TÉCNICAS DE ANÁLISIS PARA EL AHORRO DE ENERGÍA 2010 2a Parte.pdf · LAS INSTALACIONES...

1

Acapulco, Gro./ Septiembre 29 del 2010Ing. Ramón Rosas Moya

TÉCNICAS DE ANÁLISIS PARA EL AHORRO DE ENERGÍA

2ª Parte: Evaluación de Ahorros de Energía

SUMINISTRO DE ENERGÍA ELÉCTRICA

ENERGÍAÚTIL

ENERGÍAMECANICA

ENERGÍAMANOMÉTRICA

PÉRDIDAS

PROCESO DE TRANSFORMACIÓN DE LA ENERGÍA PARA EL TRABAJO DE BOMBEO

2

• Tarifas Eléctricas• Instalaciones Eléctricas• Motores Eléctricos• Bombas Centrífugas• El Sistema de Conducción• Aplicación de Velocidad Variable

CONTENIDO TEMÁTICO DEL TALLERCONTENIDO TEMÁTICO DEL TALLER

3

ENERGÍAÚTIL

ENERGÍAMECANICA


PÉRDIDAS

TARIFAS ELÉCTRICAS


4

TARIFAS ELÉCTRICAS

Tarifas Aplicables Exclusivamente para Bombeo de Agua para Riego Agrícola.

• Tarifa 9: Suministrada en baja tensión

• Tarifa 9M: Suministro en media tensión

• Tarifa 9-CU: Estímulo con cargo único

• Tarifa 9-N: Estímulo para bombeo nocturno

5

TARIFAS ELÉCTRICAS

Tarifas Aplicables para Bombeo de Agua Potable o Negra de Servicios Público Municipal.

Tarifa 6: Tarifa exclusiva para el bombeo de aguas potables o negras de servicio público

Tarifa OM: Ordinaria en media tensión con demanda menor de 100 kW

Tarifa HM: Horarioa en media tensión con demanda de más de 100 kW

Tarifas en alta tensión (HS, HSL, HT y HTL)

6

LAS INSTALACIONES ELÉCTRICAS


ENERGÍAÚTIL

ENERGÍAMECANICA


PÉRDIDAS

7


Optimización Del Factor de Potencia

Optimización del Transformador

Optimización del Calibre de los Conductores

8


a) Aumento de las pérdidas en los cables

b) Un aumento en la caída de voltaje resultando en uninsuficiente suministro de potencia a las cargas

c) Incremento en el consumo de energía y la facturación.

> Pérdidas en transformadores

> Pérdidas en conductores eléctricos

Problemas de Bajo Factor de Potencia

9


Corriente activa (80 ampers)Corriente aparente (100 A) Corriente reactiva (60 ampers)

Corriente activa (80 ampers)Corriente aparente (100 A)

Corriente reactiva (60 ampers)

Suministro100 A

FP = 0.8

Suministro80 A

FP = 1

Pérdidas = 16,200 kWh/año

Pérdidas = 10,400 kWh/año

Capacitor

80 ampers

60 a

mpe

rs

Compensación del FP con capacitores

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LAS INSTALACIONES ELÉCTRICASOPTIMIZACIÓN DEL FACTOR DE POTENCIA

1) Identificar el origen del bajo factor de potencia

2) Si el motor está sobredimensionado, sustituirlo por unode la capacidad adecuada

3) Si el motor está en mal estado, sustituirlo por unonuevo de alta eficiencia.

4) Instalar capacitores para suministrar los reactivos querequiera el motor.

Pasos a seguir para Optimizar el Factor de Potencia

11


TRANSFORMADOR:

• Optimización del factor de potencia.

• Operación en la zona de máxima

eficiencia.

• Eficiente remoción de calor.

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Pérdidas en un transformador

Potencia Nominal (kVA)

Pérdidas en el hierro

(W)

Pérdidas en el Cobre a Potencia

Nominal (W)

255075

100125160200250315400500630800

1000125016002000250031504000500063008000

10000

195345400435480490570675750900

10001250169018002010250027503480350043005000630070007600

670810

1080108523502600340042305250620080509000

108001260016800190002390029600305003400039500450005700068500

Curva de Eficiencia del Transformador

90.0%

92.5%

95.0%

97.5%

100.0%

0% 20% 40% 60% 80% 100%

Factor de Carga

Efic

ienc

ia

13


Incremento de la Pérdidas en Transformadores como función de la temperatura

05

1015

202530

0 20 40 60 80 100

Temperatura (°C)

Incr

emen

to d

e la

s Pé

rdid

as (%

)

14


OPTIMIZACIÓN DEL CALIBRE DE LOS CONDUCTORES

CALIBRE ÓPTIMO

0100

200300400

500600

0 5 10 15 20 25 30CALIBRE

CO

STO

INVERSIÓN OPERACIÓN TOTAL

OPTIMO

15


OPTIMIZACIÓN DEL CALIBRE DE LOS CONDUCTORES

CASO: Selección del calibre óptimo del conductor.

Se trata de seleccionar el calibre óptimo del conductoreléctrico, para alimentar a un equipo de bombeo quedemanda 150 Ampers a 440 V.

La distancia a cablear son 130m, con 4 hilos.

La Norma indica que se debe usar un conductor calibremínimo de: 1/0.

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CalibreResistencia ΔV

Ohms/km L (km) Ohms Volts %

1/0 0.3290 0.13 0.04277 6.42 1.46%

2/0 0.2610 0.13 0.03393 5.09 1.16%

3/0 0.2070 0.13 0.02691 4.04 0.92%

4/0 0.1640 0.13 0.02132 3.20 0.73%

250 0.1390 0.13 0.01807 2.71 0.62%

300 0.1157 0.13 0.01504 2.26 0.51%

350 0.0991 0.13 0.01288 1.93 0.44%

400 0.0867 0.13 0.01127 1.69 0.38%

500 0.0695 0.13 0.00904 1.36 0.31%

600 0.0578 0.13 0.00751 1.13 0.26%

750 0.0463 0.13 0.00602 0.90 0.21%

17


CalibrePérdidas

W/fase kW total kWh/año $/año VPN ($) *

1/0 962.3 2.89 25,290 35,405.86 $347,619.97

2/0 763.4 2.29 20,063 28,087.93 $275,771.46

3/0 605.5 1.82 15,912 22,276.64 $218,715.30

4/0 479.7 1.44 12,607 17,649.12 $173,281.69

250 406.6 1.22 10,685 14,958.71 $146,866.79

300 338.4 1.02 8,894 12,451.24 $122,248.12

350 289.9 0.87 7,618 10,664.81 $104,708.63

400 253.6 0.76 6,665 9,330.36 $91,606.84

500 203.3 0.61 5,342 7,479.35 $73,433.40

600 169.1 0.51 4,443 6,220.24 $61,071.23

750 135.4 0.41 3,559 4,982.65 $48,920.38

* i = 8%

n = 20 años

18


CalibrePrecio Unit Inversión Costo Total

($/m) ($) ($)

1/0 $105.50 $54,857.40 $402,477.37

2/0 $130.65 $67,938.00 $343,709.46

3/0 $164.88 $85,737.08 $304,452.38

4/0 $204.95 $106,571.40 $279,853.09

250 $246.90 $128,385.92 $275,252.71

300 $289.58 $150,579.00 $272,827.12

350 $338.59 $176,064.20 $280,772.83

400 $393.41 $204,571.12 $296,177.96

500 $462.38 $240,439.68 $313,873.08

600 $556.27 $289,260.40 $350,331.63

750 $678.46 $352,797.64 $401,718.02

19


Costo de Conducción EléctricaL = 130 m, I = 150 A, n = 20 años, i = 8%

$0.00

$100,000.00

$200,000.00

$300,000.00

$400,000.00

$500,000.00

1/0

2/0

3/0

4/0

250

300

350

400

500

600

750

Calibre

Operación Inversión Total

20


ENERGÍAÚTIL

ENERGÍAMECANICA


PÉRDIDAS

21

EL MOTOR ELÉCTRICO

EL MOTOR ELÉCTRICO

Eficiencia de Motores Eléctricos

Energía eléctrica

de entrada

Energía mecánica de salida

Pérdidas en forma de calorηm = Pm / Pe

22

EL MOTOR ELÉCTRICO

EFICIENCIA ESTÁNDARD

ALTA EFICIENCIA

(NOM)

Evolución de la Eficiencia de los Motores en los últimos

añosSELLO FIDE

EFICIENCIA PREMIUM

Un motor de eficiencia premiun puede tener una

eficiencia entre 4 y 6% superior a uno estándar.

23

EL MOTOR ELÉCTRICO

Un motor que ha sido reparado (rebobinado) pierde entre 2 y 3 % de su eficiencia en el proceso de reparación

MOTOR REPARADO

EFICIENCIA PREMIUM

EFICIENCIA ESTÁNDARD Un motor de eficiencia

premiun tiene una eficiencia 8% superior a uno estándar

que ha sido rebobinado.

24

LA BOMBA


ENERGÍAÚTIL

ENERGÍAMECANICA


PÉRDIDAS

25

LA BOMBA

Potencia Hidráulica

Potencia Mecánica

Pérdidas

Las Bombas son máquinas que transforman la

potencia mecánica en potencia hidráulica.

26

LA BOMBA

Muchas bombas se encuentran trabajando fuera de su zona óptima de diseño, lo que

se traduce en bajas eficiencias de operación.

PROBLEMÁTICA

27

Punto de Diseño

Punto de Operación

85%

66%

LA BOMBA

28

CAUDAL

CARG

A

Cavitación por falta de NPSH

Zona óptima

Recirculación en la descarga

Recirculación en la succión

Reducción de la vida de los impulsores

Alta temperatura de operación

29

LA BOMBA

LA BOMBA

EFICIENCIA ELECTROMECÁNICA

ηm ηb

PePhPm

ηem = Ph / Pe

30

LA BOMBA

Normas de Eficiencia Energética en Bombeo

• NOM-001-ENER: Eficiencia energética de bombasverticales tipo turbina con motor externo eléctricovertical.

• NOM-006-ENER: Eficiencia energética electromecánicaen sistemas de bombeo para pozo profundo en operación

• NOM-010-ENER: Eficiencia energética de bombassumergibles

31

LA BOMBA

NOM-001-ENER

Intervalo de Gasto Eficiencia Mínima Número de Pasos

1.0 - 3.0 64 8

3.66 - 11.55 71 5

2.90 - 24.97 70 7

4.7 - 34.65 70 6

10.0 - 68.0 73 7

17.0 - 69.3 77 5

20.4 - 66.6 77 7

39.7 - 75.0 80 5

32.0 - 150.0 80 5

85.5 - 141.6 80 5

61.1 - 250.0 80 5

101.0 - 209.0 81 7

139.4 - 256.9 81 5

222.6 - 353.9 81 5

321.8 - 818.9 81 5

533.6 - 902.2 81 5

32

LA BOMBA

NOM-010-ENER

Capacidad de la Bomba (l/s)

Eficiencia (%)

Hasta 2.0 48

Mayor que 2.0 hasta 5.0 61





Mayor que 60.0 78

Valores de referencia para la eficiencia de la bomba sumergible

33

LA BOMBA

Motor Eficiencia del Motor Sumergible

( % )kW HP

Hasta 1.5 Hasta 2 68

Mayor que 1.5 hasta 2.2 Mayor que 2.0 hasta 3.0 72









Mayor que 44.7 Mayor que 60 87

Valores de referencia para la eficiencia del motor sumergible

34

LA BOMBA

NOM-006-ENER

Intervalos de Potencias Eficiencia Electromecánica ( % )

kW HP

5.6 - 14.9 7.5 - 20 52

15.7 - 37.3 21 - 50 56

38.0 - 93.3 51 - 125 60

94.0 - 261 126 - 350 64

35

LA BOMBA

# SIMBOLO DESCRIPCION 1 Di DIAMETRO INTERNO DE LA TUBERIA (m) 2 n FRECUENCIA DE ROTACION (RPM) 3 ND NIVEL DINAMICO (m) 4 x DISTANCIA DESDE EL NIVEL DE REFERENCIA A LA LINEA DE CENTROS DEL MANOMETRO (m) 5 P1 LECTURA DEL MANOMETRO A LA DESCARGA (m) 6 Pm PRESION A LA DESCARGA = [(4) + (5)] (m) 7 A AREA DEL TUBO A LA DESCARGA = [3,141 592 × (1)2/4] (m2) 8 qv FLUJO (m3/s) 9 hv CARGA DE VELOCIDAD = [{(8)/(7)}2 / 19,613 3] (m) 10 hfc PERDIDAS DE FRICCION EN LA COLUMNA (m) 11 hd CARGA A LA DESCARGA = [(6) + (9) + (10)] (m) 12 H CARGA TOTAL = [(3) + (11)] (m) 13 IA, IB, IC CORRIENTE POR FASE

PROMEDIO = [(IA + IB + IC) / 3] (A) 14 VAB, VBC, VCA VOLTAJE ENTRE FASES

PROMEDIO = [(VAB + VAC + VBC) / 3] (V) 15 fpA, fpB, fpC FACTOR DE POTENCIA POR FASE

PROMEDIO = [(fpA + fpB + fpC) / 3] (%) 16 Pe POTENCIA DE ENTRADA AL MOTOR = 1,732×(13)×(14)×(15) X 10-5 (kW) 17 Ps POTENCIA DE SALIDA DE LA BOMBA = [(8) × (12) × 9,806] (kW) 18 h EFICIENCIA ELECTROMECANICA = [(17) / (16)] × 100 (%)

NOM-006-ENER

36

Ahorro de Energía en Riego Agrícola

LA BOMBA

Nivel de AguaB

A

D

C

CASO DE EJEMPLO

37

LA BOMBA

El trabajo de campo para evaluar la eficiencia de operación de la bomba de un pozo que trabaja 4,200 h/año, arrojó los siguientes datos:

Gasto: Q = 61.0 lps

Nivel Dinámico: Nd = 62.5 m

D. ref-manómetro: Dnr = 0.5 m

Pérdidas por fricción: Pfr = 0.3 mca

Presión de descarga: Pr = 1.3 kg/cm2

Potencia eléctrica: Pe = 105.27 kW

Tipo de bomba: Turbina Vertical

Potencia nominal del Motor: 150 HP

38

LA BOMBA

Cálculo de la carga de Bombeo:

H = Nd + Dnr + Pfr + (Pr * 10)

= 62.5 + 0.5 + 0.3 + (1.3 *10)

= 76.3 mca

39

Ahorro de Energía en Riego Agrícola

LA BOMBA

Cálculo de la Potencia Manométrica:

Ph = Q * H * ρ * g

= 0.061 * 76.3 *1000 * 9.81

= 45,659 Watts

= 45.66 kW

40

LA BOMBA

Cálculo de la Eficiencia Electromecánica:

Eem = Ph / Pe

= 45.66 / 105.27

= 0.4337

= 43.37%

41

LA BOMBA

Cálculo de los Ahorros mínimos a lograrse:

• Eficiencia mínima de acuerdo a norma:

Eem’= 64%

• Potencia eléctrica esperada:

Pe’ = Ph / Eem’

Pe’ = 45.66 / 0.64

Pe’ = 71.34 kW

CASO DE EJEMPLO

42

LA BOMBA

Cálculo de los Ahorros mínimos a lograrse:

• Potencia eléctrica mínima a ahorrarse:

ΔPe = Pe – Pe’

= 105.27 - 71.34 = 33.93 kW

• Energía anual a ahorrarse:

ΔE = ΔPe * hr/año

= 33.93 * 4200 h/año = 142,506 kWh/año

43

SISTEMA DE CONDUCCIÓN


ENERGÍAÚTIL

ENERGÍAMECANICA


PÉRDIDAS

44


BOMBAS OPERANDO EN PARALELO

Bomba A

Bomba B

Succión Descarga

Qc (total del sistema) = QA + QB HC = HA = HB

45


Varias bombas en paralelo operando sobre el mismo sistema de conducción

0

20

40

60

80

100

120

0 50 100 150 200 250 300 350Gasto

Car

ga

1 Bba 2 Bbas 3 Bbas 4 Bbas Sistema Sistema

Caso 1

Caso 2

46

APLICACIÓN DE VELOCIDAD VARIABLE

Potencia de Bombeo

0

100

0 100

Gasto (Q)

Carg

a (H

) (Q1, H1)

Q1

H1

Ph = Q1 x H1

47

Modificación de la Curva del Sistema

0.0

100.0

0 100

Gasto (Q)

Carg

a (H

)

Curva 2 Curva 1 Bomba

(Q1, H1)

(Q2, H2)

Q1Q2

H2

H1

APLICACIÓN DE VELOCIDAD VARIABLE

48

Modificación de la Curva de la Bomba

0.0

100.0

0 100

Gasto (Q)

Car

ga (H

)

Curva 2 Curva 1 Bomba N1 Bomba N2

(Q1, H1)

(Q2, H2)

Q1Q2

H2

H1

H2'(Q2, H2')

N2

N1

49

Modificación Simultánea de las Curvas del Sistema y la Bomba

0.0

100.0

0 100

Gasto (Q)

Carg

a (H

)

Curva 2 Curva 1 Bomba N1 Bomba N2

(Q1, H1)

Q1Q2

H1(Q2, H1)

N1

N2'

50

RESUMENÁreas de Oportunidad de Ahorro de Energía

1. Selección de la Tarifa Más Económica2. Optimización del Factor de Potencia

4. Operación de Bombas en Zona de Máxima Eficiencia5. Utilización de Motores de Alta Eficiencia6. Disminuir Pérdidas de Carga en Tuberías7. Aplicación de Velocidad Variable

3. Optimización del Calibre de Conductores

51

52

Muchas GraciasIng. Ramón Rosas Moya

[email protected]. 229-9803477

GRUPO ERGON PLUS, S.A. de C.V.Profesionales Especialistas en Eficiencia Energética

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