Sustitución de sistemas neumáticos por motores lineales industriales.
LinMot como alternativa neumática: Los actuadores lineales eléctricos están sustituyendo a los cilindros neumáticos convencionales en un número creciente de aplicaciones. Esto se debe, entre otros factores, a la baja eficiencia, los elevados costes de puesta en marcha, conversión, servicio y mantenimiento, así como a la limitada capacidad de control de los sistemas neumáticos. Un reciente análisis comparativo del coste total de propiedad demuestra que, dados los precios actuales de los componentes y la electricidad, los actuadores lineales eléctricos se amortizan en pocos meses, incluso en movimientos sencillos punto a punto con dos posiciones finales, y contribuyen a reducir significativamente la huella de carbono. Además, ofrecen mayor flexibilidad en el diseño de procesos de producción y sistemas de monitorización de la producción.
Sistemas neumáticos: Dos tercios de los costes operativos se destinan a energía.
Los accionamientos neumáticos se caracterizan por su bajo coste de adquisición, su robustez frente a influencias externas (como fluctuaciones de temperatura y polvo) y su alta resistencia a sobrecargas. Además, son fáciles de manejar y no requieren corriente de mantenimiento cuando se instalan verticalmente. El aire comprimido también se utiliza en muchos talleres y entornos industriales para tareas de transporte y limpieza, por lo que los sistemas de compresores son necesarios de todos modos. No es de extrañar, entonces, que la neumática haya encontrado una amplia aplicación y se encuentre en muchas naves industriales.
El aire comprimido es una de las fuentes de energía más caras, ya que los compresores solo pueden convertir una pequeña parte de la energía utilizada en potencia útil; la mayor parte se disipa como calor residual. La tecnología más avanzada alcanza una eficiencia de alrededor del 30 %. Es prácticamente imposible lograr mejoras adicionales debido a los límites físicos casi alcanzados. Además de las elevadas pérdidas ya presentes en el motor, el compresor, el arranque y la parada, así como las pérdidas derivadas del tratamiento del aire comprimido, las fugas en los sistemas de distribución también son un factor importante. En consecuencia, en la práctica (sin optimizaciones), tras las pérdidas adicionales por conversión en el actuador, solo alrededor del 5 % de la energía utilizada está disponible como potencia útil (Figura, Diapositiva 19). La eficiencia puede incrementarse mediante un diseño óptimo del sistema de tuberías y los actuadores, una detección de fugas sistemática y la recuperación de calor. El Ministerio Federal de Medio Ambiente de Alemania estima el potencial de ahorro energético entre un 20 % y un 40 %, mientras que otros expertos prevén ahorros significativamente mayores.
Aunque se puedan aprovechar todos estos ahorros potenciales, los sistemas de aire comprimido con una eficiencia global máxima alcanzable del 10 % siguen utilizando la energía de forma extremadamente ineficiente. Esto también se refleja en el coste total de propiedad (CTP) de un compresor: si bien aproximadamente el 10 % de los costes totales corresponden a la compra y otro 10 % al mantenimiento, los costes energéticos suelen representar entre el 70 % y el 80 % de los costes totales durante la vida útil del compresor.
Por lo tanto, no sorprende que cada vez más empresas intenten eliminar el uso de aire comprimido en sus operaciones o reducirlo al mínimo absoluto en tiempos de aumento de los precios de la energía y mayor conciencia ambiental (palabra clave: emisiones de CO2).
En el caso de los accionamientos neumáticos, casi sin excepción, existen actualmente alternativas que no requieren aire comprimido.
Para aplicaciones de movimiento lineal, los motores lineales eléctricos tubulares, de alta eficiencia y aplicación universal, constituyen una alternativa idónea en muchos casos. LinMot los ofrece en una amplia variedad de diseños y clases de rendimiento.
Comparación de costes entre cilindros neumáticos y motores lineales mediante un ejemplo práctico concreto.
Si bien los accionamientos eléctricos son inicialmente más caros que los cilindros neumáticos simples, un análisis de los costos totales a lo largo de su ciclo de vida demuestra que los motores lineales industriales de LinMot, en particular, se amortizan en pocos meses o incluso semanas, incluso en movimientos sencillos punto a punto con solo dos posiciones a alcanzar. Esto se demuestra claramente con el siguiente ejemplo de un movimiento horizontal punto a punto con una carrera de 400 mm y una masa móvil de 15 kg, que se ejecuta a 30 ciclos por minuto y un ciclo de trabajo del 50 % (= tiempo de ciclo de 2.000 ms).
El aire comprimido es una de las fuentes de energía más caras, ya que los compresores solo pueden convertir una pequeña parte de la energía utilizada en potencia útil; la mayor parte se disipa como calor residual. La tecnología más avanzada alcanza una eficiencia de alrededor del 30 %. Es prácticamente imposible lograr mejoras adicionales debido a los límites físicos casi alcanzados. Además de las elevadas pérdidas ya presentes en el motor, el compresor, el arranque y la parada, así como las pérdidas derivadas del tratamiento del aire comprimido, las fugas en los sistemas de distribución también son un factor importante. En consecuencia, en la práctica (sin optimizaciones), tras las pérdidas adicionales por conversión en el actuador, solo alrededor del 5 % de la energía utilizada está disponible como potencia útil (Figura, Diapositiva 19). La eficiencia puede incrementarse mediante un diseño óptimo del sistema de tuberías y los actuadores, una detección de fugas sistemática y la recuperación de calor. El Ministerio Federal de Medio Ambiente de Alemania estima el potencial de ahorro energético entre un 20 % y un 40 %, mientras que otros expertos prevén ahorros significativamente mayores.
Aunque se puedan aprovechar todos estos ahorros potenciales, los sistemas de aire comprimido con una eficiencia global máxima alcanzable del 10 % siguen utilizando la energía de forma extremadamente ineficiente. Esto también se refleja en el coste total de propiedad (CTP) de un compresor: si bien aproximadamente el 10 % de los costes totales corresponden a la compra y otro 10 % al mantenimiento, los costes energéticos suelen representar entre el 70 % y el 80 % de los costes totales durante la vida útil del compresor.
Por lo tanto, no sorprende que cada vez más empresas intenten eliminar el uso de aire comprimido en sus operaciones o reducirlo al mínimo absoluto en tiempos de aumento de los precios de la energía y mayor conciencia ambiental (palabra clave: emisiones de CO2).
Costes energéticos con una solución de motor lineal
El tiempo de posicionamiento requerido de 500 ms para esta tarea se logra con una aceleración de 10 m/s² y una velocidad de desplazamiento de 1 m/s. El tiempo de aceleración, durante el cual el motor lineal realiza trabajo de manera efectiva, es entonces de 100 ms. Esto significa que el consumo efectivo de energía se produce solo durante una quinta parte del tiempo de posicionamiento. Durante la parada y al desplazarse a velocidad constante, el motor no consume energía excepto para la compensación de la fricción. La energía cinética generada durante el frenado se convierte en energía eléctrica dentro del motor (efecto generador) y se almacena en los condensadores del enlace de CC del controlador servo, donde puede utilizarse para el siguiente ciclo. Esta aplicación puede implementarse, por ejemplo, con un motor lineal LinMot de tamaño de bastidor P01-48x240F en combinación con un controlador servo LinMot tipo E1100-XC/B1100-XC con un consumo de energía continuo inferior a 100 W.
Suponiendo un tiempo de funcionamiento anual de 8.000 horas (en tres turnos) y un precio de la electricidad de 0,12 EUR/kWh (precio para grandes consumidores industriales con impuestos incluidos, según EUROSTAT), los costes energéticos anuales ascienden a 96 EUR. Una solución neumática, en cambio, sería considerablemente más cara.
Costes energéticos al utilizar un cilindro neumático
Si se va a mover neumáticamente una carga de 15 kg a una velocidad (máxima) de 1 m/s, como se requiere en el ejemplo de aplicación, la evaluación de las curvas características correspondientes para el diseño de cilindros neumáticos de un fabricante reconocido muestra que se debe utilizar un cilindro neumático con un diámetro de pistón de 50 mm.
A diferencia de un motor lineal, la energía (aire comprimido) debe suministrarse durante todo el movimiento.
Además, la energía cinética es absorbida por los amortiguadores durante el frenado y no puede almacenarse para el siguiente movimiento. Según la hoja de datos, el cilindro seleccionado consume 0,02529 dm³ de aire a 6 bar por milímetro de recorrido durante una carrera doble. Con una carrera de 400 mm, esto resulta en un consumo de 10,37 dm³ por ciclo. A 30 ciclos por minuto, el cilindro neumático requiere un total de 150 000 Nm³ de aire comprimido por año en funcionamiento continuo (8 000 horas/año). Teniendo en cuenta las pérdidas de presión, reducción y fugas del orden del 25 %, el compresor debe comprimir y suministrar aproximadamente 190 000 Nm³ de aire a la red de tuberías. Un compresor estándar (750 kW de potencia del motor, 7500 Nm³/h de caudal de aire) puede comprimir 1 Nm³ de aire a 6 bar utilizando 0,130 kWh de energía eléctrica, incluyendo las pérdidas por arranque, parada y preparación del aire comprimido (que suman aproximadamente un 25%). Esto se traduce en unos costes energéticos anuales de unos 3.000 € (0,12 €/kWh * 0,130 kWh/m³ * 190 000 m³), más de 30 veces superiores a los de su equivalente eléctrico. A frecuencias de ciclo más elevadas, la relación se inclinaría aún más en contra del cilindro neumático.
Suponiendo un tiempo de funcionamiento anual de 8.000 horas (en tres turnos) y un precio de la electricidad de 0,12 EUR/kWh (precio para grandes consumidores industriales con impuestos incluidos, según EUROSTAT), los costes energéticos anuales ascienden a 96 EUR. Una solución neumática, en cambio, sería considerablemente más cara.
Contabilidad de costos total
En un cálculo de costes completo, a los costes de energía deben sumarse los costes de inversión y mantenimiento. Diversos estudios han demostrado que estos representan aproximadamente el 20 % de los costes operativos totales. En el ejemplo analizado, esto significa que se deben destinar unos 750 € anuales a estos costes, lo que eleva los costes operativos totales a 3.750 €. Los fabricantes de soluciones neumáticas estiman los costes totales (¡tras aplicar las medidas de eficiencia energética!) en 0,025 € por metro cúbico estándar de aire comprimido. En nuestro ejemplo, esto se traduce en unos costes operativos anuales totales de 3.750 € para los 150 000 Nm³ de aire comprimido que requiere un cilindro, lo que respalda el ejemplo de cálculo anterior.
En cambio, un accionamiento lineal, incluyendo todos los componentes necesarios para su funcionamiento (cables, inversores, etc.), cuesta más que un accionamiento neumático (incluyendo válvulas, mangueras, etc.).
Sin embargo, debido a los costes energéticos significativamente más bajos, el sistema de propulsión eléctrica se amortiza en menos de medio año, ¡tras lo cual se aprecian ahorros considerables!
En nuestro ejemplo, los costes energéticos superan los costes de inversión del cilindro neumático después de tan solo tres semanas.
Al analizar los costes de inversión y energía en el ejemplo de aplicación, el uso de un motor lineal industrial genera ahorros después de tan solo 12 o 24 meses. Ahorros de 2.300 € o 5.900 €. en comparación con el uso de un cilindro neumático.
Esto demuestra que, si bien el aire es gratis, ¡el aire comprimido ciertamente no lo es!
Debido al aumento de los precios de la electricidad, los costos operativos anuales por botella en este ejemplo de aplicación fueron: en 2010 a 3.840 EUR (a 12 EUR/kWh), pero han aumentado hasta el Año 2022 a 7.400 EUR (A 0,26 EUR/kWh) casi se duplicó.
Emisiones de CO2
El cambio a un actuador lineal eléctrico puede reducir drásticamente las emisiones de CO2. Los 24 000 kWh adicionales que requiere el cilindro neumático en el cálculo de ejemplo corresponden a una emisión anual de 12 000 kg de CO2, según la matriz energética alemana de 500 g de CO2/kWh.
El balance de CO02 también se pronuncia claramente a favor del cambio a motores eléctricos de transmisión directa.
¡Un cilindro neumático de 3 kg produce 12.000 kg de CO2!
Mayor seguridad futura gracias a la innovación y la flexibilidad.
La versión eléctrica ofrece ventajas que van más allá de un menor consumo energético, incluyendo una mayor flexibilidad en el diseño de procesos de producción y sistemas de monitorización. Los actuadores lineales eléctricos pueden ejecutar secuencias de movimiento de forma controlada, con una dinámica significativamente mayor y una repetibilidad superior. Dado que el perfil de movimiento se puede programar libremente, incluso las secuencias de movimiento complejas se pueden implementar de forma rápida y sencilla, y adaptarse a nuevos requisitos según sea necesario, incluso durante el funcionamiento. Los actuadores lineales son considerablemente más silenciosos y duraderos. Son insensibles a las fluctuaciones de carga y pueden arrancar y detenerse suavemente. Además, la evaluación de los datos generados por el inversor permite monitorizar diversos parámetros del proceso sin sensores adicionales, lo que también puede utilizarse para el diagnóstico remoto del sistema. Por último, se requieren menos componentes individuales, que además son significativamente más fáciles de mantener y reemplazar en comparación con los sistemas neumáticos, lo que se traduce en menores costes de instalación, mantenimiento y logística.
Conclusión
Cuando se requieren más de dos posiciones, cuando es necesaria la sincronización con un eje vertical o cuando la dinámica o la vida útil de un cilindro neumático son insuficientes, los diseñadores han confiado durante mucho tiempo en los accionamientos lineales directos de LinMot. Debido a los altos costos operativos de los sistemas neumáticos, el uso de LinMot resulta rentable. motores lineales industriales Sin embargo, cada vez más, esto también se aplica a movimientos simples punto a punto con solo dos posiciones finales. Esto es especialmente cierto cuando los movimientos se realizan regularmente en funcionamiento cíclico y los cilindros neumáticos deben sobredimensionarse considerablemente debido a la velocidad y las condiciones de carga. En este caso, el actuador lineal eléctrico se amortiza en pocas semanas.
Costes más bajos.
Menos CO₂.
El aire comprimido cuesta dinero, más de lo que la mayoría de la gente piensa. Te ayudamos a reducir tu consumo energético de forma sostenible y a pasarte a una tecnología que se amortiza en tan solo unas semanas.
Menores costes. Menos CO₂.
El aire comprimido cuesta dinero, más de lo que la mayoría de la gente piensa. Te ayudamos a reducir tu consumo energético de forma sostenible y a pasarte a una tecnología que se amortiza en tan solo unas semanas.
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