El sistema integra un modelo energético, desarrollado por el ITE y un modelo productivo, desarrollado por ITC

GenerTwin, un proyecto para optimizar procesos industriales con la aplicación de la digitalización energética

Instituto Tecnológico de la Energía (ITE)11/01/2023

El proyecto GenerTwin, financiado por el Instituto Valenciano de Competitividad Empresarial (IVACE) y liderado por el Instituto Tecnológico de la Energía (ITE), plantea una propuesta de valor sólida: diseñar, desarrollar y testear una herramienta que permita analizar un proceso industrial manufacturero de manera totalmente digital, contemplando tanto sus características productivas como de consumo energético.

El contexto climático mundial actual se enfrenta a una serie de escenarios cambiantes de progresión cada vez más evidente. El concepto de “cambio climático” ha evolucionado al de “crisis climática”. En este sentido, la sociedad en su conjunto debe afrontar una serie de cambios y evolucionar hacia modelos más eficientes, si pretendemos compensar esa desviación de los objetivos climáticos. La Unión Europea, referente en la lucha contra el cambio climático a través de sus políticas y acuerdos internacionales, define una serie de paquetes denominados “marco” de objetivos a llevar a cabo para los distintos horizontes temporales (2030, 2050). Estos paquetes se ven, además, complementados con otros adicionales como el Fit for 55, que pretende acelerar los objetivos de emisiones para 2030, o el RepowerEU, desarrollado a raíz del conflicto entre Ucrania y Rusia, y centrado en la seguridad energética y la sostenibilidad de los modelos de generación, aprovechamiento y consumo energético.

En este contexto, ya en el Plan Nacional Integrado de Energía y Clima 2021-2030, que vertebra las actuaciones a llevar a cabo en España para cumplir con dichos objetivos, se enfatiza la importancia del sector industrial manufacturero y la necesidad general de realizar una “transformación del sistema energético hacia un modelo más resiliente”. El término “transformación” es una referencia a la necesidad de que todo el sistema energético, incluidos los consumidores de energía, contribuyamos a una verdadera transformación de toda la cadena de valor que nos permita adaptarnos mejor a estos cambios, al tiempo que garantizamos la innovación y competitividad energética. A estas necesidades que se plantean en el medio plazo se añaden los fenómenos y eventos impredecibles como los eventos climáticos interanuales (sequías, olas de calor) o la repentina subida del coste del gas natural, como ejemplos muy concretos de factores externos no controlables que afectan tanto a la seguridad de suministro como al coste energético.

El planteamiento de GenerTwin

En este contexto, el proyecto GenerTwin, financiado por el Instituto Valenciano de Competitividad Empresarial (Ivace) y liderado por el Instituto Tecnológico de la Energía (ITE), plantea una propuesta de valor sólida: diseñar, desarrollar y testear una herramienta que permita analizar un proceso industrial manufacturero de manera totalmente digital, contemplando tanto sus características productivas como de consumo energético. Para alcanzar este objetivo, GenerTwin desarrolla un Sistema Digital (SD) energético y productivo a la medida de las necesidades de cada uno de los procesos objetivos, elaborado desde las necesidades del proceso (Metodología bottom-up) e involucrando a las empresas interesadas en todo momento.

El proceso tal y como se concibe en el proyecto representa el alcance que se aborda en cada una de las aplicaciones del sistema digital. Por ello, no necesariamente coincide ni con una sola máquina o componente (el menor de los alcances posibles) ni pretende tampoco abarcar la planta productiva completa (uno de los mayores alcances posibles).

Por el contrario, una de las principales tareas del proyecto es definir el alcance del proceso a modelar en el Sistema Digital, siempre teniendo en cuenta que sea lo suficientemente representativo como para reflejar y considerar gran parte del impacto del consumo energético y el rendimiento y los condicionantes productivos de la totalidad de la planta, y que al mismo tiempo permita un desarrollo acotado y realista. Este enfoque se justifica por el hecho de que la mayor parte de los procesos manufactureros cuentan con maquinaria o etapas de proceso clave, ya sea por representar cuellos de botella o dependencias en la producción, por suponer gran parte del consumo energético de planta, o por ambos factores.

El Sistema Digital contempla, además, su conexión en planta mediante las estructuras de comunicaciones adecuadas y los consecuentes sistemas de captación de datos. Con este fin, se van a llevar a cabo distintos pilotos con el fin de estudiar diferentes niveles de integración, abarcando desde la integración discreta con datos productivos a la conexión con los sistemas en planta.

Figura 1. Elementos de los que se compone el Sistema Digital de GENERTWIN. Fuente: ITE

La simulación al servicio de la toma de decisiones

Entrando en el detalle del funcionamiento del sistema, el primer y más claro objetivo es representar la realidad de manera totalmente digital combinando distintos tipos de técnicas y herramientas de desarrollo de modelos digitales para obtener un modelo de comportamiento integral. El modelado de procesos de manufactura se ha abordado tradicionalmente desde perspectivas limitadas a un enfoque concreto. Un ejemplo claro sería el empleo de métodos de Simulación de Eventos Discretos (DES) para analizar el impacto de la planificación en el coste energético. Otro ejemplo recurrente es la simulación de dinámicas de funcionamiento del proceso, por ejemplo, modelando el sistema entre estados de equilibrio, y calculando la evolución de los estados del sistema entre un punto y otro.

GenerTwin, que se encuentra en el ecuador del proyecto, está desarrollado en colaboración con Instituto de Tecnología Cerámica (ITC), plantea una aproximación más completa a la simulación del proceso mediante el diseño del Sistema Digital, combinando un enfoque de modelado multiparadigmático, de simulación de la dinámica de los sistemas, su operativa y entorno productivo, con la potencia de herramientas de computación y análisis y el enlace con datos obtenidos de planta necesarios y ofrecer resultados a los gestores de los procesos. En otras palabras, el Sistema Digital se diseña para ofrecer la posibilidad de generar distintos escenarios productivos y analizar el impacto energético, productivo y económico en cada uno de ellos, sin necesidad de realizar cambios físicos en el proceso.

La simulación de escenarios propuesta ofrece una serie de ventajas para predecir con un margen de error aceptable distintas situaciones en las que se puede operar, por ejemplo, calculando el coste operativo del proceso ante una subida del precio de la energía. También permite decidir sobre la manera óptima de organizar la producción y los recursos en planta. El factor común a todos los puntos anteriores es que, una vez desplegado el sistema en planta y alimentado de los datos necesarios, la obtención de resultados está condicionada a llevar a cabo las simulaciones que sean de interés para el operador del proceso, traduciéndose únicamente en tiempo computacional y dando una gran agilidad al operador del proceso para analizar escenarios.

La arquitectura del sistema

Dada la complejidad del sistema y los distintos desarrollos Hardware y Software que lo integran, en el proyecto se ha desarrollado una estandarización de la arquitectura necesaria para dar respuesta a todas las necesidades. El sistema integra un modelo energético, desarrollado por el ITE y un modelo productivo, desarrollado por ITC. La siguiente figura esquematiza una descripción básica de alto nivel de dicha arquitectura:

Figura 2. Arquitectura de alto nivel del Sistema Digital de GenerTwin. Fuente: ITE

Como se aprecia, existe una interrelación entre modelos de manera que la cantidad de casuísticas que es posible analizar es amplia. Esta es, precisamente, la gran diferencia con la mayoría de los sistemas existentes, ya que GenerTwin no plantea desarrollar una herramienta ad-hoc para resolver problemas concretos, sino un Sistema Digital complejo que tenga tanto funcionalidades específicas, siendo una de las principales la representación del rendimiento energético y productivo, junto a otras funcionalidades secundarias que pueden ir desarrollándose con la operativa del sistema o con posibles ampliaciones de éste.

En este punto cabe destacar que se diseña un sistema con orientación a la estandarización, la interoperabilidad e interconectividad. En suma, un sistema que resuelva la generación de escenarios considerando las principales variables productivas de impacto en el consumo energético, pero que también permita adaptarlo a nuevos contextos o desarrollar nuevas funcionalidades posteriores, orientándolo a su escalabilidad y replicabilidad.

Conclusiones

Nos encontramos en un contexto altamente cambiante en que se ha de evolucionar a modelos productivos no solamente más eficientes, sino más resilientes, siendo el control de la energía consumida y el rendimiento productivo de los procesos una parte de gran importancia. Para dar respuesta a estas necesidades, el Sistema Digital de GenerTwin tiene como principal objetivo simular el comportamiento de un proceso de planta y, con ello, definir escenarios alternativos de funcionamiento. Mediante unas interfaces dedicadas, el usuario operador de proceso es capaz de seleccionar qué escenarios quieres simular y ejecutarlos. Para su funcionamiento, el Sistema Digital de GenerTwin emplea un modelo de comportamiento energético del proceso y un modelo de comportamiento productivo que interaccionan entre sí. Gracias a este sistema, el gestor del proceso obtiene una serie de ventajas evidentes:

Dispone de la potencia de la copia digital virtual de los procesos y analizar en muy poco tiempo muy distintos casos de optimización.
Dota a la empresa de mayor capacidad de decisión, incrementando su flexibilidad y su grado de adaptación ante distintas situaciones.
Maximiza la representatividad, asegura la interoperabilidad de los sistemas de planta y permite orientar mejoras de proceso y operativas para un mejor desempeño energético y medioambiental.

El proyecto GenerTwin, con expediente IMDEEA/2022/16, ha sido cofinanciado por el Instituto Valenciano de Competitividad Empresarial (IVACE) y Fondo Europeo de Desarrollo Regional (FEDER).