Se presenta la metodología de análisis y los resultados

Transcripción

1 Boletín IIE, marzo-abril del 2001 Estudio técnico económico de eficiencia energética en sistemas eléctricos industriales costa afuera Raúl Fiscal E. Una plataforma marina normalmente genera la energía eléctrica que utiliza en sus procesos industriales, en los que usualmente está presente el motor eléctrico que es el principal consumidor de energía eléctrica. Resumen Se presenta la metodología de análisis y los resultados obtenidos en un estudio técnico-económico para la aplicación de medidas de eficiencia energética para una plataforma marina. Introducción En las plataformas marinas existe una diversidad de procesos industriales que involucran una gran cantidad de equipo eléctrico. Dichos procesos van desde el endulzar gas combustible utilizado para la generación propia de electricidad y otros procesos intermedios hasta el objetivo final de la plataforma, que puede ser la extracción de petróleo y su separación, la inyección de presión a los yacimientos petrolíferos, etc. Como es lógico, todo equipo con el tiempo se vuelve obsoleto e ineficiente y, en algunos casos, redundante al presentarse cambios en la producción de la instalación industrial. El caso de una plataforma marina no es la excepción, y para su modernización es importante y necesario realizar una evaluación del estado actual que guardan los equipos instalados en cuanto a sus condiciones de diseño y operación, para conocer su eficiencia y vida remanente y proponer alternativas de mejora que incrementen su eficiencia, confiabilidad y disponibilidad. Una plataforma marina normalmente genera la energía eléctrica que utiliza en sus procesos industriales, en los que usualmente está presente el motor eléctrico que es el principal consumidor de energía eléctrica, pues, de acuerdo con la literatura, el consumo por estos equipos en plantas industriales representa más del 60% ( Bonnett, 1980; Lawrie, 1996) del consumo de energía eléctrica de la planta. Metodología Al desarrollar un proyecto de factibilidad técnica-económica se deben plantear las siguientes tres actividades principales: 1) Evaluación técnica de la situación actual de la instalación, en cuanto a sus condiciones de diseño y operación, 2) Análisis técnico de las alternativas de optimización propuestas para definir su factibilidad, y 3) Evaluación económica de las alternativas de optimización seleccionadas, en forma independiente o separadas, y agrupadas. Para cumplir con los primeros dos puntos, los cuales tienen que ver con la optimización de los procesos, es fundamental tener un conocimiento de los equipos que están involucrados en ellos, y también de las perspectivas de crecimiento de la instalación bajo estudio, esto para proponer las alternativas de mejora. En el caso específico de los equipos, se requiere conocer cuales son sus características de diseño y cual es su forma de operación real. De igual manera, las perspectivas de crecimiento nos definirán el punto de referencia del estudio, para conocer la capacidad máxima requerida de los equipos y sus características de eficiencia a la que estarán trabajando. Instituto de Investigaciones Eléctricas 87

2 Artículos técnicos Existen otros procesos involucrados en una plataforma marina, los cuales requieren para su análisis el apoyo de especialistas de otras áreas además de la ingeniería eléctrica. Finalmente, en el punto 3 se hace la evaluación económica de las alternativas de optimización seleccionadas, las cuales deberán ser técnicamente factibles. Esta evaluación se realiza primero en forma separada una a una, inicialmente para saber si en forma independiente resultan rentables para después hacer la evaluación económica integrada, es decir, con la optimización completa de los procesos. Es importante mencionar que en un estudio de evaluación técnica-económica para una plataforma marina, es fundamental contar con un grupo multidisciplinario de especialistas que integren los conocimientos de la ingeniería eléctrica, de energía, de mecánica, de química y de economía, para así poder evaluar los distintos procesos involucrados. Las etapas de un estudio de factibilidad técnica-económica para una plataforma marina, son las siguientes: Evaluación técnica de la situación actual Para hacer la evaluación técnica de la situación actual de la instalación, se realizan las siguientes actividades: Levantamiento de datos. Se lleva a cabo una recopilación de información en campo sobre el diseño de los equipos, diagramas técnicos, curvas de comportamiento, descripción de procesos y datos de operación entre otros, para los principales procesos o sistemas instalados en la plataforma como son el equipo de generación eléctrica, cargas principales y equipo eléctrico. Mediciones en campo. Se realizan mediciones de variables de proceso (eléctricas, hidráulicas, térmicas, etc.) de las cargas principales, para establecer la eficiencia de operación de los equipos y determinar sus ahorros energéticos al hacer su cambio o modificación para una mayor eficiencia del proceso. Análisis de la información de campo. Se hace una revisión y estudio de la información obtenida en las dos actividades anteriores, para conocer las características de diseño y operación actual de los equipos instalados. Elaboración de diagramas unifilares. Con la información de carga y equipo eléctrico instalado en la plataforma, se realizan los diagramas unifilares y los modelos de red que se utilizan en los estudios eléctricos de corto circuito y flujos de carga del sistema eléctrico de la plataforma. Estudios de cortocircuito y flujos de carga. Para evaluar la condición actual de operación del sistema eléctrico y de cada una de sus partes, bajo diferentes escenarios de carga, se realizan los estudios de cortocircuito y flujos de carga. Los resultados obtenidos con estos estudios nos permiten detectar anomalías y proponer las alternativas de mejora en los equipos y sistema eléctrico para incrementar su confiabilidad. También el estudio de flujos de carga en combinación con datos históricos de demanda del sistema de generación actual, permite dimensionar la capacidad en MW de turbogeneradores nuevos a las condiciones de carga actual y futura. Comportamiento del equipo de generación. Se determinan las condiciones de diseño y de operación actual del equipo de generación, para conocer sus principales parámetros de comportamiento como son la generación eléctrica, el régimen térmico y la eficiencia entre otros. En las Figuras 1 y 2 se muestran dichos parámetros como curvas típicas de comportamiento, resultado de la simulación de los turbogeneradores de gas de una plataforma marina. Motobombas. Con las curvas de comportamiento del fabricante, se obtiene la eficiencia de diseño del conjunto motor eléctrico-bomba, (ver Figuras 3 y 4). Posteriormente, con las mediciones en campo se determina la eficiencia de operación de la motobomba, la cual nos permite establecer la condición real de operación del equipo y evaluar los ahorros energéticos que se tendrán al aplicar la alternativa de mejora para una mayor eficiencia de la motobomba. Esta mejora consistió en el reemplazo del motor eléctrico por uno de alta eficiencia, evaluándose los ahorros de energía a través de la expresión siguiente: A = 0.746*hp*fc*C*H*[(100/E a ) (100/E n )] donde A = ahorros anuales en $ hp = potencia en hp del motor eléctrico fc = porcentaje de carga del motor /100 C = costo de la electricidad en $/kwh H = horas de operación anual E a = eficiencia del motor actual E n = eficiencia del motor nuevo Las eficiencias usadas en el cálculo deben corresponder con la eficiencia del motor a la carga especificada, ya que la eficiencia del motor varia con su porcentaje de carga. Otros procesos. Existen otros procesos involucrados en una plataforma 88 Instituto de Investigaciones Eléctricas

3 Boletín IIE, marzo-abril del 2001 Figura 1. Variación del régimen térmico respecto a la generación. Figura 2. Variación de la eficiencia respecto a la generación. Figura 3. Curva de eficiencia del motor. Figura 4. Curvas de diseño de la bomba marina, los cuales requieren para su análisis el apoyo de especialistas de otras áreas además de la ingeniería eléctrica. En el proyecto realizado se evaluaron los procesos más importantes, proponiendo las alternativas de mejora y su factibilidad técnica económica. Alternativas de optimización y su factibilidad técnica En la etapa de análisis de la situación actual se detectan y bosquejan en una primera aproximación las alternativas de mejora para optimizar los sistemas o procesos de la plataforma. En la siguiente etapa, se hace el análisis de factibilidad técnica, para establecer y seleccionar las alternativas de mejora factibles para los procesos por optimizar. Las actividades seguidas en esta etapa de análisis son las siguientes: Alternativas de mejora. Las alternativas de mejora se definen por equipo o sistema, con base en el estudio bibliográfico, la información proporcionada por los fabricantes de equipo y el conocimiento de la situación actual de los procesos, buscando la optimización completa de los principales procesos consumidores de energía de la plataforma. Factibilidad técnica. Se evalúa la aplicación técnica de las alternativas de mejora planteadas, analizando si se ajustarán en la práctica a las necesidades de los procesos y si traerán beneficios, ya sea de tipo cuantitativo o cualitativo, en relación con la situación actual. Los primeros son a través de la mejora en eficiencia de los equipos y sus ahorros energéticos, y los últimos con una reducción de contaminantes a la atmósfera. Para cada alternativa de optimización evaluada se deberán dar las razones técnicas de su conveniencia o no. Evaluación de ahorros. Se hace el análisis de escenarios para cuantificar los ahorros energéticos obtenidos por el incremento en la eficiencia de los equipos al aplicar la o las alternativas de mejora. Para el desarrollo de este análisis se deberá de establecer y aplicar una Instituto de Investigaciones Eléctricas 89

4 Artículos técnicos metodología validada (Brethauer, 1994). Consideraciones. En la evaluación de ahorros por alternativa de mejora, se deberá definir bajo qué consideraciones de operación de los equipos o sistemas se obtendrán dichos ahorros, y poder establecer así los escenarios. Para hacer esta evaluación se deberá de conocer la capacidad máxima real que puede dar el equipo, la cual puede variar con respecto a la de diseño, esto debido a reparaciones, uso, antigüedad, etc. En el análisis se utilizará la capacidad máxima real ya que normalmente será menor o igual a la de diseño. Evaluación económica de alternativas La evaluación económica es la última etapa del estudio de factibilidad para optimizar los procesos de una planta industrial; para evaluar, desde el punto de vista monetario, las alternativas de optimización seleccionadas en el análisis técnico. Las actividades desarrolladas para hacer el análisis económico son las que se describen a continuación. Métodos de análisis. El primer paso para hacer el análisis económico de las alternativas de optimización, es conocer y aplicar los métodos de evaluación económica comúnmente utilizados (Brethouer, 1994; Hennevke, 1999; Coss, 1999; Derrick, 1981), los cuales presentan como resultado los siguientes índices económicos: Valor Presente Neto (VPN), Tasa Interna de Recuperación (TIR), relación Beneficio-Costo (B/C), y el período de recuperación de capital (Payback). Los dos primeros proporcionan la información más importante del estudio al incluir en su análisis el valor del dinero con el tiempo (inflación), cambios en el costo de la energía, ingresos y egresos durante la vida del equipo, etcétera. Por otro lado, los últimos dos ofrecen información adicional de referencia para el análisis. Consideraciones o parámetros de referencia. Para iniciar la evaluación económica es necesario definir y obtener datos de referencia actuales del tipo técnicoeconómico que se denominan comúnmente consideraciones, las cuales por su tipo de uso pueden dividirse en generales o particulares (ver Tablas 1 y 2). Las generales son las que se aplican en todas las alternativas de optimización por evaluar, es decir, se utilizan a lo largo de todo el estudio; mientras que las particulares son exclusivas para cada alternativa. Entre las consideraciones generales están: la base monetaria y su paridad si se utiliza moneda extranjera, período de evaluación en años, tasa de descuento, tasa mínima atractiva de recuperación, costo de la energía, etc. Entre las particulares que son exclusivas de una alternativa por anali- Tabla 2. Parámetros de referencia particulares Tabla 1. Parámetros de referencia generales Base monetaria Dólar norteamericano ($USD) Seleccionar el tipo de moneda por utilizar. En nuestro caso se utilizó el dólar americano como base monetaria en la evaluación económica; esto debido a que, por un lado, la mayor parte de los equipos de las plataformas están cotizadas en esta moneda y, por otro, porque es una moneda más estable que el peso mexicano. Paridad cambiaria pesos/dólar El tipo de cambio utilizado es el que reporta la compañía para hacer sus evaluaciones en el año del análisis. Costo de la $ USD/kWh energía eléctrica Es el costo de generar un kwh, y fue determinado con base en una metodología validada. Periodo de 14 evaluación, en años Es el horizonte de estudio definido con base en la vida de los equipos. Tasa de descuento 10.0 % Tasa utilizada por la compañía para sus evaluaciones económicas. TMAR * 10.0 % Es la tasa mínima atractiva de rendimiento utilizada por la compañía para sus inversiones. * TMAR = Tasa mínima atractiva de recuperación Capacidad del motor 900 HP / kw Factor de carga % Horas anuales de oper h/año Eficiencia motor actual % Costos de mantenimiento $ USD/año (Mtto.) (Mano de obra) (Estos costos son estimados por la compañía para el mtto. mecánico. No se obtuvieron costos para otro tipo de mtto.) Costo de mtto. (refacciones) $ USD/año Costos por desmantelamiento El contratista mencionó que no podía cotizar el costo de este servicio, porque son equipos pequeños para las capacidades que ellos manejan; por lo que la compañía deberá absorber este costo. Valor de recuperación de $89,723 USD motobomba Valor de recuperación acordado con personal de la compañía. Valor de recuperación del $ 35,889.2 USD motor Se considera un costo del motor del 40% del conjunto motor-bomba (estimación de fabricante) Costo del motor nuevo $ USD con Eficiencia del 96% Es el precio presupuestado por el fabricante con las características técnicas del motor actual, pero con mayor eficiencia. Costo de instalación $2,588.6 USD Se estima un 5% del costo del motor. 90 Instituto de Investigaciones Eléctricas

5 Boletín IIE, marzo-abril del 2001 zar, están el consumo del proceso, la capacidad, las horas de operación, la eficiencia, el valor de recuperación del equipo, etc. Costos y beneficios. Antes de iniciar la evaluación económica de alternativas, es muy importante determinar los costos y beneficios que están involucrados para ello se deben seguir los siguientes pasos: i) Establecer todos los costos y beneficios de tipo cuantitativo y cualitativo que se visualicen en cada alternativa, ii) Cuantificar o hacer el cálculo de los costos y beneficios con base en la información técnica-económica de los equipos y sistemas por analizar, y iii) Tener claro en el análisis cuáles son los costos y cuáles los beneficios. Sobre este último punto, se debe tener especial cuidado al hacer la evaluación económica, definiendo con claridad qué son costos y qué son beneficios, ya que un uso inapropiado de un costo por beneficio y viceversa, puede deformar el análisis y presentar resultados de evaluación económica errónea con efectos económicos desastrosos. Evaluación económica de alternativas separadas. En esta actividad se realiza la evaluación económica de las alternativas de optimización consideradas por proceso o sistema de manera individual, calculando los índices económicos por los cuatro métodos de análisis ya descritos y con base en la información obtenida de las actividades anteriores. Rentabilidad de alternativas separadas. Con los resultados de la evaluación económica de la actividad anterior, se generan las tablas resumen de alternativas por proceso con los diferentes índices económicos y se hace su análisis de rentabilidad para seleccionar las que se utilizarán en la siguiente evaluación que incluye todos los procesos optimizados en forma conjunta o agrupada. Evaluación económica de alternativas agrupadas. Se realiza la evaluación económica integrada de los procesos principales, combinando la información económica de las alternativas de optimización individuales seleccionadas en la actividad anterior, logrando una optimización y análisis completo de los procesos más importantes de la plataforma. Rentabilidad de alternativas agrupadas. Con los resultados de la Tabla 3. Evaluación económica al cambiar el motor eléctrico por uno más eficiente. Capacidad del motor, en HP Costo de instalación del Motor $2, Factor de carga del motor, en % Costos de Mtto. (Mano de Obra) $1, El mismo para ambos motores Costos de Mtto. (Refacciones) $ El mismo para ambos motores Valor de recuperación de la Motobomba $89, Costos por desmantelamiento $0.00 No se considera Valor de recuperación del Motor $35, Costo del motor nuevo $51, Diferencial de costo $15, Efic. del Motor Actual Efic. del Motor Nuevo Horas de Operac. Anual 8345 Ahorros de energía, en kwh/año 305, A = 0.746*hp*fc*C*H*[(100/E)-(100/E)] Costo de la energía, en $/kwh $ LA TASA INTERNA DE RECUPERACIÓN (TIR), SE DEFINE COMO LA TASA DE Inflación de la energía, en %/año 2.5 DESCUENTO A LA CUAL EL FLUJO DE CAJA ACUMULADO DESCONTADO AL FINAL DEL PERÍODO DE EVALUACIÓN (VPN) ES IGUAL A CERO. Tasa de descuento, en %/año 10.0 TIR= Impuestos, en % 37.0 AÑO $/kwh Ahorros $29, $30, $31, $31, $32, $33, $ 34, $35, Menos depreciación -$1, $1, $1, $1, $1, $1, $1, $1, Ingresos antes de impuestos $28, $29, $29, $30, $31, $32, $33, $34, Menos impuestos -$10, $10, $11, $11, $11, $11, $12, $12, Ingresos después de impuestos $17, $18, $18, $19, $19, $20, $20, $21, Depreciación $1, $1, $1, $1, $1, $1, $1, $1, Flujo de caja total $19, $19, $19, $20, $20, $21, $21, $22, Factor de descuento Ingreso de caja descontado $17, $16, $14, $13, $13, $12, $11, $10, Menos dif. costo de capital -$15, Menos costo de instalac. -$2, Flujo de caja descontado -$18, $17, $16, $14, $13, $13, $12, $11, $10, Flujo de caja desc. acum. -$18, $1, $15, $30, $43, $57, $69, $80, $90, Instituto de Investigaciones Eléctricas 91

6 Artículos técnicos evaluación económica de alternativas agrupadas, se generan las tablas resumen con los diferentes índices económicos, los cuales se analizan para seleccionar la mejor alternativa de optimización integrada. Resultados del Análisis económico. En la Tabla 3 se ilustra la evaluación económica realizada por el método del VPN y TIR al reemplazar el motor eléctrico en una de las motobombas analizadas por uno de alta eficiencia. Esto con base en los parámetros de referencia generales y particulares que se indican en las Tablas 1 y 2. Los resultados arrojaron un VPN de $140, USD al final del período de evaluación de 14 años, con una tasa interna de recuperación de %, y un período de recuperación de la inversión en los primeros meses del segundo año, como se puede ver en último renglón del flujo acumulado descontado de la Tabla 3. Conclusiones La experiencia obtenida de plataformas marinas, nos muestra que existe un potencial de ahorro de energía substancial en sus procesos, lo que genera una oportunidad importante para realizar estudios de factibilidad técnica económica en dichas instalaciones. La baja normal de la producción de las plataformas marinas da como resultado tener equipo redundante que no es utilizado, generando gastos económicos para su mantenimiento y por ocupación de espacio que es valioso en estas plataformas. Los métodos para realizar la evaluación económica son los que normalmente se utilizan en estudios económicos como procedimientos analíticos, que permiten hacer la comparación de las alternativas propuestas y la elección de la más conveniente desde el punto de vista monetario. Estos métodos son VPN, TIR, B/C y Payback. El estudio de factibilidad técnica-económica realizado, incluyó el análisis de la desincorporación de equipo, reemplazo de equipo, y mejora de los procesos actuales. El análisis se llevó a cabo en equipo de generación eléctrica, cargas eléctricas grandes, y otros procesos importantes movidos por gas. En cuanto al sistema eléctrico de la plataforma se evaluó la condición actual a través de los estudios de cortocircuito y flujos de carga, proponiendo alternativas de mejora que incrementen su confiabilidad. Raúl Fiscal Escalante Ingeniero Industrial con especialidad en Electricidad, por el Instituto Tecnológico de Durango y Maestría en Ciencias en Ingeniería Eléctrica, opción Sistemas de Potencia, por el Centro de Graduados del Instituto Tecnológico de La Laguna. Ingresó al IIE en 1985 como investigador en el área de Diseño de aislamiento de máquinas eléctricas rotatorias. Actualmente, forma parte de la Gerencia de Uso de Energía Eléctrica. Participó en el Estudio complementario de cambio de horario de verano en el estado de Sonora y en el de Reingeniería de procesos de la plataforma de inyección de Agua del Activo Pol-Chuc. rfiscal@iie.org.mx Referencias [1] Fiscal, R. et al, Estudio de factibilidad para reingeniería de los procesos del complejo inyección de agua. Informe técnico, [2] Bonnett, A. H. Understanding Efficiency in Squirred-Cage Induction Motors. IEEE Trans. Ind. Appl. Vol. IA-16, [3] Lawrie, R. J. Guidelines For Motor Application Designs, Electrical Engineering & Design [4] Brethauer, D. M. et al. The Impact of Efficiency on the Economics of New Motor Purchase, Motor Repair, and Motor Replacement. IEEE Trans. Ind. Appl. Vol. 30, [5] Hennecke F. W. Life Cycle Costs of Pumps in Chemical Industry. Chemical Engineering and Processing 38, pp [6] Coss Bu, R. Análisis y evaluación de proyectos de inversión. Departamento de Ingeniería Industrial del ITESM. Ed. LIMUSA, 2 a ed [7] Derrick, R.P. et al. A Suggested Method for Economic Evaluation of Electrical Equipment. TAPPI Eng. Conf. (Atlanta) Proc. (Book), 1988, pp TAPPI 64, 1981, pp Instituto de Investigaciones Eléctricas