrentan este tipo de
desarrollos es la gran estabilidad que posee la molécula de
dióxido de carbono, lo que la convierte en un compuesto
muy difícil de activar, por lo que se requiere un elevado
aporte energético. En este sentido, es esencial que los
procesos de valorización de CO2 estén basados en fuentes
de energía renovables, como por ejemplo la energía solar,
para suministrar la energía consumida durante la activación
y transformación del CO2.Teniendo en cuenta todas estas
consideraciones, la valorización de CO2 debe enfocarse
hacia la optimización de los procesos actuales y al desarrollo
de nuevas tecnologías que permitan su aplicación a nivel
industrial como:
•
•
•
Avances en las tecnologías de separación y
purificación para que sean más eficientes y
económicamente rentables.
Mejora de los procesos de valorización biológica
de CO2 usando biomasa de carácter no alimentario
(terrestre y acuática) para la producción de
productos químicos y combustibles.
Desarrollo de procesos de valorización química
de CO2, por medio de: a) Síntesis de productos
químicos con aplicaciones diversas (polímeros,
Dyna Marzo - Abril 2012 • Vol. 87 nº2
Transcripción
Valorización de CO2 ¿Residuo o materia prima?
INGENIERÍA Y TECNOLOGÍA DEL MEDIO AMBIENTE
Víctor Antonio de la Peña O’Shea, Juan M. Coronado, David P. Serrano
3308.99-1 DESARROLLO SOSTENIBLE
materiales de construcción, etc.), b) Producción
de combustibles como hidrocarburos, metanol
o de gas de síntesis, c) Uso como disolvente
(CO2 supercrítico) en procesos de purificación y
conservación en diferentes sectores como es el caso
de la industria alimentaria.
Dentro del primer grupo de utilización de CO2 la síntesis
de compuestos químicos es un claro ejemplo de un proceso
basado en un desarrollo ‘químico sostenible’ [4]. En este
sentido, cabe destacar el gran avance que han sufrido durante
los últimos años los catalizadores utilizados en procesos de
carboxilación de olefinas u otros substratos que dan lugar a la
formación de ácidos carboxílicos o lactonas de gran interés
en la industria de la química fina, así como la producción de
carbonatos lineales o cíclicos que son la base de solventes,
aditivos para gasolinas o para la producción de polímeros.
Por otra parte, uno de los grandes desafíos dentro de
los procesos de valorización de CO2 es la producción de
combustibles por medio de la reducción del dióxido de
carbono. La mayoría de los desarrollos realizados en este
campo están basados en los procesos biológicos de reducción
de CO2 que son llevados a cabo por una amplia variedad de
microorganismos como algas y bacterias. Por otra parte,
se están abordando diferentes vías de investigación y
desarrollo de catalizadores y tecnologías para la elaboración
de productos con aplicaciones en la industria química y
energética como la generación de:
•
Gas de síntesis, obtenido por medio de la
reacción de reformado seco de metano utilizando
catalizadores principalmente basados en níquel. El
gas de síntesis se puede emplear en la producción de
hidrocarburos de cadena larga (diesel y gasolina) y
alcoholes por medio de la síntesis Fischer-Tropsch
y en procesos relacionados con la química fina
(hidroformilación).
Esquema de un proceso global de valorización de CO2 (Fuente: Instituto IMDEA Energía)
Transcripción
Dyna Marzo - Abril 2012 • Vol. 87 nº2
147
INGENIERÍA Y TECNOLOGÍA DEL MEDIO AMBIENTE
Valorización de CO2 ¿Residuo o materia prima?
Víctor Antonio de la Peña O’Shea, Juan M. Coronado, David P. Serrano
3308.99-1 DESARROLLO SOSTENIBLE
Producción de metanol. Representa una de los
desarrollos industriales más importantes en lo
que se refiere a los métodos de valoración de
CO2 de los últimos años. Este proceso combina
la hidrogenación de monóxido y del dióxido de
carbono utilizando catalizadores de Cu/ZnO en
condiciones de reacción de entre 250-300ºC y 5-10
MPa.
Por otra parte, cabe mencionar que además de las vías
más convencionales, están apareciendo otros desarrollos
mucho más ambiciosos dentro de los procesos de utilización
de CO2. Una de ellos, que actualmente está suscitando
elevado interés es la Fotosíntesis Artificial, que consiste
en mimetizar el comportamiento de las plantas para
la producción de combustibles y productos de interés
industrial. La valorización fotocatalítica de CO2 se realiza
en condiciones suaves, empleando luz solar como fuente de
energía. Esta temática de investigación constituye un enorme
desafío científico.
La Fotosíntesis Artificial implica el acoplamiento de
dos procesos: a) por un lado, se produce la reducción del
CO2 que es un complejo proceso multielectrónico que tiene
lugar en una escala temporal muy corta, b) por otro lado,
para que el proceso redox global tenga un balance neto de
cargas igual a cero, otros compuestos han de ser oxidados
(donadores de electrones). Estos donadores tienen que ser
compuestos abundantes y económicos para dar lugar a
una alta producción con un coste competitivo. El donador
de electrones más adecuado es el agua, al igual que ocurre
durante la fotosíntesis. Teniendo en cuenta que en los
procesos de combustión de hidrocarburos los productos
finales son CO2 y H2O, la posibilidad de convertir estos
dos productos, de nuevo, en combustibles es muy atractiva,
pero para llevar a cabo con éxito estas transformaciones es
necesario todavía superar numerosas barreras tecnológicas.
•
En el Instituto IMDEA Energía se están investigando
nuevos sistemas catalíticos basados en la utilización de
óxidos semiconductores modificados con el fin de llevar
a cabo la reacción de foto-reducción de CO2 utilizando
luz solar. Estos materiales se modifican con la inclusión
de elementos no metálicos en la estructura cristalina
que modifican las propiedades optoelectrónicas y con la
incrporación de metales soportados que actúan como cocatalizadores y, además, ayudan a disminuir la velocidad de
recombinación electrón-hueco, facilitando la transferencia
electrónica hacia los reactivos adsorbidos.
A pesar del gran potencial que tienen los desarrollos que
se están llevando a cabo en las tecnologías anteriormente
comentadas y los avances científicos en el diseño y síntesis
de diferentes catalizadores multifuncionales, aún quedan
muchas preguntas por contestar que será necesario responder
antes de conseguir la aplicación de los procesos valorización
de CO2 a una escala industrial.
BIBLIOGRAFÍA
1. Herzog H. J., Drake E. M., “Carbon Dioxide recovery and
disposal form large energy systems Annu. Rev. Energy Envrion.
1996. Vol 21 p. 145.
2. International Energy Agency, CO2 Emissions from Fuel
Combustion. Highlights (2011).
3. M. Ricci, in Recovery and Utilization of Carbon Dioxide, M.
Aresta (Ed.), Kluwer, Dordrecht, 2003, pp. 395–402.
4. H. Arakawa, et al “Catalysis research of relevance to carbon
management: progress, challenges, and opportunities” Chem.
Rev. 2001 vol.101 p. 953
Esquema de un proceso de fotosíntesis artificial basado en un catalizador semiconductor. (Fuente: Instituto IMDEA Energía)
148
Dyna Marzo - Abril 2012 • Vol. 87 nº2
Transcripción
Noticia
Algo más sobre aceleradores de partículas
Fuente: Redacción DYNA
D
YNA no ha sido ajena al
interés que presenta la
llamada física de partículas
en el amplio campo, no solo de los
experimentos científicos puros, sino en
las eventuales aplicaciones prácticas;
sobre todo hemos tratado de acercar
a nuestros lectores, de la forma más
accesible, al complejo mundo de las
instalaciones que generan, mueven
y detectan estas partículas. Ya desde
el año 2005 [1] se divulgaban las
características del LHC del CERN, en
el 2007 [2] describíamos su acelerador
y objetivos que se proponía o en 2009
[3] se citaba el recién puesto en marcha
en Cataluña, sincrotrón ALBA, y como
resumen didáctico, el pasado número
de diciembre de 2011 [4], podía leerse
una colaboración con la visión general
de los aceleradores de partículas, su
evolución y aplicaciones a lo largo del
tiempo.
En este campo de la tecnología, los
diferentes tipos de instrumentos que
utilizan partículas subatómicas para
trabajos de análisis y de producción
forman una extensa gama en gran
número de actividades, como la
medicina, la biología, la industria,
etc. Pero es en la búsqueda de
los componentes elementales que
forman la materia donde se realizan
los mayores esfuerzos y, no solo
científicos y expertos aportan su
trabajo y conocimientos, sino que hasta
la opinión pública exige y consume
abundante información: la curiosidad
por llegar a saber los fundamentos en
la estructura de materia y energía que
forman nuestro universo.
Desde su creación a finales de los
70 del pasado siglo XX, el llamado
Modelo Estándar ha venido siendo
el punto de partida de los trabajos
científicos y encuadra los componentes
mínimos que conforman la masa de la
materia y las fuerzas que los unen: todas
las demás partículas tradicionales,
como los protones o neutrones de las
estructuras atómicas, están formados
por las citadas que les confieren su
masa y carga eléctrica correspondiente.
Sin embargo, aunque algunas de
ellas son estables, como el electrón
o los neutrinos, muchas solamente
tienen una vida medida en micro o
nanosegundos y deben producirse por
“rotura” de las compuestas en choques
de gran energía (velocidad) creados
en diferentes tipos de aceleradores. E
incluso otras, como el célebre bosón
de Higgs, está en vías de ser observada
para confirmar su existencia, pues en
este caso dota de la mayor parte de
masa a la materia.
Hasta la puesta en marcha, no
exenta de dificultades, del LHC1
(Large Hadron Collider) del CERN,
había sido el acelerador Tevatrón del
Fermi National Laboratory (Batavia
– Illinois), el que había conseguido
aportar los últimos datos sobre las
características de varias partículas,
alcanzando una energía de choque
de 1 TeV. La normalización de
funcionamiento del LHC, que puede
llegar a energías del orden de 7 TeV,
decidió el cierre final del primero a
partir del 30 de septiembre del pasado
año, aunque el centro de procesado
seguirá sus trabajos con mucha de
la información acumulada y con los
datos que lleguen desde el LHC, en
1
El modelo estándar de las partículas elementales
(Fuente AAAS)
Dyna Marzo - Abril 2012 • Vol. 87 nº2
Los hadrones son partículas subatómicas pero no
elementales y están formados por combinación de
diferentes tipos de quarks, entre ellas se encuentran los
protones y los neutrones.
149
Noticia
el anillo inyector del Tevatrón, única
instalación conservada, y enviados a
los lugares de análisis.
Si se cumplen las etapas
planificadas, hacia 2020 podrán
abordarse la resolución de las
numerosas X que existen en el
conocimiento de cuáles son los básicos
componentes del universo y las
fuerzas3 que los unen, sus propiedades
y su participación en el proceso desde
el Big Bang hasta el momento actual.
A medida que avance el conocimiento,
se espera poder discernir la naturaleza
de otras partículas subatómicas y de
sus componentes, qué es la “materia
oscura” ocupante de las tres cuartas
partes del universo, si existe realmente
el quanto que explique la gravedad,
el hecho de que haya predominado
la materia sobre la antimateria, si es
posible determinar la masa de los
neutrinos, etc.
PARA SABER MÁS CON DYNA:
[1] Iturbe-Uriarte R; Etxeandia J;
Mendivil-Arrieta C. “El anillo
LHC del CERN Parte I”. DYNA
Ingenieria e Industria. Septiembre
2005. Vol 79 p.22-36
[2] Mendivil-Arrieta C, IturbeUriarte R. “El Acelerador Lhc Del
Cern: Parte II” DYNA Ingeniería e
Industria. Marzo 2007. Vol. 82-2
p.6-22
[3] Bolufer-Mayans P. “El Sincrotron
Alba”. DYNA Ingeniería e Industria.
Septiembre 2009. Vol. 84-6
p.481-484
[4] Eguía J. “Aceleradores de
partículas: una visión general”.
DYNA Ingeniería e Industria.
Diciembre 2011. Vol. 86-6 p.637640. ■
Disposición de las nuevas instalaciones del proyecto x sobre los terrenos del Anillo principal del tevatrón y aprovechamiento de su
acelerador inyector
Fuente: Fermilab
el que los Estados Unidos tienen una
fuerte participación, tanto económica
como de personal. De hecho, el DoE
mantiene un sitio web (www.uslhc.
us) que resulta tan interesante como el
propio del CERN (http://public.web.
cern.ch/public/en/LHC/LHC-en.html).
España también participa en el LHC
y comunica el avance de los trabajos
(http://www.i-cpan.es/lhc.php)
Pero los planes del FermiLab
no han terminado con el cese de su
Tevatrón, puesto que desde el año
2007 y previendo ese futuro cierre, ha
estudiado y lanzado en 2010 el llamado
Proyecto X, con un presupuesto
estimado en 1.800 millones de dólares,
del que las obras correspondientes al
Illinois Accelerator Research Center
(IARC) se iniciaron el pasado mes de
diciembre, sobre los mismos terrenos
bajo los que está situado el gran anillo
del sincrotrón. Sus expertos diferencian
150
los objetivos de esta instalación con
respecto a las actividades del LHC, que
trabaja en la “frontera de la energía”,
haciendo chocar partículas entre sí
a los más altos niveles de energía
posibles, o también respecto a los que
las hacen en la “frontera cósmica”, con
partículas procedentes del cosmos. El
IARC buscará en la “frontera de la
intensidad”, haciendo chocar un intenso
haz de protones, energizados en un
acelerador lineal de onda continua de
3 GeV, contra un blanco para producir
un amplio caudal de partículas que
serían separadas posteriormente. Entre
ellas, los neutrinos2 se acelerarían en
2
Los neutrinos son un tipo de partículas elementales que
tiene la propiedad de poder atravesar la materia. Unas
recientes mediciones con neutrinos impulsados por el LHC
han indicado la posibilidad de que alcance una velocidad
superior a la de la luz, aunque aún no se ha confirmado.
Dyna Marzo - Abril 2012 • Vol. 87 nº2
3
Las partículas que aportan las fuerzas de cohesión a la
naturaleza son los fotones (electromagnética), los bosones
débiles (nuclear débil) y los gluones (nuclear fuerte). Para
la fuerza gravitatoria se ha supuesto la
Colaboración
ESPAÑA en las clasificaciones
internacionales
Autor: Ignacio Fernández de Aguirre
E
s bien conocida por todos
nuestros lectores la numerosa
serie de clasificaciones (rankings) que se publicitan anualmente
referidas a múltiples aspectos de la situación social, económica, educativa o
tecnológica de las naciones o, incluso,
regiones del mundo. Repetidas veces
nos hemos hecho eco en estas páginas
de las más representativas y fiables, en
relación con la actividad de la ingeniería industrial.
Así en los números 1º (febrero)
de 2010 y 2011, con los resultados de
las pruebas PISA de educación en la
enseñanza secundaria, en los números
7º (octubre) de 2008 y 2009, junto con
el 1º (febrero) de 2011 con la posición
en el estudio de la competitividad
realizado por el World Economic
Forum (WEF) o en el número 1º
(febrero) de 2011 donde COTEC
aportaba la situación de la juventud
española en la cultura innovadora entre
los países de la UE15.
Todas esas clasificaciones tienen
una característica común: que sitúan
a España en una posición bastante
inferior a la que le correspondería
en relación con su nivel económico
global. Y las respuestas que llegan a
los ciudadanos como consecuencia de
las publicaciones, son generalmente
para criticar la fiabilidad de los
procedimientos de ejecución de las
mismas, buscando sus debilidades, que
sin duda las tienen, o para desglosar al
estado en sus regiones, mostrando los
contrastes lógicamente existentes entre
unas y otras y dando razones de peso
que justifiquen la situación de las peor
situadas. Raro es encontrar programas
serios que propongan remedios a los
problemas detectados.
Disponemos
ahora
de
la
clasificación de Competitividad 20112012 que muestra para España una
pequeña recuperación desde el puesto
42, al que se derrumbó hace un año,
hasta el 36. Las razones de ese ascenso
las facilita la misma organización WEF
que transcribimos de forma resumida.
“Este progreso ha sido debido a una
serie de pequeñas mejoras en varias
áreas que forman parte del índice así
como al deterioro de otras economías
que habían adelantado a España en el
anterior. A pesar del lento desarrollo
económico y de lo débil de su estabilidad
presupuestaria, el país ha conseguido
mejorar gracias a un mayor uso de las
TCIs y su flexibilidad en la inversión
en investigación e innovación,
aunque deberán aun ser mayores
para afianzar la transformación. En
especial, el lado competitivo español
está lastrado por el alto nivel de déficit
y deuda públicos, unido al bajo nivel
de ahorro que origina un angustioso
mercado financiero, impidiendo el
acceso a créditos e inversiones para
futuros planes de inversión. La rigidez
del mercado laboral y la desconexión
entre salarios y productividad,
que erosionaban la competitividad
anteriormente son aun preocupantes.
Estas rigideces no han permitido
ajustar la actividad tras la crisis
económica y la burbuja inmobiliaria,
lo que ha dejado un muy elevado
porcentaje de desocupación. Por otra
parte, a pesar de la buena posición
cuantitativa en educación secundaria
y universitaria, el sistema educacional
parece fallar en dotar a la población
de las habilidades necesarias en una
economía basada en el conocimiento.
Dyna Marzo - Abril 2012 • Vol. 87 nº2
Como se dispone de una dimensión
de mercado considerable y de una
infraestructura excelente, sería preciso
corregir esas debilidades estructurales
e impulsar la innovación si se desea
alcanzar un crecimiento sostenido”.
No se puede decir mejor en tan poco
espacio.
Como nueva aportación a esas listas
clasificatorias, vamos a examinar otra,
el Índice Global de Innovación 2011,
promovido y realizado por la Escuela
de Negocios INSEAD y patrocinado por
importantes firmas multinacionales,
dirigido precisamente a esa actividad
que el anterior consideraba tan decisiva
en su puntuación. En este caso, España
ocupa el lugar 32 y es de notar que 26
países que nos superan en innovación
también lo hacen en competitividad,
así como que los tres primeros en
ambas clasificaciones no son otros que
Suiza, Singapur y Suecia.
Respecto a España, no se hacen en
el estudio consideraciones literarias,
pero sí nos ofrece un desglose de los
conceptos contemplados, indicando
los que mejoran y los que empeoran la
clasificación, y eso nos puede ayudar a
obtener conclusiones. Mejoran el nivel
clasificatorio, nuestro capital humano
(31), en el que solo falla la movilidad;
la infraestructura (19), excelente
en todos los aspectos menos en su
huella de carbono, y la sofisticación
y tamaño de nuestro mercado (21),
salvo el tema crediticio e inversor.
Pero lo empeoran, a veces de forma
notable, las instituciones (56), sobre
todo la rigidez del empleo y las tasas
impositivas; la sofisticación del
mercado (40), con baja colaboración
universidad-empresa, poco desarrollo
de clústers y de productos maduros;
la menor producción científica (42)
151
Colaboración
EU27 INNOVATION SCOREBOARD 2010
con escasas patentes y pobre impacto
del conocimiento, y la creatividad
(34) a pesar de una notable capacidad
para la cultura del consumo. Creo que
difícilmente se podría disponer de un
análisis más esclarecedor.
Por su parte, la CE sitúa en su
web lo que denomina Innovation
Scoreboard bajo el concepto de
innovación industrial. Como es
habitual, España se situaba en 2010 en
el puesto 18 de un total de 27 países.
La clasificación textual decía que
podrían denominarse:
• Líderes en innovación los
situados muy por encima de la
media de la EU27.
• Seguidores en innovación los
cercanos a esa media.
• Innovadores moderados, los que
se encuentran bajo la media,
entre los que vemos a España.
• Innovadores modestos,
bajos que los anteriores.
más
Quienes deseen conocer los
criterios de clasificación pueden
acudir a las informaciones de la UE,
aunque aquí únicamente deseamos
mostrar la casi general coincidencia de
resultados en todas las clasificaciones
comentadas.
En otro aspecto que toca
directamente al hacer de DYNA, se
publicó hace pocos meses un breve
compendio elaborado a partir de
datos tomados de Scopus, SCImago,
ISI y Thompson Reuters, que son
entidades activas en la indexación y
reconocimiento de las publicaciones
científicas, como lo es la nuestra.
El estudio abarcaba los artículos
científicos publicados entre 1996 y
2010, resultando que en cuanto al
número de artículos, España ocupaba
el puesto 9º del mundo, pero en cuanto
a su impacto en el ámbito científico,
basado en las citas ajenas posteriores
a la publicación de los mismos, este
puesto descendía al 19º ¿Podríamos
decir que se reproducen en este caso
las mismas dolencias que impregnan
todas nuestras clasificaciones? Es de
notar que 17 de los 18 países que nos
preceden en la cantidad de citas de
sus artículos científicos, también lo
hacen en las otras clasificaciones de
innovación y competitividad.
Para más información en:
www.oecd.org.
www.weforum.org.
www.globalinnovationindex.org.
www.ec.europa.eu/enterprise/policies/innovation/facts-figures-analysis/innovation-scoreboard/index_en.htm.
152
Dyna Marzo - Abril 2012 • Vol. 87 nº2
Colaboración
GATE TERMINAL,
a la vanguardia de la innovación
cubic metre per annum) de gas natural,
Gate terminal está diseñada para acoger una expansión máxima de hasta 16
BCMA+20% y un cuarto tanque.
CÓMO FUNCIONA GATE TERMINAL
Autores: Roberto Felipe y Daniel Pérez Peiro de SENER
D
esde su inauguración el 23
de septiembre de 2011, Gate
terminal se ha convertido
en una de las mayores plantas
regasificadoras de Europa. Situada en
la localidad de Róterdam (Holanda),
la central cuenta con tres tanques
de almacenamiento de 180.000 m3
y una capacidad de exportación
inicial de 12.000 millones de metros
cúbicos por año. Asimismo dispone
de dos muelles de atraque capaces de
descargar simultáneamente dos barcos
del tipo Q-Max, los mayores barcos
de Gas Natural Licuado (GNL) del
mundo, lo que permitiría satisfacer las
necesidades de gas natural de toda la
población de Holanda y de parte de
Europa.
Las obras de este gran proyecto
comenzaron hace tres años cuando
la empresa holandesa Gas Access To
Europe (GATE Terminal) adjudicó
al consorcio internacional TSEV el
contrato “llave en mano” para el
suministro de la terminal. El consorcio
TSEV estaba compuesto por la Joint
Venture TS LNG, formado por SENER
Ingeniería y Sistemas (España) y
Techint (Italia); y por el subconsorcio
francés EV formado por las empresas
Vinci - Entrepose. Dentro de aquel
TS LNG ha sido responsable de la
dirección de la ingeniería, compras,
construcción y puesta en marcha de la
planta.
Desde el principio de las obras, se
ha prestado especial atención a tres
aspectos que se han considerado fundamentales: la seguridad, el respeto
al medioambiente, la disponibilidad y
la versatilidad de operación. La construcción se ha llevado a cabo con un
número récord de horas sin accidentes
(2,500.000), se han suministrado equipos que garanticen la disponibilidad en
caso de que los instalados inicialmente
fallen, y la planta permite, asimismo,
tanto la descarga como la recarga de
buques metaneros y diferentes configuraciones de emisión. En el aspecto
medioambiental, además, el agua que
se emplea para calentar el gas es agua
caliente proveniente de una central térmica cercana y vertida directamente
al mar con un salto térmico reducido
a sólo 3ºC.
Aunque en principio la terminal
cuenta con tres tanques de almacenamiento de 180.000 m3/h y capacidad
de exportación de 12 BCMA (billion
Dyna Marzo - Abril 2012 • Vol. 87 nº2
Gate terminal está diseñada para el
atraque de buques metaneros de hasta
267.000 m3. El atraque incluye defensas
marinas, instalaciones de protección
contra incendios, sistema de control
de aproximación de barcos, control
de tensión en las amarras del barco
y sistema de comunicaciones barcotierra durante el tiempo de atraque.
Estas áreas de descarga incluyen
también dos muelles construidos sobre
pilotes metálicos hincados en la arena
que forma el suelo marino, y cuyo
diseño íntegro se ha realizado en Sener.
Una vez atracados los buques
metaneros que transportan el GNL
en los dos embarcaderos de los que
dispone la planta, aquellos se conectan
a los brazos de descarga (dos de gas
natural líquido, uno de retorno de gas
y uno híbrido líquido-gas con una
capacidad de total de descarga de
12.500 m3/h por muelle) que bombean
el contenido hacia los tres tanques de
GNL cada uno a presión atmosférica
y a una temperatura aproximada
de -170ºC. Estos tanques del tipo
“contención total” miden 80 m de
diámetro y tienen 50 m de altura y
se componen de un tanque exterior
de hormigón pretensado que actúa
de contención ante un accidente y
de protector del tanque interior de
acero níquel, que es el que contiene el
GNL. Entre ambos tanques se coloca
un aislamiento que reduce al mínimo
posible las entradas de calor al mismo.
Si, a pesar de esto, se producen
gases de boil-off (ebullición), estos
son conducidos a los compresores de
BOG y, de ellos, al relicuador, donde
se enfrían al mezclarse con el GNL
153
Colaboración
que va a los vaporizadores. En caso de
producirse un exceso de boil-off, que
supusiera un incremento de presión en
el tanque, se conduciría directamente a
la antorcha.
Adicionalmente, cada tanque lleva un sistema de calefacción eléctrica
en la cimentación, actuado automáticamente, que impide la congelación
del terreno sobre el que se asienta, así
como un medidor de inclinación, que
permite detectar un posible asentamiento diferencial. Además, todas las
conexiones con el tanque se realizan a
través de su cúpula, lo que supone una
medida de seguridad adicional.
Una vez el GNL está en los tanques,
éste se bombea posteriormente por
medio de bombas criogénicas de baja
presión (cada tanque tiene tres pozos
de bombeo para las bombas primarias),
pasando a través del recondensador
(diseñado por Sener) y de bombas
de alta presión hasta llegar a los
vaporizadores donde, por intercambio
de calor con el agua de mar, se gasifica
el gas. Finalmente, éste pasa a través
de una estación de medida antes de ser
enviado a la red.
Gate terminal dispone, en su
configuración actual, de ocho
vaporizadores del tipo “open rack”
(ORV). En ellos, el GNL pasa a
temperatura ambiente, mediante el
intercambio de calor con el agua de
mar. El agua de mar, se toma en la
balsa de salida al mar de una planta
termoeléctrica cercana, donde se
encuentran instaladas ocho bombas de
6030 m3/h, rejas y filtros que garantizan
la ausencia de sólidos en la aspiración
de las bombas de agua de mar.
Posteriormente, ésta se transporta
a través de dos tuberías de PRFV, de
diámetro 1 800 mm y de una longitud
aproximada de 3 km. que conectan
con un túnel de hormigón de diámetro
154
interno de 2.200 mm y 1 km de
longitud que cruza bajo el lecho marino
el brazo de mar, hasta llegar a la zona
sur del área de almacenamiento. De
allí parten sendas tuberías de PRFV
hasta los vaporizadores tipo ORV que
donde el agua de mar calienta el gas
natural licuado. Tras su uso se recoge
en un canal que corre a lo largo de
los mismos y que desemboca en un
vertedero al mar. Finalmente, el gas
natural producido en los vaporizadores
a la presión de emisión y a temperatura
ambiente pasa hacia la estación de
medida, para su definitivo envío al
gasoducto.
La planta recibe la energía eléctrica
en 25 kV a través de una subestación
principal, situada en la propia planta,
que alimenta los dos transformadores
principales de 27 MVA (ONAF).
Dichos transformadores alimentan en
media tensión las dos subestaciones del
área de proceso. Estas subestaciones
alimentan tanto las cargas de media
tensión a 6 kV como las cargas de baja
tensión a 400 V del área de proceso.
También dan servicio en baja tensión
a las dos subestaciones en la zona del
puerto, una por cada zona de atraque
(JETTY) y a la subestación del edificio
principal de la planta. Sin embargo la
alimentación de las bombas de agua
de mar, situadas a gran distancia del
área de proceso, se hace a través de
otra subestación que recibe la energía
eléctrica en 25 kV y alimenta dos
transformadores de 18 MVA (ONAN)
para dar servicio a las bombas de agua
de mar en 6 kV y en baja tensión al
resto de servicios.
SEGURIDAD DE LA PLANTA
Además de los servicios e
instrumentación habituales en este
tipo de plantas Gate terminal quiso
hacer especial hincapié en las medidas
de seguridad y para ello se realizaron
un HAZID (estudio de identificación
de riesgos) y un HAZOP (estudio de
identificación de riesgos por mala
operación) sobre la ingeniería de
detalle y, adicionalmente se llevaron
a cabo un análisis de riesgos (QRA) y
un estudio conforme a norma EN1473,
Dyna Marzo - Abril 2012 • Vol. 87 nº2
siguiendo las legislaciones europea
y holandesa aplicables a la planta
que llevaron a incorporar al diseño
los siguientes sistemas: sistema de
protección pasivo para detección de
incendios, constituido por un conjunto
de detectores distribuidos por toda la
planta, con lógica redundante, que
activan el sistema de seguridad de
fuego y gas; sistema de protección
activa, integrado por los sistemas de
polvo para apagado de los escapes
de las válvulas de seguridad de los
tanques, los sistemas de espuma para
las balsas de derrames, las cortinas
de agua, diluvios, etc.; sistema de
antorcha; sistema de canales y balsas
de contención de GNL (cuatro), para la
recogida y confinamiento de cualquier
fuga líquida que pueda producirse en
las áreas de trabajo con GNL (atraque,
tanques y regasificación); y protección
directa, mediante revestimiento con
materiales aislantes, de las estructuras
y cables susceptibles de recibir, en una
emergencia, el impacto de GNL o de
sufrir radiaciones como consecuencia
de un fuego.
Asimismo, las subestaciones y
la sala de control de la planta están
bunquerizadas,
preparadas
para
aguantar una explosión que produzca
una onda de presión de hasta 200
mbar (Peak side overpressure), los
tanques son capaces de aguantar una
onda de presión de hasta 300 mbar
producida por una explosión, así como
radiaciones por exposición a fuegos
cercanos y, adicionalmente, la planta
completa está preparada para operar
con seguridad durante un terremoto
OBE (Operational Basis Earthquake)
de periodo de retorno de 475 años y
para hacer una parada segura en caso
de ocurrencia de un terremoto tipo
SSE (Safety Shutdown Earthquake) de
periodo de retorno de 5.000 años.
Colaboración
Industrias y máquinas para el turismo:
Un pasado con futuro
Autor: Carlos J. Pardo Abad.
Universidad Nacional de Educación a Distancia (UNED)
INTRODUCCIÓN
El interés por el patrimonio
industrial ha aumentado tanto
como la fascinación hacia cualquier
resto material de otras épocas y la
ampliación del concepto de patrimonio.
La contemplación estética y la
interpretación técnica están en la base
de este turismo, de claras sensaciones
nostálgicas, más intensas que en otros
legados debido a la acumulación de
experiencias individuales y colectivas
que aún perviven en los territorios de
tradición industrial.
Poco investigado en España, el
patrimonio industrial es aún una
novedad cultural y turística. El interés
despertado hace necesario abordar su
alcance real y la potencialidad como
recurso. El artículo aporta una visión
que contribuye a conocer la función
turística
de algunos enclaves y
edificios industriales. La selección de
elementos técnicamente significativos,
el análisis de las recuperaciones
emprendidas y la interpretación del
significado turístico y territorial global
del patrimonio industrial centran el
trabajo emprendido.
Siguiendo un método comparativo
y explicativo, las bases de datos y
documentales utilizadas han permitido
alcanzar los objetivos y confirmar las
hipótesis iniciales. Se han investigado
diferentes fábricas y áreas industriales
y resaltado algunos casos de alto valor
patrimonial y turístico, realizándose
tanto encuestas como entrevistas,
trabajo de campo y consulta de
cartografía de base.
Tras estudiar el nivel legal de
protección y las recuperaciones
efectuadas, se ha comprobado que
los museos industriales son recientes
y se crean fundamentalmente a partir
del año 2000. Los visitantes son aún
escasos (28.903 anuales de media),
generalmente de la misma provincia
en la que se localiza el museo y menos
del resto del país y extranjero.
Se aborda la potencialidad turística
y las características de los proyectos,
interpretándose las arquitecturas y
máquinas como activos evocadores de
exposición y contemplación.
El estudio es una aproximación
novedosa,
con
aportación
de
información y valoración concreta
como recurso turístico. La investigación
ofrece datos relevantes sobre demanda
turística, baja en comparación con otros
países europeos, y el área de influencia
de los museos industriales, que no
suele superar los 100 km. El régimen
de visitas se vincula especialmente a
los periodos vacacionales y al curso
escolar.
1. APORTACIONES
METODOLÓGICAS Y CIENTÍFICAS
Las aportaciones han sido muy
variadas, tanto como las ciencias
interesadas en el patrimonio industrial.
A veces se han analizado las dificultades
de la transformación de las antiguas
fábricas en lugares rehabilitados para el
ocio y la cultura, especialmente costes
de inversión, complejidad técnica,
sostenibilidad ambiental, modificación
de la imagen original o participación
de la comunidad local (Prentice,
Witt y Hamer, 1998; Hospers, 2002;
Fernández y Guzmán, 2004; Dickson,
2008).
Otros autores estudian los vínculos
del patrimonio industrial con el desarrollo sostenible, enfatizando las posibilidades y ventajas de la recuperación
de paisajes y construcciones abando-
Dyna Marzo - Abril 2012 • Vol. 87 nº2
nadas (Jansen-Verbeke, 1999; Butler,
1999; Sabaté, 2004). La mejora del
territorio y el uso sostenible de este legado también se interpretan como una
oportunidad real para relanzar diferentes opciones turísticas y dinamizar la
economía local (Edwards y Llurdés,
1996; Pérez y Parra, 2004).
En otras ocasiones se toma como
base de investigación la recuperación
de las arquitecturas, consideradas
grandes contenedores de nuevas
funciones (Aguilar, 1998; Sobrino,
1998, Stratton, 2000).
Desde nuestro punto de vista
interpretamos este patrimonio como
parte de un territorio y como elemento
de un paisaje. Este patrimonio
no debe considerarse de manera
“desterritorializada”, porque perdería
todo su significado, ni se debe
adoptar ninguna estrategia de defensa
desligada del contexto espacial en el
que se incluye.
La investigación toma unas
hipótesis iniciales sobre las que
fundamentar los resultados finales,
destacando las siguientes:
a) Existe un adecuado marco legal
de protección.
b)El patrimonio industrial protegido es fundamentalmente urbano.
c) La dispersión geográfica dificulta la organización de rutas turísticas.
d)Este turismo afecta a todas las regiones españolas.
e) El grado de atracción de los museos industriales es, por el momento, reducido.
La delimitación del ámbito de estudio es amplia con el objetivo de ofrecer
una visión global de las revalorizaciones turísticas emprendidas. Esto no ha
impedido, sino resaltado, las referencias concretas a casos de alto valor patrimonial y de gran representatividad
territorial y turística.
155
Colaboración
Se han utilizado diferentes bases
documentales, se ha realizado abundante trabajo de campo y consultado
tanto cartografía de base (1:25.000,
1:50.000) como ortofotografías digitales, aplicando igualmente una prospectiva cualitativa mediante el envío
de encuestas postales a los más importantes centros turísticos de patrimonio
industrial en España.
2. PROTECCIÓN Y NUEVO USO
TURÍSTICO: VALORACIÓN DE
RESULTADOS
El legado industrial español no
aparece expresamente recogido en la
ley estatal de patrimonio histórico,
aunque su carácter generalista no ha
impedido su protección como Bien
de Interés Cultural. La producción
normativa autonómica ha sido muy
amplia, siguiendo en unos casos
el tenor legal de la ley estatal o
especificando en otros, de manera
concreta, los bienes industriales como
objeto de atención:
a) Las primeras legislaciones autonómicas, de los inicios de los
noventa, fueron poco explícitas
(País Vasco, Andalucía, Cataluña, Galicia).
b) Desde finales de dicha década
las leyes fueron más completas,
haciendo ya claras referencias
al patrimonio industrial (Islas
Baleares, Cantabria, Comunidad
de Madrid, Asturias).
En 2002 entró en funcionamiento
el Plan Nacional de Patrimonio Industrial. De ámbito estatal, y contemplando la necesaria coordinación con los
gobiernos regionales, es una interesante iniciativa de salvaguarda arquitectónica y técnica vinculada a la industria.
En el documento definitivo de la primera fase del plan se incluyó un total
de 49 bienes de intervención prioritaria
repartidos por todo el país. Las posibilidades de actuación son varias:
a) Cuando el bien está perfectamente documentado, no existe
complejidad alguna y representa
una intervención puntual y definida, el plan prevé la aplicación
de un proyecto de ejecución.
b) Cuando la intervención precise
de varias actuaciones se exige la
elaboración de un plan director,
especificándose las fases y la
metodología a seguir.
c) En los casos de mayor complejidad se aconseja realizar un estudio previo de viabilidad para valorar patrimonialmente el bien,
su situación jurídica, el estado
de conservación y la viabilidad
del proyecto.
Los bienes industriales inmuebles
protegidos en España por su interés
cultural sobrepasan ligeramente los
cien elementos, incluyéndose tanto
fábricas como estaciones ferroviarias,
viaductos, canales, poblados, etc.
Esta cifra representa en torno al 0,6%
de todos los BIC españoles, siendo
comparable este valor al de otros países
del ámbito mediterráneo europeo.
Ese porcentaje se supera en
Asturias, País Vasco, La Rioja, CastillaLa Mancha, Madrid, Extremadura,
Cataluña, Canarias, Murcia y Aragón.
En el resto de regiones es inferior o
coincide con el porcentaje nacional.
La cifra más elevada se sitúa en el
País Vasco (3,8% de sus BIC son
industriales), aunque la que concentra
el mayor número es Cataluña, con un
porcentaje inferior debido a la elevada
concentración de bienes de carácter
histórico-artístico.
La mayoría de estos BIC se protege
a partir de 1990, lo que indica una
toma de conciencia muy reciente
y una tendencia que representa la
mayor novedad en la preservación
del patrimonio español. Los de
tipo inmueble, tanto en la categoría
de Monumentos como Conjuntos
Históricos o Sitios Históricos, se
localizan sobre todo en municipios
rurales, con el 56% del total. En el 19%
la ubicación es en ciudades medias y
el 25% restante se localiza en grandes
áreas metropolitanas.
Fig. 1: Proceso de protección de los BIC inmuebles
industriales (valores porcentuales)
La mayoría de los museos
industriales también se crea a partir
de 1990 y, más en concreto, después
del año 2000. Son establecimientos
recientes y, frente a otros europeos,
de dimensiones reducidas, ya que no
superan por término medio los 2.800
m2 de área expositiva y los 6.600 m2 de
superficie total1.
Las visitas son aún escasas, pero
siempre cumplen con una doble
función didáctica y turística. En el
primer caso con visitas escolares,
especialmente de octubre a mayo; y en
el segundo son de carácter individual
o familiar durante las vacaciones
estivales y de Semana Santa. La baja
cifra media anual (28.903 visitantes)
obliga a realizar una intensa promoción
de cada centro cultural, más allá de los
límites de la comarca o provincia en la
que se ubica. Mejorar la señalización,
muy deficiente en algunos casos, es
1 Los museos encuestados en 2009 fueron los siguientes: Museo de la Siderurgia de Langreo, CaixaForum de Barcelona, Museo de las Aguas de Cornellà del Llobregat, Museo de la Colonia Vidal de
Puig-reig, Museo de la Ciencia y Técnica de Tarrasa, Museo Hidroeléctrico de La Torre de Capdella, Ecomuseo Farinera de Castelló d´Empúries, Fábrica de harinas San Antonio de Medina de Rioseco,
Museo de Boinas La Encartada de Balmaseda, Museo Pickman de Santiponce y Parque Minero de Minas de Riotinto, Nerva y El Campillo.
156
Dyna Marzo - Abril 2012 • Vol. 87 nº2
Colaboración
evidentemente otro aspecto importante
a destacar.
Más del 60% del público procede
de la misma provincia en la que se
localiza el museo. Solo cuando se
sitúan en una área apartada de escasa
población, o en ciudades grandes, el
origen de las visitas se diversifica y se
amplía hasta alcanzar prioritariamente
el ámbito regional. El público del
resto del país representa un porcentaje
escaso y se sitúa en el entorno del 8%.
Es aún más bajo para el procedente del
extranjero (1%-5%), incrementándose
hasta el 15% cuando la ubicación
del museo está próxima a la frontera
francesa o portuguesa.
Las visitas se reducen a partir de los
50 km., constituyendo el área próxima
de máxima frecuentación. Por encima
de esa distancia la influencia decrece y
las visitas se reducen, creándose entre
los 50 y los 100 km. la denominada
periferia próxima. Más allá de los 100
km. y, sobre todo, de los 150, el número
de visitantes desciende intensamente y
se puede hablar de periferia lejana de
mínima frecuentación. La distancia,
por lo tanto, desempeña un papel
determinante en el conocimiento e
imagen de los centros.
Uno de los centros que tiene una
área de influencia más extensa es el
Museo de la Ciencia y Técnica, en
Tarrasa (Barcelona), por ser una de
las grandes referencias internacionales
en este tipo de turismo. Ocupa una
nave modernista de 11.000 m2 sobre
una parcela de 24.000 m2. Protegido
por su interés cultural, el número de
visitantes se aproxima a los 100.000
anuales. Otros dos importantes centros
de patrimonio industrial en España,
igualmente catalogados, son el
Parque Minero de Riotinto (Huelva),
que acoge unas 80.000 visitas, y La
Encartada de Balmaseda (Vizcaya),
con más de 15.000.
impulso industrial se alcanzó con la
construcción de las azucareras Nuestra
Señora del Rosario en 1862 y Nuestra
Señora del Pilar en 1882.
El primer complejo fabril cerró
en 2006 y es la fábrica de azúcar de
caña que mejor se conserva de Europa.
Fue declarada BIC en 2008 y consta
con una amplia serie de naves, salas,
oficinas, chimeneas y plaza de cañas.
Fig. 2: Interior musealizado de la fábrica La Encartada
(Balmaseda)
3. POTENCIALIDAD TURÍSTICA
DE ALGUNOS ELEMENTOS DE
INTERÉS CONSTRUCTIVO Y
TÉCNICO
Fig. 3: Na. Sa. del Rosario (Salobreña)
Ortofotografía digital de Andalucía B/N, vuelo 2001-2002,
Instituto de Cartografía de Andalucía
En la costa oriental andaluza existe
un importante legado vinculado a la
producción del azúcar de caña. Esta
industria tuvo un auge espectacular
entre 1860 y 1880, al amparo de unas
excelentes condiciones naturales
y la existencia de una burguesía
emprendedora con fuertes vínculos
políticos y bancarios.
En 1899 había 21 fábricas de
azúcar de caña funcionando en la
zona, siendo máxima la concentración
en Motril y Salobreña. El cénit del
Fig. 4: Vista parcial de la fábrica Na Sa del Rosario
(Salobreña)
Cuadro 1
Influencia de la distancia en las visitas a los museos industriales
Ámbito
Distancia (km.)
% general de visitas
Área próxima de máxima frecuentación
0-49
75,4
Periferia próxima
50-99
21,6
Periferia lejana de mínima frecuentación
100 y +
3,0
Fuente: encuesta postal y elaboración propia.
Dyna Marzo - Abril 2012 • Vol. 87 nº2
157
Colaboración
Cuadro 2
Características generales de protección
Conjunto fabril
(Localidad)
Cronología
Figura
Estado (Fecha)
Tipología jurídica
Nª Sª del Rosario.(Salobreña)
1862
BIC
Inscrito (10/11/2008)
Lugar de Interés Etnológico
Nª Sª del Pilar. (Motril)
1882
BIC
Inscrito (28/11/1996)
Carácter genérico
Fuente: Instituto Andaluz del Patrimonio Histórico, Base de datos del patrimonio inmueble de Andalucía.
El conjunto de Nuestra Señora del
Pilar es un modelo de factoría-colonia
muy característico del sector azucarero. Resultado de varias ampliaciones
y modificaciones, cesó su actividad en
1986 y desde 1996 aparece protegido
como BIC. Las sucesivas transformaciones han reducido las instalaciones
originales, conservándose un conjunto
de máquinas de vapor de finales del
XIX y un tren de molinos de 19281929.
Los dos conjuntos fabriles conservan un número elevado de máquinas
e instrumentos auxiliares, con los que
se puede seguir la evolución técnica
del sector azucarero a lo largo de más
de un siglo. En la azucarera de Motril
destacan especialmente diez máquinas
de vapor, que constituyeron en su momento el conjunto más amplio de una
fábrica española.
localiza en la nave de molturación, con
un tren de molinos que fue accionado
por la última máquina de vapor en
funcionamiento en una azucarera
europea. La maquinaria está inscrita y
catalogada desde 2008 por su evidente
interés técnico.
Fig. 5: Vista parcial de la fábrica
Nª Sª del Pilar (Motril)
Fig. 6: Máquina de vapor y tren de molinos de la azucarera
Nª Sª del Rosario (Salobreña).
La maquinaria más importante de la
fábrica Nuestra Señora del Rosario se
Las características arquitectónicas
y técnicas, además de la privilegiada
Cuadro 3
Máquinas de vapor de Nuestra Señora del Pilar
Fecha de
construcción
Utilidad
s/f
Obtención de energía
1889
1929
(2 unidades)
1893
1898
Hacia 1900
1889
1889
1900
Marca
Regulador de velocidad
Diámetro del volante
(cm)
Watt
320
Extracción del jugo
AgtienMachienenfabrik
Fives-Lille
Watt
300
Extracción del jugo
Fives-Lille
Amortiguación hidráulica
520
Purificación del jugo
Purificación del jugo
Purificación del jugo
Purificación del jugo
Concentración del jugo
Concentración del jugo
BMA
Carion-Delmotte
Talleres Castaños
Fives-Lille
Fives-Lille
Fives-Lille
Porter
Watt
Sin regulador
Watt
Watt
Watt
180
250
60
200
240
220
Fuente: Instituto Andaluz del Patrimonio Histórico, Listado de bienes muebles protegidos.
158
Dyna Marzo - Abril 2012 • Vol. 87 nº2
Colaboración
localización, ofrecen un gran potencial
turístico para los dos enclaves
industriales:
a) En la fábrica Nuestra Señora del
Pilar está prevista la inauguración
de un Museo del Azúcar.
b)La recuperación de Nuestra
Señora del Rosario debe contar
necesariamente con un proyecto
de características semejantes,
pero
complementario
del
anterior, en el que se muestre el
amplio conjunto de máquinas
y herramientas y se ofrezca
una base interpretativa sólida y
acorde con el pasado productivo
de la zona.
Tomando los 100 km. como límite
casi máximo de atracción de visitantes
para los museos industriales, los dos
enclaves se proyectarían como centros
culturales de referencia sobre una área
comprendida entre las ciudades de
Málaga, Almería y Granada, donde
Motril y Salobreña representan el
centro geográfico casi equidistante.
En este territorio, con una
población aproximada de 1,5 millones
de habitantes, se encontraría la
demanda potencial de los dos centros
museísticos. Las cifras, a las que habría
que añadir los turistas nacionales y
extranjeros que visitan esta parte de
Andalucía, garantizan un alto índice
de función turística, la generación de
empleo y el refuerzo de la imagen
turística percibida con proyectos
sostenibles de recuperación.
4. CONCLUSIONES
En línea con otras publicaciones
europeas y americanas, realizadas en
países como Reino Unido, Francia,
Alemania, Bélgica o Estados Unidos,
este artículo incorpora el patrimonio
industrial de España al amplio y
reciente campo científico de los
estudios turísticos.
Aunque las recuperaciones más
conocidas son urbanas, el legado
fabril se ubica fundamentalmente en
el ámbito rural. Esto constituye un alto
potencial para el turismo de interior
y la creación de rutas y empleo en
entornos de escasa diversificación
económica. En cualquier caso, para
incentivar este tipo de turismo cultural
hay que superar las dificultades de la
dispersión geográfica de los elementos
industriales.
El grado de atracción de los museos
industriales es aún escaso, con un área
de influencia que decrece rápidamente
a partir de los 50 km. Se han establecido
tres ámbitos distintos: área próxima
de máxima frecuentación, periferia
próxima y periferia lejana de mínima
frecuentación. Conocer el alcance
territorial permite planificar las
actuaciones futuras de otros proyectos
de recuperación y su promoción.
Este turismo afecta a todas las
regiones españolas, aunque las
históricamente
industrializadas
cuentan con modelos de nuevo uso
probablemente de mayor interés. El
incremento de demandas culturales
cada vez más especializadas eleva la
potencialidad turística de los recursos,
como los propuestos para la costa
oriental de Andalucía.
PARA SABER MÁS:
- Aguilar Inmaculada. Arquitectura
industrial. Concepto, método y fuentes.
Valencia: Diputación de Valencia,
1998. ISBN: 84-779-5174-8.
- Butler Richard. “Sustainable tourism:
a state-of-the art review”. Tourism
Geographies. 1999, vol. 1, nº 1, p.
7-25.
- Dickson Kenneth. “Finding new uses
for redundant industrial buildings, and
working with the community to deliver
local aspirations”. Third European
Industrial and Technical Heritage
Weekend. Barcelona-Tarrasa, 24-26 de
octubre, 2008.
- Edwards Arwell y Llurdés Joan Carles.
“Mines and quarries: industrial
heritage tourism”. Annals of Tourism
Research. 1996, vol. 23, nº 2, p. 341363.
- Fernández Guillermina y Guzmán Aldo.
“El patrimonio industrial como recurso
para crear rutas turísticas: algunas
propuestas en Argentina”. Caderno
Dyna Marzo - Abril 2012 • Vol. 87 nº2
Virtual de Turismo. 2004, vol. 4, nº 4,
p. 57-68.
- Hospers Gert-Jan. “Industrial heritage
tourism and regional restructuring
in the European Union”. European
Planning Studies. 2002, vol. 10, nº 3, p.
397-404.
- Jansen-Verbeke Myriam. “Industrial
Heritage: a Nexus for Sustainable
Tourism Development”. Tourism
Geographies. 1999, vol. 1, nº 1, p.
70-85.
- Pardo Carlos Javier. Turismo y
patrimonio industrial. Un análisis
desde la perspectiva territorial. Madrid:
Editorial Síntesis, Colección ‘Gestión
Turística’, 2008. ISBN: 978-84975656-3-9.
- Pardo Carlos Javier. “Estrategias de
ordenación y gestión urbana del
patrimonio industrial en España”.
Ciudad y Territorio. Estudios
Territoriales. 2008, vol. XL, nº 157, p.
473-498.
- Pérez Leonel y Parra Claudia. “Paisajes
culturales: el parque patrimonial
como instrumento de revalorización
y revitalización del territorio”. Teoría.
2004, vol. 13, nº 1, p. 9-24.
- Prentice Richard, Witt Stephen y
Hamer Claire. “Tourism as Experience:
the Case of Heritage Parks”. Annals of
Tourism Research. 1998, vol. 25, nº 1,
p. 1-24.
- Sabaté Joaquín. “De la preservación
del patrimonio a la ordenación del
paisaje”. Urbano. 2004, vol. 10, p. 4249.
- Sobrino Julián. “La arquitectura
industrial: de sala de máquinas a
caja de sorpresas”. Ábaco. Revista de
Cultura y Ciencias Sociales. 1998, nº
19, p. 19-28.
- Stratton Michael. Industrial buildings:
conservation and regeneration.
Londres: E. & FN. Spon, 2000. ISBN:
0-419-23630-9.
159
3310 TECNOLOGÍA INDUSTRIAL
Simulación y optimización de los recursos de servicio de asistencia técnica (SAT)
Arkaitz Uriarte-Zearra, Itziar Ricondo-Iriondo, Aitor Goti-Elordi, Kristina Bogataj
3310.04 INGENIERÍA DE MANTENIMIENTO
Simulación y optimización de los
recursos de Servicio de Asistencia
Técnica (SAT)
Arkaitz Uriarte-Zearra*
Itziar Ricondo-Iriondo*
Aitor Goti-Elordi**
Kristina Bogataj***
Ingeniero en Organización Industrial
Dra. Ingeniero en Organización Industrial
Dr. Ingeniero Industrial
Master en eBusiness management
*IDEKO-IK4. Línea de investigación de Gestión de la Producción. Arriaga Kalea, 2 20870 Elgoibar (Gipuzcoa). Tfno: + 34 943 748000. [email protected] ; [email protected]
** UNIVERSIDAD DE MONDRAGÓN. Escuela Politécnica Superior de Mondragón. Dpto. de Mecánica y
Producción Industrial. Calle Loramendi, 4 – 20500 Mondragón. Tfno: +34 943 797000.
[email protected]
*** ORIA, poslovne rešitve, d.o.o. Litostrojska c. 52, 1000 Ljubljana (Eslovenia).
Tfno: +386 (01) 5140300. [email protected]
Recibido: 05/07/2011 • Aceptado: 06/02/2012
DOI: http://dx.doi.org/10.6036/4315
TECHNICAL ASSISTANCE SERVICE (TAS) SIMULATION AND OPTIMIZATION
RESUMEN
ABSTRACT
• In today’s increasingly global industrial environment, machinery
manufacturers should base their offer beyond the selling of
efficient, good quality and good priced products. It is necessary for
companies offer prompt and efficient technical assistance service
to their customers (regardless their location) if they want to
continue surviving and competing. On the other hand, customers
are willing to pay for machinery equipment which guarantee high
production availability. Consequently, service and, particularly,
Technical Assistance Service (TAS) become critical when assuring
this availability. In this sense, companies have increased their
export sales with not a clear or accurate sized and location of
their TAS units. This paper focuses on the optimization the sizing
of required human resources TAS points and TAS points locations
through the use of a Discrete Event Simulation software. The
program has been used in a real case in order to optimize the TAS
department of a company of DANOBATGROUP in a specific area.
This work has been carried out through the use of a Discrete Event
Simulation program and later exploitation with spreadsheets.
• Keywords: Technical Service Assistance (TAS), Resources, Mean
Time Between Failures (MTBF), Mean Time To Recovery (MTTR),
optimization, decision making, discrete event simulation.
160
En un entorno industrial cada vez más globalizado ya no
es suficiente con vender productos eficientes, de alta calidad y
a un precio competitivo. Para que las empresas puedan seguir
existiendo o compitiendo, es necesario además que ofrezcan
un servicio de asistencia técnica rápido y eficaz a sus clientes,
independientemente de la localización en la que se encuentren
los mismos. Por otro lado, los clientes están dispuestos a pagar
por equipos y/o maquinaria que les garanticen disponibilidad
productiva. Por tanto, el servicio y el servicio de asistencia
técnica en particular se convierten en aspectos críticos para el
aseguramiento de la disponibilidad. En este sentido, las empresas
han incrementado sus exportaciones sin dimensionar y localizar
de forma clara y precisa sus puntos de SAT. Este artículo se
centra en el dimensionamiento de los recursos humanos de los
puntos de servicio SAT, así como en la localización del punto de
servicio SAT a través de la simulación por elementos discretos.
Para ello se presentará un caso real en el que mediante las
herramientas desarrolladas se ha optimizado el SAT de una de
las empresas de DANOBATGROUP, fabricante de máquina
herramienta, en una determinada región.
Este trabajo se ha llevado a cabo a través del uso de un
programa de Simulación de Eventos Discretos y posterior
explotación de los resultados mediante una hoja de cálculo.
Palabras clave: Servicio de Asistencia Técnica (SAT),
recursos, Tiempo Medio de Buen Funcionamiento (MTBF),
Tiempo Medio de Reparación (MTTR), optimización, toma de
decisiones, simulación de eventos discretos.
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1. INTRODUCCIÓN
En un entorno cada vez más globalizado, ya no es
suficiente con vender productos eficientes con alta calidad
y a precios competitivos. Hoy en día, la competitividad
no se centra exclusivamente en el producto, sino que
abarca conceptos más amplios que añaden servicios a
las funcionalidades tradicionales del producto [Oliva &
Kallenberg, 2003]. Este artículo se centra en la optimización
de uno de estos servicios, el SAT.
Actualmente, para que las empresas dedicadas a la venta
de maquinaria puedan seguir existiendo o compitiendo,
además de vender máquinas competitivas, también deben
ofrecer un servicio SAT rápido y eficaz a sus clientes,
independientemente de la localización en la que se encuentren
los mismos.
Para los fabricantes tradicionales (orientados al producto)
supone un reto adaptar sus estructuras y capacidades de
servicio de modo que puedan asegurar a los clientes la
disponibilidad de los equipos o máquinas suministrados,
durante todo el ciclo de vida. Por tanto, el logro de altos
valores de disponibilidad operativa de los equipos de
fabricación y los productos manufacturados se convierte en
un factor dominante para la competitividad de los usuarios
finales [Narayan, 2004], donde la disponibilidad se define
como el tiempo en el que un sistema está en disposición de
trabajar sobre el tiempo que se requiere que el sistema esté
en uso [Birolini de 2007, Blanchard, 1995]. Sin embargo, es
necesario tener en cuenta que muchos usuarios de equipos
insisten en la necesidad de una mayor disponibilidad del
sistema a un mínimo costo [Kumar, 2000]. De modo que
el fabricante no se puede centrar exclusivamente en sus
procesos de fabricación, también debe atender y optimizar
aquellos procesos que ocurren mientras el sistema está en
uso.
En el caso del proceso de SAT, con frecuencia y debido a
diferentes razones, muchas de las PYMEs y de las empresas
con estructura LEAN no pueden soportar la estructura de
recursos que sería necesaria para mantener sus equipos, por lo
que a menudo se externaliza el servicio (38% de los trabajos
de mantenimiento realizados en España se externalizan,
[Goti y Arnaiz, 2008]) y dejan en manos de los fabricantes
un nuevo proceso a ser gestionado.
Analizando la bibliografía existente, esta problemática
de reparación de máquinas ya ha sido analizada por la teoría
de colas y las cadenas de Markov. El primer problema con
la teoría de colas fue considerado por Erlang en 1908. La
teoría de colas [Cooper, 1981] se ocupa de los problemas que
implican cola (o esperas). Este modelo puede explicar una
situación en la que hay K máquinas que se averían con una
tasa λ y cuentan con R trabajadores de mantenimiento que
pueden arreglar las máquinas según una tasa μ. Sin embargo,
los métodos analíticos sólo son válidos para sistemas de
colas relativamente simples. Los sistemas complejos de cola
casi siempre son analizados mediante simulación de eventos
discretos (DES).
El problema del tamaño del departamento de SAT se
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3310.04 INGENIERÍA DE MANTENIMIENTO
considera una problemática relativamente compleja, ya
que al tamaño se le añaden algunos aspectos más como la
ubicación de las máquinas en una región geográfica, el hecho
de que diferentes familias de máquinas tengan diferentes
indicadores de fiabilidad, las sanciones por un servicio tardío
y el costo de alquilar instalaciones o edificios donde ubicar
al departamento de SAT. Por tanto, a la hora de abordar este
problema, la simulación parece ser una solución eficiente, ya
que permite una gran flexibilidad en el modelado de sistemas
complejos y además añade simplicidad a la interpretación
de los resultados. Este hecho supone una ventaja a fin
de mostrar los resultados a los directivos en un entorno
industrial y posteriormente tomar decisiones y medidas.
Algunas herramientas basadas en DES son Witness [Witness,
2008], Tecnomatix [Simulación Tecnomatix Planta, 2010] o
Arena [Arena, 2010]. Ofrecen la capacidad de modelar y
modificar los modelos de sistemas complejos con facilidad.
Duffuaa et al. (2001) afirma que la simulación es la mejor
alternativa a los modelos de análisis para las funciones de
mantenimiento, debido a la complejidad de las operaciones
de mantenimiento, la incertidumbre de los parámetros de
las llegadas, la secuenciación, así como la disponibilidad
de recursos. Oyarbide et al. (2008), por su lado, utiliza
una combinación de la simulación de eventos discretos y
algoritmos genéticos para la optimización del mantenimiento
preventivo.
El objetivo de este artículo es presentar un modelo para
el establecimiento óptimo de puntos de SAT, tanto desde el
punto de vista de dimensionamiento (nº de persona) como de
ubicación geográfica, con el objeto de minimizar el coste total
de establecimiento y operación del servicio de SAT en una
región geográfica. Para ello se ha hecho uso de la Simulación
de Eventos Discretos (Discrete Event Simulation, DES) y la
herramienta ha sido implementada en una empresa del sector
de la máquina herramienta, con un parque de máquina de
más de 500 en el país de estudio (Alemania).
2. MATERIAL Y MÉTODOS
2.1. PRESENTACIÓN DEL PROBLEMA
El funcionamiento del servicio SAT se representa de la
siguiente manera: cuando una máquina se avería, el cliente
solicita ayuda técnica al servicio SAT del fabricante. El técnico
de SAT se desplaza a las instalaciones del cliente, chequea la
máquina y la repara. Este servicio debe ser realizado en un
tiempo menor al establecido contractualmente con el cliente,
normalmente especificado en tiempo de asistencia máxima
y ratio de disponibilidad de máquina. El técnico de SAT,
una vez finalizado su trabajo, vuelve a sus instalaciones de
origen para después atender otras posibles averías.
En este marco, la ubicación de las instalaciones de SAT
se convierte en un importante factor a tener en cuenta. Su
localización determina las distancias que habrá a casa de los
clientes y por tanto el tiempo que el técnico necesitará en
desplazarse a una ubicación u otra. Es necesario por tanto
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localizar correctamente el punto de partida del Servicio para
ofrecer un servicio rápido y eficiente, tratando de eliminar
o en su caso minimizar los tiempos en operaciones que no
aportan valor (tales como el desplazamiento).
Las estrategias seguidas por los fabricantes a la hora
de establecer la localización del punto SAT pueden ser
muy diversas: cercanía a clientes prioritarios, selección de
localidades que permiten una fácil y rápida movilidad hacia
distintas localizaciones, selección de la ubicación en función
de los costes de alquiler y de mano de obra o la identificación
de la localización centroide del mapa de máquinas, entre
otras.
En cuanto a las averías, la frecuencia de las averías
o reparaciones a realizar por los técnicos puede no ser
determinista y, generalmente, no lo es. No obstante, sí se
admite que se puede definir algún tipo de caracterización
del comportamiento de la ocurrencia de estas averías o
reparaciones y los tiempos de reparación a partir del análisis
de los datos históricos disponibles. En cualquier caso,
el fabricante debe registrar correctamente las diferentes
tareas de los pedidos de SAT, con objeto de poder obtener
estadísticas fiables.
Si bien la actividad de asistencia técnica puede ser de
carácter correctivo o programado, este artículo se centra en
el mantenimiento correctivo. La diferencia entre estos dos
tipos de actividad reside en la existencia de avería. En el
mantenimiento programado, el cliente programa una serie
de operaciones de mantenimiento en sus máquinas, para
los cuales requiere de apoyo o asistencia del fabricante. El
origen de este tipo de tareas de mantenimiento a subcontratar
puede venir de un plan de mantenimiento preventivo, como
resultado de un mantenimiento predictivo, de un correctivo
no resuelto completamente o un proyecto de adaptación o
remodelación que el cliente haya querido llevar a cabo, entre
otros. Por el contrario, en el mantenimiento correctivo, la
máquina se avería y el fabricante debe reparar la avería lo
antes posible para que la instalación se vuelva a poner en
marcha y el cliente pueda continuar con su fabricación. Para
poder atender a esas reparaciones y averías, el departamento
o punto de servicio SAT dispone de un equipo técnico
cualificado capaz de realizar tareas de mantenimiento
mecánico, eléctrico, electrónico, hidráulico y/o neumático.
En muchas empresas, a la hora de dimensionar el equipo
es necesario también tener en cuenta la tipología de la avería
(mecánica, eléctrica, etc.) y a partir de ella realizar los cálculos
pertinentes para dimensionar el equipo. En el caso estudiado,
en cambio, el equipo es polivalente y por tanto capaz de
realizar operaciones de distinta índole, lo que permitirá
simplificar el marco de estudio y el modelo de simulación a
realizar. No obstante, la herramienta desarrollada es apta para
realizar estudios específicos dependiendo de la cualificación
de los técnicos. Para ello, el usuario de la herramienta no
debe más que ajustar los parámetros de MTBF y MTTR de
las máquinas del área de estudio a la tipología de averías
(y por tanto cualificación del técnico), y realizar una nueva
simulación para obtener el dimensionamiento óptimo para
162
la tipología de averías estudiada (Mecánico, eléctrico, etc.).
Los parámetros de MTBF y MTTR dependiendo de la
tipología de avería se pueden obtener explotando los filtros
de las bases de datos que tienen los distintos SAT.
Otro aspecto también a tener en cuenta es que el
parque de máquinas contiene equipos/instalaciones/
máquinas de diferentes familias de productos. Ello supone
un comportamiento distinto de cada máquina (familia de
máquina) y por tanto ratios de MTBF y MTTR distintos para
cada una de ellas.
2.2. MODELO DE SIMULACIÓN
Para el desarrollo de los modelos de simulación para el
dimensionamiento de los recursos humanos y su ubicación,
se ha optado por hacer uso de una herramienta DES (Discrete
Events Simulation). La simulación de eventos discretos
permite modelar sistemas de diversa complejidad a partir
de un conjunto de variables que representan el estado de los
elementos del sistema y en los cuales los valores cambian de
forma discreta a lo largo del tiempo.
Las principales ventajas del DES son dos (Goti,
Oyarbide-Zubillaga, y Sánchez 2007; Oyarbide-Zubillaga,
Goti, y Sánchez 2008):
I) Las herramientas basadas en el DES estándar
proporcionan capacidades de modelización o
modificación de modelizaciones de sistemas
complejos fácilmente.
II) DES está estrechamente relacionado con sistemas
estocásticos de manera que son apropiados para
simular fenómenos reales, ya que existen pocas
situaciones donde las acciones de las entidades que se
encuentran dentro del sistema bajo estudio pueden ser
completamente previstos por adelantado. Para generar
eventos estocásticos, los paquetes de simulación
generan números pseudo-aleatorios para seleccionar
un valor particular para cada distribución dada. Así, en
modelos DES, utilizando números pseudo-aleatorios
es posible implementar la naturaleza estocástica de
modelos reales.
El mecanismo de funcionamiento del DES, según Harrell,
Ghosh, y Bowden (2000) se muestra en la Figura 1.
Este modelo representa la secuencia que siguen los
técnicos de SAT en situaciones de averías simultáneas. En
aquellos casos donde el equipo de SAT está formado por
más de 1 persona y se producen averías simultáneas o
secuenciales, la o las avería/s no atendidas por un técnico
es o son asistidas por el otro u otros técnicos del equipo. De
esta forma los tiempos de espera a máquina se minimizan.
No obstante, siempre existe la posibilidad de que el equipo
de SAT no sea capaz da atender a todas las averías ocurridas
en un periodo de tiempo determinado (debido a que están
ocupados todos los técnicos u otras razones). Por tanto es
posible que las máquinas tengan que esperar a que alguno
de los técnicos se libere para poder ser atendidas y se deba
considerar un tiempo j de espera en máquinas.
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Fig.1: Diagrama del proceso DES aplicado al problema de estudio [Harrell et al., 2000]
Una vez reparada la avería, el procedimiento habitual
en máquina herramienta es que el técnico de SAT vuelva
a la central de SAT. En otros sectores como puede ser el
de electrodomésticos u otros de reparación relativamente
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rápida, es habitual que los técnicos
de SAT realicen una ruta visitando
diferentes clientes en un mismo día,
pero en el caso de máquina herramienta
las reparaciones suelen ser más largas.
Teniendo en cuenta el hecho de que los
técnicos SAT vuelven a la central, se
ha modelizado el problema como un
conjunto de nodos (representando las
localizaciones de los clientes, como se
explicará posteriormente) unidos a la
central de SAT, de modo que todos los
caminos parten de este nodo central de
SAT.
En este proyecto, el modelo ha
sido desarrollado haciendo uso de
una versión gratuita pero limitada
del programa de simulación Witness
(Lanner 2008). Debido a las limitaciones
de este programa informático (en
cuanto al número de objetos posibles
a simular) y a la conveniencia de
mantener la complejidad del modelo
en un nivel aceptable, se ha optado por
la agrupación de clientes mediante la
técnica estadística de clusterización.
Esta agrupación permite dibujar y
trabajar con un modelo mucho más
sencillo y fácil de gestionar pero con
resultados muy similares a la realidad.
Cada grupo o cluster es un nodo que
representa la ubicación geográfica de un
conjunto de máquinas.
El parque de máquinas instalado
se ha agrupado mediante el uso de
una herramienta SPSS y la técnica
“K-means”, en el que se siguen las
siguientes etapas: (i) Seleccionar el
número de grupos “k” a generar; (ii)
generar “k” grupos aleatoriamente y
determinar los centros de los grupos,
o generar directamente “k” puntos
aleatorios como centros de grupo; (iii)
asignar cada punto (máquina) al grupo
más cercano (según distancia hasta el
centro de grupos); (iv) recalcular nuevos
centros de los grupos, y (v) repetir
los dos pasos anteriores hasta que se
encuentre un criterio de convergencia.
En este estudio se han calculado
distintos números de grupos con
intención de testear y validar la
sensibilidad del modelo a diferente número de grupos. El
resultado del análisis de grupos es la localización final de
los centros de los grupos (longitud y latitud) y el número de
casos (máquinas) asociados a cada grupo.
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Por otro lado, el modelo permite asignar a cada nodo o
grupo un conjunto de máquinas diferenciado por familias,
ya que los indicadores de fiabilidad pueden variar según las
diferentes familias de máquinas.
Los factores fundamentales que toman parte en el modelo
de simulación desarrollado son:
• Tiempo medio de buen funcionamiento (MTBF):
MTBF es el acrónimo de las palabras inglesas Mean
Time Between Failures, o tiempo medio entre fallos. El
MTBF es el tiempo medio entre cada ocurrencia de una
parada específica por fallo (o avería) de un proceso, o
en otras palabras, la inversa de la frecuencia con que
ocurre cada parada.
• Tiempo medio de reparación (MTTR): MTTR es el
acrónimo de las palabras inglesas Mean Time To Repair
o tiempo medio hasta haber reparado la avería.
• Tiempo de viaje: tiempo que el técnico de asistencia
técnica requiere para desplazarse desde la base del
servicio de asistencia técnica a la fábrica del cliente
donde se ha producido una avería de máquina y
después volver a la base.
• Tiempo máximo de servicio: tiempo máximo que
tiene el servicio de asistencia técnica para presentarse
en casa del cliente para la reparación de la avería, sin
recibir ninguna penalización por ello. Normalmente
esta variable se define con el cliente durante la fase de
negociación y firma de contratos de mantenimiento o
de garantía.
• Tiempo máximo de reparación o nivel de disponibilidad
concertado con el cliente: tiempo máximo que tiene el
servicio de asistencia técnica para reparar o dar una
solución definitiva a una avería, sin recibir ninguna
penalización por ello. Normalmente esta variable se
define con el cliente durante la fase de negociación y
firma de contratos de mantenimiento o garantía.
• Coste de mano de obra.
Para poder cuantificar estos factores es necesario tener
en cuenta la agrupación llevada a cabo. Es preciso, por tanto,
que los nuevos grupos definidos representen la globalidad
del sistema, de forma que cada grupo funcione de manera
análoga a la que haría la globalidad del conjunto de máquinas
a las que representa.
En este caso, los grupos se han tratado como sistemas de
máquinas en serie (si una máquina falla, falla todo el sistema)
[Ireson, 1996] y las fórmulas empleadas para calcular los
valores de los factores de estudio que representan el grupo
han sido:
Donde
MTBFk es el MTBF del grupo k.
MTTFk es el MTTF del grupo k.
MTTRk es el MTTR del grupo k.
MTTRi es el MTTR de cada máquina incluida en el grupo.
Figura 2: Representación gráfica del modelo en Witness
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A la hora de analizar los resultados de la simulación y
establecer la dimensión y la ubicación óptima de la sede de
SAT se han empleado dos indicadores principales: (1) %
de cumplimiento de servicios (en plazos acordados con los
clientes), (2) Coste Total Anual del punto de servicio SAT,
que puede ser desglosado también por sus componentes
principales de costes fijos y costes por penalizaciones.
El coste total anual que puede tener la empresa (costes
SAT) se calcula a partir de las distintas variables de coste
tenidas en cuenta:
• Costes de personal: corresponden al coste anual que
supone la contratación y/o mantenimiento de cada
técnico de servicio de asistencia técnica para la empresa
(€/año y persona). Este coste dependerá del número de
técnicos que estén contratados.
• Penalizaciones por asistencia tardía: muchos clientes
definen contratos de asistencia con el fabricante con
intención de asegurar una temprana asistencia en caso
de que alguna de sus máquinas se estropee. De forma
que si el fabricante llega tarde tiene que pagar una
penalización en forma de descuento sobre la factura
final de la asistencia técnica (€/h) a pagar por el cliente.
• Penalizaciones por reparación tardía o no cumplimiento
de ratios de disponibilidad concertados: al igual que
en el caso anterior, en muchos casos también existe
otro tipo de coste para el fabricante de maquinaria,
que corresponde a las penalizaciones que debe pagar
en caso de que el tiempo de reparación le suponga
más que el acordado con el cliente en el contrato de
servicio de asistencia técnica y mantenimiento anual
o las penalizaciones por no cumplir con los niveles
de disponibilidad concertados en los distintos pliegos
de compra realizados con el cliente (en este proyecto
ambos casos se han trasladado en €/h).
• Costes de Alquiler: dependiendo de la ciudad o
localidad donde esté instalada el punto de servicio
SAT. Los costes de alquiler de oficinas, edificio,
equipamiento, etc. varían. Este coste, se considera
como un coste anual.
Siendo la siguiente la fórmula final:
• Coste Total Anual de SAT= Costes Fijos + Coste
Penalizaciones.
• Costes Fijos= Costes de Alquiler + Costes de Operarios.
Una vez desarrollado el modelo de simulación, la
dimensión óptima de técnicos de SAT se obtiene lanzando
directamente la simulación con los parámetros de coste
para cada ubicación en estudio. Para la optimización de la
localización, en cambio, primero será necesario definir la
nueva localización a estudiar (en función de criterios tales
como la cercanía a determinados clientes, punto centroide
del sistema de distribución de máquinas, ciudades con
buenas vías de comunicación, etc.) y a partir de ahí calcular
el coste total anual que se obtendría en cada una de las
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ubicaciones estudiadas y seleccionar aquella que presente
como resultado el menor coste total y los mejores ratios de
cumplimiento de servicio.
3. CASO DE APLICACIÓN
El modelo de simulación se ha testeado y validado
con datos reales de SAT de una de las empresas de
DANOBATGROUP. Este grupo industrial forma parte del
Grupo Mondragón (la séptima corporación más grande de
España). DANOBATGROUP fabrica Máquinas Herramienta
(Tornos, Fresas, Rectificadoras, Sierras, Punzonadoras, etc.)
para los principales sectores industriales desde 1954 y cuenta
con un total de 9 plantas productivas distribuidas en España,
Alemania y Reino Unido.
La empresa en estudio de DANOBATGROUP estaba
interesada en evaluar el dimensionamiento actual de su red de
SAT en Alemania, uno de sus países/mercado estratégicos y
determinar si los costes y la localización existente podían ser
optimizados. Actualmente la empresa cuenta con un parque
de máquinas superior a 500 máquinas en Alemania. Para la
definición del modelo se ha hecho uso de la información
almacenada en la base de datos del departamento de SAT.
El MTBF y el MTTR se han obtenido a partir del número
de asistencias realizadas y el número de horas imputadas
por asistencia. Para definir el Tiempo de viaje en cambio,
se han calculado los tiempos de traslado a las distintas
localizaciones, mediante el cálculo de distancias entre el
punto de servicio SAT y la localización de los centros de
los grupos (cálculo realizado mediante aplicaciones Web y
el uso de coordenadas para la localización de máquinas y
grupos).
En el caso de estudio se mostrarán los resultados obtenidos
en 3 ubicaciones: la primera ubicación corresponde con la
disposición actual de la central de SAT en el país de estudio,
Alemania; la segunda ubicación es el punto centroide
del conjunto de máquinas, mientras que en el tercer caso
se ha ubicado la central de SAT es un punto extremo del
mapa, en concreto en Düsseldorf. Se da la circunstancia de
que la central actual SAT y el centroide están muy cerca.
A continuación se amplia esta información con datos de
distancias entre la central de SAT y los diferentes clusters o
agrupaciones geográficas de máquinas realizados:
• Caso 1 (SAT Actual): agrupación del parque de máquinas
en 30 agrupaciones geográficas, con agrupaciones que
contienen de 5 máquinas a 58 máquinas por agrupación
(media de 18 máquinas). Las distancias desde el punto
de servicio SAT al punto centroide de cada agrupación
de máquinas varían de 36 Km. a 593 Km., siendo la
media de 317 Km. y la desviación típica de 139 Km.
• Caso 2 (SAT en punto centroide): agrupación del parque
de máquinas en 30 agrupaciones. Las distancias desde
el punto de servicio SAT (punto centroide a partir de la
ubicación de las máquinas del parque de maquinaria) al
punto centroide de cada agrupación en cambio varían
de 95 Km. a 594 Km., con una media de 344 Km. y
desviación típica de 112 Km.
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• Caso 3 (SAT en un extremo,
Düsseldorf): agrupación del
parque de máquinas en 30
agrupaciones. Las distancias
desde el punto de servicio SAT
al punto centroide de cada
agrupación en cambio varía
de 49,5 Km. a 703 Km., donde
la media es de 405 Km. y la
desviación típica de 172 Km.
En cuanto a las restricciones,
los tiempos máximos de espera y
de reparación, así como las posibles
penalizaciones se han obtenido de
los contratos de mantenimiento y de
garantía definidos por la empresa
con sus clientes. En la Tabla 1 se
muestran los valores referencia para
las diferentes simulaciones realizadas
en un escenario de 3 turnos de trabajo
en casa del cliente.
A continuación se comentarán
los principales resultados obtenidos.
Primeramente, se mostrarán y
analizarán los resultados obtenidos
con la ubicación de SAT actual.
Después se mostrará la sensibilidad del
modelo a la variable clave de costes de
penalización. Por último, se mostrará
cómo varían los resultados totales para
las 3 ubicaciones analizadas.
En el caso inicial, localización en SAT actual, se observa
que la dimensión óptima para la problemática de estudio
(Parque de máquinas de más de 500 máquinas en Alemania)
es contar con 8 técnicos de SAT (Figura 3 y Figura 4).
Con esta dimensión el coste total anual es de alrededor de
600.000€, el % de cumplimiento de servicios en 24 horas
(Figura 3) ronda el 97% y las penalizaciones que pudiese
haber por un servicio tardío no son significativos (supondría
un 3,4% del coste total).
Parámetro
Unidad
Valor
Entre 40.000 y
Coste de personal
€/ persona año 90.000 €/año y
persona
Entre 80.000 y
Coste de alquiler
€/ año
200.000 €/año
Coste de atención
Entre 20 y 250
€/ hora
tardía
€/h
Coste de reparación
tardía o no
Entre 20 y 250
cumplimiento con
€/ hora
los niveles de
€/h
disponibilidad
pactados
Nº de operarios
1a15
Tabla 1: Datos económicos del caso de optimización
166
Figura 3: % de cumplimiento de servicio realizados en 24 h en función de Nº de operarios
Figura 4: Costes de SAT en función del Nº de operarios
La Figura 3 y Figura 4 presentan una curva que merece
ser comentada con mayor detenimiento. Con 1, 2 y 3 técnicos
el nivel de servicio desciende (mínimo con 3 técnicos) para
luego volver a subir a partir de 4 técnicos. Del mismo modo,
con ese número de técnicos, los costes son muy elevados,
debido al coste de penalizaciones, llegando al coste máximo
con 2 técnicos. Lo que sucede es que, con ese número de
técnicos, las máquinas están averiadas (en espera de ser
reparadas) durante mucho tiempo. En ese rango de técnicos
los costes de penalización son muy altos y las máquinas
están averiadas tanto tiempo que el número de averías se
reduce (mucho tiempo averiadas, por lo que no pueden darse
más averías al no estar en funcionamiento).
En cualquier caso, ese rango inicial no es representativo
y es a partir de 4-5 técnicos donde los resultados son
interesantes para el estudio. Conforme aumenta el número
de operarios SAT, aumenta el nivel de servicio (porcentaje
de averías atendidas en plazo), reduciéndose así el coste por
penalizaciones pero aumentando el coste fijo de contratación
(que depende del número de operarios).
El coste de penalización depende directamente de la
tasa de penalización horaria establecida. Se ha analizado la
sensibilidad del modelo realizado a la variable de penalización
horaria (Figura 5), variando la penalización entre 30 y 250
€/h. La mejor opción de operarios SAT sigue siendo tener 8
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personas, a excepción de la penalización más baja de 30 €/h,
donde el coste mínimo se daría con 6 operarios (el coste de
contratación adicional de personas sería superior al ahorro
en penalizaciones).
Figura 5: Coste Total de SAT en función del Nº de técnicos de SAT y coste horario de penalizaciones
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Para finalizar la exposición de los resultados, la Figura
6 y Figura 7 muestran los resultados obtenidos para las
3 ubicaciones seleccionadas (localización del SAT en
ubicación actual, en punto centroide de parque de máquinas
y en un extremo del mapa). Para la
simulación de estas 3 ubicaciones
se han utilizado diferentes costes de
alquiler y coste de personal. El coste
mínimo para SAT actual y SAT en el
extremo se da con 8 técnicos de SAT,
mientras que el mínimo con el SAT en
el centroide se obtiene con 7 técnicos.
Este coste de 7 técnicos para ubicación
en el centroide es, por otro lado, el coste
mínimo obtenido con las 3 ubicaciones,
con una diferencia mínima de alrededor
de 8.000 € con respecto al conseguido
con 8 técnicos en el SAT actual. Para el
caso de dimensión 8 técnicos de SAT,
la ubicación óptima sería la del punto
centroide, sin embargo su diferencia
respecto a la ubicación actual no
llegaría a 5.000€. Es decir el coste total
no mejoraría ni un 1% (Figura 7).
Por tanto, ante esta situación, la
empresa ha decidido no realizar ningún
cambio de ubicación de Servicio SAT
por el momento.
4.
Figura 6: Diferencias de coste total dependiendo de la ubicación del punto de SAT y el número de operarios.
Figura 7: Diferencias de coste total dependiendo de la ubicación del punto de SAT para 8 operarios.
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CONCLUSIONES
En conclusión, la herramienta
desarrollada, además de indicar cuál es
el mejor resultado, también demuestra el
gran potencial de análisis y diagnóstico
que ofrece para el entendimiento de
los sistemas de estudio y se convierte
en una herramienta muy útil y eficaz
para todos aquellos negocios de SAT
interesados en optimizar sus recursos.
El departamento de SAT de
DANOBATGROUP por su parte valora
positivamente el resultado obtenido y
ve un gran potencial en la herramienta
como soporte a sus decisiones operativas
de dimensionamiento de puntos SAT.
Actualmente, y con los resultados
de la simulación en mano, la empresa
se encuentra negociando con el equipo
de SAT de Alemania, la optimización
del tamaño de su equipo de trabajo.
De este modo minimizarán sus costes
internos, sin afectar con ello a la calidad
de servicio ofrecido a sus clientes.
167
3310 TECNOLOGÍA INDUSTRIAL
Simulación y optimización de los recursos de servicio de asistencia técnica (SAT)
Arkaitz Uriarte-Zearra, Itziar Ricondo-Iriondo, Aitor Goti-Elordi, Kristina Bogataj
3310.04 INGENIERÍA DE MANTENIMIENTO
El modelo ha permitido analizar las diferencias en
costes atendiendo a diferentes ubicaciones. Las diferencias
obtenidas en coste son mínimas, por lo que la empresa ha
podido confirmar la idoneidad del actual punto de SAT. Por
otro lado, la empresa ha reconocido el valor de la herramienta
para el estudio de otro país (o conjunto de países) donde
todavía no cuenta con un centro de SAT instalado, tanto para
el problema de la ubicación como el del dimensionamiento,
teniendo en cuenta el parque de máquinas instalado y sus
indicadores de funcionamiento. Asimismo, la utilización del
modelo obliga a la empresa a continuar mejorando el registro
de incidencias en máquina, como fuente principal para la
obtención de datos de funcionamiento MTBF y MTTR.
En cuanto a otras futuras líneas de trabajo, el equipo
del proyecto y la empresa han coincidido en el interés de
profundizar en el nivel de detalle de los diferentes tipos
de avería (mecánico, eléctrico, electrónico), con sus
correspondientes habilidades o competencias requeridas por
parte de los técnicos de SAT, de forma que mediante una
única simulación se puedan obtener resultados precisos
de necesidades, desglosados según tipología de averías
y características de técnicos de SAT. Así como estudiar
nuevas técnicas que permitan calcular de una forma más
automatizada, la ubicación óptima para la sede de SAT.
- Goti A, Arnaiz A. “The status of maintenance decision
making under economic criteria: survey”. In: Proceedings of
34th Esreda Seminar, Supporting technologies for advanced
Maintenance Information Management. San Sebastian.
2008.
- Goti A. Optimización del mantenimiento preventivo en
sistemas productivos mediante algoritmos genéticos.
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and genetic algorithms”. Hydrocarbon Processing.
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Witness [CD-ROM], ver. 2008, [Programa informático].
Distribuidor disponible: Lanner Group Limited, The Oaks,
Clews road, Redditch, Worcestershire, B98 7ST, UK. 2008.
- Narayan V. Effective maintenance management : risk and
reliability strategies for optimizing performance. New York:
Industrial Press. 2004. ISBN:9780831131784
5. AGRADECIMIENTOS
Este proyecto ha sido financiado por los siguientes
programas de financiación: AVAILAFACTURING,
development of a tool for the management of Technical
Assistance Service Networks for the availability maximisation
of Manufacturing Equipment and/or Products (European
transnational project MANUNET-2009) y SERVISTOCK,
desarrollo de una herramienta para la optimización conjunta
de los niveles logísticos de stock de seguridad y tipos de
transporte (European transnational project MANUNET2008-BC-001).
- Oyarbide A, Goti A, Sánchez A. “Preventive maintenance
optimization of multi-equipment manufacturing systems
by combining discrete event simulation and multiobjective
evolutionary algorithms”, Production Planning & Control.
2008, vol. 19, no. 4, Special Issue on Maintenance and
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- Oyarbide A, Goti A, Sanchez A. (2008). “Preventive
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simulation and multi-objective evolutionary algorithms”.
Production Planning & Control, 19(4), 342-355. http://
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6. BIBLIOGRAFÍA
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Distribuidor disponible: The MathWorks, Inc., 3 Apple Hill
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168
Dyna Marzo - Abril 2012 • Vol. 87 nº2 • 160/168
Cod. 4315
TECNOLOGÍA INDUSTRIAL
Aplicación del design-for-assembly en el desarrollo de un nuevo chasis para armarios de distribución eléctrica
Alberto Comesaña-Campos, José Benito Bouza-Rodríguez, Antonio Riveiro-Rodríguez, Luis González-Piñeiro
3310.05 INGENIERÍA DE PROCESOS
Aplicación del design-for-assembly en el
desarrollo de un nuevo chasis para armarios
de distribución eléctrica
Alberto Comesaña-Campos*
José Benito Bouza-Rodríguez**
Antonio Riveiro-Rodríguez*
Luis González-Piñeiro**
Ingeniero Industrial
Doctor Ingeniero Industrial
Doctor Ingeniero Industrial
Doctor Ingeniero Industrial
* CENTRO UNIVERSITARIO DE LA DEFENSA. Escuela Naval Militar de Marín.
Plaza de España, 2 - 36920 Marín. Tfno: +34 986 804900.
** UNIVERSIDADE DE VIGO. ETSII. Campus Universitario Lagoas-Marcosende 36310 Vigo (Pontevedra). Tfno: +34 986 812218. [email protected]
Recibido: 14/07/2011 • Aceptado: 07/12/2011
DOI: http://dx.doi.org/10.6036/4323
APPLICATION OF DESIGN-FOR-ASSEMBLY TO DEVELOP A NEW CHASSIS FOR
ELECTRICAL CABINETS
RESUMEN
ABSTRACT
• Introduction
The technique related to the elaboration of electrical cabinets provides, in most cases, solutions
that imply a high heterogeneity of pieces, high costs, complexity and excessive time of
assembly. Moreover, it does not allow to exchange pieces between the cabinets of different
manufacturers, which generates individualized and not reusable structures. In particular, the
structures responsible for supporting the electrical devices and wiring, collectively known as the
chassis of the electrical cabinet, is a paradigmatic example of this problem for its high impact
on the time and cost of assembling a standard electrical cabinet.
Materials and Methods
In order to reduce this problem, we have used the Design-for-Assembly (DFA) method to
evaluate existing designs and create a new chassis from the point of view of the assembly
stage.
DFA method considers aspects of the final assembled process in early stages of the conceptual
design, providing an effective methodology for the achievement of new designs, more robust,
simple and objectively reliable.
Results
A new chassis were designed according to the guidelines of the DFA method, after being
identified the problems and evaluated a representative sample of the different existing chassis.
It has been reduced the number of parts and increased their versatility and ease of assembly.
Conclusions
Finally, we have obtained a new chassis which improves the results of the prior DFA evaluation
and reduces the time and cost of manufacture. In addition, DFA method has been proved as an
effective guide in the conception and implementation of new designs.
• Keywords: Design Process, Design for Assembly (DFA), Assembly Process, Electrical Cabinets
Cod. 4323
Dyna Marzo - Abril 2012 • Vol. 87 nº2 • 169/179
Introducción
La técnica relacionada con la
elaboración de armarios eléctricos aporta,
en la mayoría de los casos, soluciones que
implican una elevada heterogeneidad de
piezas, costes elevados, complejidad y
tiempos de montaje excesivos. Además,
no permite la permutabilidad entre los
armarios de los diferentes fabricantes, lo
que genera estructuras individualizadas y
no reutilizables. En especial, las estructuras
encargadas de dar soporte a la aparamenta
y cableado, conjuntamente conocidas como
chasis del armario eléctrico, son un ejemplo
paradigmático de esta problemática por
su alto impacto en los tiempos y costes de
montaje de un armario eléctrico estándar.
Materiales y Métodos
Con el fin de reducir esa problemática
se ha empleado el método DFA (Design-forAssembly) para evaluar los diseños actuales
y crear un nuevo chasis más eficiente de
cara al montaje.
DFA considera aspectos del proceso
de ensamblado final en las etapas iniciales
de concepción del diseño, aportando una
metodología eficaz para la realización de
169
TECNOLOGÍA INDUSTRIAL
Aplicación del design-for-assembly en el desarrollo de un nuevo chasis para armarios de distribución eléctrica
Alberto Comesaña-Campos, José Benito Bouza-Rodríguez, Antonio Riveiro-Rodríguez, Luis González-Piñeiro
3310.05 INGENIERÍA DE PROCESOS
los nuevos diseños, objetivamente más robustos, sencillos y
fiables.
Resultados
Una vez identificados los problemas y evaluada una
muestra representativa de los diferentes chasis actuales,
se ha diseñado un nuevo chasis, según las directrices del
método DFA, reduciendo el número de piezas y aumentando
su versatilidad y facilidad de montaje.
Conclusiones
Finalmente, se ha obtenido un nuevo chasis que mejora
los resultados de la evaluación DFA previa y que logra acortar
los tiempos y costes de fabricación. Además, el método DFA
se ha mostrado como una guía eficaz en la concepción y
ejecución de los nuevos diseños.
Palabras clave: Proceso de Diseño, Diseño para
el Ensamblaje (DFA), Procesos de Montaje, Armarios
Eléctricos
1. INTRODUCCIÓN
La evolución experimentada en las últimas décadas en
el sector de los armarios de distribución eléctrica ha sido
muy significativa, tanto en el apartado de la seguridad y
funcionamiento como en el diseño orientado a una reducción
de costes y facilidad de manejo. En muchos casos los
cambios se han introducido a medida que se desarrollaban
nuevas normas con el fin de adaptar, de manera homogénea,
los productos a la nueva reglamentación. Sin embargo, en
otros casos, cuando la norma deja vía libre a los fabricantes,
los desarrollos obtenidos resultan muy heterogéneos.
Es por ello que, actualmente, no existe una completa
estandarización en la fabricación de armarios eléctricos de
manera que la oferta existente es muy variada, existiendo
innumerables modelos. Esta diversidad complica la logística
de materiales, su manipulación y la integración de las distintas
marcas. Es decir, si entendemos un armario eléctrico como
la unión de la envolvente externa y el conjunto de soportes
interiores, que denominaremos chasis, en el mercado actual
cada fabricante posee modelos propios no intercambiables
con otras marcas. Los armarios se diseñan sin considerar
características primordiales en su montaje y uso posterior.
El empleo de métodos de diseño enfocados a características que debe poseer el producto, especialmente durante
su ciclo de vida, es algo bien conocido y agrupado bajo las
siglas DFX (Design for X, siendo X una de esas características) (Huang, 1996), (Kuo et al., 2001). Los DFX son un conjunto de métodos que tienen en consideración, durante las
fases iniciales del diseño, características que deben cumplir
los productos durante su fabricación y una vez que salgan al
mercado (Viñoles-Cebolla et al., 2008). Además, todas las
metodologías de diseño centrado en el usuario (Gulliksen
et al., 2003) guardan una estrecha relación con los desarrollos de DFX y sus derivados. Al hacer estas consideraciones
se logra diseñar productos más baratos, más adaptables al
mercado, y en ciertos casos de mayor calidad, empleando
tiempos más ajustados, pues se reduce la necesidad de fases
de rediseño o modificación derivadas del uso del producto.
En el caso de los armarios eléctricos el punto de vista del
montador es fundamental. Estos armarios son productos que
son montados por personal electricista en un taller o en una
obra. Por lo tanto, una de las características fundamentales
que deben poseer es la de ser de fácil montaje, empleando el
menor número de piezas y evitando, de ser posible, el uso de
elementos externos de sujeción como por ejemplo tornillos.
Asimismo, ligado a esto, sus piezas y subconjuntos deberían
ser versátiles y poder adaptarse a diferentes modelos con el
fin de evitar demoras por la falta de recambios.
Considerando estas características como fundamentales
en el diseño de un buen armario eléctrico, en el presente
artículo nos proponemos mejorar el chasis de un armario
eléctrico empleando un método DFX, concretamente el
Design for Assembly (DFA).
El DFA, introducido por Geoffrey Boothroyd en 1977
(Boothroyd et al., 2002), considera características asociadas
al montaje de un producto durante la fase inicial del diseño y
Métodos de diseño: Design for X
Los Design for X son métodos de diseño basados en determinar el desarrollo de un nuevo producto centrándose en
alguno de sus factores (X) que le afectan a lo largo del ciclo de vida del producto. Dentro de la familia de métodos,
agrupados bajo las siglas DFX, encontramos diferentes tipos según sea la característica guía del diseño, a saber:
Design for Assembly (Boothroyd et al., 2002) – Se diseña pensando en el futuro montaje del producto.
Design for Manufacture (Boothroyd et al., 2002) – Se diseña pensando en la fabricación del producto.
Design for Storage (Kuo et al., 2001) – Se diseña pensando en el almacenamiento y distribución del producto.
Design for Quality (Kuo et al., 2001) – Se diseña pensando en los factores de calidad asociados al producto.
Design for Environment (Kuo et al., 2001) – Se diseña todo el ciclo de vida del producto considerando principios de
sostenibilidad ecológica, social y económica, reduciendo, además, el impacto en el medio ambiente.
Design for Ergonomics (Beitz et al., 2003) – Se diseña pensando en la ergonomía del producto cara el usuario.
Design for Aesthetics (Beitz et al., 2003) – Se diseña primando la estética del producto.
Design for Maintainability (Beitz et al., 2003) – Se diseña considerando en futuro mantenimiento del producto.
Design for Recycling (Kuo et al., 2001) – Se diseña pensando en que los componentes del producto puedan reciclarse
al final del ciclo de vida del producto.
170
Dyna Marzo - Abril 2012 • Vol. 87 nº2 • 169/179
Cod. 4323
TECNOLOGÍA INDUSTRIAL
Aplicación del design-for-assembly en el desarrollo de un nuevo chasis para armarios de distribución eléctrica
Alberto Comesaña-Campos, José Benito Bouza-Rodríguez, Antonio Riveiro-Rodríguez, Luis González-Piñeiro
permite solventar los problemas anteriormente mencionados.
El objetivo general del presente trabajo es diseñar y
desarrollar un nuevo chasis para los armarios eléctricos
que sea de fácil montaje, formado por un número reducido
de piezas, de bajo coste, versátil y que permita integrar
la diversidad de aparamenta, canaletas y equipos de
automatización y comunicaciones existentes en el mercado.
Para todo ello se empleará el método DFA que considera
los aspectos de ensamblado final en las etapas iniciales de
concepción del diseño.
Para materializar este objetivo general, se definen una
serie de objetivos específicos que son:
1- Disminuir la dispersión de componentes necesarios
para el montaje mediante la optimización del
número de piezas necesarias para la composición
de cualquier tipo de armario.
2- Mejorar los tiempos y procesos de montaje para la
reducción de costes de mano de obra.
3- Aumento de las prestaciones y utilidad de las piezas
diseñadas.
3310.05 INGENIERÍA DE PROCESOS
2-
Combinar todas las partes aisladas, creando
conjuntos en el ensamblaje.
3- Simplificar el ensamblaje final a través de optimizar
todas las operaciones necesarias (Yazdani y
Holmes, 1999).
Asimismo, establece una herramienta de análisis y
evaluación de la eficiencia del diseño en función de las
consideraciones antes descritas. Esto sirve para evaluar
modelos existentes y compararlos con nuevos diseños.
2.2. DESCRIPCIÓN DE UN CHASIS DE
ARMARIO ELÉCTRICO
Para llevar a cabo la aplicación del método DFA es
necesario realizar una inspección previa de los posibles
problemas y limitaciones de los chasis de los armarios
eléctricos actuales.
Como ya se comentó previamente, si observamos las
estructuras más características de los armarios de distribución
eléctrica, podemos distinguir dos partes claramente
diferenciadas: las envolventes y los chasis. El chasis es la
El método DFA aporta al diseñador (Boothroyd et al., 2002):
• Una estimación, en etapas iniciales del diseño, de la complejidad tanto del producto como de su montaje, evitando de
este modo focalizar el diseño únicamente en las funciones del producto sin considerar ni los costes del producto ni la
competitividad del mismo.
• Una guía de diseño para simplificar el producto, lo que repercutirá en un ahorro en los costes de montaje y piezas.
• Una guía de consulta de datos útiles para el diseño (tiempos de montaje, costes, etc.) recogidos en base a la experiencia
que podría paliar una posible inexperiencia del diseñador.
2. MATERIAL Y METODOS
2.1. EL MÉTODO DFA Y SUS CARACTERÍSTICAS
El DFA (Boothroyd et al., 2002), (Hsu y Lin, 1998),
(Andreasen et al., 1983) es un método de diseño en el cual
los productos son diseñados considerando especialmente la
facilidad de montaje del producto final. Resulta claro que
si un producto contiene menos piezas se tardará menos
tiempo en ensamblar. Además, si las partes se proporcionan
con características que las hacen más fáciles de entender,
mover, orientar e insertar, esto también reducirá el tiempo
de ensamblaje y los costes correspondientes. Aquí es donde
se observan los beneficios principales de la aplicación del
Diseño para el Ensamblaje.
DFA es una probada herramienta de diseño (Dalgleish et
al., 2000) y se relaciona con sistemas de diseño enfocados a
la calidad (Bimal et al., 2006), (Suh, 1995), lo que le aporta
una elevada eficacia. Todo ello convierte a este método de
diseño en una herramienta que propicia resultados óptimos.
El método DFA se puede resumir en tres actuaciones
básicas, que son:
1- Eliminar todos los elementos de sujeción
prescindibles, especialmente, tornillos, tuercas y
arandelas.
Cod. 4323
parte del armario eléctrico cuya misión es dar soporte a la
aparamenta eléctrica y a todos sus elementos de instalación,
fijándolos a la envolvente del armario. Contiene diferentes
subconjuntos, uno de los cuales será lógicamente un sistema
de sujeción de carriles.
Los sistemas de sujeción de carriles normalizados se
componen, asimismo, de una serie de piezas que anclan el
carril normalizado a la estructura del chasis del armario.
Son el elemento clave de cualquier chasis, condicionando la
forma, el tiempo de montaje y el comportamiento del resto
de componentes del mismo.
De este modo, podemos dividir el chasis en cuatro
subconjuntos principales:
Subconjunto 1: formado por las barras ancladas
a la estructura y sobre las que se apoyan los
demás subconjuntos y que denominaremos barras
verticales de apoyo. El sistema de sujeción de los
carriles emplea estas estructuras para fijarse al resto
del armario. Además, sobre estas barras, y a través
de diferentes soluciones se colocan las canaletas,
elementos auxiliares que sirven para alojar los
cables.
Dyna Marzo - Abril 2012 • Vol. 87 nº2 • 169/179
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TECNOLOGÍA INDUSTRIAL
Aplicación del design-for-assembly en el desarrollo de un nuevo chasis para armarios de distribución eléctrica
Alberto Comesaña-Campos, José Benito Bouza-Rodríguez, Antonio Riveiro-Rodríguez, Luis González-Piñeiro
3310.05 INGENIERÍA DE PROCESOS
-
por una única pieza (el soporte) a estar formado por dos
piezas unidas mediante un tornillo. Estas dos piezas, una, el
soporte, y otra, que podemos denominar pieza intermedia,
encargada de fijar el carril DIN al soporte, se unen mediante
un tornillo. Además, el soporte se fija a la barra vertical de
apoyo mediante dos tornillos y una pequeña lengüeta (ver
detalle de la Figura 2). Esto mejora, ya el montaje del chasis
mostrado en la Figura 1 y, por lo tanto, supone una mejora
presente en el mercado.
Subconjunto 2: es el que se compone de las piezas
que actúan de nexo entre el subconjunto 1 y el carril
normalizado. Constituye, por lo tanto, el sistema de
sujeción, y básicamente su modo de operar es el de,
primero sujetar el carril normalizado a un soporte y
luego éste a la barra vertical de apoyo.
Subconjunto 3: formado por las canaletas para
alojar los cables y las barras auxiliares necesarias
para su colocación.
Subconjunto 4: es el que componen los carriles
normalizados según norma DIN (o carriles DIN)
para la colocación de la aparamenta eléctrica.
En la Figura 1 se puede observar la distribución de estos
subconjuntos en una disposición habitual.
Con el objetivo de contrastar más los nuevos modelos,
además de la disposición habitual mostrada en la Figura 1, se
ha considerado otra, distribuida del mismo modo y presente
en el mercado.
La Figura 1 representan un chasis comercial básico en el
que se usan tornillos para fijar todas las piezas. Sin embargo,
en el mercado también se encuentran otro tipo de chasis que
emplean combinaciones de sistemas de fijación. Ese es el
caso de la Figura 2.
En la Figura 2 el chasis mantiene la distribución de
subconjuntos, variando los elementos que conforman el
subconjunto 2. Así, este subconjunto pasa de estar constituido
Subconjunto 1:
Barras verticales
de apoyo
Subconjunto
2: Sistema
de sujeción
del carril
normalizado
Subconjunto 4:
Carril normalizado
Subconjunto 3:
Canaletas
Subconjunto 1:
Barras verticales
de apoyo
Figura 2: Vista de un chasis comercial para un armario de distribución eléctrica, junto con el
detalle del soporte empleado
Subconjunto
2: Sistema
de sujeción
del carril
normalizado
Subconjunto 4:
Carril normalizado
Previamente a la aplicación y evaluación del método en
los nuevos diseños, identificaremos los problemas detectados
en un chasis común de un armario eléctrico comercial,
evaluándolo posteriormente con DFA.
3.1. DETERMINACIÓN DE LOS PROBLEMAS Y
LIMITACIONES DE LOS CHASIS ACTUALES
Siguiendo la distribución interna antes señalada,
abordaremos a continuación los problemas identificados en
el chasis.
Subconjunto
3: Canaletas
Figura 1: Vista de los subconjuntos principales de un chasis para un armario de distribución
eléctrica
172
3. RESULTADOS
Subconjunto 1: Barras verticales de apoyo
Se han observado, en una muestra representativa
de los diferentes fabricantes, una tendencia clara hacia
construir estas estructuras pensando únicamente en su
funcionamiento como soporte de los carriles DIN (a través
de las piezas-nexo correspondientes) olvidando en ocasiones
otras funciones de las mismas. Sobre estas barras también
Dyna Marzo - Abril 2012 • Vol. 87 nº2 • 169/179
Cod. 4323
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se colocan posteriormente las canaletas, mediante unos
sistemas de fijación que encuentran limitaciones en la forma
y accesibilidad de las propias barras verticales de apoyo.
Los tiempos invertidos para, por ejemplo, fijar una barra
auxiliar para colocar encima la canaleta son excesivos,
puesto que la propia forma impide o dificulta los accesos
de las herramientas. Por otra parte, no ofrecen ninguna otra
alternativa al sistema tradicional de colocación de canaletas,
reduciendo su función a ser una base del chasis y aporte en
el fortalecimiento estructural del armario.
Subconjunto 2: Soportes de unión del carril DIN con la
barra vertical
Las piezas que actúan de nexo entre la barra vertical
de apoyo y los carriles DIN son de vital importancia en el
desempeño final del armario. El sistema habitual más sencillo
(ver Figura 1) consta de un solo soporte a través del cual,
mediante el empleo de tornillos, se fija el carril a la barra
vertical. Sin embargo también existen sistemas formados por
dos piezas (como se puede observar en la Figura 2): una, el
soporte, fijado a la barra vertical y otra, una pieza intermedia,
que fija el propio carril DIN al citado soporte. En ambos
casos, el principal problema detectado deriva de la manera
de fijar las diferentes piezas. Lo más habitual es encontrar
sistemas en los que la sujeción del soporte a la barra vertical
se logra a través de elementos ajenos al propio soporte,
tales como tornillos. Todo esto incrementa notablemente el
número de piezas, y, por lo tanto, incrementa el tiempo y
número de operaciones necesarias para el ensamblaje final
del chasis. Como ejemplo, en la Figura 3 mostramos un
modelo comercial habitual en el cual se emplean únicamente
tornillos tanto para fijar el carril DIN al soporte como para
fijar el soporte a la barra vertical de apoyo. Nótese el tiempo
que lleva atornillar los cuatro tornillos.
TECNOLOGÍA INDUSTRIAL
3310.05 INGENIERÍA DE PROCESOS
tornillos, tal y como se puede ver en las imágenes de la
Figura 4. Sin embargo no se encuentra una solución que
no conlleve demoras y aumento de la complejidad en los
procesos de montaje debido a la necesidad de adaptar las
estructuras internas de los armarios a la forma escogida para
sujetar las canaletas; forma que habitualmente es elegida por
el personal encargado del montaje.
Figura 4: Sistema habitual de colocación de canaletas basado en el empleo de una barra
auxiliar
Subconjunto 4: Carril Normalizado DIN
Los carriles DIN son unos elementos de muy elevada
especificidad. Quizá su función, únicamente de soporte de la
aparamenta, quede un tanto reducida.
Figura 3: Sistema comercial de sujeción de carriles.
Subconjunto 3: Canaletas
En lo relativo a la sujeción de canaletas cada fabricante
ofrece formas diferentes de colocarlas dentro de las
envolventes de los armarios (véase Figura 4), e incluso,
en ocasiones, ni siquiera se contemplan estas formas de
sujeción en el montaje del armario. La más frecuente es
emplear una barra auxiliar atornillada a las barras verticales
del chasis sobre la cual se fija la canaleta también mediante
Cod. 4323
3.2. LA EVALUACIÓN SEGÚN DFA
Tomando como referencia los chasis anteriores (ver
Figuras 1 y 2) se ha elaborado una previa evaluación DFA
de un ejemplo representativo de los modelos de chasis
existentes para valorar la eficiencia de esos diseños y, de
este modo, poder contrastar estos valores con los obtenidos
con los nuevos diseños. En las Figuras 5 y 6 se muestra esta
evaluación y los resultados obtenidos en la misma. En ella
se puede ver como se realiza una valoración del tiempo
invertido y coste asociado en los procesos de manejo e
inserción durante el ensamblaje de cada una de las partes del
chasis estudiado.
Los datos fueron obtenidos, en su mayor parte, observando
las tablas de datos existentes para la aplicación del método
DFA (Boothroyd et al., 2010). Sin embargo, algunos de
ellos, sobre todo los relativos a piezas más específicas del
sector eléctrico, fueron tomados y recopilados en talleres de
Dyna Marzo - Abril 2012 • Vol. 87 nº2 • 169/179
173
TECNOLOGÍA INDUSTRIAL
3310.05 INGENIERÍA DE PROCESOS
Aplicación del design-for-assembly en el desarrollo de un nuevo chasis para armarios de distribución eléctrica
Alberto Comesaña-Campos, José Benito Bouza-Rodríguez, Antonio Riveiro-Rodríguez, Luis González-Piñeiro
montaje de armarios eléctricos que contaban con montadores
manipulación (1.5 segundos) e inserción (1.5 segundos) de
profesionales cualificados.
un componente ideal que no presenta dificultades de ensamEn lo relativo al cálculo de costes se ha supuesto un coste
blado.
aproximado para la mano de obra de 30 euros por cada hora
de trabajo, resultando
un coste de unos 0.0085
euros (0.85c€) por cada
segundo de trabajo.
Con esos datos se calculan tanto el tiempo total
estimado como el coste
total estimado de operación, además de realizar
una estimación (última
columna de la tabla) del
número de partes mínimas teóricas. Este último
término representa a cada
una de las partes esenciales de un ensamblaje, que
no es posible combinar
con otras y cumple alguno
de los criterios siguientes
(Boothroyd et al., 2002):
- Se mueve relativamente respecto de
otras partes ya ensambladas.
Figura 5: Evaluación DFA previa de un chasis comercial genérico (ver Figura 1)
- Está elaborada en
otro material.
- Está separada del
resto de partes ensambladas.
Para calcular este número de partes mínimas
teóricas es necesario contar con la experiencia y
perspectiva del diseñador
para evaluar y diferenciar
las diferentes partes del
ensamblaje en la búsqueda de un diseño más simplificado.
Finalmente se calcula la eficiencia del diseño que se define como el
cociente entre el tiempo
ideal de ensamblaje y el
tiempo total estimado de
ensamblaje. El primer
término se calcula como
el número total de partes
mínimas teóricas multiplicado por 3. El número
3 representa la suma de
Figura 6: Evaluación DFA previa de un chasis comercial genérico (ver Figura 2)
los tiempos teóricos de
174
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TECNOLOGÍA INDUSTRIAL
Aplicación del design-for-assembly en el desarrollo de un nuevo chasis para armarios de distribución eléctrica
Alberto Comesaña-Campos, José Benito Bouza-Rodríguez, Antonio Riveiro-Rodríguez, Luis González-Piñeiro
3310.05 INGENIERÍA DE PROCESOS
Una vez hechos los cálculos se obtiene la eficiencia del
diseño. Dicha eficiencia es del 4.72% para el chasis mostrado
en la Figura 1 y de un 7.53% para el mostrado en la Figura 2.
que se reducirán piezas y se acortarán los tiempos
de ensamblado. Asimismo se evitará su uso en el
anclaje de las canaletas, lo que provocará que las
Recomendaciones generales de diseño según DFA (Boothroyd et al., 2002):
Enfocadas al manejo de las diferentes piezas
- Diseñar favoreciendo la máxima simetría de las piezas. De no ser posible, favorecer lo contrario, la máxima
asimetría.
- Diseñar las piezas para que no contengan partes o zonas que dificulten su montaje sobre otras.
- Diseñar evitando que las piezas sean resbaladizas, delicadas, flexibles, demasiado pequeñas, demasiado
grandes o peligrosas en su manipulación por parte del montador.
Enfocadas a la colocación de las piezas
- Diseñar las piezas favoreciendo su montaje unas sobre otras mediante la reducción del esfuerzo de inserción a
través del uso de chaflanes y evitando atascos.
- Diseñar pensando en la estandarización de partes comunes, procesos y métodos comunes a la línea de
productos.
- Diseñar pensando en un montaje progresivo sobre una pieza o base común.
- Diseñar favoreciendo el fácil alineamiento de las piezas que deben montarse de forma concéntrica.
- Diseñar evitando que las piezas durante su montaje tengan que ser colocadas de modo dificultoso.
- Diseñar evitando el uso de fijaciones mecánicas que empleen elementos externos.
- Diseñar para que el montaje final no deba variar en gran medida su orientación durante el propio proceso de
montaje.
A continuación se muestra un ejemplo de aplicación de DFA en el rediseño de una caja de derivación de las
utilizadas en pequeñas instalaciones eléctricas, donde se observa el antes y el después del diseño.
Antes de DFA
Después de DFA
3.3. LOS NUEVOS DISEÑOS BASADOS EN EL
MÉTODO DFA
Para el diseño de un nuevo chasis se han tenido en
consideración, además de las aportaciones que, basándose
en su experiencia, han sugerido los propios encargados de
montar armarios eléctricos, las principales directrices del
método DFA. A saber:
•
Reducción de partes: se buscó recortar el número
de piezas y subconjuntos de piezas presentes en
el diseño, bien eliminándolos por innecesarios
o excesivos, o bien fusionando varias piezas o
subconjuntos en un único subconjunto.
•
Eliminación de los elementos superfluos de
sujeción: DFA recomienda evitar el uso de tornillos,
por lo que ese será el punto de partida del nuevo
diseño. Se suprimirán todos los tornillos existentes
en el sistema, desde los que fijan el soporte hasta
los que fijan el carril DIN al propio soporte, con lo
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•
•
barras auxiliares actualmente empleadas también se
eliminen.
Facilidad de montaje: el soporte, entendido como el
componente clave del sistema, dado que condiciona
mucho el tiempo del montaje, se ha diseñado de
manera que contiene en su base los elementos
que le servirán para asegurar su conexión. Debe
estar constituido en un único bloque, aportando
todas las sujeciones que se pretenden mediante
modificaciones de su geometría. Además debe ser
simétrico e intercambiable con su homólogo del
lado opuesto. Junto a esto, el sistema debe contener
soluciones que integren en él la colocación de las
canaletas.
Diseño a medida: mediante el diseño de un pequeño
conjunto de dos piezas se logra anclar la canaleta al
carril DIN y, por lo tanto, al resto de la estructura
del armario.
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3310.05 INGENIERÍA DE PROCESOS
Empleando las directrices previamente mencionadas,
se ha diseñado un nuevo chasis completo para un armario
eléctrico. El nuevo chasis, como se muestra en la Figura 7,
se compone, al igual que los mostrados en las Figuras 1 y 2,
de una serie de subconjuntos formados, a su vez, de una serie
de piezas diversas. Salvo los carriles normalizados, se han
diseñado todos los demás subconjuntos. Estos subconjuntos
son:
1. Subconjunto 1: Barras verticales de apoyo
2. Subconjunto 2: Sistema de sujeción de carriles
normalizados
3. Subconjunto 3: Sistema de sujeción de canaletas
Subconjunto 1:
Barras verticales
de apoyo
Subconjunto
2: Sistema
de sujeción
del carril
normalizado
Subconjunto 3:
Sistema de sujeción
de canaletas
Figura 9: Vista del nuevo sistema de sujeción de carriles
Figura 7: Vista del nuevo chasis diseñado, ensamblado con todos sus subconjuntos
Figura 8: Vista de los nuevos sistemas de sujeción de carriles y de canaletas
Las barras verticales de apoyo han sido diseñadas con
el objetivo de que sean simétricas y, por lo tanto, puedan
176
ser colocadas indistintamente a uno u otro lado del chasis.
Asimismo, debido a su función de soporte del resto de
subconjuntos, contienen todos los cortes y agujeros
necesarios para acoger el nuevo sistema de sujeción de
carriles normalizados.
Su diseño está ligado al propio del sistema de sujeción,
por lo que las condiciones y fundamentos del mismo son
análogas a éste.
El sistema de sujeción de carriles normalizados (véanse
las Figuras 8, 9 y 10) constituye el principal aporte del diseño.
Se han eliminado por completo los elementos externos,
como por ejemplo los tornillos, planteando un sistema de
dos piezas. Como se puede ver en la Figura 10, el sistema
se compone únicamente de un soporte (1) y una pieza (2) de
enganche del carril DIN (3). Todo el sistema de sujeción del
soporte a las barras verticales se ha resuelto con soluciones
geométricas a través de dos pares de lengüetas que fijan la
pieza en la barra vertical a través de un posicionamiento
bidireccional. Además, el carril DIN, donde se fija la
aparamenta, encaja en el propio soporte y efectúa funciones
estructurales propias impidiendo el retroceso del mismo.
El sistema de sujeción solventa los problemas derivados
del empleo de tornillos para sujetar los carriles DIN a los
soportes y éstos a las envolventes.
Para diseñar el nuevo sistema de sujeción, como ya se
mencionó, se emplearon soluciones geométricas, basadas en
la realización de sistemas de fijación en la propia estructura
del soporte. De esta manera partiendo de la modificación de
la forma básica del soporte (ver Figuras 1 y 3) se ha logrado
crear nuevas caras y aristas en ella, permitiendo con ello la
fijación del soporte en la barra vertical. Esta modificación
de la forma conlleva, comparando el soporte inicial y el
propuesto, una mayor complejidad en la fabricación, hecho
considerado durante el diseño, pero que no supone un
hándicap real a la hora de fabricar la pieza.
Para el montaje del sistema de sujeción en el chasis (véase
la Figura 11), primero, dos soportes deben ser anclados, cada
uno mediante la combinación de dos movimientos, a las
barras verticales de ambos lados a través de las lengüetas
que poseen en su base. Las barras verticales contendrán a
tal efecto unos agujeros distribuidos a lo largo de su cara
frontal, en grupos de dos, simétricos entre ellos y con
forma de L invertida donde los huecos de la barra vertical
son lo suficientemente anchos como para, primero permitir
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3- Carril DIN
1- Soporte
(a)
2- Pieza de enganche
3- Carril DIN
1- Soporte
(b)
Figura 10: Vista explosionada frontal (a) y posterior (b) del nuevo sistema de sujeción de
carriles.
el paso de las lengüetas del soporte y después, permitir el
deslizamiento hasta la posición de anclaje. Luego, se lleva a
cabo el montaje en los carriles DIN mediante enclavamiento
en sus caras laterales de las pestañas que a tal efecto presentan
las piezas de enganche que se situaran a ambos lados del
carril. Estas dos piezas, junto con el carril DIN, se sujetarán
después a los soportes mediante deslizamiento, anclándose a
través de la presilla que lleva integrada la pieza de enganche.
En este montaje, los carriles DIN no sólo desempeñan su
función habitual como marco de enganche para la aparamenta
eléctrica, sino que impiden el retroceso de los soportes que
lo sujetan a las barras. Debido a la simetría de los mismos,
el retroceso en ambos es opuesto, por lo que el carril sirve
igualmente como fijación. Recurriendo a un sistema de
lengüetas múltiples, unida a la citada función del carril DIN
colocado entre pares enfrentados de soportes, se logra un
3310.05 INGENIERÍA DE PROCESOS
anclaje de los carriles a la barra vertical lo suficientemente
estable, efectivo y robusto como para prescindir de elementos
externos tales como tornillos.
El sistema de sujeción de canaletas diseñado (véanse
Figuras 12 y 13) pretende uniformizar la forma y el modo de
colocar estos elementos en los chasis de los armarios. Para
ello el nuevo sistema, como se puede observar en la Figura
13, está formado por una soporte (4) para las canaletas (5)
y una presilla (6) para sujetar la canaleta a este soporte (4).
Para la sujeción de las canaletas (véase Figura 7) el
sistema posee dos elementos: un soporte enganchado al
carril DIN y una presilla metálica y elástica para agarrar las
canaletas. El soporte para canaletas se ancla al carril DIN, por
la parte posterior de éste, mediante unas guías rebordeadas
que presenta el soporte y por donde encaja por deslizamiento
en los bordes guía del carril, los mismos que los empleados
para colocar la aparamenta eléctrica. La canaleta se coloca
en la parte inferior de este soporte y se sujetará a través de la
presilla metálica y elástica.
El diseño de este nuevo sistema de sujeción de canaletas
se basa en el empleo de una presilla que sujeta la canaleta a
un soporte anclado al carril DIN. Ambas piezas, presilla y
soporte, aprovechan la forma y características de elementos
presentes en todo armario eléctrico. Así, la presilla se ha
diseñado considerando los huecos que dejan entre sí las
patillas plásticas, de modo que puede sujetar la canaleta
fácilmente. Del mismo modo, el anclaje del soporte al carril
DIN se efectúa gracias a las guías rebordeadas que éste
último presenta habitualmente y que son usadas para colocar
la aparamenta eléctrica.
Figura 12: Vista del nuevo sistema de sujeción de carriles
Direcciones sucesivas
de inserción del soporte
4- Soporte canaletas
Barra vertical
de apoyo
6- Presilla
Carril DIN
Pieza de
enganche
Soporte
5- Canaletas
Figura 11: Vista del montaje del sistema de sujeción de carriles en la barra vertical
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Figura 13: Vista explosionada frontal del nuevo sistema de sujeción de canaletas
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3.4. EL PRODUCTO FINAL. RESULTADOS DE LA
EVALUACIÓN DFA.
La evaluación a través del método DFA del nuevo
chasis diseñado (ver Figura 7) nos devuelve los resultados
mostrados en la Figura 14, donde se observa como la
eficiencia del diseño ha aumentado claramente, obteniendo
un valor final del 30,65%. Este dato se puede comparar con
los valores obtenidos en las evaluaciones previas de los
chasis comerciales que eran, en el caso más genérico (ver
Figura 1) de un 4,72% y en el otro modelo comparado (ver
Figura 2) de un 7,53%. En ambos casos, el porcentaje de
eficiencia del diseño resultante de los nuevos modelos es
considerablemente mayor que los obtenidos previamente.
La distribución y estructura es análoga a la aplicada en la
tabla de la Figura 4. Asimismo las condiciones de obtención
y recogida de datos son las mismas que en la evaluación
precedente.
4. DISCUSIÓN
Mediante la aplicación del método DFA, tal y como ha
sido expuesto previamente, se ha llevado a cabo un rediseño
de un chasis para armarios de distribución eléctrica. Para ello,
se desarrollaron piezas específicas y sistemas de ensamblaje
rápido.
Con la inclusión del nuevo chasis, se lograron una
serie de armarios eléctricos compuestos por un número
sustancialmente menor de elementos que mantienen, y
en la mayor parte de los casos mejoran, las prestaciones y
servicios de sus homólogos actuales.
Para medir esta mejora, se ha aplicado la evaluación
inherente al método DFA que valora el porcentaje de
eficiencia del diseño enfocado al ensamblaje. Aplicando
esta evaluación a una muestra representativa de los chasis
actuales y, posteriormente, al nuevo sistema diseñado, se ha
observado que el porcentaje aumentaba, en los dos casos de
comparativa establecidos, en más de un 25%.
Si comparamos estos datos con los obtenidos en la
numerosa bibliografía sobre ejemplos de aplicación del
método DFA, observamos que, en todos ellos, la aplicación
del método ha supuesto un aumento de la eficiencia del
diseño a través, principalmente, del rediseño e integración de
las partes y la supresión de elementos externos de sujeción.
De este modo, con la presente aplicación del método
DFA ha quedado de manifiesto que este método y, en general
cualquier método DFX es una manera eficaz y segura de
mejorar cualquier diseño y reducir costes y tiempos, incluso
si estos son ya bajos. Las recomendaciones, guías, consejos
y herramientas asociadas al método poseen ya una más
que probada eficacia, avalada por centenares de casos bien
documentados y casi permiten asegurar una mejora en el
diseño, tal y como acabamos de demostrar.
Figura 14: Evaluación DFA final del nuevo diseño del chasis
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5. CONCLUSIONES
El método DFA y, en general, cualquier método enfocado
a un factor esencial de un diseño, aporta un valor añadido al
proceso de diseño. Además, aporta no sólo recomendaciones
de diseño al ingeniero, sino una herramienta para medir
cuantitativamente la eficiencia del mismo en etapas previas
a la fabricación. Esto supone ahorro tanto en tiempos como
en costes.
Todo ello, ha convertido, en nuestro caso, al método DFA
en una guía general de diseño del nuevo chasis, lo que ha
mejorado las técnicas y métodos habituales basados en las
consideraciones y experiencia de cada fabricante.
El incremento de la eficiencia del diseño en más de un
25% sugiere que la aplicación de las directrices del método
DFA deriva en productos más eficientes desde el punto de
vista del ensamblaje, reduciendo el número de piezas y el
número de operaciones de montaje.
Los modelos empleados para la comparativa (ver Figuras
1 y 2) representan chasis que se encuentran en el mercado
en la actualidad y que, por lo tanto, son fruto de un proceso
de diseño. DFA ha permitido evaluar sus carencias desde
un punto de vista centrado en el montaje, lo cual repercute
obligatoriamente sobre los tiempos y costes del proceso, y
nos ha permitido contrastar la eficiencia del nuevo diseño.
Así, a la vez que se han detectado los problemas
principales que lastran los chasis comerciales, el empleo del
método DFA ha sugerido estrategias de diseño perfectamente
contrastadas en la propia bibliografía y bases de datos del
método. Por esta causa se han eliminado todos los elementos
externos de fijación, se ha favorecido la facilidad del montaje
y se ha buscado la integración e interacción de los diferentes
subconjuntos del chasis.
Desde el punto de vista del diseñador, el uso y aplicación
del método DFA ha supuesto en nuestro caso:
1) Una reducción de los tiempos de montaje y, por lo
tanto, de los costes asociados.
2) Una mejora evidente en los sistemas de fijación de
los carriles normalizados en los chasis de armarios
eléctricos.
3) Una solución sencilla para la colocación de las
canaletas en los chasis que soluciona la gran
diversidad de soluciones presentes en el mercado.
4) Un incremento de la versatilidad de los componentes
del chasis, pues todos son intercambiables y útiles a
ambos lados del carril DIN.
5) Un aumento de la facilidad de montaje del
chasis, y, por extensión del armario eléctrico,
que, sin considerar el cableado eléctrico, podría
ser efectuado sin problemas por montadores que
contasen con poca o ninguna experiencia en el
sector.
Como punto final, quisiéramos destacar que la aplicación
del método DFA, o cualquiera análogo de la familia de los
DFX, en un sector como el de la industria eléctrica supone
un nuevo horizonte sobre el que basar futuros trabajos. Así,
como líneas de trabajo futuras se podría buscar además
Cod. 4323
TECNOLOGÍA INDUSTRIAL
3310.05 INGENIERÍA DE PROCESOS
enfocar los diseños tanto de los propios componentes
eléctricos como de sus envolventes considerando factores
relacionados con el circuito eléctrico para facilitar todas
las operaciones de cableado. Por otro lado, integrando los
DFX con los actuales métodos de desarrollo se lograrían los
primeros pasos para optimizar aún más una industria apoyada
en una tecnología muy eficaz y conocida pero susceptible de
mejora desde el punto de vista de la logística, el montaje y la
propia distribución eléctrica.
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Dyna Marzo - Abril 2012 • Vol. 87 nº2 • 169/179
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TECNOLOGÍA DE LA CONSTRUCCIÓN
Herramienta de cálculo para la evaluación de la sostenibilidad de estructuras de hormigón según la instrucción Española EHE-08
Diego Gómez-López, M. Pilar de la Cruz-López, Alfredo del Caño-Gochi, Ignacio Arroyo-Cunha
3305.06 INGENIERÍA CIVIL
Herramienta de cálculo para la evaluación
de la sostenibilidad de estructuras de hormigón
según la instrucción Española EHE
EHE-08
-08
Diego Gómez-López
M. Pilar de la Cruz-López
Alfredo del Caño-Gochi
Ignacio Arroyo-Cunha
Ingeniero Industrial
Dr. Ingeniero Industrial
Dr. Ingeniero Industrial
Ingeniero Industrial
UNIVERSIDAD DE LA CORUÑA. Escuela Politécnica Superior. Campus de Esteiro.
C. Mendizábal, s/n – 15403 Ferrol. Tfno: +34 981 337400. [email protected]
Recibido: 26/09/2011 • Aceptado: 06/02/2012
DOI: http://dx.doi.org/10.6036/4391
COMPUTER TOOL FOR ASSESSING SUSTAINABILITY OF CONCRETE STRUCTURES
ACCORDING TO THE SPANISH EHE-08 CODE
RESUMEN
ABSTRACT
• The Spanish Structural Concrete Code (EHE, in Spanish) includes, in its Appendix
13, a model for assessing structural sustainability. This model is based in the
MIVES method (Integrated Value-based Model for Sustainability Assessment,
in Spanish), and includes the evaluation of different environmental, social and
economic indicators, related to the structure design and construction.
According to the EHE, when a sustainable structure is designed, it is necessary
to estimate the EHE sustainability index at least two times: after finishing the
design and when the construction has been completed. On the other hand,
performing additional estimations in other moments of the project life-cycle is
inevitable.
During the design stages this will serve to make decisions in order to obtain
a design matching the sustainability objective established by the client. The
subsequent assessments performed during the procurement and construction
stages will serve for monitoring and controlling purposes; this will allow
increasing the likelihood of achieving the referred to objective. Despite the
corresponding calculations are not excessively complex, they are long and a
little tedious. So it is necessary to have a tool to save time and streamline the
estimating process, facilitating and speeding up the decision-making process.
This article presents a free of charge computer tool for this purpose, in order to
encourage the design of sustainable structures. On the other hand, the paper
also summarizes the foundations of the EHE sustainability assessment model,
to clarify the method and the calculations to be performed.
• Keywords: concrete structures, sustainability, assessment, estimating, standards
and codes, software.
180
La actual Instrucción de hormigón estructural
(EHE) incluye, en su Anejo 13, un modelo para evaluar
la sostenibilidad estructural. Dicho modelo se basa
en el método MIVES (Método Integrado de Valor
para Evaluaciones de la Sostenibilidad), e integra la
evaluación de diversos aspectos medioambientales,
sociales y económicos, relacionados con el proyecto y
la ejecución de la estructura.
Si se proyecta una estructura con arreglo a criterios
de sostenibilidad, la EHE establece la necesidad de
calcular el correspondiente índice de sostenibilidad
tanto al finalizar el proyecto facultativo como al
terminar la obra. Por otro lado, resulta inevitable
realizar estimaciones adicionales de dicho índice, en
otros momentos del ciclo de vida del proyecto. Unas
se llevarán a cabo, mientras se desarrolla el proyecto
constructivo, y servirán para tomar las decisiones
que permitan proyectar una estructura acorde con el
objetivo de sostenibilidad establecido por el cliente.
Las posteriores a la redacción del proyecto servirán
para realizar el seguimiento y control de dicho objetivo
durante las fases de contratación y ejecución: esto
permitirá aumentar las posibilidades de cumplirlo.
Aunque no revisten excesiva complejidad, los cálculos
a realizar son largos y algo tediosos. Todo lo anterior
implica la necesidad de disponer de una herramienta
que ahorre tiempo y agilice la realización de dichas
Dyna Marzo - Abril 2012 • Vol. 87 nº2 • 180/189
Cod. 4391
Herramienta de cálculo para la evaluación de la sostenibilidad de estructuras de hormigón según la instrucción Española EHE-08
Diego Gómez-López, M. Pilar de la Cruz-López, Alfredo del Caño-Gochi, Ignacio Arroyo-Cunha
estimaciones, facilitando la toma de decisiones. En este
artículo se presenta una herramienta informática de cálculo,
de uso gratuito, cuyo objeto es hacer más fácil y cómoda la
aplicación de la Instrucción y fomentar, con ello, el proyecto
sostenible de estructuras de hormigón. Por otro lado, se
resumen aquí los fundamentos en los cuales se basa el
modelo de evaluación del Anejo, con objeto de que el lector
pueda llegar a una mejor comprensión de los cálculos que
realiza.
Palabras clave: hormigón estructural, sostenibilidad,
evaluación, estimaciones, normativa, software.
1. INTRODUCCIÓN
OBJETO. ASPECTOS METODOLÓGICOS.
La Instrucción española de hormigón estructural (EHE;
España-Ministerio de la Presidencia, 2008) incluye un
planteamiento general de sostenibilidad para el conjunto
de la propia Instrucción (Rodríguez, 2008). Dicho
planteamiento tiene su culminación en el Anejo 13 de la
Instrucción, dedicado a la evaluación de la sostenibilidad de
la estructura. Los autores, dos de los cuales han colaborado
en la redacción del Anejo, están participando actualmente
en dos proyectos de investigación (Gómez et al., 2010) en
los que, como punto de partida, han procedido a analizar
en detalle el Anejo y a aplicarlo a proyectos diversos. Con
objeto de ahorrar tiempo de cálculo se decidió elaborar una
sencilla herramienta informática de ayuda. Al cabo de cierto
tiempo, responsables del Ministerio de Fomento se pusieron
en contacto con los autores para ver la posibilidad de que
dicho organismo pudiera ofrecer la herramienta referida a los
potenciales usuarios, por medio de su Web.
La versión preliminar que habían desarrollado los autores
era completamente austera, no resultaba amigable y por ello
no era adecuada a las expectativas de un usuario normal.
Se procedió a realizar desarrollos incrementales sucesivos,
con las correspondientes pruebas de funcionamiento, hasta
llegar a una herramienta suficientemente amigable. Tras ello
se ha realizado, por parte de los autores, una última fase de
pruebas parciales y, de conjunto, incluyendo la evaluación
de diversos casos prácticos. Finalmente, se ha recurrido a
diversas personas ajenas al equipo de desarrollo, que han
usado la aplicación tanto en casos hipotéticos como en casos
reales.
Con respecto a la elección de una plantilla de libro
electrónico como soporte de la herramienta, ésta se ha debido
a diversas razones. En primer lugar, los proyectos en el marco
de los cuales se ha realizado este trabajo no incluían en su
alcance la realización de una aplicación amigable, completa
y de uso sencillo, sino una herramienta de bajo coste, para el
mero uso interno. La diferencia de costes de desarrollo entre
ambos tipos de aplicación es muy importante. En otro orden
de cosas, la herramienta debía suministrarse sin coste alguno
para el Ministerio. Finalmente, hay que tener en cuenta que
Cod. 4391
TECNOLOGÍA DE LA CONSTRUCCIÓN
3305.06 INGENIERÍA CIVIL
la herramienta preliminar era un libro electrónico, debido
a las necesidades de facilidad y rapidez de modificación
requerida para los trabajos que están realizando los autores,
que tienen que ver con la identificación e implantación de
mejoras al Anejo de la EHE, con vistas a futuras ediciones
de la Instrucción. Al margen de lo anterior también se ha
valorado, por un lado, la facilidad que aporta este tipo de
herramientas para que el usuario incorpore fácilmente datos
de sus mediciones, cuando éstas se realizan mediante hojas
electrónicas. Por otro, en comparación con aplicaciones de
tipo “cerrado”, este soporte supone una mayor flexibilidad
para que potenciales usuarios, más o menos convencionales,
realicen mejoras o adaptaciones de la herramienta a sus
necesidades.
2. EL MÉTODO MIVES Y SU APLICACIÓN A LA EHE
El método MIVES (Modelo Integrado de Valor para
Evaluaciones de la Sostenibilidad) es una combinación de
técnicas que se basa en el análisis de valor (Gómez et al.,
en prensa a) y tiene en cuenta la importancia relativa de los
diferentes aspectos que se incluyen en la evaluación. Por
ello puede ser de gran utilidad para comparar diferentes
alternativas de proyecto y escoger aquella que mejor
contribuya a un desarrollo más sostenible.
El desarrollo sostenible es una disciplina joven, y
por ello hasta la fecha no existe investigación suficiente
como para poder establecer rigurosos modelos globales
de evaluación cuantitativa de la sostenibilidad de conjunto
de una construcción (del Caño y de la Cruz, 2008). No
obstante, existen organizaciones que han establecido
modelos simplificados para el conjunto del edificio (Losada
et al., 2006; San José y Garrucho, 2010), frecuentemente
basados en sistemas de puntuaciones ponderadas, existiendo
investigación en curso para el uso de otras técnicas más
sofisticadas (Gómez et al., en prensa a). En una de estas
últimas líneas se enmarca el método MIVES, que constituye
la base del Anejo. MIVES (Losada et al., 2006; San José y
Garrucho, 2010; Gómez et al., en prensa a) se puede aplicar
a cualquier sistema constructivo (no sólo al estructural), y
tiene siete etapas o pasos que consisten en:
A. Definir el problema a resolver y las decisiones que
hay que tomar. Aquí, proyectar estructuras más
sostenibles.
B. Elaborar un esquema del modelo que se va a
construir, en la forma de un árbol de requerimientos
como el de la Figura 1, que normalmente tiene
tres niveles. En la EHE esos niveles se llaman
requerimientos, sub-requerimientos y criterios.
Estos últimos pueden ser, a su vez, cualitativos o
cuantitativos.
C. Establecer funciones matemáticas, llamadas
funciones de valor, que permitan convertir las
variables cualitativas y cuantitativas en un conjunto
de variables que tiene la misma unidad y escala.
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Herramienta de cálculo para la evaluación de la sostenibilidad de estructuras de hormigón según la instrucción Española EHE-08
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D.
Definir la importancia o peso relativo de cada uno
de los aspectos que se van a tener en cuenta en la
evaluación. En la Figura 1 se muestran los pesos
αi, βi y γi de cada una de las ramas del árbol de
requerimientos antes referido. Para definir estos
pesos se pueden usar valores numéricos establecidos
por expertos en la materia. No obstante, en caso de
árboles de cierta complejidad, o de discrepancias
entre dichos expertos o, simplemente, cuando se
desee realizar un proceso ordenado para evitar
dificultades al establecer dichos pesos, se puede
utilizar el Proceso Analítico de Priorización (Gómez
et al., en prensa a), junto con un proceso posterior
de análisis, contraste y, si ha lugar, modificación de
los pesos resultantes.
E.
Definir las diferentes alternativas de proyecto que
pueden servir para resolver el problema previamente
identificado.
F. Evaluar dichas alternativas, por medio del modelo
creado previamente. En este caso, calcular el índice
de sostenibilidad de cada una de ellas.
G. Tomar las decisiones oportunas, eligiendo la
alternativa de proyecto más adecuada.
Este método también sirve para realizar una mera
evaluación de una determinada estructura existente o futura,
a efectos de su contribución al desarrollo sostenible. Por otro
lado, en el Anejo las fases A a D han sido realizadas por el
grupo de trabajo que ha redactado dichos documentos, y las
fases E a G son las que realiza el proyectista, con su cliente,
durante el proyecto de construcción.
Figura 1: Árbol de requerimientos medioambientales del Anejo, con sus correspondientes pesos αi, βi y γi.
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Cod. 4391
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Diego Gómez-López, M. Pilar de la Cruz-López, Alfredo del Caño-Gochi, Ignacio Arroyo-Cunha
Con respecto al modelo de evaluación, éste está basado
en la teoría general de toma de decisiones, en particular, en
los métodos multicriterio y, más concretamente, en la Teoría
de la Utilidad Multiatributo (Multi-Attribute Utility Theory:
MAUT), constituyendo una metodología de conversión de
las diferentes magnitudes y unidades de los criterios en una
unidad común, adimensional, que denominaremos “valor”
(fase C de MIVES). A partir de ahora vamos a referir
las fórmulas usadas en la EHE, sin incluir el desarrollo
matemático que conduce a ellas; el lector interesado puede
encontrar dicho desarrollo en Gómez et al. (en prensa a y en
prensa b).
En la EHE se ha usado MIVES para calcular un valor
numérico representativo del grado de sostenibilidad
medioambiental de una estructura de hormigón. Dicho valor
se ha llamado “Índice de Sensibilidad Medioambiental”
(ISMA), y representa el valor que integra a todas las
funciones de valor de los once criterios recogidos en la
Figura 1. La fórmula para calcular el ISMA de una estructura
se corresponde con la expresión [1], en la cual (véase la
Figura 1), i es el índice correspondiente al ordinal del criterio
medioambiental de que se trate, αi y βi son los pesos de los
requerimientos y sub-requerimientos a los que pertenece
cada criterio i-ésimo, γi son los pesos de los diferentes
criterios, y Vi es la función de valor correspondiente al
criterio medioambiental i-ésimo.
[1]
Las funciones Vi asociadas a los once criterios sirven
para homogeneizar las unidades de los criterios, siendo
recomendable delimitar los valores que pueden devolver
estas funciones. Con esto se logra que todos los criterios
se encuentren referidos a una misma escala de valoración,
normalmente entre cero y uno, valores asociados al mínimo
y máximo grado de sostenibilidad, respectivamente. Con
ello se facilita, por un lado, la ponderación de las funciones
Vi mediante los pesos αi, βi, y γi. Por otro, también será más
sencilla la obtención de estos pesos (αi, βi, y γi), ya que
sólo será necesario establecer la prioridad relativa de unos
requerimientos, sub-requerimientos o criterios respecto a
otros, sin atender a que algunos puedan presentar escalas de
cuantificación diferentes.
Para poder limitar la escala de las funciones de valor
es necesario determinar cuáles son los valores Pi,min y Pi,max
asociados al mínimo y máximo grado de sostenibilidad
en cada criterio; es decir, los valores de P asociados a los
valores 0 y 1 de Vi. Se denomina puntos de mínima y máxima
satisfacción a estos valores.
El otro aspecto importante de las funciones de valor es
su forma o geometría. La utilización de una u otra forma
depende de las características del criterio a evaluar (Alarcón
et al., 2011) y del objetivo que se pretenda obtener con ello.
Así, por ejemplo, las funciones convexas experimentan un
gran aumento de valor para respuestas cercanas a la que
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TECNOLOGÍA DE LA CONSTRUCCIÓN
3305.06 INGENIERÍA CIVIL
genera el mínimo valor, disminuyendo el incremento de
valor a medida que la respuesta se acerca a la que genera
el máximo. Este tipo de función, de baja exigencia, se
utiliza cuando se quiere incentivar el cumplimiento de unos
requisitos mínimos. Este ha sido el caso, por ejemplo, del
criterio medioambiental de reciclado de áridos. El caso
contrario es el de las funciones cóncavas, de alta exigencia,
con las que se busca llevar al proyectista a puntos cercanos
al de máxima satisfacción. Al ser la sostenibilidad algo
novedoso, no se ha juzgado oportuno, por el momento, usar
este tipo de función en la EHE. Por su parte, en la función
con forma de S el mayor incremento de valor se produce en la
parte central del rango de respuestas. Esta función se emplea
en aquellos criterios donde se considera que lo apropiado
debería ser que se alcanzase una respuesta media. Este ha
sido el caso de algunos de los criterios medioambientales,
como el de gestión del agua. Finalmente, en la función recta
el incremento de valor es constante a lo largo del rango de
posibles respuestas. Esta función se usa cuando no se tienen
razones especiales que apoyen el uso de las anteriores, y ha
sido usada en varios criterios de la EHE, como es el caso del
de control de los impactos.
Las funciones de valor de los criterios del Anejo siguen la
expresión [2]. En ella, el parámetro Pi es el valor o puntuación
cuantificable de cada uno de los criterios medioambientales.
Por su parte, los valores de los parámetros Ki, mi, ni y Ai,
incluidos en la Tabla A.13.4.1.b del Anejo, son los que
limitan el valor de la función entre 0 y 1 y dan forma a dicha
función: cóncava, convexa, recta, o en forma de S, así como
el grado de concavidad o convexidad y la ubicación del
punto de inflexión de las curvas en S. Para más detalle sobre
estos parámetros, véase Gómez et al. (en prensa a) y Alarcón
et al. (2011).
[2]
En el caso de la EHE el grupo de trabajo decidió dar
a cada función de valor la forma que a su juicio reflejaba
mejor su contribución a la sostenibilidad medioambiental, en
lo referente a cada criterio. Tras ello se realizó un análisis
matemático para determinar los valores que debían tener los
parámetros Ki, mi, ni y Ai con objeto de que cada función de
valor tuviese la forma deseada.
Una de las dificultades que surgió en la aplicación de
MIVES al Anejo es que, al evaluar los criterios de acuerdo
con dicho método, la respuesta Pi de cada uno de ellos debe
ser cuantificable y, sin embargo, cada uno de los criterios de
la Figura 1 puede incluir varios aspectos a evaluar, algunos
de los cuales pueden ser cuantitativos, y otros no; dicho de
otra manera, existiría un cuarto nivel de desagregación que
no se ha incluido en la Figura 1, con objeto de que esta figura
pueda caber en una publicación de este tipo.
En la Tabla 1 se resume este cuarto nivel de desagregación,
incluyendo todos los aspectos evaluables en los cuales se
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desglosa cada uno de los once criterios medioambientales.
Para cada aspecto a evaluar se incluye entre paréntesis, si ha
lugar, las alternativas de proyecto o ejecución, ordenadas de
mayor a menor puntuación a efectos de su sostenibilidad. En
el caso particular de las distancias de transporte, una menor
distancia supone una mayor puntuación. Finalmente, cuando
se trata de aspectos evaluados en función de un porcentaje,
la puntuación aumenta con el aumento de dicho porcentaje.
La solución que se articuló para esta parte del problema
consiste en establecer un sistema de puntuación específico
para cada criterio, que cuantifique el grado de cumplimiento
de todos esos aspectos cualitativos y cuantitativos a evaluar
en el cuarto nivel de desglose, devolviendo un solo valor
Pi para su introducción en la correspondiente función de
valor. Este sistema de puntuación utiliza lo que el Anejo
denomina funciones representativas, definidas en el epígrafe
4.3 del mismo, que otorgan una puntuación entre 0 y un
valor máximo de Pi (Pi,max) mediante el uso de diversas tablas
que recogen las puntuaciones de las posibles soluciones a
adoptar.
Lógicamente, 0 (Pi,min = 0) y Pi,max son las puntuaciones
asociadas a los niveles de mínima y máxima sostenibilidad
medioambiental de cada criterio, y que por tanto devolverán
los valores 0 y 1, respectivamente, al ser evaluadas con las
funciones de valor.
Tras usar las diferentes fórmulas representativas de cada
uno de los once criterios, habiéndose obtenido con ello el
valor asociado a cada aspecto incluido en la Tabla 1, se usa
la expresión [1] para obtener el ISMA. Falta ahora tener en
cuenta los aspectos económicos y sociales, con objeto de
obtener un valor de conjunto asociado a la sostenibilidad
de la estructura, es decir, al Índice de Contribución de la
Estructura a la Sostenibilidad (ICES), para cuyo cálculo se
ha establecido la expresión [3].
[3]
Establecimiento de medios que sirvan para informar
al ciudadano de las características, plazos de
ejecución, e implicaciones económicas y sociales
de la obra (si, no).
•
Obra declarada de interés general por la
Administración Pública competente (si, no).
Por su parte, los aspectos económicos se tienen en cuenta
de una manera simplificada, mediante el coeficiente b de la
expresión [3], que aumenta al incrementarse la durabilidad
de la estructura. Se entiende que, cuando una estructura es
proyectada y ejecutada para que tenga una vida útil superior
a la mínima exigida por la normativa vigente, ello supone
una ventaja económica, ya que el plazo para amortizar la
inversión realizada es mayor y, por tanto, crece la rentabilidad
económica o social de dicha inversión. Debe tenerse en
cuenta, por un lado, que otros aspectos que influyen en la
economía de la solución estructural ya se han tenido en
cuenta antes, en los criterios medioambientales (por ejemplo,
el ahorro de materiales); por otro lado (del Caño y de la Cruz,
2008; Aguado et al., 2011; Gómez et al., en prensa b), hay
otros aspectos que influyen en la economía de costes que no
han sido tenidos en cuenta por problemas diversos. En otro
orden de cosas, hay una componente medioambiental en el
criterio de extensión de la vida útil, ya que si la durabilidad
aumenta, se tarda más tiempo en volver a agredir al medio
ambiente para construir una nueva.
El cálculo del coeficiente b se realiza mediante el uso
de la expresión [4], dividiendo la vida útil (tg) con arreglo
a la cual se ha proyectado y ejecutado la obra, entre la vida
útil mínima exigida por la instrucción (tg,min) en la Tabla 5.1
de su Art. 5. Se ha limitado este coeficiente a 1.25 con el
objetivo de impedir que se logren altos valores del ICES por
extensiones importantes de la vida útil de estructuras que no
tengan buenas valoraciones en los aspectos medioambientales
y sociales, teniendo en cuenta que la EHE ya es bastante
exigente en materia de durabilidad.
•
con las siguientes restricciones:
[4]
En la expresión [3], a es el coeficiente asociado a la
contribución social. A continuación se indican los aspectos
que se valoran a estos efectos. Nótese que, al igual que
cuando se referían los aspectos evaluados a efectos del
ISMA, a continuación del aspecto social evaluado se incluyen
las alternativas que prevé el anejo, en orden decreciente de
puntuación a efectos del ICES.
•
Aplicación de métodos innovadores de ejecución
derivados de proyectos de I+D+i (si, no).
•
Formación del personal de obra más allá de lo
establecido en la legislación y normativa (si, no).
•
Adopción de medidas voluntarias de seguridad y
salud que vayan más allá de las reglamentarias (si,
no).
184
Para mayor facilidad de uso, la EHE establece una escala de niveles de sostenibilidad, parecida a la que se usa para
comparar los consumos energéticos en los aparatos electrodomésticos (A, B, C, D o E; véase el epígrafe 5 del Anejo).
3. HERRAMIENTA INFORMÁTICA DE CÁLCULO
Con objeto de ahorrar tiempo de cálculo, agilizar las
estimaciones, hacer más cómodo el proceso de cálculo
y facilitar la toma de decisiones, tres de los autores han
desarrollado la aplicación informática denominada MIVESEHE-08-V01.05-VMFom (en adelante, MIVES-EHE), de
uso gratuito, que puede descargarse en España-Ministerio
de Fomento (2011) y en GRIDP (2011). De acuerdo con los
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Criterio
Medioambiental
3305.06 INGENIERÍA CIVIL
Aspectos evaluados
1.
Caracterización del 2.
hormigón
3.
4.
Procedencia del hormigón (instalación de prefabricación, instalación ajena a la obra, instalación de obra).
Certificación medioambiental de las empresas suministradoras de hormigón (distintivo, compromiso, otros casos).
Certificación medioambiental de la empresa constructora (distintivo, compromiso, otros casos).
Distancia de transporte del hormigón a la obra.
5.
Caracterización de 6.
las armaduras
7.
8.
Procedencia de la ferralla (instalación de prefabricación, instalación ajena a la obra, instalación de obra).
Certificación medioambiental de la empresa de ferralla (distintivo, compromiso, otros casos).
Certificación medioambiental de la empresa constructora (distintivo, compromiso, otros casos).
Distancia de transporte de la ferralla a la obra.
Optimización del
armado
9.
10.
11.
12.
Tipo de hormigón (pretensado, armado).
Porcentaje de losas armadas con malla electrosoldada o armadura de mallazo soldado.
Sistema de unión utilizado (medios mecánicos, soldadura).
Porcentaje de armaduras elaboradas con formas según UNE 36.831.
13. Certificación medioambiental de la producción del acero (EMAS, ISO, ninguna).
14. Porcentaje de acero con distintivo de calidad.
15. Acero con distintivo de calidad certificando que al menos el 80% de la producción procede del reciclado de chatarra
(si/no).
Optimización del
acero para armaduras 16. Acero con distintivo de calidad certificando una producción de acero sometida a las exigencias del Protocolo de Kyoto
(si/no).
17. Acero con distintivo de calidad certificando que se realiza un aprovechamiento de escorias superior al 50% (si/no).
18. Materias primas y acero sometido a controles de emisión radiológicos (si/no).
Control de la
ejecución
Árido reciclado
19. Utilización de elementos de hormigón con distintivo de calidad (si/no).
20. Aplicación de coeficiente de seguridad disminuido para el acero, de acuerdo la EHE (si/no).
21. Porcentaje de áridos reciclados usados en la producción del hormigón.
22.
23.
24.
25.
26.
27.
Porcentaje de hormigón con distintivo de calidad y adiciones.
Certificación medioambiental de la producción de cemento (EMAS, ISO, ninguna).
Distintivo de calidad del cemento que certifique que contiene un porcentaje de adiciones igual o menor al 20% (si/no).
Distintivo de calidad del cemento que certifique que contiene un porcentaje de adiciones mayor al 20% (si/no).
Distintivo de calidad certificando una producción de cemento sometida a las exigencias del Protocolo de Kyoto (si/no).
Distintivo de calidad certificando que en la producción de cemento se emplean combustibles y materias primas que
producen menos emisiones de CO2 (si/no).
Optimización del
hormigón
28.
29.
30.
31.
Empleo de cementos tipo CEM I (si/no)
Certificación medioambiental de las empresas suministradoras de hormigón (si/no).
Porcentaje de adición de cenizas volantes en la composición del hormigón.
Porcentaje de adición de humo de sílice en la composición del hormigón.
Control de los
impactos
32.
33.
34.
35.
36.
Empleo de aspersores en la obra para evitar el polvo (si/no).
Pavimentación de los accesos a la obra o uso de sistemas de limpieza de neumáticos (si/no).
Utilización de pantallas u otros dispositivos de retención de polvo (si/no).
Empleo de estabilizantes químicos para reducir la producción de polvo (si/no).
Utilización de toldos y lonas para la cobertura del material expuesto a la intemperie, incluido su transporte (si/no).
Gestión de los
residuos
37.
38.
39.
40.
Gestión de los productos de excavación (reciclaje, vertedero, sin planificar).
Gestión de los residuos de construcción y demolición (reciclaje, vertedero, sin planificar).
Porcentaje de hormigón con distintivo de calidad.
Porcentaje de probetas cúbicas usadas en el control de calidad del hormigón.
Gestión del agua
41.
42.
43.
44.
Certificación medioambiental de la empresa constructora (distintivo, compromiso, otros casos).
Técnicas de curado eficiente con relación al consumo de agua (si/no).
Uso de dispositivos de ahorro de agua (si/no).
Uso de contenedores para la recogida y uso de agua de lluvia (si/no).
Optimización del
cemento
Tabla 1: Aspectos evaluados en cada criterio medioambiental
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requisitos establecidos por el Ministerio, esta herramienta
sigue fielmente el articulado de la EHE, por cuanto dicho
organismo no puede ofrecer al público aplicaciones que no
cumplan dicha condición. Esto ha supuesto la inclusión de
alguna pequeña errata existente en el texto normativo, que no
supone diferencias relevantes en los resultados del cálculo.
3.1. CARACTERÍSTICAS GENERALES.
INTRODUCCIÓN DE DATOS
La aplicación consiste en una plantilla de libro electrónico
(archivo XLT), en principio compatible con versiones de
Microsoft Excel posteriores a la 97. Para su uso, el usuario
debe estar familiarizado con el Anejo y con los conceptos de
la EHE relacionados con el mismo. El archivo incluye una
hoja de instrucciones, junto con otras quince hojas de cálculo.
La primera de ellas (Portada) tiene como misión recoger los
datos descriptivos del proyecto y de la evaluación que se va
a llevar a cabo, para su uso como portada. En la segunda
(Resultados) se incluye un resumen de todos los cálculos
realizados. Las restantes hojas son de introducción de datos,
y en ellas se deben introducir los valores de las diferentes
variables del Anejo. Algunos valores están pre-programados
de acuerdo con los posibles valores que puede tomar la
variable, de forma que el usuario sólo tiene que escoger la
opción oportuna de la correspondiente lista desplegable.
Para mayor claridad y comodidad de uso, en este tipo de
listas las opciones a escoger están ordenadas de mayor a
menor impacto positivo sobre el ICES. Es decir, cuanto más
arriba se encuentra una opción en dichas listas, más aumenta
el ISMA o, en general, el ICES.
3.2. CÁLCULOS. ANÁLISIS DE SENSIBILIDAD
Los cálculos se realizan de manera automática conforme
se van introduciendo datos. Aun así, en cada una de las hojas
de introducción de datos se muestran también los valores que
toman el ISMA y el ICES de ejecución, que es el que se
prevé como definitivo. Con todo ello, el usuario puede ver
cómo varían ambos índices conforme se van introduciendo
los datos de la estructura. El valor del ISMA comienza a
variar desde el momento en que empiezan a introducirse
valores, pero el valor del ICES, debido a su fórmula, será
nulo hasta que se comiencen a introducir los datos relativos
a la contribución por extensión de la vida útil (véanse las
fórmulas del ISMA y del ICES recogidas con anterioridad).
La herramienta permite realizar un sencillo análisis de
sensibilidad. Si bien parte de esa sensibilidad puede detectarse
mientras se están introduciendo los datos, la utilidad máxima
se obtiene tras la introducción de todos los datos base de
la estructura; es decir, los que el autor del proyecto ha
establecido que se deben respetar más los que, no habiendo
sido impuestos, o no pudiendo anticiparse de manera cierta,
resultan realistas para las condiciones estimadas en las cuales
se va a desarrollar la obra. Tras ello el usuario puede ir a cada
hoja de introducción de datos y hacer modificaciones en los
datos de entrada, observando de inmediato en dicha hoja
cómo varían los índices de sostenibilidad, identificando qué
186
puede hacer que el ICES aumente o disminuya, y obteniendo
información que le permita comparar también, por ejemplo,
las consecuencias que tiene conseguir un mismo aumento del
ICES de diferentes maneras (en plazo o costes, entre otras).
Para estimar dichas consecuencias se requiere tener cierta
experiencia en el campo de las estructuras de hormigón.
Todo lo anterior no impide el uso de otras funciones más
avanzadas de Excel, que permiten realizar análisis de
sensibilidad más complejos y completos.
Debido a la incertidumbre que rodea a todo proyecto,
este análisis de sensibilidad ayuda a la toma de decisiones
sobre los objetivos perseguidos en dicho proyecto. En
todo caso, se recomienda que el ICES de proyecto sea un
tanto superior al ICES objetivo que plantea el cliente, ya
que los inevitables cambios durante la contratación y la
obra pueden ir en contra de la consecución del objetivo de
sostenibilidad.
3.3. EJEMPLO DE APLICACIÓN
Este ejemplo de aplicación está relacionado con un
edificio industrial ubicado en Narón, provincia de La
Coruña. Se trata de un edificio proyectado con arreglo a
criterios de sostenibilidad, concebido por dos de los autores y
proyectado por uno de ellos. En las Figuras 2 a 4 se muestran,
respectivamente, las fachadas testeras y laterales, y la planta
de cubierta. Esta última está proyectada para soportar placas
solares térmicas y fotovoltaicas (Figura 4). El edificio acoge
tanto zonas de proceso como de oficinas y servicios para el
personal. La nave tiene unas dimensiones aproximadas de 20
x 40 m. La estructura de cubierta (Figura 5) está constituida por
dinteles curvos y correas convencionales de madera laminada
encolada, con certificado FSC (Forest Stewardship Council)
de procedencia de bosques explotados de manera sostenible.
Debido a la baja eficiencia estructural a compresión de la
madera, así como a los problemas de durabilidad que supone
su empotramiento en otros materiales, se ha optado por
proyectar soportes de hormigón armado. Por razones obvias,
el arriostramiento de cubierta está compuesto por cruces de
San Andrés de varilla metálica y el resto de la estructura
(cimentaciones y entramados contraviento de fachada) es de
hormigón armado. Se proyecta el uso de hormigón HRA-40
en pilares y vigas de los entramados contraviento laterales
(aprox. 27,5 m3), HRA-25 en cimentaciones (aprox. 254,4
m3) y HRM-20 para uso como hormigón de limpieza (aprox.
12,9 m3). El acero es B 500 S en todos los casos (aprox.
16.043 Kg).
Los datos correspondientes a los diferentes aspectos
a evaluar para el cálculo del ISMA se han determinado
mediante un análisis del sector local y se corresponden con
una selección que los autores han realizado de diversos
suministradores de la zona y de productos comerciales que
se pueden encontrar a la venta en los alrededores, tras haber
contactado con diversas empresas y haber recopilado los
oportunos datos necesarios para la evaluación del ICES.
Dichos datos, correspondientes con los diferentes códigos
numéricos de la Tabla 1, son los siguientes:
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Diego Gómez-López, M. Pilar de la Cruz-López, Alfredo del Caño-Gochi, Ignacio Arroyo-Cunha
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(1) 100% de central ajena a la obra.
(2, 3, 7, 23, 41) ISO 14001.
(4) 4 Km.
(5) 100% de empresa de ferralla ajena a la obra.
(6) Compromiso medioambiental.
(8) 109 Km.
(9) 100% hormigón armado.
(10) 100% (solera).
(11) 73% con medios mecánicos.
(12, 14) 100%.
(13) Ninguna.
(15, 17, 24, 28, 34, 35) No.
(16, 18, 25, 26, 27, 29, 32, 33, 36, 42, 43, 44) Sí.
(21) 20%.
(19, 20, 22, 30, 31, 39, 40) 0%.
(37) 100% reutilización.
(38) El 60% se recicla.
Con respecto al criterio de contribución social, en
éste solo se cumplen los requisitos relacionados con la
elaboración de una página Web de la obra con el objeto de
informar al ciudadano. Finalmente, con respecto al criterio
de vida útil, la estructura se ha proyectado para una vida
útil de 50 años, siendo 15 años el mínimo establecido por la
EHE para edificaciones industriales (b=1,25). Con todo ello,
resulta ser ISMA = 0,70 e ICES ejecución = 0,87 (Nivel A).
En la Figura 6 se muestra la pantalla de introducción
de datos del criterio de optimización del armado, y en
la Figura 7 la de resultados del cálculo, para este caso. El
lector debe tener en cuenta que si se usa la herramienta
propuesta por Garrucho y Portas (2008) para realizar el
cálculo del ICES (usada por diferentes autores en diversas
publicaciones), normalmente los resultados no se ajustarán
a lo indicado por el Anejo, aunque las diferencias no sean
demasiado importantes. De hecho, ni siquiera existe una
coincidencia completa entre las variables que contempla
dicha aplicación informática y las del Anejo de la EHE ya
que aquella herramienta se construyó para hacer cálculos
ajustados al borrador del Anejo, y no se actualizó al texto
final del mismo, hoy en vigor. La herramienta informática
aquí presentada resuelve este problema.
Para terminar, se ha realizado un análisis de sensibilidad
del caso propuesto. Si se da el valor más desfavorable a las
diferentes variables, una a una, de manera separada, a partir
de los valores base antes referidos, las variables que más
influyen en el ICES son la vida útil (variación del ICES:
-20%) y las variables 22 (-18%), 21 (-13%), 3, 7 y 41 (-12%),
37 y 38 (-11%), 24 (-9%), 2 y 29 (-6%) y 6 (-5%). Por otro
lado, si se hacen los cálculos contrarios, más favorables, las
variables que más influyen en el ICES son la 19 (14%), 38 y
40 (6%), y 39 (5%).
TECNOLOGÍA DE LA CONSTRUCCIÓN
3305.06 INGENIERÍA CIVIL
de la EHE, se ha presentado una herramienta informática para
realizar los cálculos necesarios para aplicar dicho modelo, y
se ha mostrado un ejemplo de aplicación de la misma.
Figura 2: Fachadas testeras
Figura 3: Fachadas laterales
Figura 4: Planta de cubierta
Figura 5: Esquema estructural
4. CONCLUSIONES
En este artículo se han resumido los fundamentos
metodológicos del modelo de evaluación de la sostenibilidad
Cod. 4391
En general (Aguado et al., 2011), si la obra se concibe,
proyecta y construye de manera razonablemente cuidadosa
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TECNOLOGÍA DE LA CONSTRUCCIÓN
Herramienta de cálculo para la evaluación de la sostenibilidad de estructuras de hormigón según la instrucción Española EHE-08
Diego Gómez-López, M. Pilar de la Cruz-López, Alfredo del Caño-Gochi, Ignacio Arroyo-Cunha
3305.06 INGENIERÍA CIVIL
y controlada, es posible alcanzar un nivel medio o incluso
medio-alto del ICES, especialmente en el caso de grandes
proyectos. Sin embargo, la mayoría de las estructuras son de
pequeño tamaño, se construyen por pequeñas empresas, y se
ejecutan de tal forma que suelen tener un ICES bajo o muy
bajo. En general, si en un proyecto convencional se diseña
una estructura sin preocuparse por los aspectos relativos a la
sostenibilidad, los niveles de ICES serán bajos o muy bajos
para proyectos pequeños y medianos, y medios o incluso
bajos para grandes proyectos. No obstante, como se ha visto
aquí, incluso pequeñas estructuras proyectadas en zonas
geográficas periféricas pueden alcanzar niveles altos de
ICES si se pone cuidado en su diseño. Se podrá argumentar
que eso supone cierto incremento en los costes de inversión,
pero dicho incremento no debería ser importante y, en todo
caso, como normalmente uno de los aspectos que va a salir
fortalecido es la durabilidad (criterio de extensión de la vida
útil), los costes de mantenimiento y reparación deben ser
menores y, con todo ello, los costes en el ciclo de vida de
la estructura deberían a ser menores que los de la estructura
proyectada de forma convencional.
De todas formas, existe una gran variedad de casos que
se pueden dar, y la influencia de los costes de inversión
en la durabilidad puede variar bastante. Por un lado, un
análisis completo de este tipo debería plantearse por tipos
estructurales, ya que, por ejemplo, un incremento en el
recubrimiento tiene consecuencias diferentes sobre el
incremento de volumen de hormigón a usar, y a causa de
ello sobre las cargas de peso propio, y con ello sobre el
armado y, por tanto, sobre los costes, dependiendo del tipo
de estructura de que se trate. Por otro lado, hay que tener en
cuenta los posibles casos que se pueden dar en el entorno de
la estructura, ya que no es lo mismo una estructura protegida
que otra que queda desnuda, en contacto con la atmósfera
o el agua, o en un ambiente industrial agresivo. A su vez,
para cada tipo y caso habrá diversas maneras de alcanzar
una misma durabilidad, mediante diferentes combinaciones
de los principales aspectos que influyen en ello, referidos
en el Anejo 9 de la EHE: fundamentalmente, recubrimiento,
tipo de cemento y su dosificación, resistencia del hormigón y
morteros de revestimiento; cada una de esas combinaciones
puede tener costes diferentes. En otro orden de cosas, para
realizar un análisis coste-beneficio habría que estimar,
como mínimo, horquillas de valores para el coste del m3
de un hormigón convencional y el de otros que supongan
un aumento relevante de la durabilidad, en función de las
posibles combinaciones que se han mencionado para la
correspondiente durabilidad de dichos hormigones y para
los costes de inspección, mantenimiento y reparación de
los mismos. Con todo ello habría que abordar los oportunos
cálculos (flujo de caja, período de retorno, valor actual
neto, etc.), con objeto de estimar la potencial rentabilidad
de invertir un poco más en una estructura más duradera,
y con ello ahorrar costes en el ciclo de vida. De todas
formas, debe tenerse en cuenta que la actividad socioeconómica y productiva puede evolucionar a un ritmo muy
rápido, haciendo que las estructuras sean sustituidas mucho
antes de lo previsto, por cambios de trazado de carreteras,
degradación habitual de pavimentos industriales, cambios
tecnológicos u operaciones económicas que hacen que la
estructura o el edificio dejen de ser necesarios, entre otros
aspectos. En consecuencia, no siempre resulta oportuno
aumentar la durabilidad estructural, si ello supone costes
adicionales e incrementos en el impacto medioambiental.
Por otro lado, el estudio a realizar debería incluir también
una parte de análisis de las posibilidades de obsolescencia
temprana, que resulta muy difícil de anticipar, entre otras
cosas porque depende de las circunstancias de cada proyecto,
y porque no hay registros o bases de datos de este tipo de
situaciones. Como se ve, se trata de un tema de gran interés,
cuyo análisis completo sería complejo y largo, y que se sale
totalmente del objeto de este artículo, al margen de necesitar,
como mínimo, un texto tan extenso como el presente para
resumirlo a grandes rasgos.
Figura 6: Pantalla de introducción de datos del criterio de optimización del armado
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TECNOLOGÍA DE LA CONSTRUCCIÓN
3305.06 INGENIERÍA CIVIL
Figura 7: Pantalla de resultados
5. AGRADECIMIENTOS
Los trabajos para redactar el Anejo de la EHE y para crear
esta aplicación han tenido lugar en el marco de tres proyectos
financiados, respectivamente, por el Ministerio de Fomento
(Orden FOM/3546/2005), la Xunta de Galicia (proyecto
código 08TMT011166PR) y el Ministerio de Ciencia e
Innovación (proyecto código BIA2010-20789-C04-02).
Se agradecen las sugerencias del Prof. D. Antonio
Aguado (Universidad Politécnica de Cataluña; UPC),
D. Antoni Blázquez (BG Arquitectos), D. Miguel Ángel
Bermúdez (Ministerio de Fomento) y D. Miguel Pérez
Díaz (Universidad de La Coruña; UDC), que han permitido
mejorar la herramienta informática aquí presentada. Por otro
lado, diversas sugerencias de los Profs. D. Antonio Aguado,
D. Alejandro Josa (UPC) y D. Fernando Martínez Abella
(UDC), así como de un revisor anónimo, han contribuido a
enriquecer este artículo.
6. BIBLIOGRAFÍA
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of concrete structures within the Spanish structural concrete
code”. ASCE Journal of Construction Engineering and Management.
[en línea] 2011 [7 septiembre 2011] Disponible en Web: <http://
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en Web: <http://www.ii.udc.es/GRIDP/castellano/software.html>.
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TECNOLOGÍA E INGENIERÍA MECÁNICAS
Diseño de un nuevo motor de explosión de dos tiempos con etanol como combustible
Rubén Lostado-Lorza, Pedro María Villanueva-Roldán
3313.15 DISEÑO DE MÁQUINAS
Diseño de un nuevo motor de explosión
de dos tiempos con etanol como combustible
Rubén Lostado-Lorza*
Pedro María Villanueva-Roldán**
Doctor Ingeniero Industrial
Doctor Ingeniero Industrial
* UNIVERSIDAD DE LA RIOJA. Dpto. de Ingeniería Mecánica. Avenida de la Paz, 93 - 26006 Logroño.
Tel: +34 941 299527. [email protected]
** UNIVERSIDAD PÚBLICA DE NAVARRA. Dpto. de Proyectos e Ingeniería Rural. Campus de Arrosadia,
s/n - 31006 Pamplona. Tel: +34 948 169239. [email protected]
Recibido: 15/09/2011 • Aceptado: 07/12/2011
DOI: http://dx.doi.org/10.6036/4383
DESIGN OF A NEW TWO STROKE ENGINE THAT USES ETHANOL AS FUEL
RESUMEN
ABSTRACT
• Currently, most single or multi-cylinder internal combustion engines mounted
on commercial vehicles are based on the Crankshaft-Rod-Piston mechanism.
This mechanism allows the piston both to rotate with respect to the rod and to
friction with the walls of the cylinder as it moves inside.
The friction between the piston and the walls of the cylinder may cause
excessive wear inside the cylinder or on the piston itself, and in the worst of
cases, a binding (or seizure) of the piston in its path.
In order to reduce wear and avoid undesirable seizure, the engine requires
efficient lubrication circuits, which should provide a long lasting lubricating film
between the cylinder walls and the piston.
This article shows the design of a new combustion engine that replaces the
traditional Crankshaft-Rod-Piston mechanical system (in which the piston
moves with alternative rectilinear motion) with a system in which the piston
moves with alternative circular motion.
In this new system, the piston is jointly attached to the rod in such a way that it
eliminates rotation and avoids contact with the inner walls of the cylinder. This
restriction on rotation reduces both the wear of the piston and cylinder as well
as lubricating oil consumption. The designed motor runs with ethanol, and the
thermodynamic cycle is that of a two-stroke engine. In this engine, the air-fuel
mixture intake is made by side lights, while a valve located at the top of the
hemispherical combustion chamber is used for the exhaust of combustion gases
• Keywords: Internal Combustion Engine, Ethanol, 2-stroke thermodynamic cycle.
190
Actualmente, el mecanismo en el cual están
basados la mayoría de los motores de explosión
mono o pluricilindricos y que montan los vehículos
convencionales, es el tradicional mecanismo
cigüeñal-biela-pistón.
En este mecanismo, el pistón tiene la posibilidad
de girar con respecto a la biela y de friccionar con las
paredes del cilindro a medida que éste se desplaza
por su interior.
La fricción entre el pistón y las paredes del
cilindro puede ocasionar un desgaste excesivo tanto
del interior del cilindro como del propio pistón, y,
en el peor de los casos, incluso un atascamiento (o
gripaje) del pistón en su recorrido o carrera.
Para reducir este desgaste y evitar los indeseables
gripajes, los motores requieren de sofisticados
circuitos de engrase, los cuales han de proporcionar
una película lubricante homogénea y constante entre
las paredes del cilindro y las paredes del pistón.
En este artículo, se ha diseñado un nuevo motor
de explosión reemplazando el mecanismo cigüeñalbiela-pistón tradicional, en el que el émbolo se
desplaza con un movimiento alternativo rectilíneo,
por un sistema en el que el émbolo describe un
movimiento alternativo circular.
En este nuevo sistema, el pistón está unido
rígidamente a la biela mediante pasadores,
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TECNOLOGÍA E INGENIERÍA MECÁNICAS
Diseño de un nuevo motor de explosión de dos tiempos con etanol como combustible
Rubén Lostado-Lorza, Pedro María Villanueva-Roldán
3313.15 DISEÑO DE MÁQUINAS
suprimiendo el giro del pistón y evitando su contacto con
las paredes interiores del cilindro. Esta restricción de giro,
reduce tanto el desgaste del pistón y del cilindro como el
consumo de aceite lubricante. El motor diseñado funciona
con etanol, y su ciclo termodinámico es el de un motor de
dos tiempos. En este motor, la admisión de la mezcla airecombustible se realiza mediante lumbreras laterales y el
escape de los gases productos de la combustión a través
de una válvula situada en la parte superior de la cámara de
explosión hemisférica.
Palabras clave: motor de explosión, etanol, ciclo
termodinámico de 2 tiempos.
1. INTRODUCCIÓN
Un concienciamiento cada vez mayor por parte de
los usuarios a unas limitaciones legales de emisión de
contaminantes cada vez más exigentes (Directiva 98/69/
CE) fuerza los fabricantes a producir motores más eficientes
y con un menor consumo de aceite y de combustible. La
utilización de biocombustibles en lugar de combustibles
fósiles ayuda en gran medida a cumplir con estos niveles
legales de emisión.
El consumo de etanol reduce la emisión de gases de
efecto invernadero entre un 40% y un 80% con respecto a
los combustibles fósiles, lo cual lo convierten en un buen
candidato como sustituto de los combustibles fósiles. Este
biocombustible es muy consumido actualmente en Brasil y
Estados Unidos, pero en Europa su uso no está tan extendido
como puede ser el del biodiesel, a pesar de ser técnica y
económicamente viable, como así lo demuestran numerosos
estudios (Hernández , 2009; Ventura, 2003).
Los ciclos termodinámicos en los cuales están basados
la mayor parte de los motores actuales, tanto si utilizan
combustibles fósiles o biocombustibles, son: el ciclo de cuatro
tiempos, desarrollado por Nikolaus August Otto en 1876
y el ciclo de dos tiempos, desarrollado unos años después
por Dugald Clerk en 1881. Estos ciclos termodinámicos
normalmente se realizan en motores que funcionan con el
mecanismo tradicional cigüeñal-biela-pistón. En 1924 Felix
Wankel desarrolló un motor rotativo (Wankel) de cuatro
tiempos, que supuso un cambio sustancial en el mecanismo
tradicional cigüeñal-biela-pistón, utilizado hasta entonces
desde las antiguas máquinas de vapor.
Hoy en día, la mayor parte de los motores actuales basan
su funcionamiento en el mecanismo cigüeñal-biela-pistón y
en los ciclos termodinámicos de dos y cuatro tiempos sin
apenas haber sufrido cambios sustanciales en su diseño
original, a pesar de haber sido desarrollados hace más de un
siglo.
En este artículo se muestra el proceso de diseño y de
desarrollo de un nuevo tipo de motor que funciona con un
ciclo termodinámico de dos tiempos. En este nuevo motor,
el sistema clásico alternativo cigüeñal-biela-pistón ha sido
reemplazado por un sistema alternativo - rotativo a fin de
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reducir el desgaste y el consumo de aceite. El motor diseñado,
a pesar de ser un motor de dos tiempos, utiliza etanol como
combustible en lugar de una mezcla de combustible y aceite
lubricante como así ocurre en los motores de dos tiempos
convencionales.
2. PROCESO DE DISEÑO DEL MOTOR
El proceso que se siguió para diseñar el nuevo motor fue
el siguiente: en primer lugar, se estableció una cilindrada y
un número de vueltas máximas de eje cigüeñal habituales
para motores de pequeña y media cilindrada. Seguidamente,
se estudiaron los ciclos termodinámicos de dos y cuatro
tiempos a fin de seleccionar el más apropiado para un
motor que funcionase con etanol y con las características
técnicas previamente establecidas. A partir de un cálculo
termodinámico teórico, se determinaron las presiones y
temperaturas teóricas en la cámara de explosión en función
de los grados de eje cigüeñal girados. Estas presiones y
temperaturas teóricas obtenidas fueron utilizadas como
condiciones de contorno en cálculos posteriores.
Seguidamente, se plantearon varias condiciones de
funcionamiento (en régimen transitorio y en régimen
permanente), considerando siempre el número de vueltas de
eje cigüeñal máximo de diseño.
A continuación, se generó un primer modelo de
mecanismo de motor alternativo - rotativo que contemplaba
todas las condiciones de funcionamiento establecidas. Este
modelo se analizó en un software de simulación de dinámica
multicuerpo (Multibody Dynamics).
De este primer modelo, se obtuvieron las resultantes de
fuerzas que actúan sobre cada una de las piezas que componen
el motor. Estas fuerzas son el resultado de la combinación de
las fuerzas de inercia, de las fuerzas de reacción entre piezas
y de las fuerzas exteriores sobre el propio motor (presión
sobre el pistón). A partir de estas resultantes de fuerzas, se
analizaron todas las piezas del motor con un software de
elementos finitos. De este análisis se obtuvieron básicamente
las tensiones, las deformaciones y las temperaturas.
Algunas de las piezas del motor (culata, pistón, camisa y
cilindro) fueron analizadas mediante simulaciones TérmicoEstructurales acopladas al considerar que estaban sometidas
a un campo de temperaturas lo suficientemente elevado como
para afectar a su estado tensional. El resto de piezas (biela,
biela en uve y cigüeñal) fue analizado mediante un análisis
estructural, ya que las temperaturas alcanzas por estas piezas
fueron mucho mas inferiores.
Una vez analizadas todas las piezas que componen el
motor, y ajustadas las principales geometrías del mismo
(carreras, diámetros de cilindro, dimensiones de válvula
de escape y dimensiones de las lumbreras de admisión), se
estudió el proceso de llenado por las lumbreras y el proceso de
descarga de los gases de escape por la válvula de la cámara de
explosión. En este estudio, se utilizó software de simulación
de dinámica de fluidos computacional (Computational Fluid
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TECNOLOGÍA E INGENIERÍA MECÁNICAS
Diseño de un nuevo motor de explosión de dos tiempos con etanol como combustible
Rubén Lostado-Lorza, Pedro María Villanueva-Roldán
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Dynamics CFD) y se centró básicamente en el proceso de
llenado y vaciado de los gases del cilindro.
En los siguientes apartados del artículo, se detalla el
proceso de diseño y desarrollo seguido. El artículo finaliza
con una comparativa entre el nuevo motor de etanol diseñado
y un motor convencional de gasolina, citándose las ventajas
e inconvenientes más significativas.
3. DISEÑO DE DETALLE DEL MOTOR
Las dimensiones generales del motor fueron el punto
de partida para esta fase de diseño de detalle. En este caso,
se optó por una velocidad máxima de eje cigüeñal de 4000
R.P.M, una cilindrada media de 154 c.c., un diámetro del
pistón de 60 mm, una longitud de carrera de 54,5 mm., y
un volumen de cámara de explosión de 19,5 c.c. De estas
dimensiones básicas se deduce que la relación de compresión
es de 9.
3.1. ELECCIÓN DEL CICLO TERMODINÁMICO
MÁS APROPIADO
En este punto, se estudiaron los ciclos termodinámicos
de dos y cuatro tiempos y se seleccionó el mejor de ellos
a fin de que funcionase en un motor con las características
generales establecidas (dimensiones generales y etanol como
combustible).
Se sabe, que la utilización de etanol como combustible,
presenta una serie de ventajas e inconvenientes con respecto
a los combustibles convencionales derivados del petróleo.
Básicamente, las ventajas son:
•
Disminución de las emisiones de gases de efecto
invernadero (CO2, SO2).
•
Relación de compresión de 9 para los motores de
etanol. En los motores de gasolina, la relación de
compresión puede variar entre 6 y 12 en función de
las prestaciones del motor y del aditivo antidetonante
añadido al combustible. Este aumento en la relación
de compresión, frente a algunos de los motores que
funcionan con gasolina, supone un aumento del
η térmico (rendimiento térmico) del motor y, por
consiguiente, del η global (rendimiento global).
•
Una temperatura de autoinflamación inferior
con respecto a la gasolina, lo cual hace mucho
más segura su manipulación y almacenamiento
(la temperatura de inflamación de la gasolina de
232,2ºC frente a la del etanol que es de 423,8ºC).
En cuanto a los inconvenientes más importantes:
•
Un poder calorífico inferior con respecto al de los
combustibles derivados del petróleo.
•
Imposibilidad de disolver aceites lubricantes a fin
de lubricar piezas móviles como sucede en los
motores de ciclo termodinámico de dos tiempos
con el engrase del eje cigüeñal y la biela.
Como se ha mencionado, el etanol tiene un poder
calorífico inferior al de los combustibles derivados del
192
petróleo. Este inconveniente supone que para el motor de
etanol planteado (con una cilindrada de 154 c.c.) la mejor
opción, a fin de obtener una mayor potencia por ciclo y por
masa del motor, es la de desarrollar un ciclo termodinámico
de dos tiempos en lugar de cuatro tiempos. Es bien conocido
que un motor con un ciclo termodinámico de dos tiempos
genera aproximadamente el doble de potencia por ciclo que
un motor con un ciclo termodinámico de cuatro tiempos de
la misma cilindrada.
Todos los motores actuales de ciclo termodinámico de
dos tiempos de gasolina funcionan con una mezcla de aceitecombustible (normalmente, al 2%). Una parte del aceite
lubricante disuelto en el combustible lubrica las piezas del
motor (cigüeñal, biela y pistón) y, otra parte, es quemado en
cada una de las explosiones del motor. El etanol, al contrario
que en todos los combustibles derivados del petróleo, es
incapaz de disolver este aceite lubricante, por lo que no
es posible lubricar el motor mediante aceite disuelto en el
combustible.
La alternativa propuesta para lubricar este nuevo motor
es la de almacenar el aceite lubricante en un cárter estanco
(como en los motores de cuatro tiempos) y no disuelto en
el combustible (como en los motores de dos tiempos). El
cigüeñal, biela y pistón se lubrican por salpicadura con el
aceite del cárter, y el árbol de distribución se lubrica con el
aceite bombeado con una bomba de engranajes situada en la
parte inferior del cárter. El ciclo de compresión del motor de
etanol se realiza en el exterior con un compresor de lóbulos.
3.2. PLANTEAMIENTO DEL MECANISMO
ALTERNATIVO-ROTATIVO
Una vez seleccionado un ciclo termodinámico de dos
tiempos como el ciclo más apropiado para este motor y para
este combustible, se propone un mecanismo alternativo y
rotativo como una variante del antiguo mecanismo cigüeñalbiela-pistón. En la Figura 1a, se muestra el conjunto motor
diseñado, y se aprecia el cilindro, los cárteres y el mecanismo
alternativo y rotativo. Así mismo, la Figura 1b muestra una
vista explosionada del conjunto de piezas que componen este
mecanismo.
Este mecanismo está formado por un elevado número de
piezas que interactúan de la siguiente manera:
La palanca (J) está ligada en un extremo a un punto
fijo del cárter (L) sobre el cual puede girar y, en su otro
extremo, está unida rígidamente con el pistón (O) mediante
dos bulones (N). A su vez, esta palanca (J) está unida en su
punto medio a la biela (E) mediante el bulón apoyo palanca
(G). La unión de esta biela (E) con el cigüeñal (A) se realiza
mediante el bulón cabeza de biela (B).
Tal y como se ha diseñado este mecanismo, el pistón se
ve obligado a describir un movimiento alternativo circular
por el interior del cilindro del motor en torno a un eje fijo
(L). La palanca realiza un movimiento de giro en torno a
este mismo eje (L y la biela está ligada al cigüeñal (A) y a la
palanca (J) permitiendo su giro sobre estos dos puntos.
Se puede deducir que este nuevo mecanismo planteado
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TECNOLOGÍA E INGENIERÍA MECÁNICAS
Diseño de un nuevo motor de explosión de dos tiempos con etanol como combustible
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3313.15 DISEÑO DE MÁQUINAS
evitaría los indeseables cabeceos del pistón a lo largo de su
trayectoria en el interior del cilindro, ya que gira solidario
con la biela, consiguiendo de esta forma que el cilindro y el
pistón nunca estén en contacto mecánico. La eliminación de
este contacto supondría una disminución considerable en el
desgaste y en las pérdidas de energía por fricción del motor,
evitando las graves averías de “gripados” o agarrotamientos
del motor.
La incorporación de una nueva biela (o palanca según
la Figura 1b) en el motor planteado, tiene el inconveniente
de aumentar el número de piezas móviles y, por lo tanto,
su complejidad mecánica. No obstante, este aumento en la
complejidad mecánica del motor es suplido por la reducción
del contacto mecánico entre las paredes del pistón y de la
camisa del cilindro.
La Figura 2a muestra el conjunto motor visto desde el
exterior. En esta figura se aprecia la culata, el cilindro y los
cárteres, así como las aletas de refrigeración que rodean el
cilindro. En la Figura 2b se observa una vista seccionada del
conjunto del motor. Se puede apreciar además del mecanismo
alternativo - rotativo, la distribución y la válvula de escape
situada en el centro de la cámara hemisférica.
Como se ha mencionado anteriormente, este nuevo
motor de dos tiempos no funciona con una mezcla de aceitecombustible como lo hacen los motores de dos tiempos
convencionales, sino que el etanol es puro 100% libre de
aceites y mezclas con otros combustibles. La combustión
de una mezcla de aire y etanol libre de aceites lubricantes
supone una reducción drástica en las emisiones de gases de
efecto invernadero y de un ahorro económico importante.
Figura 1: Vista de los principales componentes del nuevo motor planteado
Figura 2: Motor alternativo-rotativo planteado con ciclo termodinámico 2T, vista exterior de conjunto
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Diseño de un nuevo motor de explosión de dos tiempos con etanol como combustible
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3313.15 DISEÑO DE MÁQUINAS
3.3. SECUENCIA DE FUNCIONAMIENTO DEL
MOTOR PLANTEADO
En la Figura 3 siguiente, se muestra la secuencia de
funcionamiento del nuevo motor diseñado. La Figura 3a
corresponde con la posición del punto muerto superior del
motor (P.M.S.). En esta figura se observa como la parte
superior del pistón está enrasado con la parte superior
del cilindro. Es en esta posición en la cual, el volumen
de la mezcla queda reducido al volumen de la cámara de
explosión. En la Figura 3b, se observa como el pistón se
ha desplazado por el interior del cilindro y ha alcanzando
una posición intermedia entre el P.M.S. y la posición de
apertura de admisión. Un poco antes de que el pistón abra las
lumbreras de admisión (Figura 3c), comienza la apertura de
la válvula de escape para reducir la presión del interior del
motor y favorecer el llenado del mismo con la mezcla.
La Figura 3d corresponde con la posición de punto
muerto inferior del motor. Es en esta posición en la que las
lumbreras de admisión están totalmente abiertas a fin de
producir un llenado completo del cilindro y de la cámara de
explosión. En la Figura 3f se observa de nuevo la posición
de P.M.S. Es a partir de este punto donde comienza un nuevo
ciclo del motor.
este tipo de cámaras de explosión hemisféricas en las que la
válvula de escape se encuentra totalmente centrada, las que
presentan un mayor rendimiento de barrido de los gases de
escape. En la Figura 4 se muestra un diagrama en el que se
aprecian los coeficientes de barrido y de llenado para cámaras
de explosión hemisféricas y las diferentes posiciones de las
válvulas de escape en el motor.
El sistema de accionamiento de la válvula de escape está
basado en él de una leva clásica, aunque en diseños futuros
y para motores de mayor cilindrada sería recomendable el
diseño de un sistema de accionamiento electrónico de esta
válvula con el que se obtendría un mayor rendimiento, un
menor consumo y mejor funcionamiento del motor.
Figura 4: Elección de la cámara de explosión hemisférica con válvula de escape
Figura 3a
Figura 3b
Figura 3c
Figura 3d
Figura 3e
Figura 3f
En la Figura 5 se observa el sistema accionamiento de
la válvula de escape diseñado para este primer prototipo de
motor. En esta Figura se observa la válvula de escape, el
muelle de retorno, dispositivo de regulación de la válvula y
el taqué de la válvula.
Figura 3: Secuencia de funcionamiento del motor planteado
3.4. DISEÑO DE LA CÁMARA DE EXPLOSIÓN
DEL MOTOR
A fin de conseguir un vaciado más eficiente de los gases
generados por la combustión en el interior del cilindro y en
la cámara de explosión, se opta por diseñar esta cámara en
forma hemisférica y posicionar la válvula de escape en el
centro de la misma. Según (Giacosa, 2000; Payri, 2004) son
194
Figura 5: Detalle del sistema de accionamiento de la válvula de escape (válvula de escape,
muelle, dispositivo de regulación y taqué empujador)
Así mismo, la Figura 6 muestra el sistema de
accionamiento de la válvula de escape planteado mediante
un árbol de levas clásico.
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Cod. 4383
TECNOLOGÍA E INGENIERÍA MECÁNICAS
Diseño de un nuevo motor de explosión de dos tiempos con etanol como combustible
Rubén Lostado-Lorza, Pedro María Villanueva-Roldán
3313.15 DISEÑO DE MÁQUINAS
Figura 6: Detalle de la leva de accionamiento de la válvula de escape
3.5. SECUENCIA DE LLENADO Y DE VACIADO
DEL MOTOR
El llenado del cilindro y la evacuación de los gases de
escape se realiza a través de lumbreras de admisión ubicadas
en los laterales de la camisa del cilindro. Estas lumbreras
han de garantizar un llenado total y homogéneo de la mezcla
aire-combustible en la cámara de explosión, barriendo
por completo los gases de escape del ciclo anterior. El
dimensionamiento de estas lumbreras se realiza de manera
que la velocidad de la mezcla aire-combustible no sea muy
elevada, evitando así turbulencias en el flujo de entrada de
la mezcla y consiguiendo un barrido y un llenado óptimo
(Giacosa, 2000; Elvira, 1972; Lamas, 2011). Los gases
producto de la combustión son expulsados del cilindro
a través de la válvula de escape situada en el centro de la
cámara de explosión hemisférica.
En la Figura 7, se muestra la camisa del cilindro y su
montaje en un bloque motor de aluminio dividido en
dos mitades. Esta camisa está construida con un material
sinterizado (carburo de silicio).
del punto muerto superior (P.M.S.). Si la inflamación de la
mezcla aire-combustible sucede un instante de tiempo antes
de que el pistón alcance el P.M.S. asegura que la onda de
presión alcance la superficie superior del pistón cuando éste
se encuentre en la posición P.M.S (y evitar así adelantos
o retrasos del encendido, falsas explosiones, etc.). De las
Figuras 8b a 8c se aprecia como el frente de llama se propaga
por toda la cámara de explosión, aumentando rápidamente
la temperatura de los gases de combustión, y la presión
en la cámara de explosión, provocando de esta forma el
desplazando del pistón en el interior del cilindro.
En la posición mostrada en la Figura 8d, el pistón se
ha desplazado hasta alcanzar una posición anterior a la de
“apertura de admisión”. Es a partir de este punto donde
comienza a abrirse la válvula de escape para reducir la
presión interior del cilindro, y facilitar así la admisión por
las lumbreras con la mezcla de aire-combustible. En la
Figura 8h la válvula de escape está totalmente abierta y los
gases de escape salen a través de ella a gran velocidad hacia
la atmósfera. En esta figura se observa como una mezcla
renovada de aire y combustible entra por las lumbreras
expulsando en su recorrido los gases de combustión que
no han podido ser evacuados del cilindro y de la cámara de
explosión.
Figura 8a
Figura 8b
Figura 8c
Figura 8d
Figura 8e
Figura 8f
Figura 8g
Figura 8h
Figura 8i
Figura 8: Secuencia del llenado y barrido de los gases del interior del cilindro: mezcla de aire y
combustible (Color Azul) y gases de combustión (Color Rojo)
Figura 7a
Figura 7b
Figura 7: Grupo térmico del motor. Detalle de la camisa en el interior del cilindro desmontable
Así mismo, la Figura 8 recoge la secuencia completa de
llenado y de barrido de los gases de escape en el motor. En la
Figura 8a se observa el salto de la chispa producido en la bujía
unos pocos grados antes de que el pistón alcance la posición
Cod. 4383
En la Figura 8f, el pistón se encuentra en la posición de
su punto muerto inferior (P.M.I.). En esta figura se observa
como la mezcla renovada aire y de combustible sigue
entrando por las lumbreras y expulsando los gases de escape.
En la Figura 8g, la válvula de escape está totalmente cerrada,
el pistón ya ha comenzado su movimiento ascendente (ciclo
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195
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Diseño de un nuevo motor de explosión de dos tiempos con etanol como combustible
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3313.15 DISEÑO DE MÁQUINAS
Figura 9a
Figura 9b
Figura 9c
Figura 9d
Figura 9: Análisis Térmico y Térmico-Estructural de diferentes componentes del motor
de compresión), y una pequeña cantidad de mezcla de
combustible y aire ha escapado del motor sin combustionar
(problemático en los motores de dos tiempos si no están
bien diseñados). Para finalizar, en la Figura 8i el pistón se
encuentra de nuevo en el P.M.S. preparado para comenzar un
nuevo ciclo de motor.
3.6 ANÁLISIS TÉRMICO-ESTRUCTURAL
POR EL MÉTODO DE LOS ELEMENTOS FINITOS
(M.E.F) DE LAS PIEZAS QUE COMPONEN EL
MOTOR
Para garantizar que todos los componentes del motor
cumplan con los requisitos de funcionamiento frente a cargas
Térmicas y Mecánicas, tanto en régimen estacionario como
en régimen permanente, se realizan varios análisis TérmicoEstructurales y Estructurales usando el Método de los
Elementos Finitos (M.E.F.) (Mott, 2006). Previo al análisis por
196
Elementos finitos, es necesario calcular las temperaturas y
presiones máximas de la cámara de explosión, así como las
reacciones entre las distintas piezas que forman el motor, tal
y como se hay mencionado en el punto 3.1 del artículo.
El grupo Térmico del motor, formado por el Cilindro,
Culata, Camisa y Pistón, es sometido a un análisis TérmicoEstructural ya que las temperaturas alcanzadas por estas
piezas son lo suficientemente elevadas como para afectar a
su comportamiento mecánico.
En la Figura 9a se muestra el análisis Térmico del
cilindro. La distribución de temperaturas obtenidas en este
análisis servirá para dimensionar las aletas disipadoras del
calor y hacer un análisis estructural posterior. En la Figura
9b se observa el resultado del análisis Térmico-Estructural
de la camisa del cilindro. En primer lugar se ha resuelto el
problema Térmico y después se ha superpuesto al análisis
Estructural, dando lugar a las tensiones resultantes finales
debidas a las cargas térmicas y mecánicas (en este caso,
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Diseño de un nuevo motor de explosión de dos tiempos con etanol como combustible
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3313.15 DISEÑO DE MÁQUINAS
se muestran las tensiones de Von Mises que aparecen en la
camisa de carburo de silicio del cilindro). En la Figura 9c y
Figura 9d se muestran respectivamente el análisis Térmico y
Térmico-Estructural del pistón del motor planteado.
4. CONCLUSIONES Y DISCUSIÓN
En este artículo se muestra el proceso de diseño de un
nuevo motor de explosión. El motor se caracteriza por utilizar
etanol como combustible y por funcionar con un mecanismo
diferente al tradicional cigüeñal-biela-pistón.
Evidentemente, las comparaciones realizadas entre este
nuevo motor de etanol y las de un motor convencional
de gasolina ya existente y con las mismas características
técnicas, son meramente cualitativas y requieren de la
fabricación y del ensayo de un prototipo a fin de realizar una
comparación cuantitativa fiable. No obstante, a continuación
se presentan las ventajas e inconvenientes más significativas
que presentaría este nuevo tipo de motor.
En primer lugar, el motor ha sido diseñado para funcionar
con un combustible como es el etanol. Este biocombustible
puede ser obtenido de la fermentación de los azúcares
presentes en varios productos vegetales, por lo que lo hacen
una fuente inagotable de energía, a la vez que su consumo
reduce la emisión de gases de efecto invernadero en al
menos un 80%. Además, este combustible tiene una relación
de compresión de 9 sin la adición de ningún aditivo, mientras
que en un motor convencional que funciona con gasolina
sin ningún aditivo, presenta una relación de compresión
mínima de 6 o cercana a 6. Esta diferencia en la relación
de compresión hace que el rendimiento global del motor
de etanol sea algo superior al de los motores de gasolina
convencionales.
A diferencia de los motores tradicionales de dos tiempos
que funcionan con una mezcla de gasolina-aceite, en el
motor planteado el lubricante no se encuentra disuelto en el
combustible (etanol), sino almacenado en el cárter estanco
como en los motores de cuatro tiempos, por este motivo,
aunque el motor presenta un ciclo termodinámico de dos
tiempos, no se produce la combustión del aceite lubricante,
evitando de esta forma la contaminación ambiental de los
motores de dos tiempos. Así mismo, el nuevo mecanismo
pivotante con el que se ha diseñado el motor, elimina la
fricción del pistón con las paredes de la camisa del cilindro,
por lo que el consumo de aceite se reduce considerablemente
respecto al consumo de cualquier motor tradicional de dos y
cuatro tiempos. A pesar de las ventajas que ofrece este motor,
también es importante citar sus inconvenientes.
El etanol tiene un poder calorífico inferior al de la
gasolina, por lo que será necesario plantear una alternativa
en el diseño de este motor si se quiere obtener un motor con
la potencia suficiente como para poder ser competitivo con
los motores de gasolina. En este caso, se optó por diseñar un
motor con un ciclo termodinámico de dos tiempos. Además,
la condición de utilizar etanol como combustible requiere
Cod. 4383
que no exista un contacto entre el combustible y el aceite
lubricante en la etapa de compresión, motivo por el cual es
necesario realizar esta etapa en un compresor diferente al
cárter del motor como se viene realizando actualmente en
los motores de dos tiempos convencionales. En relación al
coste de fabricación, habría que decir que es un motor más
caro que cualquiera de los motores de dos tiempos actuales,
ya que estaríamos hablando de la fabricación de un primer
prototipo. Este sobrecoste se vería reducido si se plantease
una fabricación en serie del motor.
Finalmente se puede afirmar que el nuevo motor diseñado
puede ser una alternativa competitiva y rentable a la de los
motores de dos y cuatro tiempos fabricados actualmente, ya
que se ha eliminado la fricción existente entre las paredes
del pistón y las de la camisa del cilindro, reduciendo de
esta forma las pérdidas de energía por fricción del motor,
el desgaste de los componentes mecánicos, el consumo de
aceite lubricante y el mantenimiento del mismo.
5. BIBLIOGRAFÍA
- Directiva 98/69/CE del parlamento europeo relativa a las
medidas que deben adoptarse contra la contaminación
atmosférica causada por las emisiones de los vehículos de
motor. Bruselas: CE, 1998.
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y Económico del Etanol y del Biodiesel como sustitutos de
combustibles fósiles para automoción en España. ethanol and
biodiesel analysis to replace fossil fuels in the spanish vehicle
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84-8 p.656-664.
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European agricultural systems.” Biomass and Bioenergy. 2003.
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http://dx.doi.org/10.1016/S0961-9534(03)00015-1
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Ediciones Omega, 2000. 876p. ISBN-13: 9788428208482.
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Editorial Reverté, 2004. 234p. ISBN: 84-291-4701-2.
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motoras. 1ª edición. Barcelona: Ediciones UPC, 2002. 260p.
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térmicas. 1ª edición. Madrid: Ediciones E.T.S de ingenieros de
montes, 1972. 232p.
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de fluidos computacional para el proceso de barrido en un
motor otto de dos tiempos” DYNA ingeniería e industria. Abril
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D.C: Editorial Pearson Educación, 2006. 944. ISBN:970-260812-0.
Dyna Marzo - Abril 2012 • Vol. 87 nº2 • 190/197
197
INGENIERÍA Y TECNOLOGÍA ELÉCTRICAS
Análisis de las definiciones de desequilibrio de tensión en los sistemas de potencia
María Reyes Sánchez-Herrera, Patricio Salmerón-Revuelta, Salvador Pérez-Litrán, Alejandro Pérez-Vallés
3306.99-2 SISTEMAS DE AUTOMATIZACIÓN,
CONTROL Y GESTIÓN DE REDES ELÉCTRICAS
Análisis de las definiciones de desequilibrio
de tensión en los sistemas de potencia
María Reyes Sánchez-Herrera
Patricio Salmerón-Revuelta
Salvador Pérez-Litrán
Alejandro Pérez-Vallés
Dra. por la Universidad de Huelva
Dr. en Ciencias Físicas
Dr. por la Universidad de Huelva
Ingeniero en Organización Industrial
UNIVERSIDAD DE HUELVA. Escuela Técnica Superior de Ingeniería. Ctra. Huelva –
Palos de la Frontera, s/n - 21819 Palos de la Frontera (Huelva). Tfno. +34 959 217589.
[email protected]
Recibido: 06/09/2011 • Aceptado: 07/12/2011
DOI: http://dx.doi.org/10.6036/4375
ASSESSMENT OF VOLTAGE UNBALANCE DEFINITIONS IN POWER SYSTEMS
ABSTRACT
• Documents recently published by IEC and IEEE
standard have adopted as a measure of voltage
unbalance the relationship between negative and
positive sequence components. However, other
imbalance indices are usual in practice, such as
voltage unbalance defined by the National Electrical
Manufacturers Association, NEMA, in USA, or those
based on the maximum deviations of average
voltages proposed by IEEE in its publications. This
article analyzes the different definitions of voltage
unbalance introduced in several standards over
the last decades. Thus, a comparative assessment
of different definitions versus the imbalance factor
adopted by IEC has been carried out. This index is
considered the true imbalance in this text. To do
this, several simulation and experimental setups
have been designed. The results obtained have
allowed the importance of adopting a definition
to achieve a correct imbalance measure in the
characterization of voltage asymmetry in electricity
networks to be highlighted.
• Keywords: Voltage unbalance, CEM standard,
distortion, electric power quality.
198
RESUMEN
Los documentos publicados
más recientemente por los
estándares de IEC e IEEE han
adoptado como medida del
desequilibrio de tensión la relación
entre la componente de secuencia
inversa y la componente de
secuencia directa. Sin embargo,
otros índices de desequilibrio son
habituales en la práctica, como
es el caso del desequilibrio de
tensión definido por la asociación
americana de fabricantes de
máquinas eléctricas, NEMA, o
las desviaciones máximas de las
tensiones respecto su promedio
recogidas en publicaciones de
IEEE.
Este artículo estudia las diferentes definiciones de desequilibrio de tensión introducidas en
las distintas normas aparecidas a
lo largo de las últimas décadas.
Así, se ha realizado un análisis comparativo de las distintas
definiciones respecto al factor de
desequilibrio adoptado por IEC, y
Dyna Marzo - Abril 2012 • Vol. 87 nº2 • 198/203
al que se considera desequilibrio
verdadero. Para ello, se han llevado a cabo distintos trabajos de
simulación y montajes experimentales que han permitido poner
de manifiesto la importancia de
adoptar una definición y realizar
una medida correcta del índice de
desequilibrio para caracterizar la
asimetría de tensión en las redes
eléctricas.
Palabras clave: Desequilibrio
de tensión, Normas CEM,
Distorsión, Calidad de la potencia
eléctrica.
1. INTRODUCCIÓN
En sistemas de potencia
trifásicos, en principio, las tensiones generadas son sinusoidales y
equilibradas. Una tensión trifásica
es equilibrada cuando las tres fases
presentan el mismo valor eficaz y
tienen una diferencia de fase de
120º entre cada dos de ellas, Figu-
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Análisis de las definiciones de desequilibrio de tensión en los sistemas de potencia
María Reyes Sánchez-Herrera, Patricio Salmerón-Revuelta, Salvador Pérez-Litrán, Alejandro Pérez-Vallés
ra 1, [1-2]. No obstante, las tensiones del sistema de potencia
presentan desequilibrios en el subsistema de distribución de
baja tensión. El desequilibrio de tensión puede venir provocado por distintas razones. Una de las causas principales es
la desigual distribución de las cargas monofásicas entre las
distintas fases que, además, pueden presentar una topología
aleatoria. También son posibles otras causas tales como la
asimetría de las impedancias de los arrollamientos de los
transformadores, la presencia de bancos de transformadores
en estrella y en triángulo en vacío, impedancias de transmisión asimétricas posiblemente debidas a una incompleta
transposición, y la fusión accidental de fusibles en bancos de
condensadores [3]. Por tanto, si bien las instalaciones industriales y comerciales pueden estar alimentadas por tensiones
equilibradas, la misma instalación puede ser origen del desequilibrio en el punto de conexión común, PCC, a causa
de su consumo desequilibrado. Ese consumo puede provenir
en muchas de las ocasiones de cargas no lineales como el
debido a los accionamientos eléctricos, lo que puede llevar
a niveles de desequilibrio con distorsión que compliquen los
procesos de medida y mitigación.
3306.99-2 SISTEMAS DE AUTOMATIZACIÓN,
CONTROL Y GESTIÓN DE REDES ELÉCTRICAS
tensión, propuestas por los diferentes estándares, cada una de
las cuales se aplican más en unos países que en otros, [5-9].
Así pues, en este artículo se presentan las definiciones de
desequilibrio de tensión más extendidas. Estas se aplican a
un sistema de potencia sinusoidal y a través de los resultados
obtenidos se contrastan las diferencias entre los valores
proporcionados por cada una de ellas. Por otro lado, la
aplicación de estas definiciones a un sistema en presencia de
distorsión ha permitido comprobar que los valores obtenidos
sufren variaciones adicionales respecto del caso sinusoidal.
Este trabajo se estructura de la siguiente forma:
en la segunda sección se presentan las definiciones de
desequilibrio de tensión que se pretenden analizar. En la
tercera se aplican estas definiciones a un caso práctico
resuelto mediante simulación, tanto para el caso sinusoidal
como para el caso con presencia de distorsión, y se analizan
los resultados obtenidos. En la cuarta sección se aplican
las distintas definiciones a un caso real constituido por un
conjunto de cargas conectadas a red a través de un sistema
de autotransformadores para desequilibrar las tensiones a
voluntad, y en la quinta se establecen las correspondientes
conclusiones.
2. ÍNDICES DE DESEQUILIBRIO
El desequilibrio de tensión se caracteriza normalmente por
medio de la tensión de secuencia inversa, y eventualmente,
mediante la tensión de secuencia cero, referidas ambas a la
tensión de secuencia directa,
a)
b)
c)
(1)
Figura 1: Diagramas fasoriales de sistemas trifásicos: a) equilibrado, b) desequilibrado en
módulo, c) desequilibrado en módulo y fase.
Las tensiones desequilibradas en el PCC pueden provocar
efectos perjudiciales sobre los equipos y el mismo sistema
de potencia, ya que el efecto puede quedar intensificado por
el hecho de que un pequeño desequilibrio en las tensiones
de fase puede producir un desproporcionado aumento en las
corrientes de fase, [3-4].
En este punto es por tanto necesario plantear dos
cuestiones: la primera es limitar el desequilibrio de tensión
en la red y la segunda proporcionar un método de medida
de ese desequilibrio que no dependa de las condiciones del
sistema.
De la primera cuestión se ha ocupado la UNE-EN
50160 que, en su punto 2.10, establece que “En condiciones
normales de explotación, para cada período de una semana,
el 95% de los valores eficaces promediados en 10 minutos
de la componente inversa de la tensión de alimentación debe
situarse entre el 0% y el 2% de la componente directa” [1].
Con respecto a la segunda cuestión, a lo largo de los últimos
años han surgido distintas definiciones del desequilibrio de
Cod. 4375
donde U+ es la componente de tensión de secuencia
directa, U- es la componente de tensión de secuencia
inversa, y U0 es la componente de tensión de secuencia cero.
Aunque normalmente sólo se considera el valor absoluto del
desequilibrio, bien podría incluir un ángulo de fase entre
el cociente de las tensiones de secuencia que suministrara
información sobre el carácter del desequilibrio. Esta misma
definición, (1), fue igualmente adoptada en el Std. 1159
de IEEE-2009, y en este trabajo se considerará como la
definición verdadera [6].
Para evitar el uso del álgebra compleja en el cálculo de
las componentes simétricas, el estándar IEC 61000-4-30, [2],
admite un método alternativo del cálculo del desequilibrio.
En este sentido, se presenta la aproximación a la expresión
(1) de UF (aproximation formula, AF) que se define como:
Dyna Marzo - Abril 2012 • Vol. 87 nº2 • 198/203
(2)
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CONTROL Y GESTIÓN DE REDES ELÉCTRICAS
donde:
(6)
(3)
donde:
El índice AF, (2), se obtiene a partir de las componentes
fundamentales de las tensiones de línea. Además, dado que
en el cálculo de (2) puede existir una diferencia entre los
valores eficaces y las componentes fundamentales de la
tensión, habrá que tener en cuenta esta circunstancia cuando
las medidas se realicen en sistemas con distorsión. En IEC
61000-4-30, la ventana básica de medida utilizada para el
cálculo del desequilibrio es la misma que para la magnitud
de la tensión o la distorsión armónica. Esto es, el valor eficaz
de la componente fundamental de la señal de entrada se mide
en un intervalo de tiempo de 10 períodos para redes de 50
Hz o en un intervalo de tiempo de 12 períodos para las redes
de 60 Hz.
No obstante, desde la década de los 80, han sido publicadas
distintas definiciones para caracterizar el desequilibrio
de tensión. En lo que sigue se introducen algunas de las
definiciones más extendidas. Así, el desequilibrio de tensión
de línea (line voltage unbalace ratio, LVUR) se define, en
porcentaje y de acuerdo con NEMA MG1-1993 “Motors
and Generators”, [7-9], como la máxima desviación de las
tensiones de línea respecto al promedio de las tres tensiones
de línea, referidas al promedio de las tensiones de línea:
(4)
(7)
Una segunda definición de la relación de desequilibrio
de tensión de fase PVUR2, viene dada, en porcentaje y de
acuerdo con el Std. 936-1987 de IEEE-1987, por la siguiente
expresión:
(8)
donde Vavg corresponde al definido en la ecuación (7).
En esta ocasión, (8) relaciona la diferencia entre la tensión
rms más elevada y la más reducida, referida al promedio de
las tres tensiones. A diferencia del documento NEMA, los
documentos IEEE utilizan las tensiones de fase en vez de las
tensiones de línea.
Estas tres definiciones son muy fáciles de implementar
porque dependen únicamente de los valores eficaces de las
distintas fases de la tensión. Sin embargo, eso mismo conlleva
que no reflejen completamente los efectos de desequilibrio
en el sistema, como se comprobará en la sección siguiente.
3. RESULTADOS DE SIMULACIÓN
donde:
(5)
Esta es la definición NEMA (Nacional Electrical
Manufacturers Association); se define en función de las
tensiones de línea, luego no se verá afectado por la presencia
de tensiones de secuencia cero.
Dos documentos de IEEE introducen definiciones
respectivas en función de las tensiones de fase, y por tanto,
índices que se verán significativamente afectados por la
presencia de tensiones de secuencia cero, [5, 7-9]. Por un
lado, la relación de desequilibrio de tensión de fase (phase
voltage unbalance ratio, PVUR1) definida, en porcentaje y
de acuerdo con el Std. 141 de IEEE-1993, como la máxima
desviación de las tensiones de fase respecto del promedio de
las tensiones, referidas al promedio de las tensiones de fase:
Con el objetivo de evaluar los resultados aportados por
cada uno de los índices, se ha diseñado una plataforma de
simulación en el entorno Matlab/Simulink, Figura 2, que
está constituida por una fuente de alimentación trifásica de
400/230V eficaces, y 50 Hz, sinusoidal y equilibrada, que
alimenta a dos cargas lineales. La primera está formada por
tres impedancias inductivas con el mismo valor nominal (40
W y 17 mH en serie) conectadas en estrella y la segunda por
tres resistencias conectadas en estrella cuyo valor nominal es
distinto en cada fase: 40 Ω en la fase 1, 30 Ω en la 2 y 45Ω
en la 3.
Figura 2: Plataforma de
simulación
200
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Análisis de las definiciones de desequilibrio de tensión en los sistemas de potencia
María Reyes Sánchez-Herrera, Patricio Salmerón-Revuelta, Salvador Pérez-Litrán, Alejandro Pérez-Vallés
Se han tomado medidas de la tensión en el punto de
conexión común en nueve casos, combinando tres condiciones
diferentes de alimentación y la conexión/desconexión de
cargas. Las condiciones de alimentación consideradas
han sido: la descrita anteriormente (fuente equilibrada
sinusoidal), una tensión de fuente desequilibrada en la que
el valor eficaz de la tensión de la fase 1 sigue siendo 230 V,
el de la segunda es 230*0,9 V y el de la tercera 230*1,05 V,
y por último una tensión de fuente desequilibrada en la que
el valor eficaz de la tensión de la fase 1 es 230 V, el de la
segunda fase 230*1,1 V y el de la tercera 230*0,8 V.
Figura 3: Valores proporcionados por los distintos índices cuando se aplican a las tensiones
de un sistema de potencia sinusoidal en distintas condiciones de desequilibrio en función del
desequilibrio de tensión y la conexión/desconexión de cargas.
Las definiciones de los índices de desequilibrio
presentadas en la sección anterior se han aplicado a las
tensiones obtenidas en los ensayos realizados y los resultados
se muestran en las gráficas de la Figura 3 y los valores
numéricos de la Tabla I (en la tabla se consideran únicamente
los casos en que permanecen conectadas las dos cargas). La
Figura 3 muestra el valor tomado por cada uno de los índices,
LVUR, PVUR1, PVUR2, AF, UF en función del factor de
desequilibrio UF (considerado desequilibrio verdadero). En
ella se puede ver que las gráficas correspondientes a AF y
UF son coincidentes, luego se comprueba que la expresión
de AF es apropiada en el caso sinusoidal. También se
observa que algunos índices se apartan bastante del factor
de desequilibrio y que esas desviaciones únicamente son
reducidas para pequeños valores de UF.
Fuente
UF (%)
Dif. LVUR-UF (%)
Dif. PVUR1-UF (%)
Dif PVUR2-UF (%)
Dif AF-UF (%)
Eq
1,29
-0,44
-70,53
-50,19
0
Des 1
4,78
-1,51
85,06
232,50
0
En la Tabla I se presentan de forma numérica las
diferencias relativas del valor de cada índice respecto del
factor de desequilibrio para cada nivel de desequilibrio
considerado con ambas cargas conectadas. De ella se
deduce que los índices PVUR1 y PVUR2 presentan un
comportamiento creciente para valores en aumento del
desequilibrio hasta presentar un valor máximo entorno al 5%
de UF. A partir de ese valor, esas diferencias comienzan a
reducirse.
Se observa también en la Tabla I cómo esas diferencias
pueden llegar a estar por encima del 80% en el caso de
PVUR1 y por encima del 200% en el caso de PVUR2.
Finalmente, respecto del índice LVUR se deduce de la Tabla I
que presenta un comportamiento siempre creciente conforme
aumenta el desequilibrio llegando a ser cercano al 5% para
un desequilibrio de 9,72%. Este índice es el utilizado por
NEMA y la diferencia respecto del desequilibrio de tensión
UF hace que aunque el desequilibrio real en la alimentación
de un motor sea de 9,72, el índice NEMA asume un valor
de 9,26.
A continuación se ha sustituido la carga lineal equilibrada
de la plataforma de simulación por otra no lineal, equilibrada,
compuesta por tres reguladores monofásicos con una
impedancia inductiva (40 Ω en serie con 17 mH) conectados
en estrella. Se han tomado las tensiones en el punto de
conexión común en los mismos casos que en la simulación
anterior con ambas cargas conectadas y se han aplicado las
definiciones de índices de caracterización del desequilibrio
presentadas en la segunda sección.
Cuando existe distorsión en el sistema hay que añadir, a
las diferencias entre los distintos índices presentados hasta
ahora, otras adicionales. Estas se refieren al procedimiento
de cálculo. En efecto, el desequilibrio de tensión se calcula
como la relación entre la secuencia inversa y la directa de
la componente fundamental de la tensión. Sin embargo, el
resto de los índices basan su cálculo en los valores eficaces
de las distintas fases de la tensión, cuyo valor es distinto
de la componente fundamental en presencia de distorsión.
Por lo tanto, se puede evaluar esa diferencia adicional como
la desviación relativa del valor de cada índice en el caso
con distorsión respecto del hipotético sinusoidal (que se
obtiene realizando el cálculo correspondiente a cada índice
Des 2
9,72
-4,72
37,81
212,69
0
Tabla I: Diferencias entre los valores tomados por los distintos índices y el desequilibrio de
tensión UF en los casos analizados en la plataforma de simulación con cargas lineales.
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CONTROL Y GESTIÓN DE REDES ELÉCTRICAS
Figura 4: Desviaciones relativas en % de los distintos índices de desequilibrio de tensión
respecto de su cálculo en el caso hipotético senodial, en función del THD. UF=1,36%
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INGENIERÍA Y TECNOLOGÍA ELÉCTRICAS
Análisis de las definiciones de desequilibrio de tensión en los sistemas de potencia
María Reyes Sánchez-Herrera, Patricio Salmerón-Revuelta, Salvador Pérez-Litrán, Alejandro Pérez-Vallés
3306.99-2 SISTEMAS DE AUTOMATIZACIÓN,
CONTROL Y GESTIÓN DE REDES ELÉCTRICAS
considerando únicamente la componente fundamental de
cada fase de la tensión). Estas desviaciones relativas se
presentan respecto del THD (Total Harmonic Index) en
el gráfico de la Figura 4 para un factor de desequilibrio
del 1,36% y en la Figura 5 para un factor de desequilibrio
entorno al 7%.
Se observa en ambas figuras, que la gráfica correspondiente a AF es prácticamente coincidente con la de LVUR y
que todas presentan un comportamiento creciente para valores crecientes de la distorsión. Así por ejemplo el índice
NEMA, LVUR, presenta hasta una diferencia del 2% cuando
existe un desequilibrio del 1,36%. Esas desviaciones en el
caso de los índices PVUR1 y PVUR2 alcanzan valores de
hasta el 5,5%. La comparación de las Figuras 4 y 5 muestran
que las diferencias relativas encontradas con desequilibrios
mayores se reducen. Esto se debe a que al aumentar el desequilibrio, el aumento de la secuencia inversa de la componente fundamental de la forma de onda es comparativamente
mayor que el aumento de las componentes armónicas.
capacitiva en el lado de continua (310,5 Ω en paralelo con
2200 μF), un motor, y una carga trifásica compuesta por
tres radiadores conectados en estrella (cada uno tiene una
resistencia de 242 Ω). El sistema de tensiones desequilibradas
se obtiene a partir de tres auto transformadores alimentados
desde la red que permiten modificar de forma independiente
el valor eficaz de la tensión de cada una de las fases. En estos
ensayos, el desequilibrio se ha obtenido disminuyendo el
valor eficaz de la tensión correspondiente a la segunda fase.
Se ha medido la tensión en el punto de conexión común
de las tres cargas con distintos valores de desequilibrio
de fuente, y la conexión y desconexión de los radiadores
correspondientes a las distintas fases. A las tensiones medidas
se le han aplicado los distintos índices de caracterización
del desequilibrio presentados en la segunda sección. Los
índices se han calculado a partir de las tensiones medidas, y
a partir de sus componentes fundamentales para evaluar las
desviaciones relativas entre ambos. Estas desviaciones se han
representado en la Figura 7 respecto de la relación THD/UF.
Piénsese que según los resultados obtenidos en la plataforma
de simulación, esas diferencias aumentan conforme crece la
distorsión y según disminuye el desequilibrio.
Figura 6: Plataforma experimental
Figura 5: Desviaciones relativas en % de los distintos índices de desequilibrio de tensión
respecto de su cálculo en el caso hipotético senodial en función del THD. UF=7%
Por tanto, se puede concluir de los ensayos de simulación
que existen diferencias significativas entre los distintos
índices de desequilibrio analizados y el desequilibrio
verdadero. También se puede concluir que la distorsión
agrava este problema introduciendo una diferencia adicional
entre el valor de cada índice cuando se consideran o no en
su cálculo los armónicos de la forma de onda; esta última
diferencia aumenta con el nivel de distorsión y disminuye
con el nivel de desequilibrio.
En la Figura 7 se observa que para un valor del THD de
alrededor de 13 veces el valor de UF, la desviación relativa
del índice LVUR entre el caso con distorsión y el hipotético
sinusoidal llega casi al 2,5%. Asimismo, se observa
4. RESULTADOS EXPERIMENTALES
En este apartado se contrastan las conclusiones derivadas
de los ensayos de simulación con los resultados obtenidos en
una plataforma experimental diseñada al efecto, Figura 6. Así,
se alimenta mediante un sistema de tensiones desequilibradas
a tres cargas: un rectificador trifásico con una impedancia
202
Figura 7: Desviaciones relativas en % de los distintos índices respecto de su valor si el sistema
fuese sinusoidal, frente a la relación THD/UF.
Dyna Marzo - Abril 2012 • Vol. 87 nº2 • 198/203
Cod. 4375
INGENIERÍA Y TECNOLOGÍA ELÉCTRICAS
Análisis de las definiciones de desequilibrio de tensión en los sistemas de potencia
María Reyes Sánchez-Herrera, Patricio Salmerón-Revuelta, Salvador Pérez-Litrán, Alejandro Pérez-Vallés
efectivamente una tendencia creciente de las desviaciones
relativas correspondientes a todos los índices respecto del
aumento relativo de THD frente a UF.
5. CONCLUSIONES
En este artículo se han presentado las definiciones más
extendidas de índices de caracterización del desequilibrio
de tensiones en los sistemas trifásicos de potencia. Se han
aplicado las definiciones a distintos ensayos de simulación
y a distintas pruebas experimentales, tanto para formas de
onda sinusoidales como distorsionadas. Las definiciones
propuestas se han aplicado a las medidas de tensión en
el punto de conexión común de los distintos sistemas. Se
han evaluado las diferencias de los valores aportados por
los distintos índices respecto del factor de desequilibrio
adoptado por la Normas IEC 61000 para establecer el valor
máximo de desequilibrio en un sistema, y se ha puesto
de manifiesto que las diferencias podrían llegar a ser
considerables y distintas de unos índices a otros. Esto hace
aconsejable desechar los índices LVUR, PVUR1 y PVUR2
para caracterizar el desequilibrio en la práctica industrial.
Por otra parte, se ha comprobado la aparición de una
diferencia adicional, cuando en el sistema existe distorsión.
Así, se han determinado las desviaciones relativas del valor
de cada índice y el correspondiente al mismo sistema si
éste fuese sinusoidal. Se ha puesto de manifiesto que esas
desviaciones relativas aumentan con el incremento de la
distorsión y se reducen para desequilibrios crecientes. Por
tanto, en condiciones generales, el desequilibrio de tensiones
en sistemas de potencia deberá evaluarse a partir del factor
de desequilibrio, UF, o bien según la fórmula aproximada
del mismo, AF, a partir de las componentes fundamentales
de las formas de onda de tensión y no a partir de sus valores
eficaces. Sólo de esa forma serán equiparables los valores
que proporcionan los distintos índices respecto al límite de
desequilibrio recogido en el estándar UNE-EN 50160.
En este artículo se han presentado las definiciones más
extendidas de índices de caracterización del desequilibrio
de tensiones en los sistemas trifásicos de potencia. Se han
aplicado las definiciones a distintos ensayos de simulación
y de distintas pruebas experimentales, tanto para formas de
onda sinusoidales como distorsionados. Las definiciones
propuestas se han aplicado a las medidas de tensión en el
punto de conexión común de los distintos sistemas. Se han
evaluado las diferencias de los valores aportados por los
distintos índices respecto del factor de desequilibrio adoptado
por la Normas IEC 61000 para establecer el valor máximo de
desequilibrio en un sistema, y se ha puesto de manifiesto que
las diferencias podrían llegar a ser considerables y distintas de
unos índices a otros. También se ha comprobado la aparición
de una diferencia adicional cuando en el sistema existe
distorsión. Así, se han determinado las desviaciones relativas
del valor de cada índice y el correspondiente al mismo sistema
si éste fuese sinusoidal. Se ha puesto de manifiesto que esas
Cod. 4375
3306.99-2 SISTEMAS DE AUTOMATIZACIÓN,
CONTROL Y GESTIÓN DE REDES ELÉCTRICAS
desviaciones relativas aumentan con el incremento de la
distorsión y se reducen para desequilibrios crecientes. Por
tanto, en condiciones generales, el desequilibrio de tensiones
en sistemas de potencia deberá evaluarse a partir del factor
de desequilibrio, UF, o bien según la fórmula aproximada
del mismo, AF, a partir de las componentes fundamentales
de las formas de onda de tensión y no a partir de sus valores
eficaces. Sólo de esa forma serán equiparables los valores
que proporcionan los distintos índices respecto al límite de
desequilibrio recogido en los estándares.
6. BIBLIOGRAFÍA
[1] CENELEC. Voltage characteristics of electricity supplied
by public distribution systems. EN 50160. Bruxelles:
CENELEC, 1999.
[2] CENELEC. Testing and measurement techniques –
Power quality measurements methods. EN 61000-4-30.
Bruxelles: CENELEC, 2003.
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2001. Vol. 16-4. p. 782-790.
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[5] ANSI/IEEE. IEEE Recommended Practice for Electrical
Power Distributions for Industrial Plants. Std 141.
Piscataway, N J: ANSI/IEEE, 1993.
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Electric Power Quality. Std 1159. Piscataway, N J: IEEE,
2009.
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unbalance”. IEEE on Power Engineering Review
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on Power Engineering Review. Nov 2002. p. 49-50.
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[9] Seiphetlho T E, Rens A P J. “On the assessment
of voltage unbalance”, 14th IEEE International
Conference on Harmonics and Quality of Power
(ICHQP). Bergamo (Italy): IEEE 2010. p. 1-6.
ISBN 978-1-4244-7244-4.
Dyna Marzo - Abril 2012 • Vol. 87 nº2 • 198/203
203
TECNOLOGÍA ENERGÉTICA
Gestión de energía para tranvía híbrido basado en pila de combustible, batería y supercondensador
Juan Pérez-Torreglosa, Francisco Jurado-Melguizo, Pablo García-Triviño, Luis Miguel Fernández-Ramírez
3322.01 DISTRIBUCIÓN DE ENERGÍA
Gestión de energía para tranvía híbrido
basado en pila de combustible, batería y
supercondensador
Juan Pérez-Torreglosa*
Francisco Jurado-Melguizo*
Pablo García-Triviño**
Luis Miguel Fernández-Ramírez**
Ingeniero Industrial
Dr. Ingeniero Industrial
Dr. Ingeniero Industrial
Dr. Ingeniero Industrial
* UNIVERSIDAD DE JAÉN. Escuela Politécnica Superior de Linares. Dpto. de Ingeniería Eléctrica.
C/ Alfonso X El Sabio, 28 – 23700 Jaén. Tfno: +34 953 648518. [email protected]
** UNIVERSIDAD DE CÁDIZ. Escuela Politécnica Superior de Algeciras. Dpto. de Ingeniería Eléctrica.
Avda. Ramón Puyol, s/n – 11202 Algeciras (Cádiz). Tfno: +34 956 028166.
Recibido: 05/09/2011 • Aceptado: 07/12/2011
DOI: http://dx.doi.org/10.6036/4372
ENERGY MANAGEMENT FOR HYBRID TRAMWAY BASED ON FUEL CELL, BATTERY AND
ULTRACAPACITOR
ABSTRACT
• This paper describes the configuration, modelling
and control of a new hybrid propulsion system
for the Zaragoza tramway.The new tramway
configuration is composed by a Proton-ExchangeMembrane Fuel-Cell (PEM FC) as main energy
source and a Li-ion battery and an Ultra-Capacitor
(UC) as energy storage systems. Thus, the battery
supports to the FC during the starting and absorbs
the power generated by the regenerative braking.
Otherwise, the UC, which is the element with the
fastest dynamic response, acts mainly during
power peaks which are beyond the operation range
of the FC and battery. The FC, battery and UC
provide with DC/DC converters which allow their
connection to the DC bus and control the energy
exchange. The new energy management system
described is composed by three control loops in
cascade for the FC converter and two control loops
for the battery and UC. This control system has
been evaluated for the real driving cycle of the
tramway. The results show how the control system
is valid for its application in this hybrid system.
• Keywords: fuel cell, energy storage, control system,
energy management system, transport.
204
RESUMEN
Este artículo describe la
configuración,
modelado
y
control de un nuevo sistema
híbrido de propulsión para el
tranvía de Zaragoza. La nueva
configuración para este tranvía
está formada por una pila de
combustible de membrana de
intercambio de protones como
fuente principal de energía y de
una batería de ión-litio y de un
supercondensador como sistemas
de almacenamiento de energía. De
esta forma, la batería apoyará a la
pila de combustible durante los
arranques y absorberá la potencia
disponible durante un frenado.
Por su parte, el supercondensador,
al ser el elemento de respuesta
dinámica más rápida, actuará
principalmente durante los picos
de potencia en los que ni la pila
ni la batería sean capaces de
trabajar. La pila de combustible,
la batería y el supercondensador
dispondrán de un convertidor CC/
CC el cual permitirá su conexión
Dyna Marzo - Abril 2012 • Vol. 87 nº2 • 204/213
al bus de continua y el control
de estas fuentes de energía. El
nuevo sistema de administración
de energía presentado, está
formado por tres lazos de control
en cascada para el convertidor de
la pila y dos lazos de control para
el convertidor de la batería y del
supercondensador. Este sistema
de control ha sido evaluado para
el ciclo de trabajo real del tranvía.
Los resultados muestran como
el sistema de control propuesto
es perfectamente válido para su
aplicación en este sistema híbrido.
Palabras clave: Pila de
combustible,
almacenamiento
de energía, sistema de control,
sistema de gestión de la energía,
transporte.
1. INTRODUCCIÓN
Uno de los sistemas de
propulsión utilizados en la
actualidad en tranvías, que
discurren por el centro de las
Cod. 4372
TECNOLOGÍA ENERGÉTICA
Gestión de energía para tranvía híbrido basado en pila de combustible, batería y supercondensador
Juan Pérez-Torreglosa, Francisco Jurado-Melguizo, Pablo García-Triviño, Luis Miguel Fernández-Ramírez
ciudades, se basa en el uso de los supercondensadores (SC,
“supercapacitor”). El tranvía que circula actualmente por
el centro de la ciudad Zaragoza, Urbos 3, es uno de estos
ejemplos. Dicho tranvía funciona con un sistema ACR
(Acumulador de Carga Rápida) que cuenta con SC. Éstos se
recargan con la energía de frenado del tranvía y mediante la
conexión a la red eléctrica en las paradas, en las que el tranvía
se conecta a la red eléctrica mediante catenaria instalada
exclusivamente en la parada, que permite completar la carga
de los SC, necesaria para que el tranvía sea capaz de llegar
a la siguiente.
Otra de las opciones pasa por el uso de sistemas híbridos
basados en pila de combustible de hidrógeno, lo cual
permitiría conseguir un tranvía autónomo, sin necesidad de
conexión a red a través de catenaria en las paradas.
Las pilas de combustible de membrana electrolítica (PEM
FC, del inglés “Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell”)
por su pequeño tamaño, peso y facilidad de construcción
(Emadi et al., 2008; Adzakpa, et al., 2008) son ideales para
el uso en vehículos eléctricos. El principal problema que se
plantea para su implantación es el fenómeno de “inanición”
que se produce cuando se somete a la FC a una demanda
rápida de energía. Esta demanda rápida provoca que se
produzca una falta de oxígeno o hidrógeno en la alimentación
lo que provoca que la FC se degrade y la tensión de ésta
caiga.
Para utilizar la FC en aplicaciones dinámicas, como en
el caso del transporte, el sistema debe incorporar al menos
una fuente auxiliar de energía (sistema de almacenamiento y
apoyo de energía), una batería o un SC, los cuales mejoran
el comportamiento del sistema cuando las cargas eléctricas
en el bus de continua del vehículo demandan potencias altas
en periodos cortos de tiempo, tales como aceleraciones y
deceleraciones.
En este trabajo, se evalúa la opción de propulsar el tranvía
“Urbos 3” de Zaragoza con un sistema hibrido constituido
por FC, batería y SC, cada uno de ellos con convertidor CC/
CC, el cual permitirá su conexión al bus de continua y el
control activo de cada una de las fuentes de energía. Este
sistema de propulsión permitiría al tranvía funcionar de
forma totalmente autónoma, sin necesidad de conexión a red,
pudiendo ser eliminada la actual infraestructura de catenaria
de las paradas.
Para la gestión de energía de este tranvía, se propone
una nueva estrategia de control basada en controladores
proporcionales integrales (PI) en cascada. Para validar
esta nueva estrategia de control se comparan los resultados
alcanzados por ésta para el ciclo real de trabajo del tranvía
con los obtenidos a partir de una estrategia similar a la
publicada anteriormente en (Garcia et al., 2010b), basada
en una estrategia de control por estados de funcionamiento.
La estrategia basada en estados requiere la utilización
de métodos heurísticos y la experiencia de un experto
en la materia para diseñar los distintos estados, que van a
depender de las características de cada vehículo. En cambio,
la nueva estrategia propuesta en este trabajo sería válida
Cod. 4372
3322.01 DISTRIBUCIÓN DE ENERGÍA
para vehículos eléctricos con sistema de propulsión similar,
en los que sólo habría que ajustar los parámetros de los
controladores PI, y definir los valores límites y de referencia
para los equipos empleados.
2. DESCRIPCIÓN DEL TRANVÍA
Urbos 3 es un tranvía, cuya primera línea proyectada
sigue un eje norte-sur entre Valdespartera y Parque Goya,
atravesando el centro de la ciudad de Zaragoza. Consta de
25 paradas, separadas entre sí aproximadamente 500 m, con
una longitud total de esta línea de 12,8 km. Actualmente,
dos Urbos 3 simulan el servicio comercial. Las dos unidades
que han completado un mayor número de pruebas simulan
actualmente un servicio comercial entre las paradas 21
(Olvidados) y 25 (Mago de Oz).
El tranvía se compone de unidades bidireccionales con
cinco cuerpos articulados descansando en tres “bogies”.
Dos de estas unidades son motoras y la otra es un tráiler.
Puede desarrollar 70 km/h (12 km/h de promedio) con una
capacidad máxima de 275 plazas.
Como se ha comentado anteriormente, el modelo de
tranvía que actualmente opera es el Urbos 3, desarrollado
por la empresa española Construcciones y Auxiliar de
Ferrocarriles (CAF), que cuenta con el sistema ACR,
constituido por un sistema de almacenamiento de energía
basado en SC, integrado a bordo del tranvía, que permite la
completa recuperación de la energía durante el frenado, así
como la circulación del tranvía sin catenaria entre paradas,
donde se produce la recarga completa de los SC mediante
catenaria utilizando la energía de la red eléctrica. La curva
típica Potencia-Velocidad, grabada durante la ruta entre las
paradas 21 y 25, se muestra en la Figura 1. Esta curva ha sido
considerada como punto de partida para el diseño del nuevo
sistema híbrido del tranvía.
La potencia de la pila debe ser ligeramente mayor que
los requisitos de potencia medios y evitar, junto a la potencia
Fig. 1: a) Velocidad de tranvía y b) potencia de tracción demandada por el tranvía durante un
trayecto completo de ida y vuelta.
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TECNOLOGÍA ENERGÉTICA
Gestión de energía para tranvía híbrido basado en pila de combustible, batería y supercondensador
Juan Pérez-Torreglosa, Francisco Jurado-Melguizo, Pablo García-Triviño, Luis Miguel Fernández-Ramírez
3322.01 DISTRIBUCIÓN DE ENERGÍA
regenerativa, sobrepasar la máxima potencia que pueden
absorber los dispositivos de almacenamiento. Por otro
lado, estos requisitos dependen de los roles específicos que
dependen de la estrategia de control del sistema. Teniendo
en cuenta estas dos premisas y después de considerar varios
escenarios de simulación se ha optado por una pila de
combustible de 150kW, una batería de ión-litio de 90Ah y un
banco de SC con una capacidad total de 12.6 F.
3. SISTEMA HÍBRIDO TRANVÍA
La Figura 2 muestra la configuración propuesta del
sistema de generación de energía para el nuevo tranvía
híbrido. Este sistema híbrido está formado por los siguientes
elementos: 1) FC; 2) batería; 3) SC; 4) convertidores de
potencia CC/CC; 5) módulo de servicios auxiliares; 6)
sistema de tracción formado por cuatro motores de CA; 7)
resistencia de frenado; y 8) sistema de gestión y supervisión
de energía.
La FC es la fuente principal de energía del tranvía
siendo capaz de generar potencia de forma continua. Ésta
está conectada a un convertidor elevador de tensión el cual
adapta la tensión de salida de la FC a la tensión estándar del
bus de continua.
Por otra parte, una batería recargable de ión-litio y un SC
son utilizados como sistemas de almacenamiento de energía
eléctrica. De esta forma, la batería será utilizada para generar
un suplemento de potencia durante las aceleraciones y para
almacenar energía durante las desaceleraciones o frenadas.
Por su parte, el SC, debido a su rápida respuesta dinámica
(Bauman and Kazerani, 2008), será usado para mantener
constante la tensión del bus de continua y para generar los
picos de potencia que ni la FC ni la batería puedan generar
o almacenarlos.
La potencia demandada por el tranvía proviene de dos
módulos distintos. Uno de ellos es el sistema de tracción del
vehículo, mientras que el segundo corresponde a la potencia
solicitada por parte de los servicios auxiliares del tranvía.
Finalmente, el sistema de gestión de la energía eléctrica es el
encargado de determinar la potencia a intercambiar por cada
fuente de generación de energía (FC, batería y SC).
3.1. PILA DE COMBUSTIBLE, PEM-FC
En este trabajo se ha utilizado una PEM FC comercial de
Ballard (Ballard fuel cell power, n.d.), la cual presenta una
potencia nominal de 150 kW a 621V.
El modelo de FC utilizado corresponde a un modelo
reducido, obtenido a partir de simplificaciones aplicadas al
modelo completo descrito en (Pukrushpan et al., 2002). La
capacidad de este modelo reducido, así como su mejora en
tiempo de computación, son demostradas en (Garcia et al.,
2010a). Además este mismo modelo también ha sido utilizado
para la evaluación de otras estrategias de control en (Garcia
et al., 2010b) y en (Fernandez, et al., 2010). En este modelo,
la tensión de salida generada por la FC, Vcell, es obtenida a
partir de la suma de la tensión de Nernst, Ecell, y de las caídas
de tensión por activación, óhmicas y concentración, Virrev,
siendo todas ellas función de la densidad de corriente de la
pila (Garcia, et al., 2010a).
(1)
(2)
(3)
donde E0 es la tensión reversible en condiciones estándar,
ke es una función del cambio de entropía y de la constante de
Faraday, T es la temperatura de la FC, R es la constante de los
gases ideales, F es la constante de Faraday, PH2O es la presión
parcial del agua, PO2 es la presión parcial del oxígeno, PH2 es
la presión parcial del hidrógeno, Vact y Vconc son las caídas de
tensión por activación y concentración, las cuales son función
de la densidad de corriente (relación entre la corriente de la
Fig. 2: Configuración propuesta para el nuevo sistema híbrido del tranvía
206
Dyna Marzo - Abril 2012 • Vol. 87 nº2 • 204/213
Cod. 4372
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Juan Pérez-Torreglosa, Francisco Jurado-Melguizo, Pablo García-Triviño, Luis Miguel Fernández-Ramírez
FC y su área efectiva), y Vohm es la caída óhmica de tensión,
que depende de la resistencia interna de la FC.
Las presiones parciales de hidrógeno en el ánodo y
del oxígeno en cátodo son calculadas mediante la ley de
conservación de masas y la ley de gases ideales.
La presión parcial del hidrógeno es calculada según:
(4)
donde RH2 es la constante del ggas hidrógeno, T es la
temperatura del ánodo, Van es el volu
volumen del ánodo, y qHreac
2
es el flujo de hidrógeno que reacciona en el ánodo, el cual es
obtenido a partir de la ley de Faraday.
TECNOLOGÍA ENERGÉTICA
3322.01 DISTRIBUCIÓN DE ENERGÍA
controlado de forma que mantenga constante la relación
existente entre el oxígeno entrante y consumido en el cátodo
(λO2) (Pukrushpan, et al., 2002) igual a 2.5. En el caso de
la FC comercial utilizada en este estudio, el humificador y
el intercambiador de calor son considerados ideales, ya que
la FC trabaja a su temperatura óptima de funcionamiento
(80ºC) con una humedad relativa constante (Pukrushpan, et
al., 2002).
En la Figura 3 se muestra la curva estática de polarización
del modelo comercial de la FC utilizada y del modelo
reducido de FC implementado en este trabajo. Además,
la figura muestra la potencia total generada por la FC, la
potencia neta de salida del sistema de FC y el rendimiento
de esta en función de la corriente que está generando. Como
se puede observar, la respuesta del modelo se ajusta bastante
bien a la respuesta de la FC real.
(5)
donde N es el número de celdas een serie necesario para
conseguir la tensión de salida de la F
FC, e IFC es la corriente
generada por la FC.
El flujo de entrada de hidrógeno qHreac
ha sido obtenido
2
mediante el modelado de una válvula ssituada aguas arriba del
ánodo, que controla dicho flujo con el objetivo de minimizar
las presiones entre el ánodo y el cáto
cátodo (Pukrushpan et al.,
2002).
El flujo de salida de hidrógeno q Hout2 se ha calculado
molar de hidrógeno y su
usando la relación entre el flujo mo
Esta relación puede ser
presión parcial dentro del conducto. E
expresada como (Uzunoglu and Alam
Alam, 2006):
(6)
(7)
De manera similar, la presión parc
parcial del oxígeno puede
ser calculada como:
(8)
(9)
(10)
Otros componentes que forman parte del modelo son el
compresor, el humificador y el intercambiador de calor. El
compresor es el responsable de controlar el oxígeno entrante
al cátodo. Se ha diseñado mediante un modelo reducido y
Cod. 4372
Fig. 3: a) Curva estática de polarización de la FC de Ballard de 150kW y del modelo
reducido de FC utilizado en este artículo,
b) Potencia total generada por la FC y potencia neta de salida, y c) rendimiento del sistema
de FC.
3.2. BATERÍA DE IÓN-LITIO
En el sistema de tranvía híbrido descrito en este artículo
se han escogido baterías de Li-ion, cuyos parámetros
característicos se obtuvieron a partir de los datos reales
del módulo comercial (Winston Battery, n.d.), Thunder
Sky LFP90AHA de 90 Ah de capacidad. Esta batería ha
sido diseñada específicamente para su uso en aplicaciones
de transporte y actualmente está siendo usada en coches y
autobuses urbanos eléctricos, entre otros vehículos.
La batería se ha modelado utilizando el modelo de batería
de Li-ión incluido en SimPowerSystems (The Mathworks,
n.d.). En este modelo, la tensión de la batería se expresa
según:
Dyna Marzo - Abril 2012 • Vol. 87 nº2 • 204/213
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TECNOLOGÍA ENERGÉTICA
Gestión de energía para tranvía híbrido basado en pila de combustible, batería y supercondensador
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3322.01 DISTRIBUCIÓN DE ENERGÍA
(11)
donde Ubat es la tensión de la batería, Ebat es la tensión
a circuito abierto, Ibat es la corriente de la batería, y Ri es
la resistencia interna de la batería, que se supone constante
durante los ciclos de carga y descarga, y sin variación con la
amplitud de la corriente.
La tensión a circuito abierto durante la carga y descarga
de la batería depende de la corriente de la batería, de la
capacidad extraída, y del fenómeno de histéresis de la batería
durante los ciclos de carga y descarga. Se calcula según:
(12)
(13)
donde E0 es una tensión constante, K es la constante de
polarización o resistencia de polarización, i* representa las
variaciones dinámicas de baja frecuencia de la corriente, i es
la corriente de la batería, it es la capacidad extraída, Q es la
máxima capacidad de la batería, y fhyst_char(i) y fhyst_disc(i) son
funciones de la corriente de la batería, las cuales representan
el fenómeno de histéresis de ésta durante los ciclos de carga
y descarga.
En la Figura 4 se muestra la comparación de la curva de
descarga característica, para una demanda constante de 90 A,
del modelo utilizado en este trabajo y los datos obtenidos de
la curva real. Se aprecia claramente que el modelo se ajusta
fielmente a los datos reales salvo en el tramo final. Dicho
tramo corresponde al funcionamiento de la batería casi
descargada por completo, situación que mediante el control
propuesto se va a evitar y, por tanto, no es necesario que el
modelo tenga que reproducir durante las simulaciones. Por
tanto, se considera que el modelo es perfectamente válido
para los propósitos de este artículo.
3.3. SUPERCONDENSADOR, SC
En este trabajo, se ha elegido el módulo de SC Maxwell
BMOD0063-P125 de 125 V y una capacidad de 63 F
(Maxwell Technologies, n.d.). Este módulo está diseñado
específicamente para aplicaciones de transporte pesado
como autobuses, trenes eléctricos, tranvías, grúas, entre
otros. El SC utilizado en el sistema híbrido consta 5 de estos
módulos en serie, y presenta una capacidad equivalente de
12.6 F.
En este artículo, se modela el SC mediante el modelo
eléctrico, constituido por una resistencia R, la cual modela
las pérdidas óhmicas del SC, en serie con un condensador C,
el cual simula la capacidad del SC durante los procesos de
carga y descarga.
En la Figura 5 se muestra la comparación entre los
datos reales de descarga de dicho módulo y los del modelo
seleccionado, para diferentes cargas. Se puede observar
como el modelo se adapta suficientemente bien a las curvas
de descarga (mejor en el caso de bajas demandas), pero no
refleja el comportamiento no lineal al final de cada curva.
La estrategia de control se ha diseñado para que en ningún
caso los SC lleguen a la descarga total por lo que, debido a
que ese tramo nunca se va a alcanzar, se considera el modelo
perfectamente válido.
Fig. 5: Curvas de descarga del modelo de SC frente a datos reales obtenidos de catálogo.
Fig. 4: Comparación de la curva nominal de descarga real y del modelo de batería a 90 A.
208
3.4. CONVERTIDORES CC/CC
Las tensiones de las distintas fuentes varían con la carga
demandada (en el caso de las baterías y los SC va a depender
de su SOC). Por eso, sus salidas se conectan a convertidores
CC/CC (uno por cada fuente) basados en conmutación por
ancho de pulso (Kazimierczuk, 2008), cuyas salidas con
tensión fija se interconectan a un bus de continua.
Dichos convertidores se han modelado utilizando el
modelo de “puente universal” de SimPowerSystems. El
esquema general de los convertidores es el que se muestra en
la Figura 6. Cada convertidor está formado por 2 IGBTs (T1
y T2), 2 diodos (D1 y D2), una bobina (L) y un condensador
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Juan Pérez-Torreglosa, Francisco Jurado-Melguizo, Pablo García-Triviño, Luis Miguel Fernández-Ramírez
(C). Dicho convertidor es bidireccional, pudiendo funcionar
como convertidor elevador, usado para descargar la fuente a
la que acompañe, o como reductor para cargar dicha fuente.
Durante el funcionamiento como elevador, T1 es conmutado
de forma controlada para transferir la energía requerida
desde el condensador al bus de continua. Cuando T1 está
cerrado la energía se recoge de la fuente correspondiente
y se almacena en la bobina. Cuando T1 se abre, la energía
almacenada en la bobina se transmite al condensador a través
de D2 y de ahí al bus de continua. Durante el funcionamiento
como reductor, el convertidor transmite energía del bus de
continua a la fuente. Esta operación se consigue mediante
la conmutación controlada de T2. Cuando T2 se cierra, la
energía va desde el bus de continua a la fuente, y la bobina
almacena parte de esta energía. Cuando T2 se abre, la energía
restante almacenada en la bobina se transmite a la fuente a
través de D1.
Fig. 6: Esquema de los convertidores CC/CC del sistema
El sistema de gestión de energía descrito posteriormente
se basa en actuar sobre el ciclo de trabajo de los convertidores
para gestionar la energía de cada fuente. En el caso de la FC
al funcionar su convertidor de forma unidireccional (flujo de
energía de la fuente al bus) sólo se controlará el IGBT T1.
3.4. SISTEMA DE TRACCIÓN Y SERVICIOS
AUXILIARES
Según se ha comentado previamente, la demanda de
potencia por parte del tranvía proviene de los servicios
auxiliares (57,47kW) y del sistema de tracción del mismo
(Fig. 2). Debido a que el objetivo de este artículo reside en
evaluar el sistema de gestión de la energía, ambas cargas
serán modeladas como fuentes de corriente conectadas al
bus de continua, cuya corriente es función de la potencia
consumida y de la tensión del bus de continua.
3.5. RESISTENCIA DE FRENADO
La configuración actual del tranvía dispone de una
resistencia frenado para poder disipar el exceso de energía
durante un frenado o fuerte desaceleración.
En la configuración propuesta para el tranvía híbrido
esta resistencia de frenado se ha mantenido, pero intentando
reducir al mínimo su actuación. De esta forma, según se
apreciará más adelante la resistencia sólo actuará cuando ni
la batería ni el SC puedan absorber la potencia disponible
durante un frenado.
Cod. 4372
3322.01 DISTRIBUCIÓN DE ENERGÍA
4. SISTEMAS DE GESTIÓN DE ENERGÍA
4.1. SISTEMA DE GESTIÓN DE ENERGÍA
PROPUESTO: CONTROL EN CASCADA
Este sistema de gestión de energía, denominado “Control
en Cascada”, emplea una serie de lazos de control en cascada
para cada una de las tres fuentes de energía que integran el
sistema híbrido del tranvía.
El control, similar al ya empleado en (Fernandez, et al.,
2010) para un tranvía híbrido basado en FC y batería, pretende
proporcionar en todo momento la potencia demandada por
el sistema, manteniendo los principales parámetros de las
tres fuentes de energía dentro de unos rangos óptimos de
funcionamiento. De esta forma, debido a la lenta respuesta
dinámica de la FC durante su arranque desde una parada,
se ha optado por mantenerla conectada en todo momento
(Gao et al., 2008), optimizando también de esta forma el
rendimiento del sistema de FC. Además, el control trata de
conseguir que el SOC de la batería se mantenga en torno al
65% y el del SC alrededor del 75%.
Por su parte, la tensión del bus de continua se fijará
a una tensión de 750V, mediante un adecuado control
del convertidor del SC. La Tabla I recoge el valor de los
principales parámetros que se han considerados para este
control, así como los valores que se han tomado como
referencia.
Parámetro
Valor
Parámetro
Valor
PFC,max
145 kW
Ibat,des
460 A
PFC.min
12.5 kW
Ibat,car
500 A
Ibat,max
460 A
SOCbat,ref
65 %
Ibat,min
-500 A
SOCsc,ref
75 %
Isc,des
400 A
-400 A
Vbus,ref
750 V
0.3 s
Isc,car
bat
Tabla 1: Principales parámetros del sistema de gestión de energía
4.1.1. Control del Convertidor Elevador de la FC
El control utilizado para este convertidor está formado
por tres lazos de control en cascada (Fig. 7a), teniendo como
objetivo el control del SOC de la batería. De esta forma, un
controlador proporcional genera la corriente de referencia
para la batería. El ajuste de este controlador es especialmente
importante. Si tiene un valor excesivamente alto, puede
ocurrir que no permita la carga y descarga de la batería con
objeto de mantenerla en su valor de referencia, con lo que
puede que el seguimiento de la potencia demandada por el
tranvía no sea la correcta. Por el contrario, un valor muy
bajo puede hacer que no se controle adecuadamente el SOC
de la batería y éste tienda a aumentar o disminuir de forma
constante. Para evitar estos problemas, la constante de este
controlador se ha ajustado a un valor igual al de la capacidad
de la batería.
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TECNOLOGÍA ENERGÉTICA
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3322.01 DISTRIBUCIÓN DE ENERGÍA
La diferencia o el error entre esta corriente de referencia
y la actual pasa a un controlador PI que genera a su vez la
potencia de referencia en la FC. Esta potencia de referencia
es limitada en nivel y en pendiente, atendiendo a las
características de la FC real utilizada en este trabajo. Por
último, dividiendo esta potencia por la tensión actual en
bornes de la FC se obtiene la intensidad neta de referencia
a generar por ésta. Un nuevo control PI es el encargado de
variar el ciclo de trabajo del convertidor elevador de la FC,
consiguiendo así que la FC genere la intensidad solicitada.
4.1.2. Control del Convertidor Bidireccional de la Batería
En el caso del control utilizado para el convertidor de
la batería, el principal objetivo es controlar el SOC del SC.
Siguiendo este objetivo, un controlador proporcional genera
la intensidad de carga o descarga de la batería en función
de la diferencia entre el SOC de referencia del SC y el que
realmente tenga. Esta intensidad de referencia es limitada
atendiendo a los valores máximos de carga y descarga de
la batería, y se le aplica un retraso asociado a un sistema
de primer orden que modela su respuesta dinámica. La
diferencia entre la intensidad de referencia en la batería, una
vez aplicadas las distintas limitaciones, y la actual intensidad
intercambiada por ella constituye la entrada a un controlador
PI que genera el ciclo de trabajo del convertidor (Fig. 7b).
4.1.3. Control del Convertidor Bidireccional del SC
El objetivo del control utilizado para el convertidor del
SC reside en intentar mantener constante la tensión del bus de
continua, utilizando para ello una intensidad intercambiada
por el SC que se encuentre dentro de unos niveles óptimos
de funcionamiento. De esta forma, atendiendo al esquema
mostrado en la Fig. 7c, el lazo de control externo origina la
referencia de potencia adecuada a ser generada por el SC.
Esta potencia de referencia es transformada en corriente
dividiéndola por la tensión actual del SC, la cual, antes de
ser comparada con la que realmente está generando el SC es
limitada en nivel. Finalmente, un controlador PI genera el
ciclo de trabajo del convertidor bidireccional, permitiendo
así que el SC intercambie con el sistema la potencia de
referencia creada por el lazo de control externo.
Se observa como a diferencia del control implementado
para la FC y la batería, en este caso, al SC no se le ha aplicado
ningún tipo de limitación dinámica.
4.2. SISTEMA DE GESTIÓN DE
ENERGÍA BASADO EN ESTADOS DE
FUNCIONAMIENTO
El sistema de gestión de energía con el que se ha
comparado el control en cascada propuesto en este trabajo es
un control basado en estados de funcionamientos del tranvía.
En este control, la potencia a generar por la FC se determina
teniendo en cuenta el SOC de la batería, la velocidad y la
potencia total demandada por el tranvía. La FC proporciona
energía al tranvía, o a la batería, cuando es necesario, para
evitar una descarga excesiva en ésta. La batería a su vez,
se encarga de suministrar también energía al tranvía y de
mantener la carga de los SC, cuya misión es la de mantener
la tensión en el bus de continua.
Las especificaciones de los estados del control dependen
en gran medida del conocimiento del diseñador acerca de las
exigencias del tranvía. En la tabla II se muestran los distintos
Fig. 7: Sistema de gestión de energía aplicado al tranvía, a) esquema de control para el convertidor elevador de la pila, b) esquema de control para el convertidor bidireccional de la batería y c)
esquema de control para convertidor bidireccional del SC.
210
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estados que se han utilizado en este control, definidos todos
ellos por sus condiciones de entrada y la salida a generar.
Para la ejecución de estos estados se han tenido presentes las
siguientes consideraciones:
- El estado de carga de la batería se define por tres
niveles de trabajo: bajo (“low”), normal (“normal”) y
alto (“high”). Dichos estados no quedan definidos por
intervalos concretos sino que se han usado dos ciclos
de histéresis para el paso entre estos niveles (Figura 8).
3322.01 DISTRIBUCIÓN DE ENERGÍA
por parte de la FC. De nuevo, se utiliza un controlador PI
para generar el ciclo de trabajo del convertidor, a partir de
la diferencia entre la intensidad de referencia y la actual
generada por el sistema de FC.
Potencia de
referencia
Condiciones
Estado
Vtr
SOC
Pload (kW)
LL (Pfcmin)
≠0
1
Alto
opt
< Pfc
LL (Paux )
=0
Fig. 8: Ciclos de histéresis para los niveles de estado de carga de la batería
- Se establecen tres intervalos de potencia demandada
por la carga: menor que la potencia óptima de la FC,
entre la óptima y la máxima, y mayor que la máxima.
- La FC puede funcionar a potencia constante (“LL”,
“Load Leveling”) o con seguimiento de la potencia
demandada por el tranvía (“LF”, “Load Following”).
La Figura 8 representa la estrategia de control basada en
estados de funcionamiento del sistema para el caso de los
convertidores de la FC y de la batería. En el caso del control
del convertidor del SC, el esquema de control implementado
es el mismo que el utilizado en el control en cascada. En esta
figura se observa que el bloque de control (implementado
según las reglas definidas en la Tabla II) es el encargado de
generar la potencia de referencia en la FC. Esta potencia
de referencia es limitada en pendiente de acuerdo a la
limitación dinámica de la FC y dividida por su tensión actual,
obteniéndose de esta forma la intensidad neta a generar
Fig. 9: Estrategia de control basado en estados de funcionamientos
Cod. 4372
Pfc (kW)
opt
2
-
Alto
[Pfc , 190 kW]
3
-
Alto
> Pfcmax
opt
< Pfc
LF (Pload)
LL (190 kW)
LL (Pfcopt)
4
-
Normal
5
-
Normal
[Pfcopt, Pfcmax]
LF (Pload)
6
-
Normal
> Pfcmax
LL (Pfcmax)
7
0
Bajo
-
LF(Pload+Pbat,charmax )
8
≠0
Bajo
-
LF(Pload+Pbat,charmax)
Tabla 2: Resumen de los estados
Por otra parte, a partir de la potencia demandada por el
tranvía y la de referencia para la FC, definida por el bloque
de control basado en estados, se calcula la variable P*bat_ref,
que representa la potencia a generar por la batería en el
caso de que tanto ésta como la FC no tuvieran limitaciones
dinámicas, y por tanto, sin necesidad de aporte del SC.
Al no ser posible suministrar esta potencia, la potencia de
referencia de la batería debe ser modificada atendiendo a
las exigencias del lazo de control que permite controlar el
SOC del SC. De esta forma, la potencia de referencia real en
la batería (Pbat_ref) es obtenida como la suma entre P*bat_ref y
la potencia determinada por el lazo de control del SOC del
SC. Dicha potencia de referencia para la batería es dividida
por el valor medido
de su tensión para
obtener la intensidad de
referencia, a la que se le
aplican las limitaciones
propias de la batería
comercial seleccionada.
Una
vez
aplicadas
estas limitaciones, un
controlador PI es el
encargado de determinar
el ciclo de trabajo
del convertidor que
permite conseguir que
la batería proporcione la
intensidad deseada.
Dyna Marzo - Abril 2012 • Vol. 87 nº2 • 204/213
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TECNOLOGÍA ENERGÉTICA
Gestión de energía para tranvía híbrido basado en pila de combustible, batería y supercondensador
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3322.01 DISTRIBUCIÓN DE ENERGÍA
5. SIMULACIONES
La nueva configuración del sistema de propulsión
del tranvía, así como los sistemas de control y gestión
de energía, han sido implementados en la plataforma de
Matlab-Simulink®, y testeados para el ciclo de trabajo
real del tranvía de Zaragoza, mostrado en la Fig. 1. En las
simulaciones realizadas, se ha considerado un SOC inicial
en la batería del 65% y del 75% en el SC.
Se observa, en la potencia generada por la FC (Fig.
10a), que con el control en cascada ésta se mantiene en todo
momento dentro de sus límites de funcionamiento, haciendo
que sea la batería (Fig. 10b) la que tenga que absorber
o generar el exceso o falta de potencia que demanda el
tranvía. Durante las paradas, en las que la potencia solicitada
corresponde únicamente a la de los servicios auxiliares, la
FC baja su potencia al valor mínimo. Este hecho ocurre
principalmente durante la primera y segunda parada. En la
tercera esto no ocurre, ya que con el objetivo de mejorar el
SOC de la batería, la FC intenta evitar que la batería genere
toda la potencia solicitada. En este caso, la FC baja su
potencia al mínimo sólo durante unos 10 segundos.
Por su parte, con el control basado en estados, al
encontrarse la batería con un nivel de carga normal, el
sistema trabaja en los estados 4, 5 y 6. En estos estados, la
FC genera como mínimo la potencia correspondiente a su
rendimiento máximo (65kW), lo que implica un consumo de
hidrógeno superior respecto a la potencia mínima utilizada
en el control en cascada. Durante las paradas, la batería se
carga ligeramente al ser la potencia solicitada por el tranvía
únicamente la de los servicios auxiliares (57kW), menor que
la proporcionada por la FC. Esto ocurre hasta que se alcanza
un nivel de carga alto, a partir del cual el sistema funciona de
acuerdo a los estados 1, 2 y 3.
Fig. 10: a) Potencia generada por la FC, y b) potencia intercambiada por la batería.
212
Para ambos controles se observa, en la Fig. 11a, como
el SC es el encargado de generar o absorber la potencia
que ni la FC ni la batería han podido generar, al ser éste de
respuesta dinámica más rápida. Esto provoca que el SC esté
continuamente variando la potencia que está intercambiando
con el bus de continua. La Fig. 11b muestra la potencia total
generada por el conjunto de fuentes de energía del tranvía, en
la que se observa como ambos controles consiguen generar
en todo momento la potencia total solicitada por el tranvía.
Respecto a la resistencia de frenado, ésta no actúa en el
control en cascada, ya que en todo momento, la batería junto
con el SOC son capaces de absorber la potencia disponible
durante los frenados. Sin embargo, con el control basado en
estados, al generar la pila una potencia mínima mayor que
en el control en cascada, la resistencia de frenado tiene que
absorber una potencia máxima de 161kW.
Por otra parte, los dos controles implementados consiguen
que la tensión del bus de continua se mantenga constante a
un valor de 750V, y los SOC de la batería y del SC en torno
a sus valores de referencia.
Por último, la tabla III muestra un resumen de los
resultados obtenidos por los controles para los principales
parámetros considerados. Los resultados muestran que
con el control en cascada se obtiene un menor consumo de
hidrógeno, pero sin embargo, un peor rendimiento medio en
la FC. Esto se debe a que el control basado en estados trabaja
con una potencia mínima superior al del control en cascada.
Respecto al rendimiento medio del sistema híbrido, destacar
el buen resultado obtenido por ambos controles, próximo al
65%, lo cual representa un valor bastante superior al obtenido
con los actuales sistemas basados en motores combustión
interna.
Fig. 11: a) Potencia intercambiada por el SC, y b) potencia total generada por el conjunto de
fuentes de energía (FC, batería y SC)
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TECNOLOGÍA ENERGÉTICA
Gestión de energía para tranvía híbrido basado en pila de combustible, batería y supercondensador
Juan Pérez-Torreglosa, Francisco Jurado-Melguizo, Pablo García-Triviño, Luis Miguel Fernández-Ramírez
Control
en
cascada
Control
basado en
estados
Consumo de H2 (kg)
0.461
0.482
Rendimiento medio de la FC (%)
64.2%
66.8%
Rendimiento medio del vehículo
híbrido (%)
64.1%
65.19%
Potencia máxima disipada en la
resistencia de frenado (kW)
-
161kW
Parámetro
7. AGRADECIMIENTOS
Este trabajo ha sido financiado por Hynergreen
Technologies S.A. y por el Programa Cenit del Centro del
Desarrollo Tecnológico Industrial (CDTI) del Ministerio
de Ciencia e Innovación de España, bajo el proyecto de
investigación ecoTRANS. En este proyecto participa
un consorcio nacional de empresas, liderado por CAF
(Construcciones y Auxiliar de Ferrocarriles).
8. BIBLIOGRAFÍA
Tabla 3: Resumen de los resultados obtenidos por cada control.
6. CONCLUSIONES
En este artículo se evalúa una nueva configuración y
sistema de gestión de la energía para el tranvía de Zaragoza,
basado en un sistema híbrido compuesto por una PEM-FC
como fuente principal de generación de energía, y en una
batería de ión-litio y en un banco de SC como sistemas de
almacenamiento y apoyo de energía. A su vez, cada fuente
de energía dispone de un convertidor CC/CC que permite la
conexión de cada fuente con el bus de continua del sistema
híbrido. Esta configuración permitiría al tranvía funcionar de
forma totalmente autónoma, sin necesidad de conexión a red.
Los modelos desarrollados para cada fuente de energía
han sido validados por comparación con los resultados
experimentales proporcionados por los fabricantes de los
equipos considerados.
Para la gestión de energía se propone un nuevo sistema de
control basado en un esquema de control en cascada para cada
convertidor. Para comprobar su correcto funcionamiento,
este sistema de control ha sido comparado con una estrategia
de control basada en estados de funcionamiento del tranvía.
Los resultados obtenidos a partir de las simulaciones
muestran como ambas estrategias de control permiten
generar la potencia solicitada por el tranvía en todo momento,
aprovechar la energía de las frenadas, así como controlar y
mantener el SOC de la batería y del SC y la tensión del bus
de continua en los valores de referencia establecidos.
Por otra parte, comparando los controles entre sí, se
comprueba como con el control en cascada se obtiene un
menor consumo total de hidrógeno y se evita que entre
en funcionamiento la resistencia de frenado para disipar
energía. Por el contrario, con este control se obtiene un menor
rendimiento en la FC y un rendimiento medio del sistema
híbrido bastante similar al obtenido con el control basado en
estados. Por estas razones, así como por la simplicidad de
su esquema de control y facilidad para ser implementado, el
control en cascada se considera el más adecuado de los dos
para su aplicación al tranvía objeto de estudio en este trabajo.
Cod. 4372
3322.01 DISTRIBUCIÓN DE ENERGÍA
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Dyna Marzo - Abril 2012 • Vol. 87 nº2 • 204/213
213
ORGANIZACIÓN Y DIRECCIÓN DE EMPRESAS
Modelos de gestión de proyectos: dirección de proyectos compatible con el pensamiento Lean
José Manuel Sánchez-Losada
5311.99-5 GESTIÓN DE PROYECTOS
Modelos de gestión de proyectos:
dirección de proyectos compatible
con el pensamiento Lean
José Manuel Sánchez-Losada
Ingeniero en Organización Industrial
AENA AEROPUERTOS. Aeropuerto de San Sebastián.
Gabarrari kalea, 22 – 20280 Hondarribia (Gipuzkoa). Tfno: 943 668501. [email protected]
Recibido: 28/08/2011 • Aceptado: 06/02/2012
DOI: http://dx.doi.org/10.6036/4367
PROJECT MANAGEMENT MODELS: LEAN THOUGHT PROJECT MANAGEMENT
RESUMEN
ABSTRACT
• PMBOK® standards, provided by the Project Management Institute
(PMI), are widely accepted in Project Management. On the other hand,
Lean Thinking philosophy is based on the strict fulfillment of customer
needs, avoiding anything not valuable from the client viewpoint. In
the last few years, Lean Thinking philosophy has been applied to
construction projects, so as to become a differentiated management
system, called “Lean Construction”. Moreover, some authors believe
that projects with certain level of uncertainty cannot be managed
using PMBOK® standards, but have to be managed by the standards
provided by the “Lean Construction Institute”. Nevertheless, in this
article the compatibility of both methods is defended.
Specialized literature has been revised in order to compare Project
Management and Lean Construction methods. Lean Construction
projects results have been analyzed in order to prove that their
achievements have been remarkable in terms of predictability of time
and cost. Discussion has been done so as to prove the compatibility of
Project management and Lean Construction. As a conclusion, the article
proposes a model to implement both methods in a systematic and
feasible way.
• Key words: Project Management, PMBOK®, Critical Path, Critical
Chain, Project Management Institute (PMI), Lean Thinking, Lean
Construction Institute, LPDS, Last Planner System (LP).
214
Las técnicas de Dirección de Proyectos generalmente
aceptadas están basadas en las normas elaboradas por el
“Project Management Institute (PMI)”, recogidas en la Guía
del PMBOK®. Por otro lado, la filosofía Lean Thinking
tiene por objeto entregar al cliente un producto que cumpla
estrictamente con sus necesidades, eliminando aquellas
características del producto a las que el cliente no da valor.
En los últimos años los principios del pensamiento Lean
han sido aplicados al área de la construcción, hasta el punto
de convertirse en un sistema diferenciado de Dirección de
Construcción denominado “Lean Construction”. Ello ha
llevado a algunos autores que defienden el sistema a estimar
que los proyectos que tengan cierto grado de incertidumbre
no pueden ser gestionados con las técnicas de Dirección de
Proyectos del PMBOK y deben ser gestionados con el modelo
específico desarrollado por el “Lean Construction Institute”.
Sin embargo, en el presente artículo se ha realizado una
revisión de literatura especializada en los métodos de Project
Management y Lean Construction. Se han analizado los
resultados prácticos obtenidos con la aplicación de las técnicas
de Lean Construction, habiéndose observado resultados
notables en términos de predictibilidad de tiempo y coste. Se
ha analizado y argumentado la compatibilidad de éstas técnicas
con las técnicas clásicas de Project Management. Como
conclusión, en este artículo se defiende la compatibilidad de
ambos métodos y se propone un modelo que puede permitir la
implementación de ambos de forma sistemática y coherente.
Dyna Marzo - Abril 2012 • Vol. 87 nº2 • 214/221
Cod. 4367
ORGANIZACIÓN Y DIRECCIÓN DE EMPRESAS
Modelos de gestión de proyectos: dirección de proyectos compatible con el pensamiento Lean
José Manuel Sánchez-Losada
5311.99-5 GESTIÓN DE PROYECTOS
Palabras clave: Project Management, PMBOK®, Camino
Crítico, Cadena Crítica, Project Management Institute (PMI),
Lean Thinking, Lean Construction Institute, LPDS, Sistema
Último Planificador (SUP – LP).
2. ESTADO DEL ARTE
investigadores Womack, Roos y Jones (1990).
Algo más tarde, Womack y Jones (1996) definieron una
metodología de implantación de la filosofía que había sido
bautizada como Lean Thinking (a veces conocida como Lean
Production) que incluyó los siguientes 5 principios:
1. Definir el valor desde la perspectiva del cliente
2. Identificar la cadena de valor. Esta está compuesta por
todas las actividades que son necesarias para entregar
el producto al cliente. Aunque a las actividades que
no añaden valor se las considera desperdicios, los
desperdicios son clasifican en dos grupos:
o Desperdicios relativos: actividades que NO son
percibidas por el cliente como de Valor, PERO que
son necesarias. Añaden costes al proyecto, pero no
pueden eliminarse.
o Desperdicios absolutos (“Muda”, en la terminología
japonesa): actividades que NO son percibidas por
el cliente como de Valor y NO son necesarias para
completar otras, que deben eliminarse; entre los que
se encuentran: elementos no deseados por el cliente,
procesos innecesarios, movimientos innecesarios,
demoras y errores.
3. Optimizar el flujo de valor: hacer que el flujo de
actividades discurra sin detenciones, eliminar las colas y
esperas, que se consideran desperdicios inútiles (Muda)
de tiempo.
4. Consultar al cliente acerca de sus necesidades exactas y
qué considera él de valor.
5. Perseguir la Mejora continua.
2.1. BASES FUNDAMENTALES DE LA
FILOSOFÍA LEAN THINKING
La filosofía Lean Thinking consiste en una serie de
métodos y herramientas cuyo objetivo es entregar al cliente
un producto que cumpla estrictamente con sus necesidades,
eliminando aquellas características del producto a las que el
cliente no da valor y simplificando y abaratando así su coste.
La clave es definir qué es de valor desde el punto de vista del
cliente.
La filosofía fue desarrollada por Toyota a finales de
la segunda guerra mundial para competir con la industria
americana del automóvil. Estas ideas revitalizaron Toyota
y su éxito hizo que se extendieran a la industria Occidental
en los años ’80. La experiencia fue documentada por los
2.2. DE LA FILOSOFÍA LEAN THINKING A
LEAN CONSTRUCTION
En los años ’90, el Gobierno Británico puso a Sir John
Egan al frente de un grupo de trabajo para mejorar la
productividad del sector de la construcción. Sir John Egan
había trabajado en la industria del automóvil y deseaba
implantar en los proyectos de construcción el modelo de
mejora continua en el desarrollo de productos que se da en la
industria del automóvil. Fruto de las reflexiones realizadas en
el seno de dicho grupo nació un informe enviado en 1998 al
Gobierno Británico denominado “Rethinking construction”,
elaborado por Construction Taskforce bajo la dirección de
Egan (1998), donde se recogió la aplicación al sector de la
1. INTRODUCCIÓN
La razón fundamental, que ha llevado al autor de este
trabajo a proponer un método que permita la compatibilidad
de las técnicas de Dirección de Proyectos recogidas en la
Guía del PMBOK® y el pensamiento Lean Thinking, ha sido
conseguir una mayor satisfacción del cliente, así como una
mayor eficiencia en términos de tiempo y coste.
La metodología del trabajo utilizada ha consistido en
una revisión de la literatura, existente, un análisis de la
compatibilidad de ambas técnicas y la elaboración de la
propuesta. Así, en el segundo punto se presenta el estado del arte
actual y las discrepancias existentes entre ambos métodos, en
el tercer punto se presentan los resultados que se han obtenido
en los proyectos gestionados con un pensamiento Lean y qué
herramientas Lean podrían resultar más útiles. En el cuarto
punto se discute la solución a las discrepancias y se presenta
el paradigma propuesto para permitir la compatibilidad de
ambos.
Fig. 1: Fases del LPDS
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construcción de algunas técnicas propias del Lean Thinking.
Koskela (1992) había establecido la base teórica para la
aplicación del modelo de Toyota a la construcción, pero fueron
Glenn Ballard y Greg Howell quienes en 1997 fundaron
el “Lean Construction Institute” con el fin de difundir la
aplicación del Lean Thinking al sector de la construcción,
desarrollando un modelo denominado Lean Project Delivery
System (LPDS) que está organizado en 13 módulos agrupados
en 5 fases más una de control y una de estructuración.
En dichas fases:
•
Definición: es determinar las necesidades, valores y
criterios con el cliente
•
Diseño: diseño conceptual, diseño del proceso y
diseño del producto
•
Suministro: fabricación
•
Ensamblaje (en caso necesario)
•
Uso: entrega al cliente
•
Control de la producción : controlar la Producción
en curso (Planificación Semanal) y asegurar el Flujo
de Producción (Previsión a largo plazo)
•
Estructuración del trabajo: asignar tareas a las
unidades productivas encargadas de su realización,
secuenciar las tareas y definir cómo se harán las
entregas entre las unidades.
Incluye el concepto de Aprendizaje y ajuste cuanto se
detecta una oportunidad de mejora en cualquier fase.
En el modelo promovido por el Lean Construction
Institute se incluye también el concepto de “partnering”.
El concepto significa la coparticipación del promotor, la
dirección del proyecto y el constructor, en un proceso de diseño
colaborativo basado en metas acordadas de coste y plazo y
en relaciones contractuales que permiten compartir tanto los
riesgos como los ahorros que puedan obtenerse a lo largo
del proyecto y es ampliamente utilizado en el Reino Unido
y en Estados Unidos. A esto se ha denominado Integrated
Project Delivery (IPD) y ha sido registrado como marca por
el Lean Construction Institute, si bien en puridad este tipo de
relaciones no son exclusivas de Lean Construction y de hecho
representan un modelo complementario al LPDS, tal como
aclaran Smith R E, Mossman A, Emmitt S. (2011) [Sobre las
bases de Dirección Integrada de Proyecto véase Heredia R.
(1985)].
Por otro lado, para controlar de cerca el flujo de trabajo
en la fase de ejecución de obra, se desarrolló el Sistema
del Último Planificador (SUP) (Last Planner System LPS)
[Ballard (1994)]. En este sistema, la programación semanal
es la encargada de definir lo que se hará durante la semana
entrante. Para ello se sugiere:
1. Analizar el cumplimiento de la planificación
vencida a través del porcentaje de cumplimiento de
la semana: número de acciones realizadas divididas
por el número de asignaciones para una semana
dada.
2. Planificar el trabajo de la semana entrante en función
de los objetivos cumplidos en la semana precedente,
de los objetivos previstos y de las restricciones
existentes.
Se propone realizar una reunión con todos los implicados
en la ejecución (dirección de obra + proveedores +
subcontratistas + jefes de cada tajo de obra) con el fin de
hacer público el análisis en dicha reunión y si se detectan
porcentajes bajos de cumplimiento, consensuar compromisos
de actuaciones correctivas inmediatas.
Es decir, que mediante el SUP se realiza la planificación
a muy corto plazo, lo que permite controlar las desviaciones,
reduciendo la variabilidad y optimizar así la productividad.
2.3. BASES FUNDAMENTALES DE PROJECT
MANAGEMENT
La Guía del PMBOK® es una norma de gestión de
proyectos elaborada por el Project Management Institute
(PMI), que identifica las mejores prácticas que son
generalmente aceptadas. La norma identifica nueve áreas
de conocimiento y recomienda para cada una de estas la
realización de una serie de procesos.
En 1987, el PMI publicó la primera edición del PMBOK®.
A lo largo del tiempo, el PMBOK ha sido enriquecido en sus
sucesivas revisiones. La 2ª edición fue publicada en 1996
y revisada en 2000, incorporando 39 procesos delineados
en una secuencia obligatoria. En la 3ª edición, publicada en
Fig. 2: Grupos de procesos de Project Management
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2004, ya se incorporaba una ampliación de los procesos hasta
44 y se agrupaban en 5 Grupos de Procesos.
En la 4ª edición, publicada en 2008, se redujeron los
procesos a 42 representados en una secuencia libre y se
ampliaron los métodos de Planificación añadiendo una
herramienta adicional a la ya existente:
•
Camino crítico (Critical Path Management = CPM).
Es la herramienta tradicional de PMBOK para la
Planificación. Una vez representada la secuencia
ordenada de actividades del Proyecto, se define
“camino crítico” como la secuencia más larga de
la red o árbol de actividades, es decir la “rama” del
árbol de actividades cuya suma de tiempos es más
larga que las demás. Se estima que hay que vigilar y
reforzar especialmente esa secuencia de actividades.
•
Cadena crítica (Critical Chain Management = CCM).
Es una herramienta adicional añadida al PMBOK en
la revisión de 2008. El motivo es que, debido a que
los recursos son limitados (humanos y materiales), a
menudo muchas de las actividades del árbol utilizan
los mismos recursos. En dichos casos, la secuencia
de actividades ha de ser variada para permitir por
ejemplo que los recursos humanos (equipos de
trabajo) realicen primero unas de ellas y después
otras, resultando que algunas actividades deben
retrasarse. A este proceso se denomina “nivelación
de recursos” y puede aumentar la duración total.
Para acortar la duración, algunos autores proponen
“acordar” con los trabajadores márgenes de tiempo más
reducidos (del entorno del 50%) para la ejecución de las tareas
y eliminar los colchones resultantes de cada tarea. El objetivo
es que los trabajadores perciban que no disponen de margen
o “colchón” en cada una de sus tareas, a fin de que se autoexijan consumir menos tiempo.
En dicho casos se denomina “cadena crítica” al conjunto
de actividades a lo largo de la red que tras la nivelación de
recursos presenta mayor longitud.
Las posibles desviaciones que se puedan acumular se
compensan con la disposición al final del proyecto de un
margen de tiempo o colchón de tiempo acumulado que se
diseñará para que sea menor que la suma de los colchones
de tiempo que tenía cada tarea (ya que la probabilidad de
que se produzcan retrasos en todas las tareas es menor). El
Responsable del Proyecto solo deberá vigilar que la suma de
las desviaciones no se acerque peligrosamente al margen total.
El PMBOK desarrolla un modelo de Gestión de Proyectos
que ha tenido una amplia difusión. Algunas guías al respecto
son Horine G M. (2005) ó Greene J, Stellman A. (2007).
2.4. LEAN CONSTRUCTION VS PROJECT
MANGEMENT
Las técnicas de Lean Construction se han desarrollado a
tal grado que Howell y Koskela han llegado a afirmar que
las mismas son incompatibles con el modelo de Dirección de
Proyectos que desarrolla el PMBOK por dos motivos:
Cod. 4367
1)
2)
Discrepancias sobre la necesidad de una base teórica
Discrepancias sobre los métodos utilizados.
2.4.1. Discrepancias sobre la necesidad de una base teórica
Según Howell y Koskela (2002) el Project Management
no tiene una base teórica explícitamente expresada. A su
juicio, en el Project Management solo se puede apreciar una
base teórica de forma implícita y además ésta es obsoleta, ya
que se alimenta a su vez de dos teorías:
•
la Teoría de Proyectos, entendiendo el proyecto
meramente como la transformación de unos recursos
de entrada en un producto de salida. A su juicio la
Teoría de la Transformación estaba tomada de la
industria y en la propia industria ha quedado obsoleta
y existen mejores teorías como la Lean Production y
la teoría de producción vista como un flujo.
•
la Teoría de la Gestión entendida como
“Planificación”. En este sentido estiman que el
PMBOK da el mayor énfasis al grupo de procesos
de Planificación, poca atención al grupo de procesos
de Control y nula atención a la Ejecución, por la que
pasa de puntillas. Es decir que, a su juicio, el PMBOK
entiende la gestión básicamente como Planificación,
minimizando la importancia de los demás procesos,
resultando que la base teórica implícita es además
insuficiente.
En realidad Howel y Koskela tratan así de demostrar la
superioridad del método que habían propuesto años antes
(Howell y Koskela (2000)).
2.4.2. Discrepancia sobre los métodos utilizados
La discrepancia más notable se centraba en las técnicas de
Planificación recogidas en el PMBOK. Por ejemplo, Howell
y Koskela (2000) y posteriormente también Howell y Ballard
(2004) se oponían a la utilización de las técnicas tradicionales
de Project Management porque daban demasiada atención al
Método del Camino Crítico (CPM) en el que se controlan los
inicios y finales de cada actividad para compararlos con los
previstos y tomar medidas correctoras en caso de desviación.
En su opinión las técnicas del CPM se olvidan así de lo más
importante, reducir la variabilidad, ya que se centran en el
control de la variabilidad DESPUES que han ocurrido las
desviaciones, consintiendo de hecho una gran variabilidad
por falta de esfuerzos en la reducción de la misma. Por
contraposición, el método SUP defendido por ellos controla
las desviaciones de forma preventiva y por ello reduce la
variabilidad.
3. RESULTADOS
Como se ha mencionado en el punto 1.2, el informe
“Rethinking Construction” recogió la aplicación de algunas
técnicas propias del Lean Thinking al sector de la construcción
y retó al sector a generar 50 proyectos a modo de prueba
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y gestionarlos con el método propuesto. El sector aceptó
el reto. A este respecto el posterior estudio “Accelerating
Change” informó que en los siguientes 4 años se habían
realizado 400 proyectos gestionados con el nuevo método,
38% en construcción de viviendas y 62% en el resto de la
construcción, con el resultado de la obtención de ventajas
competitivas en predictibilidad en tiempo y coste, mejora
sustancial de la calidad, reducción de defectos y mayor
satisfacción del cliente medida en encuestas. Un ejemplo de
aplicación de estos principios se muestra en el artículo de
Ward A (2002).
La experiencia ha continuado, aglutinando a entidades del
sector público y privado en el grupo Constructing Excellence
in the Build Enviroment. Dentro de este grupo se sitúa el
Local Government Taskforce, al que pertenecen muchos
gobiernos locales del Reino Unido, que ha publicado los
resultados de cientos de proyectos públicos en muchos de
los cuales se ha aplicado el pensamiento Lean con resultados
altamente positivos, tales como los casos de estudio 5,
15, 290, 300 y 327 (por citar tan solo algunos de ellos)
donde la aplicación del pensamiento Lean produjo ahorros
económicos significativos.
Por tanto, la aplicación de al menos algunas prácticas
de Lean Construction en el marco del Project Management
puede resultar en ahorros significativos de tiempo y coste, así
como en una mayor satisfacción del cliente.
Por ejemplo, del modelo LPDS puede resultar
especialmente interesante utilizar las fases de definición y
diseño Lean para conseguir que las expectativas del cliente
queden reflejadas en las características del producto objeto de
proyecto.
Otro ejemplo: a tenor de las experiencias mencionadas,
el método SUP del Lean Construction permite mejorar
el desempeño debido, entre otras cosas, a que incluye la
realización de una reunión semanal con todos los implicados
en la ejecución, lo que permite una comunicación más fluida
de modo que si se detectan porcentajes bajos de cumplimiento
se puedan consensuar compromisos de actuaciones correctivas
inmediatas.
Figura 3: Fachada de la Ampliación del edificio terminal del Aeropuerto de San Sebastián
218
En la experiencia personal del autor del presente artículo
en la dirección de la ejecución de Proyectos de construcción
durante los años 2002 a 2008 en el Aeropuerto de San
Sebastián, las empresas adjudicatarias de las obras tienden a
subcontratar varias unidades de obra, lo que genera la necesidad
de que el Director de Proyecto deba reunir regularmente a la
empresa principal junto a los gremios subcontratistas y los
responsables de los tajos para fijar fechas realistas de cada
actividad y revisar su cumplimiento.
Estas reuniones resultan vitales para asegurar que todos
los implicados conocen las restricciones de tiempo existentes
y se comprometen a cumplirlas. Por eso se puede afirmar que
las reuniones semanales previstas en el método SUP pueden
resultar muy útiles, resultando útil también establecer Equipos
Integrados de Proyecto.
4. DISCUSIÓN
En el presente punto se analizan las razones por las
que Lean Construction y Project Management pueden ser
complementarios y se propone un método que permita la
utilización conjunta de ambos.
4.1. IMPORTANCIA RELATIVA DE LA
DISCREPANCIA SOBRE LA NECESIDAD DE
UNA DETERMINADA BASE TEÓRICA
Las discrepancias expresadas por Howel y Koskela y la
necesidad aducida por ellos de que el Project Management
incluya de forma explícita una base teórica es ciertamente un
asunto opinable. Sin embargo, el PMBOK es un compendio
de prácticas generalmente aceptadas, que contiene solo
aquellos elementos cuya utilidad ha sido reconocida por la
comunidad de Project Managers asociada al PMI. Por este
motivo, si cierto grupo de proyectistas (como es el caso del
Lean Construction) defienden ciertos fundamentos teóricos
deberán demostrar a la comunidad de proyectistas la bondad
de sus aportaciones. El PMBOK recogerá dichos fundamentos
teóricos de forma explícita solo cuando los mismos sean
generalmente aceptados. Pero esto no ha de interpretarse
en clave de antagonismo, ni ha de interpretarse de ello la
imposibilidad de compatibilizar el modelo de Dirección de
Proyectos del PMBOK con al menos algunas de las prácticas
de Lean Construction que se han demostrado exitosas.
Por otro lado, es cierto que el PMBOK presta especial
atención al Grupo de Procesos de Planificación, pero ese
hecho no debería ser visto como un defecto. Es cierto que
un proyecto está sujeto a muchos imprevistos, pero no es
menos cierto que una adecuada planificación puede ayudar
a reducirlos. No obstante, si los procesos de Ejecución y
Control pueden ser mejorados aplicando otras técnicas, como
podrían ser las técnicas defendidas en Lean Construction,
estas técnicas podrían utilizarse para mejorar o completar
dichos procesos. El Project Management del PMBOK es una
recopilación de las prácticas generalmente aceptadas, de suerte
que si otras prácticas demuestran mejorar la eficiencia de los
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proyectos serán paulatinamente aceptadas por la comunidad
de proyectistas e incluidas en el PMBOK.
4.2. SUPERACIÓN DE LA DISCREPANCIA
SOBRE LOS MÉTODOS UTILIZADOS
La discrepancia en los métodos de Planificación del
Lean Construction y del Project Management se centraba
concretamente en la discusión acerca de cuál es la mejor
herramienta de Planificación: Sistema del Último Planificador
(SUP) vs Método del Camino Crítico (CPM).
Sin embargo, este aspecto está quedando superado.
El hecho de que tradicionalmente en el PMBOK se haya
mencionado el camino crítico no ha de entenderse de manera
excluyente de otras metodologías de planificación. De hecho
en la 4ª edición del PMBOK realizada en 2008 se menciona
otro método de planificación (como es el método de la Cadena
Crítica CCM).
En este sentido, en la última reunión del International
Group for Lean Construction IGLC celebrada en julio de 2010,
Koskela, Stratton y Koskenvesa presentaron una ponencia en
la que realizaban un análisis comparativo entre los métodos
SUP y Cadena Crítica. En la misma concluyeron que:
• Ambos métodos de planificación abordan el trabajo
como un flujo, si bien lo hacen desde diferentes
perspectivas:
- la Cadena Crítica (CCM) protege el flujo de trabajo
mediante reducir el impacto de la variación por
medio de colchones agregados
- SUP (LPS) protege el flujo de trabajo mediante
reducir la causa de la variación
• Ambos métodos son complementarios.
Por tanto, la discrepancia respecto a la incompatibilidad
conceptual de los métodos de Planificación está quedando
solventada.
4.3. PARADIGMA PROPUESTO: LEAN
THOUGHT PROJECT MANAGEMENT
Tal como se ha observado, no parecen existir antagonismos
insalvables entre Lean Thinking y Project Management: el
Lean Thinking trata de definir el valor desde la perspectiva del
cliente, el Project Management suministra un modelo de
referencia para la gestión de proyectos que puede ser aplicado
a cualquier proyecto.
Por este motivo, se defiende en el presente artículo la
utilización simultánea de técnicas de Lean Construction y de
Project Management. A este modo de dirigir los proyectos
se denominará en este artículo “Lean Thought Project
Management”.
Es decir, se defiende un modelo basado en el uso del
modelo de Project Management del PMBOK para la gestión
global de los proyectos en el que se fusione el uso de LPDS,
SUP e IPD del Lean Construction de la siguiente forma:
a. En el Grupo de Procesos de Definición /
Planificación: integrar la fase de definición Lean y
diseño Lean del LPDS
Cod. 4367
b.
c.
d.
e.
Por otro lado, en el Grupo de Procesos de
Planificación el método CCM puede ser utilizado en
la Planificación Maestra y el método SUP del Lean
Construction puede ser utilizado en la Planificación
semanal.
Realización de reuniones semanales que integren
a todos los actores del proyecto en un formato de
Dirección Integrada de Proyecto (IPD).
En el Grupo de Procesos de Ejecución: integrar las
fases de suministro, ensamblaje y uso del LPDS (si
se considera justificado por el tipo de Proyecto).
En la fase de Seguimiento y Control: integrar el
método SUP, en reuniones semanales que integren
a todos los actores del proyecto en un formato de
Dirección Integrada de Proyecto (IPD).
La definición y planificación del Proyecto ha de asegurar
la satisfacción de las necesidades del cliente por medio del
concepto conocido en la industria como “trazabilidad”,
entendido aquí como la existencia de una relación que puede
justificar todas y cada una de las características del proyecto
en función de su relación con uno o varios requisitos
funcionales.
Con respecto a la trazabilidad es necesario tomar
precauciones. Es interesante notar el artículo de Nave (2002)
titulado “How to Compare Six Sigma, Lean and the Theory of
Constraints”, donde explica las similitudes y diferencias de
estos tres métodos. En dicho artículo Nave afirma que los tres
métodos, incluyendo Lean Thinking, parten de la presunción
de que el producto que se está diseñando es esencialmente
correcto y satisface las necesidades del cliente, lo cual puede
no ser cierto. Por este motivo, sugiere que, independientemente
del método que se utilice, se asegure que las características del
producto satisfagan las necesidades del cliente.
Dada la importancia de este asunto, en el presente
artículo se propone prestar especial atención a asegurar
la Trazabilidad, especialmente a la hora de realizar la
Definición del Alcance. Para ello, el Director de Proyecto
se reunirá con el cliente para saber sus “expectativas”,
deseos y “necesidades” [qué quiere] y sus “necesidades
complementarias” [qué necesita aunque no lo verbalice]. Al
finalizar las entrevistas el Director del Proyecto y el cliente
han de traducir esas necesidades en una serie de “requisitos”
expresados en términos funcionales (lo que el producto
objeto de proyecto “tiene que hacer”).
Esta forma de actuar es compatible con la prevista en
las fases de Definición y Diseño Lean del LPDS del Lean
Construction.
Tras definir el alcance con el cliente, se procederá a
convertir dichos requisitos en un prototipo de Estructura
de Desarrollo del Trabajo (EDT), definiendo los elementos
entregables de los que estará compuesto el producto objeto
del proyecto, definiéndose los hitos, para posteriormente
definir la Actividades a realizar. Por otro lado, CCM y SUP
pueden ser utilizados conjuntamente en el Grupo de Procesos
de Planificación, de la siguiente forma:
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Utilizar el método de Cadena Crítica para la
realización del Programa Maestro.
•
Utilizar el SUP para la Planificación semanal (corto
plazo).
•
Utilizar el SUP (ayudado de CCM) para la
actualización regular de los datos globales contenidos
en el Programa Maestro, es decir la prognosis
de la evolución del plan (Looking Forward) y la
correspondiente actualización de la Planificación.
Igualmente, en el Grupo de Procesos de Seguimiento y
Control, especialmente en el Control Integrado de Cambios,
así como en la Verificación del Alcance y el Control del
Alcance, habrá que prestar atención al pensamiento Lean.
Por este motivo, habrá de realizarse reuniones semanales
del equipo de proyecto en las que se utilice el SUP para el
Seguimiento y Control Semanal del Programa (corto plazo).
Se trata de crear Equipos Integrados de Proyecto, ya sea de
forma voluntaria sin soporte contractual que obligue a ello o
recogidos expresamente en el contrato.
La Tabla I presenta un resumen de lo explicado
anteriormente: de esta manera se pueden introducir las bases
del pensamiento Lean dentro de los procesos habituales del
Project Management, consiguiéndose la utilización conjunta
de ambas técnicas con las ventajas siguientes:
1. Simplificación de los proyectos, eliminando
elementos de No Valor a juicio del cliente.
2. Reducción del coste y del tiempo, mediante atención
temprana a las desviaciones.
3. Trazabilidad, cada elemento del Proyecto responderá
a la satisfacción de una o varias necesidades del
cliente.
4. Utilización de un sistema de Dirección de Proyectos
contrastado y ampliamente aceptado.
•
Grupo procesos
Project Management
Planificación
(Definición Alcance)
Uso Técnicas Project
Management
Definir alcance,
Trazabilidad, EDT
Fases LPDS Lean
Construction
LPDS:
5. CONCLUSIONES
Tal como se ha observado en el punto 3, los resultados
obtenidos por la puesta en práctica de las técnicas del
pensamiento Lean han sido predictibilidad en tiempo y coste,
mejora sustancial de la calidad, reducción de defectos y mayor
satisfacción del cliente. Por este motivo, la aplicación de al
menos algunas prácticas de Lean Construction en el marco del
Project Management puede resultar en ahorros significativos
de tiempo y coste, así como en una mayor satisfacción del
cliente.
En el presente artículo se ha propuesto una manera de
actuar que puede permitir la compatibilidad del modelo de
Dirección de Proyectos recogido en la Guía del PMBOK® y
el pensamiento Lean de la siguiente forma:
a. En el Grupo de Procesos de Definición /
Planificación: integrar la fase de definición Lean y
diseño Lean del LPDS
b. En el Grupo de Procesos de Planificación el método
CCM puede ser utilizado en la Planificación Maestra
y el método SUP del Lean Construction puede ser
utilizado en la Planificación semanal.
c. Realización de reuniones semanales que integren
a todos los actores del proyecto en un formato de
Dirección Integrada de Proyecto (IPD).
d. En el Grupo de Procesos de Ejecución: integrar las
fases de suministro, ensamblaje y uso del LPDS
e. En la fase de Seguimiento y Control: integrar el
método SUP, en reuniones semanales que integren
a todos los actores del proyecto en un formato de
Dirección Integrada de Proyecto (IPD).
En definitiva, se trata de ir introduciendo nuevas buenas
prácticas en la Gestión de Proyectos en la medida en que
éstas vayan demostrando una eficacia semejante o mayor
a las anteriores, a fin de ir enriqueciendo la práctica de los
Proyectos que se recoge en el PMBOK.
Planificación
Ejecución
Uso CCM en la
Planificación Maestra
Dirección de la
Ejecución y demás
procesos
Control
Uso CCM en la
actualización
Planificación Maestra
LPDS:
LPDS:
Suministro Lean
Diseño Lean
Ensamblaje Lean
Definición Lean
Uso otras Técnicas Lean
Construction
Uso SUP en la
planificación semanal
Uso SUP en reuniones
semanales
Equipos integrados IPD
Tabla 1: Project Management + Lean Construction
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Queda para posteriores estudios analizar para cada
organización que gestione proyectos la conveniencia de:
•
Adopción completa de todas las técnicas de Lean
Construction
•
Normas de diseño estandarizadas para sus proyectos
•
Diseño de Proyectos estándar, con su correspondiente
EDT, EDA, presupuesto y duración asociadas.
Este objeto de estudio podría ser muy interesante en el
ámbito de la Ingeniería de la Construcción.
7. BIBLIOGRAFÍA
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Dyna Marzo - Abril 2012 • Vol. 87 nº2 • 214/221
221
ORGANIZACIÓN Y DIRECCIÓN DE EMPRESAS
ELOCONS: Un algoritmo de construcción de rutas eficiente para la Pequeña y Mediana Empresa de distribución
Arturo Nieto-de Almeida, Alejandro García-del Valle, Diego Crespo-Pereira
5311.99-6 LOGÍSTICA
ELOCONS: Un algoritmo de construcción
de rutas eficiente para la pequeña y
mediana empresa de distribución
Arturo Nieto-de Almeida
Alejandro García-del Valle
Diego Crespo-Pereira
Doctor en Ciencias Económicas y Empresariales
Doctor Ingeniero Industrial
Ingeniero Industrial
UNIVERSIDAD DE A CORUÑA. EUAT. Campus A Zapateira. Avenida Linares Rivas, 44 D 15071 A Coruña. Tfno: + 34 981 167000. [email protected]
Recibido: 04/08/2011 • Aceptado: 05/09/2011
DOI: http://dx.doi.org/10.6036/4360
ELOCONS: An efficient construction algorithm for vehicle routing problems with time
windows in Small and Medium Enterprises
ABSTRACT
• In this paper an efficient low
cost construction algorithm is
proposed for vehicle routing
problems with time windows
(VRPTW). The development of
ELOCONS is focused on Small
and Medium Enterprises (SMEs)
which can be characterized as
having few customers to be
attended by a small number of
vehicles, and limited IT and
organizational capabilities.
The objective is to design an
efficient heuristic with logical
rules of decision making, with
a low cost of implementation
in SMEs which will bring
effective solutions to real
problems without the need
for excessive computational
time. Experimental results
on Solomon’s 100 customers
instances show that the
suggested construction
method is highly efficient and
competitive.
• Keywords: Routing; Time
windows; Heuristics; Logistics.
222
RESUMEN
1. INTRODUCCIÓN
Este artículo presenta un algoritmo
de construcción eficiente y de bajo coste
de implementación para la resolución
de problemas de rutas de transporte con
ventanas de tiempo (VRPTW). En el
desarrollo del mismo se ha tenido en
cuenta la problemática real de las pequeñas
y medianas empresas de transporte,
caracterizada por un número reducido de
clientes atendidos por una pequeña flota
de vehículos. La capacidad organizativa
de estas empresas es baja, están poco
informatizadas y disponen de poco personal
administrativo. El objetivo perseguido fue,
por lo tanto, diseñar un heurístico eficiente
basado en reglas de decisión lógicas, con
un bajo coste de puesta en marcha, que
pudiera proporcionar soluciones efectivas a problemas reales con un tiempo de
computación bajo utilizando ordenadores
de gama media baja. El algoritmo
obtenido se testeó con los problemas tipo
de Solomon de 100 clientes mostrando un
alto grado de desempeño como método de
construcción, lo que lleva a considerarlo
como altamente eficiente y competitivo.
La búsqueda de la eficiencia en
todos los procesos de la industria, unida
a la deslocalización fragmentada de
los procesos productivos hace que la
importancia de los sistemas logísticos
sea cada vez mayor. La planificación de
rutas de transporte, la racionalización
de las actividades de distribución y la
optimización de rutas de reparto son
fundamentales dentro de dichos sistemas.
En los últimos años, en base a los
desarrollos de los Sistemas de Información
Geográfica y a la disponibilidad de
hardware cada vez más potente, se han
desarrollado aplicaciones de gestión
logística y Sistemas Integrados de
Información Logística, dirigidos a grandes
empresas dejando desasistidas las pequeñas
empresas que cubren la distribución puerta
a puerta.
El Problema de rutas de vehículos con
ventanas de tiempo (VRPTW) consiste en
diseñar un conjunto de rutas con el menor
coste posible desde un único depósito hacia
un conjunto de clientes geográficamente
dispersos, cada uno con su demanda, debe
ser atendido por una flota de vehículos,
respetando las restricciones de carga
máxima, los momentos de apertura y
cierre y tiempos de servicio de cada uno
Palabras Clave: Rutas de Transporte;
Ventanas de Tiempo; Heurísticos; Logística.
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Cod. 4360
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Arturo Nieto-de Almeida, Alejandro García-del Valle, Diego Crespo-Pereira
5311.99-6 LOGÍSTICA
de los clientes, el número total de vehículos, y los momentos
de apertura y cierre del depósito central del que todos los
vehículos parten y al que todos deben volver.
Los costes directos, según el estudio hecho por el
Ministerio de Fomento y publicado por el Observatorio del
Transporte en el 2009, están comprendido entre 0,8 €/Km
y 1,05 €/Km recorrido y 0,94 €/Km y 1,5 €/Km recorrido
cargado, dependiendo del tipo de vehículo.
Las aplicaciones de este tipo de problemas abarcan
el aprovisionamiento de cadenas de supermercados,
distribución de prensa, servicios de vigilancia privados y un
largo etc. Solomon y Desrosiers (1988)
En el entorno de las Pymes las rutas tienden a ser cortas
y las capacidades financieras, organizativas y de gestión
tienden a ser muy reducidas. Por ello y siguiendo los trabajos
previos de García del Valle (2002), Guillén (2003) y Faulín
y García del Valle (2008), circunscribimos este trabajo a las
técnicas de construcción de rutas desarrollando un método
eficiente que no necesite usar grandes recursos de ningún
tipo, ya que más del 70% del total de empresas de transporte
españolas son pequeñas compañías con menos de 10
empleados (Estudio Socioeconómico del sector de Transporte
por Carretera, Consultrans para Mº de Fomento, 2005).
Esta situación refuerza la necesidad de obtener heurísticos
rápidos y de fácil implementación, que no requieran un gran
desarrollo informático ni un alto nivel organizacional, de los
que las Pymes del sector carecen y muchas de ellas realizan
la planificación de rutas basadas en el conocimiento personal
de las rutas por parte del planificador.
La aplicabilidad de soluciones informáticas en el entorno
de dichas Pymes se basa en cuatro pilares:
Velocidad: Obtención de buenas soluciones en un corto
espacio de tiempo, como política de calidad de servicio
diferenciador a de la competencia.
Versatilidad: Resolución de problemas muy diversos en
cuanto a tipología de clientes, rutas e incluso incidencias
durante la ejecución de las mismas.
Bajo costo tecnológico: Mínima inversión en hardware
y software.
Generación de buenas soluciones prácticas: La
aleatoriedad de incidentes en la práctica puede hacer que
soluciones óptimas o cercanas al óptimo se transformen en
malas soluciones en la realidad. Por ello las Pymes buscan
una combinación práctica que les proporcione buenas
soluciones junto a la capacidad de cambiar las rutas en caso
de que sucedan imprevistos.
El algoritmo diseñado cumple los requerimientos
anteriores. La velocidad en la obtención de la mejor
solución, realizando todas las combinaciones de parámetros
es, en promedio, de 3,1 minutos. Al operar mediante listas de
distancias es muy versátil y no requiere una gran inversión
en hardware ni software, de hecho se ha experimentado
utilizando un ordenador tipo ofimática con 2 Gb de memoria
RAM y Sistema Operativo Windows XP SP3 32 bits. Los
resultados obtenidos son muy homogéneos en los diferentes
tipos de problemas de Solomon, siendo su desviación media
Cod. 4360
respecto a los mejores resultados conocidos (incluidos
óptimos) de 17,2%, y respecto a los mejores resultados
obtenidos por métodos heurísticos su desviación promedio
es solamente del 14,29%.
La contribución de los autores es el desarrollo de un
conjunto de reglas de decisión lógicas para obtener rutas
factibles que minimicen los costes totales de transporte en
el marco de las restricciones que atenazan a las Pymes en la
actualidad; implementar ese conjunto de reglas decisionales
en un algoritmo efectivo para la toma de decisiones en la
planificación de rutas de transporte en un corto espacio de
tiempo e integrar el algoritmo en un interface de usuario que
permita al planificador incluir datos y recibir información
lógica y gráfica para facilitar la toma de decisiones.
Para medir la eficiencia y eficacia del algoritmo que
hemos denominado “ELOCONS” lo hemos enfrentado a los
problemas tipo de Solomon (1987), que son la referencia en
la que este tipo de algoritmos se comparan entre sí.
2. DESCRIPCIÓN DEL ALGORITMO “ELOCONS”
Utilizamos como datos iniciales, el conjunto de datos
utilizados en los problemas de Solomon (1987):
Identificación del cliente;
Coordenadas x,y de posición del cliente;
Demanda de cada cliente;
Ventana de tiempo de cada cliente, y
Tiempo de servicio de cada cliente;
La notación utilizada en la descripción es la siguiente:
N
NR
i
cij
tij
tsi
dij
CR1
CR2
diCR1
diCR2
k
Q
qi
tai
tci
tao
tc0
R
Número total de clientes
Número de rutas generadas hasta el momento
considerado
Índice de los clientes: i = 0, 1, 2, …, N.
Siendo 0: Índice del nodo depósito central.
Coste de viajar desde el cliente i al cliente j
Tiempo de desplazamiento entreel cliente i y el
cliente j
Tiempo de servicio del cliente i
Distancia entre el cliente i y el cliente j
Cabecera de Ruta más cercana al cliente
Segunda cabecera de ruta más cercana al cliente
Distancia entre el cliente i y la cabecera de ruta
más cercana
Distancia entre el cliente i y la segunda cabecera de
ruta más cercana
Índice del vehículo k=1,...,V
Capacidad de los vehículos en consideración
Demanda del cliente i
Momento de apertura del cliente i
Momento de cierre del cliente i
Momento de apertura del depósito central
Momento de cierre del depósito central
Número de clientes a asignar por iteración por el
algoritmo
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ELOCONS: Un algoritmo de construcción de rutas eficiente para la Pequeña y Mediana Empresa de distribución
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5311.99-6 LOGÍSTICA
R0
β
γ
teki
LRk
trk
ck
CRk
Dk
Ek
L0
L1
Número de clientes semilla a considerar
inicialmente por el algoritmo
Parámetro penalizador de desplazamientos en
inserciones simples
Parámetro multiplicador de zonas de inserción
para inserciones dobles
Tiempo de espera del vehículo k en el cliente i
Lista de clientes pertenecientes a la ruta k. Se trata
de un vector de clientes ordenados que indican las
sucesivas visitas que realiza el vehículo k
Momento en el que se encuentra el vehículo k.
Esta variable será igual a la suma de los tiempos
de desplazamiento entre los clientes que visita
el vehículo k, más los tiempos de servicio de los
clientes de la ruta k más las esperas que se han de
realizar antes de visitar cada uno de los nodos de
la ruta k. Los tiempos de desplazamiento entre dos
clientes será la suma de tpq cuando q>p
Carga total del vehículo k. Es la suma de las
demandas de los clientes ya visitados
La cabeza de la ruta k, se corresponde con el cliente
en el que está ubicado el vehículo k
Distancia total recorrida por el vehículo k. Esta
variable es igual a la suma de los desplazamientos
entre los clientes que visita este vehículo
Espera total en la que incurre el vehículo k
Lista de nodos pendientes de asignar en cada
iteración del algoritmo
Lista de nodos asignados en la primera fase del
algoritmo.
En primer lugar ELOCONS genera la lista L0 con el total
de clientes del problema (Fig.1).
A partir de la matriz de distancias y las ventanas de tiempo
de los clientes, ELOCONS genera la lista L1 que incluye los
R0 clientes con menor holgura, siendo ésta la diferencia entre
su momento de cierre y el tiempo de desplazamiento desde
el depósito central. L1 se ordena de menor a mayor holgura
y se inicializan R0 rutas correspondientes a cada uno de los
clientes que forman L1.
2.2 FASE DE INSERCIÓN DE CLIENTES
Los clientes cuya holgura es superior al menor tiempo
de servicio, se asignan a una nueva lista L2 de clientes a
ser insertados. Para ello deben cumplir que el vehículo se
desplazará al cliente i llegando antes de que cierre.
Se aplica el parámetro β de tal forma que el tiempo de
desplazamiento desde el depósito central al cliente m y desde
este al cliente i sean menores que el tiempo de desplazamiento
directo desde el depósito central al cliente i multiplicado por
el parámetro β, esto significa en la práctica que el algoritmo
solo tendrá en consideración los clientes que se encuentren
en una elíptica entre el depósito central y el nodo i, tal como
se representa gráficamente en la Figura 2.
El usuario define la capacidad de carga del vehículo
y algunos parámetrosque definen el comportamiento
del algoritmo ELOCONS: R0, R, β g. El algoritmo opera
iterativamente alternando fases de asignación de clientes
al final de rutas en construcción e inserción de clientes en
las ubicaciones inmediatamente anteriores a los clientes
asignados previamente.
Figura 2: Representación visual de los parámetros â y g
2.1 INICIALIZACIÓN DE LAS RUTAS
Figura 1: Proceso de Inicialización de Rutas
224
La carga del vehículo no se verá excedida por las
demandas atendidas.
Si L2 está vacía el vehículo no tendrá otra opción que
ir directamente al cliente i y esperar que éste abra para ser
servido. Se elimina el cliente de las listas L0 y L1.
Si, por el contrario, la lista L2 tiene clientes pendientes de
ser visitados, se puede generar una nueva lista L3 de pares de
clientes m y l de la lista L2 para realizar inserciones dobles,
si se cumple que los clientes hayan abierto sus ventanas de
tiempo cuando llegue el vehículo, al primero directamente
desde el depósito central y al segundo después de haber
servido al primero y desplazarse al segundo, servirlo y
darle tiempo a llegar al tercer cliente i antes de que cierre,
la diferencia entre el momento en que llega el vehículo k al
cliente i y el momento de cierre es la nueva holgura.
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ORGANIZACIÓN Y DIRECCIÓN DE EMPRESAS
5311.99-6 LOGÍSTICA
El algoritmo realiza iterativamente estos pasos hasta
que la lista L1 esté vacía, lo que significa que los R0
clientes críticos están ya asignados a rutas. En ese momento
ELOCONS comprueba si la lista L0 también está vacía.
Si así fuera, significaría que todos los clientes, críticos
y no críticos estarían asignados a ruta y por lo tanto la
construcción de rutas habría finalizado.
2.3. FASE DE ASIGNACIÓN DE CLIENTES
Figura 3: Utilización del parámetro γen inserciones dobles
Estos clientes, que serán insertados en pareja, estarán
comprendidos en una elipse con el depósito central y el
cliente i como focos, calculado mediante la utilización de los
parámetros β y γ.
Por supuesto, debe cumplirse que el vehículo después
de atender a los clientes, podrá volver antes del cierre
al depósito central y su carga no se verá excedida por las
demandas atendidas.
ELOCONS procede a realizar inserciones dobles de los
clientes de la lista L3 que representen el recorrido de mínima
distancia hasta el cliente i en la ruta originalmente creada
quedando la ruta actualizada en el cliente i.
Una vez realizada la doble inserción ELOCONS procede
a borrar al cliente i de las listas L1 y L0 y a los clientes m y l
de la lista L0 y L3.
Figura 5: Regeneración de la lista L1con R nuevos clientes
Se vuelve a generar la lista L1 con R nuevos clientes.
Estos R nuevos clientes son seleccionados por orden de
momento de cierre más temprano.
ELOCONS calcula si los nuevos R clientes pueden ser
accedidos desde las rutas actuales mediante el cálculo de
las holguras de cada una de las k rutas a cada uno de los i
clientes de la lista L1. Si la holgura es negativa en cada ruta
significa que el cliente no puede ser accedido desde ninguna
de las rutas existentes en la actualidad, por lo que se incluye
en una lista denominada LSR.
Figura 4: Inserciones dobles de clientes de L3 e inserciones simples de clientes de L2 hasta
que L3 se vacíe
Si la lista L3 no contiene clientes se elige el cliente m de
la lista L2que minimice la distancia recorrida hasta llegar al
cliente i, adicionándolo a una de las rutas creadas quedando
ésta actualizada en el cliente i después de haber visitado el
cliente m:
ELOCONS procede a borrar el cliente i de las listas L0 y
L1 y al cliente m de la lista L0 y L2.
Cod. 4360
Figura 6: Cálculo de la holgura en cada ruta y opciones si la holgura es menor que el menor
tiempo de servicio
Si la holgura es positiva, se calcula el coste en distancia
ci de no asignar el cliente i a su ruta más cercana. Este coste
lo definimos como la diferencia entre las distancias desde las
cabeceras de ruta y la cabecera de ruta más cercana.
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ELOCONS elige el cliente con el mayor coste en términos
de distancia, esto es la mayor diferencia entre la distancia
desde el cliente hasta la cabecera de ruta más cercana y la
distancia a la segunda cabecera de ruta más cercana. Si la
holgura fuese negativa entonces se crearía una nueva ruta
hasta el cliente i.
Se comprueba para esta ruta si la holgura es mayor o
menor que el tiempo de servicio.
Si la holgura es menor que el menor tiempo de servicio
(Fig. 6), ELOCONS comprueba que el vehículo k puede
acceder al cliente i antes de que cierre y su capacidad no
se excede con la adición de la demanda del cliente i. Si se
cumplen todas las restricciones indicadas, el cliente i se
adiciona directamente a la ruta k y se actualiza la ruta, si no,
se genera una nueva ruta, inicializándola. En ambos casos el
cliente i es eliminado de las listas L0 y L1.
Figura 7: Rutina de ELOCONS si la holgura es mayor que el menor tiempo de servicio
En este momento (Fig.7) ELOCONS realiza una nueva
fase de inserciones en la que se estudiarán inserciones
sencillas y dobles en las posiciones previas a los clientes
asignados. Finalizada la fase de inserciones, se comprueba
si quedan nodos en L0 pendientes de asignar. Si no quedan
nodos, ELOCONS procede a retornar los vehículos al
depósito central y cerrar todas las rutas.
Finalizadas todas las operaciones, ELOCONS genera una
tabla con los datos resumen de cada una de las rutas y los
datos globales de la solución obtenida.
3. RESULTADOS OBTENIDOS
En todo momento se ha mantenido como objetivo el
diseño de un método que, aplicando una lógica práctica,
pudiera resolver eficientemente, y en un tiempo reducido,
el problema diario al que se enfrentan multitud de micro
y pequeñas empresas de transporte, con capacidades de
hardware y software relativamente bajas.
Para establecer comparaciones con la mayoría de los
algoritmos existentes, se ha sometido el algoritmo a los
problemas tipo de 100 clientes de Solomon (1987) en todas
sus variantes.
El hardware utilizado ha sido un ordenador AMD Athlon
64 Processor 3000+ a 2Ghz. La RAM del equipo era de 2Gb
y el sistema operativo del equipo era el Windows XP SP3
32 bits.
El algoritmo de cálculo de rutas se programó en Java 6
y el IDE (Entorno de Desarrollo Integrado) empleado fue el
Netbeans 6.0 que es un entorno de desarrollo multiplataforma
abierto y gratuito, de disponibilidad inmediata en la red.
Para cada problema se buscó la mejor combinación
de parámetros, variando R0 y R entre los valores 1 y 20, β
entre 1 y 2,5 con incrementos de 0,1 y γ entre 1 y 2,5 con
incrementos de 0,5. Ello supone, para la resolución de cada
uno de los problemas tipo, realizar 25.600 combinaciones
diferentes de dichos parámetros. Los tiempos de CPU
obtenidos incluyen, por lo tanto, la realización de las 25.600
combinaciones. Dado que los tiempos de resolución eran
muy cortos, no se estimó la realización de un análisis sobre
las mejores combinaciones de parámetros.
Los problemas tipo se clasifican según la distribución
geográfica de los clientes y el tipo de restricciones temporales,
como se puede ver en la Tabla 1 siguiente:
Problemas tipo
R1
R2
C1
C2
RC1
RC2
Distribución de
Nodos
Aleatoria uniforme
Aleatoria uniforme
Clusterizados
Clusterizados
Clusterizados y
aleatorios
Clusterizados y
aleatorios
Restricciones
temporales
Muy Restrictivas
Menos restrictivas
Muy restrictivas
Menos Restrictivas
Muy restrictivas
Menos restrictivas
Tabla 1: Variedades y características de los problemas tipo
Figura 8: Finalización de todo el proceso de ELOCONS
226
La referencia alfabética (R o C) nos indica el tipo de
dispersión geográfica de los clientes; en los problemas del
tipo R nos enfrentamos a clientes dispersos uniformemente
en el plano, y en los problemas de tipo C nos enfrentamos a
clientes agrupados. Obviamente en los problemas tipo RC
los clientes están distribuidos en el plano de forma mixta.
La referencia numérica nos indica el nivel de “estrés”
provocado por las ventanas de tiempo, así, los problemas tipo
1, tienen un horizonte de planificación muy breve debido a
Dyna Marzo - Abril 2012 • Vol. 87 nº2 • 222/228
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5311.99-6 LOGÍSTICA
ventanas de tiempo muy estrechas, por lo que cada ruta puede
realizar pocas visitas a clientes, y los problemas tipo 2 tienen
horizontes de planificación más amplios ya que las ventanas
de tiempo de los clientes son más amplias, de manera que
Caso
r101
r102
r103
r104
r105
r106
r107
r108
r109
r110
r111
r112
r201
r202
r203
r204
r205
r206
r207
r208
r209
r210
r211
c101
c102
c103
c104
c105
c106
c107
c108
c109
c201
c202
c203
c204
c205
c206
c207
c208
rc101
rc102
rc103
rc104
rc105
rc106
rc107
rc108
rc201
rc202
rc203
rc204
rc205
rc206
rc207
rc208
Distancia (unidades genéricas)
Mejor Heurístico
ELOCONS
1.645,79
1.782,44
1.486,12
1.621,47
1.292,68
1.358,04
1.007,24
1.230,89
1.377,11
1.518,08
1.251,98
1.384,62
1.104,66
1.237,53
960,88
1.167,71
1.194,73
1.432,72
1.118,59
1.328,80
1.096,72
1.205,48
982,14
1.357,02
1.252,37
1.325,65
1.191,70
1.259,15
939,50
1.057,75
825,52
880,20
994,42
1.146,14
906,14
1.080,75
890,61
984,58
726,75
851,32
909,16
1.037,47
939,34
1.105,35
885,71
1.057,48
828,94
828,94
828,94
866,21
828,06
1.021,55
824,78
1.098,51
828,94
834,79
828,94
872,93
828,94
828,94
828,94
1.001,28
828,94
1.030,68
591,56
591,56
591,56
706,63
591,17
840,08
590,60
992,84
588,88
591,56
588,49
625,50
588,29
623,20
588,32
620,18
1.696,94
1.862,62
1.554,75
1.638,16
1.261,67
1.504,29
1.135,48
1.395,82
1.629,44
1.714,14
1.424,73
1.694,37
1.230,48
1.520,02
1.139,82
1.653,24
1.406,91
1.515,09
1.302,56
1.365,65
1.049,62
1.164,90
798,41
990,47
1.297,19
1.382,80
1.146,32
1.274,85
1.061,14
1.213,50
828,14
1.149,83
Diferencia
136,65
135,35
65,36
223,65
140,97
132,64
132,87
206,83
237,99
210,21
108,76
374,88
73,28
67,44
118,25
54,68
151,72
174,61
93,97
124,57
128,31
166,01
171,77
0,00
37,27
193,49
273,73
5,85
43,99
0,00
172,34
201,74
0,00
115,07
248,91
402,24
2,68
37,01
34,91
31,86
165,68
83,41
242,62
260,34
84,70
269,64
289,54
513,42
108,18
- 63,09
115,28
192,06
85,61
128,53
152,36
321,69
no son necesarios tantos vehículos como en el caso anterior.
Generalmente se trata de problemas cuya solución integra
pocas rutas, y éstas son muy largas, incluyendo muchas
visitas.
Variando, en cada una de las posibles
combinaciones de dispersión y ventanas
Ratio
de tiempo, las demandas de cada uno de los
8,30%
clientes y sus ventanas de tiempo, obtenemos
9,11%
5,06%
entre 8 y 12 problemas diferentes por cada una
22,20%
de las combinaciones.
10,24%
La Tabla 2 muestra los resultados obtenidos
10,59%
en unidades genéricas, por ELOCONS y
12,03%
la comparación con los mejores resultados
21,53%
19,92%
conocidos, obtenidos por diferentes métodos
18,79%
heurísticos, publicados en Enero de 2.010 en
9,92%
la página Web de SINTEF1.
38,17%
Tal como se comprueba en las Tablas 1 y 2, el
5,85%
5,66%
desempeño de ELOCONS es realmente bueno,
12,59%
sobre todo si se tiene en consideración que es
6,62%
un heurístico de construcción de rutas que no
15,26%
incluye ninguna rutina de postoptimización
19,27%
10,55%
y los mejores resultados conocidos han sido
17,14%
obtenidos por algoritmos que incluyen ese tipo
14,11%
de rutinas de mejora. De hecho ELOCONS
17,67%
obtiene un resultado que mejora en 4,62%
19,39%
0,00%
el mejor resultado conocido en la resolución
4,50%
del problema RC202, e iguala los mejores
23,37%
resultados conocidos en los problemas C201
33,19%
y C101.
0,71%
5,31%
También se puede concluir que alcanza
0,00%
un alto grado de homogeneidad, toda vez que
20,79%
la desviación media a los mejores resultados
24,34%
conocidos de todos los problemas tipo es
0,00%
solamente del 17,2% y respecto a la media de
19,45%
42,11%
solamente 2,99%.
68,11%
0,45%
6,29%
5,93%
5,41%
9,76%
5,36%
19,23%
22,93%
5,20%
18,93%
23,53%
45,04%
7,69%
-4,62%
10,98%
24,05%
6,60%
11,21%
14,36%
38,85%
Tabla 2: Comparativa Resultados ELOCONS - Mejores resultados obtenidos por heurísticos
1
Tipo
Total
Promedio
C1
27,52
3,06
C2
18,84
2,35
R1
42,12
3,51
R2
35,99
3,27
RC1
25,85
3,23
RC2
23,49
2,94
TOTAL
173,82
3,10
Tabla 3: Tiempo medio de resolución de problemas (en minutos)
Tal como se comprueba en la tabla 3 el
tiempo usado por el algoritmo para resolver
los problemas tipo de Solomon es en media
3,1 minutos por problema, lo que demuestra
con creces que la rapidez en la resolución
http://www.sintef.no/Projectweb/TOP/Problems/VRPTW/Solomon-benchmark/100-customers/
Cod. 4360
Dyna Marzo - Abril 2012 • Vol. 87 nº2 • 222/228
227
ORGANIZACIÓN Y DIRECCIÓN DE EMPRESAS
ELOCONS: Un algoritmo de construcción de rutas eficiente para la Pequeña y Mediana Empresa de distribución
Arturo Nieto-de Almeida, Alejandro García-del Valle, Diego Crespo-Pereira
5311.99-6 LOGÍSTICA
de problemas requerida en las condiciones iniciales se
ha alcanzado. Teniendo en cuenta que realiza todas las
combinaciones de valores de parámetros para obtener el
mejor resultado, su desempeño es muy rápido y permite en
poco tiempo resolver rutas complejas.
4. CONCLUSIONES
Desde el año 1.967, la comunidad científica ha ido
planteando distintos algoritmos para la resolución del
problema de planificación de rutas con restricciones
temporales en la entrega de la mercancía.
Aprovechando el incremento en las capacidades
computacionales existentes, los algoritmos han evolucionado
hacia formulaciones más evolucionadas y sofisticadas, y por
ende, más complicadas, tendiendo más hacia la obtención
de los resultados óptimos que hacia la obtención de buenos
resultados, combinando eficiencia en la resolución con
eficacia en la solución obtenida.
Así, se han planteado la utilización de diferentes métodos
de resolución, brillantes desde un punto de vista conceptual,
pero limitativos en su aplicación en el entorno empresarial de
la PYME y la micro empresa de distribución. Los trabajos de
Toth y Vigo (2002), de Cordeau et al (2007) y de Golden et
al (2008) nos proporcionan una recopilación de los distintos
tipos de métodos y algoritmos aplicados a la resolución del
problema así como su evolución en el tiempo.
Como se ha referido a lo largo del presente trabajo, el
problema al que nos enfrentamos incide fundamentalmente
en pequeñas o muy pequeñas empresas, con recursos y
capacidades bajas. Su problemática no supera, en general, los
100 clientes, por lo que sus necesidades están más enfocadas
a la obtención de una buena solución para sus rutas de reparto
en el más corto espacio de tiempo mediante una herramienta
que no les exija inversiones fuertes en tecnología.
Se ha tratado en este trabajo de dar respuesta a estas dos
condiciones, por lo que se ciñó la investigación a la obtención
de un algoritmo de construcción rutas. Estas condiciones
básicas, rapidez en la obtención de soluciones efectivas y
bajo coste de infraestructura informática, se han alcanzado.
Una de las ventajas principales del algoritmo presentado
es su forma de trabajar mediante listas de clientes. Esta
característica le proporciona una gran versatilidad para
trabajar en condiciones más cercanas a la realidad: como
por ejemplo la utilización de distancias no simétricas o la
utilización de tiempos diferentes según la dirección hacia
la que se dirija el vehículo. También permite intercambiar
matrices de distancias por matrices de tiempos y, por lo
tanto, incluir diferentes matrices de tiempo dependiendo
del horario de reparto, de la época del año, o de cualquier
otro tipo de condiciones que el programador considere
que pueda afectar al cálculo de las rutas. Consideramos
estas características como muy importantes para su futura
aplicabilidad en la resolución de problemas prácticos reales
de distribución.
228
En un futuro y en aras a su aplicabilidad en diferentes
situaciones de la vida real, se podrían realizar los siguientes
desarrollos:
• Incluir un módulo de post optimización, que se
utilizaría fundamentalmente en rutas que se repiten
continuadamente en el tiempo.
• Desarrollar una interfaz de usuario que permitiera al
decisor modificar las rutas de forma local en algunos
nodos, lo que proporcionaría una mayor versatilidad en
la práctica.
• Un módulo previo que permitiera al usuario la
utilización de diferentes matrices de tiempos, según la
conveniencia horaria o estacional.
• La integración con sistemas GIS, para facilitar vía GPS
las informaciones necesarias a los conductores y, a su
vez, combinado con herramientas de geolocalización
para poder controlar el estado del reparto, prestar
una información relevante en tiempo real al cliente e
igualmente la modificación de una ruta por contingencias
acaecidas sobre el recorrido de la ruta con posterioridad
a la planificación, dotando a la herramienta y por ende
al planificador, de una mayor capacidad de gestión y
control.
• La integración con sistemas de gestión y control de
costes, proporcionando los datos que el planificador
considere relevantes.
5. BIBLIOGRAFÍA
1 Cordeau JF et al. Vehicle Routing. Barnhart C, Laporte G.
Editores.Transportation (p. 367- 428). North Holland. (2007).
ISBN: 9780444513465
2 Faulín J, García del Valle A. “Solving the capacitated vehicle
routing problem using the ALGELECT electrostatic algorithm”.
Journal of the Operational Research Society.Vol.59 p.1685–
1695. (2008).
3 García del Valle A.“Método de Atracción para la optimización
de rutas de transporte”. Estudios de Construcción y Transporte.
Vol.94 p. 77-95.(2002).
4 Golden B L, Raghavan S,Wasil E. The Vehicle Routing Problem.
Latest Advances and New Challenges. USA: ORCS Interfaces,
Ed. Springer.(2008). ISBN: 9780387777771
5 Guillén E, Análisis de los métodos de construcción de rutas
en los sistemas de planificación para el problema de VRPTW.
Tesis Doctoral. (2003).
6 Solomon M,Desrosiers J. “Time Window Constrained Routing
and Scheduling Problems”. Transportation Science. Vol.22 (1)
p. 1-13.(1988).
7 Solomon M. “Algorithms for the vehicle routing and
scheduling problem with time window constraints”.
Operations Research. Vol.35p.254-265.(1987).
8 Toth P, Vigo D. The Vehicle Routing Problem. Philadelphia,
USA: SIAM Monographs.(2002). ISBN: 0898714982
9 Ministerio de Fomento – Observatorio del Mercado de
transporte de mercancías por carretera. Nº 18 p.42-43.
(2009).
Dyna Marzo - Abril 2012 • Vol. 87 nº2 • 222/228
Cod. 4360
INGENIERÍA Y TECNOLOGÍAS QUÍMICAS
La vaina del algarrobo como nueva materia prima para la producción de bioetanol
Sergio Sánchez-Segado, Luis Javier Lozano-Blanco, Antonia Pérez-De Los Ríos,
Francisco José Hernández-Fernández, Carlos Godínez-Seoane, Diego Juan-García
3303.11 QUÍMICA INDUSTRIAL
La vaina del algarrobo como nueva materia
prima para la producción de bioetanol
Sergio Sánchez-Segado
Luis Javier Lozano-Blanco
Antonia Pérez-De Los Ríos
Francisco José Hernández-Fernández
Carlos Godínez-Seoane
Diego Juan-García
Dr. por la Universidad Politécnica de Cartagena
Dr. Ingeniero Industrial
Dra. por la Universidad de Murcia
Dr. por La Universidad De Murcia
Dr. en Ciencias Químicas
Dr. en Ciencias Químicas
UNIVERSIDAD POLITÉCNICA DE CARTAGENA. Dpto. de Ingeniería Química y Ambiental. Campus Muralla,
c/ Doctor Fleming, s/n - 30202 Cartagena (Murcia). Tfno: +34 968 326407. [email protected]
Recibido: 20/06/2011 • Aceptado: 05/09/2011
DOI: http://dx.doi.org/10.6036/4289
CAROB POD AS A NOVEL FEEDSTOCK FOR THE PRODUCTION OF BIOETHANOL
ABSTRACT
• Due to the progressive
deplection of fossil energetic
sources and the increase in
greenhouse gas emissions,
new research are focusing in
biofuels development mainly
these feedstocks which are not
competitive with animal or
human feeding.
In this work, carob pod is
suggested as a new feedstock
for bioethanol production.
A tecno-economic study and
life cycle assessment of the
production process have been
RESUMEN
Como consecuencia del progresivo
agotamiento de las materias primas
energéticas de origen fósil y a la necesidad
de reducir las emisiones de gases de
efecto invernadero, se ha fomentado
la investigación y el desarrollo de los
biocombustibles obtenidos a partir de
materias primas vegetales. Dichas materias
primas han de cumplir con unos requisitos
de sostenibilidad y preferiblemente no
han de competir con otras aplicaciones
derivadas de la alimentación humana o
animal.
En este estudio se propone la vaina
del algarrobo como una nueva materia
prima para la producción de bioetanol,
para lo cual se ha realizado una evaluación
técnico-económica, así como su análisis de
ciclo de vida con el objetivo de estimar las
emisiones de gases de efecto invernadero
generadas en su producción.
Palabras clave: bioetanol, algarroba,
biocombustible, análisis del ciclo de vida.
done.
• Key words: bioethanol, carob,
biofuel, life cycle assessment.
Cod. 4289
1. INTRODUCCIÓN
En la actualidad, la sociedad se está
enfrentando a un agotamiento progresivo
Dyna Marzo - Abril 2012 • Vol. 87 nº2 • 229/233
de las materias primas fósiles necesarias
para la producción de combustibles, así
como a un deterioro medioambiental en
forma de emisiones de gases de efecto
invernadero como consecuencia de la
utilización de dichos combustibles fósiles.
Por estos motivos, es necesario buscar
e implementar nuevas tecnologías que
permitan abastecer la demanda energética
y que, a su vez, sean más respetuosas con
el medioambiente. Dentro de esta reciente
tendencia, la obtención de biocombustibles
a partir de materias primas vegetales se
presenta como una prometedora solución
energética y medioambiental
en el
sector del transporte [1]. El bioetanol se
consume en España a través de ETBE, que
es un aditivo añadido a las gasolinas para
aumentar su índice de octano.
La Unión Europea, ha marcado
como objetivo para el año 2020 que los
biocombustibles participen en un 10%
en el sector del transporte, pero dichos
biocombustibles deberán reunir unos
requisitos de sostenibilidad [2]: (i) los
biocombustibles no se podrán fabricar
a partir de materias primas vegetales
obtenidas de tierras con alta biodiversidad
y (ii) para el año 2017, las instalaciones
existentes y las nuevas instalaciones,
deberán tener una reducción de emisiones
229
INGENIERÍA Y TECNOLOGÍAS QUÍMICAS
La vaina del algarrobo como nueva materia prima para la producción de bioetanol
Sergio Sánchez-Segado, Luis Javier Lozano-Blanco, Antonia Pérez-De Los Ríos,
Francisco José Hernández-Fernández, Carlos Godínez-Seoane, Diego Juan-García
3303.11 QUÍMICA INDUSTRIAL
de gases de efecto invernadero de un 50% y de un 60%
respectivamente, en comparación con los combustibles
fósiles.
Se espera que los objetivos marcados por la Unión
Europea fomenten la industria del bioetanol española que
en los últimos años ha experimentado crecientes dificultades
para utilizar su capacidad industrial debido a una reducción
del 30% de sus exportaciones en el mercado europeo
causadas por la llegada de importaciones de terceros países
y por el aumento de la capacidad instalada en muchos de
ellos [3].
Los biocombustibles se han obtenido tradicionalmente de
materias primas que son utilizadas para alimentación tanto
humana como animal. De ahí la controversia suscitada por el
fomento en el uso de los biocombustibles en los últimos años
a partir de cereales. Por este motivo, actualmente las líneas de
investigación orientadas a la producción de biocombustibles,
se están focalizando en la búsqueda de materias primas
alternativas tales como residuos lignocelulósicos y agrícolas,
así como las microalgas [4].
El algarrobo es un árbol característico de la cuenca
mediterránea, en España su producción se localiza
principalmente en Valencia, Tarragona, Islas Baleares,
Murcia y algunas comunidades de Andalucía. Su cultivo
está en retroceso y actualmente la principal aplicación de la
vaina, es como alimento para el ganado, debido a su alto
contenido en carbohidratos (40-50% p/p) (glucosa, sacarosa
y fructosa).
Los carbohidratos presentes en la vaina son susceptibles
de ser transformados en otros productos de mayor valor
añadido mediante reacciones químicas o bioquímicas; por
este motivo, en el presente trabajo, se ha realizado el estudio
de la vaina del fruto del algarrobo como una nueva materia
prima para la fabricación de bioetanol, y así revitalizar el
cultivo de esta especie vegetal. Para ello, se ha llevado a
cabo una evaluación técnica y económica del proceso de
producción, así como la cuantificación de las emisiones de
gases de efecto invernadero originadas en el mismo.
mediante una serie de nutrientes inorgánicos (3,2 g/l
de fosfato amónico, 1 g/l de sulfato potásico y 1,8 g/l de
sulfato magnésico). Como biocatalizador de la reacción,
se empleó el microorganismo S. cerevisiae proporcionado
por la empresa S.I. Lessafre (Lessafre Group, Francia) en
concentración variable. El proceso se llevó a cabo a una
temperatura de 35ºC, pH comprendido entre 3,5 – 4 y una
velocidad de agitación de 125 r.p.m.
El contenido alcohólico se analizó mediante cromatografía
gaseosa utilizando una columna HP-INNOWAX (30 m x
0,53 mm x 0,25 mm); el programa de temperatura seguido
en el análisis fue de 28ºC, 6 min; 15ºC/min, 200ºC; 200ºC, 2
min.; split 1/50 y temperaturas del inyector y detector de 200
y 260ºC respectivamente. Como método complementario
de análisis, el crecimiento del microorganismo se siguió
mediante conteo en una cámara de Neubauer utilizando un
microscopio Olympus 2000 [7-8].
2.2. EVALUACIÓN ECONÓMICA
Según los datos proporcionados por la empresa Mondial
Carob Group, la producción nacional anual de vaina de
algarrobo para el año 2010 se cifra en 71000 t. Por este motivo
se consideró adecuado realizar el diseño de una hipotética
planta con capacidad de procesar 68000 t anuales de vaina de
algarrobo, con una producción de 15053 t anuales de etanol,
situada en Valencia. El coste de los equipos principales se ha
estimado siguiendo la metodología indicada por Branan [9] y
Peters et al. [10], actualizando su coste al año 2010 mediante
la utilización del índice Marshall & Shift [11]. El coste de la
inversión necesaria se ha calculado siguiendo las directrices
indicadas por Brown [12]. En la Figura 1, se presenta en
forma de diagrama de bloques el proceso propuesto para la
obtención de bioetanol a partir de la vaina del algarrobo.
2. MATERIALES Y MÉTODOS
2.1. EXTRACCIÓN Y FERMENTACIÓN DE LOS
EXTRACTOS AZUCARADOS
Los ensayos de extracción se realizaron empleando 50 g.
de vaina triturada (tamaño medio de 0,57 mm), sobre la cual
se añadió la cantidad de agua necesaria según la relación
líquido/sólido (L/S) deseada. Los ensayos se realizaron a
temperatura ambiente y con la agitación mecánica necesaria
para mantener una mezcla homogénea [5]. A intervalos
regulares de tiempo se tomaron muestras que tras ser
filtradas se utilizaron para medir el contenido en azúcares
totales mediante el método de Luff-Schoorl [6].
La fermentación de los extractos se llevó a cabo en un
fermentador de 3 l. El medio de fermentación se suplementó
230
Figura 1: Esquema del proceso propuesto
Uno de los factores clave a la hora de plantear el diseño
industrial de la planta es el escalado del bioreactor. Éste se
realizó siguiendo el criterio de potencia volumétrica constante
[13]. Otros aspectos a considerar son la eliminación del calor
generado en la fermentación y el control del CO2 disuelto en
el medio de fermentación. Según Zhang et al. [14], cuando
Dyna Marzo - Abril 2012 • Vol. 87 nº2 • 229/233
Cod. 4289
INGENIERÍA Y TECNOLOGÍAS QUÍMICAS
La vaina del algarrobo como nueva materia prima para la producción de bioetanol
Sergio Sánchez-Segado, Luis Javier Lozano-Blanco, Antonia Pérez-De Los Ríos,
Francisco José Hernández-Fernández, Carlos Godínez-Seoane, Diego Juan-García
3303.11 QUÍMICA INDUSTRIAL
la presión de CO2 disuelto se sitúa entre 0,1 MPa y 0,3 MPa
la fermentación se realiza sin que se observen diferencias
significativas en el rendimiento de conversión a etanol tanto
a escala de laboratorio como a escala industrial. Para evitar
una excesiva presión de CO2 se ha tenido en cuenta, tanto en
el diseño como en los costes, un sistema de purga.
2.3. CÁLCULO DE EMISIONES DE GASES DE
EFECTO INVERNADERO
Se cuantificaron las emisiones de gases de efecto
invernadero derivadas del cultivo del algarrobo incluyendo
la producción de fertilizantes [15] y el consumo de
combustible asociado a las operaciones agrarias [16].
También se incluyeron las emisiones debidas al transporte
tanto por carretera como marítimo de la materia prima a la
planta situada en Valencia. Las distancias calculadas fueron:
Murcia-Valencia (215 km), Tarragona-Valencia (265 km),
Ibiza-Valencia (179 km) y de 50 km para la vaina producida en
Valencia y alrededores. Para el transporte de los fertilizantes
a la zona de cultivo se consideró una distancia media de 50
km y de 20 km para el transporte del etanol producido a los
centros de distribución. Para estimar las emisiones generadas
en el transporte se consultaron la base de datos BUWAL 20
contenida en el programa SIMAPRO 7.1 y las directrices
indicadas en IPCC [17].
Cuando se analizan procesos en los cuales además del
producto de interés se obtienen otros subproductos, la norma
ISO 14040 [18] aconseja realizar una extensión de los límites
del sistema con el objeto de incluir las cargas ambientales
correspondientes a dicho subproducto y restar las cargas
ambientales que se producen en un sistema alternativo
que proporciona el mismo servicio que el subproducto
considerado [19].
Así, las semillas contenidas en la vaina tienen un alto
valor en la industria alimentaria, a partir de las cuales se
obtiene la goma de garrofín. Por extensión de los límites
del sistema se ha considerado una sustitución equivalente de
goma Xanthana producida a partir de almidón de trigo.
De la producción de etanol, se obtienen DDG´s (sólido
residual procedente del proceso de extracción de azúcares
con una humedad del 10%), que sustituiría a una producción
equivalente de trigo para alimentación animal y la electricidad
generada por los sistemas auxiliares de la planta sustituirían
a una cantidad equivalente de energía eléctrica generada por
una turbina de gas natural.
3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN
3.1. EXTRACCIÓN Y FERMENTACIÓN DE LOS
EXTRACTOS AZUCARADOS.
Para analizar el efecto de la relación vaina de algarroba
(S) a agua (L) en la eficiencia de la extracción de azúcares,
la etapa de extracción se llevó a cabo a temperatura ambiente
empleando diferentes relaciones S/L (desde 4.67 a 38.46)
(Figura 2).
Cod. 4289
Figura 2: Evolución temporal del rendimiento de extracción en función de la relación L/S
Tal y como se observa en la Figura 2, se consiguió la
extracción casi cuantitativa de los azúcares contenidos en
la vaina de algarroba a tiempos cortos (menos de 30 min),
lo cual permitiría la aplicación industrial de este proceso
de manera sencilla. Puede observarse en esta figura como
al aumentar la relación L/S, aumenta la velocidad de
extracción. Sin embargo, valores elevados de dicha relación
conducirían a disoluciones muy diluidas. En la práctica
industrial conviene que los extractos azucarados posean un
contenido en azúcares del 20 % w/w en disolución, por ello
se establecieron las siguientes condiciones para preparar los
extractos acuosos para la etapa de fermentación: relación L/S
de 4.67, tiempo de residencia de 20 min y 4 etapas de contacto
en contracorriente. En estas condiciones se alcanzaron unos
rendimientos de extracción superiores al 97%.
La etapa de fermentación anaerobia se llevó a cabo
empleando los extractos azucarados obtenidos, sometidos
a una etapa de esterilización, y diferentes concentraciones
de la levadura S. cerevisiae. Tal y como se desprende de la
Figura 3, para las concentraciones de levadura estudiadas se
alcanzaron rendimientos en torno al 48%. Esto es debido a
que parte de los azúcares consumidos se emplean en aumentar
la biomasa microbiana y el resto se emplea en producir
etanol (porcentaje teórico del 51%). Se observa además en
la figura que la concentración inicial de levadura tiene un
efecto significativo sobre el rendimiento final obtenido,
observándose un máximo a concentraciones iniciales de
15 g/L de S. cerevisiae. Otros autores como Turhan et al.
[20] y Roukas [21] también han puesto de manifiesto en sus
trabajos este efecto empleando el mismo microorganismo
(S. cerevisiae) en el proceso de fermentación alcohólica. Los
resultados presentados en este trabajo mejoran ligeramente
los obtenidos por dichos autores tanto en rendimiento como
en concentración de etanol.
Dyna Marzo - Abril 2012 • Vol. 87 nº2 • 229/233
231
INGENIERÍA Y TECNOLOGÍAS QUÍMICAS
La vaina del algarrobo como nueva materia prima para la producción de bioetanol
Sergio Sánchez-Segado, Luis Javier Lozano-Blanco, Antonia Pérez-De Los Ríos,
Francisco José Hernández-Fernández, Carlos Godínez-Seoane, Diego Juan-García
3303.11 QUÍMICA INDUSTRIAL
Figura 3: Evolución temporal del rendimiento de transformación a etanol en función de la
concentración de levadura.
de euros, dependiendo de la materia prima utilizada para su
producción. Por lo tanto, el coste sería similar al obtenido
empleando la vaina de algarrobo como materia prima.
En la Tabla 2, se recogen los costos y las ventas utilizadas
para determinar la rentabilidad de la inversión.
Costes
Descripción
Vaina de algarrobo
0,76 €/kg etanol
Ácido sulfúrico
1,20 10-3 €/kg etanol
Urea
4,80 10-3 €/kg etanol
Fosfato
6,60 10-3 €/kg etanol
Agua
4.60 10-3 €/kg etanol
Levadura
5,40 10-3 €/kg etanol
Gas Natural
0,55 €/kg etanol
Mano de obra
7,32 10-3 €/kg etanol
Mantenimiento
5,26 10-3 €/kg etanol
Seguros
2,63 10-3 €/kg etanol
Total Costes
1,35 €/kg etanol
Ventas
Descripción
Bioetanol
0,70 €/kg etanol
DDG´s
0,34 €/kg etanol
Electricidad
0,66 €/kg etanol
Total Ventas
1,70 €/kg etanol
Tabla 2: Costes y ventas estimados por Kg. de etanol producido
3.2. ESTIMACIÓN DE LA INVERSIÓN
En la Tabla 1 se resumen los diferentes conceptos que se
han considerado para la estimación de la inversión necesaria
para una planta de producción de bioetanol que trata 68000 T
anuales de vaina, según los criterios recogidos en la sección
2.2.
Como se observa en la Tabla 1, el coste de inversión se
ha estimado en 39,61 millones de euros. Si se compara este
coste con el estimado por los autores Deurwaarder y Reith
[22] para la producción de bioetanol a partir de diferentes
materias primas y se actualizan los valores obtenidos por
estos autores al año 2009 mediante la utilización del índice
Marshall & Swift [11], se obtendrían para plantas con
capacidad de producción de etanol de 15800 t/año, similar a
la diseñada, valores comprendidos entre 26.2 y 39.3 millones
Concepto
Coste equipo principal
Coste de instalación
Coste instalación de tuberías
Instrumentación
Aislamientos
Motores eléctricos
Instalación eléctrica
Coste de los terrenos
Obra civil
Servicios auxiliares
Coste instalado total
Proyecto y dirección de obra
Otros
Imprevistos
Coste total de la inversión
Para estimar la rentabilidad de la inversión, se ha tenido
en cuenta que la vida del proyecto son 10 años, la rentabilidad
mínima aceptable se ha fijado en el 7% y el capital necesario
para la inversión se ha desglosado de la siguiente forma:
Subvenciones 30%, Préstamos 30% y Capital Propio 40%.
Los resultados obtenidos muestran un valor del VAN
al año 10 de 4,93 106 millones €, un valor de la tasa
de rentabilidad interna de 9,30% y una vida de servicio
económico de 9,74 años.
3.3. ESTIMACIÓN DE EMISIONES DE GASES DE
EFECTO INVERNADERO
En la Tabla 3 se presenta el balance de emisiones de
gases de efecto invernadero generadas por kilogramo de
Descripción
Calculado según [9-12]
35% coste equipo principal
60% coste equipo principal
10% coste equipo principal
10% coste equipo principal
Calculado según [9-12]
100% coste motores eléctricos
90,36 €/m2
15% coste equipo principal
25% coste equipo principal
25% coste instalado total
6% coste instalado total
15% coste instalado total
Cantidad
16,38
5,73
9,82
1,64
1,64
0,22
0,22
1,26
2,46
4,10
27,11
6,81
1,63
4,06
39,61
Unidades
millones €
millones €
millones €
millones €
millones €
millones €
millones €
millones €
millones €
millones €
millones €
millones €
millones €
millones €
millones €
Tabla 1: Coste estimado de la inversión
232
Dyna Marzo - Abril 2012 • Vol. 87 nº2 • 229/233
Cod. 4289
INGENIERÍA Y TECNOLOGÍAS QUÍMICAS
La vaina del algarrobo como nueva materia prima para la producción de bioetanol
Sergio Sánchez-Segado, Luis Javier Lozano-Blanco, Antonia Pérez-De Los Ríos,
Francisco José Hernández-Fernández, Carlos Godínez-Seoane, Diego Juan-García
etanol producido. Para el cálculo, se han tenido en cuenta
los factores de potencial de calentamiento global siguientes
recogidos en IPCC [17]: CO2 (1), CH4 (21) y N2O (298).
Cultivo
Transportes
Planta
Total
Kg- eq CO2 kg -1 etanol
0.36
0.13
0.12
0.62
Tabla 3: Emisiones equivalentes de CO2 producidas en la producción y distribución de etanol a
partir de vaina de algarrobo
Las emisiones calculadas para el proceso propuesto son
de 0.62 kg eq CO2/kg etanol transportado hasta los centros
de distribución. En el trabajo realizado por Hoefnagels et al.
[23] se presenta una revisión de las emisiones de gases de
efecto de diferentes biocombustibles producidos en Europa.
Los resultados obtenidos por estos autores se resumen en la
Tabla 4.
Materia Prima
Caña de azúcar
Almidón
Sorgo dulce
Materiales
lignocelulósicos
Kg- eq CO2 kg -1 etanol
0.75
0.80 – 1.61
0.75
0.27 – 0.54
Tabla 4. Emisiones equivalentes de CO2 medias producidas en la producción y distribución de
etanol a partir de diferentes materias primas en Europa.
Es importante destacar que la vaina de algarrobo, presenta
una tasa de emisiones inferior a aquellas materias primas
tradicionales utilizadas en la producción de etanol; sólo los
materiales lignocelulósicos presentan un nivel inferior de
emisiones.
5. CONCLUSIONES
En el presente trabajo se ha demostrado la viabilidad
- tanto técnica como económica - de la producción de
bioetanol a partir de la vaina del fruto del algarrobo,
consiguiendo rendimientos de transformación de azúcares
en etanol próximos al 48%, con un coste de inversión
similar al de los procesos convencionales utilizados en
su producción. Además, el proceso presenta una tasa de
emisiones de gases de efecto invernadero inferior a las
materias primas tradicionales utilizadas en la producción
de etanol, a excepción de aquellos que emplean materiales
lignocelulósicos como materia prima. Sin embargo, en estos
últimos, los costes de inversión de estas instalaciones son
muy elevados, por lo que actualmente no es posible obtener
un producto competitivo en el mercado a partir de esta
materia prima.
Cod. 4289
3303.11 QUÍMICA INDUSTRIAL
6. AGRADECIMIENTOS
Los autores quieren agradecer la financiación recibida por
parte de la empresa Mondial Carob Group y el programa de
becas predoctorales de la Caja de Ahorros del Mediterráneo
(CAM). También quieren agradecer a Javier Bayo Bernal y a
María Dolores Gómez López, de la UPCT, la ayuda ofrecida
para la realización de este trabajo.
5. BIBLIOGRAFÍA
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Dyna Marzo - Abril 2012 • Vol. 87 nº2 • 229/233
233
ORGANIZACIÓN Y DIRECCIÓN DE EMPRESAS
Sistema Integral de Control Dinámico SICD: Un enfoque híbrido para el cumplimiento de las especificaciones de calidad
Roberto Baeza-Serrato, Javier Yáñez-Mendiola, Antonio Vázquez-López
5311.99-2 Aseguramiento y
Control estadístico de calidad
Sistema Integral de Control Dinámico SICD
SICD::
Un enfoque híbrido para el cumplimiento de las especificaciones
de calidad
Roberto Baeza-Serrato*
Javier Yáñez-Mendiola*
Antonio Vázquez-López**
Ingeniero Industrial
Doctorado en ciencias Especialidad en Óptica
Doctor en Ciencia y Tecnología
* CIATEC (Centro de Innovación Aplicada en Tecnologías Competitivas), Omega 201, Fracc. Industrial
Delta - 37545 León Guanajuato (México). Tfno: +52 477 7100011. [email protected]
** INSTITUTO TECNOLÓGICO DE CELAYA, Av. Tecnológico y A. García Cubas, s/n – 38010 Celaya
Guanajuato (México). Tfno: +52 (461) 611 85 22.
Recibido: 15/06/2011 • Aceptado: 07/12/2011
DOI: http://dx.doi.org/10.6036/4281
INTEGRAL DYNAMIC CONTROL SYSTEM IDCS:
A HYBRID APPROACH TO MEETING THE QUALITY SPECIFICATIONS
RESUMEN
ABSTRACT
• Historically, control charts have been used (CC) to monitor the quality
of the production of industrial processes. The use of CC for this purpose
has limiting operation, which only determines the moments in time
the presence of special causes, but does not imply the correctness of
its effects on poor quality, or take into account the rate of process
capability. Consequently, an alternate to the CC that would achieve
adjustments in the manufacturing process during production and
increase the rate of process capability is useful. This article presents
an approach that allows this situation, determining “what and how
to” make adjustments in the process according to their “outputs.”
The operation of CDCS be explained by processing the “error signal”,
calculated by the system and reduced by a fitting algorithm, this
algorithm incorporates an offset variable to a linear regression model
that represents the experimentally obtained controlling element
of the system. The CDCS presented here was validated by system
dynamics. This approach is a novel process control application for
the case exposed. The CDCS consists of four basic elements. The
elements of CDCS are: i. controlling element, which represents one
of the major contributions of research, proposing a fitting algorithm
and incorporating a variable compensation, ii. processing element,
iii. measuring element and iv. comparator element. The test results
were compared with the control chart of individual measurements and
show the impact in restoring the ability of a textile production process
to produce parts conforming to quality specifications. To close the
research, simulations of random samples with normal distribution have
been used to analyze the efficiency of the proposed adjustments CDCS.
• Keywords: System dynamics, control engineering, regression models,
control charts, process capability index.
234
Históricamente se han empleado gráficos de control
(GC) para supervisar la calidad de la producción de
los procesos industriales. El uso de los GC para éste
propósito tiene limitantes de operación, ya que sólo
determina los momentos en el tiempo de la presencia de
causas espaciales, pero no implica la corrección de sus
efectos en la mala calidad, ni toma en cuenta el índice
de la capacidad del proceso. En consecuencia, una forma
alterna a los GC que permita lograr ajustes en el proceso de
manufactura, durante la producción e incremente el índice
de la capacidad de proceso resulta útil. En este artículo
se presenta un enfoque que posibilita esta situación,
determinando “el qué y cómo” hacer los ajustes en el
proceso en función de sus “salidas”. El funcionamiento
del SICD se explica por el procesamiento de la “señal de
error”, calculada por el propio sistema y reducida a través
de un algoritmo de ajuste. El SICD aquí presentado fue
validado por dinámica de sistemas, lo que constituye un
enfoque de control de procesos novedoso para el caso de
aplicación expuesto. El SICD consta de cuatro elementos
básicos: i. elemento controlador, el cual representa una
de las contribuciones principales de la investigación,
proponiendo un algoritmo de ajuste e incorporando una
variable de compensación, ii. elemento de proceso, iii.
elemento de medición y iv. elemento de comparación.
Los resultados de la prueba del SICD fueron comparados
con el gráfico de control de mediciones individuales y se
muestra el impacto en el restablecimiento de la capacidad
de un proceso de producción textil para producir piezas
conformes con las especificaciones de calidad. Como
Dyna Marzo - Abril 2012 • Vol. 87 nº2 • 234/240
Cod. 4281
Sistema Integral de Control Dinámico SICD: Un enfoque híbrido para el cumplimiento de las especificaciones de calidad
Roberto Baeza-Serrato, Javier Yáñez-Mendiola, Antonio Vázquez-López
5311.99-2 Aseguramiento y
Control estadístico de calidad
cierre de la investigación se utilizó simulación de muestras
aleatorias con distribución normal, para analizar la eficiencia
de los ajustes del SICD propuesto.
Palabras clave: Dinámica de sistemas, ingeniería de
control, modelos de regresión, gráficos de control, índice de
capacidad de proceso.
1. INTRODUCCIÓN
Sea P un producto manufacturado con diferentes
características de calidad. Para cierta característica de
calidad (C) de P se tiene por LSE y LIE a los límites de
especificación superior e inferior, respectivamente. Si Y es
la variable aleatoria que representa a C, entonces Y tendrá
como parámetros a la media (μ) y a la desviación estándar
(σ). La no conformidad de P con las especificaciones de
calidad en C se determina por dos formas:
Primera: de acuerdo a los valores de los parámetros de
Y. Asumiendo Y~N (μ,σ2), si se cumple cualquiera de los
tres casos siguientes:
a. {μ ≠ (LSE – LIE)/2} y {σ<(LSE – LIE)/6}
b. {σ > (LSE – LIE)/6} y {μ = (LSE – LIE)/2}
c. {μ ≠ (LSE – LIE)/2} y {σ > (LSE – LIE)/6}
Normalmente en un proceso de producción los valores μ
y σ son desconocidos por lo que deben inferirse por técnicas
estadísticas, previa la construcción de los GC y ajustarse
periódicamente.
Segunda: de acuerdo a los mediciones individuales de
Y. Si para cualquier medición yi de Y, donde Y= [y1, y2, y3,yn],
se presenta cualquiera de las siguientes dos condiciones:
a. yi> LSE i = 1,2,…,n
b. yi< LIE
i = 1,2,…,n
Los GC son empleados como medios de detección
de momentos en el tiempo, en que una causa especial
de variación se ha presentado, mediante “anomalías
observables” en las gráficas de control. Sin embargo, saber
esto no es suficiente para eliminarla y asegurar la calidad;
de acuerdo con Guh (2005), los GC sólo indican “cuándo”
es necesario realizar una búsqueda de causas especiales de
variación para poder hacer el ajuste requerido en el proceso,
pero no muestran “qué hacer”, ni tampoco “cómo hacer el
ajuste”. Otras desventajas de los GC son los requerimientos
probabilísticos de normalidad e independencia en Y, lo que
no siempre puede observarse fácilmente.
Actualmente se dispone de formas alternas a los GC
para establecer mecanismos de control de la calidad en los
procesos de producción. Predominan dos tendencias: la
primera corresponde al uso de redes neuronales artificiales
para el reconocimiento de patrones (lo que equivale en los
GC a detectar causas especiales, pero con mucho mayor
eficiencia). Por ejemplo Vázquez et. al (2010) propusieron
un método para determinar los valores apropiados de
los parámetros de control de una red Fuzzy ARTMAP en
orden de incrementar su eficiencia en el reconocimiento de
Cod. 4281
ORGANIZACIÓN Y DIRECCIÓN DE EMPRESAS
patrones asociados a causas especiales de variación. Guh y
Shiue (2009) propusieron una red Time Delay Neural para
detectar los patrones que varían a través de tiempo, que no
se pueden simular con redes neuronales tradicionales como
la Backpropagation. Pham y Chan (1998) describen una red
neuronal auto-organizativa de reconocimiento de patrones
básicos de los gráficos de control, que aprende a reconocer
nuevos patrones. La segunda tendencia para controlar la
calidad de los procesos en lugar de GC, es la implementación
de sistemas híbridos de ajustes en el proceso durante la
producción basados en las salidas del mismo. Georgieva y
Feyo de Azevedo (2009), propusieron un sistema híbrido con
dos alternativas de control (primero un modelo predictivo de
control y segundo un control linealizado de realimentación),
utilizando redes neuronales como función de transferencia
del sistema de realimentación de lazo cerrado analizado.
Zhao et al. (2008) propusieron un sistema híbrido de control
predictivo y de diseño de programación que es aplicado
en la generación de las predicciones de control para cada
sistema de lazo cerrado. Black et al. (2001) consideraron
el impacto de utilizar en forma conjunta control estadístico
de proceso y control de ingeniería de proceso, en un
sistema híbrido denominado control integral de proceso, el
cual usa un controlador integral para realizar los ajustes,
utilizando un modelo dinámico de primer orden ARIMA con
perturbaciones.
Las investigaciones realizadas en estas dos tendencias
proponen métodos de predicción utilizando redes neuronales
y sistemas híbridos de control, en los cuales no se da
respuesta al “qué” y “cómo” hacer los ajustes necesarios,
vislumbrando un área de oportunidad considerada en ésta
investigación para explicar el “qué y cómo hacer” para
retornar el control del proceso.
Todo sistema de control de la calidad de procesos tiene
como propósito final hacer que el proceso de producción
fabrique productos conformes con las especificaciones.
El requerimiento actual para estos sistemas es que puedan
responder a las preguntas “¿cuándo se ha presentado una
no conformidad?”, “¿qué hacer para corregir?” y el “¿cómo
hacerlo?”. En este artículo se presenta un sistema integral
de control dinámico que responde a estas preguntas sin
necesariamente buscar causas especiales de variación,
que actúa sobre el proceso mismo en función de su salida.
Esto permite hacer los ajustes necesarios en el proceso
de fabricación durante la producción para asegurar el
cumplimiento de las especificaciones de calidad requeridas.
El sistema integral de control dinámico desarrollado utiliza
cuatro elementos: elemento de proceso, elemento controlador,
elemento de medición y elemento de comparación, basado
en herramientas y técnicas de ingeniería industrial que son
aplicadas al mejoramiento continuo de cualquier proceso
industrial.
Con este enfoque híbrido de control de procesos se
propone efectuar el control de la calidad de la producción sin
la búsqueda de causas especiales ni la detección de patrones
especiales o el uso de técnicas estadísticas de estimación, por
Dyna Marzo - Abril 2012 • Vol. 87 nº2 • 234/240
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ORGANIZACIÓN Y DIRECCIÓN DE EMPRESAS
Sistema Integral de Control Dinámico SICD: Un enfoque híbrido para el cumplimiento de las especificaciones de calidad
Roberto Baeza-Serrato, Javier Yáñez-Mendiola, Antonio Vázquez-López
5311.99-2 Aseguramiento y
Control estadístico de calidad
lo que el SICD puede considerarse como una herramienta
de ingeniería industrial para realizar ajustes en los procesos
de producción e incrementar el indicador de la capacidad
del proceso. Esta investigación presenta tres contribuciones
principales.
a. Un sistema de control avanzado que permite ejecutar
acciones de control cuando se identifican condiciones
de no conformidad por comparación de mediciones
individuales con las especificaciones, a través de un
algoritmo de ajuste que incorpora una variable de
compensación y representa el elemento controlador, el
cual se explica en la sección 2, subtema 2.3
b. Análisis del rendimiento en los ajustes del SICD a través
de una función de transferencia de una característica
dinámica, el cual se explica en la sección 2, subtema 2.5
c. Diseño del gráfico de control y ajuste para el sistema
SICD, el cual se explica en la sección 2, subtema 2.6
Para la validación del SICD, se utilizó el resultado
del diseño experimental obtenido durante la presente
investigación, en un sistema de producción textil, analizando
el tejido de punto en una máquina denominada SHIMASEIKI,
donde las pruebas experimentales, de simulación y de
validación se llevaron a cabo sobre un lienzo acanalado,
fabricado con hilo Apolo de composición lycra y polyester al
50%. La característica de calidad considerada fue la longitud
del lienzo, medida en centímetros.
Después de la sección 1, el artículo está organizado como
sigue: en la sección 2 se describe la metodología del SICD
y cada uno de los elementos que lo conforman, así como
la función de transferencia que es utilizada como indicador
de la eficiencia en los ajustes realizados. En la sección
3 se muestra la validación del SICD con un enfoque de
dinámica de sistemas, que permite identificar y entender el
comportamiento de las zonas de ajuste (α1, α2, α3), para la
construcción del gráfico de control del SICD. En la sección 4
se describe el método de trabajo para la aplicación del SICD
en un proceso real. Finalmente la comparación del gráfico de
control del SICD con el gráfico de medias y las conclusiones
son presentadas en la sección 5, así como trabajos futuros
previstos.
2. METODOLOGÍA
El SICD propuesto en esta investigación permite
realizar el control de la calidad de la producción durante el
proceso, entendiendo la relación existente entre las variables
independientes X y la variable aleatoria Y que representa
la característica de calidad C, explicándola a través de un
modelo de regresión. Habitualmente en los modelos de
regresión se usa a la variable X como predictora de Y, lo
que implica que dada X se obtiene Y. En el SICD se actúa
de forma contraria, es decir, dada Y se obtiene X (regresión
inversa); esto permite determinar los ajustes necesarios en X
dada una medición de Y que no cumple las especificaciones
requeridas, lo cual permite explicar el “qué y cómo hacer”
236
para realizar los ajustes necesarios y retornar el control de
la calidad de la producción en el proceso. De este modo
es posible calcular la señal de error en relación a las
especificaciones.
Los elementos del SICD, (Fig. 1), son: elemento de
proceso (EP), elemento de medición (EM), elemento de
comparación (ECM) y elemento controlador (EC).
Figura 1: Sistema integral de control dinámico de lazo cerrado con realimentación negativa
2.1. ELEMENTO DE PROCESO (EP)
Asumiendo que para una característica de calidad,
representada por la variable aleatoria Y, habrá un modelo
de regresión lineal múltiple con xk variables independientes,
expresado en la forma de la Ecuación 1, que explique la
relación existente entre ellas.
(1)
Donde:
Entonces es posible asignar al modelo el elemento EP de
la Figura 1.
2.2 ELEMENTO DE COMPARACIÓN (ECM)
El ECM calcula y procesa a la señal de error (Φ) a través
de la ecuación 2. Para esto se utilizan las n mediciones
de la retroalimentación negativa (RN) del sistema y son
comparadas con el valor nominal VN1 de las especificaciones
de calidad. Si ρ1 = LSE-VN y ρ2 = VN-LIE, entonces el ajuste
se presenta cuando Φi es mayor a la tolerancia especificada
(ρ), o bien Φi > ρ1 ó Φi> ρ2. Se produce en consecuencia la
i-ésima señal de error indicada por la Ecuación 2.
(2)
2.3. ELEMENTO CONTROLADOR (EC)
Para obtener el elemento controlador es necesario
entender la relación entre las variables de operación y la
característica de calidad de interés Y. Por lo que es necesario
obtener un diseño de regresión que explique dicha relación.
Ver Ecuación 1.
1
VN=(LSE+LIE)/2
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Cod. 4281
Sistema Integral de Control Dinámico SICD: Un enfoque híbrido para el cumplimiento de las especificaciones de calidad
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ORGANIZACIÓN Y DIRECCIÓN DE EMPRESAS
5311.99-2 Aseguramiento y
Control estadístico de calidad
Como los valores X son parámetros de operación, habrá
combinaciones en X que provocarán valores en Y fuera de
especificaciones y otros valores en X que cumplan con las
especificaciones en Y. De este modo y por regresión inversa,
para los casos donde Φi >ρ1 ó Φi>ρ2, ajustes en la máquina
pueden ser realizados, siempre y cuando se tenga la regla
de impacto de los factores X. La regresión inversa implica
despejar X de la Ecuación 1 para obtener la Ecuación 3.
(3)
Dado que en la Ecuación 3 se tiene un escalar en el
numerador y un vector en el denominador, es complejo
encontrar los valores de los parámetros de operación X
correspondientes. Por tal razón es necesario encontrar un
vector G con variables de compensación que pueda estimar
los ajustes necesarios en X, que esté en función de la señal
de error Φ, tal como se señala en la Ecuación 4 y como lo
indica la Ecuación 3.
(4)
Empleando una adaptación de la técnica de escalamiento
ascendente de superficies de respuesta (Montgomery, 2001)
se determinan los incrementos o decrementos necesarios del
vector G que representa a la variable de compensación, para
realizar los ajustes respectivos de los factores significativos
X, a través de la función de la señal de error.
La técnica de escalamiento ascendente para encontrar los
incrementos o decrementos es el siguiente:
1. Se elige el tamaño del incremento o decremento
en una de las variables del proceso. En general, se
seleccionaría por la variable que tiene el coeficiente de
regresión absoluto |βj| más grande.
2. Los tamaños de incremento de las otras variables es
3. Se convierten los incrementos o decrementos ∆xi de
variables codificadas a variables naturales
A cada valor simulado Y a través del modelo de regresión
de la Ecuación 1, corresponde un valor de la señal de error Φ
respectivo. Esta señal representa el ajuste necesario a realizar
en los factores significativos X. En esta investigación se
propone un algoritmo de control dinámico, que distribuye en
forma jerárquica la señal de error en los factores significativos
del modelo de regresión, utilizando los conceptos básicos de
la técnica de escalamiento ascendente, a través de un vector
de compensación G, en al menos una variable xk de cada uno
de los factores significativos de operación X, para hacer que
Φ tienda a cero.
Donde:
Por lo que para encontrar el vector de compensación G,
que permita encontrar los ajustes necesarios en X, se realizan
los siguientes pasos:
1. Identificar y asignar al factor dominante como βm , que
puede ser escogido de los valores de los coeficientes βj,
de los factores significativos del modelo de regresión.
El factor dominante es aquel que tiene el coeficiente
de regresión absoluto más grande de la Ecuación 1.
Los factores no dominantes son los demás factores
significativos del modelo de regresión obtenido en la
Ecuación 1.
βm = Coeficiente del factor dominante
βj = Coeficientes de los factores significativos del
modelo de regresión para j= 1, 2, 3,…n
2. Se determina la relación que existe entre cada factor no
dominante y el factor dominante utilizando la Ecuación
5. Esta relación es utilizada para distribuir la señal de
error en los factores significativos no dominantes.
(5)
3. Como en el paso anterior se determinó la relación
existente entre los factores del modelo, la señal de error
es distribuida proporcionalmente entre los factores
correspondientes, utilizando al coeficiente del factor
dominante como guía de la proporción jerárquica.
El valor de la variable de compensación gi para el factor
significativo dominante se determina con la siguiente
proporción de la Ecuación 6:
(6)
Los valores de la variable de compensación gi para los
factores significativos no dominantes se determinan
con la siguiente proporción de la Ecuación 7:
(7)
4. Al agregar el término de la señal de error (Φi) en
unidades naturales al modelo estadístico de regresión,
es necesario convertir los niveles de los factores a
unidades naturales para que el modelo de regresión no
sea modificado (ΨJ). Ver Ecuación 8.
(8)
Por lo que las ecuaciones (6) y (7) quedan de la
siguiente manera:
Variable de compensación gi para el factor dominante:
(9)
G = Vector de compensación para realizar los ajustes
necesarios en el vector X de factores significativos
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Control estadístico de calidad
Variable de compensación gi para los factores no
dominantes:
(10)
Donde:
n = número de mediciones simuladas
k = número de factores significativos del modelo de
regresión lineal
Las Ecuaciones 9 y 10 son utilizadas para encontrar el
vector de compensación G, que representa los incrementos
o decrementos en los factores significativos X, en función
de la señal de error Φ, por lo que la Ecuación 1 queda de la
siguiente manera, para obtener los valores ajustados:
(11)
2.4. ELEMENTO DE MEDICIÓN (EM)
Los valores ajustados (YAj) o no ajustados (Y) son
registrados como EM. Estos valores registrados representan
la retroalimentación negativa del sistema integral de control
dinámico de lazo cerrado (RN).
2.5. FUNCIÓN DE TRANSFERENCIA DEL SICD
Tomando al valor nominal como la señal de entrada
del SICD y la RN de los resultados de la simulación
dinámica, como la salida del sistema, se genera la función
de transferencia a través de un modelo matemático, que
relaciona las entradas con las salidas, a través de la Ecuación
(12)
(12)
Donde:
VN = la señal de entrada (Valor nominal)
ϕ = la pendiente de la línea de respuesta (% eficiencia en
la relación entrada-salida)
YAj= realimentación negativa ajustada del SICD
El valor de ϕ representa el porcentaje de eficiencia de
la función de transferencia. Si los valores de YAJ ajustados
fueran iguales al valor nominal deseado o de entrada, el valor
debe ser 1, lo que representa un porcentaje de eficiencia del
100%.
La sensitividad o pendiente representa la eficiencia de los
valores ajustados y se determina con la ecuación (13):
(13)
Figura 2: Formato del Gráfico de Control del SICD
238
Dyna Marzo - Abril 2012 • Vol. 87 nº2 • 234/240
Cod. 4281
Sistema Integral de Control Dinámico SICD: Un enfoque híbrido para el cumplimiento de las especificaciones de calidad
ORGANIZACIÓN Y DIRECCIÓN DE EMPRESAS
Roberto Baeza-Serrato, Javier Yáñez-Mendiola, Antonio Vázquez-López
5311.99-2 Aseguramiento y
Control estadístico de calidad
Donde:
YAj= Salidas ajustadas del sistema, y
(14)
n = Número de mediciones
2.6. CONSTRUCCIÓN DEL FORMATO DEL
GRÁFICO DE CONTROL DEL SICD
El gráfico de control del SICD es utilizado para monitorear
y ajustar la calidad de la producción en el proceso, utilizando
regresión inversa, es decir, dada Y se obtiene X; esto permite
determinar los ajustes necesarios en X dada una medición
de Y que no cumple las especificaciones requeridas, lo cual
permite explicar el “qué y cómo hacer” para realizar los
ajustes necesarios y retornar el control de la calidad de la
producción en el proceso. Para la construcción del gráfico
de control SICD, se utilizan los elementos que se muestran
en la Tabla 1.
Sea P un producto manufacturado con diferentes
características de calidad. Para cierta característica de
Símbolo
Significado
LES
Ubicación en
el gráfico
calidad (C) de P se tiene por LSE y LIE a los límites de
especificación superior e inferior, respectivamente, así como
se tiene por VN al valor nominal de las especificaciones
de calidad. Estos parámetros están localizados en la parte
gráfica del SICD. Ver Figura 2.
Las zonas α1, α2, α3, son identificadas analizando el
comportamiento de los ajustes en la validación dinámica
del SICD. Cada zona de ajuste representa el número de
veces, que se utilizará el algoritmo de ajuste propuesto como
elemento controlador en esta investigación, para cumplir
la especificación establecida y están ubicadas en la parte
gráfica del SICD. Ver Figura 2.
Estas zonas de ajuste pueden o no ser simétricas respecto
al VN y los límites de especificación LES y LEI del producto
P a manufacturar, ya que dependen de los valores obtenidos
en los parámetros β de la ecuación 1 y de la proporción
jerárquica utilizada en las Ecuaciones 9 y 10.
En la Figura 2 se observa el formato del gráfico de control
del SICD, el cual está conformado por dos partes: parte
gráfica y parte de registros. En la parte gráfica del formato se
localizan las regiones de tolerancias establecidas para el valor
nominal, a través de los límites de especificación superior
e inferior, así como la delimitación de las zonas de ajuste.
En la parte inferior se realiza el registro de las mediciones
de la variable yi, correspondiendo al EP, se calcula la señal
de error utilizando la Ecuación 2, correspondiendo al ECM,
así como el indicador Cpk inicial, tomando a la señal de
error como la desviación estándar obtenida. Si la señal de
error está dentro de tolerancias, no se ajustará la medición
realizada, en caso contrario se debe realizar el número de
ajustes necesarios en X utilizando las ecuaciones 9 y 10, de
acuerdo a la zona de ajuste donde haya sido localizada la
medición, correspondiendo al EC y finalmente se registra
el valor ajustado YAj, o no ajustado Y, correspondiendo al
EM, así como el Cpk final para observar el incremento del
indicador, en caso de haber hecho algún ajuste del proceso.
Al utilizar el gráfico de control del SICD, no es
necesario que los datos presenten normalidad o que sigan
un patrón establecido, pero es recomendable utilizar los
GC previamente, para lograr la estabilidad del proceso y
Símbolo
Significado
Ubicación en el
gráfico
Límite de especificación superior Parte gráfica
a2
Zona ajuste 2
Parte gráfica
LEI
Límite de especificación inferior
Parte gráfica
a3
Zona ajuste 3
Parte gráfica
VN
Valor nominal
Parte gráfica
φi
Señal de error inicial
Parte de registros
Π1
Tolerancia 1
Parte gráfica
φf
Señal de error final
Parte de registros
Π2
Tolerancia 2
Parte gráfica
Cpki
Indicador capacidad de
proceso inicial
Parte de registros
a1
Zona ajuste 1
Parte gráfica
Cpkf
Indicador de capacidad de Parte de registros
proceso final
Tabla 1: Elementos del gráfico de control del SICD
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ORGANIZACIÓN Y DIRECCIÓN DE EMPRESAS
Sistema Integral de Control Dinámico SICD: Un enfoque híbrido para el cumplimiento de las especificaciones de calidad
Roberto Baeza-Serrato, Javier Yáñez-Mendiola, Antonio Vázquez-López
5311.99-2 Aseguramiento y
Control estadístico de calidad
de manera complementaria utilizar el SICD para realizar
los ajustes requeridos, explicando “qué hacer” y “cómo
hacerlos”.
3. VALIDACIÓN DINÁMICA PARA OBTENER LAS ZONAS
DE AJUSTE (αI) DEL SICD
Para la validación del SICD, se utilizó el resultado
del diseño experimental obtenido durante la presente
investigación, en un sistema de producción textil, analizando
el tejido de punto en una máquina denominada SHIMASEIKI,
donde las pruebas experimentales, de simulación y de
validación se llevaron a cabo sobre un lienzo acanalado,
fabricado con hilo Apolo de composición lycra y polyester al
50%. La característica de calidad considerada fue la longitud
del lienzo, medida en centímetros.
El SICD puede ser utilizado en cualquier sector industrial.
Para realizar la validación dinámica es necesario tener un
modelo de regresión lineal, para demostrar la relación causal
existente entre las variables independientes X y la variable
aleatoria Y que representa la característica de calidad C.
La validación y las conclusiones se pueden descargar en
el vinculo:
http://www.revistadyna.com/dyna/documentos/pdfs/_adic/4281_2.pdf.
5. BIBLIOGRAFÍA
- Black H, Mastrangelo C, Shu M. (2001). “Statistical Monitoring
Performance for Startup Operations in a Feedback Control system”.
Quality and reliability engineering international.Vol.17 p.379-390.
- Georgieva P, Feyo de Azevedo S. “Neural Network-Based Control
Strategies Applied to a Fed-Batch Crystallization Process”.
International Journal of Computational Intelligence. Vol. 3 p. 224233.
- Guh R. (2005). “Real-time pattern recognition in statistical process
control: a hybrid neural network/decision tree-based approach”. J.
Engineering Manufacture.Vol.219 p. 283-298.
- Guh R, Shiue Y. (2010). “Fast and accurate recognition of control
chart patterns using a time delay neural network”. Journal of the
Chinese Institute of Industrial Engineers. Vol. 27 p. 61–79.
- Gutiérrez H, De la vara R. Análisis y diseño de experimentos. 2a
edición. México: Ediciones Mc Graw Hill, 2008. 545p. ISBN-10: 97010-6526-3.
- Montgomery D. Control estadístico de la calidad. 3a edición.
Ediciones Limusa, 2009. 797p. ISBN: 978-968-18-6234-3.
- Montgomery D. Diseño y análisis de experimentos. 2a edición.
Ediciones Limusa, 2007. 686p. ISBN-13: 978-968-18-6156-6.
- Montgomery, Peck, Vining. Introducción al análisis de regresión
lineal. 3a edición. CECSA, 2002. 565p. ISBN 970-24-0327-8
- Pham D, Chan A. “Control chart pattern recognition using a new
type of self-organizing neural network”. Proc Instn Mech Engrs. Vol.
212 p.115-127.
- Runger R, Caner M, Tsung F. (2006). “Relationships Among
Control Charts Used with Feedback Control”. Quality and reliability
engineering international. Vol. 22 p. 877-887.
- Seyed Taghi S, Ostadsharif A. (2008). “A new statistical process
control method to monitor and diagnose bivariate normal mean
vectors and covariance matrices simultaneously”. Int J Adv Manuf
Technol. Vol. 43 p.964–981
- Vázquez JA, López I, Peña M. (2010). “On the Use of the Fuzzy
ARTMAP Neural Network for Pattern Recognition in Statistical
Process Control using a Factorial Design”. International Journal of
Computers, Communications& Control. Vol. 5 p.205-215.
- Venkatesan G. (2002). “Discussion and analysis of stochastic
feedback control adjustment”. J Engineering Manufacture. Vol. 216
p.1429-1442.
- Zhao Y, Liu G, Rees D. (2008). “Integrated predictive control and
scheduling co-design for networked control systems”. The Institution
of Engineering and Technology Control Theory Appl. Vol. 2 p.7-15.
4. AGRADECIMIENTOS
Los autores agradecen al consejo nacional de ciencia y
tecnología (CONACYT), el apoyo recibido en la formación
doctoral del M.C Roberto Baeza Serrato.
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Cod. 4281
De acuerdo con los contenidos recogidos en esta Sección referente a
la normativa relacionada con el Desarrollo Sostenible, a continuación
comentamos algunas de las últimas novedades legislativas en esta
materia.
En la Unión Europea
Colaboración de
d) la interacción entre los factores contemplados en las
letras a), b) y c).
Directiva 2011/92/UE del Parlamento Europeo y
del Consejo, de 13 de diciembre de 2011, relativa a
la evaluación de las repercusiones de determinados
proyectos públicos y privados sobre el medio ambiente
(DOUE 28/01/2012)
La Directiva 85/337/CEE del Consejo, de 27 de junio
de 1985, relativa a la evaluación de las repercusiones de
determinados proyectos públicos y privados sobre el medio
ambiente ha sido modificada en diversas ocasiones de
forma sustancial, es por ello que, con la presente Directiva,
se procede a su codificación, para conseguir una mayor
racionalidad y claridad.
La Directiva establece que los Estados miembros
deberán adoptar las medidas necesarias para que, antes de
concederse la autorización, los proyectos que puedan tener
efectos significativos en el medio ambiente, en virtud, entre
otras cosas, de su naturaleza, dimensiones o localización, se
sometan al requisito de autorización de su desarrollo y a una
evaluación con respecto a sus efectos.
Dichos proyectos serán los siguientes:
- la realización de trabajos de construcción o de otras
instalaciones u obras,
- otras intervenciones en el medio natural o el paisaje,
incluidas las destinadas a la explotación de los recursos
del suelo
http://eur-lex.europa.eu/LexUriServ/LexUriServ.do?uri=OJ:L:2012:026:0001:0021:ES:PDF
Acuerdo de Consejo de Ministros por el que se
aprueba la asignación individual de derechos de emisión
a los operadores aéreos atribuidos a España, en el marco
del régimen del comercio de derechos de emisión de gases
de efecto invernadero, para los períodos de comercio
2012 y 2013-2020.
A través de la Directiva 2008/101/CE del Parlamento
Europeo y del Consejo, se modificó la Directiva 2003/87/
CE, para la inclusión de las actividades de aviación en el
régimen comunitario de comercio de derechos de emisión de
gases de efecto invernadero a partir del 1 de enero de 2012.
Dicha Directiva fue transpuesta a nuestro ordenamiento
jurídico mediante la disposición adicional segunda de la Ley
5/2009, de 29 de junio, y por la Ley 13/2010, de 5 de julio.
De esta manera a través del presente Acuerdo de
Consejo de Ministros, y de conformidad al artículo 38 de
la Ley 1/2005, de 9 de marzo, que regula la asignación de
derechos de emisión a los operadores aéreos, se ha procedido
a la asignación individual de derechos de emisión para los
operadores aéreos.
http://www.marm.es/es/cambio-climatico/temas/Asignaci%C3%B3n_operadores_a%C3%A9reos_tcm7-186906.pdf
La evaluación de las repercusiones sobre el medio
ambiente podrá integrarse en los procedimientos existentes
de autorización de los proyectos en los Estados miembros o, a
falta de ello, en otros procedimientos o en los procedimientos
que deberán establecerse para satisfacer los objetivos de la
presente norma.
La evaluación del impacto ambiental identificará,
describirá y evaluará de forma apropiada, los efectos directos
e indirectos de un proyecto en los siguientes factores:
a) el ser humano, la fauna y la flora
b) el suelo, el agua, el aire, el clima y el paisaje
c) los bienes materiales y el patrimonio cultural
Decreto 278/2011, de 27 de diciembre, por el que
se regulan las instalaciones en las que se desarrollen
actividades potencialmente contaminadoras de la
atmósfera (BOPV 23/01/2012)
El Decreto tiene como fin la regulación de las instalaciones en las que se desarrollen actividades potencialmente contaminadoras de la atmósfera, para conseguir la prevención,
vigilancia y reducción de la contaminación atmosférica en la
Comunidad Autónoma del País Vasco.
Dyna Marzo - Abril 2012 • Vol. 87 nº2
241
Las instalaciones, situadas en la Comunidad Autónoma
del País Vasco, afectadas por las obligaciones dispuestas
en la citada norma serán las recogidas en el anexo del Real
Decreto 100/2011, de 28 de enero, por el que se actualiza el
catálogo de actividades potencialmente contaminadoras de
la atmósfera y se establecen las disposiciones básicas para
su aplicación.
En el capítulo III se establecen dos regimenes
diferenciados, autorización o notificación, en función del
tipo de actividad que se desarrolle.
De esta forma, se exigirá autorización a la construcción,
montaje, explotación, traslado o modificación sustancial,
de aquellas instalaciones en las que se desarrollen alguna
de las actividades incluidas en el catálogo de actividades
potencialmente contaminadoras de la atmósfera,
pertenecientes al grupo A o B o actividades de un mismo
tipo, de manera que la suma de las potencias o capacidades de
producción, manipulación o consumo de disolventes supere
el umbral considerado para la pertenencia a los grupos A o B
de dicho tipo de actividad.
Por otro lado, el régimen de notificación se aplicará a
las instalaciones en las que se desarrollen actividades del
grupo C o varias actividades de un mismo tipo de manera
que la suma de sus potencias, capacidades de producción, de
manipulación o de consumo de disolventes supere el umbral
considerado para la pertenencia al grupo C de dicho tipo
de actividad, el cual consiste en la notificación de inicio de
la actividad por parte de la persona titular de la instalación
donde se desarrolle la actividad, junto con la documentación
que se recoge en el Decreto, al objeto de que la administración
tenga constancia de la misma.
Asimismo, en referido capítulo tercero, se recogen una
serie de disposiciones comunes al régimen de autorización
y notificación relativas a la tramitación telemática de
los expedientes de instalaciones donde se desarrollen
actividades potencialmente contaminadoras de la atmósfera,
la consideración de modificación sustancial o no de este tipo
de instalación.
Por último, cabe señalar que, en el capítulo II, se regulan
las normas de prevención y control de las emisiones a la
atmósfera, en el capítulo IV los controles internos y externos
a los que están sometidas dichas actividades y, en el capítulo
V, el régimen sancionador.
http://www.euskadi.net/bopv2/datos/2012/01/1200334a.pdf
Decreto 6/2012, de 17 de enero, por el que se aprueba
el Reglamento de Protección contra la Contaminación
Acústica en Andalucía, y se modifica el Decreto 357/2010,
de 3 de agosto, por el que se aprueba el Reglamento para
la Protección de la Calidad del Cielo Nocturno frente a la
contaminación lumínica y el establecimiento de medidas
de ahorro y eficiencia energética (BOJA 6/02/2012)
Mediante el Decreto 6/2012, de 17 de enero, se desarrolla
el Título IV, Capítulo II, Sección 4ª, de la Ley 7/2007, de
9 de julio, de Gestión Integrada de la Calidad Ambiental
que regula la calidad del medio ambiente atmosférico para
prevenir, vigilar y corregir las situaciones de contaminación
acústica por ruidos y vibraciones.
El Reglamento que aprueba el citado Decreto será
de aplicación a cualquier infraestructura, instalación,
maquinaria o proyecto de construcción, así como a las
actividades de carácter público o privado incluidas o no en
Anexo I de la Ley 7/2007, de 9 de julio, que se realicen o
se vaya a realizar en la Comunidad Autónoma de Andalucía
y produzcan o sean susceptibles de producir contaminación
acústica por ruidos o vibraciones.
http://www.juntadeandalucia.es/boja/boletines/2012/24/d/updf/d4.pdf
Resolución de 29 de diciembre de 2011, de la
Viceconsejería, por la que se aprueba el Plan de
Inspecciones Medioambientales para el año 2012 (BOJA
02/02/2012)
A través del Plan de Inspecciones Medioambientales se
pretende supervisar y controlar las diferentes actividades que
hayan sido o deban ser sometidas a algún tipo de autorización
o informe por parte de la Administración, conforme a la
normativa de aplicación, de esta manera se incorporan los
siguientes programas:
- Prevención y calidad ambiental
- Gestión del medio natural
- Espacios naturales y vías pecuarias
- Ayudas y subvenciones
BOJA nº 22 de 2012. Disposiciones
242
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Normas resumidas para los autores de artículos
Brief paper’s instructions for authors
_tegemos
tus intereses y los de tu
colectivo profesional.
Benefíciate de las soluciones financieras y las ventajas
exclusivas de un banco que trabaja en PRO de los
profesionales colegiados. Un banco que trabaja en PRO de ti.
Acércate a una oficina de Banco Sabadell o llámanos al 902 383 666.
Organicemos una reunión y empecemos a trabajar.
• Los artículos deberán ser originales e inéditos y no deben
de haber sido enviados simultaneamente a otros medios de
comunicación.
• Tendrán siempre preferencia los que versen sobre temas
relacionados con el objetivo, cobertura temática y/o lectores a
los que se dirige la revista.
• Todos los trabajos serán redactados en castellano (o inglés
para autores de otra lengua) y deberán cumplir los siguientes
requisitos:
• Título en castellano e inglés de 80 caracteres máximo
• Un breve resumen (Abstract), entre 150 y 300 palabras, en
castellano e inglés.
• Entre tres y cinco palabras clave (Key words) en castellano
e inglés, que permitan identificar la temática del artículo
• No deberían de tener más de aproximadamente 5.500
palabras, o 17 páginas formato A4 en fuente Arial 10 con
interlineado simple (Consultar con DYNA extensiones
superiores).
• Bibliografía relacionada o referencias según normas
DYNA en www.revistadyna.com
• Con el objeto de facilitar la “revisión entre pares”, el autor
deberá asignar el código DYNA de 6 dígitos correspondiente
a la temática del artículo, seleccionándolo de entre los códigos
disponibles en la dirección de Internet: www.revistadyna.com
• Los originales se remitirán mediante nuestra página web (envío
artículos), en formatos .DOC (msword), .RTF, o .TXT. Se
recomienda una calidad mínima de 300ppp para las fotografías
que se adjunten con el artículo. Se harán constar: título del
artículo, nombre del autor, título académico, empresa o
institución a la que pertenece, dirección electrónica, dirección
postal y teléfono.
• Se someterán al Consejo de Redacción cuantos artículos se
reciban, realizándose la “revisión entre pares” por los expertos
del Consejo o los que éste decida. El resultado de la evaluación
será comunicado directamente a los autores. En caso de
discrepancia, el editor someterá el trabajo a un revisor externo
a la revista cuya decisión será trasladada nuevamente al autor.
• Los autores aceptan la corrección de textos y la revisión de
estilo para mantener criterios de uniformidad de la revista.
• La revista se reserva el derecho de no acusar recibo de los
trabajos que no se ajusten a estas normas.
• Para mayor detalle sobre estás normas, por favor visite nuestra
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evaluadores”).
• Paper will be original and unpublished and it must not be
concurrently submitted for publication elsewhere.
• Preference will be given to articles on the main subject areas
of the Journal.
• Articles should be written in articles (or English for authors
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of 80 characters.
• Brief Summary or Abstract, between 150 and 300 words,
in Spanish and English.
• Between three and five keywords in English and Spanish,
that identify the paper theme.
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format pages in 10 size arial font sigle-spaced (For longer
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Ingeniería e Industria
ISSN 0012-7361 • SICI: 0012-7361(20120301)87:2<>1.0.TX;2-O • CODEN: DYNAAU
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INGENIERÍA E INDUSTRIA
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EVALUACIÓN DE LA
SOSTENIBILIDAD
Producción de Bioetanol
DIRECCIÓN DE PROYECTOS
Compatibilidad con el pensamiento
Lean
INGENIERÍA DEL
MANTENIMIENTO
Optimización del Servicio de
Asistencia Técnica
Herramienta de cálculo
para estructuras de
hormigón
LOGÍSTICA
Algoritmo de construcción
de rutas eficiente
DESIGN FOR ASSEMBLY
Aplicación en chásis de armarios
eléctricos
SISTEMAS DE
POTENCIA
INGENIERÍA E INDUSTRIA
Definiciones de
desequilibrio de
tensión
DISEÑO DE
MÁQUINAS
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tiempos para
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IDEKO
123 - 242 / VOL. 87, Nº 2
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