Cómo Vitens aumentó su eficiencia operativa en 7% gracias a la medición de activos en tiempo real

La ambiciosa estrategia de Vitens para mejorar la sostenibilidad con eficiencia industrial

"Cada gota es sostenible" es el lema de Vitens, la mayor empresa de agua potable de los Países Bajos. La empresa suministra agua potable de alta calidad a 5,6 millones de personas y empresas de 7 de las 12 provincias neerlandesas. Vitens entiende que el agua potable fiable es una necesidad para nuestra salud y bienestar, y que garantizar el suministro de este recurso esencial tiene que ser sostenible y rentable. Como empresa que sitúa la responsabilidad global en el centro de su visión a largo plazo, Vitens se compromete a crear un ecosistema hídrico sostenible para 2030.

Para ello, Vitens invierte en soluciones innovadoras, utilizando los datos de forma inteligente para mejorar su rendimiento operativo. Mediante la medición continua (en tiempo real) y el uso de algoritmos, cálculos de modelos y análisis de escenarios, se puede producir y suministrar una cantidad y calidad de agua potable más constante y fiable. Esto sitúa a Vitens a la vanguardia de la innovación en la industria del agua para mejorar la eficiencia y la sostenibilidad. La reducción del consumo de energía y de las emisiones desempeña un papel clave en este camino para Vitens, especialmente a la luz de los problemas del cambio climático, la volatilidad del mercado energético y el aumento de los precios de la energía. Las bombas son el alma de las operaciones diarias de Vitens, ya que la mayor parte del consumo eléctrico se utiliza en la extracción de aguas subterráneas y la distribución de agua limpia. Por lo tanto, la mejora del rendimiento y la eficiencia de las bombas tendrá un impacto positivo en las operaciones de Vitens al reducir el consumo de energía, los costes y el impacto medioambiental.

Vitens se asoció con Samotics para llevar a cabo una prueba piloto de valor en una de las instalaciones de producción. El objetivo de esta prueba piloto era demostrar la capacidad de las soluciones de monitorización continua de activos de Samotics para mejorar el rendimiento y la eficiencia energética de las bombas críticas. Se eligió a Samotics por el rendimiento que ha demostrado en este ámbito en la industria del agua. Este estudio de caso destaca cómo este piloto mejoró la eficiencia operativa de una estación de bombeo de Vitens en más de 7% con la implementación de simples cambios en el proceso.

Analizar una parte importante de una vasta red hídrica

Para poder suministrar continuamente agua potable fiable y asequible, Vitens necesita una amplia infraestructura de agua potable. Se necesitan 117 campos de extracción con 1.250 pozos de extracción de agua subterránea, 100 plantas de tratamiento de agua, 49.000 kilómetros de tuberías y 1.400 empleados para suministrar 350 millones de m³ de agua al año en una amplia zona de los Países Bajos. En el centro de todo ello se encuentran miles de bombas, incluidas bombas de perforación y bombas de distribución de agua limpia. En 2021, el consumo de energía de la red de Vitens ascendió a 171 GWh. Vitens tiene planes ambiciosos para reducir este nivel de consumo de energía como parte de sus objetivos de sostenibilidad para 2030. Se calcula que, en todo el mundo, hasta 40% de la energía utilizada por los equipos industriales accionados por motores eléctricos se desperdicia debido a ineficiencias operativas, desajustes entre el proceso y la máquina y daños en desarrollo. Por tanto, existe un amplio margen para mejorar la eficiencia en todas las industrias.

La planta de producción de Vitens en Hoenderloo, en la provincia neerlandesa de Gelderland, fue elegida como ubicación óptima para realizar esta prueba piloto de valor con Samotics. En estas instalaciones, Vitens bombea agua a la superficie mediante un grupo de bombas de sondeo. Una vez tratada, el agua limpia se distribuye a tres lugares a través de estaciones de bombeo específicas.

Implantación de una solución analítica avanzada que pueda integrarse con los sistemas de Vitens

Desde 2010, Vitens trabaja en el programa de innovación SLIMM, siglas de Self Learning Integrated Model based Management (gestión basada en modelos integrados de autoaprendizaje). El objetivo de este proyecto es digitalizar y automatizar los procesos de gestión de la red de agua, de modo que la calidad del agua potable producida y distribuida pueda controlarse de forma continua y con la mayor eficiencia y eficacia posibles. Un elemento clave del proyecto piloto de Hoenderloo era determinar si la solución de análisis avanzado Samotics podía integrarse con el sistema SLIMM de Vitens. El resultado fue satisfactorio.

Se implantó una solución analítica combinada Samotics para la supervisión continua de las 17 bombas de la planta de producción de Hoenderloo (nueve bombas de perforación y ocho bombas de distribución de agua limpia). Constaba de: sensores de energía, que se instalaron en el interior del armario de control del motor de las bombas para recopilar datos eléctricos; una pasarela para el procesamiento inicial de la señal...
y distribución; y acceso a la plataforma analítica de referencia de Samotics para transformar estos datos eléctricos en recomendaciones de rendimiento/eficiencia de los activos. Al no ser necesario instalar sensores en ninguna de las bombas, la instalación se realizó rápidamente y se pudo empezar a analizar los datos.

Un elemento clave de esta solución total, que abarca específicamente la eficiencia energética, se llama SAM4, cuyos resultados se tratan en este estudio de caso. La solución se implantó para determinar su capacidad de localizar y diagnosticar el derroche de energía de las bombas y generar soluciones a estos problemas para ayudar a Vitens a reducir el consumo de energía, los costes y las emisiones asociadas de estas bombas. A un nivel más amplio, SAM4 se centra en la eficiencia total de la configuración del motor de la bomba sobre el terreno, distinguiendo la eficiencia del motor y de la bomba por activo (eficiencia de los componentes), analizando la eficiencia de los activos (configuración completa de la bomba) y a un nivel superior
eficiencia (como las estaciones de bombeo con bombas ubicadas en el mismo lugar).

Mediante la incorporación de análisis avanzados a su estrategia y sistemas de gestión del agua, Vitens pretendía determinar en qué casos estas bombas no funcionaban con los modos de funcionamiento más eficientes (lo más cerca posible del punto de máxima eficiencia) o podrían estar sobredimensionadas.

Localizar las ineficiencias energéticas de las bombas y generar soluciones

Durante el proyecto piloto, la atención se centró en tres bombas de distribución de agua limpia que forman el núcleo de una estación de bombeo que distribuye agua limpia a Otterlo/Ede, situada no lejos de la planta de producción de Hoenderloo. Estas bombas son fundamentales para el suministro de agua a los clientes tanto en horas punta como fuera de ellas. Es bastante habitual disponer de varias bombas de distintos tamaños que trabajan juntas en lugares específicos para satisfacer las variaciones de la demanda. Las tres bombas de distribución de agua limpia incluyen dos bombas de distribución más grandes de 55 kW (RNP8 y RNP9) y una bomba de distribución más pequeña de 11 kW (RNP7). En la siguiente ilustración se ofrece una visión general de la instalación.

Tras la instalación de los sensores, la plataforma SAM4 informó a Vitens de que las dos bombas más grandes (RNP8 y RNP9) se utilizaban a menudo de forma ineficiente para suministrar caudales que podrían cubrirse independientemente de forma mucho más eficiente con la bomba más pequeña. SAM4 determinó además que una parte significativa de las pérdidas de energía se debía al modo de funcionamiento, que introducía pérdidas de eficiencia operativa en la bomba y el motor eléctrico asociado, lo que suponía unos 10% de las pérdidas totales de eficiencia.

Curva de la bomba (arriba) que muestra zonas de funcionamiento muy alejadas del punto de mejor rendimiento de la bomba RNP8 en febrero de 2022 (RNP9 mostró un funcionamiento ineficiente similar). En las métricas (abajo) generadas por SAM4 Energy puede verse que el rendimiento de estas dos bombas de 55 kW es de unos 69%, por debajo de lo que se considera un funcionamiento eficiente.

Las pérdidas de funcionamiento de las bombas RNP8 y RNP9 suponen unas 10% de pérdidas totales de rendimiento. Estas pérdidas pueden reducirse mejorando el funcionamiento de las bombas.

Puesta en práctica de los consejos generados y seguimiento de las mejoras de las bombas

Vitens aplicó dos sencillos cambios de configuración aconsejados por la plataforma SAM4 para lograr un bombeo más eficiente durante los periodos de bajo caudal. En la primera fase de estas actividades, se ajustó el umbral de caudal de cambio: se aumentó el umbral de caudal al que la bomba de 11 kW suministraba caudal, ya que la bomba de 11 kW podía suministrar el caudal bajo de forma independiente y más eficiente que dos bombas de 55 kW. A continuación, se realizó un seguimiento del caudal, el consumo energético y la eficiencia resultantes mediante la plataforma SAM4.

La segunda fase de este cambio operativo aumentó la velocidad de la bomba de 11 kW con el fin de ampliar aún más el rango de funcionamiento útil de la bomba más pequeña para suministrar un mayor caudal a la presión requerida. Para ello se aumentó la frecuencia de alimentación del variador de frecuencia, sin sobrepasar la potencia nominal del motor ni la capacidad de la bomba. El resultado fue un mayor rango de caudal factible para la bomba de 11 kW, encendiendo las bombas más grandes sólo cuando era realmente necesario.

Los dos sencillos cambios de proceso aplicados tuvieron un efecto significativo en el rendimiento de las tres bombas de una de las estaciones de bombeo de la planta de producción de Hoenderloo. Teniendo en cuenta la distribución del tiempo de funcionamiento, la presión y el caudal en las situaciones antigua y nueva, el rendimiento eléctrico global de la estación de bombeo aumentó en 7,1%.

Tras la aplicación de los dos cambios de proceso, cada bomba funcionaba en mayor medida en condiciones de funcionamiento más eficientes (zonas verdes) y menos en condiciones más ineficientes (zonas rojas). Esta es la situación de una de las bombas más grandes de 55 kW antes (izquierda) y después (derecha) de aplicar los cambios en el proceso.

Validación de resultados

Una vez aplicados estos sencillos cambios en el proceso, la mejora de la situación pudo apreciarse inmediatamente a través de la plataforma SAM4 en el monitor de energía y la curva de la bomba generada. Los cambios operativos, relativamente sencillos, se pudieron realizar sin inversiones adicionales y consiguieron que las tres bombas funcionaran más cerca de sus puntos de máxima eficiencia. Esto aumentó el rendimiento y la fiabilidad de las bombas. El rendimiento total de la estación de bombeo mejoró en 7,1%, teniendo en cuenta la distribución del tiempo de funcionamiento, la presión y el caudal en las situaciones antigua y nueva.

Esto se traduce en un ahorro anual de electricidad de 2.500 euros en las tres bombas y una reducción asociada de 9,2 toneladas de CO2 basada únicamente en la reducción de energía. Otro aspecto importante es que un funcionamiento ineficiente puede duplicar las posibilidades de avería y acortar la vida útil de los equipos industriales. Por tanto, la mejora de la salud operativa puede suponer un ahorro adicional.

Estamos viendo que en Vitens la mayor parte de la energía la consumen las bombas para distribuir agua limpia a nuestros clientes. En este proyecto piloto SAM4 hemos visto rápidamente que hay mucho que ganar mejorando la eficiencia operativa de las bombas y reduciendo así su consumo de energía sin dejar de satisfacer la demanda.

Rein WuestmanIngeniero de procesos, Vitens

Buenas perspectivas para el abastecimiento sostenible de agua

Con el fin de suministrar agua a sus clientes de forma más sostenible, Vitens busca medios más innovadores para hacer frente a los retos que se le plantean de aquí a 2030 y más allá. Con el aumento de los costes y la volatilidad del mercado energético, cada vez es más importante reducir el consumo de energía, tanto desde el punto de vista de los costes como de la sostenibilidad.

En el caso de Vitens, la colaboración con Samotics ha demostrado que el uso de análisis avanzados de datos energéticos en una de sus estaciones de bombeo ha garantizado un ahorro anual recurrente en el consumo de energía, los costes y la reducción de las emisiones asociadas. El método utilizado para conseguir ahorros energéticos en esta evaluación es también muy aplicable a otras bombas de la red de Vitens.

La realización de este piloto de prueba de valor SAM4 ha resultado una experiencia positiva para Vitens y Samotics. Ha demostrado cómo se puede mejorar significativamente la eficiencia eléctrica, y en poco tiempo, localizando las ineficiencias energéticas en las bombas industriales, generando soluciones concretas a estas ineficiencias e implantando cambios sencillos en los procesos que no suponen ninguna inversión adicional.

También demostró que la implantación de un sistema de este tipo puede realizarse con rapidez y ser capaz de integrarse con los sistemas propios de Vitens. Para Vitens, esto significa que el avance hacia un ecosistema hídrico más sostenible está mucho más cerca.