Si observamos el panorama energético actual, los precios de la energía han aumentado durante el último año de una manera preocupante, desembocando en una crisis energética con escasez de suministro, con un aumento de los precios y de los costes energéticos de las empresas. Entre ellas, destacan las industrias que emplean refrigeración en sus procesos industriales, con altos consumos de electricidad (y en algunos casos también de calefacción). Por esto compartimos las mejores medidas para ahorrar en frío industrial.
Además, todo esto ocurre en un momento clave en el que es necesario realizar una transición energética a nivel global para poder reducir los efectos del cambio climático, y alcanzar los objetivos internacionales. Junto con la rápida expansión de las energías renovables y las políticas para la reducción de emisiones, se debe poner especial énfasis en la eficiencia energética, reduciendo la demanda mientras mantenemos las mismas prestaciones en el servicio.
En este artículo, presentamos varias soluciones para ahorrar energía en frío industrial y esperamos que motiven a las empresas a invertir en profesionales que les ayuden a paliar esta situación actual, reduciendo sus costes energéticos y aumentando su competitividad dentro del mercado.
Estas son las medidas que puedes tomar para ahorrar energía en frío industrial
Optimización de la factura eléctrica
Tabla de contenidos
La factura eléctrica consta de distintos términos, entre los que se encuentran costes fijos (potencia) y variables (consumo). Así, la optimización de la factura eléctrica, tanto en la parte fija como en la parte variable, redunda en la reducción de los costes asociados al consumo de electricidad.
Esta optimización de la factura eléctrica es meramente económica y no energética, de tal modo que nuestra instalación o empresa no consume menos energía, pero supone una optimización en los costes, y tienen un tiempo de retorno casi inmediato.
Entre las posibles opciones para optimizar la factura se encuentran: la tarifa de acceso, la potencia contratada, el término de energía reactiva, la comercializadora y los periodos tarifarios.
Los variadores de frecuencia o VFD (Variable-Frequency Drivers) permiten reducir las revoluciones de un motor reduciendo la potencia que absorbe dicho motor. Muchas veces los compresores, que son máquinas de par constante, trabajan a carga parcial y es necesario regular su capacidad. Al hacer esto, pierden algo de eficiencia, regulando casi de forma proporcional su capacidad. Los variadores de frecuencia son un método más eficiente de regulación de capacidad que otros convencionales como podrían ser la válvula de corredera o una válvula de by-pass.
Por otro lado, los ventiladores de condensadores son máquinas de par variable, y esto permite que, con una pequeña disminución de la velocidad de los ventiladores, conseguir una reducción bastante mayor de la potencia absorbida por el motor. Es muy común obtener ahorros de más del 50% en el consumo de ventiladores con la instalación de VFD.
La combinación de ambos métodos permite unos ahorros importantes con inversiones y tiempos de retorno pequeños y que se pueden combinar con otras técnicas de eficiencia energética como son la condensación y evaporación flotante.
Condensación evaporativa
Los condensadores convencionales condensan utilizan el aire del ambiente como fluido de intercambio de calor. Para lograr esto, el refrigerante tiene que condensar a una temperatura algo mayor que el aire circundante. Sin embargo, utilizando la psicometría en nuestro favor es posible reducir la temperatura del aire de intercambio aumentando la humedad en un proceso adiabático.
Otra posibilidad es utilizar agua como fluido de intercambio y utilizar el aire para refrigerar esa agua. El aire seco se humidifica haciendo que se evapore una pequeña porción de agua y consiguiendo un enfriamiento del agua líquida a una temperatura menor que la del aire seco. Posteriormente esa agua se utiliza para absorber el calor de condensación en un circuito cerrado.
Existen otras combinaciones y disposiciones de torres de refrigeración y condensadores evaporativos, pero ambos utilizando los principios de la psicrometría para poder disminuir la temperatura (y por lo tanto la presión y consumo del compresor) del fluido refrigerante por debajo de la temperatura del ambiente. La eficiencia de estos equipos aumenta en climas secos, con altas temperaturas y en los que el agua no tenga un coste elevado.
Cada grado que disminuye la temperatura de condensación se pueden obtener unos ahorros del 2-3% del consumo del compresor. Sin embargo, hay que tener en cuenta el coste del consumo de agua y de equipos auxiliares como pueden ser bombas de recirculación y ventiladores, llegando a un compromiso entre estos elementos y el ahorro del compresor.
Condensación y evaporación flotante en sistemas de refrigeración industrial
En algunas ocasiones, la condensación del refrigerante se realiza a uno o varios set-points fijos y estáticos, generalmente diseñados para las condiciones más desfavorables. Esto implica condensar a una mayor temperatura de la necesaria, con un mayor consumo por parte del compresor. Es posible regular la temperatura de condensación regulando la velocidad de los ventiladores del compresor en función de las condiciones ambientales exteriores. Esto permite un ahorro de energía en momentos en que la temperatura exterior disminuye. Sin embargo, hay ciertas limitaciones como una presión del refrigerante mínima para garantizar una correcta expansión en la válvula.
Por cada grado que disminuye la temperatura de condensación se pueden obtener unos ahorros del 2-3% del consumo del compresor. Sin embargo, el consumo de los ventiladores puede aumentar, así que hay que llegar al compromiso entre consumo del compresor y consumo de los ventiladores.
De una forma similar a la condensación convencional, muchos evaporadores trabajan en puntos de operación estáticos. Con la evaporación flotante, se adapta la temperatura de evaporación en función de la demanda frigorífica en cada momento, regulando la capacidad del compresor y por lo tanto pudiendo aumentar la temperatura del evaporador en momentos cuya demanda frigorífica sea menor.
Por cada grado que aumenta la temperatura de evaporación también se pueden obtener unos ahorros de del 2-3% del consumo del compresor.
Elección de refrigerante
Debido a la emergencia climática y los objetivos de reducción de emisiones, la normativa ha cambiado para reducir el uso de refrigerantes sintéticos con un Potencial de Calentamiento Atmosférico (PCA) elevado. Debido a esto, se han popularizado los refrigerantes naturales, como son el amoníaco, el CO2, el isobutano o el propano. Estos refrigerantes tienen bajo o nulo PCA, y además tienen unas propiedades termodinámicas muy interesantes que permiten un mejor rendimiento y eficiencia energética.
El amoníaco se utiliza sobre todo en sistemas centralizados de frío industrial y permite obtener ahorros de un 15% respecto a otros refrigerantes. El CO2 se utiliza generalmente para refrigeración comercial y sistemas en cascada con amoníaco en refrigeración industrial con temperaturas de congelación muy bajas. Debido a sus altas temperaturas de descarga, es un refrigerante que permite realizar una recuperación de calor a temperaturas suficientemente altas para cubrir simultáneamente las demandas de calefacción y ACS.
Acumulación de frío
El coste de la energía para grandes consumidores es variable a lo largo del día, siendo generalmente las horas centrales del día las más caras y por la noche las más baratas. Hoy en día, con la rápida expansión de los sistemas de autoconsumo fotovoltaico, las horas centrales del día han pasado a tener un coste nulo, ya que la energía es producida por los paneles fotovoltaicos.
En una instalación frigorífica, sobre todo en la industria alimentaria, se debe garantizar una correcta conservación del producto en un rango de temperaturas determinado, por lo que se debe abastecer la demanda frigorífica necesaria en todo momento. Con los sistemas de acumulación de frío es posible almacenar la energía sobrante durante las horas más baratas o de coste cero, y liberarla según las necesidades durante otras horas más caras.
Además, estos sistemas permiten trabajar a los equipos a carga nominal durante la los periodos de acumulación y reduciendo las horas que trabajan a carga parcial. Gestionando todo esto de una manera eficiente, es posible reducir el consumo energético y mejorar el rendimiento de nuestra instalación.
Algunos sistemas de acumulación de frío son las balsas de agua helada, ampliamente utilizadas en la industria láctea, o los Materiales de Cambio de Fase (PCM).
Reducción de la demanda frigorífica
Está es una de las primeras medidas que se deben tener en cuenta a la hora de diseñar o mejorar una instalación de frío. La energía más barata y más limpia es la que no se consume, obteniendo el mismo resultado.
Entre las estrategias para reducir la demanda se encuentran: el aumento de los espesores de aislamiento de recintos frigoríficos, utilización de antecámaras o cortinas de aire entre recintos que se encuentren a distinta temperatura, una correcta colocación de los evaporadores en los recintos refrigerados, una gestión adecuada de los desescarches, apertura y cierre de puertas de forma automática y rápida, alarmas de puertas abiertas, etc.
El tiempo de retorno de estas medidas dependerá de la situación inicial. Las medidas de automatización y alarmas de puertas requieren una mínima inversión y un tiempo de retorno pequeño en casos con alta apertura de puertas. Por otra parte, en el caso de que los espesores del aislamiento fueran insuficientes (instalación antigua), el aumento de éstos reporta unos ahorros mayores, aunque el tiempo de retorno es bastante mayor.
Recuperación de calor residual
Otra de las máximas de la eficiencia energética es aprovechar aquella energía que no queda más remedio que tirar. En el caso de los sistemas frigoríficos, es la energía de condensación, cediendo energía al ambiente. La energía de condensación será igual a la energía de refrigeración más la energía eléctrica producida por los compresores, y es necesario liberar esa energía al entorno para que el ciclo frigorífico pueda funcionar.
En la línea de descarga a la salida del compresor, el refrigerante en estado vapor se encuentra a una alta presión y temperatura para posteriormente ceder calor en el condensador y pasar a estado líquido. En esta transferencia de calor se puede distinguir entre calor sensible y calor latente.
La cantidad de calor sensible que se puede aprovechar es pequeña (un 15-20% del calor cedido), pero a un alto nivel térmico, pudiendo obtener ACS y energía de calefacción de proceso hasta 80ºC, dependiendo del refrigerante.
En cambio, el calor latente representa una mayor cantidad de energía (80-85% del calor cedido), pero a un nivel térmico más bajo, en torno a unos 35ºC. Este calor puede ser aprovechado para precalentamiento de ACS, agua de calefacción o para procesos de secado.
Utilización de bombas de calor
Como se ha explicado anteriormente, el calor latente aprovechable en instalaciones frigoríficas tiene un nivel térmico muy bajo que limita su aprovechamiento.
Con una bomba de calor, se puede elevar el nivel térmico de ese calor residual de una forma muy eficiente, hasta temperaturas de 90ºC (aunque algunas bombas de calor alcanzan temperaturas más altas). Generalmente se utiliza amoníaco para bombas de calor a alta temperatura con muy altos rendimientos, alcanzando un COP de 8.
El salto térmico que proporciona la bomba de calor influirá en el rendimiento de la bomba de calor y el tiempo de retorno de la inversión. Sin embargo, el coste del kWh proporcionado por una bomba de calor puede ser hasta un 60% más barato que el producido por gas natural, arrojando unos tiempos de retorno de la inversión menores a 3 años. Además, con el aumento de los precios del gas en los últimos años, ese tiempo de retorno es todavía menor.
Refrigeración 4.0, inteligencia energética y control experto adaptativo en refrigeración industrial
Durante los últimos años ha habido un desarrollo enorme de las técnicas de Análisis de Datos, Machine Learning, Inteligencia Artificial y Deep Learning. Estas técnicas se están aplicando a todos los ámbitos de la ingeniería, finanzas, software, visión artificial, etc.
Con la Refrigeración 4.0 se está dando un salto en la industria, en la que es de gran importancia la recopilación de datos a través de la monitorización exhaustiva de la instalación. Esta monitorización nos permite obtener, recopilar y consultar el estado de distintas variables y consumos de la instalación frigorífica, para después poder procesar esa información.
Con técnicas de modelado avanzadas combinadas con IA es posible obtener un modelo virtual de nuestra instalación o gemelo digital (Digital-Twin), que permite realizar simulaciones y predicciones del comportamiento de la instalación.
Por último, es posible ajustar el punto óptimo de funcionamiento de la instalación de forma dinámica. Se deben tener en cuenta un gran número de variables del sistema, para después actuar sobre las consignas de control que permitan alcanzar ese estado óptimo, adelantándose incluso a posibles cambios o perturbaciones del sistema. Esto también permite detectar ineficiencias y predecir averías antes de que éstas se produzcan, lo cual proporciona ahorros adicionales de mantenimiento de equipos y evita las pérdidas por paradas de producción.
Para lograr todo esto, es necesario un sistema de optimización y control avanzado, combinando distintas disciplinas de la ciencia e ingeniería como la termodinámica, la inteligencia artificial, la ciencia de datos y el control experto en sistemas industriales.
Estas técnicas se pueden combinar con cualquiera de las otras soluciones mencionadas aumentar al máximo posible la eficiencia energética de nuestra instalación que repercutirá en unos ahorros mayores. Con esta solución, se pueden obtener unos ahorros adicionales entre el 10% y el 30% con unos periodos de retorno de la inversión menor a un año en muchos casos.