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ESCUELA UNIVERSITARIA DE INGENIERIA TÉCNICA INDUSTRIAL DE ZARAGOZA PROYECTO FINAL DE CARRERA AUDITORÍA ENERGÉTICA: EMPRESA DEL SECTOR CERÁMICO ALUMNO: Eliazar Herrero Gascón ESPECIALIDAD: Mecánica DIRECTORES: Javier Uche Marcuello Amaya Martínez Gracia CONVOCATORIA: Diciembre 2011 Auditoría Energética de una planta tipo de fabricación de baldosas cerámicas 1 RESUMEN El objeto de este proyecto es la realización una auditoría energética en una empresa del sector cerámico que se dedica a la principalmente fabricación de baldosas de distintos tipos. Hay que destacar que este proyecto es una parte de una auditoría energética más completa realizada por CIRCE. Dicha auditoría es llevada a cabo en las instalaciones de la empresa Gres Aragón en Alcañiz, que aporta los datos para este proyecto. En primer lugar se explica el contexto a partir del cual surge una preocupación mayor por el medioambiente y la eficiencia energética a lo largo de todo el planeta. De esta preocupación surgen políticas gubernamentales que impulsan medidas en este sentido, una de las cuales es la promoción de auditorías energéticas. En segundo lugar se muestra un informe comparativo del sector cerámico tanto en España como en el mundo. Se muestran datos que señalan la importancia de este sector dentro de nuestra economía y como está posicionado nuestro país respecto al resto de competidores. Seguidamente se aborda el tema de definir qué es una auditoria energética, explicando brevemente sus objetivos, sus fases de actuación y sus grados de complejidad. A continuación se muestra un análisis de cómo se debe abordar el caso que se trabaja para realizar una auditoría energética. Se señala principalmente cómo se consigue la base a partir de la cual se construye el resto de la auditoría. Después hay una descripción detallada del proceso de fabricación. En él se muestra tanto el equipamiento como el funcionamiento de las diversas zonas en las que se divide el proceso productivo. Finalmente se hace un análisis de consumos de combustible por equipos, el cual indica la importancia de la mejora de la eficiencia del horno. Justificado por ello se procede a realizar un examen de las pérdidas de calor que se producen en las zonas cubiertas por material refractario. Auditoría Energética de una planta tipo de fabricación de baldosas cerámicas 2 Índice 1. Contexto actual: .................................................................................................................... 4 1.1. Problemática medioambiental ...................................................................................... 4 1.2. Consumo energético del sector industrial en España ................................................... 6 1.3. Acciones de mejora de la eficiencia energética. ........................................................... 9 2. La Industria Cerámica .......................................................................................................... 11 2.1. La Industria Cerámica de azulejos y baldosas en el Mundo. ....................................... 12 2.2. La Industria Cerámica de azulejos y baldosas en España ............................................ 15 3. Concepto de “auditoría energética”: .................................................................................. 19 3.1. Fases de actuación: ..................................................................................................... 20 3.2. Tipos de auditorías energéticas: ................................................................................. 21 3.2.1. Auditoría Básica ................................................................................................... 21 3.2.2. Auditoría General ................................................................................................ 21 3.2.3. Auditoría completa .............................................................................................. 22 4. Auditoria de la empresa ...................................................................................................... 23 4.1. Diagnóstico de la situación actual de la empresa: ...................................................... 23 4.2. Recolección de datos: ................................................................................................. 23 4.3. Know How de la empresa:........................................................................................... 25 5. Proceso de fabricación de baldosas cerámicas ................................................................... 26 5.1. Preparación de las materias primas. .......................................................................... 26 5.2. Conformación de las piezas ......................................................................................... 27 5.2.1. Prensado .............................................................................................................. 27 5.2.2. Extrusión .............................................................................................................. 27 5.2.3. Secado de piezas conformadas. .......................................................................... 28 5.3. Cocción o cocciones, con o sin esmaltado. ................................................................. 29 5.3.1. Esmaltado ............................................................................................................ 29 5.3.2. Cocción de las piezas ........................................................................................... 29 5.4. Clasificación y embalado. ............................................................................................ 31 6. Descripción del proceso de fabricación de una empresa tipo ............................................ 32 6.1. Etapa de molienda ...................................................................................................... 33 6.2. Etapa de extrusión ...................................................................................................... 35 6.3. Etapa de secado .......................................................................................................... 36 6.3.1. Destonificador de bandejas ................................................................................. 36 6.3.2. Secadero túnel .................................................................................................... 37 Auditoría Energética de una planta tipo de fabricación de baldosas cerámicas 3 6.3.3. Cámaras de secado .............................................................................................. 38 6.3.4. Cámara de calentamiento. .................................................................................. 43 6.4. Etapa de esmaltado ..................................................................................................... 43 6.5. Etapa de cocción ......................................................................................................... 45 6.6. Etapa de selección ....................................................................................................... 49 6.7. Equipos mecánicos ...................................................................................................... 50 6.8. Equipos consumidores de gas natural......................................................................... 51 7. Planteamiento de las distintas áreas de análisis ................................................................. 52 8. Análisis del consumo de Gas Natural .................................................................................. 53 9. Estudio localizado de pérdidas en refractarios del horno .................................................. 55 9.1. Temperatura exterior del Horno ................................................................................. 56 9.2. Configuración de los aislantes ..................................................................................... 63 9.3. Curva de Temperaturas del horno .............................................................................. 66 9.4. Conductividad térmica (W/m*K) de los materiales del horno ................................... 69 9.5. PÉRDIDAS DE CALOR EN EL HORNO ............................................................................ 71 9.5.1. PÉRDIDAS PAREDES HORNO ................................................................................ 73 9.5.2. PÉRDIDAS TECHO HORNO ................................................................................... 74 9.5.3. PÉRDIDAS VAGONETAS HORNO .......................................................................... 75 9.6. Resumen pérdidas en el horno ................................................................................... 76 10. Conclusiones.................................................................................................................... 78 11. BIBLIOGRAFÍA .................................................................................................................. 84 Auditoría Energética de una planta tipo de fabricación de baldosas cerámicas 4 1. CONTEXTO ACTUAL: 1.1. Problemática medioambiental Hoy en día, en el mundo hay una creciente preocupación por el cuidado del medio ambiente. Como gran tema de debate de esta preocupación está el cambio climático en el que un grupo de gente cree que están ocurriendo cambios a lo largo de todo el planeta en los que se denomina “calentamiento global”. Por otro lado está el grupo que defiende que son cambios ajenos a la actividad humana o que realmente no se están ocurriendo dichos cambios. Para comprobar qué es lo que realmente está sucediendo debemos acudir a datos objetivos y comparables a periodos anteriores. Según datos de la NASA las masas de hielo del ártico que sobreviven a los veranos sólo son ahora un 10 por ciento del total mientras que hasta 1990 eran de entre un 30 a un 40 por ciento. Además dicha agencia toma parte activa en la investigación de cómo está disminuyendo la extensión de ambos polos. Figuras 1 y 2. Situación del Ártico en verano. A la izq 1979, a la drcha. 2003 Por otro lado podemos encontrar numerosas pruebas de una elevación de las temperaturas a través de la evolución de los glaciares. A lo largo de todo el planeta nos encontramos el mismo panorama: glaciares que cada año retroceden más y más. Es tal la magnitud de este hecho que podemos encontrar medios de comunicación habituales haciendo eco de este hecho. Como dato cabe destacar que se estima que el Kilimanjaro (la montaña más alta de África con 5891,8 m) pueda llegar a perder su masa de hielo y nieve en 20 años. Auditoría Energética de una planta tipo de fabricación de baldosas cerámicas 5 En respuesta a este suceso mundial los países desarrollados en el marco de la ONU crearon el Protocolo de Kioto para realizar una acción conjunta destinada a disminuir las emisiones contaminantes causantes del calentamiento global. En este tratado los países firmantes se comprometían a disminuir entre un 7% y un 8% (habiendo excepciones) sus emisiones respecto a niveles de 1990. Estados Unidos siendo uno de los principales países contaminantes no ha ratificado el protocolo. Auditoría Energética de una planta tipo de fabricación de baldosas cerámicas 6 1.2. Consumo energético del sector industrial en España La situación y evolución de las emisiones contaminantes de nuestro país según datos del INE (Instituto Nacional de Estadística) es la siguiente: El consumo energético de las empresas industriales alcanzó la cifra de 9.682 millones de euros en el año 2009. Este dato supone un descenso del 11,8% respecto al registrado en 2007, último año del que se tienen datos. Los principales productos energéticos utilizados por las empresas industriales fueron la electricidad (54,2% del total), el gas (27%) y los productos petrolíferos (13,7%). En la siguiente tabla se muestra con más detalle los datos de consumo por energías: Tabla 1. Distribución de los consumos energéticos en la industria Como indica la siguiente tabla, hay una disminución general del consumo energético en todos los sectores industriales, la única excepción es la del sector de Alimentación, bebidas y tabaco. De los sectores que han conseguido disminuir sus gastos destacan el de Industrias extractivas y el de Industria textil, confección, cuero y calzado. Auditoría Energética de una planta tipo de fabricación de baldosas cerámicas 7 Tabla 2. Evolución de los consumos energéticos por principales ramas de actividad. En cuanto a los datos de volumen de consumo, las agrupaciones de actividad con mayor consumo energético en el año 2009 fueron Metalurgia y fabricación de productos metálicos (con el 21,1% del total), Alimentación, bebidas y tabaco (17,2%), Productos minerales no metálicos diversos (15%) e Industria química y farmacéutica (14,9%) La distribución del gasto por sectores se muestra en el siguiente gráfico: Tabla 3. Porcentaje de gasto energético por sector. El sector objeto de nuestro estudio (Productos minerales no metálicos) supone un 15% del consumo total de la industria y por lo tanto adquiere una gran importancia a nivel nacional para conseguir los objetivos nacionales de eficiencia energética y sostenibilidad. Auditoría Energética de una planta tipo de fabricación de baldosas cerámicas 8 Si además atendemos al tipo de energía utilizada en sectores más definidos,eEl sector de Fabricación de productos cerámicos para la construcción es el que mayor porcentaje de gás utiliza como fuente de energía siendo casi del 70% como se observa en la siguiente tabla: Tabla 4. Sectores con mayor uso porcentual de gas. En resumen, el sector al que pertenece la empresa de estudio es uno de los principales consumidores de energía del país, además la gran mayoría de esa energía consumida es en forma de gas. También se muestra un descenso del consumo de energía por parte de este sector y de casi todos los demás. (Encuesta de Consumos Energéticos de 2009, INE. 2011) Auditoría Energética de una planta tipo de fabricación de baldosas cerámicas 15 2.2. La Industria Cerámica de azulejos y baldosas en España La industria española de baldosas representa el 14% de la producción mundial y un 37% en el ámbito de la Unión Europea. La producción de en el año 2009 fue de 324,4 millones de m2 con una estimación de ventas totales de 2.591 millones de euros. Un dato importante es la importancia del consumo nacional en este sector (sobre el 30% - 40%). Por otro lado La exportación se realiza a 182 países con un valor de 1.673 millones de euros. Estas cifras están muy por debajo de las que se daban en años anteriores debido a la crisis especial que sufre el sector de la construcción y a la depreciación del Dólar frente al Euro. A pesar de la crisis vemos que tan solo las ventas directas del sector (sin tener en cuenta proveedores de materias primas, servicios, etc.) ya suponen la generación de negocio de un nivel económico elevado y digno de ser apreciado. De la facturación global, el 65% corresponde a exportaciones y el resto de las ventas se destinan al mercado nacional. El sector cerámico español es una industria estratégica en la economía española, aportando un claro superávit comercial al conjunto del país. Su gran capacidad exportadora la sitúan entre los doce mayores exportadores de España y es la segunda industria que mayor superávit aporta a la balanza comercial de España. En la siguiente tabla se muestra una relación datos de producción y ventas. 2.003 2.004 2.005 2.006 2.007 2.003 2.009 Producción (m2) 583,4 595,5 609,2 608,4 584,7 495,2 324,4 Ventas España (mill €) 1.379 1.500 1.609 1.799 1.871 1.460 918 Ventas Exportaciones (mill €) 1.939 1.977 2.041 2.183 2.295 2.211 1.673 Ventas totales (mill €) 3.318 3.477 3.650 3.982 4.166 3.671 2.591 Tabla 5. Relación de producción y ventas del sector cerámico español en los últimos años. Auditoría Energética de una planta tipo de fabricación de baldosas cerámicas 16 Figura 4. Gráfica de la producción y ventas del sector cerámico español. Una de las principales características del sector azulejero español es la alta concentración geográfica de la industria en la provincia de Castellón, en especial en el área delimitada al norte por Alcora y Borriol, al oeste por Onda, al sur por Nules y al este por Castellón de la Plana. La proximidad geográfica de las empresas permite la interrelación entre ellas, acumulación y desarrollo de conocimientos así como de servicios de apoyo comunes. Aproximadamente el 90% de la producción nacional en 2010 tuvo origen en esta provincia, donde se ubica el 80% de las empresas del sector. En su conjunto, se estima que el sector cerámico español daba empleo directo en 2010 a unos 16.200 trabajadores en empresas las que, en su mayoría (alrededor del 90%), el número de trabajadores es inferior a los 250, es decir, se podrían considerar Pymes. 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 2.003 2.004 2.005 2.006 2.007 2.003 2.009 Producción y ventas anuales del sector Producción (m2) Ventas España (mill €) Ventas Exportaciones (mill €) Ventas totales (mill €) Auditoría Energética de una planta tipo de fabricación de baldosas cerámicas 17 La distribución de empresas del sector en la geografía española se muestra en la siguiente tabla: Provincia Número de Empresas Castellón 120 Barcelona 8 Valencia 3 Zaragoza 2 Madrid 1 Teruel 1 Alicante 1 Córdoba 1 Gerona 1 Tabla 6 Distribución geográfica de las empresas del sector en España. Figura 4. Gráfico circular de la distribución geográfica de las empresas del sector en España. Distribución geográfica de las empresas Castellón Barcelona Valencia Zaragoza Madrid Teruel Alicante Córdoba Gerona Auditoría Energética de una planta tipo de fabricación de baldosas cerámicas 18 Pero esta importancia va más allá de estos datos y no debe ser limitada a los empleos directos que genera la producción de cerámica, sino que hay que tener muy en cuenta todo el volumen de negocio que se genera a partir de esta industria: proveedores de materias primas, esmaltes, transportes, maquinaria y servicios de mantenimiento, asesorías, consultorías, seguros, empresas de comunicación, periódicos sectoriales, hoteles, ferias y un largo etcétera que de manera más o menos directa se benefician de la riqueza generada por este sector y más si tenemos presente la concentración de la mayoría de empresas en una sola provincia. Auditoría Energética de una planta tipo de fabricación de baldosas cerámicas 19 3. CONCEPTO DE “AUDITORÍA ENERGÉTICA”: Se entiende por “auditoría” un examen de una entidad (empresa, institución, organización, etc.) en el cual se analizan los aspectos deseados y se realiza una valoración sobre las posibles mejoras a implantar. La Directiva 2006/32/CE define el término de auditoría energética del siguiente modo: “Procedimiento sistemático para obtener conocimientos adecuados del perfil de consumo de energía existente de un edificio o grupo de edificios, de una instalación industrial y/o de un servicio privado o público, determinar y cuantificar las posibilidades de ahorro de energía rentables y elaborar un informe al respecto”. Además de analizar los aspectos internos es necesario tener en cuenta los aspectos externos relacionados con la temática de la auditoría. Sobre todo se debe conocer el marco legal y normativo del campo en el que se trabaja. También es aconsejable seguir los documentos de referencia del sector. En el caso de una auditoría energética el análisis se hace sobre los consumos energéticos. Dependiendo del tipo de procesos a estudiar habrá que dar mayor importancia a uno u otro tipo de energía. Por ejemplo, en el sector de la automoción es de vital importancia la conservación de la energía mecánica producida por el motor con sistemas de transmisión eficientes. En el sector petrolero hay que mantener la calidad de los productos para que no pierdan parte de la energía química almacenada. En la producción de energía eléctrica tanto la producción de electricidad como su distribución las deficiencias pueden tener unos pérdidas que repercutan económicamente en todos los sectores. En el caso estudiado la energía térmica es la protagonista, la energía a estudiar. Auditoría Energética de una planta tipo de fabricación de baldosas cerámicas 20 Los beneficios alcanzables en una auditoría son:  Optimización del consumo energético y su consecuente ahorro de costes.  Aumento del tiempo de vida de los equipos. Al trabajar en condiciones adecuadas los equipos tendrán mayor longevidad  Mejora de la competitividad de la empresa al reducirse los costes.  Ayuda a la conservación del medio ambiente al no consumir más energía de la necesaria y disminuir las emisiones de gases a la atmósfera. Esto ayuda también a mejorar la imagen de la empresa.  Analizar la posibilidad de instalar energías renovables.  Conocer la situación energética actual, así como el funcionamiento y eficiencia de los equipos e instalaciones. Este conocimiento puede ser reaprovechado para una posterior auditoría en el momento en que nuevas tecnologías o subvenciones permitan mejorar las instalaciones. Como resultado de la auditoría se evitarán las propuestas generalistas, particularizándolas y cuantificándolas para las características concretas de la empresa auditada. 3.1. Fases de actuación: La auditoría energética se desarrollará siguiendo tres fases de actuación: 1. Fase de diagnóstico de la situación actual: análisis de la situación actual de la instalación que se pretende auditor, caracterizando el tipo de empresa, su situación y entorno, los suministros energéticos y los sistemas consumidores de energía. 2. Fase de desarrollo: incluye mediciones de los principales parámetros y análisis de documentación, datos y estudio de mejoras. 3. Fase final: incluye la redacción del informe técnico y económico de auditoría con la situación prevista, aportando las mejoras necesarias para conseguir su optimización energética, económica y medioambiental. Auditoría Energética de una planta tipo de fabricación de baldosas cerámicas 21 3.2. Tipos de auditorías energéticas: El término auditoría energética es comúnmente utilizado para describir un amplio espectro de estudios energéticos que van desde un rápido paseo a través de un procedimiento para identificar los principales problemas; a un análisis exhaustivo de las implicaciones de otras medidas de eficiencia energética suficientes para satisfacer los criterios financieros solicitados por los inversores. Tres programas comunes de auditoría se describen en mayor detalle a continuación, aunque las tareas realizadas y el nivel de esfuerzo puede variar con el consultor que presta servicios en virtud de estos grandes apartados. La única manera de garantizar que una propuesta de auditoría que satisfaga sus necesidades específicas es precisar los requisitos detallados en un ámbito de trabajo. 3.2.1. Auditoría Básica Este tipo de auditoría es el más simple y más rápido. Se trata de un mínimo de entrevistas con el personal de operación, una breve reseña de las instalaciones, de facturas de servicios públicos y otros datos de explotación. Es aconsejable un examen de las instalaciones para familiarizarse con el proceso productivo y el lugar de trabajo para identificar cualquier zona de desperdicio de energía o de ineficiencia. Típicamente, sólo las principales áreas problemáticas se descubren durante este tipo de auditoría. Las medidas correctivas se describen brevemente, y rápida aplicación de estimaciones de costos, el potencial de ahorro de costes de explotación, simple y períodos de amortización. Este nivel de detalle, aunque no suficiente para llegar a una decisión final sobre la ejecución de un proyecto de medidas, es suficiente para dar prioridad a proyectos de eficiencia energética y para determinar la necesidad de una auditoría más detallada. (Albert Thumann, 1998). 3.2.2. Auditoría General La auditoría general se expande sobre el anteproyecto de auditoría que se ha descrito anteriormente mediante la recopilación de información más detallada sobre la instalación y operación de realizar una evaluación más detallada de medidas de conservación de energía. Facturas de servicios públicos se recogen por 12 a 36 meses para permitir que el auditor pueda evaluar la instalación, la demanda de energía y las Auditoría Energética de una planta tipo de fabricación de baldosas cerámicas 22 tasas de uso según perfiles de energía. Si estos datos están disponibles, los perfiles de gasto creados ayudaran a analizar el consumo de energía y detectar los derroches de ésta. Suelen ser tomadas mediciones adicionales de consumos de energía de sistemas específicos para completar la información ya obtenida. También se llevan a cabo entrevistas en profundidad con el personal de operación de las instalaciones para proporcionar una mejor comprensión de los principales gastos de energía y para conocer los patrones de consumo de energía a corto y largo plazo. Este tipo de auditoría será capaz de identificar todas las medidas de conservación de la energía adecuadas para la instalación, en función de sus parámetros de funcionamiento. Un análisis financiero detallado se realiza para cada una de las medidas propuestas basado en los costes detallados de implementación, ahorro de costes producido por cada medida, y el criterio de inversión del cliente. Se presentan suficientes detalles como para justificar la ejecución del proyecto. (Albert Thumann, 1998). 3.2.3. Auditoría completa En la mayoría de las empresas los ajustes o actualizaciones a una instalación energética deben competir por la financiación con capital no relacionados con las inversiones en energía. Tanto la energía consumida y la energía a ahorrar deben ser evaluados con un criterio financiero y para esto en los proyectos de mejoramiento y eficiencia energética se utiliza la tasa de retorno de la inversión (TIR) para evaluar la conveniencia de la inversión. El ahorro proyectado de funcionamiento de la aplicación de proyectos de energía debe desarrollarse de tal manera que proporcione un alto nivel de confianza. De hecho, los inversores a menudo demandan un ahorro garantizado. La auditoría completa se expande sobre la auditoría general descrita anteriormente. Se realiza un estudio ingenieril completo sobre los detalles técnicos y económicos necesarios para justificar la inversión en las mejoras propuestas. (Albert Thumann, 1998). Auditoría Energética de una planta tipo de fabricación de baldosas cerámicas 23 4. AUDITORIA DE LA EMPRESA 4.1. Diagnóstico de la situación actual de la empresa: El primer paso a realizar en una auditoria es comprender el proceso productivo de la propia empresa. Es de vital importancia saber cómo y por qué se realiza cada uno de los procesos. Además es conveniente saber cuál es el objetivo final de la empresa con sus productos (ofrecer calidad, bajos precios, diseño especial), saber sus debilidades y fortalezas frente a sus competidores de mercado. Gracias a este paso se podrán interpretar mejor los datos aportados por la empresa y se podrá decidir mejor cuales son las vías de actuación para mejorar la fabricación. 4.2. Recolección de datos: Una vez se sabe cómo funciona el proceso de producción se deben recopilar todos los datos que creemos necesario para poder hacer un análisis de consumos energéticos. Además estos datos ayudan a entender mejor el funcionamiento de todos los procesos al poder asignar números a cada uno de los procesos. Los tipos de datos serán los siguientes: • Facturas de consumo de Energía. • Fichas de consumo energético por equipo. • Ficha técnica de los equipos. • Datos de reaprovechamiento de la energía • Demanda energética a lo largo de cada proceso. Además puede haber cualquier otro tipo de dato que resulte interesante y deberemos tenerlo en cuenta. Por otro lado al recopilar datos podemos encontrarnos numerosos problemas: • Imposibilidad de medir un dato: Puede ocurrir que un dato de consumo o de flujo no se pueda medir por falta de un sensor que lo indique o por las características del equipo. Las soluciones son la instalación de un Auditoría Energética de una planta tipo de fabricación de baldosas cerámicas 24 equipo de medición o la estimación según datos de otros equipos similares y otros datos que nos puedan ayudar. • Datos medidos erróneamente: Un equipo de medición o una empresa externa que realice mediciones (por ejemplo, emisiones) pueden cometer errores con el consiguiente problema de análisis del proceso. • Datos con altas variaciones en el tiempo: En procesos que requieren gran cantidad de calor los datos de consumo varían según la meteorología, habiendo una diferencia notable según sea invierno o verano. Por otra parte la producción de un día puede ser completamente diferente a otro y así todos los demás datos. Otro tipo de datos de vital importancia son los condicionantes, ya que son factores esenciales que no pueden ser evitados. En general los condicionantes que nos podemos encontrar a la hora de buscar soluciones son: • El presupuesto: La inversión que está dispuesta a realizar la empresa condiciona totalmente la auditoría. • Requisitos de subvención: El cumplimiento de dichos requisitos es algo esencial para recibir la subvención. • Cumplimiento de la normativa: El cumplimiento de normativas es obligatoria, ya sea en cuanto a seguridad, prevención, contaminantes, etc. Su incumplimiento puede provocar multas nada deseables. • Distribución de las instalaciones: Los diferentes equipos y su situación puede provocar que algunas mejoras sean más difíciles y costosas de implementar que otras. Auditoría Energética de una planta tipo de fabricación de baldosas cerámicas 31 5.4. Clasificación y embalado. Por último con la etapa de clasificación y embalado finaliza el proceso de fabricación del producto cerámico. La clasificación se realiza mediante sistemas automáticos con equipos mecánicos y visión superficial de las piezas. El resultado es un producto controlado en cuanto a su regularidad dimensional, aspecto superficial y características mecánicas y químicas. El operario se encarga de realizar una inspección visual y mediante la ayuda de sensores le permiten clasificar las diferentes baldosas usando marcas que se realizan usando tinta no visible y mediante sensores. Posteriormente se forman el grupo de baldosas en la apiladora para luego proceder al empaque mediante una máquina que usa los cartones diseñados para este fin. (Información procedente de ASCER, Asociación Española de Fabricantes de Azulejos y Pavimentos Cerámicos.) Auditoría Energética de una planta tipo de fabricación de baldosas cerámicas 32 6. DESCRIPCIÓN DEL PROCESO DE FABRICACIÓN DE UNA EMPRESA TIPO La empresa escogida su estudio consta de 3 plantas diferentes. Dos están ubicadas en los mismos terrenos y otra se encuentra en otra localidad cercana. La situación económica actual hace que su producción esté por debajo de la mitad de su capacidad. Su producción se centra en la de mayor capacidad (3600 m 2 /dia) que se encuentra junto a otra planta que apoya su producción cuando la primera no tiene capacidad para ello. El reparto de los espacios de trabajo dentro de la nave de fabricación de gres cerámico puede verse en la siguiente figura, correspondiente a la planta de la nave industrial y sus principales focos de emisión (Fx). Figura 7. Planta de la nave industrial La planta de produce gres cerámico natural y esmaltado con multitud de formatos posibles. Consume arcillas (pasta roja) para su fabricación, dedicadas al uso como pavimentos y revestimientos. Como se ha indicado, la producción diaria media es de 3.600 m 2 , gracias a un horno túnel de gran capacidad que opera las 24 horas del día. Auditoría Energética de una planta tipo de fabricación de baldosas cerámicas 33 No obstante, la demanda de gres cerámico basado en pasta roja no servida por planta de estudio se nutre actualmente con la puesta en marcha en días puntuales de la planta adyacente, cuyo producto de salida es el gres porcelánico (línea técnica de piscinas). Su capacidad productiva es de 1,500 m 2 /día, con lo que suple el actual 5% de producción adicional con respecto a la obtenida la planta de estudio que es la tónica de pedidos durante el año 2011. En los siguientes subapartados se realizará una breve descripción del proceso completo de fabricación del gres cerámico la planta, apoyado en la información que han suministrado la empresa y CIRCE. 6.1. Etapa de molienda En esta primera etapa de la nave, separada físicamente del resto de la nave y de una mayor altura útil, las materias primas llegan a los silos correspondientes (chamota, arcilla, cascote, etc) a través de las cintas transportadoras de la planta de molienda sita en la nave anexa, donde se les añade agua y se mezcla homogéneamente en un molino de ruedas troncocónicas. Figura 8.Alimentación por la cinta transportadora de la materia prima y de un silo de arcilla Auditoría Energética de una planta tipo de fabricación de baldosas cerámicas 34 Cada silo tiene su propia alimentadora a la cinta principal de recogida para la molienda. En la mezcla se añaden, entre otras materias primas, sulfato de yeso y, en el caso del esmaltado, es necesario añadir carbonato de Bario (BaCO 3 ) para favorecer la migración a la superficie de sales. La dosificación está controlada automáticamente, tal y como puede verse en la siguiente pantalla del sistema de control. Figura 9. Detalle del control de la dosificación en la etapa de molienda. Por otra parte, el alimentador dosifica según el nivel de la máquina una cantidad continua para las dos líneas de extrusión de la arcilla para formatear las piezas de gres cerámico. Figura 10. Dosificación arcilla mezclada hacia extrusión. Auditoría Energética de una planta tipo de fabricación de baldosas cerámicas 35 6.2. Etapa de extrusión La nave cuenta con dos máquinas idénticas que realizan, primero a través de los moldes adecuados y después de un hilo, el formato y corte adecuado para tipo de producto especificado en la orden de fabricación. La extrusión se produce con un porcentaje medio del 16% de humedad (en masa), que luego se minimizará en el proceso de secado previo al horneado. La siguiente figura muestra un detalle de una extrusora de la nave. Figura 11. Detalle del molde de la extrusora y fabricación de lingote de barro para piezas especiales. Además de la fabricación de los formatos extruidos, se obtienen los lingotes macizos de pasta roja para realizar posteriormente los productos prensados y conformados por medio de sus respectivos moldes. Este tipo de producto queda fuera de la línea automatizada del secado-horneado, denominándose serie manual. El producto extruido se organiza en fila de 20/24 piezas y estas se cargan sobre unas bandejas con capacidad para 4/5 filas en función de las dimensiones del formato extruido. Las bandejas cargadas con las filas se colocan sobre unos carros de secado. Estos carros tienen una capacidad de entre 7-9 bandejas, dependiendo de la altura del formato (generalmente 25x25 o 33x33). Auditoría Energética de una planta tipo de fabricación de baldosas cerámicas 36 6.3. Etapa de secado La etapa de secado permite reducir la humedad de la pasta roja antes de entrar al horneado definitivo que da la textura final inalterable a las incidencias climáticas del gres cerámico, además de permitir la fijación de los tonos más adecuados a las tendencias estilísticas del momento. En la planta, hay realmente 4 cámaras de secado diferenciadas, en las cuales la pasta nunca pasa por todas ellas. Se decriben brevemente a continuación 6.3.1. Destonificador de bandejas Constituye un secado rápido después de la extrusión para el producto natural con aire caliente a 35-38ºC respectivamente para los formatos 33x33 y 25x25 durante 20 minutos. Con este secado superficial, se consigue que las sales de la materia prima migren a la superficie. El resultado final es una superficie flameada con distintos tonos, característica imprescindible en formato rústico. En el producto esmaltado se pasa por la cámara pero sin aportación de calor, es sólo transporte. La siguiente figura muestra un detalle de esta cámara con las bandejas de carga previas. Figura12. Detalle de la cámara del destonificador de bandejas. En esta cámara caben 9 bandejas en 3 planos. El control del aire caliente (proveniente del horno y mezclado con aire frío) que alimenta la cámara proviene del ventilador. Auditoría Energética de una planta tipo de fabricación de baldosas cerámicas 37 Tras esta cámara, se cargan de nuevo los carros hacia el túnel de destonificado. Cuentan con varias posiciones para las bandejas: caben 10 bandejas para el formato 25x25 y 8 bandejas para el formato 33x33. 6.3.2. Secadero túnel El carro pasa tras el secado rápido anterior por el secadero túnel de destonificado durante 1 o 2 horas, alimentado por aire caliente a 40 y 50ºC para los formatos de 33x33 y 25x25 respectivamente. Al igual que en la cámara de bandejas, para el producto natural se espera a que esté todo cargado y se le aplica el calor previamente mencionado. Sin embargo, para el producto esmaltado, se carga y se pasa directamente a la cámara de secado: cuanto antes entre en la cámara de secado mejor, ya que en este caso se quiere evitar el migrado de sales. En el esmaltado se añade precisamente carbonato de bario (BaCO 3 ), porque si existe fondo de sales en la superficie, se empeora considerablemente la adherencia del esmalte y queda un mal acabado con alta probabilidad de rechazo posterior. En esencia, el secadero túnel es idéntico en su morfología y funcionamiento a un secadero, por tanto su descripción se remite a este equipamiento. Al igual que los secaderos, consume gas natural en ocasiones puntuales. El inconveniente para evaluar su rendimiento energético reside en la inexistencia de la medición del consumo individual del mismo, ya que se computa de forma conjunta con el consumo de las cámaras de secado 1-3. En todo caso la temperatura de trabajo es mucho menor que en dichas cámaras, lo que redunda en su menor consumo estimado. La figura siguiente muestra el secadero túnel vacío con el elemento de suministro energético, los ventiladores troncocónicos habilitados. Auditoría Energética de una planta tipo de fabricación de baldosas cerámicas 38 Figura 13. Secadero túnel. Detalle del movimiento de carros. El transporte hacia las cámaras de secado se realiza de la siguiente forma. Para la carga a secadero, existen 2 vías, 5 carros por vía. En cada cámara de secado se admite un máximo de 10 carros. 6.3.3. Cámaras de secado Las cámaras de secado confieren a la pieza un porcentaje en masa inferior al 1% en humedad, gracias al consumo de aire caliente (AC) proveniente del aire de enfriamiento del horno túnel, o bien del apoyo de los quemadores de gas natural de 500 kW de potencia que actúan en caso necesario, para mantener adecuadamente la curva de secado prevista para cada producto. La forma de carga de una cámara de secado es tal que espera a que esté completamente llena. Un carro tiene una capacidad de carga de 150 m 2 , con lo que 10 carros suponen una producción de 1500 m 2 independientemente del formato utilizado. En relación a la capacidad de las vagonetas del horno túnel, éstas cuentan con una autonomía de 100 m 2 . El carro es de base de material metálico. Sin embargo, la vagoneta es el vehículo que atraviesa el horno y su base es de material refractario para soportar la temperatura del interior del horno (casi 1.300ºC). Como la producción diaria es de 3600 m 2 y está fijada por la producción continua del horno, es necesario tener al menos 2 cámaras de secado en funcionamiento diariamente, de las 6 cámaras existentes (+1 de reserva no operativa). En cuanto a la dinámica de los turnos de Auditoría Energética de una planta tipo de fabricación de baldosas cerámicas 39 secado, suele haber 2 cámaras secando, una entrando y otra saliendo. La figura siguiente muestra una foto de la misma. Figura 14. Cámara de secado. Carril de entrada y detalle entrada aire caliente. El funcionamiento de la cámara es como precede. Se llena y se cierra. En cuanto a los ciclos y consignas de temperatura, para los formatos que suman el 85% de la producción (33x33 y 25x25), son éstos respectivamente: • 29 y 24 h. hasta llegar a 78ºC en natural, 1 % humedad. • ídem hasta llegar a 100ºC en esmaltado, 0.7 % humedad. Para el resto de las piezas (esquinas, peldaños, laterales, zanquines, etc.), el tiempo es superior, hasta unas 48 horas. Si dentro del secadero hay 10 carros con distintos productos, el ciclo de secado queda definido por el más exigente (el resto salen demasiado “secos” sin razón aparente). El tipo de producto de la vagoneta 5ª del primer tren fuerza la curva de secado de las 10 vagonetas de cada cámara de secado, aunque el producto salga más seco de lo necesario. La temperatura máxima alcanzada en el proceso de secado es de 120ºC para las piezas más pequeñas. En ocasiones parte del calor que proporciona el horno se tira por la chimenea de la nave ya que no hay suficiente demanda de calor tanto en el secadero de cámaras como en el túnel y en el destonificador de bandejas. El control del aire de secaderos es idéntico para cámaras de secado, secadero túnel y cámara de calentamiento. Todos cuentan con una gran una caja de aire en la parte superior de la cámara que cuenta con varias entradas, una por lado: aire ambiente, aire caliente del horno, aire recirculado, ventilador impulsión y mechero. La salida de aire hacia los ventiladores Auditoría Energética de una planta tipo de fabricación de baldosas cerámicas 40 troncocónicos es lateral, y luego existe la aspiración por ventiladores axiales, que mantienen una depresión constante. Los ventiladores de impulsión y troncocónicos siempre funcionan al régimen máximo, sin embargo los axiales y el de impulsión del destonificador de bandejas si tienen variador de frecuencia (VF). La figura siguiente muestra una disposición de las entradas de aire en dichas cámaras según el sistema de control existente. En secaderos existen consignas programadas de temperatura y de humedad relativa a cada serie de formatos de gres cerámico en catálogo. Generalmente, es complicado mantener a la consigna deseada temperatura y humedad, por lo que se elige mantener la temperatura, aunque obviamente están relacionados. A continuación se muestra una captura de pantalla del control de las cámaras de secado, secadero túnel y destonificador. En ella se muestran datos de humedad relativa, temperatura y apertura de válvulas de recirculación, aire de horno, aire ambiente, ventilador impulsión y mechero. Auditoría Energética de una planta tipo de fabricación de baldosas cerámicas 47 En cuanto a los perfiles de temperatura en el horno para cada línea de producto, existe un set point en cada zona del horno (T máx =1275 ºC), pero dicho perfil de temperaturas del horno depende tan sólo esencialmente de la materia prima a cocer, y el 95% del material producido es de idéntico origen. El restante 5% de la producción es un tipo de arcilla de baja temperatura, 1.150ºC de T máx . En las vagonetas, los formatos específicos de menor peso (1 ton) con respecto al formato normal (3,2 ton de formatos 33x33 y 2,5 ton de formatos 25x25) provocan alteraciones en las curvas del horno, con lo que nunca se intercalan 2 vagonetas seguidas de formatos especiales. Cuando se introducen manualmente, la colocación automática deja a veces 2/3 filas para colocación manual. En todo caso la vagoneta vacía pesa 2,5 ton, con lo que el cambio de formato no provoca variaciones en la rampa térmica, pero si cuando hay series especiales (listelos, zanquillos, bordes, …). Dentro del horno, se trabaja con empuje hidráulico (2 empujes, que trabajan alternativamente). La presión debe ser constante en el carro de secado: uno empuja, el otro espera. De esta forma nunca se separan los carros. En los laterales un sistema mixto de laberintos y cierre con arena hacen un sello total, en la parte inferior la vagoneta, que conforma la pared, no se debería sobrepasar los 100ºC la temperatura. Los quemadores atacan por encima y debajo a la pasta, y las vagonetas cuentan con un refractario de alta temperatura. Una vez la pasta ha alcanzado el punto de cocción adecuado, es necesario su enfriamiento previo a su salida como producto de venta. El horno cuenta con tres zonas diferenciadas de enfriamiento de la pasta: un primer enfriamiento rápido de la pasta tras su temperatura máxima con toberas de aire frío impactado perpendicularmente con la pasta, un enfriamiento lento (indirecto a través de un intercambiador de tubos) para permitir la transformación alotrópica del cuarzo  (hacia los 573ºC) sin tensiones en la baldosa, y un enfriamiento final de nuevo con toberas hasta enfriar la pasta hasta unos 40ºC, en condiciones de ser manipulada manualmente por los operarios sin riesgo de accidente. Las dos fotos anejas muestran las zonas de enfriamiento del horno túnel, y la chimenea de aspiración del aire caliente formado que será reutilizado en los secaderos de cámaras de la etapa 4.3. Auditoría Energética de una planta tipo de fabricación de baldosas cerámicas 48 Figura 23. Zona de enfriamiento indirecto y final del horno túnel: toberas y chimenea para reuso del calor residual en secaderos. Por otra parte, dentro de un reducido margen puede variarse el ciclo temporal del horno. Si aumenta el tiempo de residencia dentro del horno, debe disminuirse la temperatura de trabajo para no “chamuscar” la pieza. Cada curva de temperatura exige adaptar la tipología de engobes y esmaltes para esas condiciones de cocción. El consumo medio del horno túnel en la operación diaria actual para formato 33x33 es de 435 Nm 3 /h, y de 350 Nm 3 /h para el formato 25x25, de media diaria 8600 Nm 3 /h, y el de secado para un formato 15x15 fue de 219 Nm 3 /h. En arranques en frío se llegan a los 600 Nm 3 /h, no más. Es por tanto importante desconfiar de los listados de consumo en los días de arranque, que proporcionan consumos desmesurados de gas natural sin justificación plausible. Finalmente, recordar que el horno túnel está operativo durante 11 meses al año las 24 horas del día. Sin embargo, Las líneas de molienda, extrusión y selección no son continuas: 2 turnos x 7dias/semana, sin embargo los hornos trabajan las 24h cuando hay demanda de pedidos. Auditoría Energética de una planta tipo de fabricación de baldosas cerámicas 49 6.6. Etapa de selección Una vez las vagonetas salen del horno (a una velocidad ínfima de 105 m/día o bien 82 mm/min), se realiza el transporte hacia la zona de selección. Existe la posibilidad de separar vagonetas hacia la zona de selección manual para inspección de piezas o para su colocación independiente. En su funcionamiento normal, una máquina descarga desde el carro a la bandeja con una pinza cartesiana que coloca las filas. En la zona de selección, hay dos líneas separadas que separan las baldosas (las de formato 25x25 y 33x33 respectivamente). Primero se colocan horizontales, después se les cortan los lapiceros (separación de nervios de barro de dos baldosas colocadas verticales en el horno túnel y extrusionadas ya de esta forma) con un corte por golpeo preciso. Después, se le da la vuelta a una de ellas para eliminar los lapiceros, y luego se inspeccionan para posible rechazo. Las buenas suponen más del 90% del producto como norma general, llegando hasta un 20-22% el porcentaje en masa de rechazo+cascote (lapiceros). Finalmente se empaquetan en cajas para ser llevadas a almacén de venta. La figura siguiente agrupa varias fotos interesantes relativas al proceso de selección, que cuenta con un elevado grado de automatización mecánico. Figura 24. Zona de selección: colocación horizontal, corte de lapiceros y volteo de la 2º fila. Auditoría Energética de una planta tipo de fabricación de baldosas cerámicas 50 6.7. Equipos mecánicos En el trasiego de las piezas cerámicas desde la etapa de molienda hasta la de selección, hay gran cantidad de equipos mecánicos que permiten su movimiento, y colocación con elevada precisión y sin caídas reseñables de las piezas. Un resumen de las instalaciones de alto consumo eléctrico, sin considerar la iluminación de la planta, es el siguiente (datos técnicos se añaden en el anexo adjunto): • Novokeram: corresponde a los equipos de los secaderos (foco de emisión F1+F2+F3. Las turbinas troncocónicas, así como el ventilador de impulsión de los secaderos no cuentan con VF y trabajan a caudal máximo constante. La potencia instalada es de 200 kW. Los consumos medios pueden desviarse realizando la media ponderada para las 6 cámaras. • Zona común trabajadores (foco emisor F7): vestuarios, pasillos, comedor… • Edificio auxiliar, contiene donde están los compresores, compensación de condensadores y demás no aparece en el plano (punto del foco emisor F9 en el plano). • Muenstermann: equipamiento para permitir por empuje de pistones hidráulicos el movimiento de vagonetas (25 kW) • Forgestal: permiten la limpieza de las vagonetas (volteo y cepillado) evitando así el pegado del esmalte al refractario. • Symbol: equipos para el movimiento de carros, máquinas de carga y descarga de vagonetas. Los mayores consumos eléctricos se localizan en las turbinas circulación de aire (turbina de tiro, enfriamiento indirecto, recirculación…) del horno, porque están funcionando todo el tiempo. Todas las turbinas tienen variador de frecuencia, pero funcionan casi siempre con caudal constante. Auditoría Energética de una planta tipo de fabricación de baldosas cerámicas 51 6.8. Equipos consumidores de gas natural Tras describir la planta y poder localizar cada zona de consumo energético, se procede a analizar los consumos se gas natural de las distintas etapas en la medida de lo posible. Una vez hecho esto se decidirán las zonas que deben ser analizadas en mayor profundidad para mejorar la eficiencia. La relación de equipos que utilizan el gas natural para la generación de calor es la siguiente: • Horno Keramischer • Cámaras de secado Novokeram • Destonificador Novokeram • Secadero túnel Novokeram • Cámara de calentamiento Novokeram Las cámaras de secado, el destonificador y el secadero túnel cuentan con reaprovechamiento del calor proveniente del horno, no así la cámara de calentamiento. Además el consumo del secadero túnel esta contabilizado junto con el consumo de las cámaras de secado con lo cual el análisis de su consumo de gás natural frente al de aire caliente del horno se hace complejo. Auditoría Energética de una planta tipo de fabricación de baldosas cerámicas 52 7. PLANTEAMIENTO DE LAS DISTINTAS ÁREAS DE ANÁLISIS Una vez conocemos la instalación de la empresa y tenemos datos sobre su funcionamiento y eficiencia procedemos a identificar las distintas áreas en las que se podría trabajar para mejorar la eficiencia general de la fábrica. El área más usual por el que se empieza a trabajar es el consumo eléctrico tanto de iluminación como de funcionamiento de los equipos. En este apartado simplemente se debe comprobar si el ahorro debido a la sustitución del aparato eléctrico por uno más eficiente compensa la inversión que se debería hacer. Otro área usual es la evaluación de la incorporación de un equipo de cogeneración para la generación de calor y electricidad. También es posible estudiar la incorporación de instalaciones de energías renovables para la producción de electricidad. Un modo de realizar mejoras sin coste de inversión es mediante una mejor planificación de la producción. En este caso particular la mejora mediante este método se encontraría en la zona de secaderos, ya que hay un reaprovechamiento aire caliente del horno que a veces expulsado debido a que no se necesita. Si se gestionara la producción de manera que en todo momento el aire caliente del horno se aprovechara se conseguiría una gran mejora de eficiencia. Finalmente, otro método es mejorar la eficiencia de los equipos consumidores de combustibles ya sea por mejoras en la gestión de su funcionamiento o en su diseño. Estas mejoras podrían ser un mejor aislamiento, un aprovechamiento de los gases de combustión o un mapa de funcionamiento más eficiente. Este es el área en el que se va a trabajar a continuación debido al gran consumo de gas natural de la empresa. Auditoría Energética de una planta tipo de fabricación de baldosas cerámicas 53 8. ANÁLISIS DEL CONSUMO DE GAS NATURAL Con esta información podemos analizar mejor los siguientes datos de consumo de gas natural: Fecha CONSUMO SECADERO EN Nm 3 CONSUMO HORNO Nm 3 CONSUMO C.CALIENTE EN Nm 3 1-nov-08 438 8451 0 2-nov-08 667 7009 168 3-nov-08 655 7215 168 4-nov-08 566 8625 181 5-nov-08 1004 7952 157 6-nov-08 65 8335 174 7-nov-08 199 8645 52 8-nov-08 438 7983 0 9-nov-08 735 7781 115 10-nov-08 319 7827 162 11-nov-08 913 7994 159 12-nov-08 266 7836 196 13-nov-08 430 8179 146 14-nov-08 420 8109 155 15-nov-08 349 7765 99 16-nov-08 809 7229 185 17-nov-08 740 8124 161 18-nov-08 833 8425 147 Tabla 7. Consumos de gas natural sectorizados por equipos. El consumo del destonificador no sale reflejado ya que es despreciable frente a los otros consumos. Analizando estos datos podemos ver claramente que el consumo de la cámara caliente no merece ninguna atención ya que es casi dos órdenes de magnitud inferior respecto del horno. Por otro lado el consumo de las cámaras de secado (cámaras de secado más secadero túnel) es de un orden inferior al consumo por parte del horno. Auditoría Energética de una planta tipo de fabricación de baldosas cerámicas 54 En el siguiente gráfico se puede observar la diferencia existente entre los consumos de las distintas zonas: Figura 25. Gráfico de los consumos de gas sectorizados. La gráfica nos muestra la importancia del horno en el volumen de gas consumido. Además los equipos de secado reciben un gran aporte de calor por parte de la recuperación del horno. Por todo esto, el análisis se debe centrar en el horno ya que se puede buscar soluciones tanto para aportar más calor a los equipos de secado como mejorar la eficiencia del horno para reducir la factura de gas natural. 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 10000 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 Consumo de gas natural Nm3 Día Secadero Horno C.Caliente Auditoría Energética de una planta tipo de fabricación de baldosas cerámicas 55 9. ESTUDIO LOCALIZADO DE PÉRDIDAS EN REFRACTARIOS DEL HORNO El elevado consumo de combustible del horno se debe al gran aporte energético que se necesita para poder realizar el proceso de cocción. Durante este proceso hace falta energía para elevar la temperatura de la pasta hasta 1250ºC, evaporar el agua contenida en la pasta y aportar energía para las reacciones de los componentes de la pasta. Estos gastos energéticos son esenciales e inevitables y por lo tanto no podemos conseguir mayor eficiencia a su costa. Durante el proceso de cocción hay unas pérdidas de energía. Estas pérdidas de energía se producen a través de los gases de la chimenea, el calor residual de vagonetas y baldosas y el flujo de calor que atraviesa las paredes, techo y suelo del horno. Una vía para mejorar la eficiencia del horno es disminuir dichas pérdidas a través de los elementos del horno. Por ello a continuación se analiza el estado de aislamiento del horno con objetivo de cuantificar las pérdidas de calor. El cálculo de las pérdidas de calor en el horno se han realizado a partir de los siguientes datos: • Temperatura exterior: Dato obtenido a partir de las termografías y su software de procesamiento FLIR • Temperatura interior: Dato obtenido a partir de la curva de cocción del horno suministrada por la empresa. • Configuración de los aislantes: los planos del horno suministrados por el fabricante muestran cada una de las configuraciones de aislamiento (espesor y posición) de cada tramo de aislamiento. • Conductividad térmica de los aislantes: cada dato ha sido obtenido a partir de la información de cada fabricante. A partir de estos datos hay que hacer una estimación de la temperatura a la que se encuentran los distintos aislantes para escoger la conductividad térmica adecuada. Con esto, finalmente se calculan las pérdidas de calor del horno por paredes horno, techo y suelo. Auditoría Energética de una planta tipo de fabricación de baldosas cerámicas 56 9.1. Temperatura exterior del Horno En las siguientes fotografías se muestran las termografías típicas de la zona de entrada del horno, precalentamiento, horno, enfriamiento rápido, enfriamiento indirecto y enfriamiento final en la parte lateral. Figura 26. Termografía de la entrada del horno Figura 27. Termografía de la zona de precalentamiento del horno Figura 28. Termografía de la zona de horno Auditoría Energética de una planta tipo de fabricación de baldosas cerámicas 63 Figura 36. Representación de las temperaturas obtenidas del análisis termográfico. Una vez ya tenemos estos datos podemos asignar a cada sección su valor de temperatura media. Hay que tener en mente que estos datos obtenidos son aproximados y será conveniente revisar los demás parámetros para dar una temperatura media exterior a cada sección según criterio propio. Cabe resaltar que un error de 10º no afectaría en gran medida a los resultados finales. 9.2. Configuración de los aislantes La configuración del aislamiento del horno túnel ha sido facilitada por la empresa mediante unos planos del fabricante. La disposición de los aislantes es igual para ambas paredes y distinta para el techo y el suelo. Los materiales utilizados y su configuración están dispuestos en función de las temperaturas soportadas en los diferentes tramos, consiguiendo una menor conductividad térmica en las de mayor temperatura. En total hay 10 tramos con diferente sección en paredes y techo, y por lo tanto cada uno debe ser estudiado por separado. La sección del suelo no varía ya que es formada por las propias vagonetas. 0 10 20 30 40 50 60 70 80 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 ºC T media Termografías Enfriamiento Cocción Auditoría Energética de una planta tipo de fabricación de baldosas cerámicas 64 Figura 36. Plano de disposición del aislamiento. Sección transversal. El aislante de las paredes está configurado por lo general de forma que en la zona interior se hay un material que resiste la temperatura a la que está expuesto y conforme se nos alejamos del foco de calor el material no requiere tanta resistencia y se colocan materiales refractarios con resistencia a altas temperaturas pero mayor resistencia térmica o menor coste. El aislante del techo tiene una estructura especial. Los ladrillos refractarios están colgados mediante ganchos de unas barras transversales. Además están dispuestos de forma que al alcanzar la temperatura de funcionamiento no quede ningún hueco mientras que cuando no se está trabajando y la temperatura es la ambiental hay pequeños espacios entre los distintos ladrillos. De esta forma se evita la aparición de esfuerzos que puedan dañar el material aislante. Auditoría Energética de una planta tipo de fabricación de baldosas cerámicas 65 Figura 37. Plano de disposición del aislamiento. Sección frontal. Finalmente el aislamiento de las vagonetas está formado por una primera placa apoyada sobre un arenero mediante unos pilares. La primera placa es la primera parte del aislamiento, con su configuración material refractario, seguidamente hay un puente térmico producido por el volumen de aire entre el arenero y la placa, y finalmente tenemos el arenero como última parte del aislamiento. Cabe destacar que cada vagoneta se encaja con la siguiente de forma que no dejan huecos entre ellas. Figura 38. Detalle del encaje entre vagonetas. Auditoría Energética de una planta tipo de fabricación de baldosas cerámicas 66 9.3. Curva de Temperaturas del horno Figura 38. Captura de pantalla de la curva de temperaturas del horno. Con estas curvas de temperaturas obtenemos la temperatura interior del horno para cada tramo de aislamiento. En esta captura de pantalla observamos una gráfica de temperatura nominal y otra de temperatura real. Ambas son distintas debido a que la consigna de temperaturas es igual para todos los formatos, así que dependiendo del volumen de masa que este circulando dentro del horno variará de una forma u otra el valor de temperatura real. Este valor que se obtiene tiene un alto impacto a la hora de seleccionar la conductividad térmica de los refractarios de cada sección, ya que dicho valor normalmente depende de la temperatura a la que se encuentra el material siendo menor cuanto más frio esta. Por otro lado la exactitud del valor obtenido no es un requisito primordial para el cálculo de pérdidas ya que el gradiente en las zonas más Auditoría Energética de una planta tipo de fabricación de baldosas cerámicas 67 solicitadas será de más de 1000ºC y un error de 10ª apenas supondría un 1% de error. Si además atendemos a que ni la curva nominal, ni la curva real representan claramente el estado mayoritario de funcionamiento del horno podemos concluir en que no es necesario realizar unos cálculos exactos sobre la temperatura media de cada sección. Sin embargo, como se ha expuesto anteriormente, la temperatura de funcionamiento tiene una gran importancia en lo que a comportamiento del refractario se refiere. Debido a ello hay que tener un especial cuidado al realizar un perfil de temperaturas por sección. Es de vital importancia que aquellas secciones que trabajen a mayores temperaturas tengan correctamente representada su condición de trabajo. Si se cometiera un error alto en este aspecto se podrían conseguir resultados totalmente equívocos. En este sentido para corregir los datos obtenidos se ha tenido como referencia tanto la calidad de los refractarios en cada sección como la capacidad de soportar altas temperaturas. En este sentido la sección 45-64 es la más comprometida ya que abarca 19 metros de horno en una zona de altas temperaturas. Abarca desde el grupo 11 hasta el grupo 17 aproximadamente. En medio nos encontramos otros 2 grupos, el 13 y el 15. La temperatura en cada uno de ellos y al media total son las siguientes: Grupos gr11 gr13 gr15 gr17 Media T nominal 939ºC 1170ºC 1240ºC 1270ºC 1155ºC Tabla 9. Temperatura en cada grupo y media. Auditoría Energética de una planta tipo de fabricación de baldosas cerámicas 68 Si calculamos la temperatura media de cada sector de grupo a grupo obtenemos los siguientes resultados: Zona gr11-gr13 gr13-gr15 gr15-gr17 T media 1054,5ºC 1205ºC 1255ºC Tabla 10. Pérdidas de calor por m 2 en cada sección. Del grupo 13 al 17 la Temperatura media de trabajo es de más de 1200 ºC y por lo tanto los refractarios verán muy penalizado su funcionamiento. En cambio para grupo 11 al 13 el déficit de funcionamiento es menor. Con lo cual es más acertado, en base a un primer análisis, escoger una temperatura de funcionamiento de acorde a la sufrida por la mayor parte de la sección (1200ºC) en virtud de reflejar mejor el comportamiento de los aislantes. A la hora de analizar los resultados habrá que tener en cuenta todas las estimaciones realizadas. A continuación se muestran la tabla de temperaturas obtenidas y su representación gráfica. Sección 01-12 12-21 21-27 27-33 33-45 45-64 64-69 69-75 75-93 93-105 Temperatura 185ºC 420ºC 590ºC 728ºC 950ºC 1200ºC 1265ºC 1135ºC 777ºC 457ºC Tabla 11. Temperatura de cada sección de refractario. Figura 39. Gráfico de la temperatura interior por sección. Cómo se puede observar la gráfica sigue la línea que se puede observar en la captura de pantalla de curvas de temperatura del horno. Una vez se comprueba que no hay ningún resultado extraño podemos seguir adelante con el estudio del horno. 0ºC 200ºC 400ºC 600ºC 800ºC 1000ºC 1200ºC 1400ºC 01-12 12-21 21-27 27-33 33-45 45-64 64-69 69-75 75-93 93-105 Temperatura Interior Auditoría Energética de una planta tipo de fabricación de baldosas cerámicas 69 9.4. Conductividad térmica (W/m*K) de los materiales del horno Estos son los diferentes materiales refractarios empleados para el aislamiento térmico del horno. Por regla general cuanto mayor es la temperatura que soportan mayor es su conductividad térmica. También, cuanto menores la temperatura de funcionamiento menor es su conductividad térmica. Por ello son combinados según muestran los planos del horno túnel. Los materiales refractarios típicos utilizados en los hornos son el carburo de silicio, cordierita, mullita, ladrillos refractarios con base de alúmina (JM, TC, TJM, Isolmos), fibras cerámicas, fibra y lana de vidrio. JM 23 T (ºC) K JM 26 T (ºC) K 400 0,14 400 0,27 600 0,16 600 0,29 800 0,18 800 0,31 1000 0,2 1000 0,33 1200 1200 0,35 GMP 100 T (ºC) K CBK96 T (ºC) K 200 0,15 200 0,06 400 0,15 400 0,11 600 0,15 600 0,16 800 0,15 800 0,23 1000 0,15 1000 0,32 Firelite BM T (ºC) K TJM B5 T (ºC) K 200 0,11 350 0,23 400 0,14 600 JM 28 T (ºC) K Isolmos 450 T (ºC) K 400 0,32 200 0,1 600 0,34 400 0,12 800 0,36 600 0,14 1000 0,38 800 1200 0,51 1000 V1100 T (ºC) K SW Blok 800 T (ºC) K 200 0,15 200 0,1 400 0,15 400 0,12 600 0,15 600 0,14 800 0,15 800 1000 0,15 1000 Auditoría Energética de una planta tipo de fabricación de baldosas cerámicas 70 Conductividad térmica (W/m*K) Cordierita 1,5 mulita 4,5 SiSiC 40 Arenero 0,5 Tabla 12. Conductividades térmicas de los diferentes materiales refractarios utilizados. ( Los datos sobre conductividad térmica han sido aportados por la empresa o consultados en la página web del fabricante) Cerablank96 T (ºC) K TC 26 T (ºC) K 200 0,06 400 0,53 400 0,11 600 0,53 600 0,16 800 0,53 800 0,23 1000 0,53 1000 0,32 1200 0,53 Ceraboard 85 T (ºC) K 300 0,07 400 0,08 600 0,11 800 0,15 Auditoría Energética de una planta tipo de fabricación de baldosas cerámicas 71 9.5. PÉRDIDAS DE CALOR EN EL HORNO A continuación, en las siguientes tablas son calculadas las resistividades térmicas de los diferentes tramos a partir de las conductividades térmicas, los espesores y la superficie aislada. Las conductividades térmicas son escogidas estimándolas según sea su posición interior o exterior y las temperaturas exterior e interior. Además gracias a la diferencia de temperaturas obtenemos el valor de las pérdidas de calor. Como ejemplo del cálculo: En el tramo de pared 33m-45m la disposición de los refractarios empezando desde el interior es: 1. JM26 2. JM23 3. Isolmos 450 4. Cerablanket96 5. V11000 La temperatura interior es de 950ºC y la exterior de 66. A partir de aquí estimamos la conductividad térmica a escoger en función de la temperatura. Para ello suponemos un descenso de la temperatura aproximadamente lineal: 1. JM26: T= 1000ºC Cond. Térm.= 0.33 (W/m*K) 2. JM23: T= 800ºC Cond. Térm.= 0.18 (W/m*K) 3. Isolmos 450: T= 400ºC Cond. Térm.= 0.12 (W/m*K) 4. Cerablanket96 : T= 200ºC Cond. Térm.= 0.06 (W/m*K) 5. V11000: T= 200ºC Cond. Térm.= 0.15 (W/m*K) Una vez ya hemos obtenido la conductividad térmica para cada uno de los refractarios se calcula la resistividad térmica de cada tramo como indica la siguiente espresión: ∑ é Áó  é   º Auditoría Energética de una planta tipo de fabricación de baldosas cerámicas 72 Finalmente a partir de la resistividad térmica del tramo y la diferencia de temperaturas interior y exterior obtenemos las pérdidas por calor:  ! . .   #$% Este flujo de calor obtenido son las pérdidas de cada tramo del Horno en watios. Hay que destacar que el valor de la resistividad térmica de cada tramo no es indicativo del aislamiento ya que es un valor por tramo y no por unidad de superficie. Auditoría Energética de una planta tipo de fabricación de baldosas cerámicas 79 lugar a unas conclusiones claras, al compararlos mediante gráficos podemos ver la importancia relativa de muchos datos a la vez y saber priorizar mejor las distintas soluciones y la magnitud de estas con mayor celeridad. Aislamientos térmicos En el aspecto del aislamiento objeto que ha sido estudio de esta auditoría hay que centrarse en dos puntos, primero los materiales escogidos (su conductividad térmica en función de la temperatura) y la posición de colocación en el aislamiento. En las zonas más exigentes hay que poner los aislamientos que consigan soportar correctamente las temperaturas y tengan la menor conductividad térmica posible. Generalmente cuanto mayores temperaturas resiste un material más alta es su conductividad. Por ello hay que tener especial cuidado de colocar la suficiente cantidad de ese material para que el siguiente aislante trabaje a una temperatura adecuada. Pero también es necesario poner una siguiente capa de otro aislante mejor en cuanto este sea capaz de soportar las temperaturas de trabajo en condiciones óptimas de funcionamiento. Una elección errónea puede resultar en unas condiciones de trabajo de los aislantes en las q su funcionamiento está lejos del deseado. En cuanto a la selección de los materiales refractarios según la zona hay que asegurarse de cuáles son las condiciones de trabajo de estas zonas. Una mala identificación de esas condiciones puede derivar en dos casos: • Un aislamiento excesivo: las pérdidas son más bajas pero no lo suficientemente significativas La inversión de aportar ese aislamiento resultará más cara de lo necesario. • Un aislamiento deficiente: mayores pérdidas que contribuyen a una menor eficiencia y por lo tanto mayor gasto. Auditoría Energética de una planta tipo de fabricación de baldosas cerámicas 80 Mejoras aplicables en la empresa Del análisis termográfico, se desprende que la zona de mayor temperatura media es la bóveda del horno, a través del puente térmico que provoca la instalación de los ganchos “del jamón” para la sujeción para los ladrillos de cordierita de dicha bóveda, tal y como puede verse en la siguiente termografía de la zona del horno. El valor medio de las pérdidas por dicha bóveda suma 298 kW, siendo las pérdidas laterales tan sólo de 84 kW. El diagrama de Sankey informa por zonas y por módulos de las pérdidas calculadas en el horno túnel. Figura 41. Diagrama de Sankey de las pérdidas de las paredes a lo largo de su longitud (módulos 1-105). Por tanto, las actuaciones en este sentido deberían centrarse en el aislamiento de los puentes térmicos (se midieron temperaturas superficiales del horno por encima de 150ºC en dichos puentes térmicos en forma romboidal) que comportan la sujeción en la bóveda de los ladrillos de cordierita. Vagonetas (30,5 kW; 7.4%) Paredes (84,7 kW; 20,5%) Techo (298 kW; 72,1%) 01-12 (1,2%) 12-21 (2,7%) 21-27 (3,1%) 27-33 (4,4%) 33-45 (12,6%) 45-64 (27%) 64-69 (14,5%) 69-75 (15,6%) 75-93 (14,3%) 93-105 (4,6%) 01-12 (1,3%) 12-21 (2,5%) 21-27 (2,8%) 27-33 (4,1%) 33-45 (10,5%) 45-64 (28,9%) 64-69 (5,9%) 69-75 (7,9%) 75-93 (25,6%) 93-105 (10,6%) 01-12 (2,1%) 12-21 (4,4%) 21-27 (4,3%) 27-33 (5,4%) 33-45 (14,3%) 45-64 (29%) 64-69 (8,1%) 69-75 (8,6%) 75-93 (17,3%) 93-105 (6,5%) Vagonetas (30,5 kW; 7.4%) Paredes (84,7 kW; 20,5%) Techo (298 kW; 72,1%) 01-12 (1,2%) 12-21 (2,7%) 21-27 (3,1%) 27-33 (4,4%) 33-45 (12,6%) 45-64 (27%) 64-69 (14,5%) 69-75 (15,6%) 75-93 (14,3%) 93-105 (4,6%) 01-12 (1,3%) 12-21 (2,5%) 21-27 (2,8%) 27-33 (4,1%) 33-45 (10,5%) 45-64 (28,9%) 64-69 (5,9%) 69-75 (7,9%) 75-93 (25,6%) 93-105 (10,6%) 01-12 (2,1%) 12-21 (4,4%) 21-27 (4,3%) 27-33 (5,4%) 33-45 (14,3%) 45-64 (29%) 64-69 (8,1%) 69-75 (8,6%) 75-93 (17,3%) 93-105 (6,5%) Auditoría Energética de una planta tipo de fabricación de baldosas cerámicas 81 Dentro de la zona del techo los tramos 64-69 y 69-75 son los que mayor pérdidas generan. Por lo tanto cualquier mejora en el refractario del horno debe tener como primer objeto esta zona. Figura 42. Termografía de la bóveda del horno túnel, zona de cocción. En cuanto a las pérdidas hacia la solera del horno a través de las vagonetas, su estructura de doble piso con arenero incorporado en su parte baja no reporta grandes pérdidas de calor hacia el suelo, en total se han computado 30 kW de pérdidas. Los gases de combustión del horno son liberados a la atmosfera llevándose con ellos una gran cantidad de energía que no es aprovechada. Mediante un intercambiador de calor se podría aprovechar esa energía en la medida de lo posible. Auditoría Energética de una planta tipo de fabricación de baldosas cerámicas 82 Finalmente, en cuanto al horno, el aislamiento en un espacio reducido de la extracción de gases y especialmente del aire caliente en la aspiración de los ventiladores permitiría una mayor temperatura aprovechable para el secadero, tal y como puede verse en los cálidos tonos de la termografía realizada en dicha zona. Figura 43. Termografía de la aspiración de aire caliente hacia secaderos. A parte de las conclusiones sacadas a partir del análisis realizado del horno, se pueden extraer otras más generales del resto de las instalaciones: Las empresas de este sector necesitan una gran cantidad de energía en forma de calor y de electricidad, por lo tanto un sistema de cogeneración podría aportar un beneficio considerable si la situación de las instalaciones lo permitiera. De hecho esta mejora esta citada como una de las fundamentales en el informe BREF de mejores técnicas aplicables. También en cuanto a la generación de electricidad, la instalación de paneles solares podría resultar interesante en base a su rentabilidad de explotación y subvenciones de instalación y explotación. Auditoría Energética de una planta tipo de fabricación de baldosas cerámicas 83 Para una mejora de la planificación de la producción habría que tener en cuenta los requisitos de cada formato, los inconvenientes debidos al cambio de producción de formato y su demanda. La principal mejora que se obtendría de una mejor planificación es un mejor aprovechamiento en los secaderos del aire caliente procedente del horno. Por último, en el aspecto de consumos eléctricos, una sustitución de los equipos menos eficientes y una mejora en los habitos de consumo por parte del personal podría suponer también un ahorro significativo. Auditoría Energética de una planta tipo de fabricación de baldosas cerámicas 84 11. BIBLIOGRAFÍA  INFORME BREF DE MEJORES TÉCNICAS APLICABLES.  DESCRIPCIÓN DE EQUIPOS NOVOKERAM.  DESCRIPCIÓN DE EQUIPOS KERAMISCHER.  PLANOS DE HORNO KERAMISCHER.  PROYECTO BÁSICO DE CONSTRUCCIÓN ARAKLINKER.  HTTP://WWW.ASCER.ES ASOCIACIÓN ESPAÑOLA DE FABRICANTES DE AZULEJOS Y PAVIMENTOS CERÁMICOS.  “TÉCNICAS PARA LA ELABORACIÓN DE AUDITORÍAS ENERGÉTICAS EN EL SECTOR INDUSTRIAL” ALFONSO ARANDA USÓN, FRANCISO BARRIO MORENO, IGNACIO ZABALDA BRIBIÁN Y SERGIO DÍAZ DE GARAIO. PRESAS UNIVERSITARIAS DE ZARAGOZA.  HTTP://WWW.MOSCONI.COM/INSULATINGBRICKS/PROFILE.HTML  HTTP://WWW.ALDERO.COM  “FUNDAMENTOS DE TERMODINÁMICA TÉCNICA” M.J MORAN, HOWARD N. SHAPIRO, TRADUCIDO POR JOSÉ A TURÉGANO, CARMEN VELASCO.  MANUAL DE INDENTIDAD CORPORATIVA DE LA UNIVERSIDAD DE ZARAGOZA HTTP://WWW.UNIZAR.ES/SG/DOC/3.MANUAL_ONCE_.PDF  ESTUDIO SOBRE EL SECTOR DEL AZULEJO (2008-2004) KPMG.  NORMATIVA UNE 216501 SOBRE AUDITORÍAS ENERGÉTICAS.  GUÍAS TECNOLÓGICAS. EPÍGRAFE 3.5 FABRICACIÓN DE AZULEJOS Y BALDOSAS CERÁMICAS. FUNDACIÓN ENTORNO EMPRESA Y MEDIOAMBIENTE. MINISTERIO DE INDUSTRIA Y ENERGÍA.  EL SECTOR CERÁMICO ESPAÑOL: UN ENFOQUE DE MERCADO. VALENTÍN GALLART CAMAHORT  THUMANN, ALBERT. (1998). HANDBOOK OF ENERGY AUDITS. EDIT. THE FAIRMONT PRESS.  24 DE FEBRERO DE 2011  INE, NOTA DE PRENSA (24 DE FEBRERO DE 2011) ENCUESTA DE CONSUMOS ENERGÉTICOS 2009 Auditoría Energética de una planta tipo de fabricación de baldosas cerámicas 85  PLAN DE ACCIÓN DE AHORRO Y EFICIENCIA ENERGÉTICA 2011-2020  PLAN DE ACCIÓN 2008-2012, ESTRATEGIA DE AHORRO Y EFICIENCIA ENERGÉTICA EN ESPAÑA 2004-2012 Auditoría Energética de una planta tipo de fabricación de baldosas cerámicas 86 AGRADECIMIENTOS: • Gres Aragón: Empresa que ha suministrado los datos con los que se ha trabajado en el proyecto. • Luis Segura Miguel, Jefe de mantenimiento de Gres Aragón • CIRCE: Centro de la Universidad de Zaragoza que ha aportado material y ayuda para la realización de este proyecto. • Amaya Martínez Gracia, Directora de proyecto • Javier Uche Marcuello, Director de proyecto