Nueva tecnología digital de análisis energético productivo para el sector cerámico

Los Centros de investigación Instituto de Tecnología Cerámica (ITC) y el Instituto Tecnológico de la Energía (ITE) se han unido para desarrollar el proyecto “Desarrollo de nuevas tecnologías para el análisis y la optimización energética y medioambiental del proceso de fabricación de baldosas cerámicas”, Tecem, que busca analizar y gestionar de manera óptima la producción de los hornos respecto a su consumo energético a través de soluciones digitales. La aplicación desarrollada incorpora varios aspectos novedosos, como son el análisis de la integración de energías renovables y sistemas de recuperación de calor residual. Asimismo, también se está trabajando en el desarrollo de membranas de captura de CO₂ de uso en el proceso citado.

La fabricación de baldosas cerámicas es uno de los sectores industriales más dinámicos y competitivos del Estado Español. El tejido industrial directamente asociado a dicho proceso de fabricación presenta multitud de actividades, como son la extracción de materias primas, la fabricación de materias primas semielaboradas (granulado atomizado, fritas, esmaltes y pigmentos cerámicos), la fabricación de piezas y decoraciones especiales (denominadas en el lenguaje industrial piezas de tercer fuego).

Además del tejido industrial directamente relacionado con la fabricación de baldosas cerámicas, existe otro tipo de actividades asociadas a dicho sector de forma indirecta (talleres, ingenierías, empresas de servicios, proveedores de materias primas minoritarias, entre otras). Este conjunto de actividades forma en la provincia de Castellón lo que en términos económicos se denomina un clúster industrial, debido al elevado grado de concentración existente de estas actividades, en especial en el área delimitada al Norte por l’Alcora y Vall d’Alba, al Oeste por Onda, al Sur por Nules y Xilxes y al Este por Castellón de la Plana.

El proceso de fabricación de baldosas cerámicas consta de varias etapas productivas, siendo las más importantes: la preparación de las materias primas, que depende del proceso de conformado posterior de las piezas, el conformado de las piezas, su posterior secado, para eliminar la humedad presente en las materias primas durante su conformado, el proceso de esmaltado y decoración, y la cocción, que es la etapa final en la que el producto crudo se somete a un ciclo térmico. (Barba et al., 2002).

Los hornos utilizados para la cocción de baldosas cerámicas son hornos continuos de rodillos, en los que el aporte de calor se realiza por combustión de gas natural, lo que permite trabajar con contacto directo entre los gases de combustión y el material procesado. En estos hornos, el movimiento de las piezas a través del mismo se lleva a cabo por medio de rodillos que tienen un movimiento constante de rotación. Los quemadores de gas se encuentran situados en las paredes del horno, y utilizan como comburente aire, bien a temperatura ambiente o bien aire precalentado reutilizado de la zona de enfriamiento del horno. En general, puede decirse que la temperatura máxima de cocción se sitúa entre 1.100 y 1.200 °C, y la duración del ciclo de cocción entre 35 y 70 minutos (AVEN, 2011a). Las zonas en las que se divide el horno vienen determinadas por el ciclo térmico al que son sometidas las piezas. Las condiciones de temperatura, presión y contenido en oxígeno en el interior de la cámara de combustión deben ser las adecuadas para garantizar que todas las reacciones se produzcan correctamente y se obtenga un producto final sin defectos y con las características requeridas.

“El proyecto busca ofrecer al usuario una caracterización y análisis energético completo de los hornos cerámicos teniendo en cuenta el impacto de la producción sobre el consumo de energía”

En este entorno, el proyecto busca ofrecer al usuario una caracterización y análisis energético completo de los hornos cerámicos teniendo en cuenta el impacto de la producción sobre el consumo de energía. Ofrece así una herramienta para la toma de decisiones de ahorro de energía según la monitorización y planificación Energía-Producción, el potencial de integración de energías renovables y la reutilización de la energía. El proyecto explora con ello de lleno la implantación de tecnologías encuadradas en la Industria 4.0 mediante la instalación de sensores, técnicas de monitorización y análisis inteligente y la toma de decisiones basadas en las TIC desarrolladas.

Dentro de este ámbito de aplicación, Tecem propone desarrollar una herramienta de gestión energética que permita relacionar los datos de consumo de energía con la producción, para la obtención de valores de consumo de referencia en distintas situaciones productivas en el proceso de cocción de las baldosas cerámicas. Estos valores facilitarán la detección de situaciones de ineficiencia, y por tanto su rápida corrección, evitando de este modo sobreconsumos innecesarios de gas natural, así como la evaluación de ahorros de energía obtenidos al implantar medidas de ahorro energético. La tecnología desarrollada permitirá también el análisis de la integración de energías renovables en el proceso productivo, con el objetivo de reducir el consumo eléctrico y de gas natural y facilitar el empleo de nuevas fuentes de energía, más limpias, en los procesos industriales, así como el análisis del aprovechamiento de energías residuales para utilizarlas en el mismo proceso como fuente de energía térmica, o utilizarlas para la generación de energía eléctrica. Con estas medidas se persigue la minimización de las pérdidas de energía y optimizar el aprovechamiento de los recursos energéticos utilizados. Las funcionalidades de análisis y soporte a la toma de decisiones en desarrollo son las que figuran en la tabla 1.

En la parte de captura y reducción de emisiones, el proyecto contempla el desarrollo de membranas para la captura de CO₂ en los gases de chimenea emitidos en el proceso de cocción de baldosas cerámicas. Cabe resaltar que el sector de fabricación de baldosas cerámicas es uno de los sectores industriales afectado por la normativa europea de comercio de emisiones (EU-ETS, en sus siglas en inglés) (Directiva 2009/29/CE) pese a que los gases de combustión de los hornos de cocción de baldosas cerámicas contienen una concentración de CO₂ baja, dado que la combustión se produce con aire como comburente, y además hay exceso de aire comburente en la combustión, porque se requiere la presencia de oxígeno en la cámara de combustión para un correcto desarrollo de la cocción del producto cerámico.

La captura y posterior almacenamiento de CO₂ procedente de fuentes emisoras industriales se plantean como soluciones para minimizar el impacto de la emisión de CO₂ en el calentamiento global del planeta. Las tecnologías desarrolladas actualmente permiten reducir las emisiones de este gas de efecto invernadero a la atmósfera con rendimientos de 85-90 % para industrias de gran impacto emisor como son los sectores que utilizan combustibles fósiles. El CO₂ capturado de la corriente de gas es transportado y almacenado o reutilizado industrialmente, siendo dicho método viable para fuentes de emisión fijas de gran envergadura como las centrales eléctricas o plantas industriales como las de producción de cemento o industria siderúrgica.

Entre las diversas técnicas desarrolladas a nivel industrial destacan la postcombustión, que permite eliminar el gas de la corriente tras la combustión, la precombustión, en la que se trata el combustible antes de ésta y la oxicombustión, que busca reemplazar el aire por oxígeno para evitar las emisiones de nitrógeno de la corriente de gases de salida. En el proyecto Tecem se diseña y desarrolla membranas para el proceso de postcombustión para eliminar por concentración el CO₂ emitido, debiendo controlar en dicho proceso de separación tanto la temperatura de los gases de escape como la humedad de salida para el correcto diseño del sistema propuesto de separación de CO₂ mediante membranas.

Preparación de muestras de análisis químico fusión mufla.

El proyecto Tecem se encuentra, actualmente, en la mitad de su desarrollo. En este momento ha finalizado el análisis y diseño de las mejores tecnologías de mejora de rendimiento energético – productivo que se han identificado como aplicables al proceso de cocción. Actualmente, se está trabajando en el desarrollo de los algoritmos que definirán el comportamiento del sistema de análisis en cuanto a monitorización energía – producción y planificación de esa producción respecto a beneficios económicos a obtener por el uso de la energía.

Paralelamente, se está estudiando el impacto de implantación de energías renovables para generación de energía de consumo de los hornos monitorizados, realizando un análisis tanto energético como económico que permita desarrollar una predicción muy útil en la toma de decisiones a medio-largo plazo respecto a inversiones sobre la integración de energías renovables deslocalizadas.

Además, el proyecto cuenta con la cooperación de varias empresas, algunas con perfil de distribuidores de tecnologías de mejora energética y ambiental en el sector cerámico, y otras con perfil de usuarios finales de estas tecnologías, que son empresas cerámicas, en las que se llevará a cabo la validación de la herramienta de gestión desarrollada.

El proyecto ha sido financiado por el Instituto Valenciano de Competitividad Empresarial (IVACE) y el Fondo Europeo de Desarrollo Regional (FEDER).

• Barba, A.; Beltrán, V.; Feliu, C.; García, J.; Ginés, F.; Sánchez, E.; Sanz, V., 2002. Materias primas para la fabricación de soportes de baldosas cerámicas. Castellón: Instituto de Tecnología Cerámica. 2ª edición.
• Aven, 2011a. Guía de ahorro energético en el sector de baldosas cerámicas de la Comunidad Valenciana. Plan de ahorro y eficiencia energética. Valencia.
• Carrero A. García J. Gestión de la eficiencia energética: cálculo de consumo, indicadores y mejora. AENOR. 2015
• Directiva 2009/29/CE del Parlamento Europeo y del Consejo, de 23 de abril de 2009, por la que se modifica la Directiva 2003/87/CE, para perfeccionar y ampliar el régimen comunitario de comercio de derechos de emisión de gases de efecto invernadero.
• Metz B. La captación y el almacenamiento de dióxido de carbono. IPCC. 2005