Estudio de Viabilidad Económica de Fabricación de Palas de Mini-aerogeneradores por el Proceso de Rotomoldeo Resumen Grado en Ingeniería en Organización Industrial Centro: Escuela de Ingenierías Industriales y Civiles Curso: 2014-2015 Autor: Elena Báez Rodríguez Tutor 1: María Dolores Marrero Alemán Tutor 2: Antonio Nizardo Benítez Vega Junio de 2015
Resumen El presente resumen hace referencia al Trabajo de Fin de Grado Estudio de Viabilidad Económica de Fabricación de Palas de Mini-aerogeneradores por el Proceso de Rotomoldeo dirigido a la Escuela de Ingenierías Industriales y Civiles de la Universidad de Las Palmas de Gran Canaria. El motivo por el que este trabajo se ha llevado a cabo es principalmente por el auge de las llamadas energías limpias, concretamente de la energía eólica. Cabe destacar que uno de los motivos de la importancia de este tipo de energía se puede encontrar principalmente en el objetivo marcado por Europa (20-20-20) que consiste en reducir un 20% el consumo de energías primarias aumentando un 20% el consumo de las energías renovables y todo ello en el año 2020. A partir de ese año, las viviendas de nueva construcción deben emplear un sistema de autoabastecimiento energético por lo que el consumo de miniaerogeneradores será mayor. Debido a este acontecimiento la producción de palas de miniaerogeneradores aumentará, por lo que es coherente pretender reducir los costes de su fabricación garantizando que la pala se capaz de soportar las condiciones de trabajo a los que va a someterse y a las condiciones meteorológicas del lugar. Los estudios costes de fabricación de aerogeneradores existentes, estiman que el coste asociado a la fabricación de las palas supone el 20% del coste total del aerogenerador. Por ese motivo, es adecuado proponer alternativas de fabricación de palas que supongan un ahorro de costes con respecto a los procesos de fabricación convencionales. Este trabajo se centra en realizar una comparación, en costes, de la fabricación de palas por dos procesos diferentes, uno de ellos ya implantado y otro innovador. Debido a ello, es necesario conocer los diferentes procesos de fabricación que se utilizan hoy en día (moldeo por contacto, moldeo por proyección, moldeo por bolsa de vacío, moldeo por compresión en frío, moldeo por compresión en caliente, moldeo por enrollamiento, moldeo por pultrusión, moldeo RIM, moldeo por centrifugación, moldeo por transferencia de resina y moldeo por infusión) y así proponer una nueva técnica de fabricación de palas para el sector eólico, que en el caso que nos ocupa será el rotomoldeo. La técnica de fabricación convencional con la que se va a realizar la comparativa es el método de infusión. Para realizar la comparativa, se considerarán en cada proceso los siguientes costes asociados: los costes de materiales utilizados en el proceso, no sólo de la pala sino también los relacionados a la 1
fabricación del molde, costes en términos de producción, costes del estudio de raíz, costes de consumibles, protección pararrayos y pintura. Por último, se contabilizan los costes públicos, tales como los costes de energía, teléfono y tasas además de los costes salariales. Sin embargo, y previamente, se realizará una breve descripción de las partes de un aerogenerador y de su principio de funcionamiento. Se hará especial hincapié en las características diferenciadoras que la tecnología mini-eólica, a la que va destinada este trabajo, tiene comparada con la tecnología eólica, en general. Conocida la tecnología a aplicar y el principio de funcionamiento de un aerogenerador, y dado que la pieza que se va a conformar es una pala, se hace necesario conocer las partes de la que se compone, así como los materiales que se utilizan, ya que deben tener las propiedades adecuadas. Se ha de destacar que en la selección del proceso o tecnología de fabricación y en la disposición de los distintos de los elementos que conforman una pala, cobra especial importancia la elección de los materiales. En la memoria del trabajo se especifican los más utilizados y las características de cada uno de ellos, sin embargo todos los materiales deben tener una serie de características comunes que son: buenas propiedades estructurales (bajo peso, alta rigidez, y buen comportamiento anti-fatiga), buena flexibilidad de moldeo y bajo coste. Como se comentó el proceso de fabricación que se propone en el presente trabajo es el rotomoldeo. El rotomoldeo, también conocido como moldeo rotacional, es una técnica de tratado de polímeros con el que se obtienen piezas huecas. Este proceso ofrece gran flexibilidad en cuanto al tamaño del producto. Con este método, se pueden conseguir piezas de tamaño pequeño, medio, o incluso, muy grandes con poco material y gran estabilidad. Actualmente, es considerado uno de los procesos de transformación con mayor maduración, tecnológicamente hablando, debido a los equipos innovadores que presenta, a los materiales que emplea y a las técnicas de control que se han ido incorporando en estos últimos años. Es conveniente añadir que existen bajos niveles de desperdicio de material ya que con este método no se precisa el uso de coladas ni bebederos. El excedente del material es poco en comparación con otros procesos para la fabricación de piezas huecas. Como se ha mencionado anteriormente, el trabajo consiste en realizar un estudio de viabilidad económica centrado en la comparativa de costes entre un proceso convencional y el proceso de rotomoldeo. El proceso convencional elegido es el proceso de infusión. 2
El moldeo por infusión es una técnica que permite realizar piezas de grandes dimensiones a un precio económico. En términos generales, dicho proceso es una técnica que utiliza la presión de vacío para conducir la resina sobre todo el laminado. El material debe colocarse sobre el molde y acto seguido se aplica el vacío para que se produzca la compactación de los materiales. Una vez se ha conseguido la compactación y el vacío completo, la resina es aspirada del laminado a través de tubos que han sido estratégicamente colocados. Llegados a este punto, la resina se distribuye por todo el laminado. Al finalizar éste comienza el tiempo de curado que puede durar entre 24 y 48 horas. El proceso concluye con la extracción de la pieza. Para realizar el análisis de coste de cada uno de los procesos de fabricación (infusión y rotomoldeo), en primer lugar, se eligió los materiales con los que se va a fabricar la pala. Estos son: espuma de poliuretano, para el interior de la pala, resina epoxi, gelcoat de poliéster y un adhesivo estructural para la concha para la técnica de infusión. De estos materiales se buscó sus densidades y se calculó, con ayuda del programa de diseño gráfico SolidWorks, el volumen a cubrir con cada material. Obtenido estos parámetros se determinó la masa. Para la estructura se siguió el mismo procedimiento. En este caso los materiales utilizados son: madera balsa y fibra de vidrio con matriz epoxi. Obtenidos los pesos de cada material se buscó el coste de los mismos y se determinó el coste total de los materiales. Además, también se tuvieron en cuenta otras cuantías como el coste en términos de estudios de raíz, de protección pararrayos que se instalará en la pala, de pintura y de los consumibles que se emplearán en el proceso de infusión. Por otro lado, se contabilizó el coste del molde con el que se va a fabricar la pala. Es un molde de aluminio con refuerzos de carbono. Todos los costes mencionados formarán parte de los costes directos de la pala. Por otro lado, se determinó el tiempo de producción de la pala (tanto de la concha como de la estructura) para conocer los costes de producción. Dichos costes están determinados por el salario de los operarios. Los costes indirectos están determinados por el salario de los Ingenieros y el gerente, además de los gastos de luz, gas, teléfono y otras tasas, denominado gastos públicos. Entonces, teniendo en cuenta los costes directos e indirectos, se está en disposición de conocer el coste total de la pala. Este procedimiento se repite para la pala fabricada por rotomoldeo. Para ese caso, los materiales utilizados para la pala fueron: polietileno espumante para el interior y polietileno para la concha. En cuanto a la estructura, no va a ser fabricada por la técnica de rotomoldeo, aunque se debe tener en cuenta el coste de la misma. En este caso también se debe fabricar el molde previamente. Se considera también los costes por estudio de raíz. La pala de rotomoldeo no 3
tendrá protección pararrayos y no se tiene en cuenta el coste de pintura ni el de los consumibles del proceso. Los costes directos estarán determinados por el coste del material, el coste del molde, el coste del estudio de raíz y el coste de fabricación. Este último, como en la técnica de infusión, será el salario de la mano de obra en función del tiempo empleado para la fabricación de la pala, previamente calculado. Los costes indirectos estarán formados por los mismos parámetros que la pala por infusión: el salario de los ingenieros y del gerente así como los costes de gastos públicos. Una vez más se puede conocer el coste total de la pala. Sin embargo, en las fábricas, no sólo se fabrican piezas únicas. Entonces, se plantea dos escenarios más. Una producción pequeña, de 10 palas y una producción mayor de 100 palas y se determina los costes de ambos escenarios. Para estos escenarios se consideraron unos porcentajes de reducción debido a las economías de escala que pudiesen producirse. Éstos quedan explicados en la memoria del trabajo. Teniendo en cuenta todas estas consideraciones, los costes totales de los tres escenarios planteados son: Tabla 1: Comparativa de costes en diferentes escenarios Comparativa ( ) Pieza única Producción 10 Producción 100 Infusión 3.740,05 11.663,17 83.207,99 Rotomoldeo 4.381,96 6.003,84 20.923,61 Como puede apreciarse, la técnica de rotomoldeo no es rentable para la fabricación de una única pala. No obstante, un aerogenerador no suele ser unipala por motivos de eficiencia, suelen ser tripala y en ocasiones bipala, con lo cual, es poco probable que se lleven a cabo producciones de palas únicas. Entonces, se añade otro escenario de producción. En este caso de tres palas.los resultados obtenidos del nuevo escenario son: Tabla 2: Costes para producciones de tres palas Costes totales ( ) Costes( ) Infusión Rotomoldeo Directos 4.397,80 4.221,98 Indirectos 1.148,68 520,20 Total 5.546,48 4.742,19 4
Observando los resultados se llega a la conclusión de que para las producciones de tres palas, el proceso de fabricación por rotomoldeo es rentable. A pesar de conocer que las producción en lotes de tres palas es rentable utilizar el proceso de rotomoldeo, se comprueba si para producciones de dos palas también es rentable. El procedimiento de cálculo será el mismo seguido en los casos anteriores. En la siguiente tabla se muestran los resultados obtenidos. Tabla 3: Costes para producciones de dos palas Costes totales ( ) Producción Infusión Rotomoldeo 2 palas 4.652,74 4.559,04 Como se puede comprobar, para producciones de dos palas el proceso de fabricación de rotomoldeo ya comienza a ser rentable aunque la diferencia en costes es pequeña. Visualmente se aprecia mejor esta comparativa en la siguiente gráfica. Coste ( ) 90.000 80.000 70.000 60.000 50.000 40.000 30.000 20.000 10.000 0 Rotomoldeo Infusión 1 Pala 2 Palas 3 Palas 10 Palas 100 Palas Ilustración 1: Grafico comparativo 5
Firma Las Palmas de Gran Canaria a 8 de Junio de 2015 Fdo: Dña. Elena Báez Rodríguez (Autora) 6