La eficiencia energética en plantas industriales depuradoras de agua residual juega un papel fundamental en la rentabilidad de la explotación. La viabilidad del mantenimiento de la planta y la calidad de los procesos tienen relación directa con este parámetro. Esto sucede con cualquier otro tipo de proceso industrial.
Este aspecto en las plantas de tratamiento de aguas tienen mucho recorrido para mejorar y aumentar su competitividad en el mercado internacional.
¿Qué es la eficiencia energética industrial?
La eficiencia energética industrial es un conjunto de métodos aplicables en cualquier tipo de industria, cuyo objetivo final es alcanzar el uso eficiente de la energía. Se trata de optimizar los procesos productivos y el consumo de la energía empleada.
Dicho de forma más sencilla, la eficiencia energetica en la industria consiste en aplicar conocimientos específicos para producir más con menos energía. En las plantas depuradoras de aguas residuales, se trata de alcanzar la calidad del efluente reduciendo notablemente uno de los mayores costes fijos: la electricidad.
Los enfoques de la eficiencia energética industrial
La eficiencia energética en las plantas de tratamiento de agua siempre tiene como objetivo reducir el consumo energético y optimizar los rendimientos en todos los procesos. Este objetivo se puede alcanzar desde cuatro enfoques distintos y complementarios de ahorro energético:
· buena gestión energética
· buena explotación de la depuradora
· empleo de tecnologías más eficientes
· políticas energéticas acertadas
Las ventajas de la eficiencia energética en plantas industriales de aguas
Las depuradoras de aguas residuales son conocidas como EDAR. Estas instalaciones industriales necesitan ser competitivas para ofrecer su producto final con la mayor calidad y el mínimo coste.
Aquí encontramos la principal ventaja de la eficiencia energética industrial en EDAR: el ahorro de costes energéticos. Esta ventaja repercute notablemente en otras ventajas asociadas a la rentabilidad económica como la reducción de la factura eléctrica, el aumento del beneficio industrial, la reducción de los costes de mantenimiento y explotación de la EDAR.
Otra gran ventaja, que no debemos olvidar, se encuentra en la mejora de los procesos de los tratamientos de aguas. La eficiencia energética implica la automatización de procesos y un seguimiento continuo que permite la mejora en la calidad del efluente.
Los inconvenientes de la eficiencia energética en EDARs
Más que inconvenientes en eficiencia energética debemos pensar en las dificultades que supone implantar estas medidas de ahorro energético.
En base a nuestra experiencia hemos determinado que los principales obstáculos son:
-
- El conocimiento técnico. Es necesario un conocimiento específico para implantar de manera acertada las medidas de eficiencia energética. Para resolver esta dificultad la mejor opción es matricularse en nuestro curso de “Eficiencia energética en EDARs”.
- La inversión económica. Como todas las mejoras en una instalación industrial, añadir tecnología o maquinaria supone un desembolso económico inicial que se amortiza a lo largo del tiempo. Un estudio detallado permitirá conocer el punto de inflexión del retorno de la inversión.
- Conocimiento del proceso y las necesidades de la EDAR. Para mejorar un proceso es necesario un ingeniero especialista que conozca todas las relaciones entre los distintos procesos, para optimizarlo e implementar las mejoras. Estos conocimientos también se pueden adquirir en el curso de mantenimiento de EDAR.
Puntos de mejora en consumo eléctrico en EDAR
El 73% del consumo eléctrico de una EDAR se produce en el tratamiento secundario. El tratamiento biológico, y en concreto, los equipos implicados en el suministro de oxígeno a los reactores biológicos son los responsables de la mayor demanda energética de la EDAR.
El consumo eléctrico del sistema de aireación está relacionado directamente con el incremento de los sólidos en suspensión del licor mezcla, temperatura de los fluidos del reactor y la biodegradabilidad del influente.
Existen otros factores que reducirían el consumo energético en gran medida como puede ser:
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- un buen dimensionamiento del bombeo en cabecera
- una buena ingeniería de diseño y de procesos de la EDAR
- unos moderno sistemas de control de una EDAR
- un eficiente control y automatización de la planta
- un adecuado mantenimiento y explotación
Medidas de eficiencia energética industrial en depuradoras
Gracias a la experiencia obtenida en otras auditorías energéticas, compartimos algunas de las medidas de eficiencia energética en depuradoras más interesantes hasta el momento:
Implantación de turbocompresores de levitación magnética
Fuente: AERZEN
Fuente: AERZEN
Para la aireación del reactor biológico existen diversos equipos como soplantes y turbocompresores. Una gran solución para reducir el consumo eléctrico en plantas de mediano y gran tamaño es la instalación de turbocompresores de levitación magnética.
Instalación de paneles solares
Una importante medida de eficiencia energética en depuradoras, que se está implantando mucho en España es la generación de energía renovable para autoconsumo dentro del recinto de la estación de tratamiento de aguas.
La energía más implantada en este sentido es la energía solar fotovoltaica mediante la instalación de paneles solares de alto rendimiento. Este tipo de medida requiere conocimientos avanzados, que puedes adquirir en el curso de fotovoltaica.
Otra ventaja de esta medida es que el exceso de energía generada se puede inyectar en la Red Nacional. Esta operación produce ingresos que se consideran un menor coste en la explotación de la EDAR.
Empleo de la energía hidráulica
La generación de energía hidroeléctrica consiste en transformar la energía potencial de una masa de agua situada en el punto más alto en energía eléctrica. La potencia eléctrica que se obtiene es proporcional al caudal utilizado y a la altura del salto.
En algunas EDAR es posible realizar pequeños aprovechamientos mini o microhidráulicos. Se considera una instalación de energía minihidraúlica a aquella cuya potencia extraída es menor a 10 MW.
Esta medida de eficiencia energética pretende aprovechar las pendientes significativas y reducir las presiones que se pueden llegar a alcanzar dentro del circuito.
En estos momentos, existen muy pocos precedentes de recuperación de energía mediante métodos hidroeléctricos de agua residual depurada. Esto es debido a las configuraciones de las EDAR y su instalación sobre el terreno. Este tipo de mejora es especialmente interesante en EDARs de gran capacidad.
Para integrar la energía generada se deben preparar los sistemas de control de una EDAR y compatibilizarlos con el suministro externo.
Ventajas de la energía hidráulica
Las principales ventajas de este tipo de generación de energía son:
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- producción de energía eléctrica estable
- la materia prima (flujo de agua bruta) es estable y predecible
- es una buena medida de eficiencia energética
- tiene costes de mantenimiento y explotación bajos
- es una energía barata
- es respetuosa con el medio ambiente y sostenible.
Inconvenientes de la energía hidráulica
Sus inconvenientes más destacados son:
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- el emplazamiento adecuado: requiere un importante desnivel en la línea de tratamiento
- el coste económico: requiere una inversión para la ingeniería y la instalación de la tecnología adecuada
La instalación de energía hidráulica en una depuradora
Hay dos momentos fundamentales en la instalación de energía hidráulica en una depuradora de aguas residuales. Estos son:
· la fase inicial de la EDAR
Se coloca una turbina aguas arriba de la EDAR. Se beneficia del desnivel existente, o se provoca un desnivel grande, en la fase de diseño entre la red y la instalación.
Es muy importante la selección de la turbina a instalar. Esta turbina debe admitir mecánicamente las impurezas del agua residual. Otra opción es situarla después del pretratamiento. Una turbina, que trabaja con agua bruta, está sujeta a un desgaste y una corrosión muy superior a la que trabaja con agua pretratada. En este caso, su vida útil será menor y debe ser considerado para estudiar los costes de operación.
· la fase final de la EDAR
La turbina se instala en el efluente, es decir, a la salida de la EDAR con el agua tratada. Para su instalación requiere un desnivel entre la EDAR y el punto de vertido (mar o río). Este aspecto debe estar bien definido en el proyecto de licitación y supervisado en la fase de diseño. En este punto es importante que se determinen las condiciones de caudal y salto neto para el aprovechamiento energético.
Un ejemplo de este tipo de instalación se puede ver en la EDAR de La Cartuja (Zaragoza). Esta EDAR ha aprovechado un salto de 8,50 metros que se produce entre la salida del agua tratada y el nivel de agua del río Ebro. Esta planta de tratamiento de aguas se construyó a una cota más alta que el río. El motivo fue protegerla de las previsibles crecidas. La producción de energía prevista según el proyecto será aproximadamente de 685.000 kWh al año.
Eficiencia energética industrial en desodorización
El crecimiento de las ciudades ha producido un acercamiento de las poblaciones a las estaciones de depuración de agua residual. Los olores generados perjudicaban a estas poblaciones y a los trabajadores de las EDAR. Para solucionar este problema se construyen instalaciones de desodorización.
Las instalaciones de desodorización sirven para la eliminación de los olores y compuestos orgánicos volátiles, COV’s. Las desodorizaciones requieren ventiladores extractores de gran caudal con un alto consumo eléctrico.
Una buena medida de eficiencia energética es la mejora de los sistemas de control mediante la instalación de sensores de partículas malolientes que permiten modular el tratamiento. Este sistema automático permitiría encender la desodorización cuando la contaminación alcanza un valor previamente establecido, y graduar la intensidad cuando baja la contaminación. Incluso se podría programar para que se detenga cuando las partículas contaminantes se encuentren or debajo de un umbral.
Otra medida de eficiencia energética en este proceso consistiría en sectorizar su funcionamiento. Se puede instalar un programa de automatizado y se puede asignar consignas diferentes para cada proceso. Este programa actuaría en función de sus niveles de contaminación, consiguiendo así un ahorro energético importante.
Esta solución permite tratar grandes volúmenes de aire con altas cargas de contaminantes generando unos costes de operación bajos y con un retorno de la inversión a corto plazo.
Actualización de los sistemas de control de una EDAR
Los sistemas de control de una EDAR son fundamentales para optimizar el consumo eléctrico y para alcanzar una buena calidad del efluente.
El rendimiento de cualquier elemento de una depuradora de aguas residuales se reduce a lo largo de su ciclo de vida útil. El motivo de este suceso es el deterioro de los equipos electromecánicos por desgastes mecánicos, fenómenos de oxidación, incrustaciones inorgánicas y deposiciones orgánicas.
El mantenimiento de las instalaciones y los equipos influye sobre el adecuado funcionamiento de los procesos de la EDAR. También influye en el consumo energético de forma general y en el consumo de forma particular.
El objetivo del mantenimiento periódico de equipos sirve para asegurar y garantizar el buen funcionamiento de las instalaciones, mantener los equipos operativos las 24 horas del día, y minimizar los tiempos de paradas y averías.
Esto se realiza de forma habitual en cualquier EDAR. La mejora en la eficiencia energética de la EDAR está en una modificación tanto en la instalación como en la programación SCADA para el control de los mantenimientos de cada equipo de la EDAR de forma automatizada.
Se trata que el SCADA programe de forma automática, o avise cuando se requiera la actuación manuel, las labores de mantenimiento. Un ejemplo podría ser el cambio automático determinado de funcionamiento de las bombas para que la que se encuentra inoperativa en ese momento sea puesta en marcha modificando mediante valvulería las conducciones de agua. Esta operación debería ser completamente automática sin necesidad de que el operario esté presente en esa sección de la instalación.
Un ejemplo de aviso para realizar una tarea manual sería dar aviso de la necesidad de la limpieza de las rejillas de pretratamiento.
La actualización del SCADA requiere un técnico especialista en procesos y un informático para implementar un subprograma básico dentro de SCADA exclusivo para mantenimiento.
Las tareas específicas que debe incluir son:
-
- registro del mantenimiento global de la EDAR
- histórico de las actividades de mantenimiento
- elaborar informes periódicos (semanales, mensuales, trimestrales, y anuales)
- evitar paradas innecesarias
- comunicar actuaciones frecuentes para el personal de mantenimiento
Eficiencia energética industrial mediante sectorización
Las instalaciones de tratamiento de aguas habitualmente están sobredimensionadas en el momento de la contrucción. En otras palabras, el proyecto contempla caudales que en el momento de la ejecución no se reciben. La consecuencia directa es que no es necesario el funcionamiento de todos los equipos disponibles en planta.
Las causas de esta situación pueden ser varias. No obstante, lo más habitual es que se construyeron en un momento en que las previsiones de población eran superiores y no ha pasado el tiempo de horizonte suficiente o la población evoluciona de forma diferente a lo establecido en el proyecto.
En estos casos, los equipos instalados trabajan con un caudal real inferior al de diseño. Esto produce un incremento notable del consumo energético y una reducción notable en el rendimiento de los procesos de los diferentes tratamientos de aguas residuales. Un ejemplo frecuente lo encontramos en los equipos de aireación y en los bombeos.
En esta circunstancia, es beneficioso que la instalación disponga de variadores de frecuencia en equipos adecuados. Dos buenos ejemplos son las bombas y las soplantes. En otras situaciones es conveniente contar con diversos equipos de menor potencia, que tener un único equipo cuya potencia sea mayor. Así podemos adaptarnos a la variabilidad de la carga de entrada. Aunque suponga un mayor coste a priori, es más eficiente y tendremos reserva ante posibles averías. El sobrecoste de un número mayor de equipos y conexiones, se verá amortizado rápidamente durante la primera fase de operación de la EDAR.
Una aplicación es el proceso de desodorización para el tratamiento de los olores. En el caso de no implantarse una automatización (descrita anteriormente), otra opción es tener equipos separados y de menor potencia instalados en cada uno de los edificios: pretratamiento, deshidratación, espesador de fangos y tolva de almacenamiento. De esta forma, pueden funcionar de manera independiente según la solicitud de cada proceso.
Otro ejemplo de segmentación de las instalaciones está en el reactor biológico. Lo más conveniente es que existan varías líneas de tratamiento. En los cálculos de procesos se debe considerar el funcionamiento con varias hipótesis de caudal. El diseño debe contemplar varios reactores y la posibilidad de funcionar con uno, dos o más simultáneamente. De esta forma se ajustará el caudal real a unos parámetros de proceso adecuado y se logrará una mayor calidad del efluente y una gran disminución en el consumo eléctrico cuando no sea necesario el uso de equipos de gran potencia.
La eficiencia energética en plantas industriales
Para alcanzar una satisfactoria eficiencia energética en plantas industriales es necesario realizar inspecciónes profundas, es decir, auditorías. La auditoría energética en plantas industriales consiste en desarrollar un procedimiento sistemático y riguroso para obtener una información fiable y útil. Estos datos están orientados al conocimiento del perfil de los consumos energéticos de la planta.
Estos aspectos son de aplicación total en una planta de tratamiento de aguas, es decir, se aplica de igual forma en una depuradora, una potabilizadora, o una desaladora.
Una buena auditoría energética debe identificar todos los puntos de consumo de la instalación y valorar las posibilidades de ahorro de energía en cada uno de ellos. Este análisis se debe efectuar desde un punto de vista técnico y económico. Debemos reducir el consumo sin disminuir, incluso mejorando, la calidad del efluente.
La auditoría energética debe finalizar proponiendo mejoras técnicas de eficiencia energética, justificadas técnica y económicamente.
Los objetivos de una auditoría energética en una depuradora
Los objetivos prioritarios de una auditoría energética en EDAR son:
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- Conocer la situación energética de la EDAR
- Definir los puntos de consumo real de la EDAR
- Analizar la eficacia de consumo energético en cada punto
- Exponer la compra y uso real de la energía
- Analizar el balance energético global de todos los equipos electro mecánicos
- Identificar los principales puntos de potencial ahorro de electricidad
- Evaluar la implantación de energías renovables para el autoconsumo de la EDAR
- Estudiar económicamente los volúmenes de ahorro eléctrico en la EDAR
- Definir medidas técnicas concretas para alcanzar los volúmenes de ahorro anteriores
- Establecer las relaciones entre los costes y beneficios para establecer una lista de prioridades de actuación
- Planificar un empleo óptimo de la energía para mejorar los rendimientos sin acometer inversiones adicionales
Tipos de auditoría energética en plantas de tratamiento de agua
Una depuradora de aguas residuales puede solicitar distintos tipos de auditoría energética en función de sus necesidades y de los objetivos que pretenda alcanzar.
La auditoría energética busca relacionar los consumos energéticos en toda la EDAR, la automatización de los procesos, la generación mediante energías renovables y siempre considerando la máxima calidad del efluente producido en la instalación.
A partir de la línea de procesos y considerando todos los equipos electro mecánicos de la EDAR se busca una mejora de la eficiencia energética y un importante ahorro en los costes de la energía.
El alcance de la auditoría energética es variable en función de los objetivos del cliente final. Cuanto mayor sea el alcance, mayor será el grado de definición de las actuaciones concretas, y mayor será el número de equipos analizados.
Las modalidades de auditoría energética en EDAR son:
✅ Auditoría energética global: realiza un análisis energético de todos los puntos de consumo eléctrico de la planta. Su objetivo primordial es analizar la energía y su relación con los procesos del tratamiento de aguas hasta alcanzar la depuración del agua bruta.
✅ Auditoría energética parcial: realiza un análisis energético de una parte de la EDAR. Normalmente, este tipo de auditoría se efectúa como continuación de una auditoría energética global. El objetivo fundamental de una auditoría energética parcial es profundizar en el detalle de consumo energético de un proceso determinado, que ha sido identificado previamente como elemento prioritario en la mejora de la eficiencia energética de la instalación.
✅ Auditoría energética de mantenimiento: estudia las tareas de mantenimiento desde un punto de vista energético. Este tipo de auditorías evalúa cómo afectan las tareas de mantenimiento preventivo, predictivo y correctivo sobre el rendimiento energético de los equipos. Su objetivo es definir los aspectos de mejora energética en las tareas de mantenimiento de los equipos de la EDAR.
✅ Auditoría energética de supervisión: realiza un seguimiento de las propuestas energéticas de otras auditorías previas. Este tipo de auditorías busca analizar el grado de implantación y el avance real en la eficiencia energética en EDAR. Este estudio señala las desviaciones y sus causas, proponiendo actuaciones concretas para restablecer la máxima eficiencia energética posible. También, contrasta la rentabilidad económica prevista anteriormente, y actualiza el retorno de la inversión conforme a los parámetros reales de la instalación.
✅ Auditoría energética de proyecto: realiza un estudio profundo del proyecto de la planta depuradora de aguas bajo un criterio energético. Este tipo de auditoría se realiza en la fase de proyecto y es previa a la construcción de la EDAR. Su objetivo es analizar y proponer mejoras del sistema de tratamiento de aguas en la fase inicial, donde es más fácil de implantar y los costes de implantación son más bajos. Una gran ventaja es que el ahorro energético comienza desde los primeros pasos de funcionamiento de la EDAR.
✅ Auditoría de sistema de gestión energética: busca la eficiencia energética dentro de la propia empresa. Este tipo de informe detalla la política energética de la organización, los objetivos energéticos, y los procedimientos necesarios para alcanzar los objetivos. Este tipo de auditoría está orientado para alcanzar la certificación de cumplimiento de la norma ISO 50001 e incluirla en los sistemas de gestión integrados de la empresa.
✅ Auditoría de ciclo de vida: analiza desde un punto de vista energético los procesos y productos empleados durante toda la vida útil de la instalación. Es decir, desde la construcción hasta la demolición contemplando todo el periodo de explotación de la EDAR. Este tipo de auditorías es más habitual para la comparación de dos tecnologías diferentes, considerando criterios de sostenibilidad.
La eficiencia energética industrial por contratos
Las empresas que alcanzan una buena eficiencia energética industrial logran grandes ahorros energéticos usando los contratos adecuados. Existen diferentes formas de contratación, las más habituales son:
Contrato variable en función del éxito
La consultoría ambiental especializada factura de la empresa donde se realiza la auditoría en función del ahorro económico real. Para ello, se definen claramente los puntos de inicio y se mide una vez implantadas las medidas oportunas.
Contrato con precio fijo
La consultoría ambiental emite una factura acorde al presupuesto aprobado previamente al inicio de los trabajos. Este presupuesto se calcula en función de las horas de dedicación de elaborar el informe y de los medios materiales que se van a emplear.
Contrato en modalidad de ahorro compartido
La consultoría ambiental cobra unos honorarios fijos y otros variables. La parte fija se refleja en la oferta aprobada y la parte variable está en función de la mejora de la eficiencia energética alcanzada en la EDAR.
Tecnologías de eficiencia energética industrial en depuradoras
Uno de los aspectos que marcan tendencia en la eficiencia energética en EDAR es el almacenamiento de la energía producida en la planta para utilizarla por la noche. En este sentido destacamos las baterías de Litio.
La tecnología Li-ion actualmente tiene varias ventajas sobre su predecesora, el níquel cadmio. Las baterías de iones de litio proporcionan una densidad de energía significativamente alta que se puede usar para alimentar dispositivos electrónicos durante más tiempo. Este es uno de los principales factores que ha estado proliferando el crecimiento del mercado.
Además, su bajo índice de autodescarga y su bajo esfuerzo de mantenimiento ofrecen a las baterías de ión-litio una ventaja sobre los otros sustitutos disponibles en el mercado.
Con el desarrollo de nuevas variantes, la tecnología de la batería de ión de litio se puede mejorar para manejar diferentes tipos de necesidades en una EDAR.
Existe una amplia demanda de baterías que sean de bajo consumo de energía, de bajo costo y respetuosas con el medio ambiente. Además, el crecimiento del mercado conllevará una reducción de su coste a medio plazo y una mejora para reducir la contaminación.
La gestión de la energía en plantas industriales
La gestión de la energía en una planta industrial, y más concretamente en una EDAR, consiste en implantar una estrategia para satisfacer la demanda de energía cuando y donde se necesita.
El ajuste de todos los equipos electromecánicos y la optimización de los procesos reduce el consumo de electricidad. Para lograrlo se emplean diferentes sistemas y procedimientos. Estos tienen una premisa común: reducir el consumo energético y aumentar la producción de tratamiento.
La gestión de la energía ha pasado a ser una de las funciones más importantes en la explotación de una EDAR. El motivo ha sido el continuo aumento en los precios de la electricidad. Esto ha disparado los costes de las facturas eléctricas, disminuyendo el margen de beneficio de la explotación de la EDAR. Este motivo es común al resto de industrias implantadas en España.
La gestión de la energía ha llegado a la alta dirección. Esta cada día está más interesada en analizar informes donde se desglose las actividades de generación y consumo de energía dentro de cada EDAR.
Un ingeniero con conocimientos exhaustivos de Sistemas de gestión de la energía puede elaborar programas de gestión de la energía. Un programa de este tipo contiene los siguientes apartados:
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- Análisis de los datos históricos
- Consumo eléctrico clasificado en línea de agua y línea de fangos. En depuradoras de gran tamaño se puede clasificar por tratamiento primario, tratamiento secundario, tratamiento terciario, y tratamiento de fangos.
- Auditoría energética desglosada por procesos.
- Análisis de ingeniería y propuestas de inversiones justificado con estudios de viabilidad
- Formación del personal responsable de la operación de la EDAR.
El objetivo
El objetivo fundamental de la gestión de la energía en EDARs es alcanzar la mayor productividad con la mayor calidad de efluente consumiendo los mínimos recursos energéticos posibles.
Las ventajas de un informe de gestión de la energía
En la mejora continua de la operación de las depuradoras de aguas residuales se emplean con mayor frecuencia los informes de gestión de energía. Las ventajas de los informes de gestión de la energía en EDARs son:
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- Conocimiento detallado del gasto energético
- Conocimiento actualizado de los sistemas de control y operación de la EDAR
- Propuesta de medidas para optimizar la gestión energética
- Seguimiento de las medidas energéticas implantadas anteriormente
- Análisis de la reducción de los costes energéticos derivados de las medidas anteriores.
- Conclusiones del estado general de la EDAR, de la mejora de la eficiencia energética, de la competitividad y de los beneficios asociados a la explotación de la EDAR.
- Aporte a los criterios de sostenibilidad de la empresa explotadora de la EDAR considerando la reducción de emisiones de gases de efecto invernadero
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Siempre ha trabajado en ingeniería de aguas y energía en grandes empresas como FCC y ACS. Actualmente, lidera el equipo de TECPA y disfruta con la docencia de contenidos innovadores.
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