Variadores de Velocidad en el sector industrial: Eficiencia Energética A Coruña 21 de Octubre de 2009

Transcripción

1 Variadores de Velocidad en el sector industrial: Eficiencia Energética A Coruña 21 de Octubre de 2009

2 Índice 1 2 Presentación Introducción a los Variadores de Velocidad 3 Métodos de control 4 Comparación de métodos 5 Ventajas 6 Aplicaciones 2

3 Presentación 1 Algunas cifras El 60% de la Energía consumida en Galicia se corresponde con la energía consumida por los equipos motrices (motores, bombas, compresores, etc.) Todas estas aplicaciones son susceptibles de implementación de Arrancadores Suaves y Variadores de Velocidad Variadores de Velocidad: Con la Instalación de equipos de variación de velocidad. Se pueden conseguir en función de la aplicación unos ahorros energéticos de entre un 15 y un 50%. Significaría hasta 2400 GWh/año o 1 millón de toneladas de CO2. 3

4 1 Presentación Factores que influyen en la Eficiencia Energética Cultura Energética Una de cada cuatro empresas tiene conocimientos sobre ahorro y eficiencia energética. Menos del 9 5% consultan información relacionada con estos temas. Mantenimiento Las empresas consideran que dedican pocos recursos a las labores de mantenimiento de equipos consumidores de energía. Control Energético Solo un 9% de las empresas han contratado algún servicio energético (auditorías y diagnósticos) en los tres últimos años. Un 25% de las empresas realizan algún tipo de control para identificar excesos de consumo energético. Innovación Tecnológica Bajo uso de Variadores de Velocidad. No existe Control de fugas en Aire comprimido. Baja utilización de sistemas de Regulación de Iluminación. Desconocimiento de Categorías de Motores Eficientes. 4

5 Índice 1 2 Presentación Introducción a los Variadores de Velocidad 3 Métodos de control 4 Comparación de métodos 5 Ventajas 6 Aplicaciones 5

6 2 Introducción a los Variadores de Velocidad Uso de Variadores de Velocidad para ahorro energético Un equipo accionado mediante un variador de velocidad emplea generalmente menos energía que si dicho equipo fuera activado a una velocidad fija constante. Los ventiladores, cintas transportadoras, bombas y compresores representan las aplicaciones más habituales. Por ejemplo: Cuando una bomba es impulsada por un motor que opera a velocidad fija, el flujo producido puede ser mayor al necesario. Para ello, el flujo podría regularse mediante una válvula de control dejando estable la velocidad de la bomba. Resulta mucho más eficiente regular dicho flujo controlando la velocidad del motor, en lugar de restringirlo por medio de la válvula, ya que el motor no consumirá una energía no aprovechada. 6

7 2 Introducción a los Variadores de Velocidad Aproximación a las curvas de bombas y sistemas hidráulicos H H2 H1 Curva ideal de la bomba Q n 0 n 1 Si la velocidad disminuye, el caudal disminuye ( y viceversa ) n 0 Q1 H1 Q2 Q1 Q Q2 H1 n 1 7

8 2 Curvas reales, punto de operación Introducción a los Variadores de Velocidad Hst + Hdin H 100 n 0 = 1490 rpm R 0 Punto de operación Hdin 50 Hst Q 0 M Bomba Q Sistema R0 Hst + Hdin Hst Hst Q0 n0 Q 0 8

9 2 Fórmulas, leyes de afinidad Introducción a los Variadores de Velocidad H n 0 = 1490 rpm R 0 Caudal = Q 1 / Q 0 = n 1 / n 2 Hst + Hdin 100 Altura = H 1 / H 0 = (n 1 / n 2 ) 2 Hdin = k.q 2 50 área Q x H Potencia = P 1 / P 0 = (n 1 / n 2 ) 3 Hst H = Hst + Hdin = H st + k.q Q0 Q l/s Potencia = ρ x g η Q x H Potencia α área Q x H 9

10 Índice Presentación Introducción Variadores de Velocidad Métodos de control 4 Comparación de métodos 5 Ventajas 6 Aplicaciones 7 10

11 3 Métodos de control Control de Q Marcha - Paro Objetivo: establecer Q = 70 l/s H 100 n 0 = 1490 rpm R 0 Punto de operación Método: 70% del tiempo Marcha 30% del tiempo Paro 50 Potencia: 0,7 x 100 kw + 0,3 x 0 kw Hst P = 70 kw Q1 Q0 Q Q1 (promedio) Paro March a M Hst + Hdin R0 Hst Hst n0 Q1 (promedio) 11

12 3 Métodos de control Control de Q Estrangulamiento H n 0 = 1490 rpm R 1 Nuevo punto de operación R 0 Objetivo: establecer Q = 70 l/s Método: aumentar la restricción del sistema, de R0 a R1, mediante estrangulación de la válvula. Disminuye Q pero aumenta H 50 Hst Potencia: proporcional al área H x Q 1,18 x 70 P = 82,6 kw Q 1 Q 0 Q Q1 M Hst + Hdin Q 1 n0 R1 H st Hst 12

13 H Hst 3 Métodos de control Control de Q Derivación n 0 = 1490 rpm R 0 Nuevo punto de operación R 2 Objetivo: establecer Q = 70 l/s Método: disminuir la restricción del sistema, de R 0 a R 2, mediante alivio de la válvula by-pass. Disminuye H aplicado a la válvula R 0 y, por ende, disminuye Q a la salida. Potencia: prop. al área H x Q 0,6 x 135 P = 81 kw Q1 Q0 Qt Q Q1 R M Q Hst + Hdin R0 Hst Hst n0 Qt R 2 Q1 es la restricción total vista desde la bomba 13

14 3 Métodos de control Control de Q Variación de velocidad Objetivo: establecer Q = 70 l/s H 100 n 0 = 1490 rpm n 2 = 1116 rpm R 0 Nuevo punto de operación Método: disminuir la velocidad de la bomba desde la nominal del motor hasta aquella en que el punto de operación con R 0 imponga Q = 70 Reduce simultáneamente H y Q Potencia: prop. al área H x Q 0,6 x 70 Hst P = 42 kw Q Q1 Q0 Q1 ASD M Hst + Hdin R0 Hst Hst n2 Q 1 14

15 Índice Presentación Introducción Métodos de control 4 4 Comparación de métodos 5 Ventajas 6 Aplicaciones 15

16 4 Comparación de métodos Comparativa Tiempo Caudal Método Marcha - Paro Estrangulación Derivación Variador de Velocidad hs % l / s kw MWh kw MWh kw MWh rpm kw MWh Diferencia de consumos frente al variador de velocidad H R Hst n 0 = 1490 rpm n 1 = 1393 rpm n 2 = 1116 rpm n 3 = 943 rpm Q Ahorros: Q Variador vs. Marcha-Paro Variador vs. Estrangulación Variador vs. Derivación La distribución de tiempos influye en el coste energético final. 16

17 Comparación de métodos 4 Conclusión Coste aproximado de instalación de un convertidor de frecuencia para el accionamiento de una bomba centrífuga de 100 kw: Coste aproximado del convertidor de frecuencia con instalación Tiempo de recuperación de la inversión Variador de Velocidad vs. Marcha Paro < 1 año Variador de Velocidad vs. Estrangulación < ½ año Variador de Velocidad vs. Derivación < ½ año 17

18 Índice Presentación Introducción Métodos de control 4 Comparación de métodos 5 Ventajas 6 Aplicaciones 6 18

19 5 Ventajas Variadores de Velocidad El convertidor de frecuencia incrementa drásticamente el ahorro energético. Se puede utilizar el motor existente. Arranque suave, con baja intensidad de corriente. Evita golpes de ariete. Reduce desgaste del sistema y equipamiento. Reduce el ruido ambiente. Lo determinante en el ahorro de energía es el método de regulación. Mejoras adicionales, de segundo orden: El convertidor de frecuencia mejora el cos ϕ (aprox = 1 vs. 0,86) Disminuiremos las baterías de Condensadores de compensación de Energía Reactiva 19

20 Índice Presentación Introducción Métodos de control 4 Comparación de métodos 5 Ventajas 6 Aplicaciones 20

21 6 Aplicaciones Variadores de Velocidad Depuración, bombeos y abastecimiento de aguas. Sistemas de riego. Regulación de aire en sistemas de soplado y ventilación. Compresores de climatización y frío industrial y grupos de presión de maquinaria hidráulica. Ventiladores de chorro para ventilación en túneles. EnergyLab_PID_BOMBAS.ppt EnergyLab_PID_ÁRIDOS.ppt 21

22 Clasificación energética de Motores Eléctricos: Eficiencia Energética A Coruña 21 de Octubre de

23 1 Motores de Alta eficiencia Motores eficientes para optimizar la eficiencia energética En la industria cerca del 42% de la energía eléctrica se "consume" en motores eléctricos trifásicos de inducción tipo jaula de ardilla. Un motor eléctrico consume en su funcionamiento unas cien veces más de lo que costó su compra. Hay tres niveles de eficiencia que se clasifican como EFF3, EFF2 y EFF1 Qué se adquiere cuando se compra un motor EFF1?: Un motor EFF1 reduce las pérdidas de energía hasta en un 40%. El mayor precio de compra se recupera a corto plazo, comparado con la vida útil del motor eléctrico. 23

24 1 Motores de Alta eficiencia Motores eficientes para optimizar la eficiencia energética El empleo de motores de alta eficiencia (EFF1) y Variador de velocidad reducirá los requerimientos energéticos con la consiguiente reducción de emisiones contaminantes. La sustitución de todos los motores convencionales de clase EFF3 por motores EFF2 supondría el ahorro de hasta 6TWh al año. Esto supone que, con un precio de la electricidad de 0,09 por kwh, Europa ahorraría más de 540 millones de al año. 24

25 2 Clasificación de la Clase del Motor Tablas de clasificación: CEMEP Motores de cuatro polos kw EFF3 EFF2 EFF1 η n η n η n 1.1 < 76.2 >= 76.2 >= < 78.5 >= 78.5 >= < 81.0 >= 81.0 >= < 82.6 >= 82.6 >= < 84.2 >= 84.2 >= < 85.7 >= 85.7 >= < 87.0 >= 87.0 >= < 88.4 >= 88.4 >= < 89.4 >= 89.4 >= < 90.0 >= 90.0 >= < 90.5 >= 90.5 >= < 91.4 >= 91.4 >= < 92.0 >= 92.0 >= < 92.5 >= 92.5 >= < 93.0 >= 93.0 >= < 93.6 >= 93.6 >= < 93.9 >= 93.9 >=

26 2 Clasificación de la Clase del Motor Clasificación según IEC :

27 3 Evaluación Financiera Ahorro financiero Cálculo rápido: Ahorro anual ( /año) = hrs x kw x %Pot x /kwh x (1/η std - 1/η HEM ) Donde: Hrs = tiempo de utilización anual (en horas) kw = potencia del motor (en kw) %Pot = fracción de plena carga a que trabaja el motor /kwh = coste de la electricidad (en /kwh) η std = eficiencia de un motor estándar (EFF3) η HEM = eficiencia de un motor HEM Estimación razonable será suponer una eficiencia energética en el límite entre las de las clases EFF 2 y 3 para un motor que nunca se ha reparado. Si el motor se ha reparado, pérdida adicional de eficiencia del 0,5% por cada reparación. 27

28 4 Ejemplo de Aplicación Caso Real Tiempo de Funcionamiento / año (h/año) Motor cuatro polos y 15 kw, acciona bomba centrifuga de agua, trabaja a plena carga 6000 horas al año. Potencia del Motor (kw) Coste de la Energí a ( /kwh ) Rdto. Motor de baja Eficiencia (EFF3) ηstd Rdto. Motor de alta Eficiencia (EFF1) ηhem Ahorro total / Año ( /año) Coste del Motor EFF1 ( ) Tiempo retorno Inversión (TR) (años) ,09 88,20 91,8 480, , ,09 83,20 91,8 1216, , ,09 88,20 91,8 360, , ,09 91, , , ,09 92, , , ,09 88, , , ,09 81, , , ,09 88, , , ,09 91, , ,84 Ahorro anual ( /año) = 8000 x 75 x 100% x 0,09 x (1/88.2 1/95) 28

29 5 Ejemplo de Aplicación Resultados Ahorro anual de energía: A = 4382,38 /Año El Tiempo de retorno de inversión TR (años) será: TR = VC A Siendo VC el Valor de compra ( ) y A el Ahorro Anual ( /año). Motor EFF3 : P= 75 kw η std = 88,2 % Sustitución Motor EFF1 : P= 75 kw η HEM = 95 % TR 20 meses VC = 7200 A = 4382,38 /Año Inversión amortizada en un tiempo de alrededor de año y medio 29

30 Eficiencia Energética en Sistemas de Aire Comprimido: Eficiencia Energética A Coruña 21 de Octubre de

31 1 EFICIENCIA ENERGETICA EN SISTEMAS DE AIRE COMPRIMIDO Aspectos generales Se puede considerar la potencia suministrada al compresor como proporcional al caudal de aire y al aumento de presión. P = Q x (P 2 P 1 ) (1) El caudal Q y el aumento de presión dependen del diseño del equipo y de las condiciones de operación, en particular de la velocidad de rotación (Variadores de velocidad). De la ecuación (1) resulta que la demanda de potencia puede reducirse mediante la reducción del caudal o la diferencia de presiones. 31

32 2 EFICIENCIA ENERGETICA EN SISTEMAS DE AIRE COMPRIMIDO Oportunidades de ahorro: Reducción de fugas El caudal total que circula en los compresores de aire es una función de la carga del equipo (número de máquinas que demandan presión) y las pérdidas por fugas. Las fugas de aire comprimido son la mayor y más importante fuente de desperdicio de energía en la mayoría de estos sistemas. El volumen de pérdidas aumenta con la presión y las horas de operación del sistema. Las fugas en aire comprimido suponen unas pérdidas de entre el 20 y el 30 % de la potencia del compresor. 32

33 2 EFICIENCIA ENERGETICA EN SISTEMAS DE AIRE COMPRIMIDO Oportunidades de ahorro: Reducción de fugas Las pérdidas de aire aumentan en función directamente proporcional al cuadrado del diámetro del agujero. El coste que representan las fugas puede encontrarse multiplicando la cantidad de aire desperdiciado, por la energía necesaria para comprimirlo a la presión del sistema y por el coste de la energía: Costes asociados a Pérdidas de aire Comprimido ( ) = Q aire desperdiciado [m 3 /min] x x Energía [kwh/m 3 /min] x x Precio Energía [ /kwh] 33

34 2 EFICIENCIA ENERGETICA EN SISTEMAS DE AIRE COMPRIMIDO Oportunidades de ahorro: Reducción de fugas La reparación de fugas es una operación sencilla y barata que debería ser parte del mantenimiento, pero en la industria no se realiza de forma general. Fuga causada por un agujero de diámetro (mm) Fuga de aire a 6 bar (l/s) Potencia adicional del compresor requerida (kw) Aumento anual del coste de la energía (0,09 / kwh) 1 1 0,3 235, , , , , , ,92 34

35 3 EFICIENCIA ENERGETICA EN SISTEMAS DE AIRE COMPRIMIDO Oportunidades de ahorro: Reducción de presión La lubricación correcta y el mantenimiento apropiado de las transmisiones reduce muchos consumos energéticos y aumenta la vida útil de la maquinaria. La limpieza y la sustitución de los filtros de aire de succión son técnicas de mantenimiento eficientes: Las pérdidas de presión a través de filtros sucios causan una presión negativa en la cámara de succión y aumenta el factor (P2 - P1) de la ecuación (1). P = Q x (P 2 P 1 ) (1) (1) 35

36 3 EFICIENCIA ENERGETICA EN SISTEMAS DE AIRE COMPRIMIDO Oportunidades de ahorro: Reducción de presión El ajuste de presión debe hacerse un poco más alto que el correspondiente a las demandas del equipo, para compensar las caídas de presión que hubiese en las líneas de distribución. Las caídas de presión son proporcionales a la longitud de las líneas y al cuadrado de la velocidad frontal del gas que se mueve dentro de ellas. La velocidad del gas a su vez, es igual a: V = Q / A = 4 Q / d 2 (para tuberías circulares) (Siendo d el diámetro interior de la tubería y Q el caudal) 36

37 3 EFICIENCIA ENERGETICA EN SISTEMAS DE AIRE COMPRIMIDO Oportunidades de ahorro: Reducción de presión Las pérdidas por fricción en el sistema pueden reducirse, colocando los compresores cerca de los puntos de consumo, aumentando el diámetro de las tuberías de distribución y eliminando fugas. Conviene también examinar las posibilidades y las ventajas de instalar varios sistemas para varias presiones, ya que, por lo general, son pocos los equipos que demandan altas cantidades de aire. 37

38 Desde EnergyLab queremos darle las Gracias por su atención EnergyLab_PID_BOMBAS.ppt EnergyLab_PID_ÁRIDOS.ppt 38

39 César Barreira Pazos Edificio Isaac Newton. Lagoas Marcosende, s/n , Vigo. T_ F_