Transcript fundamentos generales del ahorro de energia
UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍA FACULTAD DE INGENIERIA QUIMICA Y TEXTIL Área Académica de Cursos Complementarios
AHORRO DE ENERGIA
Ing. JORGE COSCO GRIMANEY
SITUACION ENERGETICA MUNDIAL Y NACIONAL
SITUACION ENERGETICA MUNDIAL
DÉCADA DEL 70 : CRÍSIS ENERGÉTICA
v
Crisis energética 1973. Países árabes suben de U$ 2.5 a U$ 11 barril de petróleo. Ocasionan crisis económica mundial.
v
Se inicia la utilización de la energía nuclear y se comienza a implementar programas de ahorro de energía a nivel mundial, para evitar dependencia árabe que tienen las mayores reservas de petróleo en el mundo.
ALTERNATIVAS QUE SE ANALIZARON EN 1973 PARA HACER FRENTE A LA CRÍSIS ENERGÉTICA ENERGIA SOLAR ENERGIA EOLICA ENERGIA NUCLEAR
SITUACIÓN ENERGÉTICA MUNDIAL. DÉCADA DEL 80: GLOBALIZACIÓN
v
Se intensifica la globalización de la economía.
v
Los países deben ser competitivos para seguir en el mercado mundial: deben reducir costos y para ello se reimpulsan los programas de ahorro de energía para bajar costos de producción.
RANKING DE COMPETITIVIDAD EMPRESARIAL (MICROECONÓMICA) Y GLOBAL (1999) PAÍS
Estados Unidos Finlandia Holanda Suecia Suiza Alemania Chile México Brasil Costa Rica Argentina Perú El Salvador Venezuela Colombia Ecuador Bolivia
COMPETITIVIDAD EMPRESARIAL (MICROECONÓMICA)
1 2 3 4 5 6 24 34 35 38 40 46 47 51 52 57 58
COMPETITIVIDAD GLOBAL
2 11 9 19 6 25 21 31 51 34 42 36 46 50 54 53 55
Fuente: Global Competitiveness Report 1999 – World Economic Forum Revista Semana Económica (4-oct.99) Elaboración: Apoyo Consultoría S.A.
SITUACIÓN ENERGÉTICA MUNDIAL. DÉCADA DEL 90: CRÍSIS ECOLÓGICA Esto viene ocurriendo por el desbalance existente entre las emisiones de CO2 que en 1995 ascienden a 6.500 millones de TM/año, mientras que la capacidad de absorción del planeta solo es de 2.500 millones de TM/año. El 73% de las emisiones de los gases son producidos por los países desarrollados, mientras que solo el 27% eran producidos por los países en vías de desarrollo.
EFECTO INVERNADERO.- Calentamiento de la tierra debido a incremento de gases que no permiten que parte de la energía solar que llega a la tierra sea reflejada nuevamente al espacio .
1. Radiación solar pasa la atmósfera 2. Una parte se queda en la tierra y la otra es reflejada al espacio 3. La mayor parte de la enerqía se queda en la tierra y produce su calentamiento o efecto invernadero
CONSECUENCIAS: 1. Retorno de enfermedades tropicales (dengue, malaria, fiebre amarilla, cólera). 2. Estaciones con temperaturas elevadas. La frecuencia de los tornados y huracanes, que es una manera que tiene la naturaleza para ventilar la tierra se ha incrementado.
EVOLUCION DE LA CONCENTRACIÓN DE CO2 EN ATMÓSFERA EN LOS ÚLTIMOS 100 AÑOS (EN PPM)
EVOLUCION DE LA TEMPERATURA DEL PLANETA DURANTE LOS ÚLTIMOS 100 AÑOS
°C 5 4 3 2 1 0 -1 1900 2000 2050 AÑOS
EVOLUCIÓN DEL DESHIELO DE GLACIARES EN LAS ÚLTIMAS DÉCADAS
RECURSOS AGRICOLAS: CAMBIO POTENCIAL EN LAS COSECHAS SI SE DUPLICA EL CO2 EN LA ATMÓSFERA Porcentaje de incremento o reducción
SITUACION ENERGETICA NACIONAL
ENTORNO ECONOMICO DEL PERU DURANTE LA PRESENTE DECADA Durante las dos décadas a 1990, el modelo económico se basaba en la sustitución de importaciones y la elevada intervención del estado en la economía. Recién a partir de 1990, el gobierno inicia una política de estabilización económica. Para ello aplica reformas estructurales, entre ellas la eliminación de los monopolios estatales y privatización de las empresas publicas y la eliminación de la subversión.
Fig. I.1.7 Evolución de los precios medios de la energía eléctrica 1975- 1998 Precio de Energía Subsidiada Precio Real 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98
Fig. I.1.8. Evolución comparativa del crecimiento económico mundial de Latinoamérica y el Perú, 1970 - 1998 6 MUNDO AMÉRICA LATINA PERÚ 4,7 4,7 4 3,8 3,6 3,4 1,3 71-80 81-90 FUENTE: INSTITUTO PERUANO DE ECONOMÍA-1999 -0,8 91-98 Fig. I.1.9. PERÚ: Evolución del PBI 1990 - 1999 13,1 2,8 6,4 1990 1991 1992 -1,4 -5,4
FUENTE: INEI - 1999
1993 7,3 7,2 2,5 1994 1995 1996 1997 3,1 0,7 1998 1999 (*)
(*) a noviembre
SITUACION ENERGETICA
En el Peru, las reservasde energia comercial ascienden a 467 millones de TEP, de los cuales, el gas y los liquidos del gas natural, ascienden a casi la mitad. La produccion de ka energia durante 1998, se baso en el petroleo, representando el 68.2% del total. De ello se deduce que nuestro consumo se basa en una fuente del cual no tenemos reservas.
FIG. I.1.10 PERÚ: Reservas comerciales y Producción Comercial, 1998 4,5 % 9,6 % 8,4 % 30,6 % 68.2 %
URANIO PETRÓLEO CARBÓN HIDROENERGÍA GAS NATURAL + LÍQUIDOS
0,1 % 46,9 % 17,7 % RESERVAS 14 % PRODUCCIÓN FUENTE: BALANCE NACIONAL DE ENERGIA 1998 / OTERG - MEM
SITUACIÓN ENERGÉTICA DEL PERÚ: POSEEMOS LAS SIGUIENTES RESERVAS DE ENERGÍA LÍQUIDOS DE GAS NATURAL 11.8% GAS NATURAL 35.1% HIDROENERGÍA 30.6% URANIO 4.5% CARBÓN 8.4% PETRÓLEO 9.6% TOTAL: 467 MILLONES DE TEP (TONELADA EQUIVALENTE DE PETRÓLEO) FUENTE: BALANCE NACIONAL DE ENERGÍA 1998. OTERG. MEM.
RESERVAS DE GAS NATURAL EN EL PERÚ
En Miles de millones de pies cúbicos
FUENTE:MEM.2000.
Aguaytía
440
Camisea
12,700
Bolivia: Aprox. 2 veces las de Camisea
SECTOR ELECTRICO
A fines de 1992, para mejorar el servicio de electricidad se promulgo la Ley de Conseciones Electricas que tiene como base la participacion del sector privado y la competencia. Se acordo los compromisos de inversion para la construccion de nuevas plantas.
Potencia Instalada a nivel nacional (MW)
4 3 6 5 2 1
FUENTE: ELECTRICIDAD 99, BOLETIN Nº 1 (NOV)-DGE
0
1990 1991 1992 1993 1994 1995 1996 1997 1998
HIDRAÚLICA TÉRMICA TOTAL
70
FIG. I.1.12 PERÚ: Evolución del coeficiente de electrificación, 1990 - 1998 69,5 67,6 66,1
65
64,9 61,27
60
59,75
55
54,55 52,9
50 1990 1991
54,89
1992 FUENTE: DGE - Información Estadística Económica - 1998 1993 1994
AÑOS
1995 1996 1997 1998
CONSUMO DE ENERGIA ELECTRICA POR SECTORES 1998
RESIDENCIAL 26.00% ALUMBRADO PÚBLICO 3.82% COMERCIAL 15.31% Fuente: Anuario CTE 1998 INDUSTRIAL 54.87%
EVOLUCION DE LA INTENSIDAD ELECTRICA EN EL PERU (CONSUMO DE ENERGIA/PBI EN SOLES REALES DURANTE 1979)
FUENTE: Elaboración PAE - 1999
PROGRAMAS DE EFICIENCIA ENERGETICA EN EL PERU
El peru desarrollo programas de ahorro de energia desde 1973, año donde se produjo la gran crisis energetica en el mundo. Sin embargo, no tuvo trascendencia debido a la fuerte subvencion, durante la decada del 70 y 80. En 1985b fue creado el Centro de Conservacion de Energia y del Ambiente(CENERGIA), encargada de la promocion de la eficiencia energetica en el sector industrial. A fines de 1994 fue creado El Proyecto para Ahorro de Energia(PAE) por el MEM bajo el concepto del Ahorro de la energia.
EVOLUCION DE LA MAXIMA DEMANDA EN EL SISTEMA INTERCONECTADO CENTRO – NORTE (SICN) DESDE 1993 HASTA 1999
MW 2210 2160 2110 2060 2106 MW (DIC 98) 2147 MW (NOV 99) 2010 1960 1910 1860 1810 1760 1710 1983 MW (DIC 97) 1660 1610 EFMAMJ JASONDEFMAMJ JASONDEFMAMJ JASONDEFMAMJJASONDEFMAMJ JASONDEFMAMJ JASONDEFMAMJ JASOND I N C L U YE AU TOPR OD U C TOR ES
Mejoras inmediatas para el ahorro de la energía
Determinar el índice energético de la industria
Establecer el ofrecimiento comercial de la industria
Subir el factor de Potencia a un valor entre 0.90 y 0.95
Seleccionar adecuadamente la capacidad de una nueva subestación
Usar motores de alta eficiencia
Dimensionar correctamente la capacidad y tipo de motor para mover una carga predeterminada
Apagar las luces que no se utilizan
Utilizar lámparas eficientes y balastros electrónicos
Controlar la demanda eléctrica
Determinar el Índice Energético
1.
2.
3.
4.
¿Cuánta energía consume la industria?
¿Qué tipo de energéticos (electricidad, gas natural, etc.) son utilizados?
Costo de los energéticos Datos de producción (volúmenes, número de piezas, etc.).
Se calcula el índice Energético.
Una vez obtenido el índice Energético de la industria, se determina la magnitud de los ahorros potenciales y de las inversiones necesarias para disminuir el consumo energético Se establece el programa de ahorro de energía
Forma de medir la Implantación de la mejora
se
IE= (consumo de energia)/ cantidad producida = kWh/Ton El Programa de Energía deberá incluir las actividades a realizar, su calendarización y las metas de ahorro de energía deseables. Estas últimas pueden definirse dentro de los siguientes rangos, con base en la capacidad de inversión de la industria, así como en la cantidad y relevancia de los cambios a efectuar:
Ahorro de Energía Mínimo Moderado Alto Ahorro de Energía Mínimo Moderado Alto 1. Iluminación
7.0%
2. Operaciones y mantenimiento del edificio
.
3. Otras cargas
1.7
14.0
4. Extractores y ventiladores 5. Aire acondicionado y calefacción Ahorro potencial
2.0
1.0
25.7
7.0% 1.7% 14.0% 2.0% 1.5% 37.3% 11% 4.2% 32% 9.1% 5.9% 8.9% 1.6% 15.0% 1.9% 1.1% 62.2% 28.5% 11.0% 3.1% 21.0% 2.8% 1.7% 14.0% 4.1% 32.0% 8.8% 6.1% 39.6% 65.0%
APLICACION E1 programa de ahorro de energía de Mecanizados Regios SA, fue planteado para llevarse a cabo en un lapso de ocho meses, con base en la capacidad de inversión de la compañía . Características del edificio Numero de niveles Área de la planta Una planta con dos áreas: 70% producción, 30% oficinas
.
10.000 m 2 Número de empleados 100 Horas de operación por semana 88 horas
CONSUMO ANUAL DE ENERGIA DE REFERENCIA Electricidad Gas Natural Otros combustibles Total Consumo de Energía 2,934,031 KWh por año 3.799.300.000 Btu Costos de Energía $ 1,819,100 $220,360 10,000 litros $27,340 $ 2,066,800
SUBIR EL FACTOR DE POTENCIA
El cargo por bajo factor de potencia (fp) se evalúa conforme a la siguiente fórmula:
c
arg
o
(%) 3 5 90
fp
1
x
100
y la bonificación por un fp superior a 0.9 se evalúa como,
Bonificaci ón
(%) 1 4 1 90
fp
x
100
EJEMPLO DE APLICACION
Se tiene una instalación con una carga de 147 kW, con un factor de potencia de 0.84 en tarifa HM, un consumo anual de 611,520 kWh y un costo promedio de $0.45 por kWh.
El cargo que se tiene por un factor de potencia por debajo de 0.9 es, sustituyendo valores en la fórmula correspondiente, del 4.29%.
Costo de energía = 611520 x 0.45 = $275,184 Cargo por bajo factor de potencia = 275184 x 0.0429 = $11, 805 Pago anual total = $ 286,989
Si se instala un banco de capacitores para mejorar el factor de potencia a 0.95, tendremos una bonificación de 1.32%, de acuerdo con las fórmulas que se aplican para las tarifas, por lo que para el mismo consumo se tiene una bonificación de: Bonificación = 275184 x 0.0132 = $3, 621 Pago anual = $ 271, 563 Ahorro económico logrado = 286989-271563 = $15,426 anuales
La capacidad requerida del banco de capacitores es de k x KW: donde k se toma del valor de las tablas del fabricante, con los valores actual y el deseado del factor de potencia. Para este caso, con los valores de 0.84 y 0.95
respectivamente, tenemos un valor de k = 0.317 por lo que: Capacidad requerida = 0.317 x 147 = 46.60 = 47 KVA Los cuales con un costo aproximado de $240/KVA, nos da un valor de $11,280, y consecuentemente: Recuperación de la Inversión = 11280 / 15426 = 0.73 años = 9 meses
HACER BALANCE ADECUADO-APLICACIÓN Para un sistema eléctrico trifásico a 220 V con una corriente de línea de 75 A, se tiene un desbalance del 40 ° l0. Se debe estimar la energía perdida en el neutro. Si el sistema opera 720 horas mensuales con una resistencia total del conductor del neutro de 0.4656
Ω (cal. 6), para el desbalance del 40% se tiene una In = 30 A (circulando por el neutro) lo que hace que se disipe una potencia Q=RI 2 =0.4656x30
2 =419W Por lo que en un mes de operación se tiene una pérdida de energía de 301.709kWh.
Q = RI 2 = 0.4556 x 3.75
2 = 6.55W
Lo que en un mes equivale a 4.7kWh, y a un kWh mensuales.
ahorro de energía de 297
SELECCIONAR ADECUADAMENTE LA CAPADACIDAD Una subestación sobrada de 500KVA de capacidad demanda en condiciones pico 125kW con un fp de 0.9 y una alimentación de 23 kV. La subestación trabaja al 28% de capacidad ya que a esas condiciones requiere una capacidad real de 139KVA.
Las pérdidas sin carga para un transformador de 500 KVA con una alimentación de 23kV son, para un equipo estándar, de 2.55kW. Como normalmente se tiene energizada todo el tiempo, su consumo anual debido a estas pérdidas es: Pérdidas = 2.55 x 24 x 365 = 22, 338 kWh/año Si se selecciona un transformador de 150 KVA, éste operará al 92.7% de capacidad, las pérdidas sin carga son de 1.065kW, por lo que las pérdidas de energía anuales son de 9,329kWh/año, lo que representa una disminución de 13,OOOkWh/año.
USAR MOTORES DE ALTA EFICIENCIA
Sustituir un motor de 250 hp con una eficiencia del 82% que opera 12 horas diarias durante cinco días a la semana, por un motor con 92% de eficiencia. La potencia ahorrada (PA) será:
Potencia ahorrada (PA) = 0.746 x hp
1
x
1
ae
Es decir:
PA = 0.746 x 250
1 0 .
82 1 0 .
92 24 .
75
kW
Considerando el tiempo que opera al año, 12x5x50=3.000 horas, la energía ahorrada es de 74.164.90 kWh. Para un costo aproximado de $0.45/kWh se tiene un
ahorro económico de $3.374 al año.
DIMENSIONAR CORRECTAMENTE LA CAPACIDAD Para un motor de 100hp que mueve una carga de 38hp y opera 4000 horas al año, se sugiere sustituirlo por otro de 50hp que trabajará a un régimen del 76%, con una eficiencia de 91.5%.
La eficiencia del motor de 100hp trabajando a un régimen del 38% es de 81% por l o que la potencia ahorrada (PA) es de: PA=0.746*38(1/0.81 – 1/0.915) El ahorro de energía anual es = 4.02x4000 = 16.080kWh
Si el costo de la energía es de $0.45kWh el ahorro económico es de $7.236
anuales más la disminución en demanda. Considerando un promedio de$65/kW de demanda, obtenemos un ahorro anual de $3.136 adicionales.
El ahorro total es de $10.372, Si el motor nuevo instalado tiene un costo de $ 17000, la inversión se recupera en 1.6 años (un año 8 meses).
APAGAR LAS LUCES QUE NO SE UTILIZAN En un área de oficinas se tienen 200 luminarias de 2x40 con lámparas de 39 W. Se encienden durante 12 horas diarias por medio de interruptores generales. Las oficinas laboran durante cinco días a la semana, 50 semanas al año, 250 días al año. Durante el turno vespertino solamente labora el 20% del personal, quien requiere 50 luminarias exclusivamente, incluyendo la iluminación de seguridad.
Cada turno se considera de seis horas.
Estimando el consumo actual, suponiendo 80% de eficiencia, se tiene que cada luminaria es una carga de 93.6
W, por lo que el consumo anual es de Consumo anual = (200x93.6x12x5x50) / 1000 = 56,160 kWh
Estimando el consumo actual, suponiendo 80% de eficiencia, se tiene que cada luminaria es una carga de 93.6 W, por lo que el consumo anual es de Consumo anual = (200x93.6x12x5x50) / 1000 = 56,160 kWh Si se realizan los cambios necesarios para instalar apagadores y utilizar en el turno vespertino solamente las lámparas que se requieren, el consumo es Nuevo consumo = (200x93.6x6+50x93.6x6)(5x50) / 1000 = 35,100 kWh anuales El ahorro de energía que se obtiene es Ahorro = 56160 - 35100 = 21,060 kWh Si se considera un costo de $0.45 kWh, el ahorro económico es de $9,477, más el IVA correspondiente a dicha cantidad.
UTILIZAR LAMPARAS EFICIENTES Y BALASTROS ELECTRONICOS
Se tienen 500 luminarias de 2x39 W para alumbrar un área comercial. La iluminación opera 12 horas diarias durante cinco días a la semana y se trabajan cincuenta semanas al año, el equivalente a 3000 horas. Bajo estas condiciones de operación el sistema tiene una vida de tres años. El consumo total de este sistema, incluyendo las pérdidas es: Consumo anual = (93.6x500x12x5x50) / 1000 = 140,400 kWh Si se utilizan lámparas T8 de consumo total de 32 W, del mismo tamaño que las anteriores y balastro electrónico, se logra mayor eficiencia energética y la vida media de un poco más de seis años. El consumo anual con este nuevo sistema resulta ser: Consumo anual = (64x500x12x5x50) / 1000 = 96,000 kWh
Por lo que el ahorro en energía que se tiene es de: Ahorro de energía anual= 140400 - 96000 = 44, 000 kWh Por otro lado se tiene una disminución en demanda de: Disminución en demanda = (93.6-64)x500/1000 = 14.8 kW Si se considera un costo de la energía de $0.45/kWh y uno de demanda de $65/kW el ahorro económico anual es de: Ahorro económico anual = 44400x0.45+16.8x65x12 = $32,904 Si la diferencia en costo considerando el ciclo de vida de seis años es de $90 por luminaria se tiene que el sistema eficiente tiene un costo mayor de $45,000 con un tiempo de recuperación de la inversión de: Recuperación de la Inversión = 45,000/32,904 = 1.37 años (1 año y 4 meses)
CONTROLAR LA DEMANDA ELECTRICA
En una industria se tiene un consumo mensual de 122,400 kWh con una demanda máxima de 250 kW, que se presenta entre las 17 y las 18 horas. El sistema opera 720 horas en promedio mensualmente. Como resultado de la auditoria energética se detectó que una bomba de pozo de 80 HP que alimenta a los tanques de agua, opera varios días del mes a las horas pico, en períodos de cuatro horas.
Se recomendó no operar la bomba durante las horas pico y desplazar su funcionamiento a horas nocturnas, preferentemente después de las 12 de la noche, que es cuando se tiene el costo de energía más barato.
La demanda media actual es: Dmed = 122, 400 / 720 = 170 kW
Por lo que se tiene un factor de carga de:
fc
170 250 0 .
68
Si se desplaza la carga de la bomba fuera de las horas pico, especialmente hacia las horas de menor demanda, la demanda máxima disminuye en 804.746 = 59.6 kW , por lo que su valor pico será de 190.4 kW. Esta acción representa un ahorro económico mensual, considerando un costo de demanda de $65 kW, de: Ahorro económico mensual = 59.6x65 = $3,874 Más el IVA correspondiente. E1 factor de carga tendrá pues un valor de:
fc
170 190 .
4 0 .
893
Este valor nos indica un mejor uso de la energía eléctrica en todo el sistema. Si el cambio de rutina de operación de la bomba implica algún costo conviene hacer un análisis económico para ver si se recupera la inversión.
TIPOS DE CONDENSADORES
VARIEDAD EN FLUORECENTES
BALASTOS
¿DÓNDE PUEDE ORIGINARSE LA MALA CALIDAD DE ENERGÍA?
1. En la acometida de la red eléctrica que alimenta la instalación por deficiencias del suministro.
2. En la propia instalación del usuario.
¿QUÉ ES UNA ARMÓNICA?
Son ondas de frecuencias enteras ó múltiplos de números enteros de frecuencias fundamentales, que dan lugar a una señal distorsionada no sinusoidal.
CONSUMOS NO LINEALES
Los causantes son equipos de consumo o cargas no lineales (generalmente constituidos por componentes electrónicos), como PCs, TVs, variadores de frecuencia, etc.
EFECTOS DE LA DISTORSION ARMONICA
En condensadores: se queman si la corriente que circula por el banco es superior a 1.3 veces su corriente nominal.
En motores: sobre calentamiento y vibraciones excesivas si la istorsion de tension es superior al 5%.
En cables: sobre calentamiento si el valor eficaz de la corriente es superior al que soporta el cable.
En equipos de computo: perdidas de datos y daños en componentes electronicos debido a que la tension maxima es superior al nominal.
Mediciones de Tensiones Armónicas en una S.E.T. (3ra armónica)
Mediciones Tensiones Armónicas en una S. E. T. (5ta armónica)
Observaciones de las armónicas
Las armónicas de orden elevados son pequeñas, principalmente por que son suavizadas por la presencia de inductancias en el sistema.
La 5ta armónica ocasiona una onda de tensión y corriente distorsionada.
Por lo tanto, la energía entregada en el punto de medición se considera energía de mala calidad.
SOLUCIONES A LOS PROBLEMAS DE ARMÓNICAS
Mantener baja la impedancia eléctrica.
Preparar el circuito para asimilar el contenido de armónicas .
Balancear correctamente las cargas en los conductores/fases.