TÉCNICAS DE ANÁLISIS PARA EL AHORRO DE ENERGÍA 2ª Parte: Evaluación de Ahorros de Energía

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

1

PROCESO DE TRANSFORMACIÓN DE LA ENERGÍA PARA EL TRABAJO DE BOMBEO SUMINISTRO DE ENERGÍA ELÉCTRICA

PÉRDIDAS

ENERGÍA ÚTIL ENERGÍA MANOMÉTRICA

ENERGÍA MECANICA

2

CONTENIDO TEMÁTICO DEL TALLER • • • • • •

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

3

TARIFAS ELÉCTRICAS SUMINISTRO DE ENERGÍA ELÉCTRICA

PÉRDIDAS

ENERGÍA ÚTIL ENERGÍA MANOMÉTRICA

ENERGÍA MECANICA

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 SUMINISTRO DE ENERGÍA ELÉCTRICA

PÉRDIDAS

ENERGÍA ÚTIL ENERGÍA MANOMÉTRICA

ENERGÍA MECANICA

7

LAS INSTALACIONES ELÉCTRICAS



Optimización Del Factor de Potencia

 Optimización del Transformador

 Optimización del Calibre de los Conductores

8

LAS INSTALACIONES ELÉCTRICAS

Problemas de Bajo Factor de Potencia a) Aumento de las pérdidas en los cables b) Un aumento en la caída de voltaje resultando en un insuficiente suministro de potencia a las cargas c) Incremento en el consumo de energía y la facturación. > Pérdidas en transformadores > Pérdidas en conductores eléctricos

9

LAS INSTALACIONES ELÉCTRICAS Pérdidas = 16,200 kWh/año Corriente aparente (100 A)

Corriente activa (80 ampers) Corriente reactiva (60 ampers)

Suministro 100 A FP = 0.8

60 ampers

80 ampers

Compensación del FP con capacitores Pérdidas = 10,400 kWh/año Corriente activa (80 ampers) Corriente reactiva

(60 ampers)

Corriente aparente (100 A)

Suministro 80 A FP = 1

10 Capacitor

LAS INSTALACIONES ELÉCTRICAS OPTIMIZACIÓN DEL FACTOR DE POTENCIA Pasos a seguir para Optimizar el Factor de Potencia

1) Identificar el origen del bajo factor de potencia 2) Si el motor está sobredimensionado, sustituirlo por uno de la capacidad adecuada 3) Si el motor está en mal estado, sustituirlo por uno nuevo de alta eficiencia. 4) Instalar capacitores para suministrar los reactivos que requiera el motor.

11

LAS INSTALACIONES ELÉCTRICAS TRANSFORMADOR: • Optimización del factor de potencia. • Operación en la zona de máxima eficiencia. • Eficiente remoción de calor.

12

LAS INSTALACIONES ELÉCTRICAS

Pérdidas en un transformador Potencia Nominal (kVA)

Curva de Eficiencia del Transformador 100.0%

E ficiencia

97.5%

95.0%

92.5%

90.0% 0%

20%

40%

60%

Factor de Carga

80%

100%

25 50 75 100 125 160 200 250 315 400 500 630 800 1000 1250 1600 2000 2500 3150 4000 5000 6300 8000 10000

Pérdidas en el hierro (W) 195 345 400 435 480 490 570 675 750 900 1000 1250 1690 1800 2010 2500 2750 3480 3500 4300 5000 6300 7000 7600

Pérdidas en el Cobre a Potencia Nominal (W) 670 810 1080 1085 2350 2600 3400 4230 5250 6200 8050 9000 10800 12600 16800 19000 23900 29600 30500 34000 39500 45000 57000 68500

13

LAS INSTALACIONES ELÉCTRICAS Increm ento de la Pérdidas en Transform adores com o función de la tem peratura

Incremento de las Pérdidas (%)

30 25 20 15 10 5 0 0

20

40

60

80

100

Temperatura (°C)

14

LAS INSTALACIONES ELÉCTRICAS OPTIMIZACIÓN DEL CALIBRE DE LOS CONDUCTORES CALIBRE ÓPTIMO 600 COSTO

500 400

OPTIMO

300 200 100 0 0

5

10

15

20

25

30

CALIBRE INVERSIÓN

OPERACIÓN

TOTAL

15

LAS INSTALACIONES ELÉCTRICAS OPTIMIZACIÓN DEL CALIBRE DE LOS CONDUCTORES CASO: Selección del calibre óptimo del conductor. Se trata de seleccionar el calibre óptimo del conductor eléctrico, para alimentar a un equipo de bombeo que demanda 150 Ampers a 440 V. La distancia a cablear son 130m, con 4 hilos. La Norma indica que se debe usar un conductor calibre mínimo de: 1/0.

16

LAS INSTALACIONES ELÉCTRICAS Calibre

ΔV

Resistencia 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

LAS INSTALACIONES ELÉCTRICAS Pérdidas

Calibre W/fase

kW total

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

*

kWh/año

$/año

VPN ($) *

i = 8% n = 20 años

18

LAS INSTALACIONES ELÉCTRICAS Calibre

Precio 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

LAS INSTALACIONES ELÉCTRICAS Costo de Conducción Eléctrica L = 130 m, I = 150 A, n = 20 años, i = 8% $500,000.00 $400,000.00 $300,000.00 $200,000.00 $100,000.00

750

600

500

400

350

300

250

4/0

3/0

2/0

1/0

$0.00

Calibre Operación

Inversión

Total

20

EL MOTOR ELÉCTRICO SUMINISTRO DE ENERGÍA ELÉCTRICA

PÉRDIDAS

ENERGÍA ÚTIL ENERGÍA MANOMÉTRICA

ENERGÍA MECANICA

21

EL MOTOR ELÉCTRICO Eficiencia de Motores Eléctricos

Energía mecánica de salida

Energía eléctrica de entrada

Pérdidas en forma de calor

ηm = Pm / Pe

22

EL MOTOR ELÉCTRICO Evolución de la Eficiencia de los Motores en los últimos años

EFICIENCIA PREMIUM

SELLO FIDE

ALTA EFICIENCIA (NOM) EFICIENCIA ESTÁNDARD

Un motor de eficiencia premiun puede tener una eficiencia entre 4 y 6% superior a uno estándar.

23

EL MOTOR ELÉCTRICO EFICIENCIA PREMIUM

EFICIENCIA ESTÁNDARD

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

Un motor de eficiencia premiun tiene una eficiencia 8% superior a uno estándar que ha sido rebobinado.

MOTOR REPARADO

24

LA BOMBA SUMINISTRO DE ENERGÍA ELÉCTRICA

PÉRDIDAS

ENERGÍA ÚTIL ENERGÍA MANOMÉTRICA

ENERGÍA MECANICA

25

LA BOMBA

Potencia Hidráulica Potencia Mecánica

Las Bombas son máquinas que transforman la potencia mecánica en potencia hidráulica. Pérdidas

26

LA BOMBA

PROBLEMÁTICA Muchas bombas se encuentran trabajando fuera de su zona óptima de diseño, lo que se traduce en bajas eficiencias de operación.

27

Punto de Operación

LA BOMBA

Punto de Diseño 66% 85%

28

LA BOMBA Alta temperatura de operación Reducción de la vida de los impulsores

CA RG A

Recirculación en la succión Recirculación en la descarga Cavitación por falta de NPSH Zona óptima

CAUDAL

29

LA BOMBA EFICIENCIA ELECTROMECÁNICA Ph

Pm

Pe

ηm

ηb

ηem = Ph / Pe

30

LA BOMBA Normas de Eficiencia Energética en Bombeo •

NOM-001-ENER: Eficiencia energética de bombas verticales tipo turbina con motor externo eléctrico vertical.

•

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

•

NOM-010-ENER: Eficiencia energética de bombas sumergibles

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 Valores de referencia para la eficiencia de la bomba sumergible Capacidad de la Bomba (l/s)

Eficiencia (%)

Hasta 2.0

48

Mayor que 2.0 hasta 5.0

61

Mayor que 5.0 hasta 15.0

71

Mayor que 15.0 hasta 25.0

72

Mayor que 25.0 hasta 30.0

74

Mayor que 30.0 hasta 60.0

77

Mayor que 60.0

78

33

LA BOMBA Valores de referencia para la eficiencia del motor sumergible 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 2.2 hasta 3.7

Mayor que 3.0 hasta 5.0

73

Mayor que 3.7 hasta 5.6

Mayor que 5.0 hasta 7.5

75

Mayor que 5.6 hasta 7.5

Mayor que 7.5 hasta 10.0

77

Mayor que 7.5 hasta 11.2

Mayor que 10.0 hasta 15.0

79

Mayor que 11.2 hasta 14.9

Mayor que 15.0 hasta 20.0

80

Mayor que 14.9 hasta 22.5

Mayor que 20.0 hasta 30.0

81

Mayor que 22.5 hasta 29.8

Mayor que 30.0 hasta 40.0

83

Mayor que 29.8 hasta 44.7

Mayor que 40.0 hasta 60.0

86

Mayor que 44.7

Mayor que 60

87

34

LA BOMBA NOM-006-ENER

Intervalos de Potencias kW

Eficiencia Electromecánica (%)

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

NOM-006-ENER

# 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 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 (%)

DEL

36

Ahorro de Energía en Riego Agrícola LA BOMBA

CASO DE EJEMPLO C

D

A B

Nivel de Agua

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

Potencia eléctrica:

Pe = 105.27 kW

Tipo de bomba:

Turbina Vertical

Potencia nominal del Motor:

150 HP

= 1.3 kg/cm2

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 CASO DE EJEMPLO 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

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 SUMINISTRO DE ENERGÍA ELÉCTRICA

PÉRDIDAS

ENERGÍA ÚTIL ENERGÍA MANOMÉTRICA

ENERGÍA MECANICA

44

SISTEMA DE CONDUCCIÓN BOMBAS OPERANDO EN PARALELO

Succión

Bomba A

Descarga

Bomba B

Qc (total del sistema) = QA + QB

 HC =  HA = HB

45

SISTEMA DE CONDUCCIÓN Varias bombas en paralelo operando sobre el mismo sistema de conducción 120

Caso 2

100

Caso 1

Carga

80 60 40 20 0 0

50

100

150

200

250

4 Bbas

Si stema

300

350

Gasto 1 Bba

2 Bbas

3 Bbas

Sistema

46

APLICACIÓN DE VELOCIDAD VARIABLE

Potencia de Bombeo

Carga (H )

100 (Q1, H1) H1

Ph = Q1 x H1 0

Q1

0

100

Gasto (Q)

47

APLICACIÓN DE VELOCIDAD VARIABLE Modificación de la Curva del Sistema 100.0

(Q2, H2)

C a r g a (H )

H2 (Q1, H1)

H1

0.0 0

Q2

Q1

100

Gasto (Q) Curva 2

Curva 1

Bomba

48

Modificación de la Curva de la Bomba 100.0

N1

(Q2, H2)

C a r g a (H )

H2 (Q1, H1)

H1 N2

(Q2, H2')

H2'

0.0

Q2

0

Q1

100

Gasto (Q) Curva 2

Curva 1

Bomba N1

Bomba N2

49

Modificación Simultánea de las Curvas del Sistema y la Bomba 100.0

C a r g a (H )

N1 N2'

(Q2, H1)

(Q1, H1)

Q2

Q1

H1

0.0 0

100

Gasto (Q) Curva 2

Curva 1

Bomba N1

Bomba N2

50

RESUMEN Áreas de Oportunidad de Ahorro de Energía

1. 2. 3. 4. 5. 6. 7.

Selección de la Tarifa Más Económica Optimización del Factor de Potencia Optimización del Calibre de Conductores Operación de Bombas en Zona de Máxima Eficiencia Utilización de Motores de Alta Eficiencia Disminuir Pérdidas de Carga en Tuberías Aplicación de Velocidad Variable

51

Muchas Gracias Ing. Ramón Rosas Moya [email protected] Tel. 229-9803477

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

52