En 2016, el Departamento de Energía de EE. UU. inició una Evaluación del Mercado de Sistemas Motores (MSMA), dirigida por el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley, para estudiar la enorme base de motores eléctricos en EE. UU. Cinco años después, se publicó el primero de tres volúmenes de un informe que resume y analiza la MSMA. El Volumen 1 resumió las características clave de los motores utilizados en los sectores industrial y comercial. Hablamos sobre el Volumen 1 en mayo y junio de 2021. Posteriormente, el Volumen 2 evaluó la cadena de suministro de motores y variadores. Finalmente, en julio de 2022, se publicó el tan esperado Volumen 3, que abarca el potencial de ahorro energético derivado de diversas modificaciones en los sistemas de motores.
Cambios en los sistemas de motor que aumentan el ahorro energético
El informe identificó tres áreas principales de oportunidad:
- Adaptación mejorada a la carga: Para cargas constantes, esto implicaría reemplazar motores sobredimensionados por otros más pequeños. Para cargas variables, implicaría la adopción de variadores de frecuencia (VFD) para controlar la velocidad y el par de los motores. Como se menciona en la Parte 1 del informe, solo el 16 % de los sistemas de motores industriales y el 4 % de los comerciales utilizan variadores actualmente.
- Actualización de motores: Muchos motores actuales podrían reemplazarse por modelos más nuevos y energéticamente más eficientes.
- Mejora del estado de los sistemas de distribución de fluidos: Reparación y mejoras de eficiencia en los sistemas de distribución de aire, agua, refrigerante y otros fluidos.
El informe también exploró una cuarta categoría, las tecnologías emergentes o avanzadas, como las topologías de motores de reluctancia conmutada e imanes permanentes.
Adaptación de Carga Mejorada para Sistemas Industriales y Comerciales
En esta entrada del blog, nos centraremos principalmente en la categoría de adaptación de carga mejorada, que ofrece los mayores ahorros tanto para sistemas industriales como comerciales, como se muestra a continuación. De los 547 TWh (1 TW = 1000 GW) que consumen anualmente los sistemas de motores industriales, se estima que 45 TWh (8,2 %, con un valor de 3200 millones de dólares) podrían ahorrarse mediante una mejor adaptación de carga. En el caso de los sistemas comerciales, se podrían ahorrar 69 TWh (con un valor de 9400 millones de dólares), lo que representa el 13 % del total de 532 TWh utilizados al año. (Haga clic en las imágenes para ampliarlas).
Como se muestra, se podrían ahorrar cantidades menores mediante mejoras en los motores y sistemas de distribución de fluidos. El primero marca la diferencia más importante en el ámbito comercial; el segundo, en el industrial. En esta publicación, nos centraremos en la adecuación de la carga, la mayor fuente de ahorro en ambas categorías de uso.
Limitaciones
Antes de continuar, conviene mencionar algunas limitaciones de esta investigación. En primer lugar, no se consideraron los motores de menos de 1 hp, cuya contribución al consumo total de energía es mucho menor debido a su bajo consumo y a su reducida población. En segundo lugar, no se consideraron las interacciones entre las oportunidades de ahorro. Por ejemplo, los motores de eficiencia premium presentan un menor deslizamiento, y las velocidades más altas resultantes pueden exacerbar otras ineficiencias. (Por cierto, esto se puede compensar cuando el motor está conectado a un variador de frecuencia: ¡otra interacción!).
Otro ejemplo: supongamos que un motor que acciona una carga variable se controla mediante un variador de frecuencia (VFD). Si el motor no fuera apto para el control del variador de frecuencia, podría sufrir daños en los bobinados y cojinetes, así como fallos prematuros, lo que generaría un coste adicional (de reparación o sustitución) y posiblemente paradas imprevistas, lo que reduciría el ahorro económico. Por otro lado, si cuando se introdujo el variador se sustituyó el motor por un motor de alta eficiencia preparado para inversor (con conexión a tierra del eje, por supuesto), la mayor inversión inicial se amortizaría sin duda en ahorros por la adaptación de la carga y la mejora de la eficiencia del motor.
Análisis de la rentabilidad de los cambios propuestos
La idea de que una actualización en una parte del sistema provoque fallos en otra nos lleva a nuestra última pregunta: ¿Cuán rentables son los cambios propuestos? Para evaluar esto, los autores del informe compararon el periodo de recuperación calculado en años (el coste de la instalación dividido entre la variación de los costes operativos anuales antes y después de la instalación) con el periodo de recuperación máximo aceptable de las instalaciones encuestadas. El siguiente gráfico muestra la rentabilidad de la adopción del control VFD para sistemas de carga variable.
A los precios actuales, el control VFD es rentable para el 45% de los sistemas comerciales elegibles y para el 74% de los sistemas industriales elegibles. (Las barras de color salmón muestran lo que se consideraría rentable si el precio de los variadores disminuyera). Es interesante que el porcentaje de ahorro por rentabilidad sea mucho menor para las aplicaciones comerciales. Parte de la diferencia radica en que los motores industriales son, en promedio, más grandes, y los variadores tienen un menor costo de $/hp a mayor potencia (por ejemplo, un variador de 20 hp cuesta menos que dos de 10 hp). En resumen, a precios de 2021, tanto los sistemas industriales como los comerciales podrían ahorrar más de 30 GWh al año. A precios promedio de $0,086 (industrial) y $0,13/kWh (comercial), esto significa ahorros de $2.800 y $4.000 millones. Si las empresas involucradas adoptaran plazos de recuperación más largos y aceptables, se podrían lograr ahorros aún más significativos, simplemente con la adopción del control de variadores para sistemas de carga variable.
Claro que el ahorro de energía es ahorro de energía, pero el ahorro económico puede verse anulado por el tiempo de inactividad y los costos de reparación. Por lo tanto, es recomendable que los administradores de instalaciones se aseguren de que los motores controlados por variadores sean resistentes a los efectos secundarios destructivos de los variadores de frecuencia (VFD). Es decir, motores para inversor con un aislamiento robusto del devanado para resistir daños por dV/dt elevados, y una conexión a tierra del eje fiable, como los anillos AEGIS®, para evitar daños eléctricos en los cojinetes.
Esta entrada de blog apenas ha abordado superficialmente el Volumen 3 del informe de LBNL sobre la MSMA. Si le interesa, le recomendamos leerla. Podría encontrar ideas que le ayuden a ahorrar dinero en sus instalaciones o identificar posibles dificultades en un plan en el que esté trabajando.