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NablaDot. Recorriendo el camino desde la simulación al gemelo digital

NablaDot, empresa asociada a AVEBIOM, ofrece servicios de gemelos digitales que integran modelos en tiempo real conectados a sistemas SCADA, permitiendo análisis de datos, simulación en tiempo real y optimización de procesos industriales e incluyendo la posibilidad de configurar procesos con parámetros óptimos obtenidos de la simulación

NablaDot , fundada en 2010, inicialmente ofrecía servicios de simulación avanzada basados en técnicas de fluidodinámica computacional. Con el tiempo, amplió su oferta incluyendo modelos en tiempo real, empleando técnicas matemáticas que reducen la complejidad de los problemas sin comprometer la precisión. Estos modelos, ejecutables desde hojas de cálculo, se aplican en diversas áreas industriales, como la optimización de la distribución de aire o el diseño de equipos de transporte neumático. A principios de la década actual, NablaDot  incorporó inteligencia artificial en la elaboración de modelos en tiempo real, utilizando datos sintéticos cuando los datos reales son escasos.

Aplicaciones a la valorización energética de la biomasa

Los diferentes servicios desarrollados por NablaDot  se han aplicado al sector de la valorización energética de la biomasa: desde simulación a modelos en tiempo real, gemelos digitales o, en los últimos tiempos, la combinación de técnicas IoT, análisis de datos y simulación.

Simulación

Los servicios de simulación de NablaDot  han sido muy útiles para afrontar varios retos y problemas como determinar las causas (erosión, corrosión) de daños y desgaste en paredes y bancos de tubos de calderas de biomasa y definir estrategias de operación que minimicen estos problemas; calcular el tiempo de residencia de los gases de combustión por encima de una determinada temperatura en calderas de biomasa; optimizar la operación de calderas de biomasa, para reducir emisiones (NOx, principalmente) sin afectar a la eficiencia de la operación; mejorar la transferencia de calor en los bancos de tubos. En ocasiones, el flujo de gases de combustión llega a los primeros bancos de tubos con un patrón alejado de la uniformidad, empeorando la transferencia de calor en estos bancos de tubos. Mediante simulación han podido proponer medidas para conseguir que el flujo de gases de combustión llegue lo más uniforme posible; y diseñar y optimizar intercambiadores de calor de calderas de biomasa.

Un ejemplo de las capacidades de simulación de NablaDot : en una caldera de biomasa (tipo spreader stoker) han simulado patrones de temperatura dependiendo de la mezcla de biomasa utilizadas. El patrón de temperatura influye de forma determinante en la formación de contaminantes como los óxidos de nitrógeno.

El modelo desarrollado para esta caldera fue presentado en la European Biomass Conference (EUBCE) en 2021. Es un modelo innovador en el que se acopló la resolución de los fenómenos que ocurren en la parrilla con los fenómenos que ocurren en el hogar.

Además de este tipo de calderas de biomasa, también han modelado calderas  de biomasa con otros tipos de parrillas, como por ejemplo, parrillas vibratorias.

Figura. Patrón de temperaturas en la caldera para distintas alimentaciones de biomasa

Modelos en tiempo real

Un modelo en tiempo real reproduce los resultados de modelos complejos con desviaciones razonables (en general, menores del 15%) y con bajos requerimientos para el cálculo. Se puede ejecutar en un ordenador con prestaciones normales utilizando entornos comunes como por ejemplo, hojas de cálculo.

¿Cómo podemos reducir la complejidad de un modelo basado en fluidodinámica computacional, con tiempos de ejecución de horas o incluso días, para que se ejecute en tiempo real y con pequeñas desviaciones en los resultados respecto a modelos más complejos?

Para ello, NablaDot  aplica diferentes técnicas dependiendo de los fenómenos que se deben representar. Estas técnicas son principalmente, análisis dimensional, análisis de sensibilidad de las variables y parámetros del proceso, modelos de física reducida o inteligencia artificial. Dependiendo del proceso y del propósito final del modelo, aplican unas u otras técnicas, o incluso una combinación de ellas.

Un ejemplo de la aplicación de este tipo de modelos ha sido para el modelado de un secador rotatorio de biomasa para la fabricación de pellets. El modelado de estos equipos es complejo dado que es multifásico (gases calientes y biomasa sólida), el movimiento de las partículas es complejo dado que es causado tanto por el movimiento del secador rotatorio como por el arrastre de los gases calientes, y se producen fenómenos de transferencia de calor y de masa (evaporación de la humedad contenida en la biomasa).

El modelo en tiempo real es muy útil tanto para fabricantes como operadores ya que se pueden llevar a cabo las siguientes funciones: realizar pre-diseños de una forma muy rápida y con una precisión elevada. El modelo desarrollado permite analizar variaciones geométricas del secador rotatorio (por ejemplo, diámetro y longitud). De esta forma, se pueden determinar de una forma rápida las dimensiones necesarias del secador rotatorio para responder a los requerimientos de un proceso; y analizar diferentes estrategias de operación en función de condiciones ambiente y de la biomasa que llega al secador rotatorio.

NablaDot  ha realizado este tipo de modelos también para otro tipo de sistemas e instalaciones como intercambiadores de calor, redes de distribución de aire, transporte neumático o inyección de hidrógeno en tuberías de gas.

En la Figura 3 se observan el movimiento de las partículas y la evolución de las temperaturas en el secador rotatorio obtenidas con un modelo avanzado basado en fluidodinámica computacional (CFD).

En la Figura 4 se comparan resultados proporcionados por el modelo avanzado (CFD) y el modelo en tiempo real. Se observa la buena correlación entre ambos modelos, teniendo en cuenta que el modelo CFD requiere varias semanas de simulación.

Figura 3. Movimiento de las partículas de biomasa (izda). Evolución de la temperatura de los gases de combustión en el secador rotatorio (dcha).
Figura 4. Comparación de los resultados obtenidos entre el modelo CFD y el modelo en tiempo real. Evolución de la temperatura (dcha) y del contenido de vapor de agua (izda) de los gases de combustión en el secador rotatorio.

Gemelo digital

El gemelo digital resulta de la combinación de datos de planta (SCADA), datos de sensores, modelos en tiempo real del proceso y del control en una plataforma adaptada a las necesidades del operador del proceso.

Con todas estas herramientas, el gemelo digital ayuda al operador a optimizar el proceso y establecer los parámetros de control que se corresponden con la operación óptima. Además, también el gemelo digital es muy útil para el entrenamiento de operadores.

Un ejemplo de aplicación al sector de la biomasa es el desarrollo de un gemelo digital para un secador rotatorio, en el que integramos el modelo en tiempo real descrito en el apartado anterior. A través de la interfaz del gemelo digital, el operador puede realizar múltiples análisis de la operación del secador rotatorio. Esta interfaz está conectada con los datos de la planta, que se procesan de forma automática.

Figura 5. Interfaz del gemelo digital de un secador rotatorio de biomasa

Nuevos servicios IoT & simulación

La combinación de técnicas IoT, análisis de datos y simulación abre las puertas a nuevos servicios adaptados a las necesidades de un sector o instalación.

Un ejemplo de un nuevo servicio es la auditoría en tiempo real, en la cual se recogen datos de sensores situados en la planta y se calcula la eficiencia de la operación o el nivel de autoconsumo de la planta. Ello puede ser importante tanto para mejorar la eficiencia como para estimar las emisiones de CO2 del proceso y, por tanto, embebidas en la manufactura de un producto.

Otro ejemplo de un nuevo servicio es el mantenimiento predictivo y en el caso del sector de la valorización energética de la biomasa, la evaluación en tiempo real del ensuciamiento  de la caldera. Ello permite determinar los momentos más adecuados para tareas de limpieza o, incluso, reemplazamiento de algunos componentes de la caldera.

La digitalización abre nuevas vías de afrontar problemas y retos en múltiples sectores y también en el sector de la valorización energética de la biomasa.

 

Más información

https://www.nablaDot .com/

Artículo publicado en Biomasa News nº9 - Primavera 2024

Asociación Española de la Biomasa