Caso real de aplicación de Peak Shaving en industria manufacturera

Comunicación presentada al III Congreso Smart Grids:

Autores

• Alfredo Pasabán Sánchez, Director Técnico, DUTT
• Ramón Ugarte Olaetxea, Director Desarrollo de Negocio, DUTT

Resumen

Dutt, Montelec Montajes Electrónicos S.L. ha desarrollado un convertidor para aplicaciones de Peak Shaving y Autoconsumo en Industria, Comercio y Agricultura con el objetivo de reducir los costes energéticos mediante la reducción del término de potencia contratado, la monitorización y la integración de energías renovables. Los costes energéticos pueden suponer hasta un 50% de los costes de producción y en dicho coste el término de potencia puede llegar a suponer hasta un 50% del mismo. El objetivo del sistema es precisamente lograr el ahorro energético aplanando los picos de consumo de cargas discontinuas, mediante el aporte extra de energía almacenada previamente en baterías. La primera instalación piloto en las propias instalaciones productivas de Dutt ha demostrado la viabilidad técnica del sistema y está permitiendo extraer las primeras conclusiones respecto a la relación coste beneficio.

Palabras clave

Almacenamiento de Energía, Peak Shaving, Conversión de Potencia, Autoconsumo, Generación Distribuida, Microred

Introducción

La reciente crisis económica mundial ha demostrado que la globalización no es una tendencia, es un hecho. La industria nacional se enfrenta a un mercado global cada vez más competitivo, en el que el factor de diferenciación ya no depende únicamente de la componente de innovación o calidad de un producto, sino también de su coste.

Los crecientes costes energéticos han lastrado en los últimos años la competitividad de las empresas. En el sector electrointensivo (metalúrgico, químico, siderúrgico, y gases industriales) pueden llegar a suponer un 50% de los costes de producción. Sin olvidar otros sectores afectados como la agricultura o el comercio. Este hecho ha generado una mayor concienciación sobre la necesidad de optimizar el consumo mediante la mejora y control de procesos, infraestructura, maquinaria, etc. La industria que ya ha dado el paso a la gestión orientada a la eficiencia se enfrenta a un nuevo dilema al observar como sus costes energéticos se mantienen por encima de los de su competencia internacional.

Por otra parte, la mayor concienciación medioambiental de la población se está trasladando paulatinamente al concepto de Responsabilidad Social Empresarial. Todas las actividades empresariales tienen un impacto sobre el medio ambiente. Para ser responsable a nivel medioambiental hay que optimizar en lo posible los recursos utilizados y tratar de minimizar el impacto. Además de las medidas de ahorro energético la industria comienza a plantearse el empleo de energías alternativas menos agresivas con el medioambiente.

Estas cuestiones y muchas más plantean la necesidad de un nuevo modelo energético en el que el usuario industrial pase de ser un sujeto pasivo a un miembro activo de la cadena. Tanto desde el punto de vista de generación como de consumo. Modelo que encaja a la perfección en lo que hoy entendemos debe ser una Smart Grid.

Dutt, como empresa tecnológica especialista en la conversión y control de la energía y a su vez con experiencia de 20 años en el desarrollo de soluciones para el sector industrial, se propuso el diseño de un sistema enfocado a la reducción de los costes energéticos en la Industria, Comercio y Agricultura, mediante la combinación de estrategias de Peak Shaving y Autoconsumo. Empleando el almacenamiento energético como tecnología integradora y facilitadora. En este contexto Dutt ha instalado un primer prototipo en sus propias instalaciones productivas de 2.300 m2 en Albiztur (Guipúzcoa), con el fin de hacer un estudio técnico-económico de la solución propuesta.

Problemática

El nivel competitivo empresarial nacional se está viendo seriamente afectado en los últimos años por el crecimiento de los costes energéticos, viendo año a año como crece su diferencial de costes frente a la competencia internacional. El siguiente cuadro es muy representativo de la evolución del precio de la electricidad desde el 2004 y muestra del hándicap al que se enfrentan. Entre el 2004 y 2010 el precio para el consumidor industrial se incrementó en un 90%.

Como consecuencia de la crisis económica se ha producido un descenso del consumo energético por el consiguiente descenso productivo y por la mejora en la eficiencia. Sin embargo, este factor ha ido perdiendo paulatinamente peso en el precio final de la factura energética. La factura eléctrica después de impuestos, peajes y alquiler, básicamente se compone del término de potencia y del término de energía. La evolución del precio de ambos ha seguido caminos opuestos. Mientras el término de energía ha descendido, el de potencia ha aumentado un 152%, 125% y 115% en las tarifas 3.0, 3.1 y 6.1 respectivamente.

La consecuencia más evidente es que las medidas de eficiencia y ahorro energético tienen un efecto mucho más limitado sobre la factura final. Las empresas carecen de herramientas que les permitan contra restar los efectos de estos cambios tarifarios. Ante esto se impone la necesidad de soluciones tecnológicas alternativas a las ya existentes.

Solución propuesta

Dutt propone una solución de eficiencia y ahorro energético en la que el usuario industrial pase a ejercer un papel activo en su gestión energética. Tanto desde el punto de vista de generación como de consumo. El sistema se compone de un equipo de medida y control y de un inversor trifásico bidireccional, capaz de integrar y almacenar en baterías la energía solar y de la red.

El sistema monitoriza mediante un PLC y unos equipos de medida los consumos de la instalación, tanto de forma global, como por áreas productivas o maquinaria específica. Esto permite detectar ineficiencias e incidencias, facilitando la toma de medidas correctoras o de mejora. Con el perfil de consumo establecido, se prefija en la pantalla táctil (o en remoto) del PLC un máximo de consumo de potencia para la instalación. A partir de ese momento el sistema monitoriza los consumos cuarto horarios (periodo de facturación), de tal modo que en el momento en que se supera el valor prefijado ordena al inversor la inyección de energía extra almacenada previamente en las baterías. De este modo se aplana la curva de consumo permitiendo reducir la potencia contratada.

Tanto el inversor, como las baterías, como el convertidor DC/DC van conectados al mismo Bus DC, aumentando así el rendimiento global de todo el sistema. La electrónica de control y potencia se han diseñado específicamente para la aplicación. Teniendo como objetivo el máximo rendimiento del sistema, su modularidad y escalabilidad para todo tipo de instalaciones y requisitos, cubriendo el rango desde los 30 kW hasta el MW. El sistema integra un convertidor DC/DC permitiendo la conexión de placas solares, reduciendo así la dependencia de la red. El control se encarga de maximizar el rendimiento de las placas y de almacenar la energía sobrante. Algunas de las funciones del sistema son:

• Monitorización energética.
• Reducción potencia contratada.
• Mejora de la calidad de red.
• Integración energía renovable.
• Respuesta automática a la demanda.
• Back-up: Garantiza el funcionamiento de cierto equipamiento ante cortes de tensión.
• Facilitador coche eléctrico: Permite integrar carga rápida de coche eléctrico (50 kW) sin necesidad de realizar costosas adecuaciones de la red.

El convertidor es agnóstico en cuanto a tecnología de almacenamiento electroquímico se refiere, dado que en función del perfil de consumo se requerirá una tecnología u otra que facilite resolver la relación entre potencia y energía necesaria.

Aplicación

Con el objetivo de verificar la viabilidad técnica y económica de la solución, se ha instalado un prototipo en las propias instalaciones productivas de 2.300 m2 de dutt en Albiztur (Guipúzcoa). Donde fabrica y ensambla todos sus diseños de electrónica de potencia y control. El primer paso consistió en desarrollar un sistema de medida e implementarlo en las instalaciones, pudiendo así controlar los consumos de forma sectorizada y global.  En paralelo se realizó un exhaustivo estudio de las facturas eléctricas de los últimos años.

El objetivo principal de ambas acciones fue el de detectar ineficiencias y optimizar procesos e infraestructura. Como consecuencia se realizaron las siguientes acciones correctoras:

• Se detectó una contratación de potencia superior a la necesaria.
• Se realizó una sustitución de luminaria por tecnología LED.
• Se adaptaron los tiempos de ciertos procesos productivos para que al solaparse no incrementaran el consumo instantáneo de manera excesiva.

Una vez implementadas las mejoras se hizo un nuevo análisis del perfil de consumo con el objetivo de determinar el pico máximo de potencia susceptible de ser eliminado. Siempre cuidando la relación coste – beneficio.

Gracias a la monitorización se detectó que, en el área de fabricación de electrónica, el horno de secado de la pasta de soldadura generaba unos picos de consumo muy marcados pero discontinuos y por tanto susceptibles de reducirse o eliminarse. Partiendo de una tarifa industrial 3.1A (P1:50 P2:50 P3:70) se marcó un objetivo de mejora, pasando a una tarifa 3.1A (P1:30 P2:30 P3:30). Para dimensionar el sistema de almacenamiento se realizó una simulación del perfil de carga de batería.

A continuación, se hizo un estudio pormenorizado de las diversas tecnologías de almacenamiento existentes, valorando incluso la hibridación mediante la combinación de tecnologías. Finalmente se optó por baterías de descarga profunda con plomo abierto. Sin existir problemas de espacio ni ventilación, los requisitos potencia/energía del perfil de dutt encajaban perfectamente con las características del plomo. Finalmente, en este caso, su coste lo señalaban como la tecnología más idónea. El sistema está sobredimensionado para pruebas con una capacidad de 96 kW/h.

Para el sistema de conversión se empleó un inversor bidireccional dutt NFS 200 de 40 kW y un convertidor DC/DC de 10 kW de nuevo desarrollo. Con el fin de optimizar al máximo el rendimiento del sistema se conectaron todos los elementos (batería, dc/dc e inversor) a un único bus DC de 400 VDC. El último paso fue la colocación de 10 kWp de paneles solares y su conexión al sistema.

Resultado

El sistema se ha implantado en enero de 2016 y aunque aún en periodo de validación, ha demostrado su capacidad para la aplicación objeto. De momento se han extrapolado algunos datos que permiten empezar a extraer algunas conclusiones.

Tomando como referencia los consumos y facturación del último año se ha hecho una simulación de costes teniendo en cuenta la nueva tarifa a contratar.

La siguiente tabla muestra muy gráficamente la previsible reducción de costes obtenidos, si con los mismos consumos nos acogiéramos a la nueva tarifa. Únicamente por término de potencia estaríamos hablando de una reducción del coste global de la factura eléctrica cercana al 17%.

A este beneficio habrá que sumar el obtenido por la reducción del consumo. En primer lugar, gracias al control y monitorización antes no existente, así como a la generación de energía solar que permitirá adicionalmente reducir un 15% la demanda. Actualmente se abre un periodo de estudio de 6 meses para el desarrollo de un Business Case que valide la idoneidad o no del sistema por país y aplicación. En función de variables como coste, tarifas, perfiles de consumo y de factores normativos y regulatorios tan críticos como el R.D Autoconsumo 900/2015.

Agradecimientos

Los autores quieren mostrar su agradecimiento al CDTI (Centro para el Desarrollo Tecnológico e Industrial) por su contribución y al Centro Tecnológico IK4 Ikerlan por su apoyo técnico al proyecto. Añadir por último una mención especial al Clúster de Energía por su ayuda en la difusión del mismo.