Metodología para la reducción de la demanda … · desarrollan sobre procesos de fermentación...
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Rubén Celorrio Lázaro Julio Blanco Fernández, Emilio Jiménez Macías y Eduardo Martínez Cámara Escuela Técnica Superior de Ingeniería Industrial Ingeniería Mecánica 2014-2015 Título Director/es Facultad Titulación Departamento TESIS DOCTORAL Curso Académico Metodología para la reducción de la demanda energética basada en medida y verificación, eficiencia energética y energías renovables. Aplicación a procesos de frío en la industria enológica Autor/es
Transcript of Metodología para la reducción de la demanda … · desarrollan sobre procesos de fermentación...
Rubén Celorrio Lázaro
Julio Blanco Fernández, Emilio Jiménez Macías y Eduardo Martínez Cámara
Escuela Técnica Superior de Ingeniería Industrial
Ingeniería Mecánica
2014-2015
Título
Director/es
Facultad
Titulación
Departamento
TESIS DOCTORAL
Curso Académico
Metodología para la reducción de la demanda energéticabasada en medida y verificación, eficiencia energética yenergías renovables. Aplicación a procesos de frío en la
industria enológica
Autor/es
© El autor© Universidad de La Rioja, Servicio de Publicaciones, 2016
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Metodología para la reducción de la demanda energética basada en medida yverificación, eficiencia energética y energías renovables. Aplicación a procesos
de frío en la industria enológica, tesis doctoralde Rubén Celorrio Lázaro, dirigida por Julio Blanco Fernández, Emilio Jiménez Macías y
Eduardo Martínez Cámara (publicada por la Universidad de La Rioja), se difunde bajo unaLicencia
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UNIVERSIDAD DE LA RIOJAESCUELA SUPERIOR DE INGENIEROS INDUSTRIALES
Departamento de Ingeniería Mecánica
Metodología para la reducción de la demanda
energética basada en medida y
energética
Aplicación a procesos de frío en la industria enológica
UNIVERSIDAD DE LA RIOJAESCUELA SUPERIOR DE INGENIEROS INDUSTRIALES
Departamento de Ingeniería Mecánica
Metodología para la reducción de la demanda
energética basada en medida y verificación, eficiencia
energética y energías renovables.
Aplicación a procesos de frío en la industria enológica
TESIS DOCTORAL
DOCTORANDO: RUBÉN CELORRIO LÁZARODIRECTORES: JULIO BLANCO FERNÁNDEZ EMILIO JIMÉNEZ MACÍAS EDUARDO MARTÍNEZ CÁMARA
Logroño, Junio 2015
UNIVERSIDAD DE LA RIOJA ESCUELA SUPERIOR DE INGENIEROS INDUSTRIALES
Departamento de Ingeniería Mecánica
Metodología para la reducción de la demanda
verificación, eficiencia
renovables.
Aplicación a procesos de frío en la industria enológica
RUBÉN CELORRIO LÁZARO DIRECTORES: JULIO BLANCO FERNÁNDEZ
EMILIO JIMÉNEZ MACÍAS MARTÍNEZ CÁMARA
Logroño, Junio 2015
ÍNDICE GENERAL
I
TITULO: Metodología para la reducción de la demanda energética basada en medida y
verificación, eficiencia energética y energías renovables. Aplicación a procesos
de frío en la industria enológica
TITLE: Methodology based on measurement and verification, energy efficiency and
renewable energy for reducing energy demand. Cold application processes in the
wine industry
DOCTORANDO: Rubén Celorrio Lázaro
DIRECTORES: Julio Blanco Fernández
Emilio Jiménez Macías
RESUMEN / ABSTRACT
Energy is present in all human activities, exponentially growing energy needs with the
development of mankind. Energy sources used on a large scale have traditionally been based
on fossil fuels: coal, oil and natural gas.
Fossil fuels have several limitations. His finite nature causes limitations on supply
capacity and economic and geopolitical instabilities. In addition, fossil fuels are the main
source of greenhouse gas effect wintered. That is causing negative effects and changes in
global weather.
The current energy situation, with forecasts of continued price increases, reduces the
competitiveness of organizations and destabilizing the economies of countries. It’s necessary
a globally change of the way humanity is facing its energy needs, to cover their needs in a
more sustainable and rationa way. Improving efficiency in energy consumption has to be
made at all levels, preventing wastage and inefficient consumption. In adition, energy
ÍNDICE GENERAL
II
generation must be made from renewable sources, able to recover unlimited and reduced
environmental impact.
The present work develops a methodology for reduction of the energetic demand based
on measuing and verification demand, energy efficiency and renewable energy. The joint
work on the generation and the energetic demand, with the suitable control from the
information of the process allow to optimize globally the energetic system, reducing the
economic and environmental impacts in the major possible degree.
Joint action on the three items indicated allows to maximize the obtained results,
working from the actual information of the process itself. Individual actions only will allow to
solve partially the problem and the best results are not being reached.
Three practical cases of application of the developed methodology applied to cooling
processes in the wine industry are developed. Cooling processes are the main energy
consumption in the wine industry. The practical applications are developed on fermentation
processes, cold maceration and cold stabilization.
ÍNDICE GENERAL
III
La energía está presente en todas las actividades humanas, creciendo exponencialmente
las necesidades energéticas con el desarrollo de la humanidad. Las fuentes de energía
utilizadas a gran escala se han basado tradicionalmente en los combustibles fósiles: carbón,
petróleo y gas natural.
Los combustibles fósiles tienen varias limitaciones. Su carácter finito origina
inestabilidades económicas y geopolíticas así como limitaciones en la capacidad de
suministro. Por otro lado, los combustibles fósiles son la principal fuente de emisiones de
gases de efecto invernado. Ello está causando efectos negativos y cambios en climatología a
nivel global.
La coyuntura energética actual, con previsiones de incremento continuado de los precios,
reduce la competitividad de las organizaciones e inestabiliza la economía de los países. Es
necesario un cambio a nivel global de la forma que la humanidad afronta sus necesidades
energéticas, cubriendo sus necesidades de una forma más sostenible y racional. La mejora de
la eficiencia en los consumos energéticos ha de ser realizada a todos los niveles, evitando
derroches y consumos ineficientes. En segundo lugar la generación energética ha de ser
realizado a partir de fuentes renovables, capaces de reponerse de forma ilimitada y con
reducido impacto ambiental.
El presente trabajo desarrolla una metodología para la reducción de la demanda
energética basad en medida y verificación, eficiencia energética y energías renovables. El
ÍNDICE GENERAL
IV
trabajo conjunto sobre la generación y la demanda energética, con el adecuado control desde
la información del proceso permite optimizar globalmente el sistema energético, reduciendo
el impacto económico y medioambiental en el mayor grado posible.
La acción conjunta sobre los tres conceptos indicados permite maximizar los resultados
conseguidos, trabajando desde la información real del propio proceso. Acciones individuales
únicamente permitirán solucionar parcialmente el problema no alcanzánsose los mejores
resultados.
Se desarrollan tres casos prácticos de aplicación de la metodología desarrollada
aplicados a procesos de refrigeración en la industria enológica. Los procesos de refrigeración
son los principales consumos energéticos en bodegas. Las aplicaciones prácticas se
desarrollan sobre procesos de fermentación alcohólica, maceración prefermentativa en frío y
estabilización por frío.
ÍNDICE GENERAL
I
Índice general
1. INTRODUCCIÓN .................................................................................................. 11
2. PLANTEAMIENTO DE LA TESIS ..................................................................... 16
2.1 MOTIVACIÓN ..................................................................................................... 16
2.2 OBJETIVOS ......................................................................................................... 17
2.3 ESTRUCTURA ..................................................................................................... 18
2.4 CONTRIBUCIONES Y CONTENIDO....................................................................... 19
3. MARCO TEÓRICO ............................................................................................... 20
3.1 DESCRIPCIÓN DEL PROCESO DE ELABORACIÓN DE VINO ..................................... 20
3.2 MACERACIÓN PREFERMENTATIVA EN FRÍO ......................................................... 28
3.3 FERMENTACIÓN ALCOHÓLICA ............................................................................ 32
3.4 ESTABILIZACIÓN POR FRÍO ................................................................................. 34
3.5 ENERGÍA ............................................................................................................ 36
3.5.1 Desarrollo económico basado en la energía ............................................ 37
3.5.2 Emisiones de efecto invernadero .............................................................. 40
3.6 EFICIENCIA ENERGÉTICA .................................................................................... 41
3.6.1 Medida y verificación de ahorros - IPMVP ............................................. 44
3.7 ENERGÍAS RENOVABLES .................................................................................... 48
3.7.1 Energía Eólica .......................................................................................... 50
3.7.2 Energía Hidráulica ................................................................................... 51
3.7.3 Energía Geotérmica.................................................................................. 52
3.7.4 Energía Solar ............................................................................................ 52
3.7.5 Energía mareomotriz ................................................................................ 55
3.7.6 Biomasa .................................................................................................... 55
3.8 METODOLOGÍA DESARROLLADA ........................................................................ 57
4. ESTADO DEL ARTE ............................................................................................. 62
ÍNDICE GENERAL
II
5. METODOLOGÍA DE OPTIMIZACIÓN ENERGÉTICA EN PROCESOS DE
FERMENTACIÓN EN BODEGAS ..................................................................................... 71
5.1 INTRODUCCIÓN ................................................................................................. 71
5.1.1 Contexto de investigación ........................................................................ 71
5.1.2 Revisión de literatura. .............................................................................. 75
5.2 MÉTODOS Y MATERIALES .................................................................................. 77
5.2.1 Modelo energético .................................................................................... 80
5.3 REFRIGERACIÓN ................................................................................................ 86
5.4 PROTOCOLO DE MEDIDA Y VERIFICACIÓN .......................................................... 89
5.5 ANALISIS DE RESULTADOS ................................................................................. 92
5.5.1 Caso inicial .............................................................................................. 92
5.5.2 Estudio de caso ........................................................................................ 93
5.5.3 Variación de variables y estrategias de refrigeración ............................. 99
5.6 DISCUSIÓN ...................................................................................................... 106
5.7 CONCLUSIONES ............................................................................................... 107
6. METODOLOGÍA DE OPTIMIZACIÓN ENERGÉTICA EN PROCESOS DE
MACERACIÓN PREFERMENTATIVA ........................................................................... 111
6.1 INTRODUCCIÓN ................................................................................................ 111
6.1.1 Contexto de investigación ....................................................................... 111
6.1.2 Revisión de literatura. ............................................................................. 115
6.2 MÉTODOS Y MATERIALES ................................................................................. 117
6.2.1 Tipo de maceración prefermentativa en frío ........................................... 119
6.2.2 Modelo energético .................................................................................. 121
6.2.3 Modelo energético refrigeración prefermentativa ................................. 124
6.2.4 Modelo energético para la refrigeración durante el proceso de
maceración 127
6.2.5 Protocolo de medida y verificación ....................................................... 129
6.3 MEDIDAS DE EFICIENCIA ENERGÉTICA ............................................................ 131
6.3.1 Aerotermia .............................................................................................. 131
6.3.2 Aislamiento depósito y sistema refrigeración entrada pasta ................. 132
6.3.3 Temperatura entrada producto .............................................................. 133
ÍNDICE GENERAL
III
6.4 ENERGÍAS RENOVABLES .................................................................................. 134
6.4.1 Fotovoltaica ............................................................................................ 135
6.4.2 Eólica ...................................................................................................... 136
6.5 ANÁLISIS DE RESULTADOS ............................................................................... 136
6.5.1 Caso inicial ............................................................................................. 136
6.5.2 Estudio de caso ....................................................................................... 138
6.6 DISCUSIÓN ....................................................................................................... 154
6.7 CONCLUSIONES ............................................................................................... 157
7. METODOLOGÍA PARA LA MEJORA DE LA EFICIENCIA ENERGÉT ICA
Y GENERACIÓN A TRAVÉS DE ENERGÍAS RENOVABLES EN PRO CESOS DE
ESTABILIZACIÓN POR FRÍO ......................................................................................... 161
7.1 INTRODUCCIÓN ................................................................................................ 161
7.1.1 Contexto de investigación ....................................................................... 161
7.1.2 Revisión de literatura. ............................................................................ 168
7.2 MÉTODOS Y MATERIALES ................................................................................. 173
7.2.1 Modelo energético .................................................................................. 173
7.2.2 Protocolo de medida y verificación ........................................................ 176
7.2.3 Medidas de Eficiencia Energética .......................................................... 178
7.2.4 Temperatura entrada producto ............................................................... 178
7.2.5 Zona dedicada a la estabilización por frío ............................................. 179
7.2.6 Aislamiento depósito .............................................................................. 180
7.2.7 Rendimiento equipo refrigeración .......................................................... 181
7.2.8 Doble consigna, refrigeración nocturna, reducción de puntas de consumo
y redistribución de cargas .............................................................................................. 182
7.2.9 Energías Renovables .............................................................................. 183
7.2.10 Fotovoltaica ............................................................................................ 185
7.2.11 Eólica ...................................................................................................... 186
7.3 ANÁLISIS DE RESULTADOS ............................................................................... 187
7.3.1 Estudio de caso ....................................................................................... 187
7.4 DISCUSIÓN ....................................................................................................... 198
7.5 CONCLUSIONES ............................................................................................... 204
ÍNDICE GENERAL
IV
8. CONCLUSIONES ................................................................................................ 207
8.1 RESULTADOS Y DISCUSIÓN............................................................................... 207
8.2 CONCLUSIONES ............................................................................................... 209
8.3 PERSPECTIVAS DE FUTURO .............................................................................. 210
9. REFERENCIAS ................................................................................................... 213
Introducción
5
Índice de figuras
Fig. 1 Proceso general de elaboración del vino
Fig. 2 Gráfico Presión-Volumen del CO2
Fig. 3 Pilares básicos de la metodología propuesta
Fig. 4 Metodología de trabajo
Fig. 5 Evolución de la densidad y temperatura durante el proceso de fermentación.
Fig. 6 Evolución del CO2 generado durante el proceso de fermentación respecto al
nivelmáximo y la velocidad de producción de CO2 respecto al nivel máximo.
Fig. 7 Potencia de todas las variables consideradas en el balance térmico del proceso
defermentación en depósito incluyendo la potencia transmitida por el proceso de
refrigeración: Potencia generada en el proceso de fermentación, potencia absorbida por
el mosto, potencia transmitida a través de las paredes del depósito, potencia transmitida
por evaporación y potencia de refrigeración.
Fig. 8 Potencia de refrigeración y regresión obtenida para la misma mediante la línea de
referencia plantada.
Fig. 9 Temperatura del mosto para depósitos con temperaturas iniciales de 17ºC y 19ªC
Fig. 10 Potencia de refrigeración para depósitos con temperaturas iniciales de 17ºC y 19ªC
Fig. 11 Potencia de refrigeración bajo diferentes estrategias.
Fig. 12 Temperatura del mosto durante la fermentación siguiente diferentes estrategias de
refrigeración (temperatura de referencia 28ºC).
Introducción
6
Fig. 13 Energía demanda en periodo de referencia y demostrativo durante la fase de
refrigeración de la uva
Fig. 14 Energía demanda en periodo de referencia y demostrativo durante la fase de
maceración prefermentativa
Fig. 15 Energía demanda en función del rendimiento energético de la instalación (Tº pasta
de uva 22ºC , Tª bodega 15ºC y Tª de refrigeración 5ºC).
Fig. 16 Energía demanda en función del de la temperatura de la bodega para diferentes
temperaturas de entrada de la uva a la bodega
Fig. 17 Energía demanda para diferentes temperaturas de entrada de la uva a la bodega en
función del rendimiento energético de la instalación
Fig. 18 Temperatura en bodega y el exterior con referencias de activación del sistema
aerotérmico
Fig. 19 Temperatura en bodega y uvas en maceración
Fig. 20 Energía generada a través de energías renovables
Fig. 21 Porcentaje de la demanda eléctrica cubierta por energía solar fotovoltaica, eólica y
demanda de la red de distribución.
Fig. 22 Energía demandada por el proceso antes y después de implantación de medida de
ahorro energético (línea azul) y energía calculada a través de la línea de referencia del
proceso (línea roja)
Fig. 23 Energía demandada por el proceso, obtenida de la red eléctrica de distribución y
generada a través de energías renovables. La energía excedente se utiliza para otras
demandas de energía.
Fig. 24 Energía eléctrica demanda de la red y obtenida a través de energía renovables,
solar fotovoltaica, eolíca y total.
Introducción
7
Índice de tablas
Tabla 1. Aplicación de la metodología IPMVP.
Tabla 2. Condiciones iniciales del estudio
Tabla 3. Potencia y energía bajo varias estrategias de refrigeración.
Tabla 4. Condiciones iniciales del estudio
Tabla 5. Variación de la demanda eléctrica en función de diferentes temperaturas de bodega
y uva
Tabla 6. Porcentajes de energía generada a través de diferentes combinaciones de energías
renovables y demanda de la red para una temperatura en bodega de 15ºC.
Tabla 7. Porcentajes de energía generada a través de diferentes combinaciones de energías
renovables y demanda de la red para una temperatura en bodega de 12ºC.
Tabla 8. Ahorros conseguidos por diferentes medidas de ahorro energético en función del
tiempo de proceso
Introducción
8
Índice de ecuaciones
[Eq. 1] Balance energético
[Eq. 2] Potencia fermentación
[Eq. 3] Potencia absorbida por el mosto
[Eq. 4] Densidad mosto
[Eq. 5] Calor específico mosto
[Eq. 6] Potencia transmitida por el depósito
[Eq. 7] Potencia evaporación
[Eq. 8] Potencia refrigeración
[Eq. 9] Potencia conducciones refrigeración
[Eq. 10] Potencia refrigeración con pérdidas camisa
[Eq. 11] Potencia refrigeración con pérdidas en camisa y conducciones
[Eq. 12] Potencia eléctrica consumida por el sistema de refrigeración
[Eq. 13] Línea de referencia con potencias
[Eq. 14] Línea de referencia con variables
[Eq. 15] Línea de referencia con variables a temperatura constante
[Eq. 16] Ahorros IPMVP
[Eq. 17] Balance energético
[Eq. 18] Energía aportada por el CO2
Introducción
9
[Eq. 19] . Energía enfriamiento pasta uva
[Eq. 20] Energía conducción tanque refrigeración
[Eq. 21] Energía conducción tuberías refrigeración
[Eq. 22] Energía eléctrica consumida en refrigeración por CO2
[Eq. 23] Energía transmitida por conducción a través de las paredes del depósito.
[Eq. 24] Energía transmitida por conducción a través de las paredes del depósito,
a la bodega y a las conducciones.
[Eq. 25] Energía térmica total proceso maceración
[Eq. 26] Energía eléctrica total del proceso de maceración
[Eq. 27] Energía eléctrica considerando el rendimiento del equipo térmico
[Eq. 28] Energía total: refrigeración, maceración y ajustes
[Eq. 29] Línea de referencia proceso refrigeración
[Eq. 30] Ahorro
[Eq. 31] Energía producción vino
[Eq. 32] Energía enfriamiento pasta uva
[Eq. 33] Energía conducción tanque refrigeración
[Eq. 34] Temperatura congelación del vino
[Eq. 35] Energía térmica total proceso estabilización por frío
[Eq. 36] Energía eléctrica considerando rendimiento equipo producción
[Eq. 37] Energía eléctrica total del proceso de estabilización por frío
Introducción
10
[Eq. 38] Línea de referencia proceso de estabilización por frío
[Eq. 39] Ahorros conseguidos
Introducción
11
1. Introducción
Competitividad y sostenibilidad son dos conceptos muy relacionados con la sociedad del
siglo XXI. La reducción de los consumos desarrolla una nueva cultura social basada en la
eficiencia en recursos. La nueva era tiene uno de sus grandes retos en mejorar de forma
importante la competividad de la industria y la sociedad en general, aumentando la
sostenibilidad y el respeto al medio ambiente.
La optimización de procesos es algo presente en todas las organizaciones desde el
comienzo de la humanidad. Actualmente, la competencia en todos los sectores obliga a un
continuo proceso de evolución tecnológica y optimización de procesos en búsqueda de
mejores resultados en las organizaciones. La competitividad observada en sentido amplio,
implica connotaciones en cuanto a calidad, reducción de costes, respeto al medio ambiente,
condiciones laborales, etcétera. En definitiva en todos los ámbitos de las organizaciones.
La coyuntura internacional y la globalización obligan a optimizar al máximo todos los
recursos con objeto de lograr el máximo desempeño con todas las acciones que desarrollan las
organizaciones. Dentro de la eficiencia uno de los más importantes y con mayor recorrido de
mejora es la eficiencia energética. Muchos investigadores y profesionales destacan las
energías renovables yla eficiencia energética como soluciones prometedoras a los actuales
retos energéticos (Carley et al., 2014)
Introducción
12
El aumento constante de los costes energéticos, derivados fundamentalmente de
combustibles fósiles, obliga a una nueva era basada en la optimización de los consumos
energéticos y la adopción de la gestión de la energía como un objetivo fundamental
(Wulandari et al., 2015). Hasta finales de los años 90 no se empezaron a desarrollar avances
en el sector industrial en cuanto a optimización energética y la implantación de una cultura
energética ¡Error! No se encuentra el origen de la referencia.)
La optimización de consumos energéticos en conjunción con nuevas fuentes de energía
basadas en fuentes renovables permite dotar a las diferentes instalaciones de un mayor grado
de autoproducción de la energía necesaria para su desempeño.
El sector vitivinícola ha vivido en las últimas décadas importantes avances en sus
procesos productivos. Si bien el fondo sigue siendo el mismo, la forma ha cambiado de forma
muy importante con la aplicación de la ingeniería, desarrollo de equipamiento y productos y
métodos de trabajo. La vinificación industrial involucra gran cantidad de variables, físicas,
químicas, biológicas etcétera que es necesario considerar.
Algunos procesos de la industria enológica han sufrido importantes avances, como es el
embotellado y expedición a través del control y automatización industrial, no siendo el caso
de la vertiente energética que tradicionalmente no ha sido considerado en el sector
vitivinícola. El consumo energético es una parte importante de todo proceso productivo, el
cual se incrementa progresivamente y es necesario optimizar para mejorar la competitividad
del producto.
Introducción
13
La optimización energética permitirá lograr mejores resultados económicos por la
reducción del consumo, mejora del impacto medioambiental de la actividad y mejora de la
calidad al someter al proceso a un mayor control. A ello hay que sumar otros efectos cruzados
de mejora y optimizaciones en otros apartados.
La enología industrial actual precisa de importantes cantidades de energía para realizar
sus procesos, siendo la refrigeración es el mayor consumo energético dentro de los procesos
enológicos, acaparando el más del 40% de los consumos energéticos en la bodega. Algunos
autores, en función del tipo de bodega, producto y localización lo sitúan entre un 50% y un
70% del consumo total de la bodega (Palacios et al., 2009).
Los principales procesos de refrigeración en la producción de vino se dan en el proceso
de fermentación alcohólica, maceración preferementativa en frío a la llegada de la uva a la
bodega y estabilización por frío una vez terminada la fermentación
La optimización energética en el sector vitivinícola precisa de herramientas que permitan
optimizar los procesos desde la información real y desarrollar medidas encaminadas a la
mejora de la eficiencia o generación basada en energías renovables, todo ello con la adecuada
rigurosidad y control.
Introducción
14
El presente documento desarrolla una metodología para la optimización energetica de
instalaciónes y procesos, aplicándose a los principales procesos de tratamiento por frío de la
industria enológica. Son tratados la maceración prefermentativa en frio, la fermentación
alcohólica y la estabilización por frío.
La metodología combina estrategias de eficiencia y reducción activa de consumos
energéticos desarrollando técnicas de media y verificación de los resultados conseguidos junto
con la generaciónenergética a partir de energías renovables.
Toda metodología ha de permitir determinar de forma inequívoca y normalizada los
resultados conseguidos, determinando los ahorros conseguidos a partir de información real de
nuestro proceso. Para ello se utilizarán protocolos de medida y verificación de ahorros
energéticos.
. El inicio del proceso mediante la recopilación de información y su análisis para la
detección de oportunidades de ahorro permite una mejor elección de las medidas de ahorro
energético a implantar. La información puede ser utilizada posteriormente para comprobar los
resultados obtenidos. El cálculo de los resultados y los ahorros conseguidos es fundamental en
toda estrategia de reducción de consumos y mejora del desempeño
La información disponible previa a la implantación de medidas de ahorro y la
disponible tras realizar la implantación de medidas de ahorro permite el cálculo de los ahorros
conseguidos y las mejoras en el desempeño y la competitividad de la organización. Desde la
Introducción
15
información real es posible plantear nuevos objetivos con un correcto seguimiento de las
medidas ya implantadas. La información disponible y su adecuado análisis permiten la
monitorización de los resultados conseguidos, la actuación ante desviaciones y el
planteamiento de nuevos objetivos de mejora.
El trabajo desde la información real, convenientemente analizada permite determinar las
mejores medidas de ahorro energético en cada caso, consiguiendo reducir la demanda
energética, mejorando el rendimiento y los resultados de la organización en el mayor grado
posible.
Una vez reducida la demanda energética se procede a generar la energía necesaria a
través de energías renovables. Las energías renovables permiten reducir el impacto ambiental
de las actividades industriales, reduciendo las emisiones de forma muy importante y
mejorando la sostenibilidad.
Los diferentes gobiernos a nivel mundial realizan grandes esfuerzos para desarrollar
formas de generación basadas en las energías renovables reduciendo su dependencia de los
combustibles fósiles y las emisiones de gases de efecto invernadero. Junto a ello, las energías
renovables tienen otras ventajas que potencian su desarrollo.
Planteamiento de la tesis
16
2. Planteamiento de la tesis
2.1 Motivación
La demanda energética en las organizaciones se incrementa año a año, del mismo modo
que se incrementan los costes unitarios derivados de los consumos energéticos. Ello origina
un aumento exponencial de los costes energéticos para las organizaciones, mermando los
resultados económicos de forma muy importante.
En situaciones de crisis ello se pone mucho más en evidencia. Una buena gestión de los
recursos puede suponer en muchas ocasiones la diferencia entre la obtención de beneficios o
pérdidas, la supervivencia o la desaparición de una organización.
En conjunción con ello, la actividad humana y su demanda energética originan un gran
impacto ambiental, produciendo emisiones de gases de efecto invernadero que están
produciendo un impacto muy negativo en el clima del planeta.
Las fuentes de energía que componen el mix energético en la mayoría de los paises están
basadas en gran medida en combustibles fósiles. La reducción de la disponibilidad de los
mismos motiva la necesidad de nuevas fuentes de energía de carácter renovable y de bajo
impacto ambiental.
Planteamiento de la tesis
17
Es imprescindible reducir los consumos energéticos en las organizaciones y las
diferentes actividades humanas, tanto por motivos particulares como globales. Los costes
energéticos se están disparando mermando la competitividad de las organizaciones, siendo
necesaria la optimización de los procesos y la reducción de los consumos junto con la
generación energética basada en energías renovables para reducir el impacto de las
actividades humanas.
2.2 Objetivos
El objetivo del presente trabajo es el desarrollo de una metodología para la reducción
de la demanda energética. La metodología planteada ha de permitir conseguir los mejores
índices de desempeño posibles de forma sostenible en el tiempo para las organizaciones que
lo implementen.
Los objetivos fundamentales de la metodología son los siguientes:
- Mejora de la eficiencia energética y reducción de consumos.
- Generación a través de energías renovables de la energía consumida en la
organización.
- Establecer los métodos para el control, cuantificación y sostenibilidad en todas las
fases.
La metodología desarrollada es aplicada a procesos de refrigeración en la industria
enológica. La refrigeración es utilizada en diferentes fases de la elaboración de vinos, siendo
el mayor consumo energético de todo el proceso.
Planteamiento de la tesis
18
2.3 Estructura
El presente trabajo se inicia con la introducción y descripción general del proceso de
elaboración del vino, describiéndose de forma particularizada los procesos de maceración
prefermentativa en frío, fermentación alcohólica y estabilización por frío.
Posteriormente se detalla la coyuntura energética actual, tanto a nivel técnico como
medioambiental, analizando la problemática existente. Existen diferentes tecnologías para la
implantación de medidas de eficiencia energética y energías renovables disponibles para
mitigar el problema, reducir los consumos y generación en el punto de consumo. Se detallan
las tecnologías más utilizadas dentro del ámbito industrial.
La metodología desarrollada se aplica a tres procesos de la industria enológica:
maceración prefermentativa en frío, fermentación alcohólica y estabilización por frío. Se
desarrolla el estado del arte de los tres procesos analizados.
Una vez expuestas las tres aportaciones se procese a la discusión y análisis de los
resultados obtenidos, exponiendo las conclusiones obtenidas.
En último lugar se discuten los resultados conseguidos exponiendo las conclusiones
obtenidas en el presente desarrollo. Las perspectivas de futuro son analizadas dejando abiertas
vías de desarrollo posible para ser llevadas a cabo más adelante.
Planteamiento de la tesis
19
2.4 Contribuciones y Contenido
La metodología permite reducir el impacto de los consumos energéticos dentro de una
organización de forma normalizada. La optimización se basa en la adopción de medidas de
eficiencia energética y la generación basada en energías renovables, todo ello analizado y
verificado a través de estrategias de medida y verificación dentro de una estrategia de control
activo de la energía.
La metodología desarrolla modelos energéticos de los diferentes procesos analizados,
permitiendo su análisis para la correcta identificación de medidas a implementar así como la
verificación de los resultados conseguidos.
El análisis metodológico de las diferentes opciones de eficiencia energética permite
elegir las mejores medidas de ahorro energético en cada caso. La medida y verificación de los
consumos permitirá cuantificar los resultados conseguidos, implementado una filosofía de
control que permite detectar desviaciones y nuevas oportunidades.
La implantación de fuentes de energía renovable permitirá reducir el impacto de la
energía demandada, reduciendo la demanda de la red. El análisis de las fuentes de energía
disponibles e implantación de las más adecuadas en cada caso permite el autoconsumo
energético evitando pérdidas en redes de transporte y distribución y reduciendo la fracción de
combustibles fósiles en el mix energético.
Marco teórico
20
3. Marco teórico
3.1 Descripción del proceso de elaboración de vino
El proceso de elaboración de vino es un proceso ancestral considerado por muchos
autores como una combinación de ciencia, técnica y arte en la que el enólogo deja huella de
su trabajo con el producto conseguido.
En los últimos años la tecnología ha entrado en el proceso enológico permitiendo el
control del proceso en muchas de sus fases. No obstante, el hecho de tratarse de un proceso
biológico, condicionado por las características de la materia prima, origina que la habilidad y
la experiencia del personal responsable del proceso jueguen un papel determinante.
Existen multitud de técnicas de elaboración del vino, elaborándose en multitud de
regiones a lo largo de todo el planeta. Las pecularidades de cada zona se manifiestan en
diferentes productos con sus matices y procesos de elaboración diferenciadores.
Sin particularizar entre vinos tintos y blancos y diferentes técnicas de producción, las
fases de producción se reflejan en el siguiente esquema. En función del proceso, el producto
deseado y el tipo de vino podrán ser necesarias o no algunas fases indicadas tales como la
maceración o la fermentación maloláctica.
Marco teórico
21
Fig. 1 Proceso general de elaboración del vino
recepción de uva
prensado y despalillado
maceración prefermentativa
sulfitado y desfangado
fermentación alcohólica
fermentación maloláctica
clarificación
crianza
estibilización por frío
filtrado
embotellado
Marco teórico
61
La aplicación conjunta de los tres puntos de aplicación: medidas de eficiencia energética
junto con la generación energética a partir de energías renovables y la medida y verificación
de la demanda energética son el camino a seguir para reducir al máximo el impacto de la
demanda energética.
Estado del arte
62
4. Estado del arte
Los procesos industriales son procesos complejos en los que se involucran gran cantidad
de variables a nivel energético, en muchas ocasiones interrelacionadas entre ellas y en
diferentes procesos
La optimización de los procesos productivos es un objetivo prioritario para la industria.
A lo largo de la historia se han desarrollado multitud de técnicas de diseño y de mejora.
Desde finales de los años 90, la eficiencia en recursos se ha convertido en un arma para la
reducción de costes, mejora de la competitividad de las empresas y reducción del impacto
ambiental de los procesos productivos.
El aumento de los costes energéticos, derivados fundamentalmente de combustibles
fósiles, obliga a una nueva era basada en la optimización de los consumos energéticos y la
generación a través de energías renovables (Sadeghinezhad et al. (2014).Por todo ello a los
principales retos en materia de producción y calidad se ha añadido la optimización energética
(Boyd and Pang, 2000; Greening et al., 2007; Dutrow et al., 2012; Alcorta et al.,
2014).Mejorar sustancialmente la eficiencia energética en la industria será imprescindible
para mantener la viabilidad económica de empresas y económias de regiones y paises (Seryak
et al., 2005).
La conjunción de la optimización de la demanda energética junto con la generación
renovable permite dotar a las diferentes instalaciones de un grado de autoproducción de la
70
Knight (2011) Consulting-Specifying
Engineer
Building efficiently
Ginestet and
Marchio (2010)
Energy Building thermal regulations
S. Ginestet, D.
Marchio (2010)
Energy Retro and on-going commissioning tool
applied to an existing building:
Operability and results of IPMVP
Kissock (2008) Applied Energy Measuring industrial energy savings
Sever, Kissock,
Brown, Mulqueen
(2011)
ASHRAE Estimating Industrial Building Energy
Savings using Inverse Simulation
Metodología de optimización energética en procesos de fermentación en bodegas
71
5. Metodología de optimización energética en
procesos de fermentación en bodegas
5.1 Introducción
5.1.1 Contexto de investigación
La optimización de los procesos productivos es uno de los principales retos en los que se
ha centrado la industria históricamente. Desde finales de los años 90 a los principales retos en
materia de producción y calidad se ha añadido la optimización energética (Boyd and Pang,
2000; Greening et al., 2007; Dutrow et al., 2012; Alcorta et al., 2014). El consumo energético
es una parte importante de todo proceso productivo la cual es necesario optimizar para
mejorar la competitividad del producto.
Sadeghinezhad et al. (2014) afirman que el aumento constante de los costes energéticos,
derivados fundamentalmente de combustibles fósiles, obliga a una nueva era basada en la
optimización de los consumos energéticos. Tras ello, en conjunción con nuevas fuentes de
energía basadas en fuentes renovables, podremos dotar a las diferentes instalaciones de un
mayor o menor grado de autoproducción de la energía necesaria para su desempeño (Dombi
et al., 2014; Zhang et al., 2013; Moreno et al., 2012; Apergis et al., 2010).
Aplicar exitosamente medidas orientadas hacia la reducción de consumos energéticos,
exige implantar protocolos de medida y verificación de ahorros energéticos. Permitiendo
establecer de forma normalizada, los consumos particulares en cada caso, la eficiencia del
sistema y los ahorros conseguidos en cada caso.
Metodología de optimización energética en procesos de fermentación en bodegas
110
El modelo planteado permite obtener una información valiosa, no únicamente para
procesos energéticos, sino para el propio control de la evolución del producto. El proceso de
fermentación condicionará de forma vital la calidad del producto final. Con ello se puede
detectar si el proceso de fermentación se ajusta a lo deseado o por lo contrario existe una
desviación que precisa ser corregida en tiempo real.
Metodología de optimización energética en procesos de maceración prefermentativa
111
6. Metodología de optimización energética en
procesos de maceración prefermentativa
6.1 Introducción
6.1.1 Contexto de investigación
La maceración prefermentativa en frío se está popularizando en los últimos años.
Conscientes de que las técnicas enológicas juegan un papel fundamental en la calidad de los
vinos obtenidos y con el objeto de lograr vinos con la mayor calidad posible, se han
desarrollado multitud de técnicas, con objeto por ejemplo de la extracción de compuestos
fenólicos, compuestos que tienen una gran influencia en la calidad del vino (Casassa, 2006).
Actualmente, el color del vino y su respuesta ante el paso del tiempo es uno de los
factores que afectan directamente a la calidad y la respuesta de los clientes hacia el producto
(Cejudo-Bastante et al., 2014).
La práctica totalidad de autores destacan que la maceración prefermentativa en frío es
una herramienta que aumenta la complejidad, el color y la estabilidad del color de los vinos
tintos, dota al vino de más cuerpo, enriquece las sensaciones en boca, aumenta su potencia
aromática, permite una mejor evolución en botella y le da una vida más larga(Sánchez Diana,
2008).
La maceración prefermentativa incrementa los niveles totales de polifenoles, taninos y el
porcentaje de taninos combinados por policaridos. Ello decrementa el nivel de astringencia
Metodología de optimización energética en procesos de maceración prefermentativa
160
Se ha planteado un ejemplo didáctico desarrollando una instalación básica para cubrir la
demanda del proceso analizado evitando la generación en exceso a través de energía solar
fotovoltaica y eólica. Un estudio de detalle puede plantear el diseño de instalaciones de
generación para la bodega en su conjunto con un mayor cobertura para procesos en concreto
en un momento determinado.
La adopción de medidas de eficiencia energética conjugadas con energías renovables son
el camino a seguir para la sostenibilidad energética del planeta a medio y largo plazo, camino
en el que es imprescindible empezar a avanzar con el mayor ritmo posible.
Metodología para la mejora de la eficiencia energética y generación a través de energías
renovables en procesos de estabilización por frío
161
7. Metodología para la mejora de la eficiencia
energética y generación a través de energías
renovables en procesos de estabilización por frío
7.1 Introducción
7.1.1 Contexto de investigación
La optimización de procesos es algo presente en todas las organizaciones desde el
comienzo de la humanidad. Actualmente, la actual competencia en todos los sectores a nivel
mundial obliga a un continuo proceso de evolución tecnológica y optimización de procesos en
búsqueda de una mayor competitividad que maximice la supervivencia de las organizaciones.
Incrementar sustancialmente la eficiencia energética en la industria será imprescindible
para mantener la viabilidad económica de empresas y económias (Seryak et al., 2005). La
competitividad observada en sentido amplio, implica connotaciones en cuanto a calidad,
reducción de costes, sostenibilidad, condiciones laborales, etcétera. En definitiva en todos los
ámbitos de las organizaciones.
Sensible a ello, la Unión Europea contempla entre sus objetivos una reducción del 20%
en las emisiones de efecto invernadero, un 20% de la mejora de la eficiencia energética y un
20% de generación energética a través de energías renovables. El sector industrial representa
el 28% del consumo de energía final y el 21% de las emisiones de efecto invernadero
(Levacher et al., 2009).
Metodología para la mejora de la eficiencia energética y generación a través de energías
renovables en procesos de estabilización por frío
206
para poder cuantificar los avances conseguidos y poder comparar nuestro proceso a través de
un proceso de benchmarking.
Es imprescindible un cambio en la mentalidad en el mundo industrial, dando paso a una
era basada en la eficiencia en recursos, reduciendo los consumos y maximizando la eficiencia.
La eficiencia y la sostenibilidad son factores estratégicos para la supervivencia de cualquier
organización a largo plazo.
La adopción de medidas de eficiencia energética conjugadas con energías renovables,
utilizadas bajo las metodologías adecuadas que garanticen el éxito de los resultados y la
máxima eficiencia son el camino a seguir para la sostenibilidad energética del planeta a medio
y largo plazo.
Conclusiones
207
8. Conclusiones
8.1 Resultados y discusión
El presente trabajo desarrolla una metodología para la optimización de los consumos
energéticos aplicado a bodegas. La refrigeración supone el principal consumo energético en
las bodegas de producción de vino. Se han realizado desarrollos aplicados para la maceración
prefermentativa, la fermentación y la estabilización por frío.
La metodología desarrollada se basa en tres pilares fundamentales para la obtención de
los mejores resultados de reducción de la demanda energética y mejora de la eficiencia. La
aplicación de medidas independientes no permite lograr los mejores índices de optimización
ni su mantenimiento en el tiempo.
La implantación de una gestión activa de la energía basada en protocolos de medida y
verificación permite contar con información real del proceso, detectando oportunidades de
mejora y observando desviaciones respecto a los resultados deseados en medidas ya
implantadas.
La supervisión bajo información real del proceso es fundamental en la metodología de
optimización y mejora de la eficiencia. Ello permite detectar oportunidades de mejora de la
eficiencia del proceso o instalación planteada.
Conclusiones
208
La implantación de medidas de ahorro energético permite la reducción de la demanda
energética respecto al observado antes de realizar la implantación. Existe gran variedad de
medidas de eficiencia energética, considerándose tradicionalmente las medidas basadas en la
sustitución de equipamiento o procesos como única forma de mejora.
En el presente trabajo se exponen medidas de ahorro no basadas con un carácter
fundamental en la sustitución de equipos. Medidas de carácter organizativo o actuaciones
sobre diferentes fases del proceso o producto con influencia en la demanda energética pueden
ser muy interesantes desde el punto de vista de la eficiencia.
En tercer lugar, la generación a través de energías renovables permite conseguir
importantes avances en diferentes campos. La reducción de las emisiones de gases de efecto
invernadero mediante la generación a través de energías renovables mantiene una relación
directa con cada kWh generado.
La mejora de la sostenibilidad de todas las actividades humanas y particularmente las
industriales es uno de los grandes objetivos de la humanidad para el siglo XXI. La mayoría de
los países a nivel mundial se han puesto a caminar en esta vía, marcándose objetivos a corto,
medio y largo plazo.
La generación energética a través de energías renovables tiene una innumerable lista de
acciones beneficiosas de carácter técnico como son la reducción de la dependencia de los
Conclusiones
209
combustibles fósiles, reducción de la demanda de la red, minimización de pérdidas en las
redes de distribución y transporte, etcétera.
La vertiente económica en aquellos lugares con un régimen económico incentivado así
como el aprovechamiento a nivel de imagen social y de marketing del carácter sostenible y
comprometido de la organización son también muy valorados.
8.2 Conclusiones
Es necesario realizar actuaciones orientadas hacia la mejora de la eficiencia y
competividad de las organizaciones. Ello es necesario para mejorar las superviviencia dentro
dentro de un contexto globalizado en la que cada zona geográfica tiene sus fortalezas y
debilidades.
Los recursos y en general, y la energía en particular, sufren un alza de precios constante
en los últimos tiempos motivado por la escased de los recursos, la inestabilidad política y la
dependencia de terceros entre otros muchos factores.
Se precisa de metodologías adecuadas que permitan lograr los mejores resultados de
eficiencia, reduciendo los consumos y mejorando la competitividad de las organizaciones. Los
mejores resultados se consiguen aplicando metodologías que actúan sobre todos los frentes
del problema, aportando vías de mejora conjunta y no de forma aislada o particular.
Conclusiones
210
La metodología planteada busca la reducción de la demanda a través de medidas de
eficiencia energética, generación a través de energías renovables y la medida y verificación de
los consumos con objeto de implantar con una gestión activa de los consumos.
La medida y verificación en todas las fases de la demanda energética permite detectar
oportunidades de mejora de la eficiencia desde la información, determinando los ahorros
energéticos y mejora del desempeño de forma estandarizada e inequívoca. Todo ello desde
una gestión continuada en el tiempo en búsqueda de un control permanente en búsqueda de
desviaciones del desempeño y nuevas oportunidades de mejora.
Se ha aplicado la metodología desarrollada a procesos de refrigeración en bodegas. Los
procesos de refrigeración en la industria enológica sin los mayores consumos energéticos en
dichas instalaciones, con ciertas particularidades como son su estacionalidad y dependencia
de las condiciones externas del producto.
8.3 Perspectivas de futuro
Las metodologías para la reducción de la demanda energética tienen un gran campo de
aplicación. La optimización de la demanda energética no ha sido una de los objetivos
prioritarios en las organizaciones hasta hace poco tiempo. En la actualidad, la sociedad en
general está planteándose la necesidad de reducir los consumos energéticos y empieza a
avanzar en esa línea.
Conclusiones
211
La aplicación de metodologías de reducción de la demanda basadas en procedimientos
de medida y verificación es aplicable a todas las actividades y procesos, debiéndose
particularizar los modelos para cada uno de ellos. En función de los recursos disponibles y el
tipo de demanda energética se ha de elegir la opción más adecuada.
En el caso que nos ocupa se han desarrollado modelos para los tres principales consumos
de refrigeración en bodegas. Dentro de la misma actividad se han de desarrollar modelos para
otras fases del producto, como pueda ser el embotellado o incluso instalaciones o productos
completos. Trabajos en la misma línea han de ser desarrollados para otros tipos de actividad y
procesos.
La mejora de la eficiencia en todos los procesos y equipos es otro de las grandes
palancas de avance. El desarrollo de nuevas tecnologías más eficientes y la mejora de las ya
existentes soncontinuos. La capacidad de analizar las mismas y detectar aquellas más
adecuadas y con madurez suficiente en cada caso es de gran importancia para la consecución
de resultados.
Las energías renovables tienen gran recorrido de desarrollo a todos los niveles. Existen
gran cantidad de alternativas con diferentes niveles de desarrollo y diferentes aplicaciones. Su
aplicación puede ser para el autoconsumo en pequeñas instalaciones o para la generación a
través de grandes instalaciones de generación.
Conclusiones
212
Disponemos de muchas alternativas a potenciar e implantar en instalaciones reales. En
muchos países ya se cuenta con instalaciones de generación dedicadas a la producción
energética. La implantación del autoconsumo a gran escala, tanto doméstica como industrial,
es otra de las vías a desarrollar.
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