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Modelo y herramienta para implementar en las industrias un sistema de mantenimiento centrado en la eficiencia energética

Imagen de engranages mecanicos

Por Ing. Marlon Cabrera

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Resumen

Este artículo presenta la metodología para aplicar un modelo y herramienta que permita implantar en las industrias un sistema de mantenimiento centrado en eficiencia energética. El modelo considera las múltiples posibilidades de ahorro energético en la operación y mantenimiento de los usos significativos de la energía, pero especialmente de las “utilities” que producen la energía secundaria para los procesos. Las estrategias de mantenimiento se complementan con este nuevo modelo, que adicionalmente contribuye a las soluciones energéticas encaminadas a la gestión eficiente de energía en las industrias.

Introducción
En las últimas décadas, el mantenimiento en las industrias se ha realizado con criterios y estrategias muy bien definidos. Sin embargo, debido a las nuevas condiciones energéticas y ambientales mundiales originadas por distintos factores, -tales como los altos costos de los servicios energéticos y la generación de energía en centrales térmicas causantes en parte del cambio climático-, se ha motivado la necesidad de emprender nuevas tareas en las actividades de mantenimiento que permitan utilizar la energía de manera responsable.

En general, todas las estrategias y metodologías de mantenimiento buscan garantizar la disponibilidad, la confiabilidad y la mantenibilidad
de los activos. Es muy simple: “los objetivos más importantes para las empresas siempre han sido los costos, el tiempo y la calidad” [1]. Con este propósito, se han creado indicadores para controlar los procesos de mantenimiento y vigilarlos. Entre los indicadores normalmente se encuentran aquellos relativos a la confiabilidad que permiten vigilar que los activos trabajen sin fallas: indicadores de mantenibilidad para verificar que los activos se recuperen en el menor tiempo posible e indicadores de disponibilidad para que el activo permanezca la mayor cantidad de tiempo operando. Sin embargo, los indicadores de mantenimiento basado en condición, como lo señala Anh Hoang y compañía, no toman en cuenta en la actualidad los indicadores emergentes relacionados con el consumo de energía, la eficiencia energética o el seguimiento de la huella [2].

Como se observa, hay abundantes indicadores disponibles en mantenimiento, no obstante, es conocido que la actividad de mantenimiento no cuenta con las herramientas necesarias para sustentar el control de los consumos energéticos. En materia de medición, muchas de las industrias carecen de indicadores de desempeño energético de los equipos y sistemas y no cuentan con sistemas de monitoreo de la tendencia de estos indicadores y de actividades preventivas dirigidas a sostener la eficiencia energética estacionaria o estacional de los equipos [3]. Además, en muchos sectores no se desarrollan oportunamente actividades correctivas dirigidas a la recuperación de la eficiencia energética de los equipos y sistemas, sino que se efectúan solo cuando se afecta la productividad del equipo o proceso.

Analizado en panorama, surge este trabajo como una respuesta a la necesidad de ampliar la actividad de mantenimiento centrado en la disponibilidad y seguridad operacional de los procesos al control de la eficiencia tanto estacional como estacionaria de los equipos. Se presenta un sistema de mantenimiento centrado en la eficiencia energética (MCEE), apoyado en una herramienta informática del tipo hoja de cálculo, que permita navegar por el modelo de MCEE y que pueda ser fácilmente aplicado en la industria.

Estado del arte

Como resultado de las nuevas necesidades productivas, -además del interés constante de quienes fabrican equipos (que los diseñan más fáciles de reparar inclusocon autodiagnóstico de fallas), así como de personas académicas que se interesan por crear nuevas metodologías, de instituciones normativas que promueven criterios específicos para la gestión de activos, de personas técnicas, operarias y, en general, de todas los interesadas en la manutención de los activos-, surgen distintas estrategias, filosofías, conceptos y prácticas de mantenimiento. Algunas son: el mantenimiento preventivo, el mantenimiento predictivo, el mantenimiento centrado en confiabilidad (RCM), el mantenimiento apoyado por software dedicado y el mantenimiento productivo total (TPM). En general, muestran un abundante panorama de herramientas aplicables al cuidado de los activos, tanto que “la selección de la estrategia de mantenimiento se convirtió en una de las actividades de toma de decisiones más importantes de la industria” [4]. No obstante, en el global de las estrategias de mantenimiento continúa faltando quien se preocupe por la eficiencia energética.

Modelo de mantenimiento centrado en la eficiencia energética

“Los objetivos más importantes para las empresas siempre han sido los costos, el tiempo y la calidad” [1]. Adicionalmente, “más del 55% de las actividades de mantenimiento son reactivas” [5]. Como respuesta a la búsqueda de los objetivos tradicionales, normalmente las estrategias de mantenimiento siempre han perseguido garantizar la disponibilidad y la confiabilidad. En este sentido, el mantenimiento centrado en eficiencia energética no corresponde a un sistema independiente y autónomo en las actividades normales de mantenimiento, sino que, por el contrario, constituye un complemento perfecto a dichas actividades. Su integración a cualquiera de las distintas estrategias de mantenimiento permite que los equipos cumplan con las expectativas de operación, pero que, a la vez, realicen los procesos con los mínimos requerimientos de consumos energéticos, tal como fueron diseñados.

Las siguientes son las etapas para la implementación de la estrategia de mantenimiento centrado en la eficiencia energética, tomando como base la metodología propuesta por el doctor Juan Carlos Campos Avella [3]:

  1. Identificación de los usos significativos de la energía
  2. Definición y selección de subsistemas
  3. Definición de funciones
  4. Análisis funcional de la falla
  5. Análisis de modos y efectos de falla energética
  6. Selección de subsistemas prioritarios
  7. Colección y análisis de datos
  8. Selección de las tareas de mantenimiento
  9. Implementación
  10. Indicadores

Identificación de los usos significativos de la energía

Para la norma ISO 50001, el uso significativo de la energía corresponde al “uso de la energía que ocasiona un consumo sustancial de la energía y/o que ofrece un potencial considerable para la mejora del desempeño energético”.[6]

Para la implementación de la estrategia de mantenimiento centrado en la eficiencia energética, se deben considerar los activos sobre los cuales se van a focalizar las acciones. Con este fin, es necesario identificar los usos significativos de la energía y clasificarlos por áreas de uso significativo. Posteriormente, se debe establecer el criterio de medición de la eficiencia energética, lo que a su vez requiere determinar una línea base como referencia comparativa para evaluar el desempeño energético.

Selección de subsistemas

La determinación de los subsistemas o equipos periféricos del equipo principal es necesaria para controlar los parámetros de funcionamiento del activo de uso significativo y de los equipos periféricos, como calefacción, aire a presión, aire de succión, agua de alimentación, bombas de refrigeración, suministro de lubricación, manejo de emisiones y vertimientos, etc.

Definición de funciones

Luego de identificar los equipos de uso significativo de la energía y los equipos periféricos, es necesario precisar desde el punto de vista energético cuál o cuáles son las funciones y el criterio de maniobra de esos equipos, además de los parámetros con los cuales se cumple la función sin afectar la eficiencia energética. En este aspecto se debe considerar las siguientes fuentes de información:

  • Las recomendaciones de las empresas fabricantes
  • Las normas legales y, en general, todos los requerimientos gubernamentales y demás compromisos contractuales que constituyen niveles de cumplimiento
  • La reunión de personas expertas y el análisis del entorno operativo

Análisis funcional de la falla

La falla funcional se manifiesta cuando el comportamiento de los activos rebasa los límites establecidos en los parámetros de control. La tarea consiste en identificar las fallas o las formas en que pueden errar los activos en el cumplimiento de la eficiencia energética con la cual fueron diseñados o bajo las condiciones de funcionamiento deseado.

Análisis de modo y efecto de falla energético

Cuando se materializan las fallas funcionales o estados de falla es ineludible identificar los modos de falla dominantes y sus causas. Normalmente las causas asociadas a las averías son diversas y pueden sobrevenir originadas por manipulación inadecuada e inclusive por fallas en el diseño de los equipos. El éxito de la tarea consiste en identificar las causas reales y probables.

La ocurrencia de fallas, las causas y los efectos sobre el desempeño energético están ligadas al entorno operativo de los equipos. Por tanto, es necesario analizar modos de fallo con distintas consideraciones para un mismo tipo y un modelo de equipo que trabaje en entornos distintos.

Selección de subsistemas prioritarios

El análisis de los subsistemas prioritarios permite determinar cuáles son los activos que tienen mayor incidencia en el desempeño energético, independientemente de las consecuencias en la indisponibilidad y confiabilidad de los activos que interesan a los criterios tradicionales de las actividades de mantenimiento. La selección de los subsistemas prioritarios para el mantenimiento centrado en la eficiencia energética está basada en conceptos de probabilidad y severidad de las consecuencias de la ocurrencia de la falla con respecto al desempeño energético. La tabla 1 muestra la selección de subsistemas prioritarios para las actividades de mantenimiento centrado en la eficiencia energética.

Selección de subsistemas prioritarios
Sistema Generador de Vapor
Subsistemas Sistema de agua de alimentación / Sistema tratamiento de agua
# F Función # FF Falla Funcional Probabilidad Severidad Valoración
1 Suministrar agua a una presión de XXXX 1.1 Suministrar agua a una presión inferior a XXXX Media 6 Mayor 8 48
1 1.2 Suministrar agua a una presión superior a XXXX Baja 4 Moderada 6 24
1 Suministrar agua con una dureza de XXXX 1.1 Suministrar agua con una dureza superior a XXXX Alta 8 Superior 10 80
2 Suministrar agua con una concentración TDS XXXX 2.1 Suministrar agua con una concentración TDS superior a XXXX Alta 8 Superior 10 80
3 Suministrar agua con una alcalinidad de XXXX 3.1 Suministrar agua con un PH inferior a XXXX Alta 8 Mayor 8 64
3.2 Suministrar agua con un PH superior a XXXX Alta 8 Mayor 8 64
                 
Tabla 1. Selección de subsistemas prioritarios para el mantenimiento centrado en la eficiencia energética

 

Colección y análisis de los datos

Una vez definidos los subsistemas prioritarios, es necesario colectar los datos con la información necesaria para su posterior análisis y toma de decisiones. Estos datos pueden ser registrados de forma manual en tablas diseñas para tal fin o en soportes electrónicos en los que se recoge la información adecuadamente según la importancia de las distintas variables. Los datos relevantes pueden ser categorizados en tres grupos:

  • Datos de diseño
  • Datos operacionales
  • Datos estándares

Selección de tareas de mantenimiento

Posteriormente, es necesario listar tareas de mantenimiento proactivo adecuadas para reducir o eliminar las causas del deterioro del desempeño energético. Con la lista de tareas se definen un conjunto de actividades de mantenimiento preventivo o predictivo con el fin de ejecutar acciones oportunas y técnicamente viables, de tal manera que su realización justifique los costos asociados a su ejecución, antes de que ocurra un deterioro en el desempeño energético.

Implementación

La implementación de la estrategia de mantenimiento centrado en la eficiencia energética debe ir acompañada de un cambio organizacional que permita la toma de conciencia y la apropiación de una cultura energética dentro de la compañía. Esto requiere la participación de todas las personas involucradas con la operación, mantenimiento y programación de los equipos.

Como cualquier estrategia de mantenimiento, la aplicación de las medidas debe ser técnicamente factible. Cada medida debe ser evaluada por su aplicabilidad, capacidad para reducir o eliminar la falla y la efectividad de la actividad que advierte que los costos asociados a la tarea deben ser inferiores a los costos de la falla.

Es conveniente dentro de la implementación del MCEE establecer procedimientos de mantenimiento documentados con el propósito de “asegurar que las indicaciones y actuaciones son apropiadas para garantizar la seguridad y la eficiencia del trabajo de mantenimiento” [7]. De esta manera aseguramos que las tareas de mantenimiento centrado en eficiencia energética se realicen tal como se planearon.

El mantenimiento centrado en la eficiencia energética está inmerso en procesos de mejora continua. Por lo tanto, posteriormente a la ejecución de las tareas, las actividades deben ser evaluadas con criterios de aplicación y efectividad para confirmar, mejorar o eliminar tareas. Seguidamente, se debe ajustar el plan de mantenimiento para definir las mejores tareas tendientes a optimizar el desempeño energético.

Indicadores

Manejar la información energéticoproductiva y dilucidar los datos en forma de indicadores de tal manera que permitan la toma de decisiones es un reto para el MCEE: “Normalmente el operador no dispone de información en tiempo real del rendimiento de su instalación y solo puede guiarse por consideraciones teóricas o por los manuales de los fabricantes” [8]. Los objetivos de los indicadores de desempeño energético aplicados al MCEE se compilan en:

  1. Monitorear la tendencia del desempeño energético, luego de realizar las tareas definidas en el plan de MCEE.
  2. Redefinir o validar tareas de MCEE para corregir posibles desviaciones del desempeño energético
  3. Cuantificar los ahorros que produce la aplicación del Plan de mantenimiento MCEE.

El seguimiento de los resultados del MCEE se mide fundamentalmente por dos indicadores del desempeño energético. El primero es el indicador de base 100 y el segundo el indicador de sumas acumulativas de consumos, aclarando que la descripción de los indicadores no representa un orden jerárquico. Para su aplicación, es necesario considerar que se debe contar con la línea base energética

Indicador Base 100
Este indicador “refleja el comportamiento de los resultados del desempeño energético respecto a la línea base energética” [9]. Es decir, muestra el nivel de consumo energético durante el periodo analizado y representa la relación entre el consumo teórico obtenido de la ecuación de la línea base y el consumo real después de la implementación de las nuevas tareas de mantenimiento, tomando como cumplimiento el valor 100. Matemáticamente, se escribe:

De tal manera que, si en un periodo específico el indicador es mayor a 100%, entonces ese periodo fue eficiente en su consumo energético ya que el consumo real fue menor al consumo teórico o base; de lo contrario, dicho periodo fue ineficiente. En la Gráfica 1 se muestra el comportamiento del indicador de base 100 en una planta de producción, junto con el análisis de eventos en el generador de vapor.

Indicador de sumas acumuladas CUSUM
El indicador CUSUM corresponde a la suma acumulada de las desviaciones de los consumos reales y los consumos teóricos, determinando la energía que se ha dejado de consumir o se ha consumido en exceso en el periodo de tiempo analizado.

Gráfica monstrando  comportamiento del indicador de base 100 en una planta de producciónGráfico 1. Indicador de base 100 y análisis de eventos en la planta de producción

Herramienta de mantenimiento centrado en la eficiencia energética

La herramienta está apoyada en el modelo de mantenimiento centrado en la eficiencia energética. Aprovecha el formato de hojas cálculo en Excel para colectar datos y calcular la información energética requerida para activar la estrategia de mantenimiento centrado en eficiencia energética.

En la gráfica no. 2 se muestra la pantalla de inicio y los botones para acceder a cada una de las hojas de cálculo correspondientes a las distintas etapas propias del modelo MCEE propuesto.

Gráfica mostrando  la pantalla de inicio y los botones para acceder a cada una de las hojas de cálculo correspondientes a las distintas etapas propias del modelo MCEE propuesto. Gráfico 2. Pantalla de inicio herramienta MCEE

Desarrollo de la herramienta de MCEE

La herramienta para la implementación del modelo de MCEE permite progresivamente introducir la información energético-productiva de tal manera que se identifiquen los usos significativos de la energía propios de cada organización y a partir de esta información seleccionar equipos y subsistemas sobre los cuales se va a realizar el análisis energético. Adicionalmente, la herramienta está diseñada para uso interactivo. Para facilitar la navegación se han dispuesto diversos botones a través de las distintas etapas de la herramienta.

El propósito especial de la herramienta de mantenimiento centrado en la eficiencia energética es el de obtener de manera interactiva la lista de tareas óptimas que permita definir un conjunto de actividades de mantenimiento preventivo o predictivo para ejecutar acciones oportunas y técnicamente factibles que posibiliten mejorar el desempeño energético. En la gráfica 3 se muestra la selección de tareas de mantenimiento de algunos subsistemas pertenecientes a un generador de vapor después de realizar todas las etapas del modelo de mantenimiento centrado en eficiencia energética.

Gráfica mostrando la selección de tareas de mantenimiento de algunos subsistemas pertenecientes a un generador de vapor después de realizar todas las etapas del modelo de mantenimiento centrado en eficiencia energética.
Gráfico 3. Tareas de mantenimiento para algunos subsistemas de un generador de vapor

Conclusiones
El mantenimiento centrado en la eficiencia energética, MCEE, constituye un complemento perfecto a las estrategias actuales de mantenimiento y un valioso aporte a las estrategias de mantenimiento convencionales basadas en confiabilidad y disponibilidad, garantizando que los equipos no solamente operen sin fallas de energía, sino que la actividad la realicen con el mínimo consumo energético posible. Adicionalmente, la herramienta de mantenimiento centrado en la eficiencia energética permite la aplicación del modelo de mantenimiento centrado en eficiencia energética de manera fácil e interactiva, definiendo las tareas óptimas del plan de mantenimiento MCEE y, finalmente, evaluando la aplicación del plan. Dentro del marco de la mejora continua, la herramienta permite realizar seguimiento y análisis de los resultados para definir las mejores actividades de mantenimiento tendientes a disminuir los consumos energéticos de los establecimientos industriales.

Referencias
[1] E. Müller, R. Poller, H. Hopf, and M. Krones, “Enabling Energy Management for Planning Energy-efficient Factories,” Procedia CIRP, vol. 7, pp. 622–627, 2013.
[2] B. I. Anh Hoang, Phuc Do, “Investigation on the use of energy efficiency for conditionbased maintenance decisionmaking,” IFAC-PapersOnLine, vol. 49, no. 28, pp. 73–78, Jan. 2016.
[3] Juan Carlos Campos Avella, “Catedra modulo de mantenimiento centrado en la eficiencia energética. Universidad del Atlantico.”
[4] C. R. Vishnu and V. Regikumar, “Reliability Based Maintenance Strategy Selection in Process
Plants: A Case Study,” Procedia Technol., vol. 25, pp. 1080– 1087, Jan. 2016.
[5] O. of energy efficiency & renewable Energy.gov, “Energy.Gov . Operation and maintenance best practices guide.” [Online]. Available: https://energy.gov/eere/femp/ operations-and-maintenancefederal-facilities.
[6] ICONTEC, NTC-ISO 50001 Sistema de Gestión de la Energía. Requisitos con orientación para su uso. 2011.
[7] K. Grupo de Gestión Eficiente de Energía, Manual de mantenimiento centrado en eficiencia energética para sistemas industriales. Barranquilla, 2009.
[8] J. C. Campos Avella, “Sistema de adquisición de datos, monitoreo y control en tiempo real de parámetros termodinámicos.” [Online]. Available: http://www. monografias.com/trabajos29/ estrategia-aplicacion-sistemaadquisicion-datos/estrategiaaplicacion-sistema-adquisiciondatos.shtml#ixzz4xO8JQ7ee.
[9] J. C. C. A. Omar Fredy Prias Caicedo, Implementación de un sistema de gestión de la energía, Primera. Bogota D.C., 2013.

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