(Publicado: 18 de Diciembre de 2013, Ediciones Especiales de El Mercurio)
Por Marcelo Godoy, jefe de proyecto Programa de Eficiencia Energética en Edificios Públicos (PEEEP), área Edificación, Agencia Chilena de Eficiencia Energética
Es conocido por todos que uno de los procesos fundamentales en la industria es la generación de calor. Es así como las calderas se constituyen como un elemento fundamental, y por ende requiere de una atención especial al iniciar un análisis de los consumos energéticos en cualquier industria o edificio.
Sin embargo, desde el punto de la eficiencia energética, lo primero que es necesario entender es que las calderas son equipos que pertenecen a una línea de proceso (que podríamos resumir en generación-caldera, sistema de distribución y equipos terminales, y también podríamos agregar los sistemas de control), ya sea para generar agua caliente o vapor, por lo que su funcionamiento, en primer lugar, depende de la demanda que esta tenga y por ende el análisis debe realizarse desde un punto de vista integral.
Cuando se produce una desvinculación entre la demanda de calor y la capacidad de generación de la caldera, producida por diversos motivos tales como diferencias entre el diseño original y la operación actual de la planta; aumento de la demanda; cambio en el tipo de generación -pasar de generación por combustible a electricidad- de algunos procesos que abarca actualmente la caldera; cambios en los parámetros de operación del proceso; modificaciones al sistema de distribución, entre otros, es donde surgen las primeras oportunidades de hacer eficiencia energética y así las primeras preguntas.
¿Es la demanda actual acorde al diseño original pensado para la operación de la caldera? ¿Es posible ajustar esa demanda? ¿Es capaz la caldera de ajustarse a esos nuevos parámetros?
El no hacer este sencillo ejercicio de responder estas preguntas redunda en la inminente baja en el rendimiento de la caldera, y no solo eso, del proceso completo, debido a desajustes en la demanda, ya sea rapidez, cumplimiento de niveles de producción, modificando por ejemplo la carga de la caldera mediante aumentos sistemáticos de temperatura, presión de vapor, etc., los cuales lamentablemente nunca se vuelven a regular.
Análisis certero
Una vez realizado este primer análisis y logrando ajustar los parámetros óptimos de operación mediante ajustes en los parámetros del proceso o del sistema de distribución, o bien a través de cambios tecnológicos o mantención (por ejemplo, proveer de válvulas de control para procesos con demanda variable, aislación de tuberías, etc.) es que podemos realizar los siguientes análisis específicos de las oportunidades aplicables a calderas. Sin entrar en el detalle (principalmente porque, tal como se mencionó las calderas pertenecen a procesos únicos que requieren un análisis integral y caso a caso), podemos mencionar algunas oportunidades que pueden ser aplicadas a dichos equipos.
En primer lugar, realizar un ajuste en la combustión. Esto implica que a través del cálculo del rendimiento de la misma, con ayuda de instrumentos de medición, se pueda ajustar la combustión para mejorar el rendimiento. Las opciones cuando los parámetros no son los correctos pueden ser: ajuste manual, sustitución del quemador (existen en el mercado los ya conocidos quemadores modulantes que incluyen ajustes respecto a la temperatura ambiental, en el caso de requerimientos de calefacción) o bien instalar microprocesadores de combustión para el control de O2, O2+CO u O2+CO+ Opacidad.
También se debe aprovechar el calor residual de los humos de la caldera. Esto se puede realizar a través de economizadores para el precalentamiento del agua que ingresa a la caldera, o bien para precalentar el aire para el proceso de combustión (sin embargo, este último solo se recomienda en última instancia cuando no se puedan usar los humos para precalentar otros fluidos, principalmente por el bajo coeficiente de transmisión de calor entre los gases y el aire).
Un tercer punto es la recuperación de calor en las purgas en el caso de las calderas de vapor. De esta forma, es posible recuperar parte de la entalpia del agua evacuada en la purgas a través de la expansión de la misma mediante estanques de flasheo para la posterior entrega de calor.
En cuarto lugar, se debe aislar el circuito primario de la caldera. Ello evidentemente reduce las pérdidas de calor en el proceso. Sin embargo, la extensión o falta de acceso a ciertos ramales del sistema de distribución nos obliga a pensar principalmente en la aislación de los circuitos primarios hasta donde sea posible, sin olvidar válvulas y singularidades.
Otro elemento clave es eliminar las fugas de vapor. Ello redunda en una disminución de la demanda hacia la caldera. Este es un aspecto poco considerado, pero, por ejemplo, una perforación de 6,35 mm en un sistema funcionando a una presión de 690 kPa durante 8.760 horas, nos producirá pérdidas aproximadas de 2.300 GJ/año. Otro aspecto importante en cuanto a pérdidas de calor es el poco mantenimiento de los purgadores.
Una sexta recomendación es el aprovechamiento del condensado de alta presión. Esto consiste en la expansión del condensado para producir vapor a una presión inferior, pero que este sirva para un proceso productivo donde efectivamente este se requiera.
Cambios tecnológicos
A su vez, es importante considerar la recuperación de calor de condensados. Estos últimos pueden ser aprovechados para producir vapor a presiones menores o bien para el precalentamiento del agua que ingresa a la caldera con la consecuente mejora en su rendimiento (y por ende en una reducción del combustible a utilizar). Esto se puede realizar a través de estanques atmosféricos por medio de intercambiadores de placa, estanques presurizados y bombas de alimentación a la caldera que permitan trabajar a una presión intermedia entre la de utilización y la atmosférica (circuito cerrado), estanques de expansión flash produciendo vapor a baja presión que se utiliza en el proceso mientras que el condensado resultante se introduce a la caldera a esa presión mediante una bomba de alimentación (circuitos semi-cerrados). Y finalmente a través de una unidad de recuperación de condensados formada por un circuito independiente de recirculación, compresor, refrigerador de ajuste y eliminador de aire para así tomar el condensado de la propia línea de condensados y enviarlo a la caldera.
Y con respecto a los cambios tecnológicos existen otras opciones debido al avance en esta materia, como por ejemplo, variadores de frecuencia tanto para los ventiladores del quemador como para las bombas de agua de alimentación, calderas de condensación para sustitución en procesos que requieran bajas temperaturas. Y donde las calderas de condensación efectivamente aprovechen el calor de condensación de los gases y no se utilicen como calderas convencionales, lo que es un error recurrente en este tipo de instalaciones.
Líneas de apoyo
Es importante señalar que la Agencia Chilena de Eficiencia Energética (AChEE) ha desarrollado diversas iniciativas en la materia, como por ejemplo, fomento a los proyectos de cogeneración, que permiten la generación simultánea de electricidad y calor, así como proyectos en el sector hospitalario que incluyen técnicas de transformación directa de calderas de vapor para que funcionen como calderas de agua e introducción de sistemas de control avanzados para la gestión de la demanda y la generación, incluyendo ajustes de acuerdo a parámetros ambientales y eliminación de estanques de almacenamiento de ACS para calentamiento en tiempo real. Para el año 2014, la agencia presentará nuevamente líneas de apoyo en esta materia.
Finalmente, las oportunidades de hacer eficiencia energética son variadas, existiendo tecnología conocida a ser aplicada, pero lo más importante y fundamental es siempre la realización de un análisis integral de los procesos para poder aprovechar al máximo el funcionamiento anual de las calderas.