Eficiencia energética en refino de hidrocarburos

Entre los grandes retos que nuestra sociedad debe afrontar en la actualidad, el suministro suficiente, seguro y sostenible de energía ocupa un lugar destacado. Las necesidades de energía para alcanzar el bienestar económico y social al que aspiran todos los países en el mundo serán cada vez mayores. Esta energía debe ser sostenible, de forma que este bienestar no comprometa el de las generaciones futuras, que podrían verse afectadas por los efectos sobre el clima de las emisiones de CO2 debidas al uso.

La industria del refino de hidrocarburos ha sido ampliamente estudiada a nivel mundial para determinar los consumos eficientes de energía ya que estos representan gran parte de los costos totales de las plantas. El consumo energético depende en gran medida del nivel de complejidad de la refinería, el diseño y la antigüedad de la misma.
Existen estadísticas y lineamientos ampliamente estudiados a nivel mundial para aplicar las mejores prácticas en cada una de las operaciones que se presentan en las refinerías (destilación, reformado catalítico, utilidades, etc.)

Esta industria es consciente del alto potencial de ahorro en energías térmica y eléctrica, aunque para ello se deba buscar buenas prácticas para replicar en cada operación de la refinería. Mientras que todos los proyectos incurren en costos de operación y requieren recursos de ingeniería para desarrollar e implementar, las experiencias de varias compañías petroleras han mostrado que la mayoría de las inversiones son relativamente
modestas. Cada refinería es única, por lo que la selección más favorable de las oportunidades de eficiencia energética debe hacerse sobre una base de plantas específicas. Con la disminución del consumo energético se genera la reducción de emisiones contaminantes que afectan el ambiente.

De acuerdo a las proyecciones de la Administración de Información Energética del Departamento de Energía de Estados Unidos (EIA), se espera que aunque los derivados del petróleo puede llegar a enfrentar la competencia del gas no convencional y de las energías renovables, la demanda de crudo crecerá entre 2011 y 2035 a una tasa anual del 1% para llegar a 110 millones de barriles diarios, mientras el gas y el carbón lo harán
al 1,4% y 2,6% respectivamente. Por lo tanto, en 2035 el crudo concentrará el 30% de la energía consumida.

El proceso de refino de hidrocarburos es considerado altamente energo‐intensivo, en forma de combustible aplicado en numerosos hornos y calderas y en forma de energía eléctrica utilizada para accionamiento de motores y en menor medida en el alumbrado de las plantas. Los costes energéticos representan 40% de los costos totales, incluyendo amortizaciones, y el 80% de los costes variables. Lo anterior implica una oportunidad
para implementar medidas de eficiencia energética con el fin de reducir los costos y a su vez cumplir con las metas de disminución de emisiones contaminantes formadas durante la combustión, SO2 y NOx, responsables de la lluvia ácida y CO2 principal causante del cambio climático.

Los procesos de refino utilizan combustible y vapor para calentar los flujos de proceso y proporcionar la energía necesaria para provocar reacciones químicas, y utilizan electricidad para hacer funcionar bombas, compresores, entre otros equipos. Algunas refinerías compran combustible (gas natural), electricidad y/o vapor. Otras generan algunos o todos sus servicios en el lugar. Esta generación en el lugar implica el uso de
una caldera de vapor tradicional e instalaciones de generación de energía o cogeneración. Los procesos térmicos consumen del orden del 70% de la energía total del sector; la generación de fuerza motriz y electricidad es el segundo gran consumidor, representando un 20% aproximadamente.

Existe una gran variedad de oportunidades en las refinerías de petróleo para reducir el consumo de energía, manteniendo o mejorando la productividad de la planta, como lo demuestran los estudios de varias compañías en las industrias de refino de petróleo. Los datos de benchmarking competitivos indican que la mayoría de las refinerías de petróleo pueden mejorar económicamente la eficiencia energética en un 10% a 20%. Las
principales áreas para la mejora de la eficiencia energética son las utilidades (30%), los calentadores (20%), la optimización del proceso (15%), los intercambiadores de calor (15%), las aplicaciones motoras (10%) y otras áreas (10%). Estas mejoras potenciales pueden llegar a ahorrar costes anuales de millones a decenas de millones de euros para una refinería, dependiendo de su eficiencia y tamaño. ¿Pero cómo se consigue de una manera práctica poder mejorar según los porcentajes propuestos por cada línea operacional en una refinería de petróleo?:

En primer lugar, se deben de detectar las ineficiencias energéticas en plantas de procesos o redes. Las principales son: bajo rendimiento de combustión en hornos y calderas; mayores reciclos y recirculaciones; bajo rendimiento de máquinas: bombas, compresores, etc; escasa integración energética; ensuciamiento de equipos: intercambiadores, hornos, precalentadores, etc; operación ineficiente de columnas; descargas a antorchas; inadecuada gestión del hidrógeno e inadecuada gestión del vapor.

En segundo lugar, se debe establecer un control del mantenimiento de metodología de fallos energéticos en equipos claves como en hornos y calderas de combustión, motores, y turbinas, intercambiadores de calor, calderas de recuperación de calor, aerorrefrigerantes, purgadores, líneas y válvulas, compresores y bombas, equipos electrónicos.

Por último, realizando un uso eficiente de la electricidad en equipos de segunda línea, utilizando motores de alta eficiencia alimentándolos a través de variadores de frecuencia. En la iluminación se deben de emplear lámparas de mayor vida y mayor consumo cómo las luminarias led y empleo de balastros electrónicos de alta frecuencia. Se debe de corregir la energía reactiva con el empleo de baterías de condensadores y
equipos de regulación de factores de potencia, y finalmente se debe hacer un control y un plan de optimización de la energía consumida. 

De esta forma se podrá determinar los principales equipos consumidores, modos de fallo, estudios de rentabilidad, y un plan de seguimiento que nos supondrá materializarlo en un plan general de mantenimiento y eficiencia energética. Este plan ha conllevado a muchas empresas petroleras del mundo a la implantación de sistemas de gestión energética de acuerdo con los estándares internacionales (la norma ISO‐50.001)
y los planes estratégicos de reducción de emisiones de CO2.

Los requisitos para un control operación eficiente según norma ISO‐50001 establece que la organización debe identificar y planificar aquellas operaciones y actividades de mantenimiento que estén relacionadas con el uso significativo de la energía y que son coherentes con su política energética, objetivos, metas y planes de acción, con el objeto de asegurarse de que se efectúan bajo condiciones especificadas, mediante: 

a) El establecimiento y fijación de criterios para la eficaz operación y
mantenimiento de los usos significativos de la energía, cuando su ausencia pueda
llevar a desviaciones significativas de un eficaz desempeño energético
b) La operación y mantenimiento de instalaciones, procesos, sistemas y equipos,
de acuerdo con los criterios operacionales.
c) La comunicación apropiada de los controles operacionales al personal que
trabaja para, o en nombre de, la organización.

Para el seguimiento de una operación eficiente es recomendable realizar las Auditorías Energética como una herramienta de gestión energética, cuyos objetivos es la detección de pérdidas de energía (ineficiencias energéticas) y potenciales de ahorro energético, la evaluación de su incidencia y cuantificar su impacto económico, analizar los resultados obtenidos para permite estudiar mejoras, mejorar y mantener el desempeño energético elaborando un plan de acción.
Pero siempre habrá que tener en cuenta que el seguimiento a través de una Auditoría Energética no ahorra energía, sólo se conseguirá en las acciones derivadas de la misma donde están los beneficios. Las Auditorías fijaran metas de productos en especificación y de operación de equipos, pero rara vez se contabiliza el costo energético para alcanzarlas.
Dentro de las acciones de registro y seguimiento que se deben de realizar a posteriori de una Auditoría Energética para la posible identificación de oportunidades de ahorro
habrá que tener en cuenta el trabajo diario (por ejemplo revisiones en planta por parte del operador: de hornos, de turbinas, etc); herramientas de control operacional (por ejemplo seguimiento de ensuciamientos de trenes de precalentamiento, precalentadores , hornos, etc); un estudio de análisis de mejoras realizadas en otras plantas/ otras refinerías; y un análisis de nuevas tecnologías: búsqueda en el exterior.

Para el sector del refino de hidrocarburos, no es posible derivar un valor medio significativo de consumo específico de energía (CEE) para cada región del mundo. Cada uno de los numerosos procesos que tienen lugar en las refinerías tiene su propio valor de BPT (Best Practice Technology). La estructura y la mezcla de productos de las refinerías varían dentro del mismo país y en todo el mundo. El análisis tiene en cuenta estas diferencias al estimar una EEI (Energy Efficiency Index) para cada país basado en el BPT de 13 procesos de refinería y la estructura de la refinería de cada país. El uso real de energía del sector es la suma del consumo final de energía y las pérdidas de transformación según se informa en IEA Energy Statistics (IEA, 2003).
De acuerdo con este análisis, la OCDE (Organization for Economic Cooperation and Development) Pacífico, la OCDE Europa y la OCDE Norteamérica tienen EEI inferior a 1. Esto implica que son más eficientes en promedio que BPT. Esto no es técnicamente posible. Otras regiones tienen IEEs tan altas como 4.5. Estos resultados indican limitaciones en la metodología y los datos utilizados. Un análisis a nivel de país no esposible para sectores como el de refinería, donde la cogeneración y la integración energética de los procesos tienen impactos significativos sobre los niveles de eficiencia energética (Saygin et al (2009). Se requieren datos específicos del sitio para un análisis significativo.

Dada la complejidad característica de las instalaciones de refino de hidrocarburos, existen varios sistemas de indicadores para cuantificar el desempeño energético de las instalaciones de una refinería, por ejemplo: indicadores de consumos y mermas e indicadores de ahorro de energía. Los consumos de energía en una refinería son muy diversos, corresponden a varios tipos de combustibles (vectores) que incluyen entre
otros: fuel oil, fuel gas, gas natural, propano, etc. El valor de energía de cada vector se establece utilizando el Poder Calorífico Intrínseco (PCI) de cada producto/vector. El consumo de energía se debe expresar en unidades homogéneas (por ejemplo: GJ). A su vez, existen otro tipo de consumos (vectores energéticos) que transportan energía generada a partir de esos combustibles (por ejemplo: electricidad, agua y vapor para intercambiadores, etc.) y que en ocasiones es importada desde fuera de los límites de la refinería. Las mermas se refieren a las pérdidas de productos energéticos en las instalaciones por la existencia de fugas, emisiones fugitivas, quema de gas en antorcha, etc. Teniendo los datos específicos de la refinería y mediante balances de materia y energía se puede calcular el siguiente indicador:

Indicador de ahorro energía=(Consumo energía real)/(Consumo energía teórico) Para el cálculo del consumo teórico se utilizan los datos de seguimiento de consumos y mermas de la refinerías del año anterior y los datos de actividad materias primas procesadas (MMPP) (según presupuesto o valor real) del conjunto de las refinerías englobadas por el indicador. El análisis Pinch para la integración energética de procesos es una herramienta útil para disminuir los costos de calentamiento y enfriamiento en las refinerías. Se dice que realizar comparaciones a nivel país o mundial en términos de eficiencia energética no es posible para este sector debido a las diferencias entre los complejos. El sector de refinería en España ha dado grandes pasos en cuanto su gestión de la Eficiencia Energética y su integración y comparación entre refinerías, siguiendo un programa que empezó en los años 90 donde ya se diseñaba existen planes anuales de ahorro energético en las refinerías, consiguiendo entre 2005 y 2010 ampliar el enfoque en Coordinación de Gestión Energética, a partir del año 2010 se empezaron a implantar sistemas de gestión energética de acuerdo con estándares internacionales, la norma ISO‐ 50001, y por fin desde el año 2011 se han generado planes estratégicos de reducción de CO2.

Y como ejemplo se puede considerar las siguientes refinerías:

Cepsa ha renovado a finales del 2014 el certificado de su sistema de gestión energética de acuerdo con la norma ISO 50001 para sus refinerías de Palos de la Frontera, San Roque y Tenerife reduciendo las emisiones relativas de CO2 de sus refinerías en más de un 40 por ciento. 

Petronor, a la vanguardia Europa:

Los complejos industriales de Repsol en España cuentan con uno de los sistemas de refino más eficientes de Europa, y llegan a contar con cinco refinerías que funcionan como un único complejo industrial.

Autor: Juan Blanco, profesor del Máster en Petróleo y Gas: Prospección, Transformación y Gestión.