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Mejora de la productividad con motores de alta eficiencia

El sector industrial requiere de casi el 50% del consumo energético global, dado que los motores eléctricos consumen buena parte de la energía producida, se ve la necesidad de regular este tipo de equipos

Mejora de la productividad con motores de alta eficiencia

El crecimiento actual en el consumo energético origina un problema de asignación y reasignación de consumos. Esto hace que en los países desarrollados exista la necesidad de interconexión con el fin de poder cubrir puntas o consumos no esperados de energía eléctrica en la red.

El sector industrial requiere de casi el 50% del consumo energético global, gestionando o regulando este sector se controla la mitad del consumo eléctrico mundial. Para entender si se debe o no implementar soluciones tanto a nivel local como general es crucial saber como se emplea la energía.

Dentro del sector industrial, el 68% del consumo se emplea en el accionamiento de equipos o maquinaria. Es decir, lo que realmente consume la energía es el motor que lo acciona. Esos valores de potencia, par, velocidad, etc. que requiere la bomba o el compresor, son aportados por un equipo que, en muchas ocasiones, es considerado secundario, pero que tiene una importancia capital para el buen funcionamiento del proceso.

Es importante preguntarse: ¿cuánto cuesta la energía que consume un motor? Y, ¿se ha calculado cuánto costaría a una empresa que ese motor, supuestamente secundario en la compra, se parara?

Estos dos puntos principales son los denominados n costes ocultos de un motor, y tal y como muestra la figura 1, suponen muchísimo más coste para una empresa, que el puro de compra del equipo, el coste visible y el único que casi todo el mundo tiene en cuenta.

NORMATIVAS PARA LA REGULACIÓN DE LA EFICIENCIA ENERGÉTICA

Dado que los motores eléctricos consumen buena parte de la energía producida, se ve la necesidad de regular este tipo de equipos. La Comunidad Económica Europea implantó la Directiva 2005/32/CE en lo relativo a los requisitos de diseño ecológico aplicables a los productos que utilizan energía, articulando el reglamento 640/2009 relativo a los requisitos de diseño ecológico para los motores eléctricos. Se creó el esquema MEPS (normativa de rendimiento energético mínimo europeo) que fija los niveles mínimos de los motores eléctricos con destino a la Comunidad Europea. Éste se basó en las normativa IEC 60034-2-1 (D 2007), que regula los métodos de medición, y la IEC60034-30, que establecía o definía las clases de eficiencia.

El objetivo de La Comisión Europea era que para el año 2020 se ahorraran 135TWh, lo que equivale a la electricidad consumida en Suecia, y una reducción de emisiones de dióxido de carbono de aproximadamente 63 millones de toneladas.

A nivel práctico, el sector utiliza la normativa IEC 60034-30 ed. 1 que se vincula al citado reglamento, y determina las clases o niveles de eficiencia que son requisito obligatorio para todo producto suministrado en la CE.

Desde el 16 de junio de 2011, el nivel de rendimiento de los motores con una potencia nominal de entre 0,75 y 375 KW no pueden tener una eficiencia inferior al nivel de rendimiento IE2. Esto implica que no se puede importar o fabricar productos con destino la Comunidad Europea del tipo IE1, salvo que sean destinados a maquinaria que después se exportara a países donde no sea obligatoria esta norma.

A partir del 1 de enero de 2015, los motores con una potencia nominal de 7,5 a 375KW no podían tener un nivel de rendimiento inferior al nivel de eficiencia IE3, o al nivel IE2 si estaban equipados con un variador de velocidad.

Desde el 1 de enero de 2017, todos los motores con una potencia nominal desde 0,75 hasta 375 KW no podrán tener un nivel de rendimiento inferior al nivel de IE3 o al nivel IE2 si trabajan o están gobernados por un variador de velocidad.

Actualmente existen en el mercado motores eléctricos de jaula de ardilla (inducción) con eficiencias IE2, IE3 e IE4 (actualmente fuera de articulación en Europa, pero regulados por la IEC).
Es importante mencionar que, al menos en el 90% de los casos, se pueden reemplazar motores antiguos, con eficiencias mucho menores que las actuales, por equipos de alta y muy alta eficiencia, sin tener que realizar trabajos en la bancada, lo cual facilita enormemente los tiempos de sustitución, y también los costes de la misma.

A la incorporación de motores de inducción (asíncronos) de alta eficiencia se añade el uso de los motores síncronos, denostados desde hace años y ahora deseados por todos aquellos que buscan el nivel máximo de eficiencia en la instalación. Estos motores no están incluidos en ninguna regulación, ya que, ésta únicamente articula los motores asíncronos. Además, las normativas solo fijan mínimo de eficiencia.

Así, compañías que en principio están exentas de cumplir la normativa de eficiencia, como por ejemplo empresas del sector petróleo y gas, empresas con zonas clasificadas ATEX, entre otros, dado que son los responsables de pagar la factura de energía, intentan buscar las opciones que les permitan menores consumos, aumentando la rentabilidad de la planta de producción.

TECNOLOGÍAS DE MOTORES

Los motores de última generación están diseñados teniendo en cuenta las siguientes premisas:
1. Reducción de los niveles de ruido y vibración
2. Aumento de los niveles de eficiencia energética y térmica
3. Facilidad de mantenimiento
4. Crecimiento de las aplicaciones con velocidad variable a través de la aplicación de convertidores de frecuencia
5. Flexibilidad en cuanto al grado de protección y modularidad

Como ejemplo del estudio en fase de I+D, en la figura 2 se observa una simulación realizada con el fin de suministrar un flujo de aire ideal, necesario para asegurar un eficiente intercambio térmico con simultánea reducción de las pérdidas mecánicas y del nivel de ruido. Estos estudios en fase de diseño permiten encontrar nuevos sistemas de perfil aerodinámico, reducir pérdidas mecánicas y obtener niveles de ruido extremamente reducidos.

" Simulación y estudio termográfico de la fase de refrigeración de un motor W22 de la empresa WEG"

Cogiendo como muestra los motores síncronos, se ve que actualmente la gama de potencias disponibles, por ejemplo, en nuestra gama, va desde los 3kW hasta los 315kW (5CV hasta 450CV), con estructuras de 6 polos y siempre gobernados por un variador electrónico de velocidad el cual aporta también el control de sincronismo.

Hay que indicar que habitualmente no se trabaja con otros números de polos diferentes a 6, y que la gestión de la velocidad del motor vendrá determinada por el ajuste realizado en fábrica. A su vez, quizás sea interesante indicar que estos motores trabajan con un rango de velocidades desde 200 hasta 3000 rpm (240 hasta 3600 si trabajamos a 60Hz), sin la necesidad de ventilación forzada. Mediante el control del variador de velocidad, podemos disponer de par constante en la mayor parte del rango de velocidades, muy al contrario de lo que sucede con un motor asíncrono. Así se muestra en los siguientes ejemplos de curvas para un motor de 37kW. Es interesante fijarse a su vez en la diferencia en el tamaño para esta carcasa.

En lo referente a eficiencias, con este tipo de equipos se pueden obtener las encuadradas en la denominación IE4 (Super Premium) o IE5 (Ultra Premium).

En la figura 5 se ve la comparativa de rendimiento de ambos tipos de motores. La curva de rendimiento con bajos porcentajes de carga y baja velocidad en relación al motor de inducción es muy superior en un motor síncrono. En el caso del motor asíncrono se observa una caída abrupta del rendimiento en la región con apenas 25% de carga y con 450 rpm.

Esto puede llevar a pensar: de acuerdo, en cuanto al funcionamiento del equipo no hay objeción, pero seguro que estos equipos no son compatibles con ninguno existente, y esto conlleva que su empleo venga originado por el diseño desde cero de la maquina o el equipo accionado. Ciertamente es lógico pensar esto porque habitualmente los motores síncronos comparados con los de rendimiento o eficiencia equivalente a los asíncronos, pueden rondar el 45% menos en tamaño, y como poco, de un 35% en peso. Esto es lo que sucede en el caso de la eficiencia IE4. Obligatoriamente se tiene que implementar estos equipos con cambios en bancada, o habiendo diseñado el bastidor pensando en estas diferencias. Sin embargo, esto no sucede con los motores IE5. En este caso, el intercambio de carcasa es directo (en la mayoría de las ocasiones), reemplazar un motor de hace 30 años por uno síncrono no supone mayor esfuerzo

Tabla I. comparativa peso volumen de motores síncronos y asíncronos (55kW, 3.000 r.p.m., 50Hz, 400/690V)

Motor asíncrono IE3

Carcasa 250S/M

peso aprox. 452 kg

Motor asíncrono IE4

Carcasa 250S/M

peso aprox. 520 kg

Motor síncrono IE4

Carcasa 180M (*)

peso aprox. 170 kg

Motor síncrono IE5

Carcasa 250S/M

peso aprox. 446 kg

(*) dos menos a igualdad de potencia

En lo que respecta a los motores síncronos, la figura siguiente muestra la diferencia entre ellos, según su nivel de eficiencia. Hay que recordar que los tamaños de IE5 son los estándares en función de la potencia de un motor asíncrono. 

Una vez justificado que, desde todos los puntos de vista técnicos, el motor síncrono aporta ventajas, respecto al asíncrono. Ahora se intentará justificar el punto de vista económico, el motivo por el cual, el empleo de estos equipos conllevará un beneficio para el usuario o cliente final.

Teniendo en cuenta que las comparativas son siempre “motor a motor”, con paridad de condiciones de trabajo, y sin considerar las variaciones de velocidad del proceso. Hay recordar que, en la práctica existe el beneficio de trabajar con sistemas que requieran el uso de variador de velocidad.

Cuando se habla de ahorro, normalmente se tiene en cuenta los datos aportados por los fabricantes de equipos, en este caso motores, y en concreto, el apartado de eficiencia. Es decir, el rendimiento que se va a tener entre la energía que absorbe de la red, y la que aporta al equipo accionado. Esta diferencia son pérdidas que en su mayoría son originadas por corrientes espurias, y generación de calor.

Los equipos con mayor eficiencia incorporan materiales de mayor calidad, así como fabricación de mayor precisión que favorecerá la disminución de las mencionadas perdidas. Por ello será lógico que un equipo de mayor eficiencia tenga un precio superior al que tenga menor rendimiento.

Aunque en la actualidad hay en el mercado motores de inducción (jaula de ardilla) con eficiencias de hasta IE4, las comparativas se realizara con motores de eficiencia IE2, ya que es la configuración mínima que la directiva acepta.  Así se demostrará que el empleo de componentes de mayor calidad permite a las empresas ahorrar en costes operativos y, por lo tanto, ser más competitivas.

Si se tiene un equipo que requiere una potencia en eje de 110kW, a una velocidad de 1.500rpm. Se supone una demanda de 300 días por año, 20 horas al día y un coste del kW/h de 0,10€. Si emplea un motor con eficiencia IE5, se tendrían al menos una eficiencia del 97,2%, mientras que, si se instala un IE2, ésta sería del 95%. Aplicando la fórmula de la energía, resulta esta comparativa

Tabla II. Comparativa de eficiencia entre motores IE2 e IE5

    IE2                                                                                                    IE5

95

Rendimento h(%)

97,2

694.737

Consumo Anual (kW/h)

679.012

69.473

Consumo Anual (€)

67.901

Se aprecia que los motores están consumiendo una cantidad muy importante de energía que supone más de 67.000€ en cualquiera de los casos. ¿Se puede comparar este importe con el correspondiente precio de compra?

En este caso, la relación precio de compra/coste de la energía va a rondar el 6-12% anual, con lo que llevado a los 15 años de vida típica del motor se habla que ronda el 0,4-0,8% del coste de la energía (suponiendo que esta no se incremente durante este plazo).  Esto muestra que se debería dedicar tiempo y recursos al 99,6% que supone un coste importante en la cuenta de resultados. Por otro lado, la diferencia en precio entre utilizar un equipo síncrono IE5 frente a un asíncrono IE2, puede ser de un 30%.

Esto puede llevar a pensar que esa sí que es una diferencia significativa. Lo suficiente para desechar la compra. Si se piensa en los ahorros que nos va a proporcionar el equipo síncrono alcanza como poco 15.724 kW/h y 1.572 €/año. Si se imagine que en vez del 30% es un 50%, con los precios actuales, la diferencia de precio entre ambos equipos se va a amortizar en aproximadamente 2 años. A partir de este momento, cada hora de trabajo que el motor esté funcionando es un ahorro directo que la planta de producción va a tener. Esto se une a las ventajas puramente de proceso y forma de trabajar que ya influyen desde el punto de vista técnico o de trabajo.

Por otro lado, el motor síncrono tendría los siguientes puntos interesantes a la hora de analizar la compra desde el punto de vista financiero:

El coste de compra comparado con el coste de la energía consumida en un año es un

8-9%

El coste de adquisición comparado con la energía consumida en la vida del motor (15 años) es un

0,6%

¿En cuánto tiempo consume el motor su coste de compra en energía ?

34 días

Quizás se piense que los motores síncronos no se utilizan en la vida real. Pero hay ejemplos de buenas prácticas a la hora de incorporar productos de alto rendimiento en instalaciones como muestran las figuras 7, 8 y 9.

 

En conclusión, se ha demostrado que el empleo de motores de alta eficiencia es siempre positivo para el cliente o usuario final, y que, dentro de ellos, los motores síncronos, superan en todos los aspectos a los asíncronos.

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