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Proyecto Fin de Carrera EVALUACIÓN Y OPTIMIZACIÓN ENERGÉTICA DE PLANTA INDUSTRIAL. Autor: Raúl Fernández Sánchez. Director: Francisco Javier Arcega Solsona. Facultad: E.U.I.T.I.Z. Especialidad: Ingeniería Técnica en Electrónica Industrial. Convocatoria: Junio 2013. 2 Evaluaci ó n y optimizaci ón energ ética de planta industrial I .T.I. Electr ónica Industrial RESUMEN El presente proyecto evalúa a nivel energético una planta industrial dedicada a la extrusión de aluminio. Se ponen en común los registros de consumo de electricidad, gas natural y agua de un año completo de producción, para a continuación desglosar los principales consumidores de cada área, determinando su potencia y horas de funcionamiento anuales. Mediante este análisis y varias visitas a la planta, se localizan los posibles puntos de mejora en la instalación. Siempre tratando de utilizar las últimas tecnologías presentes en el mercado, se plantean diversas mejoras relacionadas con la contratación del suministro eléctrico, los sistemas eléctricos de la planta, monitorización, e implantación de una instalación de aprovechamiento de energías alternativas. Cada una de las propuestas se acompaña de un estudio técnico y una valoración del ahorro potencial tanto económico como energético, también se detalla un presupuesto aproximado del coste de la implantación de la mejora y del periodo de retorno de la inversión. La propuesta de aprovechamiento de energías renovables consiste en una fotovoltaica sobre cubierta que será diseñada en su práctica totalidad y cuya producción se destinará a autoconsumo de una sección concreta de la planta, no a la venta de energía a la red. Con ello se pretende mostrar la posibilidad del “balance neto” en una planta industrial de pequeño tamaño. Por último se ponen en común los resultados obtenidos de acuerdo al conjunto de mejoras propuestas, a nivel energético, económico y medioambiental, se extraen las conclusiones y se finaliza con una reflexión del significado y la importancia del concepto de eficiencia energética para una empresa de tamaño medio. 3 Evaluaci ó n y optimizaci ón energ ética de planta industrial I .T.I. Electr ónica Industrial ÍNDICE CONTENIDO. 1 OBJETIVOS DEL PROYECTO. METODOLOGÍA. ....................................................................... 4 2. DESCRIPCIÓN DEL PROCESO PRODUCTIVO Y LA PLANTA INDUSTRIAL. LA EXTRUSIÓN DE ALUMINIO. .............................................................................................................................. 6 3. SUMINISTROS Y CONSUMOS ENERGÉTICOS DE LA PLANTA. ............................................ 17 4. MEJORAS ENERGÉTICAS EN SISTEMAS ELÉCTRICOS, BALANCE ECONÓMICO Y REDUCCIÓN DE CO 2 . .................................................................................................................................. 31 5. IMPLANTACIÓN DEL SISTEMA DE MONITORIZACIÓN ENERGÉTICA. SOFTWARE DE INGENIERÍA SENTRON POWER MANAGER. ........................................................................... 71 6. INTEGRACIÓN DE ENERGÍAS RENOVABLES. PLANTA FOTOVOLTAICA SOBRE CUBIERTA ENFOCADA A AUTOCONSUMO. ............................................................................................ 74 7. OTRAS MEJORAS ENERGÉTICAS. ..................................................................................... 116 8. RESUMEN DE RESULTADOS ENERGÉTICOS, ECONÓMICOS Y MEDIOAMBIENTALES. CONCLUSIONES Y REFLEXIÓN. ............................................................................................ 118 9. BIBLIOGRAFÍA.................................................................................................................. 122 10. ANEXOS. ........................................................................................................................ 123 4 Evaluaci ó n y optimizaci ón energ ética de planta industrial I .T.I. Electr ónica Industrial 1 OBJETIVOS DEL PROYECTO. METODOLOGÍA. El principal objetivo del presente proyecto es el análisis y optimización energética de una PYME, en este caso una empresa de extrusión de aluminio. Esta optimización se llevará a cabo mediante el análisis de la factura eléctrica, el estudio de las posibles mejoras en los sistemas eléctricos -en cuanto a lo que eficiencia energética se refierela implementación de un sistema de monitorización energética y el desarrollo de una aplicación de energías renovables en la planta, concretamente una fotovoltaica para autoconsumo. El desarrollo del proyecto pasa por el desglose de consumos energéticos de la empresa (electricidad, gas y agua), tras ello se analizarán la contratación, instalaciones y los consumidores de energía existentes, después se describirán y calcularán las posibles mejoras a realizar en la planta, encaminadas siempre a incrementar su eficiencia. Tras la explicación de estas mejoras, se planteará la implantación de un software de gestión energética, que, por un lado, monitorizará en tiempo real los consumos de la planta (también almacenará los datos para su posterior análisis) y por otro controlará la inyección de energía proveniente de la planta solar fotovoltaica. Dentro de las posibilidades existentes en el mercado y debido a la inexistencia de un SCADA general de planta (cada línea de producción tiene su automatización independiente) se ha decidido hacer el estudio mediante el software SENTRON POWER MANAGER, basado en entorno Windows, con amplias posibilidades y sencillez de manejo. En el sistema de gestión se controlarán los consumos eléctricos de cada centro de costes y se incluirán analizadores itinerantes para poder monitorizar de manera independiente los equipos principales. Mediante la motorización de diferentes interruptores cabecero, podremos incluso deslastrar cargas en caso de ser necesario. También podremos integrar los consumos de gas y de agua en tiempo real, pudiendo localizar cualquier problema o fuga en el sistema de manera casi instantánea. Figura 1. Vista aérea de la planta. 5 Evaluaci ó n y optimizaci ón energ ética de planta industrial I .T.I. Electr ónica Industrial Por último, se presentará el estudio de la aplicación de energías renovables, consistente en una planta fotovoltaica sobre cubierta. La fotovoltaica estará enfocada al autoconsumo y no a la venta tradicional de energía a la red. De esta forma, se tratará de mostrar la posibilidad de aplicar el concepto de balance neto energético para una instalación de estas características. La producción eléctrica de la planta fotovoltaica también se integrará en el software de monitorización energética, de modo que pueda visualizarse en tiempo real la generación de la instalación. La planta a estudio esta situada en la localidad de Zaragoza. Titular de la instalación: Industria Aragonesa C.I.F. Z-XX-7755 Zaragoza. La metodología seguida a la hora de proponer las mejoras en cada caso ha consistido en la realización de diferentes visitas a las instalaciones de la empresa, recopilación de datos aportados por el personal de la propia empresa y asistencia a varias reuniones con el personal de mantenimiento y producción. Tras la detección de ineficiencias, se han analizado las diferentes posibilidades de mejora en cada punto, intentando elegir siempre la solución óptima. Ante la imposibilidad de realizar mediciones de campo, y con la intención de afinar en la medida de lo posible los resultados, algunos datos se han extrapolado con valores de equipos similares. El presente proyecto no intenta hacer un estudio exhaustivo de una parte de la instalación, sino realizar un análisis global una planta tipo, proponiendo las mejoras que se han considerado más adecuadas en función de las actuales tecnologías y las posibilidades que ofrece el mercado en cuanto a eficiencia energética en sistemas eléctricos. La empresa analizada cuenta con larga experiencia en el sector, por lo que, aunque sus instalaciones están enfocadas hacia conseguir la máxima producción, cuenta ya con una alta optimización de sus instalaciones y del proceso industrial llevado a cabo. Antes de comenzar, quiero mostrar mi agradecimiento al personal y dirección de la empresa analizada. Por la información aportada, tiempo dedicado y sobre todo, inestimable ayuda y compromiso mostrado hacia un servidor, muchas gracias. 6 Evaluaci ó n y optimizaci ón energ ética de planta industrial I .T.I. Electr ónica Industrial 2. DESCRIPCIÓN DEL PROCESO PRODUCTIVO Y LA PLANTA INDUSTRIAL. LA EXTRUSIÓN DE ALUMINIO. 2.1. LA EXTRUSIÓN DE ALUMINIO. ELEMENTOS. La extrusión en prensa es un procedimiento de conformación por deformación plástica, que consiste en moldear un metal, en caliente o frío, por compresión, en un recipiente obturado en un extremo con una matriz o hilera que presenta un orificio con las dimensiones aproximadas del producto que se desea obtener y por el otro extremo un disco macizo, llamado disco de presión o empujador. Si el esfuerzo de compresión se transmite al metal por medio del disco de presión o de la matriz, al proceso de extrusión se le denomina extrusión directa o extrusión inversa. Figura 2. Prensa de extrusión. El proceso de compresión es esencialmente de trabajo en caliente, donde un lingote de forma cilíndrica precalentado, se coloca dentro de un fuerte contenedor de metal y es comprimido por medio de un émbolo, de manera que sea expulsado a través del orificio de una matriz. El metal expulsado o extruido toma la forma del orificio de la matriz. El proceso puede llevarse a cabo por dos métodos llamados: extrusión directa, donde el émbolo está sobre el lingote en el lado opuesto a la matriz y el metal es empujado hacia la matriz por el movimiento del émbolo Fig.1 (a), o extrusión indirecta, en la cual la matriz y el émbolo están del mismo lado del lingote y la matriz es forzada dentro del lingote, por el movimiento del émbolo. 7 Evaluaci ó n y optimizaci ón energ ética de planta industrial I .T.I. Electr ónica Industrial Figura 3. Métodos de Extrusión. La extrusión es un método relativamente nuevo en la fabricación de piezas metálicas. Originalmente fue desarrollado para la fabricación de tubo de plomo por los sistemas victorianos de agua y gas. Los problemas del material adecuado para la matriz, que soporte las temperaturas altas y presiones requeridas para extruir los metales más duros y fuertes, no fueron resueltos hasta bien entrado el siglo XX. En nuestros días, es posible extruir con éxito los siguientes metales y sus aleaciones: Aluminio, cobre, plomo y acero, aunque para este último se requiere una técnica especial. 2.1.1. PRENSA DE EXTRUSIÓN DIRECTA. Una prensa típica para la extrusión de aleaciones de cobre, sería de alrededor de 5000 ton de capacidad de carga en el émbolo, el contenedor consistiría de una pesada placa de acero recubierta con una aleación de acero resistente al calor. Este podría acomodar un lingote de 300 mm de diámetro y 1 m de longitud. Ajustado dentro del contenedor mencionado estaría un émbolo que tenga un diámetro menor que el barreno interior del contenedor. El propósito de esto es doble, minimizar la fricción entre el émbolo y el contenedor y también permitir una calavera de metal para ser dejada después que el lingote ha sido extruido. La razón para esta calavera de metal será explicada más adelante. 8 Evaluaci ó n y optimizaci ón energ ética de planta industrial I .T.I. Electr ónica Industrial Figura 4. Prensa de extrusión directa. Un cojincillo de presión precalentado se coloca entre el émbolo y el lingote a fin de prevenir el enfriamiento de la cola del lingote caliente desde el émbolo. La matriz de extrusión está hecha de acero resistente al calor, la forma de los orificios junto con el orificio del soporte o paralelo son preparados por los técnicos de matricería. El lingote fundido de dimensiones apropiadas a la prensa de extrusión y el producto se calienta a la temperatura de trabajo en caliente. Como una regla aproximada ésta es de dos terceras partes de la temperatura de fusión en grados K, por ejemplo, aluminio 600 K, cobre 800 K. El lingote calentado se coloca en el contenedor, seguido por el cojincillo de presión, caliente. El émbolo se coloca en el contenedor y se aplica la presión. Cuando se opera, el lingote es recalcado y comprimido haciendo contacto por todos lados con el contenedor. Entonces incrementando la presión, el lingote es extruido a través del orificio de la matriz. El metal sale de la matriz y corre sobre una canal. Colocando celdas de carga sobre el émbolo de extrusión, es posible seguir los cambios de la carga durante el ciclo de extrusión. La carga se eleva bruscamente, mientras el lingote está siendo recalcado, pero una vez que comienza la extrusión la carga desciende. La rapidez de descenso es constante hasta que se ha extruido aproximadamente el 85% del lingote, cuando ocurre un paro súbito, seguido de una elevación muy rápida hasta alcanzar la capacidad de carga de la prensa. 9 Evaluaci ó n y optimizaci ón energ ética de planta industrial I .T.I. Electr ónica Industrial En este punto la extrusión debe detenerse. Esto ocurre mientras aún hay alrededor del 5 al 10% del sobrante del lingote y éste debe descartarse. La razón para esta elevación final de la carga es fácil de explicar, es la misma razón por la que es imposible extruir la última pizca de pasta de dientes del tubo. Figura 5. Curva de carga de extrusión. Durante las primeras etapas de la extrusión, Fig. 6, la fuerza aplicada debe provocar que el metal fluya hacia la matriz, a lo largo de una trayectoria diagonal. Al final del ciclo de extrusión, la dirección del flujo del metal, llega a ser más y más perpendicular a la línea de acción de la fuerza aplicada, Fig. 6 (b). Figura 6. Esquema del flujo y la fuerza en un proceso de extrusión. Puesto que siempre hay una pequeña cantidad de metal remanente, después que se completa la extrusión, significa que debe prevenirse la extracción de la matriz y expulsar el descarte. 16 Evaluaci ó n y optimizaci ón energ ética de planta industrial I .T.I. Electr ónica Industrial Figura 15: Plano general de zona oficinas y despachos. 17 Evaluaci ó n y optimizaci ón energ ética de planta industrial I .T.I. Electr ónica Industrial 3. SUMINISTROS Y CONSUMOS ENERGÉTICOS DE LA PLANTA. Los datos básicos de la empresa a fines de horas de funcionamiento son los siguientes: Horas/día: 24. Días semana: 5/6. Horas año media: 5760. Superficie total: 10.000m2 aprox. Periodo de funcionamiento: Enero -> Diciembre (incluidos), parada en la producción en el mes de agosto. En la evaluación de consumidores desglosaremos el nº de horas de funcionamiento de cada carga. 3.1. SUMINISTRO ELÉCTRICO. 3.1.1. CONTRATO DE SUMINISTRO. TARIFA APLICADA. En primer lugar revisaremos el tipo de contrato que tiene actualmente la empresa y desglosaremos los términos que aparecen en factura. Evaluando los valores de consumos y potencias activas máximas registradas, analizaremos la posibilidad de reducir la potencia contratada o de negociar con la empresa suministradora la rebaja de precio del KWh en algún periodo concreto. Las diferentes posibilidades que nos da el mercado en cuanto a tarifas de suministro eléctrico son las siguientes: Figura 16: Tarifas eléctricas disponibles en el mercado. 18 Evaluaci ó n y optimizaci ón energ ética de planta industrial I .T.I. Electr ónica Industrial Las tarifas 2.0 hasta 3.0A son tarifas con contratación de la electricidad en BT (Baja Tensión), con diferentes franjas de potencia a contratar y varios periodos horarios de tarificación en función de las necesidades del cliente. Esta modalidad está encaminada claramente al pequeño consumidor, que no requiere una gran potencia. La contratación en BT implica que no se requiere de un centro de transformación propiedad del cliente, por lo que la acometida es sencilla. El control de la potencia a consumir, se realiza mediante ICP o maxímetro en función de la potencia contratada. Para la contratación de suministro eléctrico en MT o AT (Media o Alta Tensión, a partir de 1KV) se dispone de las tarifas 3.1 y 6.X que varían en cuanto a la potencia contratada (hasta 450KW la 3.1 y mayor de 450KW para las 6.X) y la tensión de suministro. Normalmente, por cuestiones de eficiencia, a mayor consumo energético, mayor es la tensión de suministro solicitada, aunque también depende de la ubicación de la empresa consumidora y de la red de distribución local. En el caso de suministro en MT o AT el cliente deberá disponer de su propio centro de transformación, para la adecuación de la tensión de suministro a la de funcionamiento de su planta, normalmente 400 o 690Vac. El mercado eléctrico ha sufrido una importante evolución en los últimos años, así, en el año 2008 se forzó la liberalización de mercado desde los 15KW, eliminando progresivamente los contratos sin liberar y añadiendo importantes recargos a los contratos que no pasasen a mercado libre. Por este motivo, la empresa a estudio cuenta con un contrato en mercado libre, que por la elevada potencia contratada -2200KW- y la tensión de suministro, 45KV, conlleva una tarifa a contratar tipo 6.2. La tarifa contratada es la indicada para potencias >450KW y en el margen de tensión 36KV < tensión de suministro ≤ 72.5KV. En este tipo de tarifa no existe la posibilidad de acudir a una tarifa de último recurso (TUR), esto solo es posible en tarifas de hasta 10KW de potencia contratada. La tarifa 6.2, como el resto de las tarifas 6.X se divide en cuanto a tramos de tarificación en seis periodos P1-P6. En función del mes del año y de la hora del día, el precio del KWh varía. Los periodos de facturación se muestran en el siguiente cuadro. Figura 17: Periodos de facturación de las tarifas 6.X.. 19 Evaluaci ó n y optimizaci ón energ ética de planta industrial I .T.I. Electr ónica Industrial Según avanzan los periodos, el precio del KWh y del KW de potencia contratado va decreciendo, de forma que el P1 es el periodo más caro y el P6 el más económico. De ahí que muchas empresas trabajen el turno de noche, motivadas por el menor precio de la energía y de la potencia disponible. Para entender bien los datos de consumos y potencias que mostraremos a continuación, desglosaremos brevemente los términos que componen la factura eléctrica. Termino de potencia: Es el precio que hemos de pagar por tener disponible una cantidad concreta de potencia para nuestra instalación. Se paga como un concepto “fijo” en base a los KW contratados, pero el precio de estos €/KW disponible es diferente en función del periodo (P1-P6). Para el tipo de tarifa aplicada, 6.2, los precios en €/KW y año por periodo en las fechas del estudio (fijados por el ministerio de industria) eran las siguientes: TARIFA P1 P2 P3 P4 P5 P6 6.2 14.011190 7.011658 5.131370 5.131370 5.131370 2.341263 Precio en €/KW y a ño. Durante el tiempo de facturación, si el maxímetro registra menos del 85% de la potencia contratada, se factura el 85% de dicha potencia contratada. Si el maxímetro marca en el rango 85%-105% se factura la potencia marcada por el maxímetro y si el equipo tiene registrada una potencia superior al 105%, se facturará la potencia que marca el maxímetro mas el doble de la diferencia entre la potencia marcada y el 105% de la potencia contratada, lo cual supone una penalización en la factura. La forma de aplicar la penalización o la reducción al 85% depende de la comercializadora, puede aplicarla en el periodo afectado (P1-P6) o en el total del tiempo de facturación, independientemente de los periodos existentes. Incluso por desconocimiento del cliente, existen distribuidoras que si la potencia está en el margen 85-105% cobran al cliente el 100% del término de potencia sin reducción alguna. Término de energía: Es la parte correspondiente a la energía en KWh que consumimos. Del mismo modo que el término de potencia, el precio del KWh varía en función del periodo de facturación en el que se consuma (P1-P6) siendo el P1 el más caro y el P6 el más barato. El precio del KWh consumido varía en función de la comercializadora, pero existe una parte fija aplicada en cada KWh, llamado tarifa de acceso y que está fijado por el Ministerio de Industria y Energía. Este suplemento lo componen el pago por capacidad y el incremento por pérdidas. Penalización por reactiva: La energía reactiva se mide en KVArh y es una energía “no útil” ya que no genera trabajo. No obstante es necesaria para el funcionamiento de equipos inductivos como motores, transformadores etc. La comercializadora penaliza, con unas tarifas fijadas por el estado, el consumo de energía reactiva en función del cosφ de nuestra instalación del siguiente modo: 20 Evaluaci ó n y optimizaci ón energ ética de planta industrial I .T.I. Electr ónica Industrial Precio €/KVArh Cosφ < 0,8 0,8 < cosφ < 0,95 0,95 < cosφ 0.062332 0.041554 0 Así, podemos comprobar que para evitar la penalización por reactiva, debemos mantener nuestro cosφ por encima de 0,95, lo cual se consigue con la instalación de equipos capacitivos denominados baterías de condensadores, que generan la energía reactiva necesaria en cada momento para aproximar el cosφ de nuestra instalación a 1 (situación ideal). Impuestos y alquileres: Dentro de este componente de la factura se incluyen el impuesto sobre la electricidad que suponía en el periodo de estudio un 4,864% del importe total de término de potencia, término de energía y componente regulado y multiplicado por 1,05113. El componente regulado está directamente relacionado con el término de energía. También se incluyen en este punto el alquiler de los equipos de medida y el IVA. Una vez detallados los puntos que componen la factura, pasamos a ver los consumos registrados durante el año de estudio. 3.1.2. REGISTRO DE CONSUMOS Y PICOS DE POTENCIA. PRECIO MEDIO DEL KWh. Los consumos eléctricos registrados (termino de energía) han sido los siguientes: KWH ENE. FEB. MAR. ABR. MAY. JUN. JUL. AGO. SEP. OCT. NOV. DIC. ANUAL P1 171.334 191.667 149.816 323.643 156.124 992.584 P2 276.231 293.999 146.483 309.601 248.045 1.274.359 P3 173.028 113.101 227.554 156.963 670.646 P4 330.588 178.634 354.202 317.064 1.180.488 P5 435.498 469.244 464.978 1.369.720 P6 322.533 315.292 371.381 344.457 301.401 376.842 396.259 250.964 383.794 336.193 305.404 301.644 4.006.164 TOTAL KWh 770.098 800.958 874.997 779.955 770.645 964.876 1.029.503 250.964 965.550 801.171 779.431 705.813 9.493.961 TOTAL € 48923 51372,6 55303,38 49078,29 49513,85 62069,21 66405,94 16140,19 61955,88 51014,58 50091,56 44722,1 606590,58 €/KW h 0,0635 0,0641 0,0632 0,0629 0,0642 0,0643 0,0645 0,0643 0,0642 0,0637 0,0643 0,0634 0,0639 € El total de KWh consumidos a lo largo del periodo junio10-mayo11 ha sido de 9.493.961KWh, lo que se ha traducido en 606.590,58€ suponiendo de este modo un precio “bruto” medio del KWh de 0.0639€/KWh. 21 Evaluaci ó n y optimizaci ón energ ética de planta industrial I .T.I. Electr ónica Industrial A este precio final del KWh, deberemos añadirle los impuestos relacionados, por lo que no es todavía el utilizado en los estudios económicos realizados. La potencia contratada es de 2200KW, siendo los límites superiores de potencias consumidas los siguientes: KW ENE. FEB. MAR. ABR. MAY. JUN. JUL. AGO. SEP. OCT. NOV. DIC. P1 2.216 2.100 1.980 2.124 2.100 P2 2.148 2.168 2.004 2.084 2.104 P3 1.612 1.948 2.168 1.568 P4 2.132 1.916 2.076 2.116 P5 1.868 1.832 2.080 P6 2.120 2.132 2.088 1.960 1.940 2.064 1.992 1.820 2.108 1.976 2.056 2.100 PUNTA KW 2.216 2.168 2.132 1.960 1.940 2.064 2.124 1.820 2.168 2.080 2.116 2.104 DESVIACIÓN KW -16 32 68 240 260 136 76 380 32 120 84 96 DESVIACIÓN % -0,73 1,45 3,09 10,91 11,82 6,18 3,45 17,27 1,45 5,45 3,82 4,36 PROMEDIO DESVIACIÓN 5,71 22 Evaluaci ó n y optimizaci ón energ ética de planta industrial I .T.I. Electr ónica Industrial Vemos como el término de potencia contratada sólo ha sido superado en uno de los periodos de facturación (concretamente en un sólo momento puntual y nunca sobrepasando el 105% comentado anteriormente). Por esto, entendemos que el nivel de potencia contratada con la instalación actual es la adecuada. A pesar de ello en este mes se aplicó una penalización por sobrepasar el límite de potencia. En todos los meses, el máximo de potencia pico consumida se mantiene entre el 85-105% (incluso en agosto tan solo se llega al 82,73%). En la factura podemos observar como al cliente se le cobra siempre el 100% del término de potencia en lugar del exacto consumido, lo cual supone a nuestra empresa a estudio, un sobrecoste que podría negociarse con la distribuidora. Comprobamos que el promedio de punta de potencia se fija en un 5,71% por debajo de la potencia contratada. Exigiremos a la suministradora que cobre a la empresa la punta exacta de consumo, lo cual repercutirá, de seguir la tendencia actual, en un ahorro aproximado del importe del término de potencia anual del 5%. En posteriores apartados, evaluaremos la posibilidad de incluir elementos que limiten los picos de potencia (o equipos para monitorizar y deslastrar cargas remotamente) para reducir la potencia contratada. Respecto a la energía reactiva, comprobamos en las facturas del año completo, que no ha habido ninguna penalización relacionada por lo que se muestra que la instalación está bien compensada. El conjunto de los términos aparentes en factura son: Con el fin de poder hacer una evaluación económica de las mejoras propuestas, calcularemos el precio medio del KWh a lo largo del año. Teniendo en cuenta todos los factores que influyen en el precio del KWh (Término de energía, componente regulado e impuesto de la electricidad), consideraremos el siguiente precio del KWh para el cálculo y periodo de retorno de todas las mejoras a proponer: TÉRMINO DE ENERGÍA: 606.590 € TÉRMINO DE POTENCIA: 85.268 € COMPONENTE REGULADO: 27.171 € IMP. DE LA ELECTRICIDAD: 34.973 € TOTAL: 754.003 € 23 Evaluaci ó n y optimizaci ón energ ética de planta industrial I .T.I. Electr ónica Industrial Todos los precios se muestran sin IVA. 3.1.3 PROPUESTA DE AHORRO EN EL SUMINISTRO. El precio a pagar mensualmente por el término de potencia es de 7105.67€ lo que supone 85.268€ al año, la reducción a negociar mencionada del 5% supondrá el ahorro de 4263.4€ Sobre la negociación del precio del KWh, es difícil hacer una estimación de las posibles mejoras a conseguir, ya que el precio actual de compra del KWh ya es bastante ajustado. Tras preguntar a la dirección por el asunto, nos indican que es el mejor precio que han podido conseguir. También nos informan de que el grupo cuenta con otras plantas de diferentes magnitudes (todas más pequeñas que la estudiada) en otras zonas, y que la contratación del suministro eléctrico del resto de plantas está hecho con otras comercializadoras diferentes. Esto se debe a que la contratación de suministro antes de la liberalización del mercado estaba sujeta a la zona geográfica en la que se situaba el consumo, y según la ubicación, había que contratar obligatoriamente con una comercializadora determinada. La liberalización del mercado, hace que tengamos la posibilidad de contratar en cualquier zona con cualquier comercializadora, lo que nos posibilita negociar la contratación del resto de plantas conjuntamente con ésta. El margen de reducción que se suele conseguir en negociaciones de este tipo ronda entre el 1 y el 4%, tomaremos la posición más conservadora, considerando que podemos conseguir una mejora del 1% en el término variable de la energía consumida. Tomando estas mejoras del 5% del término de potencia y el 1% del término de energía, la reducción total en factura supondrá: KWH. ANUALES 9.493.961 KWH TÉRMINO DE ENERGÍA: 606.590 € COMPONENTE REGULADO: 27.171 € IMPUESTO DE LA ELECTRICIDAD (DEL TÉRMINO VARIABLE): 29.504 € TOTAL: 663.265 € PRECIO MEDIO KWH: 0,0699 € TÉRMINO DE ENERGÍA: 606.590 € AHORRO T.ENERGÍA 1%: 6.066€ TÉRMINO DE POTENCIA: 85.268 € AHORRO T.POTENCIA 5%: 4.263€ AHORRO TOTAL: 10.329€ 24 Evaluaci ó n y optimizaci ón energ ética de planta industrial I .T.I. Electr ónica Industrial 3.2. SUMINISTRO GAS NATURAL. COMPARATIVA CONSUMOS. La planta está conectada a la red local de gas natural. Contrato vigente con la distribuidora Gas Natural Fenosa. El consumo de gas natural mes a mes durante el último año ha sido el siguiente: ENE. FEB. MAR. ABR. MAY. JUN . JUL. AGO. SEPT. OCT. NOV. DIC. TOTAL MWh. 1143 1232 1251 1092 1031 1.334 1.400 131 1.385 1.134 1.129 1.067 13.329 € 32.576 35.112 35.654 31.122 29.384 38.019 39.900 3.734 39.473 32.319 32.177 30.410 379.876,50 Siendo 0,0285€/KWh Haciendo una comparativa de KWh eléctricos y KWh térmicos consumidos frente a €: 25 Evaluaci ó n y optimizaci ón energ ética de planta industrial I .T.I. Electr ónica Industrial Podemos comprobar cómo, aunque el consumo en KWh térmicos supera ampliamente el consumo en KWh eléctricos, en términos económicos el consumo eléctrico supera ampliamente al consumo térmico (61-39%). En términos de CO2 y tomando los siguientes valores: KWh eléctrico (mix eléctrico español 2010): 0.166Kg CO2/KWh: 1576Ton CO2/año. KWh térmico con gas natural: 0.231Kg CO2/KWh: 3079 Ton CO2/año. 3.3. SUMINISTRO AGUA. El consumo de agua se centra en la planta de pintura/lacado además del túnel de agua (refrigeración de perfiles) que se utiliza en los meses más calurosos. El desglose de consumos de agua a lo largo del último año ha sido el siguiente: ENE. FEB. MAR. ABR. MAY. JUN. JUL. AGO. SEPT. OCT. NOV. DIC. TOTAL M3 168 126 204 138 222 414 360 54 408 216 162 240 2.712 € 535,92 401,94 650,76 440,22 708,18 1320,7 1148,4 172,26 1301,5 689,04 516,78 765,6 8.651 Siendo 3,19 €/m3 32 Evaluaci ó n y optimizaci ón energ ética de planta industrial I .T.I. Electr ónica Industrial Las zonas 1 y 2 tienen posibilidad de ser desconectadas desde la mesa de control de la prensa, acción que se realiza en los cambios de matriz. Por ello, en lugar de las 5760H de producción, se estima una utilización de 3100H. Esta conexión/desconexión es manual por lo que depende exclusivamente del operador. El caudal de ventilación no es regulable, es todo/nada, independiente de la temperatura del material a refrigerar y de la temperatura del aire impulsado para la refrigeración. En principio esto no supone ninguna pérdida energética ya que en este tramo no se llega a refrigerar el perfil hasta temperatura ambiente, por ello las turbinas de enfriado deben funcionar siempre a su potencia máxima. Por su ubicación, en estas zonas siempre está circulando material a refrigerar. La zona 3 se compone de una bancada de ventiladores de 0,75KW de potencia colocados en el suelo, y cuyo caudal de impulsión esta dirigido a 45º respecto a la vertical. Está en funcionamiento siempre que esta activo el proceso productivo, haya o no material a refrigerar en esa zona, sin ningún tipo de regulación ni posibilidad de activación/desactivación. Cada bancada de zona 3 se compone de 35 ventiladores de 0.75KW y de caudal 1000m3/hora, lo que hace una suma de 26.25 KW (105KW contando las 4 prensas). Las pérdidas energéticas detectadas en esta zona se corresponden principalmente a dos factores: - Caudal incontrolado de refrigeración del material, independiente de la tª del mismo y de la del aire impulsado. - Funcionamiento del sistema de ventilación sin material que refrigerar durante parte del tiempo de proceso. Se realiza la siguiente evaluación energética, teniendo en cuenta las potencias de ventilación y las horas de funcionamiento del sistema. Para el total de elementos existentes en las 4 líneas de proceso: EQUIPOS POTENCIAS (KW) UNIDADES EFF CONSUMOS (KWh) € AÑO ZONA 1 11 4 0,9 151555,56 10593,73333 ZONA 2 11 8 0,9 303111,11 21187,46667 ZONA 3 0,75 140 0,75 806400,00 56367,36 3100 horas TOTAL 88.149 € 33 Evaluaci ó n y optimizaci ón energ ética de planta industrial I .T.I. Electr ónica Industrial 4.1.1. PROPUESTAS. Tras evaluar los costes energéticos derivados de esta fase del proceso y la viabilidad técnica de las mejoras posibles, se opta por las siguientes soluciones: - Sustitución de los motores de las zonas 1 y 2 por motores de alta eficiencia. Los motores existentes cuentan con una edad de 12 años y una eficiencia del 90% al 100% de carga. Se plantea su sustitución por motores de nueva generación y alta eficiencia. EQUIPOS POTENCIAS (KW) UNIDADES EFF CONSUMOS (KWh) € AÑO ZONA 1 11 4 0,9 151555,56 10593,73333 ZONA 2 11 8 0,9 303111,11 21187,46667 ZONA 1 NUEVO 11 4 0,95 143578,95 10036,16842 ZONA 2 NUEVO 11 8 0,95 287157,89 20072,33684 3100 horas AHORRO 1.673 € Obviaremos esta medida dado el bajo nivel de ahorro anual que nos supone. - En la zona 3, gran parte del caudal de ventilación que generan los ventiladores es desperdiciado debido a la pequeña superficie que ocupa el material a refrigerar, frente a la amplitud del caudal generado por los ventiladores. Se estima que más de la mitad del caudal se pierde sin ejercer influencia alguna sobre los perfiles de aluminio a enfriar. Teniendo en cuenta que cada bancada cuenta con ventiladores que suman 26.25KW (con una eficiencia del 75%), y un caudal total de ventilación de 35.000m3/h, consideramos que aproximadamente la mitad de esta potencia es desperdiciada. La propuesta es la instalación de una canalización de aire por debajo de la bancada de rodillos que soporta los perfiles, similar a las existentes en las zonas 1 y 2 pero con apoyo en el suelo. El caudal necesario será generado por dos turbinas de 11KW situadas en ambos extremos de la bancada, reguladas mediante variador de velocidad que es controlado mediante un lazo cerrado de control (ya pre-programado en el mismo). Como señal analógica de control del caudal, se utilizará la proveniente de un pirómetro infrarrojo, situado en el extremo de mayor temperatura de ambas mitades de la bancada (los situados más cerca de la salida de la prensa). Además de este sistema de regulación, que modificará el caudal de ventilación en función de la temperatura de los perfiles situados sobre la canalización de aire, se instalarán sensores capacitivos que indicarán al variador (a través de sus entradas digitales) cuando hay material sobre la bancada, evitando el funcionamiento del sistema en vacío. 34 Evaluaci ó n y optimizaci ón energ ética de planta industrial I .T.I. Electr ónica Industrial El sistema deberá tener la siguiente estructura: Figura 20. Esquema de ventilación. El caudal generado por las dos turbinas de 11KW es equivalente al conjunto de los ventiladores existentes. La propia sustitución de los motores de 0,75 Kw por las dos turbinas genera un ahorro de manera directa por la diferencia de potencias de cada conjunto (26.25Kw del antiguo por 22Kw del nuevo). A esto se le añade la diferencia de rendimiento entre los motores antiguos y los nuevos a instalar. Se estima que con un sistema regulado mediante variador se puede ahorrar entre un 20-40%. Adoptaremos la postura más conservadora. El variador de frecuencia a incluir en el sistema deberá sobredimensionarse en un factor 1.25 al tener éste que alimentar a dos motores. De este modo el variador implementado será de 30KW. El modelo elegido será el Sinamics G120 de la firma SIEMENS. El circuito de canalización del flujo de refrigeración requerirá llevar a cabo de un estudio específico, fuera del alcance del presente proyecto, con el fin de asegurar la equivalencia de los caudales de impulsión de ambos sistemas. Para establecer esta equivalencia en el presente estudio, se han utilizado los datos de turbina incluidos en anexos. En función del tipo del diámetro, utilización final y aleación que componga el perfil extruido, la velocidad de refrigeración del mismo deberá ser diferente para optimizar las características del producto. Mediante diferentes programas en el variador, podremos parametrizar diferentes tiempos de refrigeración en función de los requerimientos de cada momento de producción. Para el cálculo de la potencia de los motores, se utilizará: Pnominal del motor (la potencia útil que genera en el eje)= Pabsorbida de la red x rendimiento. Pn = √3 x U x Iabs X cosα x η => Pabs = Pn x η. 35 Evaluaci ó n y optimizaci ón energ ética de planta industrial I .T.I. Electr ónica Industrial Consumo = Pabs x horas de funcionamiento. Con todo ello calculamos: EQUIPOS POTENCIAS (KW) UNIDADES EFF EFF VARIADOR CONSUMOS (KWh) € AÑO ANTIGUO ZONA 3 0,75 140 0,75 806400,00 56367,36 NUEVO ZONA 3 11 8 0,94 0,95 567614,78 39676,27324 NUEVO ZONA3 + REGULACION (-20%) 11 8 0,94 0,95 454091,83 31741,01859 AHORRO 352.308 24.626 El presupuesto estimado del sistema (total para las 4 líneas de la planta) es el siguiente: EQUIPOS CANTIDAD € € TOTAL MOTORES 11KW 8 650 5200 TURBINAS 8 600 4800 CANALIZACIONES DE AIRE 4 6000 24000 VARIADORES+ SENSORES 4 2000 8000 INSTALACIÓN-PROGRAMACIÓN 15000 TOTAL 57.000,00 € 4.2. ESTUDIO SISTEMA DE ILUMINACIÓN. Para la iluminación de las diversas zonas que forman la empresa se utilizan diferentes tipos de lámparas: - Lámparas fluorescentes con sistema de encendido convencional de 36 W y 18 W en zonas de oficinas, matricería y bajo las bancadas de almacenamiento elevadas. - Lámparas de descarga de halogenuros metálicos de 400 W en almacenes de producto terminado y naves de producción. - Lámparas de descarga de vapor de mercurio de 400 W en naves de producción. - Lámparas de halogenuros metálicos de 400W en el exterior, zonas entre naves y alrededor de las mismas. - Lámparas halógenas de 1.000 W en el exterior. AHORRO ENERGÉT ICO: 352.308 KWh AHORRO ECONÓMICO: 24.626€ INVERSIÓN: 57.000€ PAY BACK: 2.31 años 36 Evaluaci ó n y optimizaci ón energ ética de planta industrial I .T.I. Electr ónica Industrial 4.2.1. ALUMBRADO DE OFICINAS/SERVICIOS AUXILIARES A LA PRODUCCIÓN. FLUORESCENTES: Existen pantallas de fluorescentes para alumbrar diversas zonas como oficinas, despachos, pasillos, salas de reuniones, etc., donde los fluorescentes tienen instalado un sistema de encendido convencional con balasto electromagnético estándar. La totalidad de los fluorescentes instalados son tipo T8. Existen excepciones como las salas de bombas donde todavía hay instaladas lámparas tipo T12. Las lámparas se encienden por zonas, aunque habitualmente permanecen encendidas la mayor parte del día, hasta el fin de la jornada, en oficinas (11-12h/día). En otras zonas de paso o zonas relacionadas con el proceso productivo como por ejemplo vestuarios y salas de bombas, las luminarias permanecen encendidas las 24h del día. El desglose de luminarias/lámparas y horas de funcionamiento es el siguiente: ZONA Nº Nº LÁMPARAS POT (W) POT TOTAL(W) PERDIDAS (W) HORAS KWh € € PÉRDIDAS OFICINAS 3X36W 71 213 7.668 9.831 2.163 3.360 33.031 2.309 508 4X18W 27 108 1.944 2.492 548 3.360 8.374 585 129 BANCADAS 2X36 48 96 3.456 4.431 975 5.760 25.521 1.784 392 2X36 48 96 3.456 4.431 975 5.760 25.521 1.784 392 OTROS 2X36 15 30 1.080 1.385 305 5.760 7.975 557 123 TOTALES 100.423 7.020€ 1.544€ Por estos motivos se propone: - La instalación de balastos electrónicos de alta frecuencia en las pantallas de fluorescentes. En zona de oficinas balasto Dali. - Implantación de sistema de regulación de la iluminación en la zona de oficinas. KNX/Dali (descripción del sistema a continuación). - Implantación de un sistema de encendido/apagado de las luminarias mediante sensores de presencia en zonas auxiliares de proceso. Sustituir balastos electromagnéticos por balastos electrónicos. 4.2.1.1. Descripción técnica Propuesta. Balasto electromagnético VS balasto electrónico: La instalación clásica de tubos fluorescentes con reactancia convencional es de forma esquemática la siguiente: 37 Evaluaci ó n y optimizaci ón energ ética de planta industrial I .T.I. Electr ónica Industrial Figura 21.Balasto Electromagnético. La frecuencia a la cual trabajan normalmente las reactancias o balastos de las lámparas fluorescentes es igual a la de la red eléctrica, es decir, 50 Hz. Operando con este valor de frecuencia, el rendimiento luminoso (flujo luminoso/energía eléctrica consumida) es inferior al que se obtendría trabajando con una frecuencia más elevada. Por otra parte, el balasto convencional consume una determinada cantidad de energía y requiere un condensador de compensación para mejorar el factor de potencia del conjunto del sistema para lámparas fluorescentes se estima entre un 20-25%. Para nuestros cálculos estimaremos un 22% de la potencia de las lámparas. Alimentando una lámpara fluorescente mediante balastos electrónicos de alta frecuencia a frecuencias superiores a 10 kHz, se obtiene un incremento significativo en la eficacia luminosa. Asimismo, es conveniente trabajar a un valor de frecuencia superior al límite de la audición humana, unos 20 kHz, e inferior a los 50 kHz, a partir del cual se incrementan apreciablemente las pérdidas en el balasto, como también las posibilidades de provocar interferencias electromagnéticas. En la práctica, los balastos electrónicos disponibles en el mercado trabajan a una frecuencia del orden de 30 kHz. La instalación de manera esquemática es la siguiente : Figura 22.Balásto electrónico. 38 Evaluaci ó n y optimizaci ón energ ética de planta industrial I .T.I. Electr ónica Industrial Cada balasto AF puede alimentar un par de lámparas y, por tanto, el consumo del propio elemento se reparte entre dos fuentes de luz, lo que supone un incremento adicional en la eficacia del sistema. Las principales ventajas de la utilización de balastos de alta frecuencia son: - Ahorro de energía. Producido por dos efectos principalmente: - Incremento de eficacia luminosa de la lámpara al circular por ella corriente a alta frecuencia (30 kHz), lo que permite conseguir la misma iluminación con un 25% menos de corriente. - Perdidas por inducción mínimas, lo que se traduce en bajas perdidas por efecto Joule. - El ahorro energético total respecto a los sistemas convencionales puede alcanzar hasta un 40%. - Factor de potencia elevado, prácticamente cosφ = 1. Evita la instalación de condensadores de compensación. - Encendido instantáneo y sin relámpagos. - Ausencia de vibraciones sonoras y mecánicas. - Baja disipación de calor. En lugares climatizados se reduce la carga térmica y por tanto se obtiene un ahorro energético en los sistemas de climatización. - Fácil instalación. No es necesaria la instalación junto con el balasto de cebadores, condensadores, ni otros dispositivos. - En instalaciones nuevas, el coste de inversión es más bajo ya que permite utilizar cables eléctricos de menor sección. - Reducción potencia contratada en alumbrado. - El nivel de flujo se puede ajustar automáticamente o manualmente en un intervalo que va desde el 100% hasta el 25% del flujo nominal. Durante la regulación, la frecuencia varía hasta los 45 kHz. A medida que la frecuencia aumenta, la potencia absorbida por la lámpara decrece y, por tanto, también lo hace el flujo luminoso. Figura 23. 39 Evaluaci ó n y optimizaci ón energ ética de planta industrial I .T.I. Electr ónica Industrial Propuesta. Tubos fluorescentes T8 VS T5. La inclusión de tubos fluorescentes T5 debe ir acompañada por la sustitución de las luminarias existentes, ya que, debido a las diferentes dimensiones de tubos, casquillos y características de funcionamiento de los T5, requieren de luminarias específicas. En sí los tubos T5 tienen menor flujo luminoso que los anteriores T8 (ver tabla), pero con las nuevas luminarias podremos obtener mejores rendimientos, obteniendo los mismos resultados (o mejores en caso de luminarias antiguas) que con luminarias con tubo T8. No obstante, dado que las luminarias existentes son relativamente nuevas y que consideramos que tienen un rendimiento suficiente, obviaremos la posibilidad de sustitución de luminarias + tubo T8 por tubo luminarias T5. La inversión es alta en proporción a la rentabilidad obtenida, lo que alarga en exceso el periodo de retorno. 4.2.1.1. Propuesta. Sistema de regulación Dali. El actual código técnico de la edificación obliga a incluir en los nuevos edificios del sector terciario un sistema que “disponga de un sistema de control que permita ajustar el encendido a la ocupación de la zona, así como de un sistema de regulación que optimice el aprovechamiento de la luz natural”. Figura 24. Regulación de flujo. Dada la geometría de las plantas de oficinas y el aporte de luz natural existente, optaremos por la instalación de un sistema de regulación del flujo luminoso mediante sistema domótico KNX- 25% 75% 40 Evaluaci ó n y optimizaci ón energ ética de planta industrial I .T.I. Electr ónica Industrial Dali. (Digital Adressable Lighting Interface). El sistema podrá ser igual en cada una de las plantas. El sistema consiste en la inclusión de un balasto electrónico en cada luminaria, a los que se les da una dirección, todos los balastos se comunican mediante una red de bus digital que a su vez se conecta a una pasarela Dali-KNX. El sistema de regulación se lleva a cabo mediante una señal digital generada por la pasarela en lugar de la típica regulación analógica (0-10V). En la red KNX también se incluirán detectores de presencia y células fotoeléctricas. Mediante programación con el software ETS (programa utilizado por todos los fabricantes de KNX), se programará el sistema de forma que el flujo a emitir por cada una de las luminarias o grupos de luminarias, dependa del nivel de iluminación existente (variable en función del aporte natural) y de la utilización de cada una de las estancias. Para el control posterior de la instalación, deberán instalarse mecanismos que se integran en el bus KNX o una pantalla de visualización táctil que haga de HMI del sistema. En cada una de las plantas pueden programarse hasta 16 grupos, situación que con la distribución de las plantas se antoja suficiente. Figura 25. Plano de oficinas. 41 Evaluaci ó n y optimizaci ón energ ética de planta industrial I .T.I. Electr ónica Industrial Las ventajas que aporta un sistema de regulación de la iluminación son muchos: - Aumento de la vida útil de las lámparas debido a la regulación. - Aprovechamiento de la luz natural. - Aumento del confort del usuario. Creación de escenas. - Ahorro de energía en función de la ocupación del edificio. Se estima un 25% dada la gran superficie acristalada de que disponen las oficinas. - Fácil mantenimiento. Figura 26. Estructura KNX. Este sistema debe incluir: - Balastos electrónicos regulables tipo Dali, a los que se les puede asociar una dirección (a modo de IP) para ser regulados independientemente. - Bus de comunicación Dali, que una todas las luminarias a regular. Cable de par trenzado 2*0.8mm - Pasarela Dali-KNX. (1 por planta) - Fuente de alimentación de línea KNX. (1 por planta) - Células fotoeléctricas. - Detectores de presencia. - Mecanismos KNX. - Sistema ETS (software utilizado solamente durante la programación y puesta en marcha.) Para el cálculo de la amortización de la inversión, estimaremos un ahorro del 20% proveniente de la utilización de balastos electrónicos en todas las luminarias y un 25% derivado de la regulación de flujo luminoso en oficinas: UNIDADES FABRICANTE REFERENCIA PRECIO UNIT. PRECIO TOTAL BALASTOS 209 SIEMENS-OSRAM 5WG1141-4AB01 12 2.508 CABLE BUS (m) 500 SIEMENS Y 2*2*0,8 0 125 48 Evaluaci ó n y optimizaci ón energ ética de planta industrial I .T.I. Electr ónica Industrial - Intensidad nominal: 313A. - Rendimiento (100%, 50Hz): 88% - Cos Phi (100%, 50Hz): 0.83. - Ejecución mecánica: B3 patas. Motores 90KW. LEROY SOMER. - Tensión nominal de suministro: 400/690V. - Frecuencia de red: 50/60Hz. - Potencia nominal: 90KW - Velocidad nominal: 1500rpm. - Intensidad nominal: 173A. - Rendimiento (100%, 50Hz): 88% - Cos Phi (100%, 50Hz): 0.85. - Ejecución mecánica: B3 patas. Motores 18,5Kw. LEROY SOMER. - Tensión nominal de suministro: 400/690V. - Frecuencia de red: 50/60Hz. - Potencia nominal: 18,5KW - Velocidad nominal: 1500rpm. - Intensidad nominal: 35.9A. - Rendimiento (100%, 50Hz): 86% - Cos Phi (100%, 50Hz): 0.84 - Ejecución mecánica: B3 patas. Estos motores cuentan con una antigüedad de 12 años, quedando en la actualidad muy lejos de la legislación vigente en cuanto a eficiencia en motores eléctricos, la cual pasamos a describir de manera breve. 4.3.1. NUEVA NORMATIVA EN EFICIENCIA EN MOTORES ELECTRICOS. La nueva legislación ha sido aprobada en la Unión Europea con el objetivo de reducir el consumo energético y por tanto las emisiones de CO2 derivadas. El uso de la energía y la eficiencia de los motores de inducción en la industria se discuten en el punto 11 de la Directiva EuP (Energy Using Products) y en la directiva europea 2005/32/CE, respectivamente. Esta directiva se ha ido transponiendo a la legislación nacional de todos los países de la Unión Europea. 49 Evaluaci ó n y optimizaci ón energ ética de planta industrial I .T.I. Electr ónica Industrial La norma IEC 60034-30:2008 define las clases de eficiencia para 50 y 60Hz y estipula, en todo el mundo, que motores están contemplados y que excepciones se aplican. La directiva EuP se basa esencialmente en puntos de esta norma. Nueva nomenclatura. Figura 29.Equivalencia eficiencia en motores. Anteriormente la nomenclatura de los motores respecto a su eficiencia era: - EFF2: Eficiencia estándar. - EFF1: Alta eficiencia. En la norma IEC 60034-30 se han definido nuevas clases de eficiencia (o rendimiento) para los motores de inducción (IE = International Efficiency) - IE1: Eficiencia estándar. - IE2: Alta eficiencia. - IE3: Eficiencia Premium. Nuevas técnicas de medida para determinar la eficiencia. Además de la nueva nomenclatura, la técnica de medición también ha cambiado: con la nueva técnica IEC60034-2-1:2007, las pérdidas adicionales no se estiman con un 0,5% de las pérdidas totales si no que se calculan de manera indirecta realizando medidas. Esto significa que los valores nominales de eficiencia decrecen del EFF1 al IE2 o del EFF2 al IE1, respectivamente, aunque realmente no cambia nada en el motor, ni técnica ni físicamente. Los rendimientos definidos en la IEC 60034-30 se deberían determinar de acuerdo con la IEC 60034-2-1:2007. Esto es válido desde noviembre de 2007 y desde noviembre de 2010 reemplaza al punto anterior de la norma IEC 60034-2. La novedad es que las pérdidas adicionales se miden ahora y dejan de estimarse como un porcentaje de las totales. La tensión nominal y la placa de características cambian. Con la introducción de los datos IE en la placa de características, la tensión nominal (por ejemplo 400VD/690VY) se marca junto con el nivel de eficiencia. Se elimina el margen nominal de tensiones (p. ej. 380…420VD). La razón de esto es que el periodo de transición para la ampliación de las tolerancias de tensión expiró mundialmente en 2007. Los siguientes valores de las placas de características cambian: 50 Evaluaci ó n y optimizaci ón energ ética de planta industrial I .T.I. Electr ónica Industrial - Eficiencia o rendimiento: Ahora se especifica el valor de la eficiencia que marca la norma. - Corriente: La intensidad nominal cambia como resultado de un valor de eficiencia menor. - Voltaje nominal: El margen nominal ya no se especifica, anteriormente se grababa 380- 420V, ahora sólo se indica 400V. Fechas de aplicación de los cambios en la normativa: Desde 16/6/2011: La ley especifica un nivel mínimo de eficiencia IE2 en motores de inducción para servicio S1 de acuerdo con la Directiva EuP. Desde 1/1/2015: La ley especifica un mínimo nivel de eficiencia IE3 en motores con potencias desde 7.5Kw a 375Kw o, como alternativa, motor IE2 accionado por variador de frecuencia. Desde 1/1/2017: La ley especifica un mínimo nivel de eficiencia IE3 en motores con potencias desde 0.75Kw a 375Kw o, como alternativa, motor IE2 accionado por variador de frecuencia. Figura 29. 51 Evaluaci ó n y optimizaci ón energ ética de planta industrial I .T.I. Electr ónica Industrial Excepciones incluidas en la EuP: Existen excepciones en la aplicación de la nueva normativa, estas son las siguientes: - Motores diseñados para funcionamiento completamente sumergidos en un líquido. - Motores completamente integrados en una máquina, de manera tal que la eficiencia del motor no se puede determinar independientemente de la máquina completa. - Motores diseñados para funcionamiento en las siguientes condiciones: - Altitud mayor a 1000msnm. - Tª ambiente por encima de 50ºC. - Tª de funcionamiento por encima de 400ºC. - Tª ambiente por debajo de -15ºC. - Tª del líquido refrigerante a la entrada al producto por debajo de 5ºC. o por encima de 25ºC. - En zonas con peligro de explosión según la directiva 94/9/CE. - Motores freno. Dadas las amplias diferencias en las eficiencias entre los motores instalados y los descritos en la nueva normativa, se propone la sustitución de los primeros por motores de alta eficiencia de nueva generación. En la instalación existen 11 motores de 160Kw, 2 de 90Kw y 5 de 18,5Kw que acometen la misma función y que cumplen aproximadamente (siempre dependiendo de la producción requerida) con los mismos ciclos de trabajo y a las mismas cargas. Dado el ciclo de trabajo de los motores (5000h al 25% y 760h al 100%), comparamos el rendimiento de los motores existentes con motores de nueva generación: 4.3.2. ESTUDIO SUSTITUCIÓN MOTOR 160KW. 52 Evaluaci ó n y optimizaci ón energ ética de planta industrial I .T.I. Electr ónica Industrial Con los datos de rendimiento en cada índice de carga exigido al motor, calculamos los consumos en cada fase de trabajo haciendo la comparativa entre el motor actual y el motor nuevo IE2. FASE1, 25%de carga, 5000h/año. Cuando los motores trabajan al 25% de carga (siempre a las 1500rpm de velocidad), la exigencia mecánica en el rotor de los mismos es de 40Kw, ahora bien, el rendimiento cae de manera acusada hasta el 72%. Motor antiguo. Potencia mecánica= 40KW  Potencia activa absorbida 40/0.8= 50KW Consumo =Potencia activa x h = 50Kw x 5000h = 250.000 KWh/año. Motor nuevo. Potencia mecánica= 40KW  Potencia activa absorbida 40/0.91= 43.95KW Consumo =Potencia activa x h = 43.95Kw x 5000h = 219780 KWh/año. FASE2, 100%de carga, 760h/año. Motor antiguo. Potencia mecánica= 160KW  Potencia activa absorbida 160/0.88= 181.81KW Consumo =Potencia activa x h = 181.81 x 760 = 138181 KWh/año. Motor nuevo. Potencia mecánica= 160KW  Potencia activa absorbida 160/0.948= 168.77KW Consumo =Potencia activa x h = 168.77Kw x 760h = 128270 KWh/año. CONSUMOS TOTALES. KWh € ANTIGUO FASE1 250.000,00 17.475,00 € FASE2 138.181,00 9.658,85 € TOTAL 388.181,00 27.133,85 € NUEVO FASE1 219.780,00 15.362,62 € FASE2 128.270,00 8.966,07 € TOTAL 348.050,00 24.328,70 € AHORRO 40.131 2.805 € De este modo comprobamos que el ahorro por motor es de 2.805€/año. El motor propuesto para su sustitución IE2 de la firma SIEMENS, referencia 1LE1501-3AC63- 4AA4. Cuyas características principales son las siguientes: - Tensión nominal de suministro: 400/690V. 53 Evaluaci ó n y optimizaci ón energ ética de planta industrial I .T.I. Electr ónica Industrial - Frecuencia de red: 50/60Hz. - Potencia nominal: 160KW - Velocidad nominal: 1000rpm. - Par nominal: 1546.6 Nm. - Intensidad nominal (100%, 50Hz, 400VD): 285A. - Rendimiento (100%, 50Hz): 94.8% - Cos Phi (100%, 50Hz): 0.86. - Ejecución mecánica: B3 patas. Para más información ver anexo. 4.3.3. ESTUDIO SUSTITUCIÓN MOTOR 90KW. Con los datos de rendimiento en cada índice de carga exigido al motor, calculamos los consumos en cada fase de trabajo haciendo la comparativa entre el motor actual y el motor nuevo IE2. FASE1, 25%de carga, 5000h/año. Cuando los motores trabajan al 25% de carga (siempre a las 1500rpm de velocidad), la exigencia mecánica en el rotor de los mismos es de 40Kw, ahora bien, el rendimiento cae de manera acusada hasta el 72%. Motor antiguo. Potencia mecánica= 22.5KW  Potencia activa absorbida 22.5/0.78= 28.84KW Consumo =Potencia activa x h = 28.84Kw x 5000h = 144230 KWh/año. Motor nuevo. Potencia mecánica= 22.5KW  Potencia activa absorbida 22.5/0.9= 25KW Consumo =Potencia activa x h = 25Kw x 5000h = 125.000 KWh/año. 54 Evaluaci ó n y optimizaci ón energ ética de planta industrial I .T.I. Electr ónica Industrial FASE2, 100%de carga, 760h/año. Motor antiguo. Potencia mecánica= 90KW  Potencia activa absorbida 90/0.86= 104.65KW Consumo =Potencia activa x h = 104.65 x 760 = 79534 KWh/año. Motor nuevo. Potencia mecánica= 90KW  Potencia activa absorbida 90/0.942= 95.54KW Consumo =Potencia activa x h = 95.54 x 760 = 72611 KWh/año. CONSUMOS TOTALES. KWh € ANTIGUO FASE1 144.230,00 10.081,68 € FASE2 79.534,00 5.559,43 € TOTAL 223.764,00 15.641,10 € NUEVO FASE1 125.000,00 8.737,50 € FASE2 72.611,00 5.075,51 € TOTAL 197.611,00 13.813,01 € DIFERENCIA 26.153 1.828 € De este modo comprobamos que el ahorro por motor es de 1828€/año. El motor propuesto para su sustitución IE2 de la firma SIEMENS, referencia 1LE1501-2DB23- 4AA4 . Cuyas características principales son las siguientes: - Tensión nominal de suministro: 400/690V. - Frecuencia de red: 50/60Hz. - Potencia nominal: 90KW - Velocidad nominal: 1486rpm. - Par nominal: 578.4 Nm. - Intensidad nominal (100%, 50Hz, 400VD): 159A. - Rendimiento (100%, 50Hz): 94.2% - Cos Phi (100%, 50Hz): 0.87. - Ejecución mecánica: B3 patas. Para más información ver anexo. 55 Evaluaci ó n y optimizaci ón energ ética de planta industrial I .T.I. Electr ónica Industrial 4.3.4. ESTUDIO SUSTITUCIÓN MOTOR 18,5KW. Con los datos de rendimiento en cada índice de carga exigido al motor, calculamos los consumos en cada fase de trabajo haciendo la comparativa entre el motor actual y el motor nuevo IE2. FASE1, 25%de carga, 5000h/año. Cuando los motores trabajan al 25% de carga (siempre a las 1500rpm de velocidad), la exigencia mecánica en el rotor de los mismos es de 40Kw, ahora bien, el rendimiento cae de manera acusada hasta el 72%. Motor antiguo. Potencia mecánica= 4.625KW  Potencia activa absorbida 4.625/0.78= 5.929KW Consumo =Potencia activa x h = 5.929Kw x 5000h = 29647 KWh/año. Motor nuevo. Potencia mecánica= 4.625KW  Potencia activa absorbida 4.625/0.9= 5.139KW Consumo =Potencia activa x h = 4.625Kw x 5000h = 25.694 KWh/año. FASE2, 100%de carga, 760h/año. Motor antiguo. Potencia mecánica= 18.5KW  Potencia activa absorbida 18.5/0.86= 21.51KW Consumo =Potencia activa x h = 21.51 x 760 = 16348 KWh/año. Motor nuevo. Potencia mecánica= 18.5KW  Potencia activa absorbida 18.5/0.912= 20.28KW Consumo =Potencia activa x h = 20.28Kw x 760h = 15416 KWh/año. 56 Evaluaci ó n y optimizaci ón energ ética de planta industrial I .T.I. Electr ónica Industrial CONSUMOS TOTALES. KWh € ANTIGUO FASE1 29.647,00 2.072,33 € FASE2 16.348,00 1.142,73 € TOTAL 45.995,00 3.215,05 € NUEVO FASE1 25.694,00 1.796,01 € FASE2 15.416,00 1.077,58 € TOTAL 41.110,00 2.873,59 € DIFERENCIA 4.885 341 € De este modo comprobamos que el ahorro por motor es de 374€/año. El motor propuesto para su sustitución IE2 de la firma SIEMENS, referencia 1LE1501-1EB23- 4AA4. Cuyas características principales son las siguientes: - Tensión nominal de suministro: 400/690V. - Frecuencia de red: 50/60Hz. - Potencia nominal: 18.5KW - Velocidad nominal: 1500rpm. - Par nominal: 126 Nm. - Intensidad nominal (100%, 50Hz, 400VD): 35A. - Rendimiento (100%, 50Hz): 91.2% - Cos Phi (100%, 50Hz): 0.84. - Ejecución mecánica: B3 patas. Para más información ver anexo. 4.3.5. EVALUACIÓN GLOBAL. Calculado ya el ahorro que supondría anualmente la implantación de motores de alta eficiencia, estimamos la inversión y periodo de retorno del conjunto de motores existentes (11 unidades de 160Kw, 2 unidades de 90KW y 5 unidades de 18Kw). KWh UNIT. € UNIT Nº KWh TOTAL € TOTAL AHORRO 160kW 40.131 2.805 € 11 441.441 30.857 € AHORRO 90kW 26.153 1.828 € 2 52.306 3.656 € AHORRO 18kW 4.885 341 € 5 24.425 1.707 € TOTAL 518.172 36.220 € INVERSIÓN € UNIT. € TOTAL MOTOR 160KW 10.500 115.500 € MOTOR 90KW 4.000 8.000 € MOTOR 18KW 1.000 5.000 € 57 Evaluaci ó n y optimizaci ón energ ética de planta industrial I .T.I. Electr ónica Industrial INSTALACION 15.000€ 15.000 € TOTAL 143.500 € 4.4. ESTUDIO DE VARIADORES DE FRECUENCIA REGENERATIVOS EN TURBINAS DE VENTILACIÓN DE HORNOS DE PERFILES. Los hornos de gas natural de maduración de perfil disponen de motores de 22Kw, asociados a diversas turbinas, que tienen el propósito de recircular el aire caliente dentro del horno para conseguir una temperatura uniforme en el mismo. Figura 30 Hornos de tratamiento. Debido al tipo de carga que se introduce en los hornos (bancadas cargadas de perfiles, ver figura), se requiere de turbinas con potencias relativamente altas, que tienen el fin de remover y hacer circular el aire entre los perfiles y conseguir un correcto tratamiento térmico del material. El ciclo de trabajo de los motores es alterno por parejas y cada 5 minutos aproximadamente. El funcionamiento es continuo de este modo durante 5000h/año. En total existen 16 motores de 22Kw que funcionan de manera alterna 8+8. El método de arranque de los motores es mediante estrella-triángulo. AHORRO ENERGÉTICO: 518.172 KWh AHORRO ECONÓMICO: 36.220 € INVERSIÓN: 143.500€ PAY BACK: 3.96 años 64 Evaluaci ó n y optimizaci ón energ ética de planta industrial I .T.I. Electr ónica Industrial Propuestas de mejora: Canalización de aire exterior para absorción. El grupo de compresores existente en el interior de la planta y el de 110KW, absorben el aire para ser comprimido del interior de la nave e interior de la sala de compresores. La temperatura media interior de la nave suele estar unos 15ºC por encima de la temperatura ambiente (por las diferentes fuentes de calor existentes). Lo mismo ocurre con la sala de compresores, que aunque ventilada acumula calor emitido al ambiente por el sistema de refrigeración del compresor. Esto hace que los equipos absorban aire caliente para la compresión, lo que empeora el rendimiento de la máquina, se estima un aumento del 1% en el consumo del compresor por cada 4ºC de aumento de temperatura del aire a comprimir. Se propone mediante una sencilla instalación, canalizar la toma de aire de estos compresores hasta el exterior, de forma que el aire que absorban para su compresión sea más fresco y limpio. Con esta sencilla medida reduciremos el consumo de los equipos hasta en un 3%. UIPO S EQUIPOS POTENCIAS (KW) CONSUMOS (KWh) € AÑO ATLAS COPCO 110 190080 13286,592 INGERSOLL RAND 45 77760 5435,424 ATLAS COPCO 22 38016 2657,3184 INGERSOLL RAND 18 31104 2174,1696 TOTAL 195 336960 23.553,50€ Sistema de regulación de los compresores en cascada. Existen 2 grupos de compresores que funcionan en paralelo (45+22+15Kw). Éstos no disponen de ningún tipo de regulación de caudal, de modo que dan siempre el máximo de potencia del que disponen, sin tener en cuenta la demanda en cada momento. Se propone la inclusión de variador de frecuencia en uno de los compresores de modo que este esté en funcionamiento permanentemente para ajustar el consumo eléctrico a la demanda instantánea de aire del sistema. El resto de compresores entrarán en funcionamiento secuencialmente en función de las necesidades, de forma que en todo momento todos los compresores operen de forma óptima. AHORRO ENERGÉTICO: 10.108KWh AHORRO ECONÓMICO: 706€ INVERSIÓN: 1.000€ PAY BACK: 1.43 años 65 Evaluaci ó n y optimizaci ón energ ética de planta industrial I .T.I. Electr ónica Industrial Este es un sistema muy similar al utilizado en los bombeos, denominado regulación en cascada. El ahorro de consumo variará en función del régimen de funcionamiento del circuito de aire comprimido pero suele estimarse entre un 20-30%. Para el cálculo de la inversión y de periodo de retorno, lo situaremos en un 25%. En la siguiente figura vemos esquemáticamente el funcionamiento del sistema, mostrándose en azul y con las siglas VSD (Variable Speed Drive) el funcionamiento del compresor con variador de frecuencia. Figura 34 Regulación en cascada. En nuestro caso, debido al escalonamiento de potencias de los compresores, deberemos incluir el variador de frecuencia en los compresores de 45KW, de modo que éstos funcionen permanentemente, entrando los de 22 o 18Kw en función de la demanda del circuito. Dada la complejidad de incluir un variador de velocidad en un compresor ya existente, la reforma de estos sistemas suele llevarlas a cabo el propio fabricante del equipo, resultando precios muy dispares en función de lo costoso de realizar la adaptación. EQUIPOS POTENCIAS (KW) € SIEMENS MM430 45KW 2300 SENSORES+AUTOMATIZACIÓN 750 INSTALACIÓN 3000 TOTAL 6050,00 € EQUIPOS POTENCIAS (KW) CONSUMOS (KWh) € AÑO INGERSOLL RAND 45 77760 5435,424 ATLAS COPCO 22 38016 2657,3184 INGERSOLL RAND 18 31104 2174,1696 TOTAL 85 146880 10.266,91 AHORRO (25%) 36720KWh 2.566,73 € 66 Evaluaci ó n y optimizaci ón energ ética de planta industrial I .T.I. Electr ónica Industrial 4.6. APROVECHAMIENTO DE CALOR DE REFRIGERACIÓN DE COMPRESORES PARA CALEFACCIÓN MATRICERÍA. El principio de funcionamiento termodinámico de los compresores es muy ineficiente. Aproximadamente, un 94% de la energía consumida en un compresor se transforma en calor recuperable y únicamente un 6% se transforma en energía de presión. La recuperación del calor disipado puede significar un ahorro de energía importante. Con compresores refrigerados por agua puede recuperarse hasta el 90% de la energía de entrada en forma de agua caliente a temperatura de 70 ºC - 80 ºC, que puede utilizarse para duchas, calefacción, alimentación a calderas, etc. Anexa a la zona de matricería se encuentra la sala de compresores, en la que se ubica el compresor de mayor tamaño de toda la planta (110KW). Actualmente la zona de matricería, dividida en dos zonas, se climatiza mediante bombas de calor, que suman una potencia de 15KW. Propuesta. Se propone la implantación de un sistema de intercambiador de calor en el circuito de refrigeración del compresor, aprovechando el calor residual generado por el mismo. La potencia del compresor es de 110KW, que, teniendo en cuenta lo comentado anteriormente, es más que suficiente para generar el calor necesario para climatizar las dependencias de matricería. La temperatura del circuito de refrigeración del compresor es aproximadamente de 70ºC, por lo que el sistema de calefacción propuesto deberá utilizar tecnología fan-coil. El consumo aproximado del actual sistema de climatización es de 26000KWh, lo que anualmente supone 1817€. AHORRO ENERGÉTICO: 36.720KWh AHORRO ECONÓMICO: 2.566€ INVERSIÓN: 6.050€ PAY BACK: 2.3 6 años 67 Evaluaci ó n y optimizaci ón energ ética de planta industrial I .T.I. Electr ónica Industrial Haciendo una estimación de presupuesto del sistema de climatización a base de fan-coil, obtenemos: 4.6. MONITORIZACIÓN DE VALORES ELÉCTRICOS. IMPLEMENTACIÓN DE SISTEMA. Para poder desarrollar un Sistema de gestión de la energía hace falta conocer la magnitud y evolución de los consumos en cada centro de consumo. Para ello, se propone la implantación de un sistema de monitorización con analizadores de redes en los principales equipos consumidores y un procesamiento automático de los datos. Con la implantación de un sistema de gestión de la energía se pueden conseguir importantes ahorros energéticos. Actualmente en Industria Aragonesa se dispone de contadores de energía en los interruptores cabeceros de los cuadros principales. Éstos no disponen de posibilidad de comunicación ni tienen memoria para registro de valores a largo plazo, por lo que principalmente son utilizados para verificar que cada zona de la instalación esta compensada correctamente en cuanto a energía reactiva. A continuación se detalla y cuantifica lo que supondría la instalación de un sistema de contaje interno de la energía eléctrica y térmica (gas natural) para la puesta en funcionamiento de un sistema de gestión. Intercambiador de calor de placas Circuito hidráulico AHORRO ENERGÉTICO: 26.000 KWh. AHORRO ECONÓMICO: 1.845€ INVERSIÓN: 7.000€ PAY BACK: 3.79 años 68 Evaluaci ó n y optimizaci ón energ ética de planta industrial I .T.I. Electr ónica Industrial Figura 35. Implementación de sistema de monitorización de energía en cuadro general. La propuesta se centra en la sustitución de los contadores actuales por analizadores de redes (Modelo Sentron PAC 3200 de la firma SIEMENS), con capacidad de comunicación. Los nuevos equipos tendrán capacidad de monitorizar en tiempo real las curvas de potencia eléctrica consumida en cada sector, pudiendo controlar de este modo los picos de potencia existentes. Mediante las entradas y salidas digitales de los equipos podrán controlarse el estado de los equipos críticos o gestionarse el deslastre de cargas secundarias para evitar los picos de potencia (éstas deberán contar con interruptores motorizados para su conexión y desconexión remota). Además podrán controlarse los valores de armónicos (THDv y THDi) y el factor de potencia de cada zona de manera remota, detectando rápidamente defectos en la red o en las baterías de compensación de reactiva. El diagrama de funcionamiento será el siguiente: Figura 36.Esquema de sistema de monitorización. 69 Evaluaci ó n y optimizaci ón energ ética de planta industrial I .T.I. Electr ónica Industrial Mediante la inclusión de equipos Sentron PAC 4200, tendremos la capacidad de incluir en la monitorización la energía térmica consumida (KWh), esto se realizará conectando los contadores existentes al equipo mediante una señal de pulsos –a las entradas de contaje rápido del analizador-. (Parametrizaremos ambos equipos paralelamente, para que cada pulso emitido por el contador térmico, sea recibido e interpretado correctamente por el analizador de redes). Por otro lado, gracias a la monitorización energética podremos dividir la planta en diferentes centros de coste, asociando por ejemplo diferentes equipos a cada una de las líneas de producción, pudiendo de esta manera comparar los costes energéticos asociados a cada una de ellas y mejorar la productividad y rentabilidad de las mismas. La monitorización general de consumos y otros parámetros eléctricos, se realizará mediante un software de gestión Sentron Power Manager, el cual recogerá y almacenará en un PC los datos obtenidos por los diferentes equipos en un ordenador, que puede ser el del responsable de mantenimiento o el del gestor energético. El software mostrará los datos y gráficas obtenidas en un entorno Windows, existiendo la posibilidad de volcar datos en tablas Excel o de programar informes periódicos. Los equipos deberán comunicarse por Ethernet (Modbus TCP/IP) con la red informática a la que esté conectada el PC, con solamente darles una dirección IP en el software de gestión, podremos conectar automáticamente. Si se prefiere, los equipos tienen la posibilidad de equiparse con módulos de comunicación Profibus o Modbus (RS485). Por otro lado se recomienda la utilización de analizadores de redes itinerantes, es decir, que puedan moverse y conectarse a las cargas que en cada momento se quieran monitorizar. Con esto detectaremos y podremos evitar por ejemplo los consumos en stand-by de diferentes equipos. Figura 37. Control de cargas. 70 Evaluaci ó n y optimizaci ón energ ética de planta industrial I .T.I. Electr ónica Industrial Para ello necesitaremos la conexión a través de transformadores de intensidad de núcleo abierto, que puedan montarse y desmontarse con facilidad. La colocación de los equipos deberá hacerse de manera estratégica, en los interruptores cabeceros de los armarios que alimentan a cada una de las líneas de producción, zona de oficinas, planta de pintura y talleres-matricería, que conforman los centros de costes de la empresa. En los anexos se muestran el esquema unifilar general de la instalación eléctrica, mostrando donde se propone la colocación de los analizadores de redes. Ver plano: “Implementación equipos de monitorización”. En los casos de las líneas de producción, en las que deseamos monitorizar el consumo de gas natural en los hornos de tocho y hornos de tratamiento de perfiles, los equipos a instalar serán del modelo Sentron PAC 4200 que dispone de entradas digitales configurables como contaje de pulsos. En el resto de zonas, será suficiente con el modelo Sentron PAC 3200. Además de estos analizadores, se propone la instalación de otro adicional en los armarios que alimentan los circuitos eléctricos que alimentan los motores eléctricos que mueven las bombas hidráulicas (itinerante). De este modo tendremos la posibilidad de realizar estudios de viabilidad -con datos reales y en el periodo que se estimeindividualizados de la parte concreta o carga de la instalación que se quiera optimizar. Con el sistema propuesto tendremos el primer paso a dar en cualquier proyecto de mejora energética a llevar a cabo: la monitorización. Aunque es difícil cuantificar la tasa de retorno de un sistema de monitorización, tradicionalmente se habla de cifras de entre un 1 y un 4% respecto al ahorro que podemos conseguir con una correcta monitorización de nuestra planta y una adecuada gestión de los datos recogidos. Adoptaremos la postura más conservadora del 1% obteniendo: INVERSIÓN € UNIT. UNIDADES € TOTAL SENTRON PAC 3200 400 18 7.200 € SWITCH 100 3 300 € TI'S + PROTECCIONES 80 18 1.440 € SOFT 600 1 600 € INSTALACIÓN - PROGRAMACIÓN 2.500 € TOTAL 12.040 € AHORRO 1% 6.637 € AHORRO ENERGÉTICO: 94.949 KWh AHORRO ECONÓMICO: 6.637€ INVERSIÓN: 12.040€ PAY BACK: 1.81 años 71 Evaluaci ó n y optimizaci ón energ ética de planta industrial I .T.I. Electr ónica Industrial 5. IMPLANTACIÓN DEL SISTEMA DE MONITORIZACIÓN ENERGÉTICA. SOFTWARE DE INGENIERÍA SENTRON POWER MANAGER. El SENTRON POWER MANAGER sirve para captar, monitorizar, evaluar, visualizar y archivar datos de energía de los contadores eléctricos SENTRON PAC, en sus modelos PAC3100, PAC3200 y PAC4200 y los interruptores automáticos SENTRON 3WL y 3VL, así como cualquier otro medidor con capacidad Modbus. El SENTRON POWER MANAGER ofrece para ello las siguientes funciones: - Vista de árbol de la instalación del cliente (árbol del proyecto). - Indicación de valores medidos con vistas de usuario predefinidas. - Gestión de alarmas. - Representación de curvas de demanda. - Generación de informes, con distintos tipos de informes, como p. ej. informes de centros de coste. - Monitorización de cargas. - Planes de reacción. - Sistema de archivado. - Administración de usuarios. La instalación del software de monitorización se realiza en un PC situado en la oficina de mantenimiento, el cual deberá estar encendido permanentemente para registrar los datos obtenidos por los analizadores de redes. El software elegido trabaja bajo entorno Windows, por lo que la generación del proyecto (que se mostrará a continuación) es sencilla. Se instalará un equipo en cada transformador con la finalidad de visualizar y registrar la carga que tiene cada uno y evitar de ese modo un posible desbalance de la instalación. Además de estos tres AR principales, se instalará un equipo por cada uno de los centros de costes energéticos con que cuenta la planta (las líneas de producción P2800, P2500, P1800, P1801, oficinas, matricería y planta de pintura/lacado), también podremos integrar en el soft un AR itinerante que podemos ir moviendo por la instalación eléctrica para monitorizar la carga determinada que le interese al gestor energético. Los equipos instalados en las líneas de producción serán de la serie 4200. Esto tiene por objeto la integración de los consumos de KWh térmicos de los hornos de tratamiento de perfil y de tocho. La manera de realizar esta integración, es la conexión de la salida de pulsos de los contadores a las entradas digitales de los analizadores de redes (cuentan con 2ED), tras ello, deberemos parametrizar dichas entradas para que funcionen como contaje de pulsos. La ubicación de los equipos en la instalación eléctrica existente puede verse en el esquema unifilar de la instalación que aparece en el anexo I. 72 Evaluaci ó n y optimizaci ón energ ética de planta industrial I .T.I. Electr ónica Industrial El modo de conectar eléctricamente los equipos es el siguiente: Figura 38.Conexión eléctrica del analizador de redes. Cada AR deberá tener conectados tres Transformadores de intensidad de relación de transformación XX/5A. para recibir la señal de la intensidad de cada fase. Por otro lado deberán conectarse las tomas de tensión a las tres fases a través de unos fusibles de protección. Para la creación de nuestro proyecto recrearemos el árbol de la instalación eléctrica, creando los elementos a instalar en cada uno de los puntos citados anteriormente. Cada uno de los equipos debe de conectarse a la red informática de la planta mediante el puerto Ethernet integrado, a la que estará conectado el PC en el que esta instalado el software de monitorización. Crearemos el árbol de la instalación y le daremos a cada equipo una IP libre de nuestra red. 73 Evaluaci ó n y optimizaci ón energ ética de planta industrial I .T.I. Electr ónica Industrial Una vez creado el árbol, asignaremos a cada analizador las variables que deseamos que mida. Existen numerosas variables posibles a medir, tensiones, intensidades, potencias activas, reactivas y aparentes, THDv, THDi, valores máximos-mínimos etc. También se podrán programar alarmas que nos indiquen la violación de un límite establecido para cualquiera de las variables a medir. Por ejemplo el rebasamiento de la potencia activa instantánea respecto a la contratación. Una vez tengamos nuestro proyecto terminado y hayamos puesto en comunicación los aparatos, podremos generar informes de manera manual o automática de acuerdo a la programación (diaria-semanal-mensual) que prefiramos. Con estos informes que generará el software, podremos generar las gráficas de consumo, corrientes etc. Para nuestro estudio y análisis. 80 Evaluaci ó n y optimizaci ón energ ética de planta industrial I .T.I. Electr ónica Industrial Figura 44. Localización. El generador fotovoltaico se colocará en la cubierta de las nave de lacado/pintura, aprovechando la cubierta útil, libre de sombras de edificaciones cercanas, montañas, arbolados, maquinas de AC, etc. Todos los módulos tendrán una desviación respecto al sur de 32º (azimut). La cubierta de la nave tiene una superficie aproximada de 1600 m 2 , de la que aprovecharemos la orientada hacia el sur, que representa la mitad de la cubierta, por lo que salvando algunos obstáculos como salidas de ventilación, contamos con unos 750 m 2 disponibles. La cubierta cara sur tiene una inclinación de 15º respecto a la horizontal, la colocación de las placas será en una estructura en paralelo con la cubierta. Figura 45. Ángulo azimut. Los datos climatológicos y datos de irradiación del lugar de emplazamiento de la planta fotovoltaica son los siguientes: 81 Evaluaci ó n y optimizaci ón energ ética de planta industrial I .T.I. Electr ónica Industrial 6.3. NORMATIVA APLICABLE. LEGISLACIÓN. El conjunto de Reales Decretos y reglamentos que regulan las instalaciones fotovoltaicas conectadas a red son los siguientes: - Reglamento Electrotécnico de Baja Tensión y sus Instrucciones Complementarias. - Pliego de Condiciones Técnicas para instalaciones conectadas a la red, PCT-C Octubre 2002. - Decreto 842/2002 de 2 de Agosto por el que se aprueba el Reglamento Electrotécnico de Baja Tensión. - Real Decreto1663/2000 de 29 de septiembre, sobre conexión de instalaciones fotovoltaicas a la red de baja tensión. 82 Evaluaci ó n y optimizaci ón energ ética de planta industrial I .T.I. Electr ónica Industrial - Real Decreto 1955/2000 de 1 de diciembre, por el que se reglan las actividades de transporte, distribución, comercialización, suministro y procedimientos de autorización de instalaciones de energía eléctrica. - Real Decreto 1556/2005 por el que se establece la tarifa eléctrica para el 2006. - Real Decreto 661/2007, de 25 de mayo, por el que se regula la actividad de producción de energía eléctrica en régimen especial. - Ley 54/1997 de 27 de noviembre del sector eléctrico. - REAL DECRETO 1578/2008, de 26 de septiembre, de retribución de la actividad de producción de energía eléctrica mediante tecnología solar fotovoltaica para instalaciones posteriores a la fecha límite de mantenimiento de la retribución del Real Decreto 661/2007, de 25 de mayo, para dicha tecnología - Resolución del 31 de Mayo de 2001, por la que se establecen modelo de contrato tipo y modelo de factura para las instalaciones solares fotovoltaicas conectadas a la red de baja tensión. - Real Decreto 1955/2000 de 1 de Diciembre, por el que se regulan las actividades de transporte, distribución, comercialización, suministro y procedimientos de autorización de instalaciones de energía eléctrica. - Real Decreto 1699/2011 de 8 de Diciembre, por el que se regula la conexión a red de instalaciones de producción de energía eléctrica de pequeña potencia Como suplemento a estos Reales Decretos y reglamentos, utilizaremos también el borrador de Real Decreto de noviembre de 2011 y publicado en marzo de 2012, en el que se establece la regulación de las condiciones administrativas, técnicas y económicas de la modalidad de suministro de energía eléctrica con balance neto. 6.4. DESCRIPCIÓN Y CÁLCULO DEL SISTEMA. Para poder acogernos al régimen de las pequeñas instalaciones de generación en balance neto, la instalación a implementar deberá tener un máximo de 100KW. Tal como comentamos anteriormente, disponemos de unos 750m2 de superficie de cubierta. El generador fotovoltaico de 100KW se creará mediante paneles solares de última generación de la firma SANYO, modelo HITH250E01 de 250Wp. Se ha previsto utilizar dos inversores solares de 50 Kw para el generador fotovoltaico de la marca INGETEAM, modelo INGECON SUN 50. El inversor cumple perfectamente el RD 1663/2000 para instalaciones de potencia superior a 5 Kw. 83 Evaluaci ó n y optimizaci ón energ ética de planta industrial I .T.I. Electr ónica Industrial La potencia del inversor debe ajustarse a la potencia del módulo. No obstante, los datos de potencia de los módulos (Wp) se refieren a las Condiciones Estándar de Medida (STC: 1000 W/m 2 , 25 ºC, AM = 1,5), estas condiciones son ideales de laboratorio, que nunca se dan en la práctica. De ahí que deba elegirse una potencia pico (potencia en los módulos) de un tanto por ciento mayor que la potencia nominal (potencia en el inversor), para una vez descontadas las pérdidas sacar el máximo rendimiento al sistema, con el mínimo coste. 6.4.1. CARACTERÍSTICAS DE LOS EQUIPOS. Características eléctricas del módulo fotovoltaico HIT250E01 (250 Wp): Para el presente proyecto se ha seleccionado el panel fotovoltaico HIT-H250E01 de 250Wp de potencia, de la firma Sanyo. El panel solar SANYO HIT está formado por obleas de silicio monocristalino, recubiertas por una capa muy delgada de silicio amorfo. Esta célula es producida con las técnicas de fabricación más modernas y proporciona el rendimiento más elevado en el sector. Las células y módulos de tecnología HIT poseen una eficiencia de primer nivel mundial en productos fabricados en serie. Gracias a la forma de panel de abeja "Honeycomb Design" permite optimizar el espacio a la vez que se aprovecha al máximo el silicio. El Sanyo HIT H250E01 tiene un 20,8% de eficiencia de célula y un 18% de eficiencia del panel, lo que equivale a 180W/m2 en STC. Los paneles solares HIT generan más energía limpia que los paneles cristalinos convencionales. Los paneles solares HIT no producen contaminación, no tienen elementos móviles ni generan ruido. Las dimensiones de los paneles HIT permiten ganar espacio en la instalación y así conseguir la mayor potencia de una superficie dada. El módulo fotovoltaico es uno de los módulos más eficientes fabricados por Sanyo. Está diseñado para sistemas conectados a la red como tejados comerciales, sistemas residenciales y plantas fotovoltaicas. Los módulos solares están certificados según las exigencias europeas e internacionales vigentes IEC 61646 y cumplen los requisitos de la clase de protección II. Se llevará a cabo un sistema de clasificación que agrupa los módulos por rangos de intensidad de corriente. En la instalación se constituirán series de módulos del mismo rango de corriente, de manera que se reducen las pérdidas por mismatch, contribuyendo a aumentar la eficiencia de la instalación. HIT250E01 Potencia 250 Wp Coef. Temp. Tensión de circuito abierto TC(Voc) V/ºC - 0,108 84 Evaluaci ó n y optimizaci ón energ ética de planta industrial I .T.I. Electr ónica Industrial Coef. Temp. Corriente de cortocircuito TC (Isc) Ma/ºC + 2.32 Coef. Temperatura de potencia TC(Pn) %/ºC - 0,30 %/ºC Tensión de circuito abierto Voc 43.1 V Tensión punto de máxima potencia Vpmp 34.9 V Corriente punto de máxima potencia Ipmp 7.18 A Corriente de cortocircuito 7.74 A Longitud 1.610mm. Anchura 861 mm. Para más información sobre los paneles fotovoltaicos, ver anexo. Características eléctricas del inversor INGECON SUN 50: EL modelo INGECON 50 de INGETEAM es un inversor trifásico para instalaciones en cubierta de medianas y grandes potencias y para instalaciones multi-megavatio en suelo. El equipo cuenta con una máxima eficiencia a temperaturas elevadas, un avanzado sistema de seguimiento en el punto de potencia máximo (MPPT). Es capaz de soportar huecos de tensión y dispone de un sistema de control de potencia activa y reactiva. Apto para instalaciones en media tensión. Para su instalación no necesita de elementos adicionales. Se puede desconectar manualmente de la red, cuenta con un importante equipamiento de protecciones eléctricas de serie. El inversor equipa un datalogger interno para almacenamiento de datos de hasta 3 meses. Se puede controlar desde un PC remoto o in situ desde el teclado frontal del inversor. Tiene LEDs indicadores de estado y alarmas, pantalla LCD. Tiene una vida útil de más de 20 años y una garantía de 5 años ampliable hasta 25 años. Incluye sin sobrecoste un software de gestión para la monitorización y registro de datos del propio inversor. El equipo cuenta con las siguientes protecciones eléctricas: - Aislamiento galvánico entre las partes DC y AC. - Polarizaciones inversas. - Protección cortocircuito y sobrecarga en la salida. - Fallo de aislamiento. - Anti-isla con desconexión automática. - Seccionador DC. - Fusibles DC. - Seccionador magetotérmico AC. - Descargador de sobretensiones en lados DC y AC tipo2. INGECON SUN 50 Potencia de salida nominal (AC) 5 0 Kw Corriente máxima de sali da (AC) 93 A Tensión, Frecuencia nominal 400 V, 50 Hz Distorsión armónica < 3 % (THD) 85 Evaluaci ó n y optimizaci ón energ ética de planta industrial I .T.I. Electr ónica Industrial Máximo rendimiento del inversor 96.3 % Min. Tensión MPP 405 Vdc Máx. Tensión MPP 750 Vdc Máxima tensión del sistema 9 00 Vdc Máxima corriente de entrada 130 A Para más información sobre los paneles fotovoltaicos, ver anexo. 6.4.2. CÁLCULO DEL GENERADOR FOTOVOLTAICO. El número de los módulos solares en serie debe elegirse de modo que la tensión de entrada no supere en ningún caso el rango de tensión de entrada del inversor, pues de lo contrario el inversor puede colapsarse. Teniendo en cuenta los coeficientes de temperatura TC(Voc) y TC(Isc), deben de cumplirse una serie de condiciones: Nº máximo de paneles en serie de un string: El máximo voltaje MPP de los módulos solares se da a -10 ºC, porque en las células cristalinas la tensión crece al bajar las temperaturas. Este valor debe de estar por debajo del límite superior de tensión MPP del inversor: V max MPP = 750 V dc . N s max = V max MPP / V PMP modulos (-10 ºC) Si β es expresado en V: β= -0.085 V/ºC, y con V PMP módulos (STC): 34.9V. V PMP módulos (-10 ºC)= V PMP módulos (STC) – 35 x β * 1 mod = 37.88V Nº máximo de paneles en serie: 750/37.88V= 19.80 => máx 19 También comprobaremos que no excedemos la tensión máxima en el lado DC, en este caso 900V. La tensión de circuito abierto V OC en condiciones extremas de temperatura (a -10 ºC) debe de estar por debajo de la máxima tensión admisible del inversor: V max = 900 V dc . V OC módulos (STC): 43.1V V OC módulos (-10 ºC)= V OC módulos (STC) – 35 x β * 1 mods = 46.075Vdc Nº máximo de paneles en serie: 900/46.075 = 19.25 => 19 paneles. Con esta limitación, la condición de tensión de circuito abierto se cumple. Nº mínimo de paneles en un string: El mínimo voltaje PMP se registra a aproximadamente +70 ºC, en verano con los módulos calientes. Este mínimo voltaje PMP de los módulos a +70 ºC debe de estar por encima del límite inferior de tensión MPP del inversor: V min MPP = 405 V dc . V PMP módulos (STC): 34.9V. 86 Evaluaci ó n y optimizaci ón energ ética de planta industrial I .T.I. Electr ónica Industrial N s min = V min MPP / V PMP módulos (70 ºC) Si β es expresado en V: β= -0.085 V/ºC, y con V PMP módulos (STC): 34.9V. V PMP módulos (+70 ºC)= V PMP módulos (STC) + 45 x β * 1 mod = 31.075Vdc Nº mínimo de paneles en serie: 405/31.05= 13.03 => 14 paneles Nº máximo de strings: La corriente máxima de cortocircuito a +70 ºC que llegará al inversor debe de ser inferior a la corriente máxima de entrada del inversor: I max = 130 A. N pmax ≤ I max (inversor) /I string N pmax ≤ 130/7.74 N pmax = 16 strings Con estos cálculos, tenemos que: - 14 ≤ Nº paneles serie ≤ 19 - Nº máx strings en paralelo por inversor: 16. Nº paneles serie por string x Nº strings ≤ Pmax / (Vpmp x Ipmp) Nº paneles serie por string x Nº strings ≤ 54500/ (34.9 x 7.18) (añadimos un 9% a la potencia del inversor por las pérdidas). Nº paneles serie por string x Nº strings ≤ 217.49 Analizando los resultados y con el fin de hacer la instalación lo más equilibrada posible, decidimos que los módulos se conectarán en 24 (12+12) series de 18 módulos cada una, conectadas al inversor. Haciendo una suma de 216 paneles por inversor y 432 en el conjunto de la instalación. Hemos optado por elevar casi hasta el límite el nº de paneles por string para elevar la tensión de los mismos, lo que conlleva una menor intensidad necesaria para evacuar la misma potencia. Esto se traducirá en una menor sección de cable necesaria y por otro lado unas menores pérdidas en el cableado por efecto Joule. Las prestaciones que conseguimos con esta combinación son las siguientes: - Tensión de entrada al inversor 628V. - Intensidad de entrada a cada inversor 86.16A. - Potencia de entrada al inversor 54.1KW. - Potencia pico de la instalación 108KW. Como veremos a continuación, las salidas de cada string deberán agruparse en armarios con las protecciones adecuadas. 87 Evaluaci ó n y optimizaci ón energ ética de planta industrial I .T.I. Electr ónica Industrial 6.4.3. COLOCACIÓN DE LOS PANELES SOBRE CUBIERTA. Este conjunto de series (o strings) y el total de 432 paneles, ocupan 599m2 de superficie sobre la cubierta. La cubierta sobre la que va a instalarse el generador fotovoltaico tiene una inclinación de 15º sobre la horizontal. La instalación de las placas sobre un tejado inclinado deben cumplir las siguientes características: - La superficie de los módulos debe tener la misma inclinación que el techo. - Los bordes del tejado no deben ser sobrepasados por los paneles en ninguna parte, la distancia mínima del borde de los paneles hasta el borde del tejado, debe ser al menos 5 veces la distancia que hay entre la superficie de la cubierta y de los paneles. - La distancia entre la cubierta y el generador fotovoltaico no debe ser muy grande, no obstante debe ser suficiente para garantizar la ventilación posterior de los módulos (según las indicaciones del fabricante) y para garantizar el flujo del agua de lluvia y de hojas o pequeños objetos que puedan ser arrastrados por el viento. La estructura de soportación y los accesorios necesarios, deben ser suficientes para garantizar la estabilidad del conjunto del generador fotovoltaico. El diseño de esta estructura de fijación a la cubierta queda fuera del alcance del presente proyecto. La inclinación de 15º del generador fotovoltaico genera unas pérdidas respecto de la inclinación óptima que veremos más adelante. La disposición de las placas a lo largo de la superficie de la cubierta será de la siguiente manera: Figura 46. Ubicación de placas. 88 Evaluaci ó n y optimizaci ón energ ética de planta industrial I .T.I. Electr ónica Industrial 6.4.4. DIMENSIONAMIENTO DEL CABLEADO. Para el dimensionamiento del cableado deben tenerse en cuenta básicamente tres criterios principales: Tensión de aislamiento: Es la tensión máxima del sistema eléctrico al que el cable puede estar conectado, el máximo valor de tensión al que puede estar conectado sin que su aislamiento se deteriore y pierda sus propiedades dieléctricas. Intensidad máxima admisible: Es el valor máximo de corriente que circula de manera permanente por un conductor sin que éste supere la temperatura máxima admisible. La temperatura del conductor del cable, trabajando a plena carga y en régimen permanente, no deberá superar en ningún momento la temperatura máxima admisible asignada de los materiales que se utilizan para el aislamiento del cable. Esta temperatura se especifica en las normas particulares de los cables y suele ser de 70º C para cables con aislamientos termoplásticos y de 90º C para cables con aislamientos termoestables. Caída de tensión: La circulación de corriente a través de los conductores, ocasiona una pérdida de potencia transportada por el cable, y una caída de tensión o diferencia de tensiones en el origen y extremo de canalización. Esta caída de tensión debe de ser inferior a los límites marcados por el Reglamento de BT en cada parte de la instalación, con el objeto de garantizar el funcionamiento de los receptores alimentados por el cable. Este suele ser el criterio determinante cuando las líneas son de larga longitud, como ocurre en las instalaciones fotovoltaicas. 6.4.4.1. Cálculo de caída de tensión. La sección de los cables se debe elegir de forma que las máximas caídas de tensión entre el origen y el fin del recorrido estén por debajo de los siguientes límites fijados en el Reglamento de BT: 1,5% en la parte de CC y CA, de cada parte de la instalación, con el fin de garantizar el correcto funcionamiento de los inversores alimentados por el cable. La caída de tensión ΔU es, por definición, la diferencia entre la tensión de alimentación VA y la tensión en bornes de la carga VB: ∆U = V A – V B ≤ 1.5% El cálculo de la sección de la línea puede obtenerse a partir de la caída de tensión de la línea. Dependiendo de si estamos hablando de línea de corriente continua o de línea trifásica las expresiones cambiarán. 89 Evaluaci ó n y optimizaci ón energ ética de planta industrial I .T.I. Electr ónica Industrial En el caso de C.C: ∆U = Rl x I ∆U ≥ (2 x ρ x L x I) / S S ≥ (2 x ρ x L x I) / ∆U Siendo: S = sección del conductor de línea (mm2). ρ = resistividad del conductor ( Ω · mm2 / m). L = longitud de la línea (m). I = intensidad (A). ΔU = caída de tensión de la línea (V). RL = resistencia de un tramo (Ω). En el caso de trifásica: ∆U = √3 x Rl x I x cos(α) ∆U = (√3 x ρ x L x I x cos(α) ) / S S = (√3 x ρ x L x I x cos(α) ) / ∆U Siendo: ΔU = caída de tensión compuesta (V). RL = resistencia de una fase de línea (Ω). I = corriente eficaz que recorre cada conductor (A). S = sección del conductor de línea (mm2). cos(α ) = f.d.p. de los receptores (se considerará cos(α ) = 1). ρ = resistividad del conductor ( Ω · mm2 / m). L = longitud de la línea (m). A partir de los datos de la línea, una vez elegido el tipo de conductor y fijada la caída de tensión admisible en la citada línea, se realizará el cálculo de la sección de los conductores por caída de tensión. Los cables que se han elegido están formados por conductores flexibles de Cu, clase 5, aislados con polietileno reticulado (XLPE) , fabricados con la Norma UNE 21123 (IEC-502) y con tensión de aislamiento de 1000V. Si la sección calculada no está normalizada, se elegirá siempre la sección inmediatamente superior que figure en la tabla de secciones comerciales. Observando los casos más desfavorables: ZONA DE CABLEADO Δvmax(V) ρ(Ω.m) L(m) Smin (mm2) Scomercial (mm2) CC Paneles - caja string 9,42 1,67E-08 90 2,449954504 4mm2 CC Caja string -inversor 9,42 1,67E-08 10 0,816651501 2,5mm2 CA Inversor - Armario conexión 6 1,67E-08 5 2,396964286 4mm2 Armario conexión - Armario Pintura 6 1,67E-08 30 30,92857143 35mm2 96 Evaluaci ó n y optimizaci ón energ ética de planta industrial I .T.I. Electr ónica Industrial Se instalará un Equipo de Medida Totalizadora bidireccional en Media Tensión, que cumple con lo establecido en el RD 1112/2007 para medidas en Alta Tensión y estará dotado de MODEM de comunicaciones para telemedida. El contador incorporará las funciones de: Maxímetro : Incorporada dentro de la misma caja del contador. Registra el valor máximo de las potencias activas generadas y consumidas con su fecha y hora, el valor de rebasamiento de la potencia contratada y el número de veces que se supera ese valor. Registrador: Incorporado dentro de la caja del contador, con las características que se requieren en el reglamento de Puntos de Medida (R.D. 1112/2007). Tarificador: Sistema tarifario de 9 tarifas por contrato (3 contratos independiente y segregados). Calendario de días ordinarios y especiales totalmente programable, además, posibilidad de cierre de los tramos de facturación, ofreciéndose la posibilidad de configurar las fechas de los mismos o de llevarlos a cabo de manera manual a través de los canales de comunicaciones o mediante un pulsador bajo la tapa precintable por la compañía. Funciones de Tarificación de Acceso a Redes para peajes, según Decreto 1164/2001. 6.4.8. ESTUDIO DE GENERACIÓN ENERGÉTICA. Para el estudio de generación de nuestra instalación fotovoltaica, optaremos en este caso por la utilización de un software de ingeniería específico para este fin. El software utilizado será PVsyst V5.52. 6.4.8.1 Pérdidas en la generación. Performance Ratio. Los datos de irradiación de la zona son fundamentales para el cálculo de rendimiento y producción de nuestra instalación. Estos datos de irradiación se toman en KWh/m2, en la ubicación exacta de la instalación, tanto en el plano horizontal como en el ángulo de colocación de los paneles. (En nuestro caso 15º respecto a la horizontal). 97 Evaluaci ó n y optimizaci ón energ ética de planta industrial I .T.I. Electr ónica Industrial Figura 47.Irradiación. Se ha considerado para la estructura de base para los módulos fotovoltaicos una estructura fija paralela a la cubierta, de 15º de inclinación. Además, como se indicó anteriormente, presentará un azimut (ángulo de orientación respecto al sur) de 32ºO. Para los cálculos de producción se toman los valores de radiación solar, que aparece en la base de datos de PVGis. Esta fuente de datos se apoya en observaciones de más de 7.700 estaciones meteorológicas por todo el mundo, de las cuales 1.492 están situadas en Europa. Si una zona tiene poca densidad de estaciones meteorológicas se apoyan en los satélites que ya acumulan más de diez años, y ofrece una resolución espacial de 1 km x 1 km. También han sido utilizados datos provenientes de la base de datos de NASA. Para el cálculo de la producción eléctrica fotovoltaica nos interesa realmente la radiación sobre la propia superficie de los paneles. Este valor depende de la latitud, de la climatología del lugar y de la naturaleza de la superficie receptora. “PVGIS” nos proporciona los datos de irradiación horaria (de todos los días del año) sobre superficie horizontal Gdm(0) en Wh/ m 2 , así como los datos de radiación horaria sobre la superficie del módulo (kWh/ m 2 ). Con dichos datos se obtienen el valor mensual y anual medio de irradiación diaria sobre el plano del generador Gdm(α,β) en kWh/ (m 2 *día), siendo el parámetro α el azimut y β la inclinación del generador. En este caso la orientación de la planta es de 32º de azimut respecto del Sur y hacia el oeste. Por razones de seguridad para la cubierta, se ha optado por colocar el generador a una inclinación prácticamente coplanaria con la cubierta y con un ángulo de azimut de 32º, para respetar la misma orientación de las naves. 98 Evaluaci ó n y optimizaci ón energ ética de planta industrial I .T.I. Electr ónica Industrial Para calcular el rendimiento energético de la instalación o “performance ratio”, PR, se tiene en cuenta las siguientes pérdidas. - Pérdidas de mismatch o acoplamiento. - Pérdidas por polvo o suciedad de los módulos. - Pérdidas angulares y espectrales. - Pérdidas respecto a la potencia nominal. - La dependencia de la eficiencia de los módulos fotovoltaicos con la temperatura. - Las pérdidas óhmicas en el cableado CC y CA de baja tensión y de media tensión. - Las pérdidas por errores en el seguimiento del punto de máxima potencia (MPPT). - La eficiencia energética del inversor. - Las pérdidas por disposición del generador y sombreado. La descripción y magnitud de cada una de estas pérdidas es la siguiente: Pérdidas de mismatch o de conexionado. Son pérdidas energéticas originadas por la conexión de módulos fotovoltaicos de potencias ligeramente diferentes para formar un generador fotovoltaico. Este fenómeno cobra especial importancia en la asociación en serie de los módulos solares (strings), dado que cada módulo utilizado en esta instalación de forma individual produce una tensión baja (en torno a 35V en el punto de máxima potencia) se agrupan en serie para llegar a tensiones de trabajo del inversor (405-750Vdc), siendo el módulo de menor corriente de salida el limitante de la intensidad de toda la serie completa. A su vez las series se agrupan y se conectan en paralelo al inversor, todas las ramas tendrán la misma tensión, si estamos dentro de inversores de un único seguimiento del punto de máximo potencia como el caso del inversor utilizado en este proyecto. Las pérdidas energéticas por mismatch suelen estar en el rango del 1% al 4%, si los módulos fotovoltaicos son pre-agrupados por sus características eléctricas. Consideraremos unas pérdidas de mismatch del 4.1%. Pérdidas por polvo y suciedad. Tienen su origen en la disminución de la potencia de un generador FV por la deposición de polvo y suciedad en la superficie de los módulos FV. Las pérdidas por polvo en un día determinado pueden ser del 0% al día siguiente de un día de lluvia y llegar al 8% cuando los módulos se “ven muy sucios”. Estas pérdidas dependen de la inclinación de los módulos, cercanías a carreteras, etc.…Por ello se recomienda limpiar los módulos si hay bastantes días seguidos sin llover. Se considera que estas pérdidas pueden estar en torno al 2%. 99 Evaluaci ó n y optimizaci ón energ ética de planta industrial I .T.I. Electr ónica Industrial Pérdidas por polvo en los paneles fotovoltaicos: 2.2%. Pérdidas angulares y espectrales. La potencia nominal de un módulo FV suele estar referida a unas condiciones estándar de medida, STC, que son de 1000 W/m² de irradiancia y 25ºC de temperatura de célula, implican una incidencia normal y un espectro estándar AM1.5G. No obstante en la operación habitual de un módulo FV ni la incidencia de la radiación es normal, ni el espectro es estándar durante todo el tiempo de operación. Los módulos de tecnología de capa fina, como son los utilizados en este proyecto, captan mejor la radiación difusa, por lo que estas pérdidas se ven reducidas. Pese a que los módulos no están en disposición horizontal, como la radiación solar sólo aparece en las tablas cuando la intensidad de la radiación supera una intensidad umbral, las pérdidas angulares-espectrales se supondrán del 3,1%. Pérdidas angulares o espectrales: 3.1 %. Pérdidas por no cumplimiento de la potencia nominal. Los módulos FV obtenidos de un proceso de fabricación industrial no son todos idénticos. Los fabricantes garantizan que la potencia de un módulo FV de potencia nominal P*, está dentro de una banda que oscila entre P*±3%. Y P*±5%. Por ello es de esperar que una vez instalados los módulos la potencia real instalada no coincida con la suma de las potencias de catálogo de cada uno. Para el caso de los módulos fotovoltaicos seleccionados Sanyo HIT H250E01, el fabricante nos indica un factor de variación respecto a la potencia nominal del módulo de +10% -5%. Para considerar la posibles pérdidas debidas a este factor, tomaremos un valor conservador, situado en torno al 2.6% Pérdidas respecto a la potencia nominal: 2.6%. Pérdidas por temperatura de operación. Los módulos FV presentan unas pérdidas de potencia si su temperatura es superior a las de STC. La temperatura del módulo dependerá de la temperatura ambiente y la irradiación que reciba. La potencia pico de los módulos se mide en laboratorio con una radiación solar de 1000W/m2, una temperatura en la célula solar de 25ºC y un espectro solar tipo AM 1,5 que es el normal en Europa. Estas condiciones de laboratorio son difícilmente reproducibles en el funcionamiento cotidiano del módulo solar. 100 Evaluaci ó n y optimizaci ón energ ética de planta industrial I .T.I. Electr ónica Industrial En especial en lo que se refiere a la temperatura de la célula solar que normalmente está 20ºC por encima de la temperatura ambiente, este sobrecalentamiento del módulo solar hace que su rendimiento y por lo tanto la potencia útil que es capaz de generar, disminuya. Para la verificación del funcionamiento de una instalación FV a partir de medidas instantáneas de las condiciones ambientales es necesario que las variaciones derivadas de la temperatura del módulo FV se calculen en el instante de la medición, pudiendo considerar constantes el resto de pérdidas. Para cada valor de irradiancia, G, y temperatura ambiente, Ta, la potencia en el punto de máxima potencia de un generador FV ideal, Pm, y la temperatura de la célula se puede obtener a partir del valor de la potencia en condiciones STC, P* m. Siendo: - Tc es la temperatura de célula. - Ta es la temperatura ambiente. - Pm es la potencia en el punto de máxima potencia del generador FV. - Pm*: potencia pico de la instalación. - TONC es la temperatura nominal de operación (44º en nuestro caso). - δ es el coeficiente de variación con la temperatura de la potencia (siendo -0.3%/ºC) - G: radiación solar incidente. Según lo indicado en el punto anterior se considerarán constantes los factores de pérdidas escritos a excepción de la temperatura, que modifica sensiblemente la eficiencia del sistema a lo largo del día, y la degradación que reduce la potencia del módulo FV con el paso de los años. De este modo comprobamos que, aunque la producción del generador fotovoltaico es mayor durante los meses de verano por el mayor nivel de irradiación, el rendimiento del mismo es menor en estos meses por el factor de pérdidas debidas a la temperatura. Como vemos en las siguientes gráficas, si tomamos un día frío, podemos ver que el valor de las pérdidas generadas por temperatura es negativo, es decir, se produce por encima del valor nominal para la irradiancia del momento, consiguiendo un rendimiento superior al 100%. La primera gráfica correspondiente a una simulación de un día frío de enero, muestra que la energía generada es 8,8KWh/día, superior a la correspondiente a STC. 101 Evaluaci ó n y optimizaci ón energ ética de planta industrial I .T.I. Electr ónica Industrial Si tomamos un día caluroso de verano, el resultado es el siguiente: 102 Evaluaci ó n y optimizaci ón energ ética de planta industrial I .T.I. Electr ónica Industrial El 15 de julio, con temperaturas cercanas a los 42º, las pérdidas en nuestro campo fotovoltaico son aproximadamente de 76KWh/día. Con el fin de minimizar el valor de las pérdidas por temperatura, los módulos se colocarán respetando un espacio entre los mismos y la cubierta, permitiendo la circulación de aire es este espacio y provocando una optima refrigeración de los mismos. Considerando un ratio anual del valor de la potencia generada con la temperatura, podemos establecer el siguiente valor: Pérdida de rendimiento debida a la temperatura: 4.9%. Consideración de la degradación. Los módulos solares sufren una degradación con el tiempo que disminuye su potencia nominal. Esta degradación es especialmente importante en los primeros momentos en los que se expone el módulo al Sol, siendo más suave a lo largo de su vida. Dado que los módulos se degradan con el tiempo, se corregirá el PR de la siguiente manera. - 0.995 para el primer año. - 0.99 para el segundo año. - 0.985 para el tercer año. - 0.98 para el cuarto año. - 0.975 para el quinto año. Donde: - dg es el factor corrector en función de la degradación de los módulos. Las pérdidas óhmicas en el cableado CC, CA de baja tensión y de media tensión. Tanto en la parte DC y AC de baja tensión como en la parte de media tensión se producen pérdidas originadas por las caídas de tensión en el cableado. Los conductores de la parte de CC deberán tener una caída de tensión inferior del 1,5%, mientras que en la parte de CA, dichas pérdidas deberán ser inferiores al 2%, cumpliendo con el Pliego de Condiciones Técnicas de instalaciones conectadas a red (PCT-C). El cableado y por lo tanto las pérdidas en el mismo serán las siguientes: Corriente Continua Tipo de cable Función del cable Cable XLPE de 4 mm 2 de Cu Cable de los módulos para formar strings Cable XLPE de 6 mm 2 de Cu Desde cuadros de strings hasta inversor Cable XLPE de 50 mm 2 de Cu Entre inversor y armário conexión CA 103 Evaluaci ó n y optimizaci ón energ ética de planta industrial I .T.I. Electr ónica Industrial Corriente Alterna Tipo de cable Función del cable Cable RV - K de 2x70 mm 2 de Cu Entre inversor y cuadro Consideraremos unas pérdidas globales en el cableado del 0.8%+0.8%. (CC + CA) Pérdidas por errores en el seguimiento del punto de máxima potencia (MPPT). El inversor fotovoltaico de conexión a red tiene un dispositivo electrónico de seguimiento del punto de máxima potencia del generador FV cuyos algoritmos de control pueden variar entre diferentes modelos y fabricantes. Un error en el seguimiento de este punto implica una pérdida de generación de energía. El valor de estas pérdidas queda comprendido en el porcentaje global de pérdidas producidas en el inversor. Eficiencia energética del inversor. El inversor, que es el componente que mediante transformaciones electrónicas, transforma la energía en corriente continua procedente de los módulos en corriente alterna compatible con la red de suministro. El simple efecto Joule hace que el inversor sufra unas pérdidas en el proceso de transformación de dicha energía. El rendimiento europeo del inversor es mayor de 96%. Este rendimiento tiene en cuenta los diferentes rendimientos del inversor a distinta carga del sistema. Así como las pérdidas en el propio transformador del inversor. Con un correcto dimensionamiento conseguiremos reducir al 0% las pérdidas en el inversor por sobrecarga o por trabajar fuera de los rangos de V e I exigidos por el mismo. Por todo ello se considera: Pérdidas debidas a la eficiencia media del inversor = 5.2% Las pérdidas por disposición del generador y sombras. Los módulos se colocan con la orientación de la cubierta de la nave y paralelos a la misma, es decir, azimut 32º respecto al sur e inclinación de 15º. Esto conlleva que no se generan pérdidas por sombreamiento de unos módulos a otros. Debido a la presencia de edificios a cierta distancia y tomando un ángulo de los mismos en el horizonte respecto al generador FV de 5º aparecen pérdidas al amanecer y atardecer en ciertas épocas del año. 104 Evaluaci ó n y optimizaci ón energ ética de planta industrial I .T.I. Electr ónica Industrial Pérdidas por sombreado = 0% Pérdidas por sombras lejanas y obstáculos = 1,2% Pérdidas generales y Performance Ratio. Teniendo en cuenta las pérdidas que podemos considerar constantes y teniendo en cuenta el rendimiento por temperatura del generador fotovoltaico, obtenemos un PR para nuestra instalación fotovoltaica del 76,2%, valor más que aceptable. Quedan excluidos de este concepto, los autoconsumos derivados de la planta, la degradación de los módulos y la disponibilidad de la planta. En la siguiente tabla y gráfica se muestra el cálculo del PR y un resumen de pérdidas de la instalación. 105 Evaluaci ó n y optimizaci ón energ ética de planta industrial I .T.I. Electr ónica Industrial 6.4.8.2. Simulación de generación.PVsyst. La estimación de la energía inyectada se ha realizado de acuerdo con la siguiente ecuación: Ep= [Gdm(α,β) * Pmp* PR] / GCEM (en kWh/día) (4) Siendo: - G dm (α,β) = valor medio mensual y anual de la irradiación diaria sobre el plano generador en kWh/(m 2 ·día). - P mp = Potencia pico del generador. - PR = Rendimiento energético de la instalación o “performance ratio”. - G CEM = 1 Kw/m 2 en Condiciones Standard de Medida. Las condiciones Standard de medida son una irradiancia de 1000 W/m 2 , una distribución espectral AM de 1,5 y una temperatura de las células de 25 ºC. La potencia nominal de la instalación es de 100 Kw y la potencia pico total de nuestra instalación es de 108 KWp. 112 Evaluaci ó n y optimizaci ón energ ética de planta industrial I .T.I. Electr ónica Industrial 6.4.11. PRESUPUESTO. En este punto desglosaremos el precio de cada uno de los componentes que conforman la instalación fotovoltaica, desde los materiales hasta la mano de obra. Al plantearse la instalación con la finalidad de evaluar la posibilidad de un autoabastecimiento en una de las secciones de la empresa, no vamos a realizar el estudio de viabilidad económica con las primas vigentes, VAN, TIR etc. PRESUPUESTO Capitulo Descripción Cantidad Pneto Unitario Pneto Total Generador Fotovoltaico Módulo fotovoltaico Sanyo, modelo HIT H250E01 432 150 66960 € Inversor INGETEAM INGECON SUN 50 2 5000 10.000 € Estructura de anclaje y soporte 1 28000 28.000 € Total Cableado VCC 1 2500 2.500 € Cajas de strings NIVEL 1 8 255 2.040 € Total cableado VCA 1 600 600 € Armario BT VCA 1 2500 2.500 € Estación meteorológica y data logger 1 3700 2700 € Mano de obra e instalación de equipos Instalación generador fotovoltaico y equipos auxiliares 1 25000 25.000 € Proyecto y legalización Proyecto de ingeniería, legalización y dirección de obra 1 7500 6000 € Seguridad y salud 1 5000 4.000 € TOTAL PROYECTO 145.970 € Gastos Generales Gastos adicionales 4% 5838 € TOTAL 151.808 € IVA 21% 31.879 € TOTAL CON IVA 183.687 € 113 Evaluaci ó n y optimizaci ón energ ética de planta industrial I .T.I. Electr ónica Industrial 6.4.11. ESTUDIO DEL BALANCE NETO EN PLANTA DE PINTURA. La instalación fotovoltaica proyectada en el capítulo anterior tiene por objeto evaluar la posibilidad del auto abastecimiento a lo largo del año (balance neto) de una zona concreta de la planta a estudio. Se plantea como una optimización energética más, no como una planta de generación energética convencional. Se intentará mostrar la sostenibilidad a nivel energético y económico de una planta industrial de pequeño tamaño autoabastecida con un sistema de generación propio, en nuestro caso una planta fotovoltaica sobre cubierta. El dimensionamiento de la planta fotovoltaica atiende a la actual legislación de las instalaciones de generación para consumo propio marcada por el RD1699/2011. Este Real Decreto indica las características técnicas que deben de cumplir las instalaciones de generación orientadas hacia el autoconsumo. Aunque el mercado energético sigue pendiente de un nuevo Real Decreto que determine la manera en la que se van a legislar y se van a encuadrar en el mercado este tipo de instalaciones, como hemos visto, ya se han establecido unas líneas que se han intentado seguir al máximo en este proyecto. En marzo de 2012, se publicó un proyecto de Real Decreto para la gestión del autoconsumobalance neto a nivel administrativo, que seguía las siguientes líneas principales: - El consumidor enviará a la red eléctrica la energía generada y no consumida. - Esta cesión no llevará aparejada ninguna contraprestación económica. - La cesión generará unos derechos de consumo futuro, que podrán ser utilizados durante los siguientes 12 meses. - La energía adquirida por el consumidor a la empresa suministradora se compensará hasta que se iguale a los derechos de consumo acumulados, en el mismo periodo tarifario. - La energía consumida hasta igualar los derechos adquiridos no tendrá coste para el consumidor. - El consumidor sólo deberá pagar el peaje de acceso y el coste del servicio de balance neto cuyo máximo será establecido por el Ministerio. - El precio del resto de la energía será establecido por las empresas suministradoras/comercializadoras. - Las empresas comercializadoras están obligadas a llevar una contabilidad de la energía exportada a la red y consumida. - La facturación se realizará mensualmente y en base a lecturas reales. - La compensación entre la energía vertida a la red y la consumida se realizará mensualmente. La primera línea a seguir es la limitación en potencia (100KW) para una instalación fotovoltaica sobre cubierta, por este motivo, y dado que la empresa a estudio tiene una magnitud de consumo muy superior a esta limitación, se plantea el estudio de balance neto en una zona 114 Evaluaci ó n y optimizaci ón energ ética de planta industrial I .T.I. Electr ónica Industrial independiente de la planta, la nave de pintura y lacado, que cuenta con una potencia de acometida de 200KW aproximadamente. La nave de lacado es una zona de la planta dedicada al tratamiento superficial del perfil de aluminio extruido en un proceso totalmente automatizado. Al ser una zona auxiliar de producción, trabaja normalmente en base a la demanda de producto, que aunque bastante lineal, no ocupa lo suficiente para el funcionamiento de la línea a tres turnos. La nave de lacado trabaja normalmente a pleno rendimiento de lunes a jueves en turno central (de 8 a 14h) y el viernes por la mañana (de 8 a 13h), el resto del tiempo se destina a la carga y descarga del material a tratar. El viernes por la tarde se dedica a limpieza, mantenimiento y recarga de las máquinas. Este ritmo de trabajo supone unas 29 horas semanales de funcionamiento, que por 46 semanas de utilización al año, implican 1.334h de funcionamiento anuales. La nave de lacado cuenta con una acometida de 200KW de potencia instantánea, la cual, en los momentos de pleno rendimiento, implica un factor de utilización de 0,6, es decir el 60% de la potencia disponible. El resultado de estas estimaciones es que la nave consume al año: 1334h x 200KW x 0.6 = 160.080 KWh Debemos tener en cuenta que la línea trabaja en las líneas centrales del día, y que no trabaja el mes de agosto, por lo que el precio del KWh que consume es notablemente superior precio medio que calculamos para la estimación del precio del KWh. Para el cálculo económico utilizaremos un precio medio del KWh de 8,5 c€. Desde la instalación fotovoltaica se llevará la energía generada hasta el armario de distribución eléctrica de la planta de lacado, donde estará disponible para los equipos que estén consumiendo en ese momento. Cuando el consumo de la planta sea superior a la generación, se conseguirá el restante de energía de la red. En los momentos en que la generación sea superior al consumo instantáneo, la energía excedente estará a disposición del resto de la planta industrial para ser consumida donde se requiera en ese momento. El control del balance total generación/consumo de la planta de lacado, se realizará mediante un analizador Sentron Pac 3200 como los mostrados en el capítulo anterior, que al contar con contador de energía bidireccional, podrá identificar el resultado de cuanta energía ha consumido el conjunto planta de lacado + generador fotovoltaico . 115 Evaluaci ó n y optimizaci ón energ ética de planta industrial I .T.I. Electr ónica Industrial La comparativa de consumo-generación a lo largo del año es la siguiente: KWH ENE FEB MAR ABR MAY JUN JUL AGO SEP OCT NOV DIC ANUAL HORAS 87 116 130 130 130 130 130 29 116 130 116 90 KWH CONSUMO 10440 13920 15600 15600 15600 15600 15600 3480 13920 15600 13920 10800 160080 KWH GENERADOS 6540 9100 13500 14690 16300 17140 17460 15690 13070 9710 6600 5360 145160 BALANCE NEG NEG NEG NEG POS POS POS POS NEG NEG NEG NEG % AUTOCON 62,64% 65,37% 86,54% 94,17% 104,49% 109,87% 111,92% 450,86% 93,89% 62,24% 47,41% 49,63% 90,68% RESULTADO: En la comparativa podemos comprobar que hay 4 meses al año en los que la producción de la fotovoltaica es superior al consumo propio de la planta de pintura. En los 8 meses restantes, el balance es negativo, siendo superior el consumo a la generación. En el global de todo el año, el autoabastecimiento de la planta de lacado llega al 90,68%. En el aspecto económico, con los datos de generación, valor del KWh medio, precio de la instalación fotovoltaica, estableceremos el periodo de retorno de la inversión, ahorro al final de la vida útil de la misma y volumen de CO2 no emitido a la atmósfera. Para ello, aplicaremos una tasa del 1500€ anuales en base a gastos de mantenimiento. AHORRO ECONÓMICO ANUAL: 12.338 € INVERSIÓN: 151.808€ PAY BACK: 13.8 años VIDA ÚTIL INSTALACIÓN: 25 años AHORRO FIN VIDA ÚTIL: 120.000€ REDUCCIÓN CO2 ANUAL: 34.49 Ton. 116 Evaluaci ó n y optimizaci ón energ ética de planta industrial I .T.I. Electr ónica Industrial 7. OTRAS MEJORAS ENERGÉTICAS. 7.1. SISTEMA DE RECOGIDA DE AGUAS PLUVIALES. Como vimos en el apartado de consumos energéticos, existe un consumo de agua más o menos constante a lo largo del año debido a la planta de lacado, refrigeración del tocho extruido mediante túnel de agua y consumo de boca. El consumo anual (en el último año completo) ha sido el siguiente: M3 ENE FEB MAR ABR MAY JUN JUL AGO SEPT OCT NOV DIC 168 126 204 138 222 414 360 54 408 216 162 240 3,19 €/m3 535,92 401,94 650,76 440,22 708,18 1320,7 1148,4 172,26 1301,5 689,04 516,78 765,6 TOTAL €. 2.712 TOTAL m3. 8.651 Se estima que el 90% del consumo anual de la planta se dedica al proceso industrial. Aproximadamente unos 8000 m3. Como podemos ver, el consumo es constante y se incrementa en los meses más calurosos, debido a la utilización del túnel de refrigeración. La planta cuenta con una depuradora destinada al tratamiento del agua utilizada en la planta de lacado y pintura. Teniendo en cuenta la gran superficie cubierta que abarcan las diferentes naves de la planta (casi 9000 m2) y contando con que todas ellas disponen de sistema de canalización del agua caída en cubierta para verterla al alcantarillado, se propone una sencilla solución para recoger parte de esta agua. Después de filtrarla y tratarla, aprovechando la depuradora existente, podrá ser utilizada en el proceso industrial. En la planta existen dos aljibes subterráneos que tienen varios propósitos: - Depósito de reserva en caso de fallo de suministro de la red. - Agua de refrigeración de las prensas. - Suministro a la planta de pintura y a los túneles de agua de refrigeración. Desde estos aljibes existen por la planta redes de distribución, que dan suministro a cada uno de los consumidores. El sistema propuesto consiste en unir las canalizaciones existentes de evacuación de las cubiertas para dirigirlas a los aljibes por gravedad. La reforma consistirá en reubicar ciertas bajantes de la canalización existentes y crear algunos tramos nuevos para unir el circuito. Antes de llegar a ellos, el agua recuperada pasará por filtros, con el fin de eliminar las impurezas más importantes que pudiese haber en la cubierta. 117 Evaluaci ó n y optimizaci ón energ ética de planta industrial I .T.I. Electr ónica Industrial La situación de los aljibes y de los puntos de vertido de agua al alcantarillado en las plantas es la siguiente: Figura 49.Red de recogida de pluviales. La pluviosidad media en Zaragoza es de 320l/m2 al año, el aprovechamiento de estos sistemas de recuperación de pluviales suele rondar el 90-95% del agua caída. Siendo así, y teniendo en cuenta una superficie de aprovechamiento de unos 10.000m2, podrían recogerse hasta 3000m3 al año, lo que supone el 38% del agua consumida en proceso. La estimación de costes y periodo de retorno de la mejora es la siguiente: La importancia de esta mejora reside en el valor medioambiental de la misma. Dará valor a un recurso escaso (sobre todo en la zona en la que se ubica la planta), como es el agua, recurso que por su bajo coste de desprecia en muchas ocasiones, al mismo tiempo, mejoraremos la imagen medioambiental de la empresa. AHORRO ENERGÉTICO: 3.000m3 agua AHORRO ECONÓMICO: 9.570€ INVERSIÓN: 25.000€ PAY BACK: 2.61 años 118 Evaluaci ó n y optimizaci ón energ ética de planta industrial I .T.I. Electr ónica Industrial 8. RESUMEN DE RESULTADOS ENERGÉTICOS, ECONÓMICOS Y MEDIOAMBIENTALES. CONCLUSIONES Y REFLEXIÓN. A continuación se muestra un resumen de las mejoras energéticas propuestas, con sus correspondientes ahorros energéticos y económicos. Posteriormente se enfrentarán los datos totales de las mejoras frente a los consumos iniciales para ver qué porcentaje de mejora representa en cada campo. También se presenta el periodo promedio de retorno de inversión del conjunto de mejora. SISTEMAS ELÉCTRICOS NOMBRE DE LA MEJORA AHORRO KWh AHORRO € AHORRO Kg CO2 INVERSIÓN RETORNO (años) DIFICULTAD NEGOCIACIÓN CONTRATO 0 10.329€ 0 0€ 0 BAJA MONITORIZACIÓN ENERGÉTICA 94949 6.637,00 € 15761,5 10.240,00 € 1,54 BAJA GESTIÓN REFRIGERACIÓN DE PERFILES 352.308 24.626,00 € 58483,1 57.000,00 € 2,31 MEDIA ILUMINACION OFICINAS KNX 30.436 2.127,48 € 5052,4 6.588,00 € 3,10 MEDIA ILUMINACIÓN DE PLANTA Y EXTERIORES 136.290 9.526,00 € 22624,1 38.810,00 € 4,07 BAJA CAMBIO DE MOTORES DE PRENSAS 518.172 36.220,00 € 86016,6 143.500,00 € 3,96 MEDIA VARIADOR ES DE FRECUENCIA EN HORNOS 95.623 6.684,00 € 15873,4 43.200,00 € 6,46 ALTA REPARACIÓN FUGAS AIRE COMPRIMIDO 4.838 338,00 € 803,1 500,00 € 1,48 BAJA TOMAS DE AIRE FRESCO COMPRESORES 10.108 706,00 € 1677,9 1.000,00 € 1,42 BAJA GESTION EN CASCADA COMPRESORES. VARIADOR. 36.720 2.566,00 € 6095,5 6.050,00 € 2,36 ALTA RECUPERACIÓN DE CALOR DE REFRIGERACIÓN DE COMPRESOR 110KW. 26.000 1.817,40 € 4316,0 7.000,00 € 3,85 MEDIA TOTALES 1.305.444 101.577 216.704 313.888 € 3,09 (Promedio) FOTOVOLTAIC A AUTOCONSUMO 142.500 12.338 34.490 151.808 13.8 ALTA 119 Evaluaci ó n y optimizaci ón energ ética de planta industrial I .T.I. Electr ónica Industrial Para esta valoración, y dado su carácter especial sobre todo por la actual imposibilidad a nivel legal de llevar a cabo una instalación de este tipo, trataremos de manera independiente la instalación de la fotovoltaica sobre cubierta para consumo propio. Analizando los datos obtenidos, vemos como la mejora en el consumo de energía eléctrica es de un 13.75%. Lo que supone una reducción de más de 1.300 MWh al año. En el terreno económico, se logran unos ahorros anuales de 101.577€ que sobre un total del término de energía de 606.590.58€ representan el 16.74%. Sobre el total de término de potencia y término de energía de 691.858€, las mejoras propuestas supondrían un 14,68% de reducción en la parte económica. Respecto a las emisiones de dióxido de carbono, con las medidas presentadas y con el mix energético del último año 2012 (0.242KgCO 2 /KWh), se estima un ahorro de 336 Ton de CO2 al año. El periodo de retorno medio de las mejoras energéticas propuestas es de 3,09 años. En un balance a largo plazo, por ejemplo a 10 años, y estimando un 20% anual de la inversión realizada en costes de mantenimiento, se estiman unos beneficios netos de unos 650.000€. (Sin contar las posibles fluctuaciones de los costes energéticos). Las conclusiones que podemos extraer tras analizar los datos obtenidos son que las mejoras energéticas a realizar en el sistema eléctrico son factibles a nivel técnico, económico y de periodo de retorno. Un plazo de retorno de la inversión medio de 3,09 años es razonablemente bueno como para plantearse la optimización de la planta. Además de ello, las mejoras contribuyen activamente a la modernización de la instalación y a la reducción de emisiones de CO2 y otras sustancias tóxicas a la atmósfera, lo que mejora notablemente el balance medioambiental de la empresa. Por otro lado y sobre todo motivado por el bajo precio del KWh al que la empresa a estudio compra la energía, es difícil contemplar desde la perspectiva económica la inversión en la planta fotovoltaica. Sería más razonable para un consumidor medio con un precio medio del KWh de 13-15 c€, lo cual reduciría el plazo de amortización considerablemente. AHORRO ECONÓMICO ANUAL: 12.338 € AHORRO KWh: 142.500KWh INVERSIÓN: 151.808€ PAY BACK: 13.8 años VIDA ÚTIL INSTALACIÓN: 25 años AHORRO FIN VIDA ÚTIL: 120.000€ REDUCCIÓN CO2 ANUAL: 34.49 Ton. 120 Evaluaci ó n y optimizaci ón energ ética de planta industrial I .T.I. Electr ónica Industrial Tras la realización del proyecto, la reflexión principal es que la coyuntura económica y medioambiental actual, obliga a las empresas a optimizar sus instalaciones en búsqueda de la máxima eficiencia. Lejos queda la época de revolución industrial, en que las fábricas se orientaban hacia la máxima producción, sin tener en cuenta los costes energéticos y medioambientales relacionados con su funcionamiento. El progresivo aumento de los costes de las materias primas, energía y agua, así como una mayor presión por parte de las autoridades locales e internacionales, empuja a la industria moderna a dar un giro a las fábricas de nueva generación, creando centros más eficientes y sostenibles. Paralelamente a esto, la cada vez más acuciante competitividad existente en el mercado, ayuda a optimizar los recursos tanto energéticos como materiales. Las grandes fábricas modernas cuentan en gran parte con sistemas de gestión energética, muchas veces integrados en el propio sistema de supervisión de proceso, dedicados exclusivamente a analizar los costes energéticos derivados de la producción, para así intentar localizar los posibles puntos de mejora. En otro plano quedan las empresas de mediano y pequeño tamaño, que en algunas ocasiones y por diversos motivos, han quedado tecnológicamente obsoletas. Este progresivo alejamiento de las nuevas tecnologías existentes y en muchos casos la falta de recursos humanos especializados en la rama energética, hace de estas medianas y pequeñas fábricas consumidores altamente ineficientes. Este retraso en lo que a uso de los recursos energéticos se refiere, empeora desde la sombra, la competitividad de estas compañías, lo que a la larga puede tener consecuencias desastrosas. En este sector de la industria es donde deben centrarse los esfuerzos de la administración, para dar a conocer y facilitar, en la medida de lo posible, las tecnologías y equipos más eficientes a la pequeña y mediana empresa, y así conseguir crear un proceso de mejora continua. Por la propia salud del sector industrial español, plagado de empresas de este tipo, debe ayudarse a las mismas a aumentar su eficiencia para poder afrontar el futuro con ciertas garantías de éxito. Como ya se viene haciendo en los últimos tiempos, deben fomentarse las ayudas a la industria en este aspecto, lo que por otro lado, creará un nuevo nicho de negocio -ya incipiente de algún modorelacionado con la optimización energética de la infraestructura industrial. La implantación de sistemas de monitorización, sistemas inteligentes de gestión de la iluminación, utilización de accionamientos industriales de alta eficiencia, aprovechamiento de flujos energéticos en los procesos e integración de las energías renovables, debe ser un hecho en los próximos años. 121 Evaluaci ó n y optimizaci ón energ ética de planta industrial I .T.I. Electr ónica Industrial Directamente relacionado con el sector industrial, el sector transporte gira hacia la sostenibilidad y reducción de consumo de recursos energéticos En este reciclaje tecnológico de la industria a todas las escalas y en la concienciación de sus colaboradores, reside uno de los pilares básicos que debe sustentar la industria del futuro. 128 Evaluaci ó n y optimizaci ón energ ética de planta industrial I .T.I. Electr ónica Industrial 129 Evaluaci ó n y optimizaci ón energ ética de planta industrial I .T.I. Electr ónica Industrial SENTRON PAC. 3200. 130 Evaluaci ó n y optimizaci ón energ ética de planta industrial I .T.I. Electr ónica Industrial  131 Evaluaci ó n y optimizaci ón energ ética de planta industrial I .T.I. Electr ónica Industrial   132 Evaluaci ó n y optimizaci ón energ ética de planta industrial I .T.I. Electr ónica Industrial 133 Evaluaci ó n y optimizaci ón energ ética de planta industrial I .T.I. Electr ónica Industrial 134 Evaluaci ó n y optimizaci ón energ ética de planta industrial I .T.I. Electr ónica Industrial 135 Evaluaci ó n y optimizaci ón energ ética de planta industrial I .T.I. Electr ónica Industrial CUADRO CONEXIÓN CA CUADRO CONEXIÓN CACUADRO CONEXIÓN CA CUADRO CONEXIÓN CA Cantidad CantidadCantidad Cantidad Número de artículo Número de artículoNúmero de artículo Número de artículo Descripción DescripciónDescripción Descripción 1 3KA71233AA00 Interruptor seccionador 3x250A sin accionamiento 1 3KX71114AA00 Accionamiento bloqueable por cerradura para puerta - negro120mm 3KA/3KL71 Tam.1/2/3/4 2 3NW7023 BASE DE FUSIBLES PARA MONTAJE P. CARTUCHO FUSIBLE CILINDRICO TAMANO 10X38 MM, 32 A, 2 POLOS BASE DE FUSIBLE MODULAR 1 3NW7033 BASE DE FUSIBLES PARA MONTAJE P. CARTUCHO FUSIBLE CILINDRICO TAMANO 10X38 MM, 32 A, 3 POLOS BASE DE FUSIBLE MODULAR 1 3VL37251DC360AA0 INTERRUPTOR AUTOMATICO VL 250N PODER DE CORTE ESTANDAR ICU=55KA / 415 V AC 3 POLOS, PROTECC. DISTRIBUCION DISP. SOBREINTENSIDAD TM, LI IN=250A, INT. ASIGNADA IR=200- 250A, PROTEC. SOBREC. II=1200- 2500A,PROTEC. CORT.; SIN DISPARADOR AUXILIAR; SIN INT. AUX./ALARMA 2 3VT17122DC360AA INTERRUPT. AUTOMAT. 3VT1 PODER DE CORTE ESTANDAR ICU=25KA, 415V AC 3POLOS,PROTECC. DE DISTRIBUC. DISPARAD. DE SOBREINTENS. TM, LI IN= 125A INTENSIDAD ASIGNADA IR=100... 125A PROT. CT.SOBREC. II= 625... 1250A, PROTECC. CONTRA CORTOCIRCUITO S. DISPARADOR AU; SIN DISPARADOR AUXILIAR; SIN CONTACTO AUXILIAR/DE ALARMA 1 5SD74240 DESCARGADOR SOBRETENS TIPO 2 CLASE SEGURIDAD C, UC 350V MOD. PROTECCION INSERTABLES 4 POLOS, CONEXION 3+1 PARA SISTEMAS TN-S Y TT DISENO ESTRECHO 2 5SV80006KK DISPOSITIVO VIGILANCIA CORRIENTE DIFERENCIAL ANALOGICO, TIPO A IDN 0,03 A 5 A 0,02 5 S 2 5SV87030KK TRANSF CORRIENTE TOTAL 70 MM 1 8GB4683 Tiras de cubierta ciega, con soporte de fijación quebrado, color blanco puro 4 8GF5737 Barra de Cu, 20x5mm, 2000mm de longitud, con agujeros y rosca 2 8GF5760 Juego de montaje para barras, 4 polos, 136 Evaluaci ó n y optimizaci ón energ ética de planta industrial I .T.I. Electr ónica Industrial escalonado, 15x5/20x5/30x5mm 1 8GK21244KK23 Armario de distribución sobre pared, superficie, RAL 7035, IP30 (IP55), sin puerta ni paredes laterales, H1250mm, B660mm, P250mm 1 8GK63522KK23 Juego de montaje para aparatos modulares, 24 módulos, 200mm de separación, con tapa, H200mm, B600mm 1 8GK64004KK20 Juego de montaje para seccionador, 3KA712, tamaño 2, 3/4 polos, ejecución vertical, H400mm, B600mm 1 8GK67504KK23 Kit de ensamblaje para interruptor automático 3VT1 (5 piezas) 3 y 4 polos, para montaje vertical, H400mm, B600mm 1 8GK95057KK23 Puerta transparente IP55, RAL 7035, H1245mm, B655mm 1 8GK96231KK20 Tapa abisagrada, H200mm, B600mm 1 8GK99200KK35 ALPHA 630 Universal, travesaño horizontal B=491mm, (1 juego = 2 unidades) 137 Evaluaci ó n y optimizaci ón energ ética de planta industrial I .T.I. Electr ónica Industrial CUADRO STRINGS CUADRO STRINGSCUADRO STRINGS CUADRO STRINGS Cantidad CantidadCantidad Cantidad Número de artículo Número de artículoNúmero de artículo Número de artículo Descripción DescripciónDescripción Descripción 3 3NW60031 FUSIBLE DE CILINDRO GG (NFC) SIN ANUNCIO TAM. 10X38MM, 500V 10A 3 3NW7014 TAMANO 10X38MM 32A, 1POL. 1 3NW7023 BASE DE FUSIBLES PARA MONTAJE P. CARTUCHO FUSIBLE CILINDRICO TAMANO 10X38 MM, 32 A, 2 POLOS BASE DE FUSIBLE MODULAR 1 5SD74830 DESCARGADOR SOBRETENS TIPO 2 UOC STC 1000 V DC MOD. PROTECCION INSERTABLES PARA INSTALAC FOTOVOLTAICAS 1 5ST2507 Distribuidor 1 polo, 160A, entrada 1x 10-70mm2, salida 6x2,5-16mm², para carril DIN 1 8GB13713 SIMBOX WP superficie , completo, para aparatos de 70 mm, 1 fila, clase de aislamiento 2, IP65, H285mm B410mm P140mm 1 PV25-ABB INTERR. PROTECCION SELECT. 1000V 10KA, 2POLOS, C, 25A, P=70MM