Costes del aire comprimido por m³: Por qué el aire comprimido es uno de los recursos más caros de la planta

Para la electricidad, el gas y el agua hay una factura en la planta. Para el aire comprimido, no. Está disponible en cada pared, se utiliza de forma natural y no aparece en ningún centro de costes como una partida propia. Por ello, en muchas empresas el aire comprimido se considera un medio prácticamente gratuito y, al mismo tiempo, se supervisa menos que cualquier otra fuente de energía.

En realidad, el aire comprimido no es una materia prima, sino un recurso transformado. La energía eléctrica se convierte en presión y una gran parte de la energía empleada sale del compresor en forma de calor. La generación de aire comprimido representa en Alemania alrededor del 7 % del consumo eléctrico industrial. En un compresor industrial con una buena carga de trabajo, los costes energéticos representan, con diferencia, la mayor parte de los costes del ciclo de vida; en la literatura especializada se cita entre el 65 y el 85 %.

Este artículo muestra cómo se pueden calcular los costes del aire comprimido por m³, qué cuatro variables los determinan y qué tres comprobaciones puede realizar una planta con los datos operativos existentes.

Por qué se subestima el aire comprimido en la empresa

Coinciden tres puntos. En primer lugar, falta el contador: el consumo eléctrico de los compresores está incluido en la factura total de la planta y rara vez se asigna a una línea o a un proceso. En segundo lugar, el precio de compra es visible, pero el funcionamiento no. La instalación se paga una vez, el aire todos los días. En tercer lugar, un aumento del consumo apenas se nota mientras la presión de la red se mantenga estable: el compresor compensa automáticamente las pérdidas adicionales mientras tenga reserva.

Esto desplaza la percepción. Una instalación que funciona de forma fiable se considera correcta, incluso si genera mucho más aire del que la producción realmente necesita.

Cuánto cuesta un metro cúbico de aire comprimido en la generación

El precio por metro cúbico no figura en ninguna tabla. Se deriva de la propia instalación. La magnitud determinante para el cálculo básico es el indicador de eficiencia energética de la generación: el consumo eléctrico de los generadores de aire comprimido, incluidos los controles, convertidores de frecuencia, ventiladores y otros equipos auxiliares, dividido por la cantidad de aire comprimido generada en el mismo periodo. Se indica en kWh/m³. La demanda energética propia de los secadores y otros componentes activos del tratamiento del aire comprimido no está incluida. Debe registrarse por separado, repercutirse en la cantidad de aire comprimido generada y tenerse en cuenta adicionalmente en el cálculo completo de los costes operativos. Las pérdidas de presión a través de secadores, filtros y tuberías también deben incluirse en una consideración completa del sistema.

Para una presión de funcionamiento de 7 bar (e), se considera un rango de 0,10 a 0,12 kWh/m³ como un valor de bueno a aceptable. Si el indicador determinado es significativamente superior, merece la pena buscar la causa. El indicador de eficiencia energética de la generación describe el sistema de generación e indica cuánta electricidad necesitan los generadores de aire comprimido, incluidos los equipos auxiliares mencionados, por cada metro cúbico generado.

Por el contrario, el consumo de potencia específico describe una sola máquina y relaciona su potencia absorbida eléctrica total con su caudal (FAD), tal como se indica en la ficha técnica según la norma ISO 1217. Las máquinas solo pueden compararse de forma fiable si el caudal, la presión de funcionamiento y las condiciones de referencia coinciden. La potencia nominal del motor en kW no es adecuada para ninguna de las dos consideraciones.

Costes eléctricos de la generación de aire comprimido por m³ = Indicador de eficiencia energética de la generación (kWh/m³) × Término de energía (€/kWh)

Costes eléctricos adicionales del tratamiento por m³ = Consumo energético del tratamiento (kWh) ÷ Cantidad de aire comprimido generada (m³) × Término de energía (€/kWh)

Para el cálculo completo de los costes energéticos corrientes, se deben sumar ambos valores. El siguiente ejemplo de cálculo muestra exclusivamente la primera parte, es decir, los costes eléctricos de la generación de aire comprimido.

Ejemplo de cálculo: Costes eléctricos de la generación de aire comprimido

Nota: Ejemplo de cálculo con supuestos declarados. Los valores no son transferibles a otras instalaciones y no sustituyen a una medición.

• Caudal: 5 m³/min
• Horas de funcionamiento: 4.000 h al año
• Indicador de eficiencia energética: 0,110 kWh/m³ (supuesto, 7 bar)
• Término de energía: 0,22 €/kWh (supuesto)

Cantidad anual: 5 m³/min × 60 × 4.000 h = 1.200.000 m³. Consumo eléctrico: 1.200.000 m³ × 0,110 kWh/m³ = 132.000 kWh. Costes eléctricos: 132.000 kWh × 0,22 €/kWh = 29.040 €. Esto corresponde a unos 2,4 céntimos por metro cúbico para la generación de aire comprimido, sin incluir la demanda energética del tratamiento.

Dos magnitudes deciden el resultado: cuánto aire se genera y cuánto cuesta cada metro cúbico de energía. La guía para calcular la demanda de aire comprimido muestra cómo determinar la cantidad realmente necesaria.

Los costes de generación no son los costes totales completos

Los cálculos anteriores responden a una pregunta claramente delimitada: ¿cuánto cuesta el funcionamiento corriente por metro cúbico generado? Por tanto, son un cálculo de costes operativos o energéticos, no una consideración completa de los costes totales de propiedad.

Para una consideración completa a lo largo del ciclo de vida, se deben incluir adicionalmente: precio de adquisición de los compresores y del tratamiento, instalación, tuberías, conexión eléctrica y, en su caso, cimentación, mantenimiento, piezas de desgaste y repuestos, amortización y financiación, modificaciones por cambios en la demanda, así como el valor residual o de eliminación al final de la vida útil. Solo esta suma da los costes totales. El artículo sobre los costes totales de un compresor industrial trata cómo se distribuyen los bloques individuales a lo largo de la vida útil.

El modelo de palancas de costes: cuatro variables centrales

En un modelo simplificado se pueden distinguir cuatro variables centrales. Las dos primeras actúan de forma multiplicativa: quien mejora ambas en un diez por ciento, reduce los costes eléctricos de la generación en aproximadamente una quinta parte.

1. Cantidad generada. Cada metro cúbico que no se necesita, cuesta igual. Esto incluye fugas, puntos de soplado continuo, consumidores que permanecen conectados a la red fuera del turno, así como aplicaciones para las que el aire comprimido no es el medio adecuado.
2. Indicador de eficiencia energética. Resume cuánta electricidad necesita la generación por metro cúbico. En ello influyen el valor de consigna de presión, la tecnología de compresión, la estrategia de regulación, la carga de trabajo, el estado de mantenimiento y todas las pérdidas de presión entre el compresor y el punto de aplicación.
3. Término de energía y recuperación de calor (WRG). El precio por kWh repercute directamente en cada metro cúbico. La mayor parte de la energía de accionamiento eléctrica se convierte en calor. Una parte de este calor puede aprovecharse mediante un sistema de recuperación de calor (WRG). Donde exista un receptor de calor adecuado y la generación de calor y la demanda de calor coincidan en el tiempo, la WRG reduce los costes energéticos totales de la empresa, porque sustituye al calor que de otro modo habría que comprar.
4. Costes indirectos fijos. El mantenimiento, los cambios de filtro y aceite, las piezas de desgaste, el mantenimiento de los secadores y el tratamiento de condensados continúan independientemente de la cantidad consumida.

El orden se ha elegido deliberadamente: la cantidad y el indicador de eficiencia energética suelen poder influirse de forma más rápida y económica en las instalaciones existentes que el término de energía o una nueva inversión.

Dónde se originan los costes en el día a día

Fugas

Las fugas son consumidores permanentes. Extraen aire también por la noche, los fines de semana y en las pausas, es decir, precisamente cuando no se genera ningún beneficio por metro cúbico. Como orientación: en redes pequeñas, la proporción de fugas no debería superar el 5 %; en redes industriales más grandes, alrededor del 10 %; en redes muy grandes, entre el 13 y el 15 %. Sin embargo, los estudios en empresas industriales muestran que las proporciones realmente medidas suelen ser significativamente superiores.

Los puntos de hallazgo típicos son acoplamientos rápidos, mangueras, uniones roscadas, unidades de mantenimiento, válvulas y juntas de cilindros. También la propia estación de aire comprimido puede ser el origen, por ejemplo, a través de purgadores de condensados atascados o válvulas de descarga defectuosas. Es importante separar dos cuestiones: la proporción de fugas derivada del cálculo indica cuánto se pierde. Dónde se encuentran las fugas solo lo muestra la localización, habitualmente con ultrasonidos durante el funcionamiento.

Valor de consigna de presión y pérdidas de presión

El nivel de presión requerido comienza en el consumidor, no en el compresor. El valor de consigna de presión de la estación se obtiene a partir de la presión del proceso en el consumidor más sensible, la tolerancia permitida, las pérdidas de presión a través del tratamiento y la red, y un margen de seguridad justificado. Cada bar de sobrecompresión aumenta la demanda energética entre un 6 y un 10 %; el valor exacto depende de la instalación, la regulación y el perfil de carga. El artículo sobre la presión de funcionamiento correcta trata qué nivel de presión se adapta a cada red.

Como valor de referencia, la caída de presión desde el depósito de aire comprimido hasta el consumidor no debería superar un bar, y la mayor parte de ella suele producirse en los accesorios de conexión (mangueras, acoplamientos, filtros y unidades de mantenimiento) y solo una pequeña parte en la red de tuberías. El error más común es el aumento de la presión como solución rápida. Antes de subir el valor de consigna de presión, deben examinarse los filtros sucios, el estado del secador, los acoplamientos, las secciones de las mangueras, el trazado de la red de tuberías, los picos de carga y los consumidores críticos individuales.

Marcha en vacío y cambios de carga

Un compresor con regulación de carga/marcha en vacío también consume energía cuando no suministra aire. La demanda de potencia en marcha en vacío suele ser del 20 al 30 % de la operación en carga. Los cambios de carga cortos, un depósito de aire comprimido demasiado pequeño o varias máquinas sin un control superior prolongan estas fases improductivas. Una regulación de velocidad adapta el caudal a la demanda y reduce la marcha en vacío y los ciclos de conmutación. Si resulta rentable lo decide el perfil de carga medido y no el folleto: las máquinas reguladas por velocidad funcionan de forma más económica en un rango de carga media. A plena carga, se añaden las pérdidas del convertidor de frecuencia. Solo en los motores síncronos de imanes permanentes el mayor rendimiento del motor puede compensar parcialmente estas pérdidas del convertidor. Esto no es extrapolable a los compresores regulados por velocidad con motor asíncrono.

La tecnología de compresión también contribuye a esta palanca. En la serie STRONG 2S, la compresión de dos etapas con refrigeración intermedia reduce el gasto energético; según el catálogo, con ella se puede ahorrar más del 10 % de energía en comparación con la compresión de una etapa. El artículo sobre el compresor de tornillo de dos etapas muestra por qué dos máquinas con la misma potencia nominal del motor suministran cantidades diferentes de aire por kilovatio hora.

Tratamiento y condensados

Los secadores, filtros y la tecnología de condensados cuestan el doble: a través de su propia demanda energética y a través de la caída de presión que la estación debe compensar. Un aumento de la presión diferencial del filtro debido a elementos saturados eleva el valor de consigna de presión; como orientación, la caída de presión a través de un filtro de línea no debería superar los 0,1 bar. Los secadores de adsorción necesitan adicionalmente aire de purga, que el compresor debe generar primero. La comparativa entre secadores frigoríficos y secadores de adsorción aclara qué tipo de construcción es necesaria en cada caso.

Una partida que suele pasarse por alto son los purgadores de condensados. Un purgador defectuoso o permanentemente abierto pierde aire comprimido de forma continua; los purgadores temporizados mal ajustados liberan más aire del necesario en cada ciclo. La guía sobre el tratamiento del aire comprimido describe cómo interactúa la cadena formada por separador, secador, etapas de filtrado y tecnología de condensados. En principio, se aplica lo siguiente: una calidad de aire superior a la que exige el proceso aumenta la inversión y los costes operativos sin aportar ningún beneficio.

Las tres primeras comprobaciones para su planta

Las siguientes comprobaciones se realizan con los datos operativos existentes. Proporcionan una primera clasificación y muestran si es necesaria una medición fiable. No sustituyen a una medición fiable.

1. Evaluar las horas de carga y de marcha en vacío. Lea los contadores de horas de funcionamiento y de horas de carga. La diferencia da las horas de marcha en vacío. Si la proporción de marcha en vacío es inferior a aproximadamente el 10 % de las horas totales de funcionamiento, no es llamativo; por encima de ese valor, merece la pena comprobar el tiempo de inercia, el tamaño del depósito, los tamaños de las máquinas y el control superior. Anote las lecturas de los contadores mensualmente a partir de ahora: un aumento inexplicable suele ser el primer indicio de un nuevo problema.
2. Comprobar el consumo durante la parada de producción, bajo las condiciones adecuadas. Si un compresor entra en carga regularmente con la producción parada, está trabajando contra fugas y puntos de soplado continuo. A partir de la relación entre el tiempo de funcionamiento en carga y el tiempo total durante la parada, se puede estimar de forma aproximada la proporción de fugas.

Esta estimación solo es significativa bajo ciertas condiciones. Requiere que la producción esté realmente parada y que los consumidores continuos conocidos se descuenten previamente. Funciona con máquinas que cuentan por separado los tiempos de carga y de marcha en vacío; en los compresores regulados por velocidad, no se puede derivar una cantidad de aire de la relación de tiempos de funcionamiento, porque el caudal varía con la velocidad. El caudal tomado como base proviene de las especificaciones del fabricante y puede variar debido al desgaste o a fugas internas del compresor, por lo que un buen estado de mantenimiento es un requisito previo. En empresas con producción continua, este procedimiento no es aplicable; aquí se requieren alternativas de medición técnica. Y donde el aire comprimido alimenta funciones relevantes para la seguridad, el suministro no debe interrumpirse para la comprobación.

• Contrastar el valor de consigna de presión con la demanda real. Determine la presión requerida en el consumidor más sensible y compárela con el valor de consigna de presión en la estación. La diferencia es su recargo por pérdidas de presión y seguridad. Al hacerlo, lea los indicadores de presión diferencial en los prefiltros y postfiltros y compruebe si los purgadores de condensados tienen válvulas que soplan permanentemente o que se abren durante demasiado tiempo.

Si estas comprobaciones revelan anomalías, merece la pena dar el siguiente paso. Para la cuantificación exacta del caudal, la carga base, la carga máxima y la proporción de marcha en vacío, se requieren valores de medición durante una semana operativa representativa bajo una carga de trabajo real; una auditoría de aire comprimido proporciona esta base de datos.

Errores frecuentes en la consideración de costes

• Comparar los compresores solo por la potencia nominal del motor en kW, en lugar de por el consumo de potencia específico referido al caudal.
• Contrastar caudales sin condiciones de referencia comunes.
• Aumentar el valor de consigna de presión antes de haber localizado la causa de la caída de presión.
• Determinar la proporción de fugas una sola vez y no realizar un seguimiento posterior.
• Excluir el tratamiento, la tecnología de condensados y la red de tuberías del cálculo de costes.
• Adoptar un valor de céntimos a tanto alzado por metro cúbico, en lugar de calcular con los propios datos operativos.

Preguntas frecuentes

¿Por qué el aire comprimido es más caro que la electricidad que lo genera?

Porque durante la compresión la mayor parte de la energía eléctrica se genera en forma de calor y solo una fracción llega a la herramienta como aire comprimido utilizable. A esto se añaden las pérdidas en la red, en el tratamiento y por fugas. Si se compara la demanda energética de una aplicación accionada por aire comprimido con un accionamiento eléctrico directo adecuado para la misma tarea, la solución de aire comprimido suele ser significativamente más intensiva en energía. Sin embargo, la magnitud de la diferencia depende mucho de la aplicación, el nivel de presión, el rendimiento y el perfil de carga.

¿Para qué aplicaciones no resulta rentable el aire comprimido?

En todos aquellos lugares donde una forma de energía más sencilla cumpla la misma tarea. Para el soplado, un aspirador industrial suele ser la mejor opción; para el enfriamiento y el transporte, un soplante o una cinta transportadora; para los accionamientos, un motor eléctrico y para los movimientos lineales, en determinadas circunstancias, un actuador lineal o hidráulico. Donde el aire comprimido siga siendo la elección técnica correcta, las boquillas optimizadas y un control dependiente de la demanda reducen sensiblemente el consumo.

¿Cuánto influye la temperatura de aspiración en los costes?

El aire de aspiración caliente tiene una menor densidad, por lo que el compresor debe aspirar un volumen mayor para la misma masa de aire. Si la temperatura de aspiración sube de 20 °C a 35 °C, el consumo de potencia específico aumenta aproximadamente un 5 %. Por tanto, el aire de entrada, el aire de salida y la evacuación de calor deben incluirse en la consideración de costes; la planificación de la sala de compresores influye directamente en el precio por metro cúbico.

¿Cómo repercute el tratamiento en proporción?

El tratamiento del aire comprimido incluye, además del secador, los filtros de línea y los depósitos de aire comprimido. En una consideración completa del sistema, se añaden además la tubería y su tipo de instalación. La proporción de energía y costes del secado depende mucho del procedimiento de secado, del punto de rocío a presión requerido, de la carga de trabajo, de la caída de presión y de la regulación. Los secadores de adsorción pueden necesitar significativamente más energía que los secadores frigoríficos debido a la regeneración del desecante y a la demanda de aire de purga. Por tanto, solo tienen sentido allí donde el proceso realmente exija un punto de rocío a presión negativo. La diferencia se debe principalmente a la regeneración del desecante y a la demanda de aire de purga. Por ello, un secador de adsorción solo tiene sentido allí donde el proceso realmente exija un punto de rocío a presión negativo.

¿Resulta rentable la recuperación de calor para el cálculo de costes?

Casi siempre desde el punto de vista del cálculo, en la práctica solo bajo ciertas condiciones. La mayor parte de la energía de accionamiento eléctrica se convierte en calor, y una parte de este calor puede, en principio, aprovecharse. Los factores decisivos son el nivel de temperatura, un disipador de calor cercano, la coincidencia temporal entre la generación de calor y la demanda de calor, así como un número suficiente de horas a plena carga (las horas de marcha en vacío suministran poco calor). La serie STRONG 2S está disponible opcionalmente con un intercambiador de calor integrado que permite aprovechar el calor de compresión como agua caliente.

Evaluar los costes del aire comprimido con los propios datos operativos

Una consideración de costes fiable comienza con sus datos operativos. Son útiles el número y el caudal de los compresores, la estrategia de regulación y el año de fabricación, el valor de consigna de presión ajustado y la presión realmente necesaria en el punto de aplicación, las horas de funcionamiento y de carga, el modelo de turnos, el término de energía por kWh, el tratamiento existente, así como los problemas conocidos con la caída de presión, las fugas o los condensados.

Sobre esta base, SCC air compressors clasifica técnicamente la situación y señala las palancas más eficaces en su red. El alcance de los servicios incluye la comprobación de la instalación en busca de errores y fugas, el análisis de la demanda de aire comprimido con registrador de datos y la simulación de los ajustes del compresor; a partir de ello se generan cálculos de rentabilidad y ahorro para su instalación concreta. La vista general de productos ofrece una visión de las series adecuadas. Describa su situación inicial a través del asesoramiento técnico de SCC: cuanto más precisos sean los datos operativos disponibles, más concreta será la clasificación.