S m d B m. Ciclo de charlas 2013 / Dirección Nacional de Energía MIEM (Montevideo Uruguay) efisolar. Ingeniería. Agosto/2013

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1 S m d B m Ciclo de charlas 2013 / Dirección Nacional de Energía MIEM (Montevideo Uruguay) Ingeniería Agosto/2013 1

2 Contenido de la Presentación Presentación de la empresa Efisolar Energía Solar Fotovoltaica aplicada a instalaciones de bombeo Eficiencia Energética en sistemas de bombeo 2

3 Presentación de la empresa Efisolar se crea en el año 2010, gracias al programa CARPE impulsado por el Ministerio de Industria, Energía y Minería y la Agencia Nacional de Investigación e Innovación. Es una empresa que brinda servicios de asesoramiento, consultoría y proyectos, en las áreas de: Automatización Eficiencia Energética Energías Renovables P+L 3

4 Presentación de la empresa Relevamientos de instalaciones de bombeo Relevamientos de instalaciones solares 4

5 Presentación de la empresa Reparación y calibración de equipos de dosificación Reparación de equipos para energía solar fotovoltaica 5

6 Presentación de la empresa Diseño de tableros de control electrónicos Auditorías de instalaciones contra incendio (tab. de control / bombas) 6

7 Presentación de la empresa Peritajes por fallas en tableros eléctricos de control Auditorías de energía 7

8 Energía Solar Fotovoltaica: generalidades Energía Solar Biomasa Energía Eólica Energía Hidráulica Solar Térmica Solar Fotovoltaica 8

9 Energía Solar Fotovoltaica: generalidades Componentes típicos de un Instalación Solar Fotovoltaica: Módulos Fotovoltaicos Estructura de sujeción de los módulos Regulador Baterías Ondulador o Inversor (para instalaciones en AC) Dispositivos de protección (interruptores, fusibles, descargadores) Contadores y aparatos de medida (medidor de energía, voltímetro, amperímetro) Sistemas de adquisición de datos (opcional) 9

10 Energía Solar Fotovoltaica: ejemplos de paneles solares Módulo solar fotovoltaico de Silicio Poli cristalino (eff.: 13-15%) Módulo solar fotovoltaico de Silicio Amorfo de película fina (eff.:5-7%) 10

11 Energía Solar Fotovoltaica: generalidades Modos de conexión de sistemas Solares Fotovoltaicos: Sistemas aislados (off grid): los mismos son aislados de la red eléctrica pública. La energía se acumula en baterías, y de las mismas, se obtiene directamente la tensión necesaria para el funcionamiento de los distintos equipos eléctricos (generalmente 12Vdc). En el caso de que estos trabajen con una tensión de p.ej. 230 Vac, se requiere agregar un inversor a la instalación. Sistemas conectados a la red (on grid): la energía generada se vuelca a la red eléctrica pública. Para ello se establece una relación comercial, de compra y venta, entre el usuario y la empresa de suministro eléctrico. 11

12 Energía Solar Fotovoltaica: generalidades Modos de conexión de sistemas Solares Fotovoltaicos: Sistemas mixtos: es la combinación de los sistemas off-grid y ongrid, es decir que incorporan un banco de baterías y además están conectados a la red pública. Sistemas híbridos: un sistema híbrido es la combinación de energía eólica y solar. Ambas fuentes energéticas, permiten cubrir de forma mas estable, la demanda del usuario. 12

13 Energía Solar Fotovoltaica: Instalaciones de bombeo Componentes básicos de una Instalación de bombeo Solar: Módulos Fotovoltaicos Estructura de sujeción de los módulos Ondulador o Inversor (solo para algunos modelos de bombas) Dispositivos de protección y control (interruptores, controladores, fusibles, descargadores) Bomba de agua sumergible Tanque de agua. En los sistemas fotovoltaicos de bombeo, normalmente NO se requiere de un banco de acumuladores eléctricos, aunque en casos puntuales, esto podría ser necesario. Generalmente se acumula el agua para utilizar en el momento adecuado. 13

14 Energía Solar Fotovoltaica: Instalaciones de bombeo Almacenamiento de agua en instalaciones solares de bombeo Almacenamiento de agua en instalaciones solares de bombeo 14

15 Energía Solar Fotovoltaica: Instalaciones de bombeo Bomba de tornillo Bomba centrífuga 15

16 Energía Solar Fotovoltaica: Instalaciones de bombeo Instalaciones Fotovoltaicas con componentes standard Utilizan paneles solares standard Sirven para cualquier aplicación (iluminación, electrodomésticos, bombeo). En general, tanto los paneles, los equipos de regulación y de control, son reemplazables por cualquier marca, siempre que mantengan sus características eléctricas. Instalaciones Fotovoltaicas pre fabricadas Algunos fabricantes utilizan paneles solares especialmente diseñados. Solamente sirven para conectarse a bombas de agua fabricadas para dichos módulos. En dicho caso, tanto los paneles, como los equipos de regulación y control, son solo reemplazables por la misma marca, y generalmente solo se pueden usar en instalaciones de bombeo. 16

17 Energía Solar Fotovoltaica: Instalaciones de bombeo Instalaciones Fotovoltaicas con componentes standard Instalaciones Fotovoltaicas pre fabricadas El diseño de la instalación requiere de mayores conocimientos y práctica, ya que hay que combinar elementos de diferentes fabricantes. El diseño de la instalación es relativamente simple, ya que todos los componentes son diseñados para trabajar e interconectarse entre sí, con el mejor rendimiento. 17

18 Energía Solar Fotovoltaica: Instalaciones de bombeo Instalaciones Fotovoltaicas para extracción de agua en est. rural Instalaciones Fotovoltaicas para extracción de agua en est. rural 18

19 Energía Solar Fotovoltaica: Instalaciones de bombeo Cuidado de los paneles Fotovoltaicos Cuidado de los paneles Fotovoltaicos Es importante que no reciban sombras de forma parcial, ya que se estropean las células solares. Debe realizarse una limpieza periódica, en función de la suciedad del lugar. Debe evitarse golpearlos o caminar encima de ellos, ya que puede romperse su cubierta exterior, tal cual se aprecia en la foto. 19

20 Energía Solar Fotovoltaica: Instalaciones de bombeo (resumen) Factores que pueden decidir una Instalación Solar Fotovoltaica La dificultad o el costo de la conexión a la red eléctrica pública, debido a la distancia de la línea principal, al punto de consumo. El querer disponer de una fuente propia de energía. Motivos medio ambientales. Sugerencias para evaluar una Instalación Solar Fotovoltaica En cualquier instalación de bombeo mediante energía solar, se debería evaluar: La disponibilidad de la red eléctrica pública y el costo de conexión. El costo/beneficio de la tecnología solar fotovoltaica. Si se aplican exoneraciones tributarias, que permitan reducir el plazo de amortización. Los costos de los sistemas fotovoltaicos standard, versus los pre fabricados. 20

21 Al Eficiencia Energética: Definición EFICIENCIA ENERGÉTICA, es la relación entre la energía consumida y los productos o servicios obtenidos mediante la misma. Podemos lograr la eficiencia desde el punta de vista energético, si reducimos el consumo de energía de un equipo o sistema, sin perder confort o afectar la cantidad producida de un determinado producto. AHORRO ENERGÉTICO, es la disminución en el consumo de energía en valores absolutos. 21

22 Eficiencia Energética: Beneficios Mayor competitividad de las empresas, reduciendo en parte, sus costos operativos. Disminución de contaminantes al ambiente, los que nos afectan a todos por igual (gases de efecto invernadero, partículas en suspensión en el aire, etc.). Disminuir la dependencia del petróleo, carbón, centrales nucleares, y por ende de la construcción de estas plantas de generación de energía, con serios problemas medio ambientales. 22

23 Eficiencia Energética : Normativa en Uruguay Ley Nº Promoción de inversiones Ley Nº Promoción del uso eficiente de la energía Ley Nº Ley de Presupuesto Decreto Nº Exoneraciones fiscales 23

24 Energía Solar Fotovoltaica: Normativa en Uruguay Decreto Nº Contratos de compraventa de energía Decreto Nº Centrales generadoras fotovoltaicas Decreto Nº Micro generación de energía Decreto Nº Exoneraciones fiscales 24

25 Eficiencia Energética: Optimización del uso de Energía Las áreas que presentan mayor potencial de optimización energética son: Agua Aire comprimido Generación y distribución de agua caliente y de vapor Enfriamiento Iluminación Instalación eléctrica Motores con carga de par variable (bombas, compresores, ventiladores) 25

26 Eficiencia Energética: Optimización del uso de Energía Cómo logramos esos ahorros? En Motores con carga de par variable (bombas, compresores, ventiladores), se pueden lograr ahorros significativos con las siguientes medidas: Seleccionando equipos eficientes Reduciendo el tiempo de funcionamiento Trasladando el horario de funcionamiento Incorporando variadores de frecuencia En el mundo aproximadamente el 40% del consumo de energía corresponde a la industria, y dentro de ese porcentaje, los accionamientos, representan alrededor del 70% del consumo de energía eléctrica (bombas, máquinas, etc.) 26

27 Bombas centrífugas: Generalidades Son las más utilizadas por su sencillez y robustez. Fue inventada en 1689 por el físico francés Denis Papin. Su funcionamiento se basa en que el líquido a ser bombeado, es conducido al centro del impulsor, y arrojado a la periferia de éste, por medio de la fuerza centrífuga. 27

28 Bombas centrífugas: Generalidades El rendimiento de una bomba centrífuga se muestra generalmente, como un conjunto de curvas, por ejemplo de altura, potencia, rendimiento, todas en función del caudal. Las mismas son suministradas por los fabricantes y se obtienen mediante ensayos en bancos de prueba hidráulicos. En la imagen se aprecia una curva típica de una bomba de agua (Fuente: Wikipedia). 28

29 Bombas centrífugas: Generalidades Datos usados en hidráulica: P = H x x g (altura x densidad x aceleración de la gravedad) CAUDAL: Volumen por tiempo Q = 1 m 3 /h = litros/hora = 16,6 litros/minuto = 0,278 litros/segundo PRESIÓN: Fuerza por superficie 1 Pascal = 1 Newton / m 2 = 1 Kg / m.seg 2 H = 10 m.c.a. = 1 Kg/cm 2 = 0,981bar = 1 atmósfera 29

30 Bombas centrífugas: Generalidades Datos usados en hidráulica: POTENCIA: Energía por tiempo P = 1 HP ~ 0,75 kw = 1,01 CV POTENCIA = 3 x V x I x Cos (motores trifásicos) EFICIENCIA: Relación entre la potencia entregada y la absorbida Por ejemplo, η = 0,75 kwx100/1,07 kw = 70% 30

31 Eficiencia Energética: Regulación de caudal en bombas centrífugas Método de regulación Por estrangulación mediante válvula. Por recirculación mediante válvula auxiliar y tubería de by-pass. On - off Por variación de la velocidad de la bomba, mediante un convertidor de frecuencia, por lo cual la bomba aumenta o disminuye el caudal erogado. Ventajas/inconvenientes Bajo costo (ahorro de hasta 10% de energía). Costo medio por la instalación auxiliar, (ahorro de hasta 20% de energía). Bajo costo (ahorro de hasta 30% de energía solo en algunas aplicaciones). Costo alto por la electrónica de control, sin embargo permite un ahorro de hasta un 50% de energía, en caso de demanda variable de caudal). 31

32 Un determinado proceso Eficiencia Energética: Regulación de caudal en bombas centrífugas Variadores de frecuencia en bombas Un variador de frecuencia es un dispositivo electrónico, que permite controlar un motor eléctrico, de forma que este gire a la mínima velocidad posible para satisfacer un determinado proceso. Fueron desarrollados hace décadas, con el propósito de poder variar la velocidad de los motores de corriente alterna. Controlando el funcionamiento de una bomba centrífuga, mediante un variador de frecuencia, puede llegar a reducirse el costo de energía eléctrica, hasta un 50 % aproximadamente (esta cifra depende de las condiciones de funcionamiento de la bomba). 32

33 Eficiencia Energética: Regulación de caudal en bombas centrífugas Variadores de frecuencia en bombas Para evaluar la conveniencia o no de instalar un variador de frecuencia, lo aconsejable es realizar un perfil de consumo: Q [m³/h] Tiempo (horas) 33

34 Eficiencia Energética: Bombeo de agua Suministro y distribución de agua en edificios Suministro y distribución de agua en edificios El agua sube al depósito superior por la presión de la red pública y se distribuye dentro del edificio por gravedad. No existe sistema de bombeo dentro del edificio, no hay costo por bombas y por consumo de energía para las mismas. 34

35 Eficiencia Energética: Bombeo de agua Suministro y distribución de agua en edificios Suministro y distribución de agua en edificios El agua de la red pública llena un depósito inferior y sube al depósito superior por medio de una bomba de elevación instalada en el edificio. Generalmente el sistema de control es on-off, y como la función es de trasiego entre tanques, no hay prácticamente ahorro de energía. 35

36 Eficiencia Energética: Bombeo de agua Suministro y distribución de agua en edificios Suministro y distribución de agua en edificios El agua de la red pública llena un depósito inferior y se distribuye dentro del edificio, por un grupo de presión. No hay tanque superior. En este caso se puede llegar a un ahorro promedio del 35%, respecto del caso anterior. Este porcentaje puede variar en función de las variaciones en el consumo de agua. 36

37 Eficiencia Energética: Bombeo de agua Suministro y distribución de agua en edificios Depósito inferior de agua con grupos de presurización con variador de frecuencia y control mediante PLC, que distribuyen el agua en dos sectores del edificio. Uno de los equipos abastece los pisos desde la mitad hacia el subsuelo, y el otro abastece los pisos desde la mitad hasta la azotea. 37

38 Eficiencia Energética: Bombeo de agua Cómo logramos esos ahorros? En bombeo de agua, generalmente y cada vez con mayor frecuencia se habla de equipos eficientes, bombas con control electrónico, etc. Pero. En ocasiones no se le da importancia a algo sumamente importante A las pérdidas de agua y al mantenimiento 38

39 Eficiencia Energética: Bombeo de agua Pérdidas de agua en instalaciones de bombeo Pérdidas de agua en instalaciones de bombeo 39

40 Eficiencia Energética: Bombeo de agua Pérdidas de agua en instalaciones de bombeo 40

41 Eficiencia Energética: Bombeo de agua Suciedad en tuberías de sistemas de bombeo Incrustaciones en tuberías de sistemas de bombeo 41

42 Eficiencia Energética: Bombeo de agua Ejemplo 1: Edificio de viviendas sin tanque elevado, en donde el abastecimiento de agua potable debe realizarse mediante un equipo de presurización (booster). La tarifa de energía del lugar es doble horario. Vamos a comparar en cuanto tiempo se amortizan los booster con variadores de frecuencia, respecto de otro de similares características hidráulicas y eléctricas, pero con control on-off (Booster A en la tabla de ejemplo), y considerando dos situaciones diferentes de funcionamiento. En la primer situación, se considera que los equipos funcionan durante 8 horas diarias, y siendo conservadores, se estimó un ahorro promedio de energía del 25%, en el funcionamiento de los tres equipos con variador de frecuencia, que se solicitó cotización (Booster B, C y D en la tabla de ejemplo) Para simplificar los cálculos no se consideraron los costos de mantenimiento, ni el tiempo de vida útil de los equipos, y además se promedió el costo del kwh de la tarifa de energía doble horario. 42

43 Eficiencia Energética: Bombeo de agua Equipo Bombas Altura Caudal Tipo control Costo Venta Cantidad Pot / unitaria Promedio Plaza Booster A (fab. Local) 2 1,5 kw 50 m 12 m³/h On-off / presóstato USS 5.500,00 Booster B (fab. Local) 2 1,5 kw 50 m 12 m³/h 2 VF compactos USS 9.200,00 Booster C (fab. Local) 2 1,5 kw 50 m 12 m³/h 2 VF externos USS ,00 Booster D (importado) 2 1,5 kw 50 m 12 m³/h 2 VF externos USS ,00 Equipo Costo energía Pot. Bombas Operación Ahorro energía Energía anual Prom. (US$/kWh) (kw) horas días estimado consumida (kwh) Booster A (fab. Local) 0,17 3, ,0 0% 8.760,0 Booster B (fab. Local) 0,17 3, ,0 25% 6.570,0 Booster C (fab. Local) 0,17 3, ,0 25% 6.570,0 Booster D (importado) 0,17 3, ,0 25% 6.570,0 Equipo Costo Prom. Costo energía Operación Ahorro energía Amortización resp. Plaza al año horas días estimado Booster A (años) Booster A (fab. Local) USS 5.500,00 USD 1.489, ,0 0% - Booster B (fab. Local) USS 9.200,00 USD 1.116, ,0 25% 10 Booster C (fab. Local) USS ,00 USD 1.116, ,0 25% 21 Booster D (importado) USS ,00 USD 1.116, ,0 25% 58 43

44 Eficiencia Energética: Bombeo de agua Ejemplo 1 (segunda situación): En el segundo caso, se considera otro escenario de funcionamiento en donde hay mayor consumo de agua, de forma que los equipos trabajan un promedio de 15 horas diarias, y por haber una variabilidad mayor en la demanda de caudal, el ahorro de energía alcanzado en cada uno de los tres booster con variador de frecuencia es del 40%, Para simplificar los cálculos no se consideraron los costos de mantenimiento, ni el tiempo de vida útil de los equipos, y además, se promedió el costo del kwh de la tarifa de energía doble horario. Reiterando los cálculos tenemos el siguiente resultado: Equipo Costo Prom. Costo energía Operación Ahorro energía Amortización resp. Plaza al año horas días estimado Booster A (años) Booster A (fab. Local) USS 5.500,00 USD 2.792, ,0 0% - Booster B (fab. Local) USS 9.200,00 USD 1.675, ,0 40% 3 Booster C (fab. Local) USS ,00 USD 1.675, ,0 40% 7 Booster D (importado) USS ,00 USD 1.675, ,0 40% 19 44

45 Eficiencia Energética: Bombeo de agua Conclusión: Del ejemplo propuesto, se desprende la necesidad de evaluar los costos comerciales de equipos de presurización con distintas tecnologías, y particularmente las condiciones en las cuales funcionarán, ya que en función de esto, los plazos de amortización varían de forma considerable. Además para evaluar los costos totales de operación de la instalación de bombeo, habría que incluir entre otros, los costos de mantenimiento y vida útil del equipo (que como ya fue señalado, no fueron considerados para simplificar el ejemplo). En caso de obras nuevas, debería evaluarse si es estrictamente necesario la instalación de cualquiera de estos equipos, ya que en ciertos casos podemos suministrar de agua, aprovechando la presión de la red y la fuerza de la gravedad (dependiendo de la presión de la zona, la altura de la edificación, costos de estructura, etc.) 45

46 Eficiencia Energética: Bombeo de agua Ejemplo 2: Se trata de una instalación nueva, para extracción de agua en un establecimiento agropecuario, en donde se trabaja de 8 a 18 horas, todos los días, y dentro de dicho horario, la bomba funciona 8 horas al día Vamos a comparar cuanto dinero al año, puede llegar a ahorrar el dueño del establecimiento, si seleccionamos adecuadamente la bomba de agua entre dos marcas diferentes. Para simplificar no se consideraron los costos de mantenimiento, ni del tablero de control, que en cualquiera de los casos, realiza el arranque de la bomba mediante soft starter, ya que el cometido es llenar un tanque australiano. El establecimiento posee la tarifa de energía triple horario MC1 (mediano consumidor en 400V), por lo que acorde al horario de trabajo, el funcionamiento de la bomba (8 horas/días), está en la franja de llano de dicha tarifa. Tampoco se consideraron el resto de los equipos de bombeo, que toman el agua del tanque y la distribuyen a los distintos usos. 46

47 Eficiencia Energética: Bombeo de agua Características hid. / eléct. Marca A Marca B Dif/Pot. Caudal 60 m3/h 60 m3/h Presión (Altura) 70 m.c.a. 70 m.c.a. Rendimiento Bomba 75% 66% Potencia absorbida Bomba 15, 30 kw 17,10 kw Rendimiento del Motor 85% 85% Potencia absorbida de la Red 18,20 kw 20,10 kw 1,9 kw Costo (US$) , ,00 Seleccionando una bomba más eficiente podemos obtener un ahorro importante En este caso: 1,90 kw x 8h/día x 365 días/año = kwh/año kwh x 0,15 US$/Kwh = US$ (ahorro/año) Plazo de amortización: 11 años (sin considerar los costos de mantenimiento) 47

48 Eficiencia Energética: Bombeo de agua Características hid. / eléct. Marca A Marca B Dif/Pot. Caudal 60 m3/h 60 m3/h Presión (Altura) 70 m.c.a. 70 m.c.a. Rendimiento Bomba 75% 66% Potencia absorbida Bomba 15, 30 kw 17,10 kw Rendimiento del Motor 85% 85% Potencia absorbida de la Red 18,20 kw 20,10 kw 1,9 kw Costo (US$) , ,00 Conclusión: En este caso hay que analizar con detenimiento, si conviene la compra de la bomba marca A, ya que por la diferencia de costo respecto de la marca B, tiene un plazo de amortización elevado. En este caso es imprescindible considerar los costos de mantenimiento, ya que esto puede ser decisivo para elegir una u otra marca. También puede analizarse, la posibilidad de trasladar el horario de uso de la bomba a la franja de valle, y ver como esto influye en los costos totales de operación. 48

49 Eficiencia Energética: Bombeo de agua (Resumen) Factores que inciden en el consumo de energía en bombas centrífugas Caudal erogado Tiempo de operación Horario de funcionamiento Rendimiento de la bomba Sección de conductores del motor Pérdida de carga de la instalación Tipo de bridas u acoples utilizados Instalación hidráulica Mantenimiento de los equipos Recomendaciones para bajar costos de energía en bombas centrífugas En cualquier instalación de bombeo, se debería evaluar: La real necesidad de un equipo de bombeo La aplicación La instalación hidráulica La instalación eléctrica Las diferentes tecnologías y técnicas de bombeo existentes La gestión de mantenimiento 49

50 Muchas Gracias por la Atención Recibida CONSULTAS? Horacio M. DUFFAU Esp. en Eficiencia Energética 50

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