La Industria 4.0 para lograr las emisiones netas cero
La Industria 4.0 para lograr las emisiones netas cero
La Industria 4.0puede jugar un papel protagonista en este sentido ya que aporta una parte significativa de todas las emisiones mundiales.
Las emisiones mundiales de dióxido de carbono alcanzaron un máximo de 36.700 millones de toneladas en 2019. Impulsadas por la expansión económica, las emisiones fueron un 60% superiores a las de 1990 y ahora existe una presión creciente para controlarlas.
La industria puede jugar un papel protagonista en este sentido ya que el dióxido de carbono producido durante los procesos de fabricación aporta una parte significativa de todas las emisiones mundiales. Como ejemplo, en parte gracias al enorme volumen necesario, la producción de hormigón es responsable por sí sola del 8% de las emisiones anuales de dióxido de carbono.
Varias organizaciones que representan a los productores industriales se han comprometido a que sus operaciones emitan cero emisiones hacia mediados del siglo, si no antes. Según la doctrina neta cero, el sector se compromete a no producir ninguna emisión de gases de efecto invernadero que no sea compensada de alguna manera. Para empezar, pueden cambiarse a procesos que no produzcan gases de efecto invernadero o pueden optar por compensar las emisiones en algunas partes del proceso. Esto implicaría la aplicación de nuevos métodos para capturar o utilizar el dióxido de carbono y otros gases de efecto invernadero directamente o mediante la compra de créditos de carbono a organizaciones especializadas en la captura de carbono.
Uso de la energía: de la producción al suministro
Los objetivos para que casi cualquier sector logre las emisiones netas cero serán difíciles y exigirán la atención de todas y cada una de las partes de la cadena de suministro. Las organizaciones tendrán que responsabilizarse de los gases de efecto invernadero que provoca cada paso de la cadena y que se liberan a la atmósfera, además de encontrar formas de reducir o incluso eliminar por completo las emisiones. Existen claras fuentes de ahorro, sobre todo en el consumo energético, que suele ser el principal componente de las emisiones de efecto invernadero de la cadena de suministro de la fabricación. Es inevitable que se consuma algo de energía, pero si se puede cambiar a fuentes renovables el balance pasará a ser cero con más facilidad.
Aunque en los últimos años un tema clave de la producción industrial ha sido la gestión del suministro JIT (just-in-time), el balance neto cero puede cambiar el cálculo de la máxima eficiencia. Si un campo de fabricación industrial instala una gran capacidad de autogeneración basada en energía eólica o solar, puede optar entre utilizar la energía directamente en su totalidad o vender una parte a la red pública. Sin embargo, en la venta de energía a la red, un problema clave de la generación mediante fuentes renovables es que la producción de energía rara vez se correlaciona con la demanda. Esto puede llevar a situaciones en las que el exceso de energía no puede ser vendido a los operadores de la red y debe ser almacenado o que los generadores se apaguen temporalmente. Como alternativa, si los procesos que necesitan grandes cantidades de energía aumentan durante el excedente energético, un fabricante puede mejorar su capacidad de reducir las emisiones totales de carbono a cambio de trabajo en proceso adicional que debe almacenarse antes de su uso.
El papel de la nube y la informática periférica
El funcionamiento de los sistemas de control de los procesos clave puede incorporarse a un bucle de retroalimentación a gran escala que aproveche las grandes cantidades de potencia de cálculo actualmente disponibles a través de la informática en la nube y periférica. Los servidores en la nube pueden ejecutar modelos de Inteligencia Artificial (IA) que aprenden la mejor manera de planificar los cambios de la energía y responder a variaciones meteorológicas u otros cambios ambientales.
La necesidad de altas temperaturas en algunos de los procesos que generan más carbono puede limitar la rapidez a la que puede responder cualquier sistema para marcar la diferencia en las emisiones globales. Esto puede limitar la capacidad de respuesta a los cambios en el suministro de energía. Como mínimo, el seguimiento estrecho de la combinación energética en uso en cada momento proporciona una información valiosa para planificar el uso de los créditos de carbono y las soluciones de captura de carbono. Los integradores de control industrial y los operadores pueden emplear varias estrategias para permitir una transición fluida de las arquitecturas existentes a una que aproveche todas las ventajas de la informática periférica en estos entornos.
Importancia del control de procesos en las aplicaciones
Existen muchas otras oportunidades para avanzar con más rapidez hacia las emisiones netas cero. La producción de cemento es un buen ejemplo. La reacción química central del proceso del cemento es responsable de aproximadamente la mitad de las emisiones totales de la producción. Aunque la industria del cemento a nivel mundial ha mejorado su eficiencia energética, la Agencia Internacional de la Energía informó en 2021 que los productores en algunas zonas no iban a la par. Los investigadores que estudiaron el origen de la discrepancia señalaron que el problema era un control más deficiente de las condiciones de reacción durante la producción de los componentes esenciales del cemento. Un control más exacto de los procesos resolvería el problema y ofrecería oportunidades para reducir las emisiones de dióxido de carbono.
Sin duda, existen muchos otros sectores en los que un mejor control de los procesos mejorará la eficiencia energética general a varias escalas. Un control más estricto de los procesos puede reducir el calor residual o los subproductos innecesarios. Una mejor predicción de los movimientos del material reducirá la energía consumida en el transporte. El uso de controles más eficaces se reduce a los actuadores y motores individuales. Los motores representan cerca del 70% de la energía total consumida en una planta de procesamiento. Hasta ahora ha sido habitual utilizar motores CA asíncronos relativamente ineficientes en la producción industrial porque tienen un coste de capital más bajo y son fáciles de mantener.
Las nuevas tecnologías de motores ofrecen una eficiencia eléctrica mucho mayor al reducir problemas como el deslizamiento, así como un nivel de control mucho mayor. En lugar de tener un motor CA girando para mantener un par elevado cuando se necesita y se acopla a través de una caja de engranajes, puede programarse un motor síncrono controlado electrónicamente para que funcione solo cuando sea preciso con el par y la velocidad que determine el algoritmo. El uso de controladores electrónicos y accionamientos de motor de proveedores como Eaton y Maxon se traduce no solo en un menor consumo de electricidad, sino en un menor desgaste y menos calor.
Comunicación de corto y largo alcance
Saber cuándo y cómo operar la maquinaria es crucial para maximizar la eficiencia energética y de los materiales. Es aquí donde las tecnologías de la Industria 4.0 pasan a primer plano. Un elemento clave de la arquitectura de la Industria 4.0 reside en el uso de las comunicaciones de corto y largo alcance para permitir que los sistemas de control locales compartan información. Estos sistemas pueden garantizar que las cintas transportadoras solo estén activas cuando el producto deba trasladarse de un lugar a otro y que las máquinas-herramienta puedan apagarse cuando no sea necesario procesar los componentes; y viceversa (activarse cuando un nuevo componente esté a punto de ser entregado a su célula de producción). Los sensores y las plataformas informáticas ampliamente distribuidas desempeñan un papel fundamental a la hora de recibir datos de todo el entorno de producción y tomar decisiones, a veces con el apoyo de servidores remotos, basados en lo que perciben en tiempo real.
El creciente uso de protocolos inalámbricos como Bluetooth, WiFi y LoRaWAN facilita el despliegue de sensores allí donde más se necesitan, aumentando la instrumentación para las máquinas herramienta existentes y los sistemas que las gestionan. La incorporación de estos sensores y la asistencia de la nube no requiere una revisión completa de los sistemas de control. En muchos casos, los controladores lógicos programables (PLC) que gestionan cada máquina-herramienta pueden ser aptos durante muchos años. No obstante, se pueden complementar con ordenadores industriales que se implementan como módulos de carril DIN para permitir su incorporación a los entornos de las fábricas con mayor facilidad. Los PLC avanzados, como los de Industriales Shields y Kunbus, pueden actuar como actualizaciones de mayor rendimiento para los PLC existentes si los algoritmos de control deben ser más sofisticados.
Mediante Ethernet y una conectividad similar de gran ancho de banda, los servidores periféricos pueden tomar las entradas de los numerosos PLC y sistemas de control e integrarlas en modelos avanzados que garanticen una estrecha coordinación en toda la planta de la fábrica, activando y desactivando los sistemas sobre la marcha para que no se desperdicie el exceso de energía.
Sensores inteligentes: un componente crítico
El uso generalizado de sensores acoplados a sistemas de monitorización inteligentes ofrece la oportunidad de garantizar que la maquinaria funcione con la máxima eficiencia y minimice el desperdicio. Si los sistemas detectan una desviación de los parámetros normales de funcionamiento durante las pruebas e inspecciones, el equipo responsable puede ponerse fuera de servicio y revisarse rápidamente. Así se evita la necesidad de desechar y reacondicionar que, de otro modo, repercutiría negativamente en los informes de emisiones, además de representar un coste directo para la empresa. Los fabricantes también pueden aprovechar el mantenimiento predictivo no solo para garantizar que las máquinas-herramienta y otros sistemas mecánicos funcionen con la máxima eficiencia, sino para programar el mantenimiento en los períodos que mejor se adapten a objetivos como las emisiones de carbono. Tradicionalmente, la decisión de desconectar la maquinaria se habría guiado por los patrones de funcionamiento tradicionales. Sin embargo, un programa de análisis puede determinar ahora que la vía de menor coste es programar el mantenimiento para cuando las fuentes de energía de baja emisión de carbono estén menos disponibles. Los modelos de IA basados en la experiencia pueden utilizar las numerosas entradas de los sistemas de las plantas de las fábricas para determinar el mejor procedimiento.
Integración
Un solo cambio o actualización no puede hacer mucho para reducir las emisiones de gases de efecto invernadero de la industria. Al adoptar la Industria 4.0, los fabricantes pueden utilizar muchas técnicas diferentes para eliminar las fuentes de exceso de emisiones de carbono y el uso de energía, cada una de las cuales se suma a un objetivo que hace factible el funcionamiento neto cero. Los distribuidores especializados de componentes electrónicos, como Farnell, desempeñan un papel clave en la migración de un negocio a la Industria 4.0.
Los distribuidores que ofrecen soporte técnico pueden tener en cuenta la infraestructura ya existente y asesorar a las empresas sobre el suministro de hardware, como los PLC avanzados, los módulos de sensores, los ordenadores industriales y muchos de los otros subsistemas que deben combinarse para crear un plan eficaz de emisiones netas cero.
Ankur Tomar, Regional Solutions Marketing Manager de Farnell