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Trabajo fin de máster 2013

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5. Metodología del análisis energético

5.1 Introducción a la metodología

En cualquier sistema es necesario tener la máxima información posible de su proceso para poder

optimizarlo. En el caso de una auditoría energética, el objetivo que se busca es conocer dónde, cuándo,

porqué y cómo la energía se está usando, permitiendo evaluar la cantidad de energía usada e identificar

oportunidades de potencial de ahorro [103]. Además también poder cuantificar las emisiones de gases

de efecto invernadero equivalentes [104]. La auditoría energética se define como la verificación,

seguimiento y análisis del uso de la energía [105]. El principio de la auditoría energética se apoya en la

primera ley de la termodinámica o también conocida como la ley de conservación de la energía, la cual

se fundamenta en que la energía no se crea ni se destruye, es decir, se transforma de una forma a otra. A

pesar de ello, es difícil cuantificar toda la energía, porque existen pérdidas que son complicadas de

estipular, como por ejemplo la pérdida de calor a través de una pared [106]. Por ello una auditoria

energética trata de estudiar el sistema completo de un proceso para saber con detalle todos los gastos

energéticos que se producen, de forma que se obtenga el máximo conocimiento de la instalación y los

factores que influyen en él [107]. A partir de aquí se podrá pasar a la siguiente estrategia, es decir, a la

búsqueda de la mejora del proceso en cuanto a la eficiencia energética para conseguir minimizar los

gastos en el proceso y disminuir los gases de efecto invernadero.

La importancia de tener un control de los consumos energéticos y tratar de mejorarlos al máximo

está influenciada por considerarse uno de los tres factores con mayores gastos que se producen en la

operación de una planta. Los otros dos factores son el personal que trabaja en la planta y los materiales

[105]. La auditoría energética es el paso previo para albergar un sistema de gestión energética en la

instalación [107]. Hoy en día este sistema está normalizado internacionalmente por la ISO 50001.

Además la gestión de energía podría ser incorporada a la organización dentro de los sistemas de gestión

ambiental (ISO 14001) y gestión de la calidad (ISO 9000) [104].

La metodología de este trabajo está basada en los pasos que siguen las auditorías energéticas

entre los cuales se encuentran [105], [107]:

1. Estudio inicial: definir el uso de todos los tipos de energía consumida en la instalación.

2. Medición y recogida de datos: obtener todas las características de los equipos y su modo de

funcionamiento durante la operación en la instalación.


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3. Análisis y propuesta de mejoras:

− Investigación de los consumos energéticos y los gastos económicos, análisis del consumo

presente y las tendencias pasadas.

− Comparaciones del rendimiento energético, determinando los índices de consumo de energía

y compararlos internamente de un período a otro, de un centro a otro similar.

− Identificación de las oportunidades de mejoras en eficiencia energética.

− Evaluación de todas las oportunidades.

5.2 Identificación de los grandes consumidores

El primer hito que se debe completar es estudiar la instalación y el proceso a la perfección para

llevar a cabo el análisis energético. Para conseguir este objetivo es necesario llevar a cabo los puntos

que se describen a continuación, los cuales se han llevado a la práctica en ambas plantas termosolares

CCP.

5.2.1 Estudio de la planta y el proceso

El primer paso es conocer la instalación gracias a la información que se puede recopilar a través

de los planos (P&ID, isométricos, planos mecánicos de equipos, etc.), las instrucciones técnicas, y

diagramas de flujo. Una vez que se consigue tener un nivel adecuado del emplazamiento, se debe

esquematizar las entradas y salidas de energía en cada etapa del proceso [105]. A través de este croquis

se puede interpretar de forma sencilla donde se producen los consumos de las plantas. En el caso de las

dos plantas termosolares de 50 MW, se tiene el esquema de la próxima imagen, donde en cada marco

rojo se informa de los consumos estando “en color negro” los consumos eléctricos y “en color rojo” los

productos que se consumen en ambas plantas.


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Consumos energéticos

Principales Auxiliares

Campo solar

Generador de vapor

Turbina de vapor

Condensador

Calderas

B. circulación HTF Fluido térmico

B. calderas Gas natural

B. alimentación Agua-vapor

B. condensados B. circulación Ventiladores B. vacío Agua

- Compresores de aire

- Equipos eléctricos tratamiento agua

- Equipos eléctricos dosificación químicas

- Equipos oficinas (luz, aire acondicionado, etc.)

- Otros

Aire, agua, productos químicos

Ilustración 28. Consumos energéticos de la planta.


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5.2.2 Conocimiento de las características de los equipos eléctricos

Cuanta mayor información disponible de los elementos que componen el sistema de consumo

eléctrico de la instalación, mayor facilidad proporcionará para la realización de los análisis de los gastos

que se producen en cada sistema.

En el caso práctico se ha realizado un listado con las características técnicas de cada equipo

instalado en ambas plantas, es decir la información que se ha recogido es la siguiente:

1. Número de equipos

2. Potencia nominal (kW)

3. Tensión nominal (V)

4. Intensidad nominal (A)

5. Cos φ

6. Rendimiento del equipo (%)

7. Tipo de arranque con variador de frecuencia, o sin el mismo

8. Trifásica o monofásica

5.2.3 Análisis del sistema de monitorización

El objetivo de este punto es saber que equipos están monitorizados y conocer el modo de

funcionamiento de los mismos, por ejemplo habrá equipos que trabajarán las 24 horas, durante la

operación de la misma, o a intervalos. Esta información nos ayudará a elaborar el estudio del potencial

de ahorro de los equipos donde se tendrá en cuenta las tarifas de la energía. Un sistema de

monitorización nos proporciona las herramientas para [108]:

1. Detectar si existen o no desperdicios de energía, ya que si no se tuviera este sistema estarían

ocultas.

2. Identificar los puntos del proceso donde se pueden disminuir los gastos energéticos.

3. Calcular el ahorro de energía una vez que se implementen medidas para bajar los consumos.


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4. Ayudar a la elaboración de indicadores gracias a la información proporcionada por el sistema.

Los datos de cada planta que están monitorizados son:

− Generación bruta

− Generación neta

− Contador del consumo de la planta en no generación

− Bombas de circulación de HTF

− Bombas de calderas

− Bombas de alimentación

− Bombas de condensados

− Bombas de vacío

− Bombas de circulación de agua

− Ventiladores

− Bombas de refrigeración de circuito abierto (B.Rca) y circuito cerrado (B.Rcc)

− Bombas de agua desmineralizada (B.ad)

− Compresores de aire

5.2.4 Recogida de datos

La recolección de datos se puede realizar de forma manual, automática o ambas [108]. A

continuación se podrá ir procesando los datos en una hoja de cálculo que nos ayude a conocer la

evolución del consumo de cada equipo y de cada planta. La recopilación de los datos debe tomarse con

el mismo periodo de tiempo sobre una base diaria, de forma que se pueda conocer la cantidad de

electricidad que se está usando durante el día y la noche [109].

En el caso particular de las dos plantas, la recogida de datos se ha llevado a cabo mediante el

sistema monitorizado de forma automática donde se pueda extraer toda la información de forma segura.

La frecuencia de tiempo que se han extraído los datos es cada 5 minutos durante las 24 horas del día. De

esta forma nos permite conocer el comportamiento tanto cuando la planta está generando energía como

cuando está sin generar. De los equipos que tienen variador de frecuencia se ha tomado como dato el

régimen de funcionamiento o la intensidad a la que está trabajando, dependiendo del dato que esté


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monitorizado, y de los que no poseen variadores, el sistema nos indica si el equipo está en marcha o en

paro.

5.2.5 Interpretación de los datos

El siguiente punto se trata de entender los datos que se han recogido. La herramienta para

interpretar la información es una hoja de cálculo, la cual nos permita traducir a la misma unidad la

información que se quiera analizar. Por ejemplo la energía en términos de kWh [110].

En las plantas analizadas se ha realizado la hoja de cálculo para obtener todos los valores en

términos de energía, para ello los datos que se necesitan son:

horasPcons×=(kWh) consumida Energía [Ec. 7]

donde,

horas, es el número de horas de funcionamiento del equipo (h)

Pcons, potencia consumida del equipo (kW)

El valor de la potencia consumida se ha obtenido según el caso del dato que se tiene

monitorizado:

a) Dato del equipo: parada o marcha

η×= PnPcons(kW) [Ec. 8]

siendo,

Pn, potencia nominal del equipo (kW)

η, eficiencia del equipo (%)

b) Dato del equipo: régimen de funcionamiento

η××= Pnrég(kW) Pcons [Ec. 9]

siendo,

Rég, régimen de funcionamiento del equipo (%)


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Pn, potencia nominal del equipo (kW)


c) Dato del equipo: intensidad

310cos3(kW) Pcons −×××××= ηϕIU [Ec. 10]

siendo,

U, tensión nominal del equipo (V)

I, intensidad del equipo (A)


Las horas de funcionamiento se obtienen gracias al sistema de monitorización, ya que se tienen

los datos del día completo. Una vez que se consigue homogeneizar la hoja de cálculos, se puede

pasar al siguiente paso de la auditoría.

5.3 Análisis de históricos

Gracias a la recopilación de los datos del proceso se puede crear la línea base de distintos

parámetros en función del tipo de análisis que se quiera llevar a cabo. Existen diversos modelos para

crear la línea base, pero uno de los más comunes es el método de regresión lineal [111]. Los pasos para

formar una línea base en un sistema son [110]:

1. Tiempo de partida: establecer año base

2. Determinar qué valores se quieren analizar

3. Decidir las unidades de medida

4. Representar resultados


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Ilustración 29. Modelo de línea de base [111].

Una vez que se tiene la línea de base de aquellos datos del proceso que ayuden a conocer el

estado del consumo de energía de la planta, se puede realizar distintos análisis con la elaboración de

indicadores que nos ayuden a ver el estado actual del funcionamiento de la planta y del que se ha tenido

anteriormente. Dependiendo de las necesidades de cada proceso, la elaboración de estos análisis puede

ser diversa y nos ayuda aportándonos la siguiente información [110]:

1. Perfil de consumo: identificación del consumo de energía con los picos. A través del perfil

podemos ir conociendo si se producen comportamientos anómalos de alguna etapa del proceso o

de los equipos.

2. Rendimientos: comparación de los rendimientos de los distintos equipos y las distintas etapas del

proceso.

3. Costes: determinar las áreas de mayor coste del uso de energía.

4. Carencia de datos: identificación de aquellos elementos que se necesiten más datos para su

análisis.

En el caso de las plantas se ha realizado distintas líneas de bases que ayudan a conocer el gasto

eléctrico de cada instalación. La información de históricos, obtenida a través de nuestro sistema de

monitorización y la hoja de cálculo, se debe recoger como mínimo dos años [104], con una frecuencia

determinada [111] durante el funcionamiento de la instalación ya que el consumo de energía en el

sistema es muy variable y se necesita un rango amplio para analizarlo ante diversos factores que puedan

influir en el proceso, como por ejemplo la temperatura ambiente o la humedad relativa en la torre de


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refrigeración. Hay que distinguir entre dos tipos de consumos, los que se producen durante la generación

de la planta que se llaman consumos online y los que se generan durante la parada de la planta que son

los consumos offline. Los cálculos para obtener la línea de base de cada planta son:

1. Línea de base Producción vs. Consumo online total:

díabrutaEnergíaMWh =)(Prod día [Ec. 11]

díanetabrutadía EnergíaEnergíaMWh )()(Consonline −= [Ec. 12]

donde,

Energíabruta, es la energía diaria eléctrica producida en el generador (MWh)

Energíaneta, es la energía diaria vendida a la compañía eléctrica (MWh)

Los consumos de los equipos se han dividido en dos grupos, en función del rango de su

consumo. En el primer grupo se van a encontrar los equipos que representan un mayor porcentaje del

consumo eléctrico de la planta, como son las bombas de circulación del fluido térmico, las bombas de

calderas, las bombas de alimentación, las bombas de condensados, las bombas de circulación y los

ventiladores. En el segundo grupo están los equipos de menor consumo eléctrico como las bombas de

menor tamaño, como las de circulación del circuito cerrado y circuito abierto, los compresores de aire,

los equipos del tratamiento de agua, y otros equipos que no están monitorizados, por ejemplo el aire

acondicionado de las oficinas, las luminarias, etc.

2. Línea de base Consumo online total vs. Consumo online total de los equipos de mayor

consumo, donde por un lado se tiene la ecuación 12 y por el otro:

∑= díaconsumidadía EnergíaMWh)(Cons consumomayor de iposonline_equ [Ec. 13]

donde,

Energíaconsumida, es la suma de toda la energía diaria consumida por los equipos de mayor consumo

(MWh)


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3. Línea de base Consumo online total vs. Consumo online total de los equipos de menor


díaconsumidadía EnergíaMWh ∑=)(Cons consumomenor de iposonline_equ [Ec. 14]

donde,

Energíaconsumida, es la suma de toda la energía diaria consumida por los equipos de menor consumo

(MWh)

4. Línea de base Consumo offline total vs. Consumo offline total de los equipos de mayor

consumo:

díacompradadía EnergíaMWh =)(Consoffline [Ec. 15]

díaconsumidadía EnergíaMWh ∑=)(Cons consumomayor de uiposoffline_eq [Ec. 16]

donde,

Energíacomprada, es la energía diaria comprada a la compañía eléctrica (MWh)

Energíaconsumida, es la suma de toda la energía diaria consumida por los equipos de mayor consumo

(MWh)

5. Línea de base Consumo offline total vs. Consumo offline total de los equipos de menor


díaconsumidadía EnergíaMWh ∑=)(Cons consumomenor de uiposoffline_eq [Ec. 17]

donde,

Energíacomprada, es la energía diaria comprada a la compañía eléctrica (MWh)


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Energíaconsumida, es la suma de toda la energía diaria consumida por los equipos de menor consumo

(MWh)

5.4 Desarrollo de indicadores

Una herramienta muy valiosa es la creación de indicadores que ayudan a comparar la evolución

del tiempo y si se ha producido alguna mejora. Existen los llamados “Benchmarking” que son otro tipo

de mecanismo para evaluar los procesos que no sólo permite conocer el estado de la planta sino que

también permite comparar con otras instalaciones de características similares. En el caso, que las

instalaciones tengan variaciones, este tipo de indicador podría mostrar información no valiosa y dar

lugar a errores en los análisis [105]. En el caso del análisis energético del proceso, un punto a analizar

puede ser el uso de la energía a lo largo del tiempo, el cual sería una herramienta para poder hallar los

costes de energía y consumos frente a la producción [104]. El benchmarking es fundamental para una

gestión eficaz de la energía y que permite desarrollar niveles de análisis en función de la necesidad de

cada instalación [112].

En las plantas termosolares CCP los indicadores desarrollados tienen como objetivo informar

sobre el estado global de los consumos eléctricos que se producen en la planta tanto en producción de

energía como en parada de planta, y el estado de consumo de cada equipo que está monitorizado. De

esta forma se podrá comparar entre las plantas 1 y 2, y conocer la evolución de los gastos eléctricos de

cada planta y equipo.

El primer benchmarking que se ha desarrollado sirve para comparar el porcentaje de los

consumos online totales producidos durante la generación de energía de cada planta. Este indicador es

mensual y por ello se hace el promedio mensual del acumulado del mes, es decir:

mes

díabruta

díanetabruta

mes Energía

EnergíaEnergía)

)(((%)Consonline

∑

∑ −=

[Ec. 18]

Al igual que se obtiene el porcentaje total de los consumos online, también se ha elaborado un

benchmarking con el porcentaje de los consumos online de cada equipo sobre el consumo online total, A

través de este indicador se conoce el comportamiento de los equipos de forma independiente y la


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comparación entre ambas plantas, de forma que si la evolución no es similar, se puede pasar al siguiente

plan de acción, es decir, al análisis de los rendimientos de cada equipo para saber si es coherente con lo

esperado o no.

mes

díaonline

díaequipoonline

mes Cons

Cons)((%)Cons

_

ipoonline_equ∑

∑=

[Ec. 19]

Este último benchmarking también se ha creado uno similar, pero para los consumos offline, cuyo

fin es conocer y comparar el comportamiento de los equipos durante la no generación de energía.

mes

díaoffline

díaequipooffline

mes Cons

Cons)((%)Cons

_

uipooffline_eq∑

∑=

[Ec. 20]

De la misma forma que se obtienen los indicadores mensuales, también se han realizado para el

control diario. Este benchmarking diario permite conocer de forma sencilla el consumo día tras día de la

planta y poder actuar de forma rápida y eficaz si algún indicador sobresale de su comportamiento

normal. El indicador diario creado se tiene para el porcentaje de los consumos online y offline de cada

equipo sobre el total.

∑

∑=

díaonline

díaequipoonline

día Cons

Cons _

ipoonline_equ (%)Cons

[Ec. 21]

∑

∑=

díaoffline

díaequipooffline

día Cons

Cons _

uipooffline_eq (%)Cons

[Ec. 22]

En las plantas termosolares hay que distinguir entre los tipos de consumos eléctricos distintos

debido a que el coste económico no es el mismo. Por un lado se encuentran los consumos producidos

durante la generación de energía, estos son conocidos como consumos online. El precio de los mismos

está considerado a coste solar, debido que penaliza a la producción. Por otro lado están los consumos

que se producen cuando la planta no está produciendo energía, y se llaman como consumos offline. El

coste depende del acuerdo con la compañía eléctrica a la que se le compra la energía. Por último, un

benchmarking que también es interesante para el control de cada planta, es conocer el coste económico


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que cada equipo produce diariamente. El fin de este tipo de indicador es saber de forma visual el coste

que genera cada equipo y realizar una comparación entre ambas instalaciones.

1__ipoonline_equ )(Coste_Cons energíadía

equipoonlinedía CosteConseuros ×=∑ [Ec. 23]

2__uipooffline_eq )(Coste_Cons energíadía

equipoofflinedía CosteConseuros ×=∑ [Ec. 24]

donde,

Costeenergía_1, es el precio que a la planta generadora le pagan por generación de energía (€/MW)

Costeenergía_2, es el precio que la planta generadora compra a la compañía eléctrica (€/MW)

5.5 Estudio de potenciales de ahorro

Una vez que se han identificado aquellas áreas donde se puede disminuir los consumos, hay que

realizar una evaluación económica para priorizar donde invertir para sacar mayor beneficio o acatar

primero las zonas donde el coste de intervención sea bajo, pero nos pueda suponer un ahorro en la

planta. En este estudio, una información que tiene gran importancia en el análisis de los consumos es

conocer la facturación de la energía. Esos datos se tienen a través de la tarifa a partir de la cual una

generadora de energía compra y/o vende la energía [106]. En una planta termosolar, la diferencia de

costes entre la operación de la planta y la no operación es alrededor del 69%. Una vez que se conocen

los consumos eléctricos y económicos de cada equipo y de la planta en global, el siguiente paso es llevar

a cabo un plan de acción donde se establezca un rango de prioridad según las inversiones que quiere

llevar a cabo cada planta, pero aquellas acciones que se puedan acometer bajo coste mínimo y nos

suponga una reducción de los consumos en la planta se deberían colocar como prioridad alta.

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