TALLER DE AHORRO DE ENERGÍA EN BOMBEO PARA RIEGO AGRÍCOLA. Ing. Ramón Rosas Moya
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- Cristina Consuelo Romero Araya
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1 TALLER DE AHORRO DE ENERGÍA EN BOMBEO PARA RIEGO AGRÍCOLA Ing. Ramón Rosas Moya
2 PROCESO DE TRANSFORMACIÓN DE LA ENERGÍA PARA EL TRABAJO DE BOMBEO SUMINISTRO DE ENERGÍA ELÉCTRICA PÉRDIDAS ENERGÍA ÚTIL ENERGÍA MANOMÉTRICA ENERGÍA MECANICA
3 PROCESO DE TRANSFORMACIÓN DE LA ENERGÍA PARA EL TRABAJO DE BOMBEO BALANCE DE ENERGÍA Pérdidas de Carga 4.8% Pérdidas por Fugas 2.0% Pérdidas en la Succión 1.0% Trabajo Útil 37.2% Pérdidas en la Bomba 36.8% Pérdidas Eléctricas 5.2% Pérdidas en el motor 13.1%
4 AHORRO DE ENERGÍA EN SISTEMAS DE BOMBEO Tarifas Eléctricas Motores Eléctricos Bombas Centrífugas El Sistema de Conducción Aplicación de Velocidad Variable
5 TARIFAS ELÉCTRICAS SUMINISTRO DE ENERGÍA ELÉCTRICA PÉRDIDAS ENERGÍA ÚTIL ENERGÍA MANOMÉTRICA ENERGÍA MECANICA
6 TARIFAS ELÉCTRICAS PARA RIEGO AGRÍCOLA Tarifas Aplicables Exclusivamente para Bombeo de Agua. 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
7 TARIFAS ELÉCTRICAS PARA RIEGO AGRÍCOLA (Cuotas a Marzo del 2008) Tarifa 9: Bombeo para riego agrícola en baja tensión $ por cada uno de los primeros 5,000 kwh $ por cada uno de los siguientes 10,000 kwh $ por cada uno de los siguientes 20,000 kwh $ por kwh adicional
8 TARIFAS ELÉCTRICAS PARA RIEGO AGRÍCOLA (Cuotas a Marzo del 2008) Tarifa 9M: Bombeo para riego agrícola en media tensión $ por cada uno de los primeros 5,000 kwh $ por cada uno de los siguientes 10,000 kwh $ por cada uno de los siguientes 20,000 kwh $ por kwh adicional
9 TARIFAS ELÉCTRICAS PARA RIEGO AGRÍCOLA (Cuotas a Marzo del 2008) Tarifa 9-CU: Tarifa de estímulo para bombeo agrícola Son sujetas a esta tarifa, los agricultores inscritos en el padrón de beneficiarios de energéticos agropecuarios, hasta por la cuota energética determinada por la Secretaría de Agricultura, Ganadería, Desarrollo Rural, Pesca y Acuacultura. Cargo único: 0.42 $/kwh Los excedentes serán cobrados con la tarifa que corresponda.
10 TARIFAS ELÉCTRICAS PARA RIEGO AGRÍCOLA (Cuotas a Marzo del 2008) Tarifa 9-N: Tarifa de estímulo para bombeo agrícola nocturno Son sujetas a esta tarifa, los agricultores inscritos en el padrón de beneficiarios de energéticos agropecuarios, hasta por la cuota energética determinada por la Secretaría de Agricultura, Ganadería, Desarrollo Rural, Pesca y Acuacultura, y que soliciten su incorporación a esta tarifa. Cargo diurno: 0.42 $/kwh Cargo nocturno: 0.21 $/kwh Los excedentes serán cobrados con la tarifa que corresponda.
11 TARIFAS ELÉCTRICAS PARA RIEGO AGRÍCOLA (Comparativo entre Tarifas) Tamaño Potencia eléctrica Energía Consumida IMPORTE POR TARIFA ($/mes) HP kw kwh/mes 9M 9 9-CU 9-N , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , ,872.36
12 TARIFAS ELÉCTRICAS PARA RIEGO AGRÍCOLA 250, , , , , M 9 9-CU 9-N
13 AHORRO DE ENERGÍA EN LAS INSTALACIONES ELÉCTRICAS SUMINISTRO DE ENERGÍA ELÉCTRICA PÉRDIDAS ENERGÍA ÚTIL ENERGÍA MANOMÉTRICA ENERGÍA MECANICA
14 AHORRO DE ENERGÍA EN LAS INSTALACIONES ELÉCTRICAS Optimización Del Factor de Potencia Optimización del Transformador Optimización del Calibre de los Conductores
15 OPTIMIZACIÓN DEL FACTOR DE POTENCIA 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
16 Compensación del Factor de Potencia en Motores de Inducción
17 OPTIMIZACIÓN DEL FACTOR DE POTENCIA Pasos 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.
18 AHORRO DE ENERGÍA EN LAS INSTALACIONES ELÉCTRICAS TRANSFORMADOR: Optimización del factor de potencia. Operación en la zona de máxima eficiencia. Eficiente remoción de calor. Pt =Pfe + Pcu * C 2. Eficiencia 100.0% 97.5% 95.0% 92.5% Curva de Eficiencia del Transformador 90.0% 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)
19 Incremento de la Pérdidas en Transformadores como función de la temperatura Incremento de las Pérdidas (%) Temperatura ( C)
20 OPTIMIZACIÓN DEL CALIBRE DE LOS CONDUCTORES CALIBRE ÓPTIMO COSTO OPTIMO CALIBRE INVERSIÓN OPERACIÓN TOTAL
21 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.
22 OPTIMIZACIÓN DEL CALIBRE DE LOS CONDUCTORES CASO: Selección del calibre óptimo del conductor. Calibre Resistencia ΔV Ohms/km L (km) Ohms Volts % 1/ % 2/ % 3/ % 4/ % % % % % % % %
23 OPTIMIZACIÓN DEL CALIBRE DE LOS CONDUCTORES CASO: Selección del calibre óptimo del conductor. Calibre Pérdidas 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, $48, * i = 8% n = 20 años
24 OPTIMIZACIÓN DEL CALIBRE DE LOS CONDUCTORES CASO: Selección del calibre óptimo del conductor. Calibre Precio Unit Inversión Costo Total ($/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, $401,718.02
25 OPTIMIZACIÓN DEL CALIBRE DE LOS CONDUCTORES CASO: Selección del calibre óptimo del conductor. 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
26 EL MOTOR ELÉCTRICO SUMINISTRO DE ENERGÍA ELÉCTRICA PÉRDIDAS ENERGÍA ÚTIL ENERGÍA MANOMÉTRICA ENERGÍA MECANICA
27 Eficiencia de Motores Eléctricos Energía eléctrica de entrada Energía mecánica de salida Pérdidas en forma de calor η m = Pm / Pe
28 Eficiencia de Motores Eléctricos Eficiencia típica de motores estándar de inducción tipo jaula de ardilla de 1800 RPP Ef ic ie n c ia ( % ) Carga (%) 1 HP 10 HP 100 HP
29 Eficiencia de Motores Eléctricos Características del Motor de Alta Eficiencia Utilización de acero con mejores propiedades magnéticas Reducción del espesor de la laminación Reducción del entre hierro Incremento en el calibre de los conductores Utilización de ventiladores y sistemas de enfriamiento más eficientes. Utilización de mejores materiales aislantes Rodamientos de alta calidad y lubricante de mejor viscosidad
30 Eficiencia de Motores Eléctricos Un motor de Alta Eficiencia, presenta un menor consumo de energía que uno estándar, por lo que la utilización de motores de alta eficiencia, repercutirá en una disminución de entre 2 y 3% del consumo de energía del motor ALTA EFICIENCIA EFICIENCIA ESTÁNDARD
31 Eficiencia de Motores Eléctricos Un motor que ha sido reparado (rebobinado) pierde entre 2 y 3 % de su eficiencia en el proceso de reparación EFICIENCIA ESTÁNDARD MOTOR REPARADO
32 Eficiencia de Motores Eléctricos Sustituir motores viejos, con varios rebobinados en su historia, por motores nuevos de alta eficiencia, produce ahorros de entre 4 y 6% del consumo de energía. ALTA EFICIENCIA Ahorro del 4 al 6% MOTOR REPARADO
33 LA BOMBA SUMINISTRO DE ENERGÍA ELÉCTRICA PÉRDIDAS ENERGÍA ÚTIL ENERGÍA MANOMÉTRICA ENERGÍA MECANICA
34 AHORRO DE ENERGÍA EN BOMBAS CENTRÍFUGAS Potencia Mecánica Potencia Hidráulica Pérdidas Las Bombas son máquinas que transforman la potencia mecánica en potencia hidráulica.
35 AHORRO DE ENERGÍA EN BOMBAS CENTRÍFUGAS POTENCIA HIDRÁULICA La Potencia Hidráulica es Proporcional a la Carga por el Gasto Ph = 12 Ph = 36 Carga Ph = 12 Ph = 1 Ph = 12 Ph = 12 Ph = 12 Gasto
36 AHORRO DE ENERGÍA EN BOMBAS CENTRÍFUGAS PROBLEMÁTICA Muchas bombas se encuentran trabajando fuera de su zona óptima de diseño, lo que se traduce en bajas eficiencias de operación.
37 AHORRO DE ENERGÍA EN BOMBAS CENTRÍFUGAS Punto 66% de Operación 85% Punto de Diseño
38 CURVAS DE OPERACIÓN DE BOMBAS CENTRÍFUGAS CA RG A Alta temperatura de operación Cavitación por bajo flujo Reducción de la vida de los impulsores Recirculación en la succión Recirculación en la descarga Cavitación por falta de NPSH Zona óptima CAUDAL
39 EFICIENCIA ELECTROMECÁNICA Pe Pm Ph η m η b η em = Ph / Pe
40 AHORRO DE ENERGÍA EN BOMBAS CENTRÍFUGAS Ejemplo de Evaluación de la Eficiencia Descripcion 1er.Prueba2da.Prueba3er.Prueba Gasto (l.p.s.) Presión M. (kg/cm2) N.Dinámico (Mts.) Potencia Eléctrica (KW) Dist. del N. de R. al Manómetro Diámetro de la columna (Pulg.) Perdidas por friccion (mts.) Carga (mca) Potencia Hidraulica Eficiencia Electromecanica (%) 52.1% 40.8% 30.2%
41 AHORRO DE ENERGÍA EN BOMBAS CENTRÍFUGAS 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
42 AHORRO DE ENERGÍA EN BOMBAS CENTRÍFUGAS NOM-001-ENER Intervalo de Gasto Eficiencia Mínima Número de Pasos
43 AHORRO DE ENERGÍA EN BOMBAS CENTRÍFUGAS NOM-006-ENER Intervalos de Potencias kw HP Eficiencia Electromecánica ( % )
44 AHORRO DE ENERGÍA EN BOMBAS CENTRÍFUGAS NOM-010-ENER Valores de referencia para la eficiencia de la bomba sumergible Capacidad de la Bomba (l/s) 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
45 AHORRO DE ENERGÍA EN BOMBAS CENTRÍFUGAS kw Motor NOM-010-ENER Valores de referencia para la eficiencia del motor sumergible 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 60 87
46 AHORRO DE ENERGÍA EN BOMBAS CENTRÍFUGAS CASO DE EJEMPLO C D B A Nivel de Agua
47 AHORRO DE ENERGÍA EN BOMBAS CENTRÍFUGAS 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: Presión de descarga: Potencia eléctrica: Tipo de bomba: CASO DE EJEMPLO Potencia nominal del Motor: Pfr = 0.3 mca Pr = 1.3 kg/cm2 Pe = kw Turbina Vertical 150 HP
48 AHORRO DE ENERGÍA EN BOMBAS CENTRÍFUGAS CASO DE EJEMPLO Cálculo de la carga de Bombeo: H = Nd + Dnr + Pfr + (Pr * 10) = (1.3 *10) = 76.3 mca
49 AHORRO DE ENERGÍA EN BOMBAS CENTRÍFUGAS CASO DE EJEMPLO Cálculo de la Potencia Manométrica: Ph = Q * H * ρ * g = * 76.3 *1000 * 9.81 = 45,659 Watts = kw
50 AHORRO DE ENERGÍA EN BOMBAS CENTRÍFUGAS CASO DE EJEMPLO Cálculo de la Eficiencia Electromecánica: Eem = Ph / Pe = / = = 43.37%
51 AHORRO DE ENERGÍA EN BOMBAS CENTRÍFUGAS 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
52 AHORRO DE ENERGÍA EN BOMBAS CENTRÍFUGAS CASO DE EJEMPLO 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
53 SISTEMA DE CONDUCCIÓN SUMINISTRO DE ENERGÍA ELÉCTRICA PÉRDIDAS ENERGÍA ÚTIL ENERGÍA MANOMÉTRICA ENERGÍA MECANICA
54 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
55 BOMBAS OPERANDO EN PARALELO 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
56 APLICACIÓN DE VELOCIDAD VARIABLE Potencia de Bombeo 100 Carga (H) H1 Ph = Q1 x H1 (Q1, H1) Gasto (Q) Q1
57 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
58 APLICACIÓN DE VELOCIDAD VARIABLE 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
59 APLICACIÓN DE VELOCIDAD VARIABLE 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
60 APLICACIÓN DE VELOCIDAD VARIABLE CASO: Con un equipo de bombeo se riegan por tandeo tres campos de cultivo. En virtud de que los requerimientos de agua son diferentes para cada uno de los campos, el gasto se regula por medio de la válvula de descarga de la bomba
61 RESULTADO DEL MONITOREO Hora Pr. Q Pe (mca) (lps) kw 00: : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :
62 Perfil de Carga y Gasto Actual Presión Gasto :00 06:00 12:00 18:00 00:00 HORA Presión Gasto
63 CONSUMO DE ENERGÍA ACTUAL Hora Pr. Ph Pe Efic E (mca) kw kw em kw h 00: % 00: % : % : % : % : % : % : % : % : % : % : % : % : % : % : : : : : : % : % : % : % : % : % : % : % :00 TOTAL: %
64 APLICACIÓN DE VELOCIDAD VARIABLE PROPUESTA: Instalar un Variador de Velocidad, para regular el gasto, y dejar la válvula de descarga permanente abierta.
65 Perfil de Carga y Gasto Con Variador Presión :00 06:00 12:00 18:00 00:00 HORA Presión Gasto Gasto
66 Perfil de Potencia Manométrica kw :00 06:00 12:00 18:00 00:00 HORA Actual Esperada kw Perfil de Potencia Eléctrica :00 06:00 12:00 18:00 00:00 HORA Actual Esperada
67 PROPUESTA AHORRO Hora Pr Ph Pe E E (mca) (kw) (kw) kwh kwh/día 00: : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : TOTAL:
68 RESUMEN Parámetro Actual Esperado Ahorro Unidad Consumo de energía por día de riego 2,175 1, kwh/día Número de días de riego al año días/año Consumo de energía anual 565, , ,685 kwh/año Costo Unitario de la energía $/kwh Importe de facturación anual 260, , , $/año
69 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
70 MUCHAS GRACIAS Ing. Ramón Rosas Moya Tel
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