Alternativas Innovadoras low cost. El barómetro y cómo pensar fuera de la caja
Acabé mi anterior entrada comentando cómo un planteamiento ILM para desagregar consumos energéticos en una fábrica puede ser un reto insuperable, desde el punto de vista económico, para aquellas fábricas con consumos energéticos muy altamente distribuidos.
En el mercado existen propuestas comerciales para sistemas de medición industrial de los principales fabricantes de equipamiento como SIEMENS, ABB, SCHNEIDER,…capaces de proporcionar un seguimiento hiper-exhaustivo (varias medidas por segundo) de los consumos energéticos de los distintos elementos de una cadena de producción. Sin embargo, dichos sistemas no son nada baratos ni en el coste del hardware necesario, ni en la instalación informática y de comunicaciones requerida, ni en el coste de las licencias. A día de hoy, siguen siendo un lujo sólo al alcance de las grandes multinacionales que además disponen de varias fábricas similares en distintos emplazamientos. Por tanto, poseen una mejor capacidad de negociación de compra y una fácil y alta replicabilidad interna. Además, sus procesos productivos suelen estar altamente automatizados e informatizados a través de sistemas MES (Manufacturing Execution System) de última generación. Ya disponen de la infraestructura informática y de comunicaciones necesaria. Sólo les falta la inversión en hardware y la “ampliación” de las licencias software.
Para el resto de pequeñas y medianas fábricas, estas soluciones pueden suponer “matar moscas a cañonazos”, de tal forma que nunca se llegue a rentabilizar (en términos del ahorro producido) la inversión en monitorización empleada. Sin embargo, este tipo de fábricas cada vez están más interesadas en optimizar sus costes energéticos, pero empleando una inversión económica razonable respecto de sus volúmenes de facturación.
Todo estudiante de ciencias habrá oído alguna vez la supuesta anécdota de Niels Bohr y el barómetro, en alguna de sus múltiples versiones. Aunque la anécdota de Bohr y el barómetro no es real sino inventada, la moraleja de intentar pensar de forma diferente para resolver un posible problema sigue más vigente que nunca. La diferencia es que ahora lo llamamos “pensar fuera de la caja”. La pregunta ahora no es ¿cómo medir la altura de un edificio con la ayuda de un barómetro? Sino, ¿cómo se puede realizar la medición y monitorización de los consumos energéticos desagregados de una fábrica sin dejarse por el camino el presupuesto de inversión de un año?
La respuesta, como en el caso del barómetro, no es única, ya que dependerá de cada fábrica en concreto. Afortunadamente, la revolución del IOT está produciendo una economía de escala en algunos de los componentes necesarios. Continuando con los guiños a ‘Star Wars’, se podría decir que los sistemas low cost de monitorización de consumos energéticos pueden compararse con un caza X-wing formado por las siguientes alas:
El abaratamiento de los costes de la electrónica, que está permitiendo el desarrollo de nuevos sensores no invasivos de bajo coste, como pueden ser sensores de corriente eléctrica basados en efecto Hall, sensores de caudal por ultrasonidos, o sensores de temperatura por infrarrojos.
Las plataformas libres de hardware y software de captura y procesamiento de señales a través de dispositivos de bajo coste como Arduino, Raspberry Pi y similares.
La aparición de nuevos protocolos de comunicación inalámbrica orientados hacia la comunicación M2M (Machine To Machine) con características de bajo ancho de banda, bajo consumo energético y alta resistencia a las interferencias, entre otras Zigbee, BT LE, o Wi-Fi HaLow.
Los sistemas software de almacenamiento y tratamiento de todos los datos registrados, como los sistemas de bases de datos, de cálculo de múltiples informes de indicadores y pantallas de visualización de los parámetros más importantes, tanto residentes en servidores físicos ubicados en la intranet de la fábrica como en servidores virtuales alquilados en la nube.
Estas nuevas tecnologías no han alcanzado la madurez todavía y obviamente la industria puede ser muy reticente a su utilización. Si hay una cuestión que asusta a un responsable de producción o de mantenimiento son los sistemas experimentales que no han sido probados previamente durante años. Sin embargo, es necesario recordar que no estamos hablando de modificar los sistemas de control de los procesos y las máquinas, sino de montar un sistema paralelo a lo largo y extenso de la fábrica que permita la monitorización y registro de los consumos energéticos de los principales elementos y sistemas de producción.
Estamos hablando de la detección de las posibles ineficiencias energéticas. Estamos hablando de su corrección y de los ahorros económicos correspondientes. Y estamos hablando de hacerlo con un coste de inversión razonable, es decir, que se lo pueda permitir una PYME.
20 de julio de 1969, son las 20:18:04 UTC y después de 102 horas, 45 minutos y 39.9 segundos de viaje, “el águila ha aterrizado” y Neil está a punto de descender por la escalera y tocar una superficie desconocida por primera vez: “Un pequeño paso para el hombre, un gran paso para la Humanidad”. Aquel 1969, Neil Armstrong, Michael Collins y «Buzz» Aldrin cambiaron la historia a bordo del mayor cohete construido con destino a la luna.
Muchos lo habrán olvidado, otros como yo ni siquiera habíamos nacido, pero la carrera espacial sufrió una transformación digital similar a la que perseguimos para transformar la industria. El programa Apolo fue la culminación de aquella primera revolución digital en la exploración del espacio.
El alunizaje fue conseguido en parte gracias a la electrónica a bordo del módulo lunar, el ordenador de navegación del Apolo (AGC, del inglés Apollo Guidance Computer). El ordenador AGC fue uno de los primeros ordenadores basados en circuitos integrados digitales. Con “apenas” 32 kgs de peso y unos 55W de consumo, esta maravilla técnica era capaz de coordinar y controlar muchas tareas de la misión espacial, desde calcular la dirección y los ángulos de navegación de la nave, hasta comandar los controles de posición por reacción y orientar la nave en la dirección deseada. Asimismo, el ordenador incluía una de las primeras demostraciones de control «fly-by-wire” con los cuales el piloto no comandaba directamente los motores de la nave sino a través de unos algoritmos de control programados en el ordenador de vuelo. De hecho, el ordenador AGC fue la base para los siguientes controles “fly-by-wire” del transbordador espacial, así como de aviones militares y comerciales.
Pero como pasa con este tipo de innovaciones, no suceden de un día para otro sino a partir de innovaciones incrementales previas.
Durante los años 50, el MIT Instrumentation Laboratory (MIT IL) desarrolló el sistema de guiado de los misiles Polaris. Este sistema fue construido inicialmente con circuitos analógicos, pero decidieron empezar a usar circuitos digitales para garantizar la precisión requerida para calcular las trayectorias de los misiles y sus algoritmos de control.
Antes de que el presidente Kennedy fijase el ambicioso objetivo de “… viajar a la Luna en esta década …” siete años antes del primer alunizaje, y después de la puesta en órbita del Sputnik en 1957, el MIT IL comenzó un estudio de exploración de Marte mediante una sonda. El diseño de esta sonda sentó las bases del futuro sistema de guiado del Apolo e incluía varios giróscopos para orientar la sonda, un ordenador digital y un telescopio para orientar la sonda en relación a la Luna y las estrellas.
El lanzamiento del Sputnik avivó la ambición de los EEUU por ser el primer país en poner un hombre en el espacio, pero creó el debate público acerca del rol más adecuado para los pilotos en la carrera espacial. Una discusión similar a la actual respecto del rol del trabajador en las fábricas. ¿El astronauta debería ser otra “carga” más a bordo de la nave o tomar el control completo de la misma? Una vez que los pilotos de pruebas se ganaron la responsabilidad de tomar el control de las naves, numerosos test mostraron que era prácticamente imposible controlar todos los aspectos de las misiones debido a la las rápidas reacciones y la gran cantidad de mandos de control. Por lo tanto, los pilotos necesitarían algún tipo de ayuda automática y fiable, y esa fue una de las principales funcionalidades del ordenador AGC.
La fiabilidad se convirtió entonces en una de las principales preocupaciones de la misión. El programa Polaris tardó cuatro años en diseñar el control de guiado para un arma que debía permanecer en el aire durante varios minutos. La apuesta de Kennedy de poner un hombre en la luna en menos de siete años significaba desarrollar otro sistema de guiado y control para una nave espacial que debería funcionar sin fallos en un viaje de más de una semana de duración. Los niveles requeridos de fiabilidad eran, por lo tanto, más de dos niveles de magnitud superiores. Si un misil Polaris fallaba, se podría disparar otro. Un fallo en la nave espacial podría matar a un astronauta.
Mucha de la fiabilidad del viaje a la Luna estaría soportada por el ordenador AGC y en cierto momento del programa Apolo había demasiadas tareas planificadas (e.g. maniobras complejas) como para ser controladas con circuitos digitales independientes. Para llevar a cabo estas tareas hacía falta un software. Aunque este concepto apenas se tuvo en cuenta en el principio del programa Apolo, significó la diferencia entre el fracaso o el éxito de todo el proyecto. El ordenador AGC se convirtió en el interfaz entre el astronauta y la nave, que finalmente significaría que el ordenador “controlaba” la nave, una revolución para la época. Hoy en día, el software está en todas partes, pero en los años 60, el software era considerado como un conjunto de instrucciones en tarjetas perforadas. Los programas del ordenador AGC (fijados entre tres y cuatro meses antes de cada lanzamiento) estaban “cableados” mediante ferritas y cables en una memoria permanente (y muy fiable) pero ahorraron mucho tiempo, esfuerzo y presupuesto. De hecho, puede decirse que el software del Apolo era más un “firmware” utilizando la terminología actual.
El reto actual de revolucionar la industria a través de la transformación digital no puede ocurrir sin la ayuda de los denominados habilitadores digitales. Hace 48 años, los primeros circuitos digitales integrados y los primeros programas fueron los habilitadores que permitieron conseguir aquel “pequeño paso para el hombre”. Hoy, el típico “la transformación digital no es una opción”, puede sonar a cliché o eslogan comercial, pero echando una mirada hacia atrás en la historia, la transformación digital del programa Apolo significó la diferencia entre poner o no poner la primera huella humana en la Luna.
Cuidado, no acabe costando más el collar que el galgo.
En mi anterior entrada hablé de lo recomendable que podría ser para una fábrica desagregar (por medida directa y no por estimación basada en valores nominales), los consumos energéticos de la fábrica entre las distintas líneas, maquinarias y sistemas que la componen. Bromas Jedi aparte, lo cierto es que dicha desagregación es un ejemplo de la conocida regla “medir para conocer, conocer para controlar, y controlar para mejorar”. Entonces, si descendemos a un enfoque más práctico, la disponibilidad y estudio de dicha información permitirá:
elaborar un mapeo de los consumos energéticos de la fábrica.
visualizar, a través de un simple gráfico de sectores, las contribuciones energéticas de los distintos elementos.
establecer prioridades sobre qué zonas o máquinas deben ser modificadas o reemplazadas por su baja eficiencia energética.
comparar entre sí la eficiencia energética de las distintas líneas.
comparar el coste energético de los distintos productos fabricados en una misma línea.
detectar consumos inapropiados por mal funcionamiento de los aparatos, o protocolos de trabajo sub-óptimos
De acuerdo. Ya hemos convencido a los directivos de la fábrica de la conveniencia de medir para mejorar y hacerlo a través de la desagregación de consumos. ¿Cómo se pone en marcha?
El planteamiento más obvio sería monitorizar el consumo energético de cada aparato con su correspondiente sensor o medidor. Para el consumo eléctrico, se requerirá la instalación de un analizador de redes en el armario eléctrico donde se encuentran las protecciones eléctricas asociadas a dicho equipo. El proceso, siempre y cuando haya espacio disponible en dicho armario, suele requerir el corte del suministro eléctrico a la máquina durante un periodo de tiempo de escasos minutos. En el caso de maquinaria cuyo consumo energético sea gas natural, el proceso se complica y encarece. Aquí será necesario seccionar la tubería de suministro del gas para instalar el nuevo contador. Los requisitos de seguridad y revisión de las nuevas soldaduras requerirán una interrupción del suministro de entre 24 y 48 horas.
Adicionalmente, puede haber máquinas o equipos que requieran un consumo importante de aire comprimido o energía térmica de calefacción (o refrigeración) en forma de agua caliente (o fría). En estos casos, los contadores específicos deberán ser instalados en las tuberías de suministro de los correspondientes servicios.
En todos los casos, antiguamente, los medidores disponían de un mecanismo mecánico (o electrónico) de conteo y acumulación. Periódicamente, un empleado se encargaba de anotar sus lecturas en el libro de registro correspondiente, cuyas lecturas serían después introducidas manualmente en el sistema informático de gestión de costes. Sin embargo, hoy en día, este planteamiento está obsoleto puesto que, como todo proceso manual de toma de datos, es costoso, ineficiente e induce a múltiples errores. Por tanto, no solo habrá que instalar los medidores de consumo, sino que dichos modelos deberán estar equipados (todos los modelos industriales lo están) con un módulo de comunicaciones que permita enviar los datos medidos a un sistema informático de almacenamiento en base de datos. También será necesario desplegar una nueva red de comunicaciones (o ampliar la existente si fuera el caso) para comunicar todos los nuevos sensores instalados con el sistema informático, que periódicamente grabará los datos de los consumos energéticos.
Este tipo de monitorización de consumos se conoce como Intrusive Load Monitoring (ILM). Su ventaja es la precisión de los resultados, pero su gran desventaja reside en los altos gastos que conlleva. En fábricas donde los consumos estén altamente distribuidos entre multitud de máquinas, el coste en equipos e instalación de un sistema ILM puede suponer una gran inversión frente al coste anual del consumo energético de la fábrica.
No se debe olvidar que la finalidad de un sistema de desagregación de consumos como el considerado es ayudar a reducir el consumo energético y por tanto el coste asociado a dichos consumos. Obviamente, no se puede predecir con exactitud los ahorros económicos que la desagregación de consumos producirá, por lo que se suelen usar rangos basados en experiencias previas, con los valores más y menos desfavorables. Por muy amplia que sea la horquilla de ahorros posibles, si la inversión inicial es desmesuradamente alta, las correspondientes tasas de retorno de Inversión o ROI, estarán por encima de cualquier umbral aceptable por parte del correspondiente director financiero.
¿Desagregación de consumos? ¿Por qué? Para no caer en el lado oscuro
Dentro del mundo de la gestión, el aforismo “lo que no se mide no se puede mejorar” es frecuentemente atribuido al filósofo austriaco del siglo XX Peter Drucker, considerado el mayor filósofo de la administración (también conocida como management) de la centuria.
Cualquiera con unos conocimientos mínimos de gestión de calidad habrá oído hablar del “Ciclo de Deming” o también llamado “Ciclo PDCA de Mejora Continua”. Así, la medición es imprescindible en la gestión, forma parte del proceso administrativo y es fundamental en la aplicación del ciclo PDCA de mejora continua.
Sin embargo, todos los físicos sabemos que el verdadero origen de dicha frase no está en la gestión empresarial sino en la termodinámica experimental. Fue el matemático y físico británico del siglo XIX William Thomson Kelvin (Lord Kelvin) quien la enunció de la siguiente forma: “Lo que no se define no se puede medir. Lo que no se mide, no se puede mejorar. Lo que no se mejora, se degrada siempre.” Por cierto, William Thomson Kelvin se convirtió en Lord Kelvin – y con ello, en el primer científico británico en ser admitido en la Cámara de los Lores–, como reconocimiento a su trabajo en termodinámica y electricidad. Fue enterrado en la Abadía de Westminster, al lado de Isaac Newton.
Una vez defendido el honor de la física frente al management, la idea de medir para mejorar sigue siendo una de las reglas básicas más importantes del green manufacturing.
Uno de los problemas encontrados en el proyecto REEMAIN al iniciar el proceso de mejora de la eficiencia energética de un proceso productivo, fue la agregación de consumos energéticos. Es decir, no se conoce de forma precisa el consumo energético individual de las principales máquinas o etapas del proceso productivo. Sólo se conoce el consumo energético total de la fábrica.
En el mejor de los casos, cuando se trate de grandes fábricas constructivamente organizadas en talleres interconectados, se dispondrá de los consumos energéticos totalizados por meses de los distintos talleres. Esto se debe a que la fábrica habrá instalado contadores de electricidad, gas e incluso energía térmica o aire comprimido en los puntos de conexión de dichos talleres a las redes generales de distribución energética de la fábrica. Sin embargo, este “esfuerzo” –inversión económica– en medidores de energía no tiene nada que ver con la preocupación por la eficiencia energética, sino con evitar discusiones en el reparto de gastos generales correspondientes a suministros energéticos y servicios auxiliares entre los distintos talleres o departamentos.
Los gastos generales han de ser siempre repartidos y, puesto que desde el punto de vista contable la fábrica (o empresa) es un sistema cerrado, los distintos departamentos o talleres intentarán que se use aquel criterio que les beneficia a ellos –obviamente a costa de perjudicar a los otros–. Por ejemplo, los costes de electricidad o gas natural son a veces distribuidos entre los distintos departamentos en función del número de trabajadores, los metros cúbicos del taller, las unidades producidas, las horas trabajadas, la potencia nominal de las instalaciones o incluso una mezcla ponderada de todos los parámetros anteriores. Como se puede imaginar, si los costes energéticos totales alcanzan cifras de magnitud de seis ceros, modificar las ponderaciones hacia un criterio u otro puede suponer cientos de miles de euros sumados o restados en los balances económicos correspondientes.
En cualquier caso, o bien dentro del taller o en la fábrica globalmente, el reto consiste en determinar (mediante la monitorización y registro temporal detallado) las contribuciones de las distintas líneas, máquinas o sistemas al consumo energético de la fábrica. ¿Y por qué es útil? Pues es útil por muchos motivos, que contaremos en la próxima entrada. Pero en términos generales y, parafraseando al maestro Yoda, podríamos decir (ahora que se cumplen 40 años de su estreno), que “la agregación de consumos es el camino hacia el lado oscuro (de la ineficiencia energética). La agregación lleva al desconocimiento, el desconocimiento lleva al descontrol, el descontrol lleva la imposibilidad de mejora”.
El uso de entornos informáticos en el ámbito de la ingeniería mecánica ha crecido significativamente en las últimas décadas. La mayoría de las empresas del sector conocen las ventajas de los sistemas de diseño (CAD) e ingeniería (CAE) asistidos por ordenador. Las tareas tradicionales asociadas al proyecto de elementos de máquinas, estructuras y procesos de fabricación se pueden ver muy simplificadas. El mayor partido se obtiene cuando equipos interdisciplinares comparten modelos de manera que proyectistas, analistas y proveedores puedan evaluar diversas alternativas, comprender decisiones de diseño y colaborar para cumplir los requerimientos de funcionalidad, calidad y coste. Esta interacción requiere sistemas de gestión consensuados, entornos multiplataforma y capacidades de almacenamiento y cálculo local y en la nube para aprovechar al máximo su potencial.
Los entornos de simulación ofrecen nuevas capacidades para resolver problemas más complejos. La mayor ventaja del análisis por elementos finitos es que puede manejar ecuaciones acopladas capaces de describir diversos problemas físicos de interés en la industria. A los tradicionales cálculos para determinar trayectorias, tensiones y deformaciones en estructuras, mecanismos y ensamblajes mecánicos, se añaden ahora cálculos de interacción de esos sistemas con los fluidos que les rodean, permitiendo abordar problemas de combustión en calderas de biomasa, de socavamiento en pilas de viaductos o de vibraciones en estructuras esbeltas debidas al desprendimiento de torbellinos.
El uso eficiente de estas herramientas permite a las empresas acelerar la innovación, evaluando en poco tiempo las distintas alternativas de diseño, realizar experimentos sobre los prototipos, conocer el rendimiento real del producto, calibrar el modelo virtual, simularlo ante otras condiciones no ensayadas y proceder a la optimización antes de su salida al mercado. Sin embargo, algunas empresas no son capaces de asimilar todo el potencial de sus inversiones en software, ya que en ocasiones la simulación continúa desconectada de la línea de producción y no se completa el ciclo metodológico comentado anteriormente. Pensando en ellas, en CARTIF ofrecemos servicios tecnológicos de diseño, simulación, prototipado y ensayo, abarcando desde el diseño conceptual hasta la supervisión de su fabricación y rodaje, aplicado a los sectores de automoción, energías renovables, químico, edificación, infraestructuras y maquinaria industrial y agrícola.
Uno de las aplicaciones más interesantes de la cadena de bloques son los contratos inteligentes (smart contracts). Mientras que un contrato tradicional se limita a recoger el acuerdo entre las partes, un contrato inteligente va un paso más allá y hace que se cumpla lo acordado ejecutando él mismo los pagos, reembolsos o transferencia de bienes acordados. Para ello, el contrato se convierte en un programa de ordenador que de manera automática verifica el cumplimiento de las condiciones del contrato y automáticamente ejecuta lo que se haya estipulado. Los contratos inteligentes suelen estar limitados a acuerdos muy específicos y concretos y la tecnología de cadenas de bloques asegura su cumplimiento sin que haya confusiones ni oportunidad para posteriores litigios. Los contratos inteligentes abaratan los costes al no necesitar de intermediarios supervisores (notarios o abogados), agilizan el proceso y permiten una auditoria inmediata. Una plataforma de cadenas de bloques que permite la gestión de contratos inteligentes es Ethereum.
Los contratos inteligentes aplicados a la distribución de energía podrían desempeñar las funciones de los algoritmos de control que se encargan, por ejemplo, de desviar el exceso de energía hacia los recursos de almacenamiento o de tomar energía de ellos cuando haya necesidad. Una primera aproximación a los contratos inteligentes en el ámbito energético es POWR de la start-up Oneup. Se trata de un prototipo que funciona en un vecindario cuyas casas disponen de paneles fotovoltaicos. La energía que no es consumida en la propia casa se ofrece a los vecinos y es facturada mediante un sistema basado en la cadena de bloques. El contador de cada casa está conectado a un pequeño ordenador (un Rasperry Pi) con acceso a la red de datos. Cada Rasperry Pi alberga una copia del contrato inteligente que continuamente comprueba si se dan las condiciones estipuladas en el contrato. En cuanto se cumplen, bien sea para suministrar energía, bien sea para recibir energía, el contrato inicia la transferencia de energía de manera automática y realiza los pagos o cobros correspondientes en su propia criptomoneda.
Otro ejemplo lo encontramos en Nueva York. El proyectoBrooklyn Microgrid consiste en crear una microrred entre vecinos del barrio. Estos instalan paneles solares en sus tejados con la intención de autoabastecerse de energía y asegurarse el suministro en caso de apagón. Sin embargo, también pueden vender a sus vecinos la que les sobra o comprarles a ellos su excedente en caso de necesidad. Este mercado entre pares es posible gracias a la tecnología de TransActive Grid, un proyecto de LO3 Energy y ConsenSys basado en Blockchain, concretamente en Ethereum. El proyecto estudia cómo podría llegar a ser una red de distribución gestionada autónomamente por una comunidad de usuarios. En el futuro podría llegar a ser una cooperativa formada por los vecinos y que fuera la dueña de la microrred.
Pero mientras los contratos inteligentes en la distribución de energía se hacen realidad, ya hay en marcha proyectos demostrativos de las posibilidades de la cadena de bloques en el sector energético. El primer ejemplo lo encontramos en Sharge. Se trata de facilitar la recarga de un coche eléctrico en cualquier enchufe particular, de manera que podamos recargar nuestro coche en una casa ajena. Las personas en la red instalan en su casa un pequeño aparato llamado Sharger al que se enchufa el coche. Este aparato contiene la electrónica que ejecuta Blockchain. Una idea muy similar se está desarrollando en el marco del proyecto BlockCharge, que involucra a las empresas Slock.it y RWE. En ambos casos el objetivo es desarrollar un sistema de pagos para la recarga de vehículos eléctricos que incluye una moneda virtual, no necesita contrato y tampoco intermediarios.
También hay iniciativas que utilizan una criptomoneda para recompensar a los productores de energía solar, como “solarcoin”. Otras iniciativas se acercan al Internet de las Cosas al facilitar el intercambio de energía entre máquinas, como es el caso de Solether.
Blockchain es una tecnología que podría beneficiar a los usuarios de energía eléctrica y podría fomentar el uso de las energías renovables. También daría más importancia al consumidor en el sistema eléctrico. A la vez que la tecnología se prueba y desarrolla, habría que ir pensado en las normas legales que frenarían la adopción de esta tecnología y que deberían ser modificadas.
