Eficiencia energética en las granjas lecheras

Resumen

El aumento de los costos de la energía y las preocupaciones ambientales están llevando a los productores lecheros a modificar sus prácticas de gestión. Estos están analizando su consumo de energía e invirtiendo en medidas rentables de conservación y eficiencia energética. Esta publicación ofrece una visión general de cómo las granjas lecheras pueden implementar mejoras de eficiencia y tecnologías de ahorro de energía que permitan reducir el consumo de energía y los costos relacionados con ella.

Las granjas lecheras consumen grandes cantidades de energía para la producción de leche. Foto: The Lands at Hillside Farms.

Introducción

Hoy en día, las granjas lecheras se enfrentan a retos y oportunidades impulsados por el rápido aumento de los costos de energía y las preocupaciones sobre el impacto ambiental. Las granjas lecheras consumen más energía que casi cualquier otra actividad agrícola. La energía se utiliza en el proceso de ordeño, así como para enfriar y almacenar la leche, calentar agua, iluminar y ventilar. Identificar las mejores oportunidades de eficiencia energética y gestión de la energía para las granjas lecheras ayudará a reducir los costos de energía, mejorar la calidad ambiental y aumentar la productividad y la rentabilidad.

La eficiencia energética suele ser una forma económica, rápida y sencilla de ahorrar dinero. Esta publicación se centra en las mejoras de los equipos lecheros, las nuevas tecnologías y las prácticas de gestión para reducir el consumo de energía. Entre las oportunidades para ahorrar costos y mejorar los procesos se incluyen la implementación de: variadores de velocidad para bombas de vacío de leche y sistemas de transferencia de leche, preenfriadores de placas, sistemas de recuperación de calor, luminarias de bajo consumo y sistemas de ventilación eficientes. Se incluye información sobre auditorías energéticas, incentivos financieros y recursos adicionales. Las oportunidades presentadas en esta publicación se desarrollaron para granjas lecheras de vacas, pero también pueden aplicarse a granjas lecheras de cabras y ovejas.

Proceso de ordeño

El proceso de ordeño consiste en extraer la leche de la vaca lechera y transportarla a un tanque de almacenamiento a granel. Este proceso puede realizarse una, dos o más veces al día, y la mayoría de las granjas lecheras programan sus lactancias para garantizar un suministro continuo de leche durante todo el año. En promedio, el ordeño representa el 18 por ciento del consumo de energía eléctrica en una granja lechera (Peterson, 2008).

Bombas de vacío

La bomba de vacío funciona durante el ordeño y el lavado del equipo, y puede consumir entre el 20 por ciento y el 25 por ciento del consumo total de energía eléctrica en una granja lechera. La bomba de vacío genera una presión de aire negativa que extrae la leche de la vaca y facilita el flujo de leche desde el receptor de leche hasta el tanque de almacenamiento o el recipiente receptor. El flujo de aire también impulsa el agua y los productos de limpieza a través del sistema de ordeño durante el proceso de lavado.

La bomba de vacío funciona durante el ordeño y el lavado del equipo, y suele ser el principal consumidor de energía eléctrica. Foto: Andy Pressman

Existen cuatro tipos principales de bombas de vacío: las bombas rotativas de paletas deslizantes, las bombas de anillo de agua, las bombas rotativas de lóbulos (sopladores) y las bombas de turbina. Cada una de ellas funciona y utiliza la energía de manera diferente. Las bombas de vacío pierden eficiencia a medida que aumenta el nivel de vacío (Ludington et al., 2004). Por lo tanto, operar la bomba de vacío a niveles de vacío más bajos permite ahorrar energía.

Elegir el tamaño adecuado de la bomba de vacío para satisfacer las necesidades del sistema de ordeño y lavado puede reducir los costos de capital del equipo, disminuir los costos operativos de energía durante el ciclo de vida de la bomba y garantizar que esta funcione correctamente. El tamaño de la bomba de vacío depende de todos los componentes del sistema que permiten la entrada de aire durante el funcionamiento. Por lo general, el tamaño de las bombas se determina tomando en cuenta la cantidad de aire que ingresa al sistema de ordeño durante la recolección de leche, más una reserva del 50 por ciento para compensar la entrada accidental de aire y el desgaste de las piezas (MMMC, 1993). Las normas industriales obsoletas solían recomendar bombas de vacío sobredimensionadas, en parte debido a la creencia errónea de que se necesita una capacidad de vacío adicional para el lavado. Una bomba de vacío sobredimensionadapuede sobrecalentarse al finalizar su ciclo. La norma de desempeño actual de la industria, la Norma ASAE S518.2 de febrero de 2003, «Instalaciones de máquinas de ordeño», proporciona pautas de dimensionamiento actualizadas para las bombas de vacío lecheras (Ludington et al., 2004).

Motores de velocidad variable

Un variador de velocidad (VSD), también conocido como variador de velocidad ajustable o variador de frecuencia, es una tecnología de bajo consumo que se utiliza para controlar el nivel de vacío en las bombas rotativas de paletas deslizantes y en las bombas rotativas de lóbulos. Los sistemas de vacío tradicionales funcionan únicamente a velocidad máxima y dependen de un regulador de vacío para expulsar el exceso de aire que no se utiliza durante las operaciones de ordeño o lavado. Un VSD ajusta la velocidad del motor de la bomba para satisfacer la demanda de vacío, de modo que la bomba de vacío extraiga y el sistema de ordeño reciba cantidades iguales de aire. Al eliminar la cantidad de aire que se admitiría a través de un regulador, el motor consume menos potencia durante la mayor parte del proceso de ordeño. Un VSD en una bomba de vacío elimina la necesidad de un regulador convencional, ya que se suministra menos energía al motor y se reducen sus velocidades de funcionamiento. Los costos operativos de energía de un sistema de vacío con un VSD pueden reducirse hasta en un 60 por ciento (Ludington et al., 2004). Además, reducir las RPM de la bomba de vacío puede prolongar su vida útil, ya que habrá menos desgaste y menores costos de mantenimiento.

Mantenimiento de la bomba de vacío

Seguir el programa de mantenimiento del fabricante, junto con el mantenimiento de rutina de todos los sistemas de bombas de vacío, puede ahorrar energía. Revisar la temperatura de la bomba de vacío al final de cada ordeño es una buena forma de detectar problemas con la bomba o la carga eléctrica. Las altas temperaturas del motor pueden indicar la necesidad de ajustar el vacío, eliminar obstrucciones en el escape, reparar los sistemas de lubricación de las paletas rotativas o limpiar las bombas de soplador de lóbulos. Los cambios en la velocidad de la bomba de vacío pueden deberse a fugas de aire en el sistema de ordeño, sellos de drenaje deteriorados, correas de la bomba flojas, pulsadores que no funcionan correctamente o un sensor de vacío del VSD defectuoso. Una fuga de aire de 5 pies cúbicos por minuto en el sistema de vacío puede representar más de $100 en costos de electricidad desperdiciados (Peterson, 2008). Los problemas relacionados con las bombas de vacío pueden evitarse revisando regularmente los niveles de vacío y el funcionamiento del VSD.

Sistemas de enfriamiento de leche

La refrigeración de la leche representa la mayor parte del consumo de energía eléctrica en una granja lechera. La leche se extrae de la vaca a una temperatura de entre 95 y 99 grados Fahrenheit (F). Para mantener una alta calidad de la leche, lo que incluye un bajo recuento bacteriano, es necesario reducir rápidamente la temperatura de la leche cruda a alrededor de 38 grados. Los sistemas de refrigeración constan de un tanque de almacenamiento, una unidad compresora accionada por motor, un evaporador y una unidad condensadora. El sistema funciona bombeando un refrigerante en un ciclo que libera calor a medida que se condensa. Los intercambiadores de calor enfriados con agua de pozo, los variadores de velocidad en la bomba de leche, las unidades de recuperación de calor de la refrigeración y los compresores de espiral son tecnologías de ahorro de energía que pueden reducir el consumo energético del sistema de enfriamiento.

Existen dos tipos de sistemas de enfriamiento de leche que se utilizan en las granjas lecheras. Un sistema de enfriamiento de expansión directa enfría la leche directamente en el tanque de almacenamiento mediante placas evaporadoras que se expanden en la parte inferior del tanque. Los sistemas de enfriamiento indirecto, o instantáneo, utilizan intercambiadores de calor para preenfriar la leche antes de que entre al tanque de almacenamiento. Un intercambiador de calor de preenfriamiento puede reducir la temperatura de la leche hasta en 40 grados, lo que se traduce en una reducción del consumo de energía para la refrigeración de aproximadamente el 60 por ciento (Sanford, 2003b).

Un preenfriador de agua de pozo (en el extremo derecho) reduce el uso del compresor al utilizar agua subterránea para preenfriar la leche. Foto: Andy Pressman

Intercambiadores de calor

Los intercambiadores de calor utilizados para el preenfriamiento de la leche cruda transfieren el calor de la leche a un fluido refrigerante intermedio, como agua de pozo o una solución de agua y glicol, haciendo que la leche y el refrigerante fluyan en configuraciones de flujo paralelo o contracorriente. En una configuración de flujo paralelo, la leche y el refrigerante fluyen en la misma dirección. Los fluidos fluyen en direcciones opuestas en un patrón de contracorriente. Los sistemas de contracorriente permiten alcanzar temperaturas más bajas en la leche. La cantidad de enfriamiento que se produce depende del flujo de la leche en relación con el flujo del refrigerante, además del área de transferencia de calor, el número de veces que la leche pasa a través del refrigerante y la temperatura de este último.

Los intercambiadores de calor de agua de pozo se han utilizado en sistemas de preenfriamiento desde hace más de 20 años y pueden reducir los costos de enfriamiento entre 0,2 y 0,3 kWh/cwt (cien libras de leche) (Ludington et al., 2004). Existen dos tipos de intercambiadores de calor que se utilizan para el preenfriamiento: los intercambiadores de calor de carcasa y tubos y los intercambiadores de calor de placas. Los intercambiadores de calor de carcasa y tubos consisten en un solo tubo pequeño o varios tubos pequeños dentro de un tubo más grande. La leche fluye a través del tubo o los tubos más pequeños, mientras que el agua de pozo fluye a través del tubo más grande. Los intercambiadores de calor de placas están compuestos por una serie de placas metálicas ubicadas una al lado de la otra. La leche y el agua de pozo circulan por canales de flujo opuestos y el agua de pozo absorbe el calor de la leche en el lado opuesto de cada placa. Los intercambiadores de calor de placas son relativamente pequeños y, a diferencia de los intercambiadores de calor de carcasa y tubos, se pueden agregar placas adicionales para aumentar la capacidad.

Los intercambiadores de calor están diseñados para que la leche y el refrigerante realicen uno o varios pases entre las placas o los tubos. En un intercambiador de calor de un solo paso, el circuito está dispuesto de tal manera que los dos fluidos están en contacto mientras atraviesan conjuntos separados de placas o tubos antes de salir del intercambiador de calor. Los intercambiadores de calor de múltiples pasadas dirigen el flujo de leche y refrigerante a través de dos o más circuitos, lo que permite que los canales de leche estén en contacto con los canales de refrigerante durante períodos más prolongados. Un intercambiador de calor puede diseñarse para que la leche recorra múltiples circuitos y el refrigerante fluya a través de un solo paso o circuito. Las granjas que ordeñan durante largos períodos de tiempo pueden utilizar intercambiadores de calor diseñados para dos refrigerantes. El uso de dos fluidos de enfriamiento diferentes, como un primer preenfriamiento con agua de pozo y luego con agua fría o una solución de glicol y agua, permite enfriar la leche a medida que se extrae.

Ahorro de energía con el preenfriador

La instalación de un preenfriador del tamaño adecuado puede reducir el consumo de energía en la refrigeración en aproximadamente un 60 por ciento (Sanford, 2003b). Un intercambiador de calor de agua de pozo del tamaño adecuado puede reducir la temperatura de la leche a un rango de entre 5 y 10 grados de la temperatura del agua subterránea. Se puede lograr una mayor eficiencia en el preenfriamiento con una relación de 1:1 entre el flujo de refrigerante y el de leche, y utilizando las tuberías de agua más grandes posibles para maximizar el flujo de refrigerante. Otros factores que determinan el ahorro energético y económico de un preenfriador incluyen el tamaño del rebaño, el número y tamaño de los compresores, el tipo de refrigerante utilizado y la antigüedad del tanque de almacenamiento. Un beneficio adicional de utilizar agua para el preenfriamiento es que posteriormente puede usarse como agua potable para el ganado. Las vacas dependen del agua potable para producir leche y prefieren el agua tibia al agua fría. El agua tibia también puede utilizarse para realizar otras tareas, como el lavado y la calefacción.

Bombas de leche de velocidad variable

Como se mencionó anteriormente, se requiere vacío para la recolección de leche. Sin embargo, la leche no puede pasar de una tubería que se encuentra bajo vacío a un tanque de almacenamiento que está a presión atmosférica normal. Para compensar la diferencia de presión, la leche puede fluir hacia un recipiente receptor que activa una bomba de transferencia de leche para impulsar la leche desde el recipiente receptor, ya sea a través de un intercambiador de calor o directamente al tanque de almacenamiento. Otra opción que elimina la necesidad del recipiente receptor y la bomba de transferencia de leche consiste en poner el tanque de almacenamiento bajo vacío colocando sellos de hule en las tapas del tanque.

Una bomba de transferencia de leche de velocidad variable puede reducir aún más el consumo de energía al disminuir el caudal de leche que pasa por el intercambiador de calor. Un caudal de leche más bajo y más continuo a través del intercambiador de calor aumenta la relación entre el líquido refrigerante y la leche, lo que se traduce en un mayor enfriamiento de la leche. La leche puede enfriarse entre 15 y 20 grados adicionales al instalar una bomba de transferencia de leche de velocidad variable (Sanford, 2004c).

Unidades de recuperación de calor para refrigeración

Las unidades de recuperación de calor de refrigeración (RHR) capturan el calor residual de refrigeración del condensador para precalentar el agua antes de que se transfiera a un calentador de agua. Una unidad RHR puede recuperar entre el 20 y el 60 por ciento de la energía necesaria para enfriar la leche para su almacenamiento (Sanford, 2004b). Dependiendo del número de vacas que se ordeñen, el tanque de almacenamiento de la unidad RHR debe dimensionarse para proporcionar suficiente agua caliente para una sesión de ordeño. Esto incluye el agua caliente para lavar el sistema de ordeño y el tanque de almacenamiento. La recuperación de la inversión por la compra de una unidad RHR depende de los ahorros en el calentamiento de agua y variará considerablemente de una granja a otra.

Tipos de unidades de recuperación de calor en sistemas de refrigeración

Existen dos tipos de unidades de RHR: las de desupercalentamiento y las de condensación total. Una unidad de desupercalentamiento opera únicamente cuando el sistema de refrigeración está en funcionamiento y produce agua a temperaturas que oscilan entre los 95 y los 115 grados (Ludington et al., 2004). Estas unidades pueden ser económicas de instalar, pero solo una parte del calor disponible puede transferirse al agua. Casi todo el calor de refrigeración disponible se recupera en forma de agua caliente en una unidad de condensación total, con temperaturas que alcanzan de 120 a 140 grados (Ludington et al., 2004). Este tipo de unidad RHR cumple con los requisitos del sistema de enfriamiento mediante el uso de una válvula para controlar el flujo de agua fría a través del intercambiador de calor. Una vez que el tanque de almacenamiento está lleno, el exceso de agua caliente puede seguir utilizándose y no se desperdicia. Una unidad RHR de condensación total elimina la necesidad de un condensador convencional en el sistema de refrigeración y se integra mejor como parte de un sistema de refrigeración nuevo o de reemplazo. Si casi toda la energía capturada por la unidad RHR se utiliza para precalentar el agua, entonces no se necesita un preenfriador para eliminar el calor de la leche y, de hecho, podría aumentar los costos energéticos generales.

Compresores

La función de un compresor es comprimir el gas refrigerante frío y a baja presión procedente del evaporador hasta un estado de alta presión y alta temperatura para su condensación. Los tres tipos de compresores de refrigeración utilizados para el enfriamiento de la leche en las granjas lecheras son los alternativos, los de espiral y los de disco. El compresor alternativo es el más común y puede ser de tipo abierto, hermético o hermético accesible. Los compresores de espiral y de disco son más nuevos y eficientes que los alternativos. Las investigaciones han demostrado que reemplazar un compresor alternativo defectuoso por un nuevo compresor de espiral puede reducir los costos de enfriamiento de la leche en un 20 por ciento, debido a una reducción en el consumo eléctrico (Ludington et al., 2004).

Calentar agua

El agua caliente es esencial para producir leche de alta calidad en las granjas lecheras y se utiliza principalmente para limpiar los sistemas de ordeño. La cantidad de agua caliente necesaria varía de una granja a otra y depende del tamaño del rebaño lechero, así como del tipo y tamaño del sistema de ordeño. En promedio, se requiere un mínimo de 4 galones de agua a 170 grados por cada unidad de ordeño (Ludington et al., 2004). El agua caliente se produce generalmente mediante calentadores de agua que utilizan fuel, gas natural o propano, energía solar o electricidad. En algunas granjas lecheras, calentar el agua puede representar alrededor del 25 por ciento del consumo total de energía de la granja (Sanford, 2003a).

Tipos de calentadores de agua

Existen varias formas de reducir la cantidad de energía utilizada para calentar agua. Ya sea que se utilice un calentador de agua directo o indirecto, la eficiencia general viene determinada por la eficiencia de combustión de la fuente de combustible y la cantidad de pérdida de calor del tanque de almacenamiento, conocida como pérdida en espera. Un calentador de agua directo combina el tanque de almacenamiento de agua y el elemento calefactor. El tanque de almacenamiento de un calentador de agua indirecto contiene un intercambiador de calor que está conectado a una caldera independiente. Aislar el tanque de almacenamiento y las tuberías de conexión puede reducir las pérdidas en modo de espera en ambos tipos de calentadores de agua. Se pueden aislar los costados y la parte superior de un calentador de agua eléctrico, así como los costados de los calentadores de agua a gas y a leña.

Temperaturas del agua

Las temperaturas adecuadas del agua son esenciales para la limpieza del equipo de ordeño. Usar agua tibia o fría siempre que sea posible puede ayudar a reducir los costos de energía. Un enjuague previo con agua tibia, a una temperatura de entre 95 y 110 grados, evita que la leche se adhiera al equipo, lo cual es un problema que se presenta con el agua fría. Además, un enjuague con agua tibia no provoca depósitos de minerales y proteínas en las tuberías, como suele ocurrir al usar agua caliente. El ciclo de lavado requiere temperaturas del agua entre 120 y 170 grados. Las granjas lecheras deben utilizar calentadores de agua comerciales, ya que los calentadores eléctricos residenciales están controlados por termostato para no superar los 140 grados debido a las normas federales de seguridad. El rango del termostato para los calentadores de agua comerciales es de 100 a 180 grados. Un enjuague frío con ácido controlará la acumulación de minerales y bacterias en las líneas de leche y ayudará a ahorrar agua caliente. Existen muchos tipos de desinfectantes ácidos para productos lácteos y cada uno puede tener diferentes instrucciones de enjuague. La mayoría de estos desinfectantes no figuran en la Lista Nacional de Sustancias Permitidas y Prohibidas para su uso en la producción y el procesamiento orgánicos certificados (Programa Orgánico Nacional), pero algunos pueden estar permitidos para su uso en granjas lecheras orgánicas (USDA, 2000). Consulte con su certificador orgánico para ver si existen restricciones para el uso de desinfectantes ácidos para productos lácteos.

Dispositivos de control eléctrico y picos de demanda

El uso de un dispositivo de control para calentadores de agua eléctricos puede reducir el consumo de electricidad durante los períodos en los que se prevén aumentos en la demanda por encima del nivel promedio de suministro, lo que también se conoce como “pico de demanda”. Los temporizadores ofrecen una forma sencilla y económica de controlar los calentadores de agua. Desplazar las cargas eléctricas hacia horas de menor demanda o fuera de los picos, y aprovechar las tarifas de servicios públicos fuera de los picos, no solo garantiza a los agricultores el acceso a agua caliente a un costo razonable, sino que también beneficia a la empresa de servicios públicos al permitirle controlar directamente la demanda de energía en su sistema. Muchas empresas de servicios públicos ofrecen tarifas incentivadas o reembolsos para alentar a los agricultores a participar en programas de control de calentadores de agua eléctricos. No todas las empresas de servicios públicos ofrecen tarifas fuera de horas pico, por lo que es mejor consultar con los proveedores locales para ver si están disponibles dichas tarifas.

Iluminación

Una iluminación adecuada puede mejorar la productividad y la seguridad en una granja lechera. En promedio, la iluminación representa el 17 por ciento del consumo total de energía eléctrica de una granja lechera (Peterson, 2008). Unas condiciones óptimas de iluminación pueden aumentar la producción de leche y reducir el consumo de energía. Entre los factores que contribuyen a aumentar la producción de leche se encuentran el tipo de luz, la cantidad de luz que se proporciona por vatio, la temperatura del área de trabajo, la altura de los techos y la duración del período de iluminación.

Los requisitos de iluminación en una granja lechera se pueden dividir en tres categorías. La primera categoría es la iluminación para tareas que exigen un gran esfuerzo visual, la cual requiere los niveles de iluminación más altos (Ludington et al., 2004). Las áreas que se benefician de este tipo de iluminación incluyen las salas de ordeño; las áreas de lavado, mantenimiento y reparación de equipos; las oficinas; las áreas de maternidad y de tratamiento veterinario; y los cuartos de servicio. La segunda categoría incluye la iluminación para las áreas de retención, las áreas de alimentación, la clasificación y observación de animales, y la limpieza general. Estas áreas y tareas requieren niveles de iluminación de altos a moderados. Por último, los niveles de iluminación de bajos a moderados son adecuados para la iluminación general de las áreas de descanso del ganado, la iluminación de pasillos, la iluminación general de las habitaciones y la iluminación de seguridad en interiores y exteriores.

Tipos de lámparas

Existen tres tipos de sistemas de iluminación que se utilizan en las granjas lecheras: lámparas incandescentes, lámparas fluorescentes y lámparas de descarga de alta intensidad.

Lámparas incandescentes

Las lámparas incandescentes son comunes en muchas granjas lecheras, aunque hoy en día se consideran una fuente de luz ineficiente. Su rendimiento lumínico es de solo el 10 por ciento, mientras que el 90 por ciento restante de la energía se disipa en forma de calor (Hiatt, 2008).

Lámparas fluorescentes

Las luces fluorescentes están compuestas por un marco, un balasto, un casquillo y una o varias lámparas. Los balastos proporcionan el voltaje, la corriente y la forma de onda necesarios para el encendido y el funcionamiento de las lámparas fluorescentes y de descarga de alta intensidad. Las lámparas están disponibles en una amplia variedad de longitudes y diámetros, formas, clasificaciones de temperatura de color y rangos de temperatura mínima de funcionamiento. Las lámparas fluorescentes varían en longitud desde las 6 hasta las 96 pulgadas. El diámetro de la lámpara se expresa en octavos de pulgada y las lámparas vienen en los siguientes diámetros: T-5, T-6, T-8, T-9, T-10, T-12 y T-17. Una lámpara T-12 tiene un diámetro de 12/8 pulgadas, es decir, 1.5 pulgadas, mientras que una T-8 tiene un diámetro de 8/8 pulgadas, es decir, 1 pulgada (Sanford, 2004a).

Las lámparas fluorescentes pueden ser lineales (rectas), circulares o en forma de U. El índice de temperatura de color, o CCT, se refiere al aspecto cromático de la luz que emite una lámpara (Sanford, 2004a). Se expresa en grados Kelvin (K). Los valores de temperatura más bajos producen un color rojo o naranja y se asocian con una luz cálida. Los valores de temperatura más altos producen una fuente de luz azul, o fría. Los valores de CCT para las lámparas fluorescentes oscilan entre 3,000 y 5,000 grados K, mientras que el valor promedio de CCT de una lámpara incandescente ronda los 2,800 grados K. Las temperaturas mínimas de funcionamiento para las lámparas fluorescentes están entre -20 y 50 grados Fahrenheit, dependiendo de si el balasto es electromagnético o del tipo eléctrico, que es más eficiente energéticamente.

El tipo más común de lámpara fluorescente es la T-12. Sin embargo, las lámparas de menor diámetro proporcionan más luz por vatio de potencia. En comparación con una lámpara T-12 y su balasto, la lámpara fluorescente T-8 proporciona aproximadamente un 15 por ciento más de luz, o lúmenes, y los balastos son un 40 por ciento más eficientes (Sanford, 2004a). La lámpara fluorescente más eficiente energéticamente es la T-5, pero tiende a producir demasiado calor en un accesorio cerrado. El uso de accesorios cerrados en los sistemas de iluminación agrícola protege la carcasa contra la corrosión y protege la lámpara del polvo, la humedad y los gases del estiércol, factores que pueden acortar la vida útil de una lámpara.

Lámparas fluorescentes compactas

Una lámpara fluorescente compacta (CFL) consume aproximadamente un 75 por ciento menos de energía, medida en vatios, para producir la misma cantidad de luz que una bombilla incandescente. Las CFL son directamente intercambiables con las lámparas incandescentes, por lo que cambiar una lámpara incandescente de 60 vatios por una CFL de 20 vatios reduce el consumo de energía en un tercio. Las CFL también duran de seis a diez veces más que las fuentes de luz incandescentes (Sanford, 2004a). Las CFL se pueden usar al aire libre, pero deben cubrirse para protegerlas de todas las condiciones climáticas. Las bajas temperaturas, tanto en interiores como en exteriores, pueden reducir los niveles de luz. Para alcanzar su potencia máxima a temperaturas más bajas, las CFL requieren un período de calentamiento.

Lámparas de descarga de alta intensidad

Las lámparas de descarga de alta intensidad (HID) son una fuente de luz muy brillante y eficiente. Las lámparas HID suelen requerir un período de calentamiento y generan luz al calentar una mezcla de gases dentro de la lámpara. Las lámparas HID deben instalarse en un lugar elevado para que la luz se difunda y se evite el deslumbramiento. Algunas luminarias HID pueden equiparse con un difusor que distribuye la luz horizontalmente. Los cuatro tipos comunes de luces HID son las de vapor de mercurio, halogenuros metálicos, sodio de alta presión y sodio de baja presión.

Lámparas de vapor de mercurio

Las lámparas de vapor de mercurio emiten una luz azul-blanca que imita la luz del día. Sin embargo, son las menos eficientes de las lámparas HID, ya que emiten solo 32 lúmenes por vatio. Además, su eliminación representa un riesgo ambiental debido al gas de mercurio.

Lámparas de haluro metálico

Las lámparas HID de haluro metálico ofrecen el mejor color de todas las lámparas HID y emiten aproximadamente 60 lúmenes por vatio, lo que las hace dos veces más eficientes que una lámpara de vapor de mercurio. Existe una tecnología más reciente de encendido por pulso disponible para las lámparas de haluro metálico. El sistema de encendido por pulso puede prolongar la vida útil de la lámpara en un 50 % en comparación con la lámpara de haluro metálico estándar, proporcionar aproximadamente un 8 % más de lúmenes por vatio y permitir un calentamiento y reinicio más rápidos (Sanford, 2004a). Las lámparas de haluro metálico con encendido por pulso utilizan un tipo diferente de balasto y no son intercambiables con las lámparas de haluro metálico estándar.

Lámparas de sodio de alta y baja presión

Las lámparas de sodio de alta y baja presión son ligeramente más eficientes que las lámparas de halogenuros metálicos. Las lámparas de sodio de alta presión emiten alrededor de 95 lúmenes por vatio y producen una luz anaranjada. Una lámpara de sodio de alta presión de 100 vatios puede proporcionar 2.5 veces más luz que una lámpara de vapor de mercurio de 100 vatios, al tiempo que consume significativamente menos energía. Las lámparas de sodio de alta presión se utilizan con frecuencia para aplicaciones mixtas de iluminación tanto en exteriores como en interiores. Las lámparas de sodio de baja presión son la fuente de luz HID más eficiente, pero producen un color de luz de baja calidad. Las lámparas de sodio de baja presión se utilizan con frecuencia para
iluminación de seguridad en exteriores.

Medidas de eficiencia en la iluminación

Reemplazar las fuentes de luz ineficientes por una iluminación adecuada y de mayor eficiencia puede resultar en una mejor iluminación de trabajo con ahorros de energía que se mantienen a lo largo de la vida útil de la lámpara. Las oportunidades de ahorro de energía incluyen cambiar las lámparas incandescentes por lámparas fluorescentes compactas, pasar a lámparas fluorescentes de menor diámetro y mayor eficiencia, y adoptar iluminación HID. Dado que los accesorios de iluminación distribuyen la luz de diferentes maneras, se debe tomar en cuenta la distribución y el uso del granero en cualquier decisión relacionada con la iluminación.

Se puede lograr un ahorro de energía mediante el uso de tecnologías sencillas y económicas que van más allá del simple reemplazo de lámparas. Algunas tecnologías incorporan controladores lógicos programables y otros sistemas de control computarizados, e incluyen temporizadores, fotocontroladores de atardecer a amanecer, controladores de media noche y detectores de movimiento. Continuamente se desarrollan tecnologías nuevas y más eficientes.

Factores que afectan la vida útil de las lámparas

Hay varios factores que pueden acortar la vida útil de una lámpara. Entre ellos se encuentran:

• Nivel de gases de estiércol
• Humedad
• Polvo
• Encendido y apagado frecuentes

Iluminación de día largo

La iluminación de día largo es una novedosa técnica para las granjas lecheras que consiste en aumentar la producción de leche al prolongar la duración del día mediante luz artificial. Según los investigadores, las vacas lecheras son sensibles a la duración del día y se les puede estimular para aumentar la producción de leche proporcionándoles de 16 a 18 horas de iluminación ininterrumpida, seguidas de 6 a 8 horas de oscuridad (Sanford, 2004a). Al implementar un sistema eficiente de iluminación de día largo, la producción de leche puede aumentar entre un 5 y un 16 por ciento.

Los ventiladores ayudan a mejorar la circulación del aire dentro de un establo. Foto: Andy Pressman

Ventilación

En los establos lecheros se requiere una ventilación adecuada durante todo el año para ayudar a mantener la salud y la productividad de los animales, la integridad estructural del establo, la calidad de la leche y un ambiente de trabajo cómodo para los trabajadores. El aire dentro de un establo se vuelve cálido y húmedo, ya que las vacas producen calor y humedad continuamente. Un sistema de ventilación eficiente introduce aire fresco, más frío y seco, al establo, lo mezcla y lo hace circular, y expulsa y diluye la humedad, el polvo, los gases del estiércol y los olores, así como los contaminantes en el aire.

Las vacas que están expuestas al aire libre tienen menos probabilidades de sufrir estrés por calor, afecciones respiratorias, mastitis, problemas reproductivos y otras enfermedades que podrían reducir la producción de leche. Muchos productores lecheros se están dando cuenta de los beneficios inherentes de un sistema de producción basado en pasturas. Las granjas lecheras basadas en pasturas adoptan un enfoque ecológico para el cuidado de la salud, ya que se basan en la inmunidad natural que proporciona el acceso a los pastizales. Para obtener más información sobre la producción lechera basada en pasturas, consulte la publicación de ATTRA Producción lechera en pastoreo: Una introducción a la ganadería lechera basada en pastoreo y estacional. Según los expertos, el estrés por calor en las vacas lecheras comienza cuando las temperaturas ambientales superan los 65 grados y la humedad relativa es del 40 por ciento o más (Ludington et al., 2004). Mantener un ambiente saludable mediante el control del moho, las esporas, el polvo y otros irritantes también ayuda a reducir las posibilidades de contaminación de la leche y disminuye los riesgos para la salud de los ganaderos. Una buena ventilación también reduce el deterioro de las instalaciones debido al exceso de humedad, que puede provocar podredumbre, moho y problemas eléctricos.

Tipos de ventilación

Existen dos tipos de ventilación: la natural y la mecánica. La ventilación natural es la que consume menos energía y requiere el intercambio de aire, la capacidad de controlar los índices de ventilación, la flexibilidad para brindar a las vacas un ambiente cómodo durante todo el año y una buena construcción del establo (Wood Gay, 2002). Los establos que se encuentran en la trayectoria de los vientos predominantes y están diseñados con paredes laterales y de los extremos ajustables pueden aprovechar las brisas y la flotabilidad térmica, y minimizar los intercambios de aire inesperados.

Los establos con ventilación mecánica requieren entradas de aire y extractores de aire situados uno frente al otro. Los extractores de aire funcionan con un motor eléctrico y cuentan con campanas, rejillas de protección y persianas o compuertas. Cada extractor se enfoca hacia un área específica para proporcionar un control uniforme de la humedad y los gases (Peterson, 2008). Los ventiladores utilizados en las instalaciones ganaderas suelen ser ventiladores de flujo axial, diseñados para permitir que el aire pase directamente a través del ventilador, en paralelo al eje de transmisión de las aspas (Arnold y Veenhuizen, 1994). Los sistemas de ventilación tradicionales están diseñados con entradas de aire y ventiladores de extracción ubicados en extremos opuestos de un edificio, mientras que en un sistema de ventilación cruzada, las entradas de aire y los ventiladores de extracción se encuentran en lados opuestos del edificio.

Selección de ventiladores

Un sistema de ventilación con ventiladores bien diseñado y dimensionado debe proporcionar los niveles de ventilación necesarios para mantener un ambiente cómodo tanto para las vacas como para los trabajadores en todas las estaciones del año. El tamaño y la forma de las aspas, la velocidad del ventilador en revoluciones por minuto (rpm), la potencia del motor y el diseño de la carcasa determinan la cantidad de aire que puede mover un ventilador. Esto se conoce como capacidad del ventilador y se mide en pies cúbicos por minuto (cfm). El tamaño del sistema de ventilación necesario depende de su capacidad para eliminar el exceso de humedad durante los meses más templados y fríos del año, al tiempo que impulsa aire fresco a través del edificio durante el verano para reducir el estrés térmico de los animales. Los ventiladores de extracción varían en tamaño desde las 5 pulgadas de diámetro hasta las 72 pulgadas. Los motores de los ventiladores de extracción pueden tener una potencia tan pequeña como 1/20 de caballos de fuerza y pueden superar los 50 caballos de fuerza (NFEC).

La presión estática es la diferencia de presión entre el interior y el exterior de un edificio, un ventilador o una entrada de aire (Ludington et al., 2004). Se mide en pulgadas de agua o pulgadas de mercurio. La presión estática de un ventilador de extracción eficiente debe estar entre 0,05 y 0,125 pulgadas de agua y se mide con un manómetro.

Ventiladores de circulación

Los ventiladores de circulación se instalan dentro de los edificios para ayudar a mejorar la circulación del aire y reducir las zonas de aire estancado. Existen diferentes tipos de ventiladores de circulación, todos los cuales cuentan con aspas de hélice conectadas directamente a un motor o a un sistema de transmisión por motor y correa. Dos tipos comunes de ventiladores de circulación utilizados en los sistemas de alojamiento lechero son los ventiladores tipo caja y los ventiladores de alto volumen y baja velocidad (HVLS). Los ventiladores tipo caja suelen funcionar con niveles de eficiencia de moderados a altos, dependiendo del diámetro del ventilador, siendo los de mayor diámetro los más eficientes (Sanford, 2004d).

Los ventiladores HVLS son ventiladores de circulación de gran diámetro, con diámetros que van de 8 a 24 pies. Un ventilador HVLS de 24 pies puede mover la misma cantidad de aire que seis ventiladores de caja de alta velocidad de 48 pulgadas y puede ahorrar hasta 3.3 kilovatios por hora de funcionamiento (Sanford, 2004d). Los ventiladores HVLS ahorran energía al reemplazar los ventiladores de circulación existentes que no son eficientes. Además, los ventiladores HVLS suelen ser silenciosos, reducen la humedad en los edificios y disminuyen las poblaciones de moscas y aves en los establos.

Calificaciones de los aficionados

La Asociación Internacional de Movimiento y Control del Aire (AMCA) es un laboratorio de pruebas independiente que califica a los ventiladores según su capacidad para mover el aire. Los ventiladores que cumplen con ciertos criterios de desempeño establecidos por la AMCA u otras entidades de pruebas confiables reciben un sello de aprobación certificado. Esta calificación puede ser útil para seleccionar el ventilador adecuado para el uso previsto. Para obtener más información sobre la AMCA, visite su sitio web. El Laboratorio de Sistemas Bioambientales y Estructurales (BESS) ofrece investigación, pruebas de productos y capacitación sobre ventiladores agrícolas. Los resultados de las pruebas de desempeño están disponibles en su sitio web.

Sistemas de control de ventilación

El uso de termostatos para controlar los sistemas de ventilación reduce el consumo de energía, ya que hace que los ventiladores funcionen solo cuando es necesario. Los termostatos, cuando están bien ubicados, deben reflejar con precisión la temperatura promedio dentro del edificio. Instalar un termostato al menos a 10 pies de distancia de un ventilador y al menos a 1 pie por debajo del techo reduce la exposición del termostato a factores adversos, como la luz solar y las corrientes de aire de entrada, que pueden alterar la lectura de temperatura del termostato (Wells, 1990). Todos los sistemas de control deben ubicarse de manera que el ganado no pueda golpearlos.

Los controles por temporizador y los sensores de humedad también pueden utilizarse para regular los índices de ventilación. Sin embargo, es posible que el uso de estos dispositivos de control no ahorre energía. Los controles por temporizador encienden y apagan los motores para alcanzar los índices de ventilación establecidos y pueden consumir más energía al arrancar los motores desde el modo apagado. Además, los controles por temporizador generan mayores oscilaciones de temperatura. Por otra parte, se ha informado que los sensores de humedad no funcionan adecuadamente en los establos (Wells, 1990).

Mantenimiento del sistema de ventilación

Los sistemas de ventilación de las granjas lecheras requieren un mantenimiento de rutina para que los ventiladores sigan funcionando a altos niveles de rendimiento. Un mantenimiento deficiente de los ventiladores y las obstrucciones en las entradas y salidas de aire pueden reducir la eficiencia de los ventiladores hasta en un 40 a 50 por ciento. Limpiar las piezas de los ventiladores, lubricar los cojinetes y otras partes móviles, revisar la tensión y alineación de las correas, y eliminar cualquier obstrucción mantendrá a los ventiladores funcionando a su máxima eficiencia y reducirá los costos de energía. La eficiencia a largo plazo puede mejorarse reparando o reemplazando las aspas, las compuertas, las protecciones y otras piezas del ventilador que estén dobladas, dañadas o desalineadas. Se puede utilizar un medidor de velocidad del aire para detectar disminuciones en el rendimiento del sistema de ventilación. Los sistemas de control deben limpiarse regularmente y la precisión de los termostatos debe verificarse anualmente comparando sus lecturas con las de un termómetro de mercurio.

Factores que influyen en la eficiencia de un sistema de ventilación para ganado

Dave Ryan, ingeniero de energía de NCAT, realiza una auditoría energética en una granja. Foto: Andy Pressman

1. Diseño del sistema de ventilación
2. Tipo y diseño de las aspas de los ventiladores
3. Eficiencia de los motores eléctricos que accionan los ventiladores
4. Uso del sistema de control de los ventiladores
5. Mantenimiento y limpieza de rutina

Auditorías energéticas en granjas

Una auditoría energética agrícola es una herramienta que ayuda a los productores agrícolas a conservar energía y ahorrar dinero mediante la implementación de equipos energéticamente eficientes. La auditoría recopila y analiza información sobre el consumo de energía en la granja y los costos asociados, y luego ofrece recomendaciones sobre cómo reducirlos. Las auditorías energéticas agrícolas también exploran formas de aprovechar los recursos de energía renovable disponibles en la granja. Las explotaciones lecheras suelen ser buenas candidatas para las auditorías energéticas agrícolas, ya que existen importantes oportunidades para que estas granjas ahorren energía y dinero mediante medidas de conservación y eficiencia. Las auditorías energéticas agrícolas pueden ser realizadas por un profesional o mediante calculadoras de eficiencia energética que el mismo usuario puede utilizar.

Las tierras de Hillside Farms, en Shavertown, Pensilvania. Foto: Andy Pressman Ahorro de energía en The Lands at Hillside Farms The Lands at Hillside Farms es una granja lechera histórica y un centro educativo sin fines de lucro dedicado a la agricultura sostenible, ubicado en Shavertown, Pensilvania. El rebaño lechero de la granja, compuesto por unas 60 vacas alimentadas con pasto, está formado por razas Jersey, Holstein y cruces de Jersey con Holstein. Después de ordeñar a las vacas en un establo con amarres fijos, la leche cruda se recolecta y se procesa en la misma granja. En 2007, el Centro Nacional de Tecnología Apropiada (NCAT) llevó a cabo una auditoría energética en The Lands at Hillside Farms. El estudio reveló que la mayor parte de la energía de la granja se utiliza para pasteurizar y homogeneizar la leche cruda, elaborar productos lácteos y refrigerar. El NCAT también identificó varias oportunidades de ahorro energético para la recolección de leche en el establo lechero. Las medidas de ahorro energético recomendadas con un corto período de recuperación de la inversión incluyeron reemplazar las lámparas incandescentes por lámparas fluorescentes compactas, aislar el calentador de agua con una manta, aislar las tuberías de agua caliente con espuma aislante y utilizar el agua del preenfriador como agua potable para las vacas. Estas medidas de ahorro energético permitirían ahorrar alrededor de 300 dólares al año en costos de energía. No se recomendó instalar un variador de velocidad para controlar la bomba de vacío y el flujo de leche a través del enfriador de placas debido a los altos costos de implementación en relación con el tamaño del rebaño.

Incentivos financieros

Existen varios programas federales, estatales y de organizaciones sin fines de lucro que ofrecen subvenciones e incentivos para implementar sistemas de eficiencia energética y de energía renovable en las granjas lecheras. Para obtener información sobre los incentivos estatales y federales, consulte laBase de datos de incentivos estatales para energías renovables y eficiencia(DSIRE). Para obtener información sobre subvenciones y garantías de préstamos destinadas a ayudar a los productores agrícolas a adquirir tecnologías de energía renovable y a realizar mejoras en materia de eficiencia energética, consulte el sitio web de los Programas Empresariales y Cooperativos de Desarrollo Rural del Departamento de Agricultura de los Estados Unidos.

Resumen

Existen muchas oportunidades para que las granjas lecheras reduzcan su consumo de energía eléctrica. Las granjas lecheras pueden mejorar su eficiencia energética al modernizar los equipos antiguos, instalar nuevas tecnologías y modificar las prácticas de gestión relacionadas con la extracción, el enfriamiento y el almacenamiento de la leche, así como con la ventilación y la iluminación. Una auditoría energética puede ser una herramienta valiosa para un productor lechero que busque comprender cómo se utiliza actualmente la energía en la granja e identificar oportunidades para ahorrar costos.

Agradecimientos

Un agradecimiento especial a Joseph Schultz, de Focus on Energy y GDS Associates, Inc., y a John Frey, director ejecutivo del Center for Dairy Excellence, por realizar la revisión técnica de esta publicación. También agradecemos a Margo Hale y Dave Ryan, de NCAT, por sus aportaciones a las secciones sobre equipos y calentamiento de agua de esta publicación.

Eficiencia energética en granjas lecheras
Por Andy Pressman
Especialista en agricultura del NCAT
IP355

Esta publicación ha sido elaborada por el Centro Nacional de Tecnología Apropiada a través del programa de Agricultura Sostenible de ATTRA, en el marco de un acuerdo de cooperación con el Departamento de Desarrollo Rural del USDA. ATTRA.NCAT.ORG.