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Ahorro de energía eléctrica al sustituir un transformador
eléctrico antiguo por otro de alta eficiencia
Después de efectuar un diagnóstico energético en un
transformador de 750 kVA, con un tiempo de operación de más
de 25 años, se determinó la sustitución de éste por uno de alta
eficiencia de 500 kVA, en la Gerencia Estatal de la compañía
LICONSA S.A. de C.V. en el Estado de Querétaro.
Con el cambio de transformador se logró un ahorro en el
consumo de energía eléctrica en la operación de la planta de
27,056 kWh al año.
Introducción
Este es un caso de éxito que demuestra objetivamente que al
realizar un diagnóstico energético proporcionado, previo a la
sustitución de un transformador de generación anterior por
otro de bajas pérdidas (alta eficiencia), el beneficio económico
se verá reflejado en forma inmediata tal como sucedió en la
Gerencia Estatal de Querétaro, LICONSA, S.A de C.V.; esta
empresa paraestatal que cuenta con 11 plantas en la República
Mexicana dedicadas al procesamiento de leche de vaca.
Tras un minucioso estudio de cargas se determinó que la opción
más adecuada era un transformador de distribución de bajas
pérdidas (alta eficiencia) con bobinados de cobre, ya que los
equipos con estas características, además de reducir las
pérdidas en la transformación, disminuyen los costos por
consumo y demanda de energía eléctrica.
Problema
Los gastos de mantenimiento del transformador anterior se
incrementaban año tras año, ya que trabajaba a baja carga, de
altas pérdidas (baja eficiencia). Además, la planta se ubica en
una zona con variaciones de voltaje constantes debido al
crecimiento e incremento en el número de fábricas con horarios
de operación diversos en el Parque Industrial Benito Juárez.
Debido a lo anterior, era necesario ajustar la salida al voltaje
requerido por los equipos de proceso, lo cual no era posible con
el transformador anterior. La gerencia de la planta optó por
sustituir el transformador por uno de alta eficiencia y de la capacidad apropiada a la carga eléctrica en operación de la planta.
2 | 2012 AHORRO DE ENERGÍA ELÉCTRICA AL SUSTITUIR UN TRANSFORMADOR ANTIGUO POR OTRO DE ALTA EFICIENCIA
Metodología de la solución
Situación anterior.
Se presentaba una demanda máxima de hasta 269 kW, la demanda media era de 198 kW. El factor de potencia se mantenía controlado
en el 92% como valor promedio (Tabla 1).
Mes
Cantidad
Días
Máxima
Demanda Facturable
(kW)
Media
Consumo mensual
(kWh)
Energía Reactiva
(kVARh)
Factor de
Potencia
dic-08
31
244
241
210
104,400
43,200
92.40%
ene-09
31
239
236
227
112,680
44,760
92.94%
feb-09
28
234
234
203
90,960
33,360
93.89%
mar-09
31
252
252
207
102,720
42,000
92.56%
abr-09
30
248
247
211
101,040
42,960
92.06%
may-09
31
269
258
231
114,720
55,920
89.89%
jun-09
30
264
262
235
112,920
51,840
90.88%
jul-09
31
260
234
229
113,760
48,360
92.03%
ago-09
31
258
245
179
88,800
40,080
91.15%
sep-09
30
242
234
153
73,200
31,440
91.88%
oct-09
31
236
236
168
83,400
38,880
90.65%
nov-09
30
239
239
169
81,240
37,440
90.82%
dic-09
31
242
242
148
73,200
37,320
90.80%
Promedio
248
243
198
96,388
42,120
0.92
Max
269
262
235
114,720
55,920
0.94
Min
234
234
148
73,200
31,440
0.90
Tabla 1. Resumen de la Facturación Eléctrica
AHORRO DE ENERGÍA ELÉCTRICA AL SUSTITUIR UN TRANSFORMADOR ANTIGUO POR OTRO DE ALTA EFICIENCIA 2012 | 3
Pérdidas de Carga
Es muy importante conocer el índice de carga de un transformador ya que las pérdidas dependen de él; si es menor o igual a 1, en su
interior circulan corrientes menores a las nominales (para las que ha sido diseñado), sus calentamientos no serán peligrosos y puede
funcionar de modo continuo.
Si por el contrario, el índice de carga es mayor al 100% el transformador funciona por arriba de su capacidad, es decir, se conducen corrientes mayores a las nominales, por lo tanto los calentamientos pueden llegar a ser peligrosos, dañar los aislantes y el funcionamiento
no puede ser continuo.
Utilizando la facturación eléctrica, los resultados de la evaluación indican que el transformador de 750 kVA era desaprovechado; incluso
considerando la demanda máxima de potencia, pues los valores de índice de carga oscilan entre 33% y 40% (Tabla 2).
Mes
kVA Máximos
Índice de Carga Máxima
kVA Promedio
Índice de Carga Promedio
dic-08
265
35%
152
20%
ene-09
258
34%
163
22%
feb-09
250
33%
144
19%
mar-09
273
36%
149
20%
abr-09
270
36%
149
20%
may-09
300
40%
172
23%
jun-09
291
39%
173
23%
jul-09
283
38%
166
22%
ago-09
284
38%
131
17%
sep-09
264
35%
111
15%
oct-09
261
35%
124
16%
nov-09
264
35%
124
17%
dic-09
267
36%
108
14%
Promedio
272
36%
144
19%
Max
300
40%
173
23%
Min
250
33%
108
14%
Tabla 2. Índice de Carga Promedio del Transformado
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Análisis de las pérdidas de un transformador
El costo económico y ecológico por las pérdidas con carga eléctrica en los transformadores es un gran problema, por lo tanto, es
importante emplear un conductor eléctrico de gran calidad como lo es el cobre, dado que las pérdidas están en función de la resistencia
eléctrica. Mejorando el diseño, los materiales y la manufactura de los transformadores, podemos reducir las pérdidas de carga hasta en
un 33%, para ello es importante el uso de este metal en los componentes alrededor del núcleo de acero del transformador. Ya que al
incrementarse el diámetro del conductor de cobre, se incrementa su eficiencia eléctrica.
Se ha comprobado que al incrementar la cantidad de cobre, las pérdidas con carga tienden a disminuir más rápido al variar el tamaño
del conductor en Baja Tensión. No obstante, para conductores de Alta Tensión se observa que la variación de su diámetro produce una
disminución más lenta de las pérdidas.
Al usar transformadores de bajas pérdidas, por ende de alta eficiencia, se contribuye con la reducción de gases de invernadero liberados
a la atmósfera. Recordemos que en México la mayoría de las plantas de generación de energía usan combustibles fósiles.
Otras ventajas de los
transformadores de cobre son:
• Operan a mayores capacidades de sobrecarga.
• Operan en mejores condiciones de enfriamiento,
aumentando considerablemente su vida útil.
• Tienen menores costos de operación.
Esquema de un
transformador
Pérdidas Totales
Las pérdidas totales de un transformador no son constantes,
aumentan cuando sube el índice de carga. En la siguiente
figura, se representan las pérdidas en función del índice de
carga “C”.
El transformador de 750 kVA, que fue sustituido, tenía los
siguientes datos de placa: (Tabla 3)
Voltaje Nominal (Volt)
240
Corriente Nominal (Ampere)
1,864
Pérdidas de Carga al 100% P Cu, (Watts)
8,910
Pérdidas en el Hierro en Vacío, (Watts)
1,650
Tabla 3. Datos de placa transformador 750 kVA
AHORRO DE ENERGÍA ELÉCTRICA AL SUSTITUIR UN TRANSFORMADOR ANTIGUO POR OTRO DE ALTA EFICIENCIA 2012 | 5
Eficiencia de un transformador “Índice Óptimo de Carga”
El transformador de 750 kVA presentaba una eficiencia con un factor de carga de entrada entre el 14 y 40%, con un valor medio del
19%. La eficiencia del mismo variaba entre un 96.6% hasta 98.3%, manteniendo un valor medio de 97.5% Estos valores están
favorecidos por el buen factor de potencia de la planta, del 92%. Con fines informativos, en la gráfica se muestra como bajaría la
eficiencia si el factor de potencia fuese de 70%.
Gráfica 1
El nuevo transformador para los mismos valores históricos de potencia aparente trabajará con índices de carga más elevados en un
rango de mayor eficiencia
kVA
Máximos
Índice de
Carga Max.
kVA
Promedio
Índice de
Carga Prom.
Promedio
1,864
55%
141
28%
Max
8,910
60%
173
35%
Min
1,650
50%
108
22%
Tabla 4. Índice de carga promedio para el transformador alta eficiencia
6 | 2012 AHORRO DE ENERGÍA ELÉCTRICA AL SUSTITUIR UN TRANSFORMADOR ANTIGUO POR OTRO DE ALTA EFICIENCIA
Gráfica 2
La eficiencia promedio del transformador de 500 kVA es de 99.05%, con menor consumo de energía activa kWh y potencia aparente
kVA, o sea con una reducción en la demanda de potencia eléctrica promedio de la empresa.
Ahorros
La potencia activa promedio que demanda la empresa es de 198 kW con la eficiencia del transformador de 750 kVA determinada en
97.5%, la potencia de salida del transformador es de 193.5 kW. Por lo consecuente, el nuevo transformador deberá entregar la misma
potencia útil, dado que es de alta eficiencia, demandará menor potencia eléctrica de entrada.
Tomando en consideración que el transformador está conectado todo el tiempo, es de esperarse un ahorro en consumo de energía
anual de 27,156 kWh al año, resultado de un ahorro de 3.1 kW por hora.
Considerando los precios de la energía eléctrica de 2011, nos dio como resultado:
Costo por demanda eléctrica = $174 por kW cobro mensual.
Costos por energía eléctrica en promedio = $1.45 por kWh.
AHORRO DE ENERGÍA ELÉCTRICA AL SUSTITUIR UN TRANSFORMADOR ANTIGUO POR OTRO DE ALTA EFICIENCIA 2012 | 7
Ahorros económicos
Por Demanda Eléctrica = 3.1 kW x $174/ kW x 12 meses = $6, 472.80
Por Consumo de Energía = 27,156 kWh x $1.45 / kWh = $39, 376.20
En consecuencia, el ahorro anual es de $45, 849.00 pesos.
Gracias a los ahorros generados, en menos de cuatro años se recuperará la inversión hecha en el transformador que se ha instalado,
mismo que en noviembre de 2011 tuvo un costo de $175,000 pesos, con una vida útil de 30 años.
Política de Eficiencia Energética
Esta medida se suma a muchas otras que la Gerencia Estatal de la compañía LICONSA S.A. de C.V. en el Estado de Querétaro emprendió
como parte de una política de eficiencia energética que incluye:
• Sustitución de motores eléctricos por otros de eficiencia NEMA PREMIUM.
• Sustitución de luminarias de aditivos metálicos por otras de alta emisión luminosa tipo fluorescente T5, usando 2, 4 o 6 lámparas.
• Corrección de hábitos para eliminar usos no necesarios de energía.
• Instalación de sensores de presencia en iluminación.
• Uso de láminas traslúcidas Cero Calor en algunas áreas de la planta.
El resultado de los esfuerzos realizados se observa en la factura eléctrica del último año; que con respecto al año 2009 registra valores
en demanda eléctrica de entre 22 y 86 kW menos. Asimismo, en el consumo de energía se han obtenido ahorros mensuales en
promedio de 30,000 kWh.
Gráfica 3
La gráfica muestra la marcada diferencia entre las demandas eléctricas del año 2009 y las registradas durante el año 2011.
8 | 2012 AHORRO DE ENERGÍA ELÉCTRICA AL SUSTITUIR UN TRANSFORMADOR ANTIGUO POR OTRO DE ALTA EFICIENCIA
Gráfica 4
Entre el año 2009 y 2011 es notoria la disminución de los consumos, aun cuando la producción de leche se ha incrementado de 20.3 a
24.9 millones de litros por mes.
Gráfica 5
AHORRO DE ENERGÍA ELÉCTRICA AL SUSTITUIR UN TRANSFORMADOR ANTIGUO POR OTRO DE ALTA EFICIENCIA 2012 | 9
Análisis, resultados y evaluación
Los problemas de cambio climático que padece nuestro planeta encuentran una alternativa en los programas industriales de eficiencia
energética, donde el cobre, por ser el mejor conductor de electricidad, contribuye notablemente en su aprovechamiento. En los
transformadores influye en gran medida para lograr eficiencia de operación por arriba del 98% y algunos casos superiores al 99%
En este caso se demuestran los ahorros que una empresa logró al sustituir un transformador ineficiente de 750 kVA por otro de alta
eficiencia de 500 kVA producido en México. Como resultado, la empresa obtuvo un ahorro de 27,000 kWh al año, que económicamente
le representan más de $ 45,000 al año.
El nuevo transformador ha resuelto otros problemas, como ajustarse mejor a las variaciones de voltaje, logrando evitar pérdidas
productivas que, aunadas al ahorro de energía, lograron que la inversión fuese recuperada en dos años. El uso del cobre en esta tecnología fue primordial para alcanzar los ahorros estimados.
La empresa decidió ser contundente con su programa de ahorro de energía, por lo cual ha realizado otras medidas de eficiencia
energética, consiguiendo ahorros de hasta de un 29% en su consumo de energía.
Los resultados obtenidos deben motivar a otras industrias a realizar proyectos semejantes, con los que todos ganamos, pues la
eficiencia energética nos ayuda a ser más competitivos, tener menores costos de operación, contaminar menos y lograr reducir nuestra
huella de carbono, lo cual el mundo entero agradecerá.
10 | 2012 AHORRO DE ENERGÍA ELÉCTRICA AL SUSTITUIR UN TRANSFORMADOR ANTIGUO POR OTRO DE ALTA EFICIENCIA
International Copper Association Mexico
Contribuye a desarrollar una cultura de crecimiento sustentable,
fomentando la conciencia ecológica y el compromiso con el medio
ambiente.
FSC: “Forest Stewardship Council” Organización que tiene
por objetivo promover el buen uso de los recursos forestales,
mediante prácticas de responsabilidad con el ambiente,
socialmente aceptables, económicamente viables, avaladas por
procesos creíbles de certificación.
SFI: “Sustainable Forestry Iniative” Organización internacional
independiente, no lucrativa, que tiene un programa de
certificación basado en el manejo sustentable de los
bosques, la protección de la biodiversidad, calidad del agua
y el hábitat de la vida silvestre.
RA: “Rainforest Alliance” Trabaja para conservar la
biodiversidad y asegurar medios de vida sostenibles mediante
la transformación de las prácticas de uso del suelo, las
prácticas empresariales y el comportamiento del consumidor.
PAPEL RECICLADO: El uso de contenido reciclado para fabricar
nuevo papel, disminuye la utilización de madera y representa
una reducción en la cantidad de desechos sólidos. Todos los
papeles existentes se consideran productos reciclables.
GREEN SEAL: Certificación que indica que el producto
contiene un mínimo del 30% de fibra post-consumidor y es
manufacturado con una cantidad reducida de energía.
PCF: “Processed Chlorine Free” Productos manufacturados
mediante un proceso libre de cloro.
GREEN E CERTIFIED: Certificado otorgado a los productos que
en su proceso utilizan energía renovable, como la eólica, la
solar y otras energías de bajo impacto con el ambiente.
ECF: Productos que durante el proceso de fabricación no
fueron blanqueados con cloro.
CARBÓN NEUTRAL: Neenah Papers como miembro de la CCX
(Chicago Climate Exchange), promueve la reducción de uso de
carbón y la emisión de gases de efecto invernadero.
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FDM-NOV 2012
International Copper
Association Mexico
Av. Sor Juana Inés de la Cruz 14
Oficina 604
Tlalnepantla, Estado de México
54000, México
Phone: +52(55) 1665 6562 ext. 104
Fax: +52(55) 1665 6346 ext.102
www.procobre.org