TÉCNICAS DE ANÁLISIS PARA EL AHORRO DE ENERGÍA

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1 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

2 PROCESO DE TRANSFORMACIÓN DE LA ENERGÍA PARA EL TRABAJO DE BOMBEO SUMINISTRO DE ENERGÍA ELÉCTRICA PÉRDIDAS ENERGÍA ÚTIL ENERGÍA MANOMÉTRICA ENERGÍA MECANICA 2

3 CONTENIDO TEMÁTICO DEL TALLER Tarifas Eléctricas Instalaciones Eléctricas Motores Eléctricos Bombas Centrífugas El Sistema de Conducción Aplicación de Velocidad Variable 3

4 TARIFAS ELÉCTRICAS SUMINISTRO DE ENERGÍA ELÉCTRICA PÉRDIDAS ENERGÍA ÚTIL ENERGÍA MANOMÉTRICA ENERGÍA MECANICA 4

5 TARIFAS ELÉCTRICAS Tarifas Aplicables Exclusivamente para Bombeo de Agua para Riego Agrícola. Tarifa 9: Tarifa 9M: Suministrada en baja tensión Suministro en media tensión Tarifa 9-CU: Estímulo con cargo único Tarifa 9-N: Estímulo para bombeo nocturno 5

6 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

7 LAS INSTALACIONES ELÉCTRICAS SUMINISTRO DE ENERGÍA ELÉCTRICA PÉRDIDAS ENERGÍA ÚTIL ENERGÍA MANOMÉTRICA ENERGÍA MECANICA 7

8 LAS INSTALACIONES ELÉCTRICAS Optimización Del Factor de Potencia Optimización del Transformador Optimización del Calibre de los Conductores 8

9 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

10 LAS INSTALACIONES ELÉCTRICAS Pérdidas = 16,200 kwh/año Corriente aparente Corriente activa (80 ampers) (100 A) Corriente reactiva (60 ampers) Suministro 100 A FP = ampers 60 ampers Compensación del FP con capacitores Corriente aparente (100 A) Pérdidas = 10,400 kwh/año Corriente activa (80 ampers) Corriente reactiva (60 ampers) Suministro 80 A FP = 1 Capacitor 10

11 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

12 LAS INSTALACIONES ELÉCTRICAS TRANSFORMADOR: Optimización del factor de potencia. Operación en la zona de máxima eficiencia. Eficiente remoción de calor. 12

13 Eficiencia 100.0% 97.5% 95.0% 92.5% 90.0% LAS INSTALACIONES ELÉCTRICAS Curva de Eficiencia del Transformador 0% 20% 40% 60% 80% 100% Factor de Carga Potencia Nominal (kva) Pérdidas en un transformador Pérdidas en el hierro (W) Pérdidas en el Cobre a Potencia Nominal (W)

14 LAS INSTALACIONES ELÉCTRICAS Incremento de la Pérdidas en Transformadores como función de la temperatura Incremento de las Pérdidas (%) Temperatura ( C) 14

15 LAS INSTALACIONES ELÉCTRICAS OPTIMIZACIÓN DEL CALIBRE DE LOS CONDUCTORES CALIBRE ÓPTIMO COSTO OPTIMO CALIBRE INVERSIÓN OPERACIÓN TOTAL 15

16 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

17 LAS INSTALACIONES ELÉCTRICAS Calibre Resistencia ΔV Ohms/km L (km) Ohms Volts % 1/ % 2/ % 3/ % 4/ % % % % % % % % 17

18 LAS INSTALACIONES ELÉCTRICAS Pérdidas Calibre W/fase kw total kwh/año $/año VPN ($) * 1/ ,290 35, $347, / ,063 28, $275, / ,912 22, $218, / ,607 17, $173, ,685 14, $146, ,894 12, $122, ,618 10, $104, ,665 9, $91, ,342 7, $73, ,443 6, $61, ,559 4, $48, * i = 8% n = 20 años 18

19 LAS INSTALACIONES ELÉCTRICAS Calibre Precio Unit Inversión Costo Total ($/m) ($) ($) 1/0 $ $54, $402, /0 $ $67, $343, /0 $ $85, $304, /0 $ $106, $279, $ $128, $275, $ $150, $272, $ $176, $280, $ $204, $296, $ $240, $313, $ $289, $350, $ $352, $401,

20 LAS INSTALACIONES ELÉCTRICAS Costo de Conducción Eléctrica L = 130 m, I = 150 A, n = 20 años, i = 8% $500, $400, $300, $200, $100, $0.00 1/0 2/0 3/0 4/ Calibre Operación Inversión Total 20

21 EL MOTOR ELÉCTRICO SUMINISTRO DE ENERGÍA ELÉCTRICA PÉRDIDAS ENERGÍA ÚTIL ENERGÍA MANOMÉTRICA ENERGÍA MECANICA 21

22 EL MOTOR ELÉCTRICO Eficiencia de Motores Eléctricos Energía eléctrica de entrada Energía mecánica de salida Pérdidas en forma de calor η m = Pm / Pe 22

23 EL MOTOR ELÉCTRICO Evolución de la Eficiencia de los Motores en los últimos años EFICIENCIA PREMIUM SELLO FIDE EFICIENCIA ESTÁNDARD ALTA EFICIENCIA (NOM) Un motor de eficiencia premiun puede tener una eficiencia entre 4 y 6% superior a uno estándar. 23

24 EL MOTOR ELÉCTRICO EFICIENCIA PREMIUM EFICIENCIA ESTÁNDARD Un motor de eficiencia premiun tiene una eficiencia 8% superior a uno estándar que ha sido rebobinado. Un motor que ha sido reparado (rebobinado) pierde entre 2 y 3 % de su eficiencia en el proceso de reparación MOTOR REPARADO 24

25 LA BOMBA SUMINISTRO DE ENERGÍA ELÉCTRICA PÉRDIDAS ENERGÍA ÚTIL ENERGÍA MANOMÉTRICA ENERGÍA MECANICA 25

26 LA BOMBA Potencia Mecánica Potencia Hidráulica Las Bombas son máquinas que transforman la potencia mecánica en potencia hidráulica. Pérdidas 26

27 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

28 Punto de Operación Punto de Diseño 66% LA BOMBA 85% 28

29 LA BOMBA Alta temperatura de operación Reducción de la vida de los impulsores Recirculación en la succión CA RG A Recirculación en la descarga Cavitación por falta de NPSH Zona óptima CAUDAL 29

30 LA BOMBA EFICIENCIA ELECTROMECÁNICA Pe Pm Ph η m η b η em = Ph / Pe 30

31 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

32 LA BOMBA NOM-001-ENER Intervalo de Gasto Eficiencia Mínima Número de Pasos

33 Capacidad de la Bomba (l/s) LA BOMBA NOM-010-ENER Valores de referencia para la eficiencia de la bomba sumergible Eficiencia (%) Hasta Mayor que 2.0 hasta Mayor que 5.0 hasta Mayor que 15.0 hasta Mayor que 25.0 hasta Mayor que 30.0 hasta Mayor que

34 Motor LA BOMBA Valores de referencia para la eficiencia del motor sumergible kw HP Eficiencia del Motor Sumergible ( % ) Hasta 1.5 Hasta 2 68 Mayor que 1.5 hasta 2.2 Mayor que 2.0 hasta Mayor que 2.2 hasta 3.7 Mayor que 3.0 hasta Mayor que 3.7 hasta 5.6 Mayor que 5.0 hasta Mayor que 5.6 hasta 7.5 Mayor que 7.5 hasta Mayor que 7.5 hasta 11.2 Mayor que 10.0 hasta Mayor que 11.2 hasta 14.9 Mayor que 15.0 hasta Mayor que 14.9 hasta 22.5 Mayor que 20.0 hasta Mayor que 22.5 hasta 29.8 Mayor que 30.0 hasta Mayor que 29.8 hasta 44.7 Mayor que 40.0 hasta Mayor que 44.7 Mayor que

35 LA BOMBA NOM-006-ENER Intervalos de Potencias kw HP Eficiencia Electromecánica ( % )

36 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 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, (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 (%) 36

37 Ahorro de Energía en Riego Agrícola LA BOMBA CASO DE EJEMPLO C D B A Nivel de Agua 37

38 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: Nivel Dinámico: Q = 61.0 lps 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: Tipo de bomba: Potencia nominal del Motor: Pe = kw Turbina Vertical 150 HP 38

39 LA BOMBA Cálculo de la carga de Bombeo: H = Nd + Dnr + Pfr + (Pr * 10) = (1.3 *10) = 76.3 mca 39

40 Ahorro de Energía en Riego Agrícola LA BOMBA Cálculo de la Potencia Manométrica: Ph = Q * H * ρ * g = * 76.3 *1000 * 9.81 = 45,659 Watts = kw 40

41 LA BOMBA Cálculo de la Eficiencia Electromecánica: Eem = Ph / Pe = / = = 43.37% 41

42 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 = / 0.64 Pe = kw 42

43 LA BOMBA Cálculo de los Ahorros mínimos a lograrse: Potencia eléctrica mínima a ahorrarse: ΔPe = Pe Pe = = kw Energía anual a ahorrarse: ΔE = ΔPe * hr/año = * 4200 h/año = 142,506 kwh/año 43

44 SISTEMA DE CONDUCCIÓN SUMINISTRO DE ENERGÍA ELÉCTRICA PÉRDIDAS ENERGÍA ÚTIL ENERGÍA MANOMÉTRICA ENERGÍA MECANICA 44

45 SISTEMA DE CONDUCCIÓN BOMBAS OPERANDO EN PARALELO Succión Bomba A Descarga Bomba B Q c (total del sistema) = Q A + Q B H C = H A = H B 45

46 SISTEMA DE CONDUCCIÓN 120 Varias bombas en paralelo operando sobre el mismo sistema de conducción Caso Caso 1 Carga Gasto 1 Bba 2 Bbas 3 Bbas 4 Bbas Sistema Sistema 46

47 APLICACIÓN DE VELOCIDAD VARIABLE Potencia de Bombeo 100 Carga (H) H1 Ph = Q1 x H1 (Q1, H1) Gasto (Q) Q1 47

48 APLICACIÓN DE VELOCIDAD VARIABLE Modificación de la Curva del Sistema C a r g a (H ) H2 H1 (Q2, H2) (Q1, H1) 0.0 Q Gasto (Q) Q1 Curva 2 Curva 1 Bomba 48

49 Modificación de la Curva de la Bomba H2 N1 (Q2, H2) C a r g a (H ) H1 H2' N2 (Q2, H2') (Q1, H1) 0.0 Q Gasto (Q) Q1 Curva 2 Curva 1 Bomba N1 Bomba N2 49

50 Modificación Simultánea de las Curvas del Sistema y la Bomba N1 C a r g a (H ) H1 N2' (Q2, H1) (Q1, H1) 0.0 Q Gasto (Q) Q1 Curva 2 Curva 1 Bomba N1 Bomba N2 50

51 RESUMEN Áreas de Oportunidad de Ahorro de Energía 1. Selección de la Tarifa Más Económica 2. Optimización del Factor de Potencia 3. Optimización del Calibre de Conductores 4. Operación de Bombas en Zona de Máxima Eficiencia 5. Utilización de Motores de Alta Eficiencia 6. Disminuir Pérdidas de Carga en Tuberías 7. Aplicación de Velocidad Variable 51

52 Muchas Gracias Ing. Ramón Rosas Moya Tel GRUPO ERGON PLUS, S.A. de C.V. Profesionales Especialistas en Eficiencia Energética 52

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