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¡Descarga sobre energias limpioas y renovables y más Monografías, Ensayos en PDF de Ingenieria Eléctrica solo en Docsity! USO EFICIENTE DE LA ENERGIA ELECTRICA 1 • INDICE 1. INTRODUCCION .................................................................................................................... 2 2. IDENTIFICACION DE OPCIONES TECNOLOGICAS TENDIENTES A AUMENTAR LA EFICIENCIA EN EL USO DE LA ELECTRICIDAD ....................................... 3 2.1 Tecnologías para aumentar la eficiencia en el uso de la electricidad a nivel de usuarios .. 5 2.1.1 Los motores eficientes ................................................................................................ 5 2.1.2 Transmisiones para motores ...................................................................................... 8 2.1.3 Cóntroladores electrónicos de velocidad ..................................................................... 9 2.1.4 Bombas y ventiladores ............................................................................................... 9 2.1.5 Automatización y control de procesos ........................................................................ 10 2.1.6 Electrotermia y recuperación de calor ........................................................................ 10 2.1.7 Iluminación ................................................................................................................ 10 2.1.8 Refrigeradores eficientes ............................................................................................ 12 2.1.9 Refrigeración industrial y comercial ........................................................................... 12 2.1.10 Computadores ........................................................................................................... 13 2.1.11 Eficiencia en sistemas de distribución de electricidad de los usuarios industriales, comerciales y de servicios .......................................................................................... 13 2.1.12 Adecuada mantención (Good Housekeeping) .............................................................. 16 3. LA EVALUACION ECONOMICA DE LOS PROYECTOS DE EFICIENCIA ENERGETICA ........................................................................................................................ 17 3.1. Introducción ................................................................................................................... 17 3.2. Métodos generales para evaluar inversiones en eficiencia energética .............................. 17 3.2.1 Período de recuperación simple (PRS) ....................................................................... 18 3.2.2 Período de recuperación descontada (PRD) ............................................................... 18 3.2.3 Tasa interna de retorno(TIR) ..................................................................................... 19 3.2.4 Costo del ciclo de vida (CCV) y costo del ciclo de vida anualizado (CCVA) ................ 19 3.2.5 Costo de ahorrar energía (CAE) ................................................................................. 19 3.3 Aplicaciones de la metodología de evaluación de proyectos de eficiencia energética ....... 20 3.3.1 Aplicación de la metodología de evaluación a los motores eléctricos ........................ 20 3.3.2 La eficiencia energética en el cálculo de conductores y cables eléctricos .................. 23 3.3.3 Optimización de un sistema de iluminación en una planta industrial ...................... 26 4. HERRAMIENTAS COMPUTACIONALES PARA SELECCIONAR ENERGETICA Y ECONOMICAMENTE CONDUCTORES Y MOTORES ELECTRICOS ...................................... 27 4.1 Características principales del Programa Evalsel 2.1 ....................................................... 27 4.1.1 Descripción general ..................................................................................................... 27 4.1.2 Características del programa ...................................................................................... 28 4.1.3 Bases matemáticas del programa ............................................................................... 28 4.2 Características generales de Evamotor 1.0 ...................................................................... 30 4.2.1 Introducción ................................................................................................................. 30 4.2.2 Secuencia de operación de EVAMOTOR 1.0 ................................................................. 31 4.2.3 Fórmulas matemáticas de EVAMOTOR 1.0 ................................................................. 31 4 • Por otra parte, el cuadro siguiente identifica: los principales sectores consumidores, los principales usos finales de electricidad y las tecnologías utilizadas así como aquellas opciones que permiten optimizar el uso de aquella. En las páginas siguientes se resumen los aspectos más relevantes relativos a las principales tecnologías eficientes y las medidas para utilizar racionalmente la electricidad. Se ha considerado sólo las tecnologías más conocidas en el país y cuya rentabilidad para los usuarios ha sido suficientemente comprobada. En el caso de un proyecto específico se sugiere considerar las sinergias de los sistemas usuarios de electricidad, ya que es ampliamente conocido que este enfoque permite economías significativas y muy superiores a la suma de aquellas que se obtienen al abordar independientemente cada uno de los componentes del sistema. Cuadro 2 Sectores, usos finales y opciones tecnológicas de eficiencia energética. Sector consumidor Uso final Tecnologías/medidas Industria/minería Fuerza motriz Motor estándar Motor eficiente ASD + motor Dimensionamiento de la carga Iluminación Incandescente Fluorescente + ballast electromagnético Fluorescente + ballast electrónico Vapor de mercurio o sodio Canoas de alta reflexión Luz natural Residencial Iluminación Incandecente Fluorescente + ballast electromagnético Fluorescente compacta Canoas de alta reflexión Luz natural Climatización Ventiladores Aire acondicionado Ventilación natural Refrigeración Refrigeración eficiente Comercial Iluminación Incandecente Fluorescente + ballast electromagnético Fluorescente + ballast electrónico Vapor de mercurio o sodio Canoas de alta reflexión Luz natural Sensores de ocupación Comercio Climatización Ventiladores Aire acondiconado Ventilación natural Refrigeración Refrigeración eficiente Agua caliente Bombas de calor Calefacción Bombas de calor 5 • A modo de ejemplo, el optimizar el sistema red de alimentación, motor; acoplamiento, reductores, equipo usuario (bomba), tuberías, etc. permite alcanzar ahorros mucho mayores que los estimados por este estudio al considerar la mejora de algunos de los componentes del sistema, como se demostrará en un ejemplo gráfico presentado más adelante. 2.1 Tecnologías para aumentar la eficiencia en el uso de la electrlcidad a nivel de usuarios Conjuntamente con considerar la incorporación de tecnologías energéticamente eficientes debe tomarse en cuenta, además, el que una opción de elevado efecto y bajo costo tiene que ver con la adopción de adecuadas prácticas de operación y mantención de los equipos, las que normalmente constituyen una de las primeras medidas que adoptan las empresas que abordan estrategias de mejoramiento de la eficiencia con que se usa la electricidad. A continuación se describen brevemente las opciones disponibles para el empresario o usuario, el proyectista y el instalador eléctrico, indicando cuando corresponda, los rendimientos habituales de los equipos estándares y eficientes. En el capítulo III se describe conceptualmente la forma de evaluar económicamente distintos proyectos de eficien- cia y se presentan ejemplos que permiten ilustrar la aplicación de la metodología propuesta. Por su parte, el Capítulo IV incorpora una descripción y forma de uso de los programas computaciones EVALSEL 2.1 y EVAMOTOR 1.0, herramientas destinadas a apoyar a los proyectistas en una adecuada selección de los cables de distribución y los motores eléctricos. 2.1.1 Los motores eficientes Para una mejor comprensión de las características de los motores eficientes, en este punto, se introducen algunos elementos que relacionan el concepto de eficiencia y las fuentes de pérdidas, para luego describir los principales elementos relativos a motores eficientes10,11. a) La eficiencia de los motores eléctricos La eficiencia o rendimiento se puede definir como el cuociente entre la potencia mecánica de salida del motor y la potencia eléctrica entregada al mismo, siendo las pérdidas la diferencia entre la potencia eléctrica y la mecánica. En el cuadro siguiente se muestra la evolución de la eficiencia de los motores a lo largo del tiempo, lo que permite estimar el rendimiento de un motor instalado en una industria o faena minera, cuando la placa no lo indica pero se conoce aproximadamente el año de fabricación o instalación. Cuadro 3 Evolución del rendimiento de los motores eléctricos (en %) Potencia en HP AÑOS 1944 1995 1965 1981 1991 7,5 84,5 87,0 84,0 91,0 91,7 15 87,0 89,5 88,0 92,4 93,0 25 89,5 90,5 89,0 93,6 94,1 50 90,5 91,0 91,5 94,1 94,5 75 91,0 90,5 91,5 95,0 95,4 100 91,5 92,0 92,0 95,0 96,2 Fuente:Andreas, J.C., «Energy Efficient Electric Motor». Editorial Marcel Decker, New York, 1992. [10] S. Nadel y M. Shepard, Energy Efficient Motor Systems, ACEEE, 1991. [11] Walter Johnston, Eficiencia y Economía de la Energía Eléctrica para Sistemas Motrices Industriales; North Carolina State University, EE.UU., 1991 6 • Las distintas normas internacionales distinguen los motores eficientes de los estándar; en general, el rendimiento de los primeros, para distintos niveles de carga, es siempre superior al de los motores estándar12. Sin embargo, no existe una definición única a nivel mundial y es posible apreciar; incluso, dentro de un mismo país, motores eficientes que presentan rendimientos distintos según el fabricante, respetando eso sí las normas nacionales13. Una característi- ca importante de los motores de más de 100 HP resulta ser la similitud de las eficiencias a medida que aumenta el tamaño, llegando a ser prácticamente idénticas para los motores de mayor potencia. Conviene señalar que no siempre los fabricantes que presentan las mejores eficiencias para un determinado tipo de motor (potencia, número de polos, tipo de carcaza, etc.) lideran necesariamente las eficiencias para otros tipos, por lo que se sugiere, para evaluar proyectos de eficiencia, disponer de la información acerca de las características eléctricas y de precios de los principales fabricantes internacionales. Las tablas siguientes presentan las eficiencias nominales (para plena carga) de motores abiertos (ODP) de 1800 rpm, estándares y eficientes, manufacturados por distintos fabricantes. Cuadro 4 Eficiencias de motores estándares (ODP) de 1800 rpm de distintos fabricantes estadounidenses (en %) Fabricante Potencias en HP 1 2 3 5 7,5 10 25 50 75 100 200 Baldor 77,0 78,5 81,5 80,0 84,0 84,0 89,5 93,0 93,0 91,7 - GE 72,0 77,0 80,0 85,5 88,5 88,5 90,2 90,2 91,7 91,7 93,6 Lincoln 77,0 80,0 84,0 84,0 85,5 86,5 87,5 91,7 93,0 - 93,0 Marathon 77,0 81,6 81,5 85,5 84,0 86,5 88,5 90,2 91,7 93,0 94,5 Magne Tek 78,5 80,0 81,5 84,0 84,0 86,5 88,5 89,5 92,4 93,0 93,6 Reliance 77,0 77,0 80,0 82,5 85,5 86,5 87,5 90,2 90,2 90,2 92,4 Toshiba 77,0 80,0 82,5 82,5 86,5 87,5 90,2 91,0 92,4 92,4 93,6 US 78,5 85,5 80,0 81,5 84,0 84,0 89,5 91,0 91,0 91,0 94,1 Promedio 76,3 78,5 80,6 83,2 85,3 86,3 88,9 90,9 91,9 91,9 93,5 Fuente: American Council for an Energy-EfficientEconomy, «Energy-Efflcient motor Systems: a handbook on technology, program and policy opportunities»; 1991. Cuadro 5 Rendimientos en % de motores eficientes (ODP) de 1800 rpm, distintos fabricantes estadounidenses Fabricante Potencias en HP 1 2 3 5 7,5 10 25 50 75 100 200 Baldor 82,5 84,0 86,5 87,5 88,5 89,5 92,4 94,1 94,1 94,1 -- GE 84,0 84,0 89,5 89,5 91,7 91,7 94,1 94,5 95,4 96,2 96,2 Lincoln -- -- -- -- -- -- -- -- -- 93,6 -- Marathon 82,5 84,0 86,5 86,5 88,5 89,5 92,4 93,0 94,1 94,1 95,0 Magne Tek 82,5 84,0 89,5 89,5 91,7 91,0 93,6 94,5 95,4 95,4 96,2 Reliance 82,5 84,0 87,5 88,5 89,5 90,2 93,0 94,1 95,0 95,4 95,8 Toshiba 85,5 86,5 88,5 87,5 90,2 91,0 92,4 93,6 94,5 94,5 95,0 Us 85,5 85,5 86,5 88,5 89,5 90,2 -- 93,6 95,0 95,4 95,4 Promedio 83,6 84,6 87,8 88,2 89,9 90,4 93,0 93,9 94,8 94,8 95,6 Fuente: American council for en Energy-Efflcient Economy, «Energy-Efficient motor Systems: a handbook on technology, program and policy opportunities»1991. [12] Al respecto cabe señalar que las normas NEMA para el año 1987 y 1997, especifican los motores estándar y eficientes con sus características eléctricas y mecánicas correspondientes. [13] Las que constituyen el límite inferior. 9 • 2.1.3 Controladores electrónicos de velocidad Como ha sido señalado, los motores eléctricos dan cuenta del orden de 3/4 del uso de la electricidad en la industria, los cuales se emplean en el accionamiento de equipos tales como bombas, compresores, correas transportadoras, etc. Un variador de velocidad es un dispositivo electrónico que permite controlar la velocidad, el torque, la potencia y la dirección de un motor de corriente alterna (CA) o corriente continua (CC). Estos dispositivos permiten lograr considerables ahorros de energía en la operación de los motores eléctricos (ahorros de hasta 40%) y otros beneficios adicionales, tales como prolongación de la vida útil de los equipos acciona- dos por los motores, menor ruido, menos desgaste, mejor control y posibilidades de regeneración, en relación a los motores que no disponen de este dispositivo14,15,16 y 17. Estos equipos permiten regular el torque que entrega un equipo sin necesidad de recurrir a opciones antieconómicas, que demandan más energía de la requerida o que son impracticables en muchos casos; como es el caso de: la recirculación del fluido, la estrangulación del caudal mediante válvulas (throttle) y la detención del equipo (On-Off). En el Capítulo III, que presenta los sistemas de evaluación económica de la eficiencia energética se incluye un ejemplo que permite visualizar la forma de analizar los beneficios de esta opción. Como se verá, estos equipos tienen un costo por unidad de potencia elevado, sin embargo los ahorros de energía y otras consideraciones hacen rentable su incorporación en sistemas de flujo variable. 2.1.4 Bombas y ventiladores a) Bombas La gran mayoría de las bombas industriales son centrifugas. Según el Department of Energy (DOE) de los Estados Unidos, en 1980, el 75% de todas las bombas empleadas en los EE.UU. eran de este tipo, y consumían el 90% de la energía de bombeo. En la actualidad, se encuentran en el mercado bombas comparables en términos de capacidad, pero diferentes en su eficiencia (medida ésta como el cuociente entre la potencia entregada al fluido y la potencia entregada al eje de la bomba). Aun más, hay casos en que un mismo fabricante ofrece modelos eficientes e ineficientes (que difieren en hasta 8 puntos porcentuales). Si bien es difícil establecer conclusiones especificas, se han planteado dos observaciones generales: a) las bombas nuevas adecuadamente diseñadas y fabricadas presentan, en general, eficiencias medias 3-5 puntos -porcentuales mayores que las del parque existente; b) las bombas nuevas más eficientes tienen eficiencias 3-5 puntos porcentuales mayores que el promedio de las bombas nuevas. En cuanto a los aspectos económicos, un estudio (DOE, 1980) estimaba que un 20% de incremento en el costo de la bomba atribuible a un diseño más eficiente, se traduce en una mejora de eficiencia de 10 puntos porcentuales en bombas pequeñas (menos de 4 kW) y de 2-3 puntos en bombas grandes (más de 40 kW). b) Ventiladores Típicamente los ventiladores presentan rendimientos de 75% a 80%, ello se debe, entre otras razones, a que los fabricantes han estimado preferible asegurar la confiabilidad de los equipos por sobre la mejora de su eficiencia. En general, como en el caso de las bombas, las economías de energía en el uso de los ventiladores presuponen una regulación del flujo, una optimización de la presión estática, una modificación o redimensionamiento del ventilador; el redimensionamiento del motor eléctrico y un adecuado mantenimiento. [14] S.F. Baldwin, «Energy-Efficient Electric Motor Drive Systems». [15] B.Johansson, B.Bodlund and R.H. Williams (eds.), «Electricity. Efficient End-Use and New Generation Technologies, and their Planning Implications»; Lund University Press, 1989. [16] Allen-Bradley co.,»Drives and Motion Controllers Catalog», Publication D104 April 1991. [17] L.J. Nilsson and E.D.Larson, «Adjustable Speed Drives», internal report, University of Luod-Environmental and Energy Systems Studies, 1989.»»»»»»»»»»»»»»»»»»» 10 • Un estudio realizado en Suecia da cuenta de un mayor costo de producción de 15% por concepto de un diseño más eficiente para los ventiladores, para un aumento de eficiencia de 10-20 puntos porcentuales. 2.1.5 Automatización y control de procesos En este ámbito se acostumbra a distinguir dos áreas: automatización y poder. En la primera ocupan un lugar predominante los Controladores Lógicos. En la segunda los dispositivos más representativos son los variadores (controladores electrónicos) de velocidad (Adjustable Electronic Speed Drives, ASD), que fueron tratados anteriormente. Al igual que en otros casos considerados en este capítulo, cabe señalar que los mayores ahorros de energía no provienen de acciones directamente concebidas para tal efecto sino que de esfuerzos que persiguen otros objetivos, como mejorar la calidad del producto, disminuir costos de operación, etc. Aquí se considerarán sólo a los controles computarizados de procesos y equipos asociados de monitoreo (sensores). Se puede afirmar que la gran mayoría de los procesos Industriales son susceptibles de ser automatizados en el sentidó indicado: combustión; transporte de materiales, chancado y molienda; piro- e hidro-metalurgia; generación, transmisión y distribución de energía, etc. 2.1.6 Electrotermia y recuperación de calor Los sistemas de recuperación de calor desplazan a las fuentes convencionales de energía (en algunos casos dicho calor puede servir para generar electricidad) y se usan en procesos que requieren una fuente constante de calor. La recuperación de calores de desecho en los procesos térmicos industriales puede significar; según la EPRI’18, ahorros de electricidad entre 5 y 25 %, situando el promedio entre 10 y 15 %. No es posible entregar datos económicos, ya que la tecnología de recuperación de calor, con impacto en el ahorro de electricidad, es eminentemente casuística. 2.1.7 Iluminación La selección de un sistema de iluminación es extraordinariamente compleja, ya que influyen un conjunto de parámetros de muy distinta índole. En forma simplificada se puede afirmar que ellos se vinculan tapto a requerimien- tos funcionales: exigencias de las tareas que se realizan en el área a iluminar; las respuestas ál color; exigencias estéticas y encandilamiento reducido o controlado como a requerimientos técnicos: densidad luminica, eficiencia (lúmenes/watt), sistemas de control, factor de potencia, vida útil y costo para el ciclo de vida. Igualmente, los análisis son distintos si se trata de proyectos nuevos o de optimización de los existentes. En este último caso, debe evaluarse técnica y económicamente la posibilidad de conservar parte de los componentes instala- dos o reemplazarlos por incompatibilidad técnica con los que se incorporan. Por otra parte, la selección de las opciones de iluminación depende del tipo de instalación y área de uso. En efecto, algunas de las alternativas disponibles son aplicables en forma preferencial en los galpones industriales (tubos fluorescentes), otras en el alumbrado público y exteriores de plantas industriales (lámparas de sodio de alta presión), en el sector comercio (halógenas, fluorescentes compactas y tubos fluorescentes) y en las residencias, según las áreas: incandescentes en zonas de baja ocupación y con exigencias estéticas, tubos fluorescentes en cocinas y baños, y fluorescentes compactas en áreas exteriores con uso diario prolongado. a) Lámparas fluorescentes compactas La alta eficiencia que presentan estas lámparas, su larga vida, su vasta variedad de tamaño, potencias y formas y una razonable respuesta al color; las hace recomendables como el adecuado reemplazo de lámparas incandescentes [18] Energy Efficiency. US Congress, op. cit. September 1993. 11 • comunes, especialmente debido a que su rosca las hace intercambiable con aquellas. Conviene indicar que no debe utilizarse esta lámpara en un circuito con reductor de luz (dimmer), debido a peligro de incendio. La eficiencia lumínica de una lámpara fluorescente compacta es de alrededor de 44 Lum/Watt19,20 mientras que la de una incandescente presenta tan sólo 11 Lum/Watt. Una lámpara incandescente en condiciones normales alcanza una vida media de 1,000 hrs mientras que una fluorescente compacta en las mismas condiciones dura alrededor de 10,000 hrs. El mayor rendimiento y vida útil de este tipo de lámparas debe contrastarse con el menor precio de las ampolletas incandescentes, al evaluar económicamente ambas alternativas.21 b) Lámparas de vapor de sodio de alta presión22 La alta eficiencia que presentan estas lámparas de descarga, su tamaño y el satisfactorio color de la luz (no debe desconocerse que estas lámparas producen una luz ligeramente amarilla), las hace recomendables para reemplazar las lámparas comúnmente utilizadas en el alumbrado público: lámparas de vapor de mercurio (descarga), lámparas de luz mixta (descarga y filamento) y lámparas incandescentes (filamento)23. Incluso, debido a su eficiencia, su costo de inversión puede ser menor que la lámpara de mercurio debido a que en ciertas condiciones se requieren menos lámparas. La eficiencia lumínica de las lámparas de sodio en alta presión, en promedio, es de 100 Lum/Watt mientras que una de mercurio es de 52 Lum/Watt y una mixta 25 Lum/Watt. La duración media (en laboratorio) de estas lámparas es de 24,000 hrs siendo similar a las de mercurio. La tasa de utilización de estas lámparas en el alumbrado público es de aproximadamente 4,100 horas/año lo que asegura, pese a sus mayores costos, un buen nivel de rentabilidad como alternativa de reemplazo frente a las común- mente utilizadas. c) Equipos fluorescentes eficientes 24 Los equipos fluorescentes para los espacios interiores y semi-interiores se componen de grupos de tubos fluorescentes pareados (2 tubos de 36 Watt ó 2 de 40 Watt25) acompañados de un ballast magnético por tubo y un reflector (luminaria multitubo). En general, los reflectores utilizados actualmente ofrecen indices de reflexión bajísimos, lo que produce pérdidas lumínicas de importancia. Durante los últimos años estos equipos han mejorado significativamente sus rendimientos, la fidelidad del color y la duración de la lámpara. En lo que respecta a la eficiencia global, se han introducido reflectores parabólicos de alta eficiencia. Estos permiten reflejar prácticamente toda la luz que da en el reflector y dirigirla hacia las superficies a iluminar. Este último reflector permite, en ciertos casos el reemplazo de dos tubos por uno26, con un 10% de disminu- ción del nivel de iluminación. Otro equipo a considerar es el ballast electrónico7, el que tiene una vida útil del orden de 10 años, un consumo de 1 a 3 Watt por tubo de 40 Watt. Este tipo de ballast posee además un factor de potencia cercano a 128 y genera una frecuencia de alimentación para la descarga eléctrica en los tubos de varios kHz, con lo que aumenta por lo menos en un 25% la producción de luz del tubo y mejora la calidad de la luz (eliminando el parpadeo, zumbido y efecto estroboscópico). Se puede mencionar que un ballast magnético normal dura alrededor de 4 años y tiene un consumo de 8 Watt o más por cada tubo de 40 Watt. [19] La medida iluminación utilizada por el sistema métrico corresponde a 1 lumen = llux/m2, que mide la intensidad lumínica de una fuente sobre una superficie de 1 m2. [20] Incluso, las tecnologías más avanzadas alcanzan a 60 ó más Lum/Watt. [21] En Chile, para los precios de las ampolletas y las tarifas vigentes, la opción fluorescente compacta es rentable cuando se utiliza más de 1.500 horas al año. [22] M. Shepard, Amory Lovins, The State of the Art: Appliances; Rocky Mountain Institute, August 1990. [23] Si hay exigencias de fidelidad de color; problemas por efecto estroboscópico, necesidad de prendida rápida, esta opción no es aplicable. Por el contrario, las lámparas halógenas o fluorescentes pueden ser la solución. [24] M. Shepard, Amory Lovins, op. cit. (1990). [25] En el estudio se supuso que sólo hay instalados tubos de 36 Watt, lo que representa una hipótesis conservadora. [26] O de 4 tubos por 3 ó 2 tubos. [27] En el comercio de EEUU se están introduciendo ballast electrónicos que soportan hasta 4 tubos fluorescentes lo que disminuye sustantivamente los costos. [28] El desarrollo tecnológico en esta área, ha dado adecuada respuesta a los problemas que estos equipos presentaban: bajo factor de potencia y generación de armónicas. 14 • La selección del tipo de cable depende además de los factores anteriores, de: la temperatura ambiente, de la humedad, de los esfuerzos mecánicos a los que está sometido (impacto y vibraciones), la composición química del ambiente exterior, las sobrecargas y las corrientes de corto-circuito previstas, el robo y vandalismo, los riesgos de fuego y explosión, etc. El incrementar el calibre de las líneas conduce a reducir las pérdidas eléctricas, opción que no debe adoptarse en forma mecánica ya que dicho incremento va acompañado de mayores costos de inversión. Los ejemplos que se presen- tan en el capitulo siguiente y en el capitulo destinado a ilustrar el uso de los programas computacionales EVALSEL y EVAMOTOR apuntan a explicitar el compromiso entre la reducción de los costos de operación y el aumento de los costos de inversión. En el caso del aumento del calibre de los conductores no sólo se debe considerar el mayor precio por metro del cable sino que además el de la instalación (que incluye mano de obra, torres de distribución y el resto de los componentes necesarios para la instalación de los cables y torres). Como es posible apreciar en los ejemplos que se presentan más adelante, el conductor seleccionado en base a los parámetros económicos puede tener 1 a 2 calibres más que el dimensionado en base a los parámetros técnicos solamente. A su vez, un conductor que está siendo utilizado por sobre su condición de diseño, cuando se reemplaza por un conductor del calibre inmediatamente superior permite obtener una disminución en las pérdidas significativas. En términos generales, la corrección del factor de potencia al nivel de los centros de consumo alivia la carga eléctrica de las líneas de distribución, lo que se traduce en una importante reducción de las pérdidas (dependiendo del factor de potencia inicial en la carga, se puede obtener desde un 10% hasta un 25% de reducción de las pérdidas). 40 En términos generales, el punto de equilibrio se determina en base al mínimo de los costos totales, lo que gráfica- mente se presenta en la Figura 1. La sección óptima se determina en base a maximizar el beneficio (B) expresado como la diferencia entre el ahorro de pérdidas (Ah) y el aumento de costos (AC): B(s) =Ah(s)-∆C(s) Ah(s) = Po - Perd (s) ∆C(s) = C(s) - Co [40] Los ahorros efectivos dependen del mayor o menor grado de concentración de las cargas, de los factores de potencia antes y después de la corrección, y del voltaje de distribución. Figura 1 Determinación del conductor de calibre óptimo C(s) Perd(s) Po 0 Co Smin Sección C(s) Perd(s) 15 • Si la pérdida se evalúa como sigue: con El ahorro será: donde: Perd(s) : Costo total por pérdidas [$], en función de la sección Ah(s) : Ahorro monetario debido al aumento de la sección, desde smin hasta s Pener : Tarifa eléctrica por unidad de energía [$/kWh] Ppot : Tarifa eléctrica por unidad de potencia [$/kW/mes] Pmax : Potencia máxima esperada [kWl V : Voltaje [kV] FP : Factor de potencia FC : Factor de carga Fperd : Factor de pérdida Nh : Número de horas mensuales trabajadas normalmente f : Número de fases (1 ó 3) r : Resistividad [ohm * mm2/m] s : Sección [mm2] t : Período de estudio [años] r : Tasa de descuento smin : Sección mínima b) Transformadores de distribución A pesar de que los transformadores de distribución tienen en términos relativos rendimientos elevados, el hecho que éstos estén normalmente conectados 24 horas al día y 365 días al año, determina que las pérdidas de estos equipos tengan incidencia en los costos de operación de los usuarios. Dada la importancia de las pérdidas que no dependen de la carga (pérdidas en el núcleo), el diseño de las subestaciones debe permitir, en la medida de lo posible, que se pueda desconectar uno o más transformadores duran- te los períodos en que la carga es reducida o nula. La selección de transformadores para un proyecto dado debe tomar en cuenta los costos de inversión de las distintas opciones, las pérdidas en el núcleo, el grado de carga de los transformadores, las pérdidas en el cobre o en carga y las tarifas pagadas por el usuario. El cuadro siguiente ilustra, a modo de ejemplo, los distintos rendimientos de un transformador de 25 kWA. Cuadro 9 Transformadores estándar y eficientes de 25 kWA Items Estándar Alta eficiencia Premium Costo capital (US$) 32O 370 410 510 680 680 Pérdidas en el núcleo (W) 95 75 70 65 58 18 Pérdidas en el cobre (W)* 300 200 170 150 130 150 Eficiencia (%) 98,44 98,91 99,05 99,15 99,25 99,33 Material núcleo Fe silicoso Id Id Id Id Amorfo Pérdidas kWh/año ** 2.768 1.927 1.682 1.507 1.318 1.177 Fuente: BIII Howe, «Distribution Transformers: a growing energy savings opportunity» E-Source, Tech Update, December 1993. Notas: * Plena carga ** Factor de carga 0,8 Perd (s) = ρx Pmax V f FP X 12 103 X [ FPerd PenerNh + PPot] X X 1 s (1+r) t - 1 r (1+r)t FPerd= 0,9 * FC 2 + 0,1 * FC Ah(s)= ρx Pmax V f FP X 12 10 3 X [ FPerd PenerNh + PPot] X 1 s (1+r)t - 1 r (1+r)t 1 Smin ( ( 2 ( ( 2 X 16 • Los análisis realizados parecieran indicar que, salvo casos muy especiales, no seria rentable reemplazar transfor- madores en operación y que las mayores economías se dan en los transformadores de potencias inferiores a 1 MVA. La estimación de los ahorros se determina a partir de una función como la siguiente. en que ∆E= Disminución del consumo de energía debido a la introducción de un transformador eficiente en vez de uno estándar (en kWh) Hi = Número de horas que trabaja el transformador en cada rango de potencia i (en forma simplificada se puede considerar dos condiciones, en vacío y con una carga representativa de la condición media, y los tiempos estimados en cada caso) Pesti = Potencia media del transformador estándar en carga o potencia media para un número reducido de condi- ciones de carga (en kW) ηestt ηeft = Cuociente entre los rendimientos de los transformadores estándar y eficientes, para las condiciones de carga consideradas. Debido al crecimiento exponencial de las pérdidas en carga, un transformador cargado a un 110% de su potencia nominal presenta pérdidas de por lo menos el doble que uno cargado al 80% de su capacidad nominal. Obviamente, esta situación no debe conducir a afirmar que lo ideal es utilizar el transformador al mínimo de carga, ya que en ese caso las pérdidas en el núcleo pasan a tener una gran relevancia y el rendimiento del transformador se deteriora significativamente. Por el contrario, 80 a 90% de carga, respecto de la capacidad nominal, parece corresponder a un dimensionamiento adecuado. 2.1.12 Adecuada mantención (Good Housekeeping) Se trata básicamente de tecnologías y medidas misceláneas relacionadas con el diseño, la mantención y la gestión de energía de sistemas industriales y comerciales. Existe una gran variedad y cantidad de estas medidas y tecnologías. En relación a la primera de las citadas, es bien sabido que buena parte de la ineficiencia energética proviene del sobre-dimensionamiento de los sistemas y equipos. Típicamente se ha detectado un 30% de sobredimensionamiento por sobre aquél recomendable en los sistemas de bombeo y ventilación, lo que debe atribuirse a: i) las dificultades para predecir con exactitud los flujos y las pérdidas de carga asociadas, ii) al propósito de acomodar - sin reemplazo de equipos - aumentos de los flujos requeridos que no se previeron originalmente y iii) la disposición a aceptar, en beneficio de la confiabilidad del sistema, la penalización económica que representa el exceso de capacidad. Otro caso típico se presenta en los sistemas de aire acondicionado y refrigeración, en que la falta de limpieza de los filtros produce grandes pérdidas de carga y por lo tanto, eleva la demanda de potencia en los ventiladores. Asimismo, si no se limpian periódicamente las superficies de los intercambiadores de calor; aumentarán en último término los consumos de electricidad. Por ejemplo, se cita un 3% anual de ahorro en el consumo de electricidad de los refrigera- dores si los serpentines se limpian dos a tres veces por año. Una medida que usualmente encabeza el listado del «good housekeeping» en los sistemas electrotérmicos41 es la aislación adecuada de los hornos para evitar las fugas (ganancias) de calor. [41] D. Reay. Industrial Energy conservation. International Research & Development co. Ltd. England. 1979. ∆E = ΣHi * Pestt 1- ηestt ηef( ( 19 • 3.2.3. Tasa interna de retorno (TIR) La tasa interna de retorno se define como la tasa de descuento para la cual dos alternativas de inversión tienen el mismo valor presente neto. Al evaluar las alternativas estándar y eficiente, la TIR es el valor (i) para el cual se cumple la igualdad siguiente: En que: Iest = Inversión en equipos estándar Ielic = Inversión en equipos eficientes lo que equivale a igualar el valor presente de los ahorros de energía con el diferencial de la inversión requerida. 3.2.4. Costo del ciclo de vida (CCV) y costo del ciclo de vida anualizado (CCVA) El costo del ciclo de vida CCV es el valor presente de todos los costos (costo inicial de capital, costos de operación y costos de mantención) asociados a la inversión durante toda su vida útil. Para comparar las dos alternativas - eficiente y estándar- se deberán comparar CCV1 y CCV2 respectivamente, los que se expresan mediante las ecuaciones siguientes: En que: Mest = Costo de mantención del equipo estándar Mefic = Costo de mantención del equipo eficiente A menudo la metodología adoptada apunta a comparar los costos anuales de las dos opciones -la eficiente y la estándar- para ello se recurre a los costos anualizados del ciclo de vida (CCVA) de los equipos, para lo cual se emplean las funciones siguientes: En el caso que la vida útil de los equipos estándar y eficiente sea distinta, las fórmulas base respectivas serán: 3.2.5. Costo de ahorrar energía (CAE) El costo de ahorrar energía (CAE), proporciona una medida para clasificar ordenadamente las opciones de ahorro o abastecimiento de energía sobre una base consistente y que es útil para identificar las inversiones más económica- mente eficientes para una empresa o un país. Este indicador se calcula como el costo de capital diferencial anuálizado -diferencia entre las inversiones requeridas para la opción eficiente y estándar- más el diferencial de los costos de mantención, dividido por los ahorros anuales de energía. Iest + PE * Eest * [1/(1+i)n]= Iefic + PE * Eefic * [1/(1 + i)n] n Σ 1 n Σ 1 PE * (Eest - Eefic) * Σ [1/(1+i)n] = (Iefic - Iest) CCV1 = Iest + Eest * PE * (1+d)-n + Mest * (1+d)-n y CCV2 = Iefic + Eefic * PE * (1+d)-n + Mefic * (1+d)-n n Σ 1 n Σ 1 n Σ 1 n Σ 1 CCVA1 = Iest * FRC (d,n) + PE * Eest + Mest CCVA2 = Iefic * FRC (d,n) + PE * Eefic + Mefic CCVA1 = Iest * FRC (d,n1) + PE * Eest + Mest CCVA2 = Iefic * FRC (d,n2) + PE * Eefic + Mefic 20 • En este caso el precio de la energía no necesita especificarse, lo que constituye la fortaleza del método, debido a las incertidumbres que normalmente rodean las estimaciones del precio de la energía en un horizonte de largo plazo. La evaluación de la ventaja relativa de la opción eficiente se lleva a cabo comparando el valor de CAE con los precios vigentes de la energía, en la medida que esta diferencia sea significativa, y que aún suponiendo una disminución sustancial de éstos -obviamente, dentro de lo que la lógica permite esperar- el CAE siga siendo inferior a dichos precios, es posible concluir que la opción eficiente es recomendable. El ejemplo siguiente, extraído de la literatura especializada, resume una aplicación del método para distintas tecnologías y lo compara con el costo evitado de la generación termoeléctrica a carbón. Cuadro 10 Costo de la energía eléctrica ahorrada (en US$1990) Medida ∆l/unidad FRC1 Mant. Costo anual Energía ahorrada CAE2 Eficiente US$ $/año kWh/año US$/MWh Motor 181 0,092 0 16,61 1,193 13,92 Lámpara Hg 52 0,123 1,19 7,60 394 19,30 Bomba 416 0,092 0 38,17 1,600 23,86 A. Acondicionado 62 0,123 0 7,65 258 29,64 Lámp. Fluorescente 11 0,165 0 1,81 60 30,12 Compacta Notas: 1) FRC: Factor de recuperación del capital. 2) CAE: costo de ahorrar electricidad El costo evitado de la planta termoeléctrica considerada o la tarifa en el caso que no se trate de autoabastecimiento es de US$ 62,78/MWh, en consecuencia la energía debería reducir sus costos en más de 50% para que las tecnologías eficientes evaluadas no sean rentables. 3.3 Aplicación de la metodología de evaluación de proyectos de eficiencia energética Como una manera de ilustrar los métodos de evaluación de las alternativas energéticamente eficiente, se han seleccionado ejemplos correspondientes a los motores, conductores y cables y un sistema de iluminación. No se consideró necesario incluir ejemplos relativos a transformadores, a pesar de las indiscutidas ventajas de los transfor- madores eficientes debido a que la mecánica de cálculo no se diferencia a la que se utiliza para comparar la opción de introducir un motor eficiente y uno estándar en un proyecto nuevo o una ampliación de una planta existente. 3.3.1 Aplicación de la metodología de evaluación a los motores eléctricos 3.3.1.1 Elementos de base para la evaluación de las distintas opciones contempladas. La evaluación se hará en base a ejemplos que sólo pretenden ser ilustrativos, basados en antecedentes cuantitati- vos provenientes de la literatura, debido a que los valores de los rendimientos, los precios de los motores estándar y eficientes, y los costos de rebobinado difieren según sea el fabricante, el cliente, el taller de reparaciones, etc. y deberán utilizarse aquellos que sean válidos para el proyecto o la empresa objeto de la evaluación. Los parámetros de análisis que se utilizarán para evaluar los beneficios relativos de introducir un motor eficiente en relación con mantener un motor estándar existente o seleccionar un motor eficiente en el caso de un nuevo proyecto o de ampliación de la capacidad productiva son los siguientes: a) Horas de uso del motor Las horas anuales de uso del motor constituyen uno de los parámetros básicos para evaluar un proyecto de eficiencia energética, ya que los beneficios del proyecto varian en forma lineal con el tiempo de uso del equipo. CAE = [FRC (d,n) * (Iefic - Iest) + (Mefic - Mest)] / (Eest - Eefic) 21 • En principio, un motor que opera menos de 2.000 horas al año difícilmente podrá ser reemplazado por un motor eficiente, incluso cuando la alternativa es comprar un motor nuevo, estándar o eficiente. b) Eficiencias relativas En principio, la diferencia de eficiencias entre los motores estándar y eficiente disminuye a medida que aumenta la potencia -como se aprecia al comparar las tablas presentadas en el Capitulo II-, sin embargo, ello no debe conducir a la conclusión que sólo son atractivos los proyectos que involucran motores cuyas potencias se sitúan en el rango inferior de la tabla. En el caso de las potencias mayores, si bien las diferencias relativas son de 1 a 2%, las diferencias absolutas son importantes. Conviene señalar que no siempre los fabricantes que presentan las mejores eficiencias para un determinado tipo de motor (potencia, número de polos, tipo de carcaza, etc.) lideran necesariamente las eficiencias para otros tipos, por lo que se sugiere, para evaluar proyectos de eficiencia, disponer de la información acerca de las características eléctricas y de precios de los principales fabricantes internacionales. c) Precio de los motores y costo medio de rebobinado Otro de los parámetros importantes para este tipo de evaluación lo constituyen los costos alternativos de las opciones consideradas, incluidos los costos de rebobinado y los precios de los motores nuevos, estándares y eficien- tes, del tipo abierto y cerrado. No se ha estimado conveniente incluir aquí precios referenciales para estos motores, ya que los precios de lista no guardan relación con los que obtienen efectivamente los compradores, debido a que la práctica normal es otorgar descuentos más o menos significativos, dependiendo de la importancia del comprador; respecto de los precios de lista. d) Costos de operación y mantención Este parámetro debería incluir los cargos por potencia y energía, en el caso que se trate de proyectos nuevos y sólo energía para empresas que se supone tienen un contrato con la empresa eléctrica que especifica la demanda maxima. No se estima relevante cambiar el contrato por la introducción de algunos motores eficientes en reemplazo de los motores estándares existentes en planta. Si bien los costos de mantenimiento se reducen en el caso de los motores eficientes, en los ejemplos que se presentan más adelante este factor ha sido despreciado, lo que no implica que si el evaluador dispone de información confiable acerca de la diferencia de costos de mantención no los incorpore en su análisis, particularmente si ésta es relevante para las conclusiones de su evaluacion. 3.3.1.2. Elementos de análisis para definir cuando hay que sustituir un motor en operación a) Frecuencia de las fallas del motor Desde el punto de vista económico, la frecuencia de falla constituye un factor importante en la definición del reemplazo de un motor estándar por uno eficiente, incluso sin necesidad de esperar que el motor falle de nuevo. Los costos derivados de las detenciones de la producción pueden llegar a ser tan elevados que el análisis económico no debería ignorarlos, sino que incorporarlos en la ecuación que se presentara en el punto 3.3.1. b) Nivel de reparación a realizar El costo del rebobinado es en muchos casos, para los motores de pequeña potencia, del orden del costo del motor y para los motores mayores, bastante significativo, lo que permite rentabilizar la introducción de los motores eficientes en la medida que el factor de uso no sea excesivamente reducido (a evaluar en cada caso). Por el contrario, una reparación menor puede no justificar el reemplazo. c) Obsolescencia del motor existente En el Cuadro 3 se presentaron los rendimientos medios de motores fabricados entre 1944 y 1991. Al respecto es posible afirmar que un motor con una utilización de por lo menos 4.000 horas42, fabricado antes de los años 70’s es un candidato al cambio. [42] Este factor de utilización es solo referencial, ya que motores con menos horas de uso podrón ser sustituidos dependiendo de las eficiencias relativas, del costo del motor eficiente y del precio de la energía. 24 • Se seleccionó-en base a los requerimientos técnicos-un conductor 2 AWG THHN, cuya tensión de servicio es 600 V y la temperatura máxima de servicio 900C (en lugares secos). Para la selección del conductor energética y económica- mente eficiente se evaluaron distintos calibres 2/0, 3/0, 4/0, 250 y 350 AWG. Para ilustrar la aplicación de la metodología de cálculo del costo de ahorrar electricidad (CAE), se comparó los calibres 2 y 3/0 (cuyos diámetros son: 33,6 y 85,0 mm2 , respectivamente). De acuerdo con la sección 3.2.5, la fórmula para la evaluación del costo de ahorrar electricidad es: El proyecto se evaluó para un horizonte de 15 años y una tasa de descuento de 12%, lo que se traduce en un valor de 0,1468 para el factor de recuperación del capital (FRC). El costo por metro lineal de los cables en consideración era, al momento de la evaluación, de $1,302 y $3,245, respectivamente, no se consideran diferencias ni en los sistemas de postación ni en los costos de mantención. La diferencia de consumo de energía entre la opción mínima y una más eficiente se determina por el monto de las pérdidas en ambos casos. Pérd2 = 3 * I2R * H = 3 * (172*0,9)2 * 0,0183 * (35/33,6) * 480 * 12/1,000 = 7.893 kWh/año Pérd3/0 = 3 * I2R * H = 3 * (172 * 0,9)2 * 0,0183 * (35/85,0) * 480 * 12/1,000 = 3.120 kWh/año Inversión diferencial = 35 * 3(3.245 - 1.302) = $ 204,015 CAE = $ 0,1468 * 204,015/(7.893 - 3.120) kWh/año = $ 6,27/kWh En consecuencia, la selección de un conductor varios calibres mayores es rentable ya que es muy difícil que la tarifa, de $39/kWh a la época, vaya a disminuir a $6,3/kWh. En el cuadro siguiente se presenta el resultado de acuerdo a los otros esquemas de evaluación para un conjunto de calibres. Cuadro 11 Evaluación de las distintas alternativas de calibres para el alimentador del Banco Calibre AWG Secci6n (mm2) VAN ($) TIR (%) Período de recupeiación del capital (años) 4 21,2 -1,202,826 ---- ---- 2 33,6 0,00 ---- ---- 1 42,4 402,705 160,2 0,69 1/0 53,5 716,396 149,3 0,74 2/0 67,4 953,753 133,9 0,83 3/0 85,0 1,108,096 103,3 1,09 4/0 107,0 1,207,998 83,6 1,37 Como se puede apreciar; dependiendo de los criterios del inversionista, la solución óptima es distinta. En efecto, el máximo valor actualizado neto se obtiene con un calibre AWG 4/0 y la máxima tasa interna de retorno con AWG 1. Este mismo ejemplo consideró la existencia de armónicas, problema frecuente en una instalación como la conside- rada, lo que desplazó tanto el calibre mínimo técnico del cable como el óptimo económico, siendo el calibre mínimo técnico 2/0 y el óptimo económico AWG 3/0. CAE = [FRC (d,n ) * (Iefic - Iest) + (Mefic - Mest)] / (Eest - Eefic) 25 • b) Alimentador para un área de una planta de lixiviación Los datos básicos del proyecto son: · Carga máxima: 600 kW · Conductores por fase: 1 · Voltaje nominal: 4,16 KV · Largo del conductor: 800 m · Factor de carga: 0,90 · Temperatura ambiente: 220C · Factor de potencia: 0,85 · Canalización: ducto · Caída de tensión máxima: 3% · Precio de la energía: $ 39/kWh · Horas mensuales de trabajo: 650 horas · Número de conductores · Factor de pérdidas: 0,81 canalizados: 3 · Corriente máxima: 98 A · Número de fases: 3 Se seleccionó -en base a los requerimientos técnicos- un conductor 6 AWG tipo XT, cuya tensión de servicio es 5 KV la temperatura máxima de servicio 900C (en lugares secos). Para la selección del conductor energética y económica- mente eficiente se evaluaron distintos calibres 4, 2, 1, 1/0, 2/0, 3/0 y 4/0 AWG. Para ilustrar la aplicación de la metodología de cálculo del costo de ahorrar electricidad (CAE), se comparó los calibres 6 (conductor que satisface los requerimientos técnicos) y 2/0 (cuyos diámetros son: 13,3 y 67,4 mm2, respec- tivamente). Como en el caso anterior; la fórmula para la evaluación del costo de ahorrar electricidad es: El proyecto se evaluó para un horizonte de 15 años y una tasa de descuento de 12%, lo que se traduce en un valor de 0,1468 para el factor de recuperación del capital (FRC). El costo por metro lineal de los cables en consideración era, al momento de la evaluación, de $3.610 y $6.931, respectivamente, no se consideran diferencias ni en los sistemas de postación ni en los costos de mantención. La diferencia de consumo de energía entre la opción mínima y una más eficiente se determina por el monto de las pérdidas en ambos casos. Pérd6 = 3 * 12R * H = 3 * (98 * 0,9)2 * 0,0183 * (800/13,6) * 650 * 12/1.000 = 200.375kWh/año Pérd3/0 = 3 * 12R * H = 3 * (98 * 0,9)2 * 0,0183 * (800/67,4) * 650 * 12/1.000 = 39.540 kWh/año Inversión diferencial = 800 * 3(5.781 - 3.610) = $ 5,210,400 En consecuencia, la selección de un conductor de un calibre sustancialmente mayor que el mínimo recomendado por las normas es rentable, ya que es muy difícil que la tarifa, de $39/kWh a la época, vaya a disminuir a $4,76/kWh. En el cuadro siguiente se presenta el resultado de acuerdo a los otros esquemas de evaluación para un conjunto de calibres. Cuadro 12 Evaluación de las distintas alternativas para la selección del calibre del alimentador de la planta de lixiviación Calibre AWG Seccion (mm2) VAN ($) TIR (%) Período de recuperación del capital (años) 4 21,2 19.200.050 350 0,31 2 33,6 30.114.323 201 0,54 1 42,4 33.306.768 150 0,73 1/0 53,5 36.197.646 141 0,79 2/0 67,4 38.477.469 135 0,82 3/0 85,0 38.190.814 93 1,22 4/0 107,0 37.493.126 72 1,61 CAE = [FRC (d,n ) * (Iefic - Iest) + (Mefic - Mest)] / (Eest - Eefic) CAE = $ 0,1468 * 5.210.400/(200.375- 39.540) kWh/año = $ 4,76/kWh 26 • Como se puede apreciar; dependiendo de los criterios del inversionista, la solución óptima es distinta. En efecto, el máximo valor actualizado neto se obtiene con un calibre AWG 2/0 y la máxima tasa interna de retorno con AWG 4. 3.3.3 Optimización de un sistema de iluminación en una planta industrial Una planta industrial de 900 m2 (15 * 60 m), con una altura de 6 a 7 m y un buen nivel de reflexión de cielos, muros y piso, requiere para la adecuada iluminación de sus actividades de un nivel de iluminación de 1,000 lux sobre el piso46. La planta trabaja 20 horas/día, 5 días/semana y 50 semanas/año. El costo medio de la energía eléctrica es de 5US$¢/kWh. Las opciones de luminarias a considerar son las siguientes: (1) Sodio de Alta Presión de 400 W, (2) Mercurio de Alta Presión de 1000 W, (3) 2 lámparas fluorescentes de 2,5 m de 215 W y (4) Incandescente de 1.500 W. Para evaluar las opciones se dispone de los datos que se detallan en el cuadro siguiente Cuadro 13 Datos de base para el cálculo y resultado de la evaluación del sistema de iluminación más económico. Características Na4OO HglOOO FL2*215 In.1500 1. Lúmenes/luminaria 50.000 63.000 29.000 34.400 2. Vida útil (horas) 20,000 24.000 9.000 1.000 3. Watts/lámpara 400 1.000 215 1.500 4. Watts/luminaria (incl. Ballast) 470 1.080 480 1.500 5. Coef. utilización (rend. Fixture) 0,76 0,70 0,70 0,70 6. Factor depreciación lámpara 0,90 0,66 0,70 0,66 7. Factor depreciación por suciedad 0,86 0,83 0,83 0,83 8. Lúmenes efectivos/luminaria (1 * 5 * 6 * 7) 29.412 24.158 11.794 13.191 9. Lux requeridos (lúmenes/m2) 1,000 1,000 1,000 1,000 10. Lúmenes requeridos totales (9 * área) 900.000 900.000 900.000 900.000 11. Luminarias totales (10/8) 31 38 77 69 12. Potencia total (kW) (11 * 4)11,000 14,4 40,2 36,6 102,3 13. Costo neto luminaria US$ 190 175 68 30 14. Costo cableado luminaria US$ 24 55 25 55 15. Instal. mano de obra US$ 14 14 17 14 16. Costo neto lamp/lum al por mayor 45 20 11 6 17. Costo capital total US$(13+14+15+16) * 11 8.354 9.835 9.233 7.164 18. Número de lámp. a reempl./año (horas de uso * 11 * número de lámp)/2 8 8 85 341 19. Mano de Obra reempl. lámpara US$/lámp 3,8 3,8 3,8 3,8 20. Costo reemplazo lámparas (18 * [16+19] 373 185 1.255 3.343 21. Costo anual capital (0,15 * 17) 1.253 1.475 1.385 1.075 22. Costo energía total (12 * horas de uso * 0,05) 3.595 10.059 9.157 25.586 23. Costo O&M anual (22+20) 3.969 10.244 10.412 28.929 24. Costo Total anual (23+21) 5.222 11.719 11.797 30.003 Nota: (1) Los datos en cursiva corresponden a la información que normalmente se dispone y en negrita aquellos resultantes de la evalua- ción. (2) Los números entre parentesis corresponden a la línea que define el ilem que interviene en el cálculo, salvo en el caso de la cifra 1,000 utilizada para convertir watts- horas en kilo watts-horas y 0,05 US$/kWh que corresponde a la tarifa supuesta para el ejemplo. (3) Los costos utilizados en el ejemplo no corresponden necesariamente a los existentes en Chile y han sido elegidos como referencia para ilustrar el ejemplo. [46] Se supone una planta en que el aporte de la iluminac¡ón natural es insignificante o inexistente. 29 • La resistividad del conductor no ha sido incorporada en el software como una variable, pues se ha supuesto que el metal utilizado es cobre. También han sido omitidas, en la determinación de la resistencia del conductor en corriente alterna, otras variables de poca relevancia para los objetivos y resultados de este programa, tales como: el diámetro exterior y la separación de los centros de los conductores y la temperatura de operación. Por otro lado, se obtiene que el costo del conductor es una función aproximadamente lineal de la sección, d) Interpretación gráfica La figura siguiente muestra simultáneamente las funciones de la sección del conductor descritas anteriormente: la valoración económica de las pérdidas resistivas Perd(s) (inversamente proporcional a la sección del conductor) y el costo del conductor C(s) (proporcional a la sección); y la sección mínima aceptable Smin. Se debe determinar para qué sección es mayor el beneficio (B) expresado como la diferencia entre el ahorro de pérdidas (Ah) y el aumento de costo (dC): B(s)=Ah(s)-dC(s), donde Ah(s)=Po - Perd(s) y dC(s)=C(s)-CO Estas nuevas funciones se expresan gráficamente en la siguiente figura, en la que se observa que existe una sección óptima para el conductor (sopt), superior a la sección mínima, que reporta un beneficio máximo al usuario. 0 B(s) dC(s)Ah(s) Smin S B(s) Bmax 0 Smin Sopt S Figura 3 Representación gráfica del criterio utilizado C(s)=k.S 30 • e) Selección de la sección del conductor El criterio de selección indica que, para una tasa de descuento y horizonte de estudio predeterminados, se debe escoger aquella sección, mayor o igual a la mínima, que maximiza el beneficio y, además, cuyos tiempos de recupera- ción de capital (TRC) y tasa interna de retorno (TIR) están dentro de rangos considerados aceptables por el usuario47. Para cada proyecto se especifica el tipo de conductor y el tipo de canalización, convirtiéndose en parámetros fijos para todos los cálculos relacionados con los proyectos asociados. Independientemente del número de proyectos a evaluar; se le debe calcular a cada uno de ellos los valores siguientes: • Corriente máxima por cada conductor (Ip) • Cálculo de las pérdidas Joule • Cálculo de corrientes de armónicas • Cálculo de la corriente total RMS • Cálculo económico de las pérdidas En términos generales el programa considera las siguientes condiciones técnicas para la selección óptima del conductor: • La corriente económica óptima debe ser mayor que la mínima técnica de operación • La caída de tensión calculada debe ser menor que la caída máxima de tensión admisible • El voltaje nominal del consumo debe ser menor que la tensión de servicio del conductor 4.2 Características generales de Evamotor 1.0 4.2.1 Introducción EVAMOTOR 1.0 es un software que está destinado a facilitar la gestión del parque de motores de una planta industrial (nueva o existente), y a seleccionar técnica y económicamente los motores requeridos en proyectos nuevos, en ampliaciones de instalaciones existentes y en la sustitución de motores antiguos, que en adelante se denominarán obsoletos, incorporando el criterio de eficiencia energética. La aplicación está orientada a motores del tipo trifásicos, inducción «Jaula de Ardilla», baja y media tensión y de una velocidad. EVAMOTOR 1.0 evalúa los beneficios económicos, en el corto y mediano plazo, vinculados a una adecuada elección o sustitución de un motor. Para este cálculo se toman en cuenta factores tales como los precios relativos de los motores comparados, las eficiencias relativas, el precio de la energía y potencia, y además, se consideran las condiciones de operación a las que se encuentran sometidos los motores como son su factor de carga, horas de uso mensual, calidad de la red (regulación y desbalances de voltajes y/o corrientes), condiciones ambientales (temperatura ambiente de operación, altitud de la faena) y la historia de reparaciones (en el caso de motores obsoletos). Los antecedentes asociados a la operación del motor son necesarios para la determinación efectiva del rendimiento de dicho motor; de modo de realizar una correcta determinación de los beneficios económicos asociados a la selección o sustitución de motores. Esta herramienta permite a ingenieros y técnicos proyectistas escoger adecuadamente el motor a utilizar en un proyecto determinado, según parámetros de evaluación técnica y económica definidos por el propio usuario. Este software es complementario al programa EVALSEL 2.1. [47] El TRC y la TIR fueron definidos en el capítulo III. 31 • En resumen, EVAMOTOR 1.0 permite: • Analizar económicamente las diferentes opciones que enfrentan los usuarios al momento de elegir motores o sus- tituir motores obsoletos. • Construir catastros de motores de plantas nuevas o existentes. • Introducir catálogos de motores de proveedores. 4.2.2 Secuencia de operación de EVAMOTOR 1.0 El software EVAMOTOR 1.0 requiere para su operación dos elementos imprescindibles: un catastro de motores y una o más base de fabricantes de motores. El software provee -a modo de ejemplo- tres bases de datos de fabricantes (WEG, SIEMENS Y RELIANCE); y posee la opción de ingresar otras bases por parte del usuario. La operación del software se divide en dos partes: • creación de catastros de motores • evaluación económica 4.2.3 Fórmulas matemáticas de EVAMOTOR 1.0 El programa utiliza las siguientes fórmulas para la evaluación económica comparativa entre un motor patrón y los motores alternativos eficientes. • VAN del análisis Para la determinación del VAN de la comparación entre un motor patrón y uno alternativo, se considera que el ahorro producido por el menor consumo de energía del motor alternativo durante el primer año, es constante durante el horizonte de evaluación. Luego el VAN se calcula como sigue. Donde: A1 : Corresponde al ahorro anual en el primer año. N : Corresponde al horizonte de evaluación. La variable corresponde al número de años del horizonte de evaluación. r : Corresponde a la tasa de descuento impuesta al proyecto ∆Ι : Corresponde a la inversión diferencial. En el caso de motores obsoletos, la inversión diferencial es la diferen- cia entre el precio del motor alternativo y el costo evitado de reparación del motor patrón. En el caso de comparar dos motores nuevos, la inversión diferencial corresponde a la diferencia de precio entre ambos motores (en este caso no existe costo evitado de reparación). • Ahorro en el primer año (A1): Se refiere al ahorro que se logra en el primer año, por concepto de menor energía consumida, al sustituir el motor actual por uno nuevo de mayor rendimiento. Se puede evaluar como: VAN = A1 1 + r 100 r 100 N 1 * 1 + r 100 N ∆I A1 = 12*0,746 * $_E*T* fc1 * Pn1 ηa fc2 * Pn2 ηa + $_P * Pn1 ηa Pn2 ηa ( ( ( (