Introducción

La energía desempeña un papel fundamental en el desarrollo de los sectores productivos cuya utilización debería realizarse con elevada eficiencia, bajo impacto medioambiental y menor costo posible; esto es cada vez más importante, ya que el consumo energético se ha incrementado con la producción de bienes y servicios (^{Larraz, 2011}). Un uso eficiente de la energía reduce los costos asociados y las emisiones de CO₂ (^{Boharb et al., 2017}). Sin embargo, se presenta una tendencia en la alta gerencia de que la relación costo - beneficio de las inversiones en eficiencia energética, afectan la productividad y la rentabilidad de la empresa (^{Trianni et al., 2013}). En la actualidad, la exigencia del mercado obliga a las empresas a precisar y medir los requerimientos de los usuarios, bajar los costos, reducir tiempos de producción y mejorar la calidad de sus productos (^{Tinoco, 2018}). Así mismo, si una organización conoce el consumo de energía y los equipos usados en su proceso productivo, realizará una mejor gestión integral en todas las áreas; logrando conocer la eficiencia energética del proceso en sus diferentes etapas, brindando una visión del compromiso ambiental mediante el indicador de huella de carbón de la empresa (^{Estévez, 2012}); entre otros para realizar una evaluación integral de procesos (^{Galarza, 2012}). La implementación de un sistema de gestión integral de energía (SGIE-ISO 50001) en una organización brinda una mejora continua de la eficiencia energética con un enfoque sistemático, en particular cuando se abordan auditorías energéticas soportadas en ISO 50002 (^{International Organization for Standardization, 2011}). Actualmente los costos de producción en una empresa se calculan mediante la suma de los costos fijos más los costos variables (^{Mowen, 2006}), estos cálculos son de carácter global para toda organización; sin una discriminación detallada por áreas, siendo esto importante ya que una industria debe considerar las variaciones del precio de la energía eléctrica mes a mes y como afecta a los costos totales de producción.

Existen métodos para determinar el uso de la energía en una industria realizando auditorías energéticas. En (^{Casals, 2014}) se analiza el consumo eléctrico utilizando ISO 50002 en una estación de metro en España, tomando acciones en la gestión energética de los equipos y sistemas. En (^{Fresner et al., 2016}) se realiza una serie de auditorías energéticas a 280 PYME en Europa, para conocer el tipo de consumo energético y mejorar su eficiencia energética. En (^{Dongellini, Marinosci, & Morini, 2014}) se efectúa una auditoría energética en ocho edificios de una industria automotriz italiana, para realizar: análisis energético completo, identificación del desperdicio de energía, definición del plan de adaptación para reducir consumos, implementación del plan sistemático de proyectos de ahorro de energía y monitoreo de resultados. Así mismo, en (^{A. Aranda-Usón, 2012}) se proporciona información cuantitativa del consumo energético de cuatro sectores industriales (Alimento y bebida, Textil, Químico y Minerales no metálicos) en España, con un análisis de energía resultante de auditorías energéticas en los sitios e información complementaria. Auditorías realizadas en Taiwan (^{Ma, Chen, & Gui-Bing, 2012}), (^{Su et al, 2013}), describen el potencial ahorro energético de 76 empresas y una auditoría energética a la industria del cemento, siguiendo una metodología basada en las tendencias históricas de consumo de energía y la información tecnológica de la planta. Igualmente, en (^{Boharb et al, 2016}), se realiza una auditoría energética a una empresa dedicada a la producción y comercialización de alimentos para ganado en Marruecos, analizando el uso de la energía por parte de la empresa, realizando recomendaciones correspondientes. En la literatura (^{Lin et al, 2014}), se resume el potencial de ahorro de energía entre 168.3762.1 Tera julios de 118 empresas de Pulpa y Papel en Taiwán. Finalmente, en (^{Kong et al, 2013}), se describe una auditoría energética de una fábrica de papel en China, para identificar oportunidades de conservación de energía y mitigación de CO₂, con un potencial de ahorro de energía de 967,8 Tera julios y de 93.453 toneladas de CO₂.

Los métodos descritos buscan determinar el consumo de energía a nivel global de un sector productivo, y no discriminan por áreas de una industria. Esto es, no determinan la influencia del consumo de energía en los costos, fijos y variables, que se presentan en las industrias respecto a los niveles de producción. Por esta razón en el presente artículo, se desarrolla un método basado en la norma ISO 50002 y estándares ISA para determinar el consumo de energía por unidad producida, y cómo se distribuye esta energía en las diferentes células que conforman el área de producción de una industria.

Materiales y Métodos

En el desarrollo de un producto participan diferentes células del área de producción que emplean energía eléctrica (EE) transformando la materia prima hasta obtener el producto final. Cada célula generará una cantidad de unidades de salida, para relacionar la producción con el consumo eléctrico se definen indicadores como consumo eléctrico por unidad (Ec. 1):

Partiendo de la norma ISO 50002 (International Organization for Standardization, 2011) (García, 2019) y los estándares ISA 5.1 (America National Standard, 1992) (^{Trippel, 2017}) e ISA 88.1 (International Society of Automation, 2006) (^{Hawkins, 2010}), se propone un método de ocho fases para cuantificar el consumo eléctrico por unidad de producto en una industria:

Definición de Objetivos: Determina la problemática a solucionar, fijando los límites y fronteras de solución. Para el caso de estudio, se pretende conocer la cantidad de EE para producir Aguardiente (tradicional -T y sin azúcar -SAz), en sus presentaciones de media botella (M)(375cc.), botella (B)(750cc.), y garrafa (G)(1750cc), y determinar el consumo de EE real en producción y los costos por unidades producidas.

Recolección de Datos históricos: Registra el consumo de EE del proceso como referencia. En este caso, se recolectó la información de producción y consumo energético de enero del 2017 a agosto del 2018.

Definición de áreas de interés: Identifica las áreas y equipos del proceso productivo. En este caso, se centró en el área de producción, conformada por las células preparación y envasado, levantando el modelo físico del área de producción (Tabla 1). Siendo relevantes los motores en el proceso productivo, por su alto consumo energético a nivel industrial (Mantilla, 2005); en las dos células hay 45 motores eléctricos trifásicos, 10 motores en la célula de preparación y 35 en envasado.

Realización del Censo de carga: Se recolecta sus placas y los tiempos de utilización para la información que presentan los equipos en sus placas y los tiempos de utilización para establecer el consumo eléctrico (Ec. 2):

Ejecución de Medición: Se calcula consumos eléctricos, y variables relevantes para conocer la cantidad de EE usada por unidad producida. En este caso el consumo energético y el nivel de producción.

Cálculos y Resultados: Se propone el indicador deseado para relacionar el consumo eléctrico con la producción. La EE total para obtener un producto será igual a la suma de la EE de las diferentes células donde se transforma la materia prima (Ec. 3):

Análisis: Verifica que la información obtenida dentro del proceso de censo de carga y de medición sea lógica y de calidad. Con ello se analiza el consumo de EE en las diferentes células que conforman el área de producción, y se relaciona con las demás áreas de la empresa.

Resultados

Recolección de datos Históricos

En enero de 2017 el consumo de EE fue de 8.623 kWh con una producción de 0 botellas, además en abril del mismo año el consumo de EE fue de 7.844 kWh y una producción de 17.484 botellas, esto permite inferir posibles consumos externos al área de producción, con consumo de EE considerable (Figura 1).

Fuente: elaborado por los autores.

Figura 1 Comportamiento histórico de variables relevantes. 

Realización del censo de carga

En la célula de preparación se producen lotes de 10.000 L de aguardiente (para 13.333,33 botellas, 26.666,66 medias o 5.714,28 garrafas), utilizando 3.000 litros de alcohol y 7.000 litros de agua, involucrando 8 equipos (Tabla 2). Con esto se estima el consumo de EE para una preparación de 10.000 L de aguardiente, sumando la multiplicación de la potencia de cada equipo por las horas de utilización; empleando un total de 13,68 kWh.

Tabla 2 Censo de carga de los 8 equipos de la célula de preparación. 

Para la célula de envasado se recolectó información de 35 equipos, de los cuales se tiene una potencia instalada de 45,23 kW; el equipo de mayor consumo es el compresor de la unidad aire para equipos, con un 49 % de la potencia total instalada. En la línea de envasado están 34 de los 35 equipos, dónde la operación de los motores no es continua, generando errores en la medición del tiempo.

Ejecución de medición

Para obtener datos reales de consumo de EE se instalan medidores en las células de producción tomando como guía la norma ISO 50002 (Tabla 3).

Tabla 3 Características de medición en el área de producción. 

Célula			Medición
	Punto	Equipo	Tiempo recolección	Horas de adquisición
Preparación	Tablero de distribución	Medidor analógico METER	7 días	6:00 am 7:00 pm
Envasado	Medición directa	Medidor digital ELSTER A1800	15 días	6:00 am 7:00 pm
		Periodo representativo 01/07/2018-31/12/2018

Fuente: elaborado por los autores.

En el tablero de distribución de EE se instalan equipos de sub-medición, adicionalmente se calcula el consumo de EE de la luminaria del área de producción. El periodo de estudio es amplio, porque el cronograma de producción de la ILC depende de las características del mercado.

Recolección de variables relevantes

En la célula de preparación la producción se asocia al número de preparaciones de aguardiente, y en envasado a la cantidad de cajas producidas. En la primera se realizan dos procesos, la descarga de alcohol cada tres o cuatro meses y la preparación de aguardiente diaria (Tabla 4).

Tabla 4 Consumo de EE y niveles de producción célula de preparación. 

Día	Consumo [kWh]	N° Preparación	Consumo/N° Preparación
1	25,10	2	12,55
2	24,30	2	12,15
3	33,32	3	11,10
4	23,90	2	11,95
5	22,40	2	11,20
6	14,9	1	14,90
7	21	2	10,50
Promedio	23,56	2	12,05

Fuente: elaborado por los autores.

Se registró cinco descargas de 40.000 litros de alcohol utilizando 86,8 kWh (17,36 kWh/descarga), cada una se utiliza en 13,33 preparaciones (1,30 kWh/lote de aguardiente). Siendo el consumo energético real para una preparación la suma de la EE de preparación y de descarga de alcohol 13,35 kWh. Respecto a cada presentación (Ec. 1), hay un consumo de 0,5006 Wh/Media, 1,0012 Wh/Botella, y 2,34 Wh/Garrafa. El medidor instalado en la célula de envasado es para la unidad línea de envasado (Tabla 5).

Tabla 5 Consumo EE en la línea de envasado y producción de aguardiente. 

En la unidad de aire para equipos se encuentra un compresor marca INGERSOLL RAND con un voltaje de 230 V y un factor de potencia de 0.86, con dos estados de operación (consumos de corriente diferentes): carga (19,56 A) y normal (40,66 A). Para encontrar la EE total consumida por el compresor (Ec. 2), se recolectó el número de horas de ambos estados durante 4 días para obtener un promedio respecto al total de horas de funcionamiento (Tabla 6) (Carga 35.182,55 Wh y Normal 97.510,71 Wh). El compresor por unidad producida consume: 5,12 Wh/ Botella T, 4,8 Wh/ Media SAz y 16,70 Wh/ Garrafa SAz.

Tabla 6 Registro horas de funcionamiento del Compresor. 

Día	Horas de carga	Horas normales	Total
1	6	7	13
2	5	8	13
3	4	7	11
4	6	6	12
Promedio	5,25	7	12,25

Fuente: elaborado por los autores.

Para la luminaria se estimó la EE con los consumos eléctricos de las luces instaladas, obteniendo que en una jornada laboral de 12,25 horas se consumen 28,602 kWh. La luminaria por unidad producida consume: 1,10 Wh/ Botella T, 1,03 Wh/ Media SAz y 3,60 Wh/ Garrafa SAz.

Discusión

Conclusiones

- En la presente investigación se desarrolló un método con ocho fases para la cuantificación de consumo eléctrico por producto en cualquier empresa. El método inicia con la identificación de los productos y áreas involucradas junto con la adquisición de datos históricos del consumo energético en la empresa, hasta la descripción detallada de la energía empleada por producto. Esto se logra con la implementación de indicadores, las mediciones en campo, y cálculos de consumo eléctrico de toda la maquinaria involucrada.

-El método implementado permitió observar que los valores teóricos de la aplicación del censo de carga y los valores con la medición tienen un error del 2,4%, lo que sustenta qué su aplicación es confiable; pero es necesario un sistema de medición eléctrica fija instalado en los puntos de interés de la empresa.

-Se comprobó que el indicador energético actual de ILC para el área de producción (80% del total facturado) no es adecuado, ya que en el análisis de los datos encontrados se observa que dicho consumo no excede el 43% del consumo total, sin embargo, por la variación de valor del kWh por mes, no es factible asignar un precio fijo, pero es posible hacer un seguimiento a su costo.