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La siguiente década de la energía industrial

decada de la energia industrial

¡Esta es la Sexta y última parte de una serie de blogs de seis partes de Mouser Electronics!

Topologías y materiales innovadores de la conversión energética

Por Mark Patrick, Mouser Electronics

¿Qué temas se tratarán en la serie?

La energía industrial será objeto de análisis en esta serie del blog: ¿Cómo facilitarán las nuevas tecnologías de materiales y técnicas de diseño el ahorro energético en la próxima década?

Blog 1:Introducción: La conversión de la energía industrial del futuro

Blog 2: Los conversores en la Cuarta Revolución Industrial

Blog 3: El valor de la alimentación a través de Ethernet (PoE)

Blog 4: La captación de energía en el ámbito industrial

Blog 5: PoL: Los circuitos industriales ante los desafíos energéticos

Blog 6: La siguiente década de la energía industrial

El renacimiento de las máquinas

Los análisis publicados sobre los pronósticos para la industria en la próxima década hablan principalmente de automatización, inteligencia artificial (IA) y «big data». Predecimos «fábricas inteligentes» funcionando 24horas al día, siete días a la semana, de forma mecanizada con robots móviles y autónomos que consiguen una elevada productividad y requieren muy poca intervención humana. En las empresas que todavía conservan operadores, nos imaginamos la introducción de cobots (véase la figura 1) ayudando a los operadores, observando y aprendiendo. El IIoT y la Industria 4.0 se generalizarán con la inteligencia perimetral, en la que los sensores y actuadores estarán en contacto con el proceso industrial en sí. Los datos obtenidos en este contexto se transferirán a la nube para permitir la toma de decisiones inmediata en todos los escenarios globales, optimizando los procesos y prediciendo las necesidades futuras (desde los envíos de materias primas hasta la programación del mantenimiento). El 5G, con velocidades de datos de hasta 20Gbps, tendrá un papel decisivo en esta expansión.

cobots
MRB220(Fig1): Cobots trabajando con humanos: Ilustración original de Mouser.

Es posible que el futuro industrial pueda parecer algo inhumano con la incorporación de tantos robots y cobots, pero el Foro Económico Mundial predice para el año 2022 la creación de 58 millones de nuevos empleos en el sector de la IA. Algunos de ellos serán en empresas que trabajen en equipos de conversión energética para proporcionar las mejoras exponenciales necesarias tanto en términos de eficiencia como de rendimiento de la densidad energética.

Además, es probable que los diseñadores se vean obligados a obtener «otro 1% más» de mejora en la eficiencia cuando ya están alcanzando el 98% de eficiencia en un variador de frecuencia. Las presiones para mejorar la eficiencia no dejarán de aumentar.

Aceptar el reto de la eficiencia

Afortunadamente, a los ingenieros les gustan los retos. Muchos se inspiran en las nuevas tecnologías de semiconductores y topologías de convertidores de potencia para obtener mejoras incrementales. La segunda entrega de esta serie del blog trató de los semiconductores de banda ancha (WBG). Su uso ha abierto un mundo de posibilidades, no solo para mejorar la eficiencia de la conversión energética, sino también para cambiar a frecuencias superiores, con las ventajas añadidas de componentes asociados más pequeños, en especial, los magnéticos.

Topologías de conversión

Las topologías de conversión, como el puente completo con desplazamiento de fase (PSFB) o las disposiciones LLC orientadas a inductores/condensadores (que conmutan de forma resonante a alta frecuencia), alcanzan gracias a los semiconductores WBG casi la máxima eficiencia, con pérdidas mínimas. Esta óptima situación, con más conversores instalados en un espacio determinado, reduce las emisiones y aumenta las densidades de potencia. El resultado neto supone una reducción de los costes generales y un mayor aprovechamiento del espacio, dos ventajas que son fundamentales en la industria moderna. Además, el aumento de la densidad de los conversores no implica un problema térmico puesto que los dispositivos WBG soportan esencialmente temperaturas altas.

PoE

La eficiencia de la conversión energética también es un problema para los sensores y actuadores periféricos. Como ya explicamos en el tercer artículo del blog, llevar la energía al perímetro no siempre es fácil y hay que conservar cada vatio. Por ello supone una gran ayuda poder dirigir hasta 70vatios de energía utilizable a través de los cables Ethernet y así incorporar comunicaciones rápidas a la inteligencia integrada en el sensor o actuador.

La captación de energía

Cuando no es posible una alimentación a través de Ethernet (PoE) y se necesita una comunicación inalámbrica, la solución es la captación de energía para satisfacer la energía local (los distintos planteamientos se trataron en el cuarto blog de esta serie). Existe una tendencia hacia la reducción de la pérdida de energía en el medioambiente utilizando la fabricación con «luces apagadas», bajos niveles de RF para IEM limitadas, así como un funcionamiento más suave de las máquinas con menos vibración. Aunque esto se aplique, todavía se podrá captar energía de las cargas de nivel ocasionales de microondas, aunque solo sea de los gradientes térmicos.

PoL

En el quinto blog, vimos que los arquitectos de sistemas de energía deben tener en cuenta los requisitos energéticos de los CI altamente integrados que se utilizan en la electrónica de control de procesos —situados en entornos que pueden ser hostiles—, tanto desde el punto de vista eléctrico como mecánico. Los voltajes del núcleo de los procesadores, que ahora son inferiores a 1V, deben ser precisos y sin ruido; para ello se requiere el uso de conversores de punto de carga (PoL) que, en sí mismos, pueden ser subsistemas de procesamiento de energía (con microcontroladores incorporados para maximizar la eficiencia y el rendimiento). Los carriles de potencia de la CPU tienen que suministrar más corriente (llegando a cientos de amperios), por eso deben situarse más cerca de la carga para evitar caídas de tensión. Todavía se puede mejorar el rendimiento de los dispositivos individuales de GaN y de banda ancha. Sin embargo, es probable que las investigaciones sobre la integración (GaN lateral) de varios dispositivos en una misma superficie tengan una mayor repercusión en la eficiencia de la conversión energética del futuro.

Sin duda necesitamos que la industria en la próxima década adopte un enfoque más «holístico» sobre el uso de la energía. Como ya expusimos en el artículo de introducción, la demanda de energía industrial aumentará globalmente con toda seguridad y para equilibrarla, debemos considerar todas las posibles mejoras de eficiencia.

La industria, situada al final de la cadena de conversión energética, debe desempeñar su papel en la reducción de la pérdida de energía. Actualmente, la mayor parte de la entrada de energía se transforma en calor «residual». Al mismo tiempo, los municipios consumen combustible para sus calefacciones. Existen posibilidades de transferir agua caliente de los intercambiadores térmicos de los productores a los usuarios. No cabe duda de que las fábricas del futuro deberán integrar mejor las necesidades energéticas de los municipios.

Conclusiones

Es muy probable que el IIoT continúe su expansión en la próxima década. La IA, el mantenimiento predictivo y los cobots son solo algunos de los impulsores que favorecerán esta expansión. La informática perimetral generará un rápido procesamiento de los datos en las plantas de producción, y tecnologías como el 5G harán que las conexiones en la nube sean más fiables para permitir la recopilación, la distribución y el tratamiento de «big data» en todos los centros globales. Ambas tecnologías se utilizarán al máximo.

Durante la próxima década podemos esperar ver emocionantes posibilidades, como la investigación sobre la integración de las tecnologías de banda ancha en paquetes monolíticos para mejorar el diseño de los conversores PoL.

Mouser apuesta por una mayor eficiencia y protección del medioambiente con una gama de componentes electrónicos de vanguardia, tanto para los diseños de la electrónica energética de hoy como para los de la próxima década.