Estudi de les possibilitats i accions de reciclatge de motors asíncrons
Abstract
Los motores de inducción son los más utilizados en una amplia gama de aplicaciones industriales, con millones de unidades fabricadas para satisfacer diversas aplicaciones a nivel global, con el paso del tiempo, muchos de estos motores han alcanzado el final de su ciclo de vida, lo que ha generado un aumento en la acumulación de residuos, provocando un considerable impacto ambiental. Frente a esta problemática, se ha realizado un estudio centrado en las posibilidades de reciclaje de estos motores y los tratamientos necesarios para recuperar los metales empleados en su fabricación y poder reutilizarlos. En la primera parte del estudio, se introduce una breve explicación sobre el principio de funcionamiento de los motores asíncronos trifásicos de inducción, uso en distintas aplicaciones y su constitución. Además, se analiza cómo realizar una correcta selección del motor, teniendo en cuenta parámetros clave como el control de velocidad, el par motor y métodos de arranque. También se consideran las normativas de la Comisión Electrónica Internacional (IEC), esenciales para garantizar la seguridad, fiabilidad y eficiencia de estos dispositivos. Se revisan las condiciones ambientales y situación de la instalación que puedan afectar el rendimiento del motor para vincular estos factores con el grado de protección (IP) más adecuado. El estudio aborda los métodos actuales de reciclaje empleados los gestores de Residuos de Aparatos Eléctricos y Electrónicos (RAEE), describiendo las fases de reciclaje y recuperación de metales, los tipos de instalaciones utilizadas, la maquinaria empleada, y los procedimientos de almacenamiento y gestión de residuos. También se detallan las Normativas que deben cumplir los gestores para asegurar una correcta manipulación de estos materiales. Para los cálculos teóricos, se han seleccionado motores de baja tensión y en potencias hasta los 75 kW, aunque el estudio práctico se ha centrado en un motor de 1,5 kW del laboratorio de la UPC EPSEVG. Los resultados obtenidos confirman el elevado potencial que representa el reciclaje de los metales principales para la fabricación de motores, que equivalen a un 98% del total de sus materiales. Esto demuestra que prácticamente todos los componentes de un motor pueden ser recuperados, lo que permite reintegrar estos materiales en un nuevos ciclos productivos, evitando así la extracción de recursos naturales, reduciendo el coste asociado. Finalmente, se llevó a cabo una evaluación del impacto ambiental empleando la metodología MEEUP (Methodology for the Eco-Desing of Energy Using Products), comparando dos motores, uno de ellos el motor del laboratorio. Los resultados subrayan la importancia de optimizar los diseños de fabricación para conseguir dispositivos más eficientes y con un menor impacto ambiental, lo que resalta la necesidad de avanzar hacia soluciones más sostenibles en el sector.
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Estudio de las posibilidades y acciones de reciclaje de motores asíncronos. Galán Hurtado Jorge Eddison 8 TRABAJO FINAL DE GRADO TÍTULO: Estudio de las posibilidades y acciones de reciclaje de motores asíncronos. AUTOR: Galán Hurtado, Jorge Eddison FECHA DE PRESENTACIÓN: Octubre, 2024
Estudio de las posibilidades y acciones de reciclaje de motores asíncronos. Galán Hurtado Jorge Eddison 9 APELLIDOS: Galán Hurtado NOMBRE: Jorge Eddison TITULACIÓN: Grado en Ingeniería Eléctrica PLAN: DIRECTOR: Marcel Torrent Burgués DEPARTAMENTO: Ingeniería Eléctrica CALIFICACIÓN DEL TFG DATA DE LECTURA: 29 de octubre de 2024 Este proyecto tiene en cuenta aspectos medioambientales: Sí No TRIBUNAL PRESIDENTE SECRETARIO VOCAL Andrada Gascon, Font Mateu, Monguet Fierro, Pedro Josep Jose Maria
Estudio de las posibilidades y acciones de reciclaje de motores asíncronos. Galán Hurtado Jorge Eddison 10 RESUMEN Los motores de inducción son los más utilizados en una amplia gama de aplicaciones industriales, con millones de unidades fabricadas para satisfacer diversas aplicaciones a nivel global, con el paso del tiempo, muchos de estos motores han alcanzado el final de su ciclo de vida, lo que ha generado un aumento en la acumulación de residuos, provocando un considerable impacto ambiental. Frente a esta problemática, se ha realizado un estudio centrado en las posibilidades de reciclaje de estos motores y los tratamientos necesarios para recuperar los metales empleados en su fabricación y poder reutilizarlos. En la primera parte del estudio, se introduce una breve explicación sobre el principio de funcionamiento de los motores asíncronos trifásicos de inducción, uso en distintas aplicaciones y su constitución. Además, se analiza cómo realizar una correcta selección del motor, teniendo en cuenta parámetros clave como el control de velocidad, el par motor y métodos de arranque. También se consideran las normativas de la Comisión Electrónica Internacional (IEC), esenciales para garantizar la seguridad, fiabilidad y eficiencia de estos dispositivos. Se revisan las condiciones ambientales y situación de la instalación que puedan afectar el rendimiento del motor para vincular estos factores con el grado de protección (IP) más adecuado. El estudio aborda los métodos actuales de reciclaje empleados los gestores de Residuos de Aparatos Eléctricos y Electrónicos (RAEE), describiendo las fases de reciclaje y recuperación de metales, los tipos de instalaciones utilizadas, la maquinaria empleada, y los procedimientos de almacenamiento y gestión de residuos. También se detallan las Normativas que deben cumplir los gestores para asegurar una correcta manipulación de estos materiales. Para los cálculos teóricos, se han seleccionado motores de baja tensión y en potencias hasta los 75 kW, aunque el estudio práctico se ha centrado en un motor de 1,5 kW del laboratorio de la UPC EPSEVG. Los resultados obtenidos confirman el elevado potencial que representa el reciclaje de los metales principales para la fabricación de motores, que equivalen a un 98% del total de sus materiales. Esto demuestra que prácticamente todos los componentes de un motor pueden ser recuperados, lo que permite reintegrar estos materiales en un nuevos ciclos productivos, evitando así la extracción de recursos naturales, reduciendo el coste asociado. Finalmente, se llevó a cabo una evaluación del impacto ambiental empleando la metodología MEEUP (Methodology for the Eco-Desing of Energy Using Products), comparando dos motores, uno de ellos el motor del laboratorio. Los resultados subrayan la importancia de optimizar los diseños de fabricación para conseguir dispositivos más eficientes y con un menor impacto ambiental, lo que resalta la necesidad de avanzar hacia soluciones más sostenibles en el sector. Palabras claves (máximo 10): Motores de inducción Reciclaje Tratamiento Reutilización Impacto ambiental Cobre Aluminio Chapa magnética
Estudio de las posibilidades y acciones de reciclaje de motores asíncronos. Galán Hurtado Jorge Eddison 11 ABSTRACT Induction motors are the most widely used in a wide range of industrial applications, with millions of units manufactured to satisfy diverse applications worldwide. With the passage of time, many of these motors have reached the end of their life cycle, which has generated an increase in the accumulation of waste, causing a considerable environmental impact. Faced with this problem, a study has been carried out focused on the recycling possibilities of these engines and the necessary treatments to recover the metals used in their manufacture and to be able to reuse them. The first part of the study introduces a brief explanation of the operating principles of three-phase asynchronous induction motors, their use in different applications, and their construction. Additionally, the study examines how to correctly select a motor, taking into account key parameters such as speed control, torque, and starting methods. It also considers the standards set by the International Electrotechnical Commission (IEC), which are essential to ensuring the safety, reliability, and efficiency of these devices. Environmental conditions and the installation setup that might affect motor performance are reviewed to link these factors with the most appropriate degree of protection (IP). The study addresses the current recycling methods used by Waste Electrical and Electronic Equipment (WEEE) managers, detailing the recycling and metal recovery phases, the types of facilities used, the machinery involved, and the procedures for waste storage and management. It also outlines the regulations that managers must comply with to ensure proper handling of these materials. For theoretical calculations, for theoretical calculations, low voltage motors with powers up to 75 kW have been selected, although the practical study focused on a 1.5 kW motor from the UPC EPSEVG laboratory. The results confirm the high potential of recycling the main metals used in motor manufacturing, which account for 98% of the total materials. This demonstrates that nearly all motor components can be recovered, allowing these materials to be reintegrated into new production cycles, thus avoiding the extraction of natural resources, and reducing associated costs. Finally, an environmental impact assessment was carried out using the MEEUP methodology (Methodology for the Eco-Design of Energy Using Products), comparing two motors, one of which was the laboratory motor. The results highlight the importance of optimizing manufacturing designs to achieve more efficient devices with a lower environmental impact, underscoring the need to move towards more sustainable solutions in the sector. Keywords (10 maximum): Induction motors Recycling Treatment Reuse Environmental impact Copper Aluminum Magnetic sheet
Estudio de las posibilidades y acciones de reciclaje de motores asíncronos. Galán Hurtado Jorge Eddison 12 ÍNDICE 1. INTRODUCCIÓN ................................................................................................. 21 2. MOTORES ASÍNCRONOS .................................................................................. 22 2.1 Generalidades: Uso y Aplicaciones ................................................................... 22 2.2 Constitución ...................................................................................................... 25 2.3 Campo magnético giratorio ............................................................................... 28 2.4 Principio de funcionamiento............................................................................... 29 2.5 Parámetros de selección ................................................................................... 30 3. SITUACIÓN DEL RECICLAJE DE METALES EN ESPAÑA Y CATALUÑA. ........ 37 3.1 Reciclaje de metales ......................................................................................... 38 3.2 Fases del reciclaje y recuperación de metales .................................................. 43 3.2.1 Esquema General de un proceso de reciclaje ............................................. 44 3.2.2 Diseño de una instalación de reciclaje de metales ...................................... 44 3.2.3 Recepción de residuos................................................................................ 49 3.2.4 Clasificación de metales ............................................................................. 50 3.2.5 Tratamiento de los metales ......................................................................... 51 3.2.6 Separación en fracciones ............................................................................ 52 3.2.7 Almacenamiento de los residuos generados ............................................... 54 3.2.8 Gestión de residuos .................................................................................... 55 3.2.9 Aguas residuales ........................................................................................ 55 3.2.10 Documentación como gestor de residuos ................................................. 57 4. POTENCIAL DE RECICLAJE EN MOTORES DE INDUCCIÓN .......................... 57 4.1 Metales utilizados en la fabricación ................................................................... 58 4.2 Métodos de reciclaje de metales aplicables en los motores de inducción .......... 60 4.3 Empresas de España y Europa especializadas en reciclaje .............................. 63 4.4 Maquinaria implementada en instalaciones de reciclaje .................................... 65 5. CÁLCULO DE PESOS DE MATERIALES USADOS EN LA FABRICACIÓN DE LOS MOTORES DE INDUCCIÓN............................................................................... 71 6. IMPACTO AMBIENTAL ....................................................................................... 87 6.1 Ciclo de vida de un producto ............................................................................. 87 6.2 Metodología MEEUP ......................................................................................... 89 6.2.1 Análisis 1: motor de inducción trifásico 1,5 kW, 4 Polos, IE2. ...................... 89 6.2.2 Análisis 2: motor inducción trifásico del laboratorio. .................................... 96 6.2.3 Comparativa entre motores ....................................................................... 101 7. POTENCIAL DE RECICLAJE A PARTIR DE DATOS DE MERCADO DE LA UNIÓN EUROPEA .................................................................................................... 103 8. ASPECTOS ECONÓMICOS.............................................................................. 110 9. NORMATIVAS DE REFERENCIA ..................................................................... 111
Estudio de las posibilidades y acciones de reciclaje de motores asíncronos. Galán Hurtado Jorge Eddison 13 9.1 Normativa ISO 14001 .................................................................................. 111 9.2 Directiva de Residuos de Aparatos Eléctricos y Electrónicos ....................... 113 9.3 Reglamento REACH .................................................................................... 113 9.4 Directiva sobre restricción de sustancias peligrosas (RoHS) ....................... 113 9.5 Reglamento de Ecodiseño ........................................................................... 113 9.6 Reglamento (UE) Nº 333/2011 ..................................................................... 114 9.7 Legislación Nacional en España .................................................................. 114 9.8 Normativa ISO 9001 .................................................................................... 114 9.9 Normativa ISO 45001 .................................................................................. 114 9.10 Cumplimiento y Supervisión ....................................................................... 114 10. PRESUPUESTO ................................................................................................ 115 11. CONCLUSIONES .............................................................................................. 116 12. AGRADECIMIENTOS ........................................................................................ 116 13. BIBLIOGRAFÍA .................................................................................................. 117
Estudio de las posibilidades y acciones de reciclaje de motores asíncronos. Galán Hurtado Jorge Eddison 14 ÍNDICE DE FIGURAS Figura 1. Tipo de motores. Fuente: (Environment, 2017). ........................................... 22 Figura 2. Aplicaciones industriales. Fuente: (UNIDO, 11/2011). ................................. 23 Figura 3. Consumo energético industrial, por tipo de producto 2021. Fuente: (INE, 2021). ......................................................................................................................... 23 Figura 4. Consumo de energía eléctrica por sectores. ................................................ 24 Figura 5. Aplicaciones del motor asíncrono según su potencia. Fuente: (INE, 2021). . 25 Figura 6. Rotor bobinado y Estátor de un motor trifásico. Fuente: (ABB, 2013) .......... 26 Figura 7. Rotor de jaula de ardilla de un motor trifásico. ............................................. 26 Figura 8. Constitución de un motor asíncrono trifásico. Fuente: (ABB, 2013) ............. 27 Figura 9. Comprobación del campo magnético giratorio. ............................................ 28 Figura 10. Sistema trifásico de corrientes. Fuente: (Burgués, 2020). .......................... 30 Figura 11. Dimensiones constructivas de la carcasa. Fuente: (Ingenieria de Máquinas Eléctricas, 2020). ........................................................................................................ 31 Figura 12. Formas constructivas Norma IEC. Fuente: (Ingenieria de Máquinas Eléctricas, 2020). ........................................................................................................ 32 Figura 13. Grados de protección IP. Fuente: (Ingenieria de Máquinas Eléctricas, 2020). 32 Figura 14. Grados de protección IP. Fuente: (Ingenieria de Máquinas Eléctricas, 2020). 33 Figura 15. Tipos de diseño según norma. Fuente: (Ingenieria de Máquinas Eléctricas, 2020). ......................................................................................................................... 33 Figura 16. Curva Par-Velocidad para Tipos de Diseño. Fuente: (Ingenieria de Máquinas Eléctricas, 2020). ........................................................................................ 34 Figura 17. Arranque Estrella-Triángulo de un motor trifásico mediante arrancador manual. ....................................................................................................................... 34 Figura 18. Arranque de un motor trifásico mediante autotransformador. ..................... 35 Figura 19. Clases de aislamientos. Fuente: (Ingenieria de Máquinas Eléctricas, 2020). 36 Figura 20. Chatarra Férrica. Fuente: (Guía de buenas prácticas, 2010)...................... 39 Figura 21. Recortes de acero. Fuente: (Guía de buenas prácticas, 2010). ................. 39 Figura 22. Evolución 1995-2004 de la recuperación de envases de acero (datos en toneladas). Fuente: ECOACERO. ............................................................................... 40
Estudio de las posibilidades y acciones de reciclaje de motores asíncronos. Galán Hurtado Jorge Eddison 15 Figura 23. Evolución del porcentaje de reciclaje de envases de acero en EU15, años 1993-2005. Fuente: APEAL. ....................................................................................... 40 Figura 24. Residuos de plomo. Fuente: (Guía de buenas prácticas, 2010). ................ 41 Figura 25. Residuos de cobre. Fuente: (Guía de buenas prácticas, 2010). ................. 41 Figura 26. Residuos de latón y cobre. Fuente: (Guía de buenas prácticas, 2010). ..... 41 Figura 27. Consumo de aluminio por sectores, año 2005. Fuente: Arpal. ................... 42 Figura 28. Procedencia de las toneladas recuperadas de envases de aluminio, año 2008. Fuente: Arpal. ................................................................................................... 42 Figura 29. Recogida de Cobre. Fuente: (Guía de buenas prácticas, 2010). ................ 43 Figura 30. Recogida de Aluminio. Fuente: (Guía de buenas prácticas, 2010). ............ 43 Figura 31. Diagrama general del proceso de recuperación de metales. Fuente: (Guía de buenas prácticas, 2010). ........................................................................................ 44 Figura 32. Residuos para clasificar. Fuente: (Guía de buenas prácticas, 2010). ......... 46 Figura 33. Material prensado (cobre). Fuente: (Guía de buenas prácticas, 2010). ...... 46 Figura 34. Fragmentación. Fuente (Guía de buenas prácticas, 2010). ........................ 49 Figura 35. Almacenamiento de diferentes tipos de metales en su recepción, pendientes de clasificar. Fuente: (Guía de buenas prácticas, 2010). ............................................ 50 Figura 36. Clasificación del material. Fuente: (Guía de buenas prácticas, 2010). ....... 51 Figura 37. Material clasificado y empaquetado (aluminio). Fuente: (Guía de buenas prácticas, 2010). ......................................................................................................... 51 Figura 38. Máquina de fragmentación y resultado del proceso. Fuente: (Guía de buenas prácticas, 2010). ............................................................................................. 52 Figura 39. Material clasificado y fragmentado de cobre y aluminio. Fuente: (Guía de buenas prácticas, 2010). ............................................................................................. 52 Figura 40. Aguas residuales. Fuente: (Guía de buenas prácticas, 2010). ................... 55 Figura 41. Desarenador. Fuente: (Guía de buenas prácticas, 2010). .......................... 56 Figura 42. Separador de hidrocarburos. Fuente: (Guía de buenas prácticas, 2010). .. 56 Figura 43. Cuota de mercado de motores eléctricos en baja tensión. ......................... 57 Figura 44. Stock y consumo de energía eléctrica de los motores eléctricos por rangos de potencia. ................................................................................................................ 58 Figura 45. Partes principales en un motor de inducción trifásico (foto de un motor del laboratorio UPC EPSEVG de 1,5 kW). ........................................................................ 60 Figura 46. Proceso de desmontaje del estator para reciclaje de los metales. (cortesía
Estudio de las posibilidades y acciones de reciclaje de motores asíncronos. Galán Hurtado Jorge Eddison 16 de Taizhou Qida Environmental Protection Equipment Technology Co, Ltd.) ............. 61 Figura 47. Proceso de desmontaje del rotor del motor para reciclaje de los metales. (cortesía de Taizhou Qida Environmental Protection Equipment Technology Co, Ltd.) 62 Figura 48. Recicladora de doble plataforma. Fuente: (SOLID). ................................... 65 Figura 49. Separadores magnéticos. Fuente: (STEINERT)......................................... 66 Figura 50. Separadores. Fuente: (ERIEZ). .................................................................. 66 Figura 51. Separadores por Corrientes de Foucault. Fuente: (COGELME).. ............... 67 Figura 52. Separadores por Corrientes de Foucault. Fuente: (STEINERT). ................ 67 Figura 53. Separadores de aire. Fuente: (S, 2024). .................................................... 68 Figura 54. Separador de aire. Fuente: (COGELME). .................................................. 68 Figura 55. Trituradora industrial. Fuente: (FORREC). ................................................. 69 Figura 56. Triturador industrial. Fuente: (LINDNER). .................................................. 69 Figura 57. Granuladora. Fuente: (GUIDETTI). ............................................................ 70 Figura 58. Cribas vibratorias. Fuente: (ACTION). ....................................................... 70 Figura 59. Ficha técnica de un catálogo de motores asíncronos. Fuente: (Low voltage. Process performance motors, 2022). .......................................................................... 71 Figura 60. Resultados dimensionales de los motores. ................................................ 76 Figura 61. Esquema representativo de ranuras de un motor asíncrono. ..................... 76 Figura 62. Ratios peso/potencia de los materiales utilizados en el estator. ................. 86 Figura 63. Ratios peso/potencia de los materiales utilizados en el rotor. .................... 86 Figura 64. Ratios peso/potencia de los materiales utilizados en el estator, rotor y total. 87 Figura 65. Análisis de un ciclo de vida de un producto. Fuente: ITA ........................... 88 Figura 66. Evolución hacia el EcoDiseño y el ACV. Fuente: ITA ................................. 88 Figura 67. Listas de materiales para los motores IE2/EFF1 de las potencias de salida de referencia acordadas. Fuente. EUP Lot 11 Motors. ................................................ 90 Figura 68. volumen medio de productos envasados. Fuente. Tabla 5-1 EUP Lot 11 Motors. ....................................................................................................................... 91 Figura 69. Motor asíncrono 1,5 kW del laboratorio eléctrico UPC EPSEVG. ............... 96 Figura 70. Previsión del número de motores a retirar (en millones de unidades) en el periodo 2021-2030 por rango de potencias. .............................................................. 105
Estudio de las posibilidades y acciones de reciclaje de motores asíncronos. Galán Hurtado Jorge Eddison 23 Figura 2. Aplicaciones industriales. Fuente: (UNIDO, 11/2011). Los sectores de mayor actividad de consumo industrial fueron, la metalurgia, la industria alimentaria y la industria química. El consumo energético en España de la industria extractiva y manufacturera augmentó un 27% en 2021 respecto a 2019. El principal producto energético utilizado fue la electricidad, con un 62,4% del consumo total del sector industrial. (INE, 2021) Figura 3. Consumo energético industrial, por tipo de producto 2021. Fuente: (INE, 2021). Los resultados del instituto nacional de estadísticas nos muestran la importancia que debemos tener en la gestión de eficiencia y el impacto ambiental de los motores eléctricos en los distintos sectores, debido a que los motores eléctricos son los principales consumidores de energía eléctrica en el sector industrial. El consumo global de energía eléctrica se puede dividir en cuatro categorías principales: transporte, comercio, uso residencial y uso industrial. Los motores eléctricos y, por tanto, los motores de inducción mayoritariamente tienen una aportación principal, tal como se muestra en la Fig. 4.
Estudio de las posibilidades y acciones de reciclaje de motores asíncronos. Galán Hurtado Jorge Eddison 24 Figura 4. Consumo de energía eléctrica por sectores. En el ámbito comercial, su uso está destinado a aplicaciones electrónicas, electrodomésticos, calefacción, ventilación y aire acondicionado. En el ámbito industrial, se utilizan para alimentar bombas, compresores de aire, sistemas de refrigeración, procesos de manufactura de materiales, entre otros. En el sector del transporte, se utilizan principalmente en movilidad eléctrica, como por ejemplo motores de tracción en aplicaciones ferroviarias debido a su capacidad para proporcionar un par motor elevado. En la Fig. 5 se muestran las principales aplicaciones según el rango de potencia nominal de los motores.
Estudio de las posibilidades y acciones de reciclaje de motores asíncronos. Galán Hurtado Jorge Eddison 25 Figura 5. Aplicaciones del motor asíncrono según su potencia. Fuente: (INE, 2021). 2.2 Constitución Los motores de asíncronos de inducción se clasifican en: - Monofásicos. - De bobinado auxiliar. - De espira en cortocircuito. - Universal. - Trifásicos. - De rotor bobinado. - De rotor en cortocircuito (jaula de ardilla) En toda máquina eléctrica se pueden distinguir cuatro tipos de materiales constructivos: materiales activos magnéticos (hierro, acero) y materiales activos eléctricos (cobre, aluminio), materiales aislantes y materiales para la lubricación, ventilación y transmisión mecánica. Particularmente, los motores eléctricos están compuestos por partes fijas y partes móviles, así como por un circuito magnético y dos eléctricos, uno colocado en la parte fija (estator) y otro en la parte móvil (rotor). Las partes fundamentales de un motor: - Estator (y caja de bornes). - Rotor. - Entrehierro. - Otros componentes mecánicos.
Estudio de las posibilidades y acciones de reciclaje de motores asíncronos. Galán Hurtado Jorge Eddison 26 Estator de un motor trifásico Es la parte fija del motor. En él se alojan los devanados trifásicos distribuidos en ranuras a 120º a los cuales se conectará la red eléctrica. Es el elemento que recibe la energía eléctrica y crea el campo magnético. El desfase de los devanados dependerá del número de polos magnéticos de la máquina. Rotor de un motor trifásico Respecto al rotor, existen dos posibles configuraciones: - Rotor bobinado: es accesible desde conexiones exteriores. Los extremos de los devanados se encuentran conectados a anillos colectores montados sobre el propio eje del motor. La conexión eléctrica a través del ensamblaje rotativo se realiza mediante un colector de anillos y escobillas. Figura 6. Rotor bobinado y Estátor de un motor trifásico. Fuente: (ABB, 2013) - Rotor cortocircuitado: los conductores que forman el rotor se ubican en el interior de la jaula compuesta por barras longitudinales de aluminio o cobre, denominada jaula de ardilla, y sus extremos se encuentran cortocircuitados de manera que no resulta posible realizar conexiones eléctricas exteriores sobre el motor. La posición inclinada de sus ranuras mejora las propiedades de arranque y disminución de ruidos. Figura 7. Rotor de jaula de ardilla de un motor trifásico.
Estudio de las posibilidades y acciones de reciclaje de motores asíncronos. Galán Hurtado Jorge Eddison 27 Entrehierro Es el espacio de aire que separa el estátor del rotor y que permite que pueda existir movimiento. Debe ser lo más reducido posible. Caja de bornes Es el lugar donde se realizan las conexiones eléctricas para alimentar a los devanados del estátor. Los bornes disponibles dependerán del tipo de motor, de su configuración y de las características de funcionamiento de la máquina. En cualquier caso, siempre debe disponer de un borne para la conexión a tierra de las masas metálicas. Otros componentes mecánicos En este grupo podemos incluir a los siguientes componentes: - El eje. - Rodamientos. - Cojinetes. - Soportes. - Carcasa externa. - Ventilador. La carcasa del motor asíncrono Tiene como función principal proporcionar protección a las partes internas del motor contra el polvo, humedad, productos químicos, daños mecánicos y otros contaminantes. Las carcasas de los motores pueden ser de aluminio fundido a presión para potencias bajas y medias. Sin embargo, las carcasas de todo tipo de potencias también se fabrican en fundición gris y acero soldado. A la carcasa se fija una caja de bornes para conectar los extremos del bobinado del estator con la conexión eléctrica. Cuenta con unas aletas de refrigeración para disipar el calor al entorno. (EURODRIVE) Figura 8. Constitución de un motor asíncrono trifásico. Fuente: (ABB, 2013)
Estudio de las posibilidades y acciones de reciclaje de motores asíncronos. Galán Hurtado Jorge Eddison 28 2.3 Campo magnético giratorio El campo magnético generado por un bobinado trifásico alimentado por corriente alterna es de magnitud constante, pero giratorio y a la velocidad de sincronismo. Este fenómeno se puede verificar analizando las posiciones que ocupa la resultante del flujo, considerando los sentidos de la corriente que atraviesan los conductores en el bobinado. En el instante 0, la fase U tiene un valor nulo, la fase V presenta un valor negativo, por lo que la corriente fluye desde V2 hasta V1, y la fase W tiene un valor positivo, haciendo que la corriente circule desde W1 hasta W2. En el bobinado se forma una bobina ficticia a la que aplicando la regla del sacacorchos nos indica que, en este instante, la resultante del flujo se encuentra entre las ranuras 7 y 8. El signo positivo indica que la corriente entra en el plano, mientras que el signo negativo señala que sale del plano. El ciclo de la corriente se divide en seis partes iguales, pasando ahora al instante 1, donde vemos que la fase U tiene valor positivo, la fase V sigue teniendo valor negativo y la fase W tiene valor positivo. En este instante la resultante del flujo se sitúa entre las ranuras 9 y 10, lo que significa ha avanzado un sexto de la circunferencia en el tiempo transcurrido desde el instante 0 hasta el 1, que se corresponde con un sexto del periodo de la corriente. Si continuamos aplicando este análisis a los demás instantes, podemos observar que de uno a otro siempre avanza un sexto de vuelta, igual al tiempo que transcurre entre un instante y otro del periodo de la corriente, lo que indica que el flujo es giratorio y su velocidad coincide con la velocidad del sistema de corriente alterna. Figura 9. Comprobación del campo magnético giratorio.
Estudio de las posibilidades y acciones de reciclaje de motores asíncronos. Galán Hurtado Jorge Eddison 29 2.4 Principio de funcionamiento El funcionamiento del motor asíncrono de inducción se basa en la acción del flujo giratorio, generado en el circuito del estátor, sobre las corrientes inducidas por dicho flujo en el circuito del rotor. El bobinado del estátor, que está conectado a una red de corriente alterna trifásica, genera un campo magnético que corta las barras o bobinas del rotor, se induce una corriente en el rotor debido al fenómeno de inducción electromagnética (según la Ley de Faraday), generando fuerzas electromotrices. La interacción entre el flujo giratorio y las corrientes que circulan por los conductores del rotor genera fuerzas electrodinámicas en dichos conductores, lo que provoca que el rotor gire (según la Ley de Lenz). El resultado de la suma de todas estas fuerzas electrodinámicas que actúan sobre los conductores del rotor es el par motor, magnitud que describe la eficacia con la que el motor convierte la energía eléctrica en energía mecánica para producir movimiento rotatorio. Cálculo del par motor a partir de la potencia y velocidad: T=Pmec 𝜔 ( 1 ) T: Par motor (Nm) Pmec: Potencia mecánica (W) 𝜔: Velocidad angular del rotor (rad/s) 𝜔=2𝜋∙𝑛 60 ( 2 ) Sustituyendo en la fórmula del par motor: T=60∙Pmec 2𝜋∙𝑛 ( 3 ) La velocidad de rotación del rotor en los motores asíncronos de inducción es siempre inferior a la velocidad de sincronismo (velocidad del flujo giratorio). La diferencia entre la velocidad del flujo giratorio y del rotor se llama deslizamiento. El deslizamiento se define por la expresión: S=ns−n ns n=ns(1−S) ( 4 ) 𝑆: Deslizamiento n: Velocidad del rotor (rpm) ns: Velocidad del campo magnético giratorio o velocidad síncrona (rpm)
Estudio de las posibilidades y acciones de reciclaje de motores asíncronos. Galán Hurtado Jorge Eddison 30 La velocidad síncrona del campo magnético dependerá de la frecuencia de la corriente y del número de polos del motor. La velocidad de sincronismo de los motores eléctricos de corriente alterna viene definida por la expresión: ns=60·f p ( 5 ) ns: Velocidad de sincronismo (rpm) f: Frecuencia de la red (Hz) p: Número de pares de polos de la máquina Gracias a los avances de la electrónica de potencia, actualmente se fabrican inversores electrónicos que pueden regular la velocidad de estos motores actuando sobre la frecuencia de la alimentación del motor, es decir, convierte la frecuencia industrial de la red en una distinta que se aplica al motor. De ahí que reciban el nombre de variadores de frecuencia, pudiendo regular la velocidad, amortiguar el arranque e incluso frenarlo. Figura 10. Sistema trifásico de corrientes. Fuente: (Burgués, 2020). 2.5 Parámetros de selección Al seleccionar un motor eléctrico, es necesario tener en cuenta los siguientes factores: control de velocidad y par. La potencia y la velocidad nominal deben coincidir con la carga y los requisitos operativos. Es esencial considerar el par motor, recomendar la elección de motores de eficiencia energética, como los clasificados IE1, IE2 o IE3 (Según la Norma IEC), y que sean compatibles con la tensión de alimentación. Además, el motor debe ser adecuado para las condiciones ambientales, como la temperatura, humedad, clasificación IP, y tipo de montaje necesario. También es importante tener en cuenta el método de arranque, evaluar los costos de mantenimiento y el cumplimiento de las normativas de seguridad para garantizar un funcionamiento eficiente y confiable. (Ingenieria de Máquinas Eléctricas, 2020). Uno de los motores eléctricos más comunes es el motor de jaula de ardilla, debido a varias ventajas: bajo costo, mínimo mantenimiento, fácil disponibilidad, alto grado de protección, pocos elementos y su robustez.
Estudio de las posibilidades y acciones de reciclaje de motores asíncronos. Galán Hurtado Jorge Eddison 31 Por otra parte, al no generar chispas internas, es apto para su instalación en industrias con ambientes de riesgo de incendio y explosión. Asimismo, con el avance de la electrónica de potencia, hoy en día es el motor más eficiente para aplicaciones que requieren control de velocidad. Las Normas Existen dos normas bajo las cuales se fabrican los motores: - IEC Comisión Electrónica Internacional que es acogida por la gran mayoría de países y especialmente los europeos. - NEMA Asociación Nacional de Fabricantes de Equipos Eléctricos. Es una norma nacional de Estados Unidos, pero es común en muchos países. La Norma bajo las cuales se fabrican los motores en Europa es: IEC Comisión Electrotécnica Internacional, es la organización de normalización líder en el mundo que desarrolla y publica estándares internacionales para todas las tecnologías eléctricas, electrónicas y relacionadas, dicha norma es adoptada por la gran mayoría de países. La norma IEC son documentos técnicos que ayudan a diseñadores y fabricantes a garantizar la seguridad, fiabilidad y eficiencia de los dispositivos. Contiene una descripción técnica de las características que un aparato debería contener o cumplir para que sea seguro, no afecte a las personas, el ambiente y funcione como se espera. Forma constructiva Norma IEC Las descripciones constructivas que deben incluir en un motor son: - Dimensiones en milímetros - Potencia en HP, CV o KW - Número de tamaño o carcasa indica todas las dimensiones del motor - Letras del tamaño o carcasa indica el largo del rotor - El resto de las características se especifican por separado Figura 11. Dimensiones constructivas de la carcasa. Fuente: (Ingenieria de Máquinas Eléctricas, 2020). Las formas constructivas están normalizadas e indican la manera como irá instalado el motor.
Estudio de las posibilidades y acciones de reciclaje de motores asíncronos. Galán Hurtado Jorge Eddison 32 Figura 12. Formas constructivas Norma IEC. Fuente: (Ingenieria de Máquinas Eléctricas, 2020). El lugar de instalación De acuerdo con las normativas vigentes, todos los motores están diseñados para funcionar en un entorno con temperaturas no superior a los 40ºC y en una altitud no superior a los 1000 metros sobre el nivel del mar. Las condiciones de Instalación Según la norma IEC, se debe tener en cuenta las condiciones ambientales específicas al seleccionar un motor, tales como la contaminación, la presencia de agentes químicos, y si la instalación se realizará en un entorno abierto o cerrado, etc. Para garantizar una adecuada selección del motor, es fundamental conocer su grado de protección mecánica IP, conforme a la norma IEC. El grado de protección IP (Internal Protection) clasifica el nivel de protección de un dispositivo eléctrico contra la entrada de sólidos y líquidos. Se indica con un código de dos números: el primer número indica la protección contra sólidos (de 0 a 6), y el segundo número indica la protección contra líquidos (de 0 a 8). Este código es esencial para elegir el equipo adecuado para diferentes entornos operativos. Figura 13. Grados de protección IP. Fuente: (Ingenieria de Máquinas Eléctricas, 2020).
Estudio de las posibilidades y acciones de reciclaje de motores asíncronos. Galán Hurtado Jorge Eddison 39 Residuos férricos Los residuos férricos son los más importantes en cuanto a cantidad reciclada, destacando especialmente los compuestos de hierro, como el acero y la fundición. Los compuestos de acero, que contienen menos del 2% de carbono, son valorados por su resistencia, dureza y ductilidad, y son ampliamente utilizados en la siderurgia para crear aleaciones. Por otro lado, los compuestos de fundición, con un contenido de carbono entre el 2% y el 6%, presentan mayor fragilidad y menor resistencia, pero son útiles en aplicaciones como motores y soportes. Además, la segregación de estos residuos es relativamente fácil. Figura 20. Chatarra Férrica. Fuente: (Guía de buenas prácticas, 2010). Reciclaje del acero El acero es el material más reciclado a nivel mundial, superando a otros como el aluminio, plástico y vidrio. Las principales fuentes de chatarra de acero provienen de envases, automóviles, electrodomésticos y estructuras, entre otros. El acero puede reciclarse indefinidamente con una mínima pérdida de calidad. El reciclaje de una tonelada de acero ahorra 1,5 toneladas de mineral de hierro y 500 kg de carbón, además de reducir el consumo de energía y agua. Según la Agencia de Protección Medioambiental de Estados Unidos (EPA), reciclar electrodomésticos de acero conlleva grandes ahorros en energía, materias primas y emisiones contaminantes. La efectividad del reciclaje depende de varios factores, como el proceso de recuperación y la eficiencia en la recolección. Figura 21. Recortes de acero. Fuente: (Guía de buenas prácticas, 2010). En 2004, España recicló el 63,6% de los envases de acero usados, lo que equivale a 195.640 toneladas de residuos de envases de acero doméstico, según el Instituto Nacional de Estadística y ECOACERO. En los últimos años, el reciclaje de estos residuos ha mostrado una tendencia al alza, destacando Cataluña como la región que más toneladas recupera.
Estudio de las posibilidades y acciones de reciclaje de motores asíncronos. Galán Hurtado Jorge Eddison 40 Tabla 6. Evolución 1995-2004 de la recuperación de envases de acero (datos en toneladas). Fuente: ECOACERO. 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 CATALUÑA 18.145 20.222 20.652 19.426 16.821 18.773 22.023 29.546 35.249 37.315 ESPAÑA 46.994 54.952 72.218 73.941 76.228 88.494 120.586 138.349 171.941 195.640 Figura 22. Evolución 1995-2004 de la recuperación de envases de acero (datos en toneladas). Fuente: ECOACERO. En el año 2005, el reciclaje de envases de acero en la Unión Europea alcanzó el 66% del total, impulsado por la normativa ambiental y los objetivos de reciclaje de la Directiva 2004/12/CE, que establece un mínimo del 50% para metales. Este porcentaje representa el reciclaje de más de 2,5 millones de latas y envases de acero, lo que permitió ahorrar 4,7 millones de toneladas de CO2, equivalentes a las emisiones de 2 millones de coches recorriendo 15.000 kilómetros al año. Figura 23. Evolución del porcentaje de reciclaje de envases de acero en EU15, años 1993-2005. Fuente: APEAL. 0 20.000 40.000 60.000 80.000 100.000 120.000 140.000 160.000 180.000 200.000 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 CATALUÑA ESPAÑA 0 10 20 30 40 50 60 70 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 % Reciclado
Estudio de las posibilidades y acciones de reciclaje de motores asíncronos. Galán Hurtado Jorge Eddison 41 Residuos no férricos Los residuos de metales no férricos abarcan una amplia variedad de materiales de alto valor económico, siendo el aluminio el más recuperado. Su reciclaje permite un considerable ahorro de energía y materias primas, además de conservar la mayoría de sus propiedades, lo que permite reciclarlo de forma indefinida. Figura 24. Residuos de plomo. Fuente: (Guía de buenas prácticas, 2010). Figura 25. Residuos de cobre. Fuente: (Guía de buenas prácticas, 2010). Figura 26. Residuos de latón y cobre. Fuente: (Guía de buenas prácticas, 2010). Reciclaje del aluminio Junto con el acero, el aluminio es uno de los metales más reciclados. A medida que se recicla más veces, el consumo energético por kilogramo disminuye, pasando de 15 kWh/kg la primera vez, a 4 kWh/kg la cuarta, y a 2 kWh/kg en la décima ocasión. La mayor parte del aluminio reciclado proviene de envases y se reutiliza en fundiciones como materia prima. Su principal consumo se da en el sector del transporte.
Estudio de las posibilidades y acciones de reciclaje de motores asíncronos. Galán Hurtado Jorge Eddison 42 Tabla 7. Consumo de aluminio por sectores, año 2005. Fuente: Arpal. Edificación Industria en general Transporte Varios Envases Uso doméstico Electricidad 25% 9% 24% 11% 16% 5% 10% Figura 27. Consumo de aluminio por sectores, año 2005. Fuente: Arpal. En el año 2008, España recuperó 13.393 toneladas de envases de aluminio. Esta cantidad proviene de la recopilación de datos de Ecoembes sobre el aluminio recogido en plantas de selección, recogidas complementarias, y estimaciones de Arpal (Asociación para el Reciclado de Productos de Aluminio) basadas en recuperadores tradicionales y plantas de escorias de incineración. Las toneladas de envases de aluminio recuperadas en España provienen de diversas fuentes, siendo las latas la más significativa, representando casi el 75% del total. El desglose de estas toneladas incluye varias categorías de envases de aluminio. Tabla 8. Procedencia de las toneladas recuperadas de envases de aluminio, año 2008. Fuente: Arpal. Latas Aerosoles Conservas Semirrígidos Cápsulas 75% 6% 6% 5% 8% Figura 28. Procedencia de las toneladas recuperadas de envases de aluminio, año 2008. Fuente: Arpal. 25% 9% 24% 11% 16% 5% 10% Edificación Industria en general Transporte Varios Envases 75% 6% 6% 5% 8% Latas Aerosoles Conservas Semirrígidos Cápsulas
Estudio de las posibilidades y acciones de reciclaje de motores asíncronos. Galán Hurtado Jorge Eddison 43 El 100% del aluminio recuperado puede ser reciclado indefinidamente, lo que permite ahorrar un 95% de la energía necesaria para producirlo a partir del mineral. Reciclar una tonelada de aluminio ahorra 8 toneladas de bauxita, 4 toneladas de productos químicos y 14 kWh de electricidad. Por ejemplo, reciclar una sola lata de aluminio supone un ahorro de energía suficiente para mantener un televisor encendido durante una hora. La comunidad autónoma que tiene una ratio más importante de recuperación de envases de aluminio es Cataluña, con 1.117 t / año (2008), que representan el 24,2%, respecto al resto del Estado español. 3.2 Fases del reciclaje y recuperación de metales El reciclaje de metales implica un proceso de valorización en el que los residuos metálicos son recibidos en la empresa gestora. Allí se clasifican y separan según su tipo, luego se prensan o recortan hasta alcanzar un tamaño específico antes de enviarse a las fundiciones. En algunos casos, las fundiciones también gestionan estos residuos. Alternativamente, los metales pueden ser procesados en fragmentadoras, que separan los materiales metálicos, tanto férricos como no férricos, de los no metálicos, conocidos como inertes. La fragmentación se adapta según el tipo de residuos que se maneja. Los residuos para reciclaje provienen de pequeños talleres, industrias y otros gestores. Las instalaciones de reciclaje de metales suelen tener áreas para la recepción y almacenamiento de metales, clasificación, prensado o recorte, y almacenamiento de metales procesados, así como zonas para la fragmentación si se utiliza ese proceso. Figura 29. Recogida de Cobre. Fuente: (Guía de buenas prácticas, 2010). Figura 30. Recogida de Aluminio. Fuente: (Guía de buenas prácticas, 2010).
Estudio de las posibilidades y acciones de reciclaje de motores asíncronos. Galán Hurtado Jorge Eddison 44 3.2.1 Esquema General de un proceso de reciclaje En la figura 32. se representa un esquema general de los procesos de reciclaje de metales, en el que se diferencian dos tipos de procedimientos. Por un lado, se ilustran las etapas del reciclaje en instalaciones sin fragmentación, y por otro, se describen las fases correspondientes al reciclaje en instalaciones que sí incorporan procesos de fragmentación. Figura 31. Diagrama general del proceso de recuperación de metales. Fuente: (Guía de buenas prácticas, 2010). 3.2.2 Diseño de una instalación de reciclaje de metales En las instalaciones de valorización de metales, ya sea con fragmentación o sin ella, surgen varios aspectos ambientales para tener en cuenta. Estos incluyen la naturaleza y cantidad de residuos generados, la posible producción de aguas residuales contaminadas y la generación de ruido. El lugar donde se realiza el reciclaje debe estar claramente delimitado, y el tipo de valla perimetral se determina según las normativas locales del ayuntamiento. Para minimizar los impactos ambientales, las diferentes áreas de la instalación deben cumplir con las especificaciones establecidas en el proyecto autorizado. Instalaciones sin fragmentación El reciclaje de metales sin fragmentación es un proceso en el que los metales se reutilizan o procesan sin necesidad de romperlos en piezas más pequeñas. Este enfoque se basa en técnicas como la reutilización directa, donde piezas metálicas se reparan o reacondicionan para volver a usarse, y el desmantelamiento, que permite extraer componentes metálicos enteros de productos obsoletos para su reaprovechamiento.
Estudio de las posibilidades y acciones de reciclaje de motores asíncronos. Galán Hurtado Jorge Eddison 45 Otro método común es la fundición directa, en la que los metales se derriten sin necesidad de fragmentarlos previamente, especialmente si están en un estado limpio. También se utilizan técnicas de clasificación magnética o por densidad para separar los metales según su tipo sin descomponerlos. Además, en algunos casos se recurre a la descontaminación química o térmica para limpiar los metales antes de su reciclaje. Estos métodos presentan varias ventajas, como el ahorro energético, la reducción de emisiones y la preservación de las propiedades estructurales de los metales, lo que los convierte en alternativas más sostenibles y eficientes en ciertos contextos. Tabla 9. Diseño de una planta de recuperación de metales sin fragmentación, por zonas. ZONA ACTIVIDAD DISEÑO Recepción/Inspección > Llegada de los residuos > Inspección de la carga > Pesada y descarga > Entrada de los datos del residuo > Suelo pavimentado e impermeabilizado > Recogida de derrames y de aguas pluviales > Tratamiento de las aguas Almacenamiento metales para reciclar > Primera clasificación manual > Descarga en las zonas adecuadas > Suelo pavimentado e impermeabilizado > Recogida de derrames y de aguas pluviales > Tratamiento de las aguas > Retirada y almacenamiento bajo cubierto de los elementos peligrosos Clasificación > Separación de metales por tipologías > Instalación de separación de metales férreos y no férreos (cintas transportadoras, vibrador, imanes…) > Preferiblemente instalación de atenuación del ruido Prensado o cizallado > Prensado del metal y cizallado > Suelo pavimentado e impermeabilizado > Red de alcantarillado para las aguas pluviales y de proceso > Preferiblemente instalación de atenuación del ruido Almacenamiento de metal prensado o cizallado > Ubicación de los metales una vez ha finalizado el proceso > Suelo pavimentado e impermeabilizado > Red de alcantarillado para las aguas pluviales y de proceso > Tratamiento de las aguas de atenuación del ruido
Estudio de las posibilidades y acciones de reciclaje de motores asíncronos. Galán Hurtado Jorge Eddison 46 Almacenamiento de residuos > Almacenamiento de los residuos retirados en las operaciones anteriores Residuos peligrosos > Suelo pavimentado y a cubierto > Cada residuo por separado > Los líquidos en recipientes estancos y bandejas de retención > Las baterías en contenedores específicos > Etiquetados según la normativa > Tiempo máximo de almacenamiento: 6 meses Residuos no peligrosos > Cada residuo por separado y ordenado > Se recomienda no acumular estos residuos y realizar una gestión ágil > Tiempo de almacenamiento: inferior a 2 años (cuando el destino final sea la valorización) e inferior a 1 año (cuando el destino final sea la eliminación) Figura 32. Residuos para clasificar. Fuente: (Guía de buenas prácticas, 2010). Figura 33. Material prensado (cobre). Fuente: (Guía de buenas prácticas, 2010).
Estudio de las posibilidades y acciones de reciclaje de motores asíncronos. Galán Hurtado Jorge Eddison 47 Instalaciones con fragmentación La fragmentación de metales es un proceso industrial clave que consiste en descomponer metales en piezas más pequeñas para facilitar su posterior tratamiento, manipulación o reciclaje. Este procedimiento es fundamental en diversas áreas, como el reciclaje, la manufactura y el procesamiento de residuos metálicos, ya que permite optimizar el manejo de materiales, reducir costos y fomentar la sostenibilidad mediante la reutilización de los recursos. Existen diversos métodos de fragmentación, entre los que destacan el cizallado mecánico, la trituración y la fragmentación mediante impacto. Cada uno de estos métodos se utiliza en función del tipo de metal y el objetivo final del proceso. Por ejemplo, en el reciclaje, la fragmentación facilita la separación de materiales ferrosos y no ferrosos, permitiendo una mejor clasificación y posterior tratamiento. Además, la fragmentación contribuye a la reducción del tamaño de los metales para su transporte y almacenamiento, y también puede mejorar la eficiencia en procesos de fusión y producción de nuevos productos. En el ámbito de la sostenibilidad, este proceso es fundamental, ya que fomenta una economía circular al reducir la extracción de materias primas y minimizar el impacto ambiental. Tabla 10. Diseño de una planta de recuperación de metales con fragmentación, por zonas. ZONA ACTIVIDAD DISEÑO Recepción/Inspección > Llegada de los residuos para fragmentar > Inspección de la carga > Entrada de los datos de los residuos para fragmentar > Suelo pavimentado y impermeabilizado > Recogida de derrames y de aguas pluviales > Tratamiento de las aguas Almacenamiento metales para fragmentar > Primera clasificación manual > Descarga en las zonas adecuadas > Suelo pavimentado y impermeabilizado > Recogida de derrames y de aguas pluviales > Tratamiento de las aguas > Retirada y almacenamiento bajo cubierto de los elementos peligrosos Fragmentación > Fragmentación de las piezas > Elementos de aspiración (ciclones, etc.) > Elementos de prevención de riesgos laborales (ruido, explosiones, etc.) prevención de incendios > Circuito cerrado de lavado de gases > Recogida de derrames y de aguas pluviales y de proceso > Tratamiento de las aguas
Estudio de las posibilidades y acciones de reciclaje de motores asíncronos. Galán Hurtado Jorge Eddison 48 Clasificación > Aspiración, separación para imanes, granulometría o flotación > Instalación de separación de metales férreos y no férreos (cinta transportadora, vibrador, imanes…) > Instalación de separación granulometría de no férreos > Instalación de separación por flotación > Instalación de separación por inducción electromagnética > Preferiblemente instalación de atenuación de ruido Almacenamiento de metales prensados > Ubicación de la chatarra una vez ha finalizado el proceso > Suelo pavimentado e impermeabilizado > Red de alcantarillado para las aguas pluviales y de proceso > Tratamiento de las aguas de atenuación del ruido Almacenamiento de residuos > Almacenamiento de los residuos retirados en las operaciones anteriores Residuos peligrosos > Suelo pavimentado y a cubierto > Cada residuo por separado > Los líquidos en recipientes estancos y bandejas de retención > Las baterías en contenedores específicos > Etiquetados > Tiempo máximo de almacenamiento: 6 meses Residuos no peligrosos > Cada residuo por separado y ordenado > Se recomienda no acumular estos residuos y realizar una gestión ágil > Tiempo de almacenamiento: inferior a 2 años (cuando el destino final sea la valorización) e inferior a 1 año (cuando el destino final sea la eliminación)
Estudio de las posibilidades y acciones de reciclaje de motores asíncronos. Galán Hurtado Jorge Eddison 55 3.2.8 Gestión de residuos Para gestionar correctamente los residuos generados en las instalaciones, es fundamental almacenarlos adecuadamente y entregarlos a un gestor de residuos autorizado. Los gestores autorizados en Cataluña pueden consultarse en la web de la Agencia de Residuos de Cataluña. El transporte de los residuos debe realizarse por un transportista autorizado, inscrito en el Registro de Transportistas de Residuos de Cataluña. Aspectos que considerar para los transportistas de residuos: • Contar con la autorización correspondiente. • Transportar los residuos al gestor designado por el productor. • Si los residuos no son aceptados en destino, deben retornar al origen. • Los vehículos autorizados deben llevar el certificado de autorización y distintivo visible. • Llevar la documentación de gestión y cumplir con las normativas aplicables (ADR, tarjeta de transporte, etc.). Los residuos se gestionarán según indica la normativa medioambiental, considerando si se trata de residuos peligrosos o no. 3.2.9 Aguas residuales Las aguas residuales generadas en las instalaciones deben cumplir con los límites establecidos por la licencia o autorización ambiental. En las plantas de reciclaje de metales y fragmentadoras, se requiere la instalación de desarenadores y separadores de hidrocarburos en los puntos donde las aguas puedan contener contaminantes. Estos equipos deben ubicarse antes del punto de vertido. Figura 40. Aguas residuales. Fuente: (Guía de buenas prácticas, 2010).
Estudio de las posibilidades y acciones de reciclaje de motores asíncronos. Galán Hurtado Jorge Eddison 56 Desarenador El desarenador es un dispositivo diseñado para eliminar las partículas más pesadas del agua. En las fragmentadoras, esto incluye las pequeñas piezas o partículas generadas durante el proceso de fragmentación, así como la arena arrastrada desde el suelo. Existen tres tipos principales de desarenadores: de flujo horizontal, vertical e inducido. Para las fragmentadoras, las más comunes son las de flujo horizontal, que funcionan ampliando la canalización del agua residual, reduciendo su velocidad y permitiendo que las partículas se decanten. La limpieza es manual y los residuos retenidos se gestionan adecuadamente. Figura 41. Desarenador. Fuente: (Guía de buenas prácticas, 2010). Separador de hidrocarburos Un separador de hidrocarburos es un sistema diseñado para retener hidrocarburos, aceites, grasas minerales y otras sustancias flotantes presentes en las aguas, utilizando las diferencias de peso entre estos compuestos. Generalmente, es una unidad compacta y enterrada. El proceso comienza cuando el agua residual pasa por la sección de desarenado, donde se depositan los sólidos arrastrados. Luego, el agua fluye a través del grupo coalescente, que separa las partículas de hidrocarburos, que flotan en la superficie, mientras que el agua libre de aceites y grasas es expulsada. Figura 42. Separador de hidrocarburos. Fuente: (Guía de buenas prácticas, 2010).
Estudio de las posibilidades y acciones de reciclaje de motores asíncronos. Galán Hurtado Jorge Eddison 57 3.2.10 Documentación como gestor de residuos Una empresa de valorización de metales es una entidad de gestión de residuos que cuenta con la autorización ambiental correspondiente y está inscrita en el Registro de Gestores de la administración competente. Debe contar con la siguiente documentación: • Libro de registro de entradas: Detalla la fecha de entrada del residuo, su origen, descripción, cantidad y el transportista. • Declaración anual de residuos para gestores (DARIG): Sustituye la declaración anual de productores y los informes mensuales de entradas y salidas de residuos, cumpliendo con el Decreto 93/1999. • Libro de registro de salidas: Registra la tipología, cantidad, gestor, transportista y fecha de salida de los residuos generados. 4. POTENCIAL DE RECICLAJE EN MOTORES DE INDUCCIÓN La cuota de mercado de motores eléctricos en baja tensión, en el intervalo entre 2010 y 2017, se presenta en la Fig. 43, donde puede observarse que los motores de inducción, de forma conjunta con las diferentes clases de eficiencia (de IE1 A IE4), representan prácticamente el 90% del total de motores utilizados. En consecuencia, cuando se dañan y no se reciclan, son depositados en vertederos. Por eso, se debe tener en cuenta la importancia de gestionar el reciclaje de motores eléctricos, para con ello, reducir los desperdicios sólidos y la contaminación en general. (Standards for Efficiency of Electric Motors., 2011) (Environment, 2017) Figura 43. Cuota de mercado de motores eléctricos en baja tensión. Por potencias, el stock de motores instalados actualmente de forma mayoritaria está en el rango de las potencias más pequeñas (casi el 90% en potencias hasta 750 W), aunque el consumo de energía eléctrica asociada a su uso es debido a los motores de potencias intermedias (el 68% en potencias entre 750 W y 375 kW), tal como se observa en la Fig. 44. (Electric Motor Sales Market Size , y otros, 2021-2028).
Estudio de las posibilidades y acciones de reciclaje de motores asíncronos. Galán Hurtado Jorge Eddison 58 Figura 44. Stock y consumo de energía eléctrica de los motores eléctricos por rangos de potencia. Se estima conveniente centrar el estudio del potencial y de las posibilidades de reciclaje en motores eléctricos de inducción trifásicos, destacando aquellos de baja tensión y potencias hasta 1000 kW, donde se concentra el mayor volumen de reciclaje posible. 4.1 Metales utilizados en la fabricación Un aspecto clave en la fabricación de estos motores es la selección adecuada de materiales, en particular los metales, que juegan un papel crucial en su rendimiento y longevidad. El estudio realizado se centra únicamente en el potencial de reciclaje de los principales metales utilizados, que representan aproximadamente el 98% del total de materiales que contiene un motor. (EUP Lot 11 Motors, 2008) (L.Rainer, 2016) A continuación, se detallan los metales más comúnmente empleados y su rol en la construcción de estos motores: Cobre El cobre es uno de los materiales más importantes en la fabricación de motores de inducción, especialmente en: Bobinas del estátor: hilo esmaltado o pletina de cobre. Bobinas del rotor: hilo esmaltado de cobre (en motores de elevada eficiencia de rotor bobinado) Sus propiedades de alta conductividad eléctrica permiten una mayor eficiencia en la transmisión de corriente, reduce las pérdidas de energía por resistencia (efecto Joule), aportando un mejor rendimiento del motor y un menor consumo energético. Este metal facilita el flujo de corriente alterna, que es crucial para la creación del campo magnético que genera el movimiento del rotor. Su durabilidad y capacidad para soportar las altas temperaturas que se producen en el motor lo hacen especialmente adecuado para esta aplicación.
Estudio de las posibilidades y acciones de reciclaje de motores asíncronos. Galán Hurtado Jorge Eddison 59 Además, a pesar de su coste elevado, el cobre es altamente reciclable, lo que no solo contribuye a reducir los costos de producción en motores nuevos, sino que también promueve prácticas más sostenibles dentro de la industria. Aluminio Generalmente el aluminio se emplea para la fabricación de: Carcasa del estator: se fabrican de aluminio o de hierro fundido. El aluminio tiene la ventaja de ser más económico y considerablemente más ligero. Esto reduce el peso total del motor y puede mejorar la eficiencia en aplicaciones donde el peso es un factor clave. Bobinas del rotor: se fabrican de aluminio, particularmente en los motores con rotor en jaula de ardilla. El aluminio también ofrece buena resistencia a la corrosión, lo que es un factor importante para motores que operan en ambientes industriales donde pueden estar expuestos a humedad o agentes corrosivos. Acero El acero se utiliza principalmente en la fabricación de: La carcasa del motor El eje del motor Las láminas del estator y rotor En particular, el acero laminado al silicio es empleado en las láminas del estator y el rotor debido a sus propiedades magnéticas. El acero al silicio es crucial para mejorar la eficiencia del motor al reducir las pérdidas por corrientes parásitas (también llamadas pérdidas por Foucault). La inclusión de silicio en el acero aumenta la resistividad del material, reduciendo las pérdidas de energía por la generación de calor y mejorando la capacidad del motor para mantener un flujo magnético eficiente. En la carcasa y el eje, se emplean diferentes tipos de acero de alta resistencia para proporcionar la robustez estructural necesaria, garantizando que el motor pueda soportar las tensiones mecánicas y térmicas generadas durante el funcionamiento prolongado. Chapa ferromagnética Las chapas ferromagnéticas son láminas delgadas de hierro al silicio que se ensamblan para formar: El núcleo del estator El núcleo del rotor Estas láminas se apilan de manera que el flujo magnético inducido por las corrientes trifásicas genere el campo electromagnético necesario para el funcionamiento del motor. La elección de la chapa ferromagnética laminada permite una mejor eficiencia magnética al reducir las pérdidas por histéresis y las corrientes parásitas, optimizando el rendimiento energético del motor. La laminación de las chapas también es esencial para evitar la formación de circuitos cerrados de corrientes inducidas que incrementarían
Estudio de las posibilidades y acciones de reciclaje de motores asíncronos. Galán Hurtado Jorge Eddison 60 las pérdidas de energía en el núcleo. Otros materiales metálicos En menor medida, otros metales como el zinc y el estaño se utilizan en procesos de recubrimiento o aleación para mejorar ciertas propiedades de las piezas metálicas. Por ejemplo, el zinc se usa para proteger ciertas partes metálicas del motor frente a la corrosión a través de un proceso de galvanización, mientras que el estaño puede emplearse en algunas soldaduras o conexiones eléctricas. Figura 45. Partes principales en un motor de inducción trifásico (foto de un motor del laboratorio UPC EPSEVG de 1,5 kW). Al final del ciclo de vida del motor, metales como el cobre, el acero y el aluminio pueden reciclarse casi de forma completa y muchas veces. En el caso de los núcleos de material ferromagnético, al tratarse generalmente de aleaciones de hierro con un porcentaje de silicio alrededor del 3% complica más sus posibilidades de reciclaje. Como la energía requerida para la reutilización de metales a partir del desguace de estos motores es considerablemente menor que la energía necesaria para su obtención a partir de las fuentes originales (minerales y concentrados), resulta de gran interés tanto desde el punto de vista económico como medioambiental recuperar y reutilizar estos metales. (Life Cycle Analysis on the Design of Induction Motors., 2011) 4.2 Métodos de reciclaje de metales aplicables en los motores de inducción El reciclaje efectivo dependerá de la separación de alta calidad de las diferentes fracciones de material que pueda logarse, siendo necesario en ocasiones aplicar la combinación de diferentes técnicas. Básicamente, los métodos utilizados para el reciclaje de máquinas eléctricas son desmontar y triturar. (L.Rainer, 2016) Desmontaje del motor stator cage stator winding stator core rotor axis rotor winding rotor core
Estudio de las posibilidades y acciones de reciclaje de motores asíncronos. Galán Hurtado Jorge Eddison 61 El proceso de separación de los metales que conforman el estator del motor puede realizarse de forma relativamente sencilla mediante maquinaria específica, Fig. 5. Generalmente, las piezas exteriores y los accesorios se pueden quitar y dejarse a un lado (5a). Esto permite trabajar con la carcasa externa del estator del motor. Se procede a la separación y extracción de la carcasa exterior mediante presión ejercida por un aparato de división, cortándose la carcasa de aluminio o de hierro fundido por los lados opuestos para ser separada del núcleo del estator (5b). Posteriormente el núcleo se parte en dos piezas iguales (5c). Al abrirlas, las bobinas de cobre quedan expuestas y listas para su separación. A continuación, se retira el cableado de cobre del núcleo ferromagnético mediante un sistema hidráulico. Los dientes de la máquina agarran el devanado y las varillas, y el accionamiento hidráulico empuja la carcasa, dejando el cableado de cobre completamente expuesto y suelto (5d). Después del desmontaje de las diferentes partes, en ocasiones algunas pueden reutilizarse directamente, aunque en el caso de los metales, generalmente deben volver a fundirse como la misma materia prima. Figura 46. Proceso de desmontaje del estator para reciclaje de los metales. (cortesía de Taizhou Qida Environmental Protection Equipment Technology Co, Ltd.) En el caso del rotor, si el motor es de rotor bobinado, se procede igual que en el estator. Para los motores con el bobinado de jaula de ardilla, usado mayoritariamente, resulta de mucha mayor complejidad su reciclaje debido a la inyección del aluminio dentro de las ranuras del núcleo ferromagnético. El procedimiento utilizado actualmente consiste en separar el eje mediante presión, Fig. 6a, y posteriormente triturar completamente el núcleo ferromagnético juntamente con el bobinado de aluminio de la jaula de ardilla, Fig. 6b, para posteriormente proceder a su separación. (Distinct Recovery of Copper and Aluminium from Waste Electric Wires Using a Roll-Type Electrostatic Separator, 2018)
Estudio de las posibilidades y acciones de reciclaje de motores asíncronos. Galán Hurtado Jorge Eddison 62 Figura 47. Proceso de desmontaje del rotor del motor para reciclaje de los metales. (cortesía de Taizhou Qida Environmental Protection Equipment Technology Co, Ltd.) Triturado En el proceso de triturado, se machacan los metales en pequeños trozos mediante procedimientos manuales o automatizados, siendo de especial importancia determinar el tamaño adecuado de las partículas trituradas, requiriéndose un molido fino correspondiente a un tamaño de partícula entre 1 y 2 mm. Esto se puede lograr utilizando molinos de corte y un tratamiento preliminar criogénico que enfría los materiales con ayuda de hidrógeno líquido. Separación La separación de los diferentes materiales se realiza por gravedad o mediante métodos magnéticos. Por gravedad, se realiza con la aplicación de un flujo de aire que separa las partículas según su densidad o mediante sistemas de hundimiento/flotación. Mediante métodos magnéticos se consiguen separar los materiales ferromagnéticos del resto, usando imanes permanentes o dispositivos de corrientes inducidas. Tratamiento de los metales separados Los tratamientos más habituales, según el tipo de metal, son: - Chapa magnética y acero del eje (Reuse and Recycling of By-Products in Steel Sector: Recent Achievements Paving the Way to Circular Economy and Industrial Symbiosis in Europe., 2020): El hierro y el acero se reciclan mediante oxidación selectiva. Las impurezas se oxidan a 1600ºC y luego se eliminan como gas o como espuma. No todas las impurezas pueden eliminarse mediante este método, pero en el caso del Silicio, que es la impureza habitual en el caso de la chapa magnética, puede eliminarse sin problemas. Eliminadas las impurezas, se procede a la fundición del hierro y del acero. En el caso de los ejes, se utilizan mayoritariamente aceros al carbono, y las impurezas de carbono también pueden eliminarse sin problemas mediante oxidación. - Cobre (Current Challenges in Copper Recycling: Aligning Insights from Material Flow Analysis with Technological Research Developments and Industry Issues in Europe and North America, 2021): De forma similar al hierro y el acero, el cobre se recicla mediante oxidación para eliminar impurezas. El proceso de refinado se realiza mediante electrólisis. Esta electrólisis de
Estudio de las posibilidades y acciones de reciclaje de motores asíncronos. Galán Hurtado Jorge Eddison 63 refinación se puede mejorar mediante la combinación con un electrolito de sulfato de cobre de ácido sulfúrico que proporciona cobre con una pureza del 99.98%. Otra posibilidad de reciclar el cobre es mediante hidrometalurgia, aunque este proceso resulta más aplicable para equipos electrónicos con bajo contenido de cobre y mezclado con otros materiales. - Aluminio (Preparation and Melting of Scrap in Aluminum Recycling, 2018): Al refinar el aluminio, es esencial separar las aleaciones fundidas de las forjadas para garantizar una limpieza eficiente. Normalmente, la fusión se produce a temperaturas entre 700ºC y 900ºC. En fracciones de aluminio muy puras de materiales forjados, se recicla mediante las denominadas refundiciones. Por el contrario, en aleaciones fundidas con muchas impurezas, deben procesarse mediante refinados y los procesos de fusión deben facilitarse mediante la adición de sales de fusión. 4.3 Empresas de España y Europa especializadas en reciclaje No es sencillo encontrar una empresa que se dedique exclusivamente al reciclaje de motores asíncronos por diversas razones técnicas y económicas. En primer lugar, el reciclaje de motores asíncronos implica el tratamiento de materiales valiosos como el cobre, el aluminio y el acero, presentes en la mayoría de los motores eléctricos. Sin embargo, las empresas dedicadas al reciclaje suelen abarcar una gama más amplia de dispositivos eléctricos y electrónicos, conocidos como residuos de aparatos eléctricos y electrónicos (RAEE), ya que limitarse exclusivamente a motores asíncronos no sería rentable debido a la variabilidad en el volumen de estos motores disponibles para su reciclaje. Técnicamente, los motores asíncronos forman parte de un grupo mayor de dispositivos electromecánicos que contienen componentes similares. Por ejemplo, tanto los motores de corriente continua como los transformadores contienen cobre y acero, lo que permite a las empresas aprovechar las mismas líneas de tratamiento para procesar una variedad de equipos. Las plantas de reciclaje que manejan motores asíncronos suelen emplear trituradoras y sistemas de separación por corrientes de Foucault y magnéticas, tecnologías que pueden utilizarse también en el tratamiento de otros equipos eléctricos. Esto hace que especializarse únicamente en motores asíncronos no sea eficiente desde un punto de vista operativo y económico. Además, el proceso de reciclaje de un motor asíncrono incluye fases de trituración, donde el motor se descompone en fragmentos pequeños, y la separación de los materiales mediante diferentes técnicas como separadores de aire, sistemas magnéticos para extraer el acero y corrientes de Foucault para separar metales no ferrosos como el aluminio y el cobre. Dado que estas tecnologías también son aplicables a otros tipos de motores y aparatos eléctricos, las empresas prefieren no especializarse exclusivamente en motores asíncronos, sino manejar una gama más amplia de residuos para optimizar el uso de sus equipos. Listado de algunas empresas del sector de reciclajes de metales: España: Desguaces Emyser Ubicación: Alicante Actividad: Especializados en la recuperación y reciclaje de motores eléctricos y componentes industriales.
Estudio de las posibilidades y acciones de reciclaje de motores asíncronos. Galán Hurtado Jorge Eddison 64 Recymet Systems Ubicación: Barcelona Actividad: Recuperación de metales valiosos, como cobre y aluminio, y reciclaje de motores eléctricos y otros componentes industriales. Lyrsa Ubicación: Varias localidades en España (Madrid, Barcelona, Valencia, etc.) Actividad: Especializados en el reciclaje de metales no ferrosos, como cobre, aluminio y motores eléctricos, así como otros aparatos eléctricos. TMR - Tratamientos Metálicos Reciclados Ubicación: Sevilla Actividad: Reciclaje de metales ferrosos y no ferrosos, además de maquinaria y motores eléctricos industriales. Recuperaciones Tolón Ubicación: Zaragoza Actividad: Empresa dedicada al reciclaje de metales, motores eléctricos y aparatos industriales. Cables y Reciclados del Mediterráneo (CRM) Ubicación: Valencia Actividad: Reciclaje de cables eléctricos, motores eléctricos y otros metales no ferrosos. Recyclia (Ecoasimelec y Ecotic) Ubicación: Madrid Actividad: Gestión de residuos eléctricos y electrónicos (RAEE), incluyendo motores eléctricos. Europa: Stena Recycling (Suecia) Ubicación: Varios países de Europa Actividad: Stena Recycling ofrece soluciones para el reciclaje de motores eléctricos, metales y materiales electrónicos. MIREC Recycling Solutions (Paises Bajos) Ubicación: Países Bajos Actividad: Dedicada al reciclaje de motores eléctricos, componentes industriales y electrónicos. Remondis Electrorecycling (Alemania) Ubicación: Alemania y varios países europeos Actividad: Remondis es una empresa con soluciones de reciclaje que incluye el reciclaje de motores eléctricos y componentes industriales. Umicore (Bélgica) Ubicación: Bélgica Actividad: Aunque más conocida por el reciclaje de metales preciosos, Umicore también se dedica a la recuperación de materiales de motores eléctricos y otros componentes electrónicos. Electrocycling GmbH (Alemania) Ubicación: Alemania Actividad: Empresa especializada en el reciclaje de motores eléctricos y electrodomésticos.
Estudio de las posibilidades y acciones de reciclaje de motores asíncronos. Galán Hurtado Jorge Eddison 71 5. CÁLCULO DE PESOS DE MATERIALES USADOS EN LA FABRICACIÓN DE LOS MOTORES DE INDUCCIÓN Con el fin de cuantificar el potencial de reciclaje en motores de inducción, que es el objetivo principal de este trabajo, se ha desarrollado un procedimiento de cálculo para el diseño y dimensionamiento del motor. Este procedimiento permite determinar con precisión las cantidades de cada metal que lo componen. Dada la diversidad de tipos constructivos y clases de eficiencia disponibles en el mercado, que influyen en las cantidades de material a emplear, se ha hecho necesario establecer ciertas hipótesis comunes para delimitar el alcance del estudio. Las hipótesis establecidas son: − Motores trifásicos de baja tensión − Motores de 4 polos − Motores de jaula de ardilla − Motores de clase de eficiencia IE2 Por lo que a las potencias de refiere, se ha profundizado el estudio en motores de hasta 75 kW, básicamente porque cubren un porcentaje muy elevado de unidades instaladas en la industria, aunque también se han analizado motores de potencias superiores. Además, hasta esta potencia, se fabrica mayoritariamente con conductores de cobre esmaltados en el estator y las máquinas que se utilizan actualmente para el reciclado de los estatores pueden tratar mayoritariamente los diámetros de carcasa del motor hasta esta potencia. Como datos de partida se extraen los valores nominales de los motores de un catálogo de la empresa ABB. Las dimensiones geométricas principales que componen el motor se han obtenido a partir de valores standard proporcionados en bibliografía de diseño y fabricación de motores eléctricos (J. Pyrhönen, y otros, 2008). Se elabora un procedimiento de cálculo y dimensionamiento para determinar las cantidades de los metales necesarios para la fabricación de los motores. Como se puede observar en Fig. 59, es una ficha técnica extraída de un catálogo ABB, donde se encuentran los valores nominales de motores. Figura 59. Ficha técnica de un catálogo de motores asíncronos. Fuente: (Low voltage. Process performance motors, 2022).
Estudio de las posibilidades y acciones de reciclaje de motores asíncronos. Galán Hurtado Jorge Eddison 72 1. Datos de partida: El punto de funcionamiento seleccionado es el nominal: 1,5 kW, velocidad 1420 rpm y un rendimiento del 79%, los otros datos nominales del motor del laboratorio necesarios para el desarrollo de los cálculos se han detallado al inicio de este apartado. Pu=Potencia utíl m=nº de fases Conexión VL=Tensión de línea IL=Corriente de línea 2p=nº de polos f=Frecuencia cos𝜑 n=Velocidad Cálculos derivados: A partir de los datos de partida podemos resolver las siguientes ecuaciones para obtener otras magnitudes del circuito equivalente de funcionamiento del motor. VF ,IF (Según conexión) ns=f∙60 p ( 7 ) S=ns−n ns ( 8 ) Pab=√3 VL IL cos𝜑 ( 9 ) ŋ= Pu Pab ( 10 ) VF=Tensión de fase IF=Corriente de fase 𝑆= Deslizamiento n=Velocidad del rotor (rpm) ns=Velocidad del campo magnético giratorio o velocidad síncrona (rpm) ŋ=Rendiminto Pab=Potencia absorbida
Estudio de las posibilidades y acciones de reciclaje de motores asíncronos. Galán Hurtado Jorge Eddison 73 Tabla 14. Resultados obtenidos a partir de valores nominales del motor. Datos nominales: Putil nº fases conexión Vlinia Ilinia Vfase Ifase nº pols Frecuencia Vel. Sin. Velocidad lliscament cos fi Pab Rendimiento kW V A V A p Hz rpm rpm W 0,25 3 triángulo 400 0,76 400 0,4388 4 2 50 1500 1430 0,04667 0,67 352,7841 0,708649 0,75 3 triángulo 400 1,82 400 1,0508 4 2 50 1500 1430 0,04667 0,73 920,4811 0,814791 1,5 3 triángulo 400 3,00 400 1,7321 4 2 50 1500 1430 0,04667 0,83 1725,1226 0,869503 3 3 triángulo 400 6,10 400 3,5218 4 2 50 1500 1450 0,03333 0,79 3338,7011 0,898553 5,5 3 triángulo 400 10,80 400 6,2354 4 2 50 1500 1460 0,02667 0,8 5985,9676 0,918816 7,5 3 triángulo 400 14,50 400 8,3716 4 2 50 1500 1450 0,03333 0,81 8137,1747 0,921696 15 3 triángulo 400 28,50 400 16,4545 4 2 50 1500 1470 0,02000 0,83 16388,6647 0,915267 22 3 triángulo 400 40,90 400 23,6136 4 2 50 1500 1475 0,01667 0,84 23802,5350 0,924271 30 3 triángulo 400 55,30 400 31,9275 4 2 50 1500 1480 0,01333 0,84 32182,8896 0,932172 45 3 triángulo 400 81,30 400 46,9386 4 2 50 1500 1480 0,01333 0,85 47877,3484 0,939902 75 3 triángulo 400 137,00 400 79,0970 4 2 50 1500 1481 0,01267 0,83 78780,5989 0,952011 110 3 triángulo 400 195,00 400 112,5833 4 2 50 1500 1484 0,01067 0,86 116185,9682 0,946758 250 3 triángulo 400 442,00 400 255,1888 4 2 50 1500 1488 0,00800 0,85 260292,5954 0,960458 400 3 triángulo 400 705,00 400 407,0319 4 2 50 1500 1489 0,00733 0,85 415172,5786 0,963455 500 3 triángulo 400 865,00 400 499,4080 4 2 50 1500 1490 0,00667 0,86 515389,0383 0,970141 630 3 triángulo 400 1077,00 400 621,8062 4 2 50 1500 1491 0,00600 0,87 649165,7145 0,970476 800 3 triángulo 400 1396,00 400 805,9810 4 2 50 1500 1491 0,00600 0,86 831772,3670 0,961802 1000 3 triángulo 400 1724,00 400 995,3519 4 2 50 1500 1491 0,00600 0,86 1027203,1237 0,973517
Estudio de las posibilidades y acciones de reciclaje de motores asíncronos. Galán Hurtado Jorge Eddison 74 2. Datos constructivos de partida: Con instrumentación de medida se ha obtenido las dimensiones de las partes del motor del laboratorio, para los otros motores que también valoraremos en el análisis, los datos se han extraído de base de datos constructivos genéricos. L=Longitud del inducido Des=Diámetro exterior del estátor Dr=Diámetro del rotor g=entrehierro Deix=Diámetro del eje n1=nº ranueras del estátor n2=nº ranuras del rotor Zn=nº de contuctores por ranura (Si es de doble capa poner el total de las dos capas) φ1=factor de bobinado φ2=1 Cálculos derivados: Dis=Dr+2𝑔 ( 11 ) npf=n1 m∙2p ( 12 ) n1=Zn ∙ n1 2m ( 13 ) m2=n2 2p ( 14 ) Dis=Diámetro interior del estátor npf=nº ranuras por polo y fase n1=nº espiras por fase m2=nº fases del rotor
Estudio de las posibilidades y acciones de reciclaje de motores asíncronos. Galán Hurtado Jorge Eddison 75 Tabla 15. Resultados dimensionales de los motores. Datos constructivos: Putil L Dext.est. Dint.est. Drotor Entrhierro Deje nº ranures nº ranures npf nº cond. ran. nº capes nº esp. fase nº fases rot. factor bob. kW mm mm mm mm mm mm estator rotor estator Zn bobinat N1 m2 estator 0,25 55 100 65,5 65 0,25 15 24 18 2 500 1 2000 4,5 0,95 0,75 80 120 72,6 72 0,3 20 24 18 2 260 1 1040 4,5 0,95 1,5 100 145 85,7 85 0,35 25 36 28 3 110 1 660 7 0,96 3 130 170 100,7 100 0,35 30 36 28 3 85 1 510 7 0,96 5,5 155 200 120,8 120 0,4 35 48 38 4 45 1 360 9,5 0,96 7,5 170 210 125,8 125 0,4 40 48 38 4 35 1 280 9,5 0,96 15 215 250 151 150 0,5 45 48 44 4 20 1 160 11 0,96 22 240 280 171,2 170 0,6 50 48 44 4 16 1 128 11 0,96 30 250 310 191,4 190 0,7 55 60 48 5 12 1 120 12 0,96 45 260 350 211,6 210 0,8 60 60 48 5 10 1 100 12 0,96 75 290 390 241,8 240 0,9 70 60 50 5 8 1 80 12,5 0,96 110 300 430 262 260 1 80 60 50 5 6 2 60 12,5 0,96 250 370 520 312,4 310 1,2 100 72 58 6 4 2 48 14,5 0,98 400 400 590 353 350 1,5 115 72 62 6 2 2 24 15,5 0,98 500 430 640 384 380 2 120 84 70 7 2 2 28 17,5 0,98 630 480 680 405 400 2,5 130 84 90 7 2 2 28 22,5 0,98 800 520 730 436 430 3 140 96 78 8 2 2 32 19,5 0,98 1000 560 785 470 460 5 150 96 78 8 2 2 32 19,5 0,98
Estudio de las posibilidades y acciones de reciclaje de motores asíncronos. Galán Hurtado Jorge Eddison 76 Figura 60. Resultados dimensionales de los motores. 3. Ranuras: A partir de los diagramas de la Fig. 61, podemos determinar las dimensiones de las secciones de ranuras correspondientes al estátor y al rotor, ya sea de jaula simple o de jaula doble. Figura 61. Esquema representativo de ranuras de un motor asíncrono. Estátor Sr1=ar1+br1 2∙hr1 ( 15 )
Estudio de las posibilidades y acciones de reciclaje de motores asíncronos. Galán Hurtado Jorge Eddison 77 Rotor de jaula simple Sr2=ar2+br2 2∙hr2 ( 16 ) Rotor de jaula doble Sr21=πdr212 4 ( 17 ) Sr22=ar22+br22 2∙hr22 ( 18 ) Sr2=sr21+sr22 ( 19 ) Tabla 16. Resultados de las secciones de ranuras del estator y rotor según el tipo de jaula de ardilla. Dimensionamiento ranuras: Putil tipo de jaula sección ran. sección ran. kW estator rotor mm2 mm2 0,25 simple 77,00 45 0,75 simple 100,00 60,5 1,5 simple 82,50 50 3 simple 120,00 65 5,5 simple 121,60 72,8 7,5 simple 132,00 80,3 15 simple 155,70 81,76 22 doble 172,80 91,2 30 simple 184,30 105,4 45 simple 219,35 134,64 75 simple 280,50 172,5 110 doble 160,00 188,631 250 doble 256,00 305,840 400 doble 264,00 206,549 500 doble 242,00 291,631 630 doble 288,00 281,434 800 doble 406,00 418,357 1000 doble 465,00 516,531
Estudio de las posibilidades y acciones de reciclaje de motores asíncronos. Galán Hurtado Jorge Eddison 78 4. Conductores: Tomando como referencia las siguientes ecuaciones se puede determinar las características de los conductores. Sc=πdc2 4 ( 20 ) Sc=amc∙grc ( 21 ) dc equivalente=√(amc∙grc)∙4 π ( 22 ) cu=Zn∙𝑆𝑐 𝑆𝑟1 ( 23 ) Se aconseja un escoger un coeficiente cu: Ranuras circulares (0,4÷0,6) se ha escogido 0,4. Ranuras rectangulares (0,7÷0,8) se ha escogido ≈(0,6÷0,7). ∆1=I1F 𝑆𝑐 ( 24 ) Se aconseja escoger una densidad de corriente del estátor entre 3 y 8 A/mm2 se ha escogido (4÷5). dc=Diámetro del conductor (conductor circular) Sc=Sección del conductor Zn=nº de contuctores por ranura amc=Amplitud grc=Grosor por conductor rectangular cu=Coeficiente de utilización de ranura ∆1=Densidad de corriente estátor
Estudio de las posibilidades y acciones de reciclaje de motores asíncronos. Galán Hurtado Jorge Eddison 79 Tabla 17. Resultados de las características de los conductores según la potencia de los motores. Conductores: Putil tipo amplitu d gruezo sección diam.cond . sec.cond . coef.util . dens.corr. 1 kW conductor mm mm mm2 mm mm2 ranura A/mm2 0,25 circular 0,315 0,0779 0,5060 5,6304 0,75 circular 0,5 0,1963 0,5105 5,3516 1,5 circular 0,63 0,3117 0,4156 5,5564 3 circular 0,9 0,6362 0,4506 5,5360 5,5 circular 1,18 1,0936 0,4047 5,7018 7,5 circular 1,4 1,5394 0,4082 5,4383 15 circular 2 3,1416 0,4035 5,2376 22 circular 2,36 4,3744 0,4050 5,3982 30 circular 2,8 6,1575 0,4009 5,1851 45 circular 3,35 8,8141 0,4018 5,3254 75 circular 4,25 14,1863 0,4046 5,5756 110 rectangular 4,5 4,36 19,62 0,73575 5,7382 250 rectangular 7 6,86 48,02 0,75031 5,3142 400 rectangular 9 7,96 71,64 0,54273 5,6816 500 rectangular 10 8,86 88,6 0,73223 5,6367 630 rectangular 11 9,76 107,36 0,74556 5,7918 800 rectangular 13 11,6 150,8 0,74286 5,3447 100 0 rectangular 14 12,5 175 0,75269 5,6877 5. Parámetros del Rotor Los parámetros de un rotor de un motor asíncrono describen su comportamiento eléctrico y mecánico. (Cálculo Industrial de Máquinas Tomo II, pág. 276) Tomando el valor de N2=1 y φ2=1 Ivacio≈Kvacio∙I1F ( 25 ) Se recomienda un valor para la constante dieléctrica Kvacio entre (0,6 y 0,2) según la potencia del motor. Siguiendo las siguientes expresiones podemos determinar la relación de transformación de corrientes. rtI=N1∙φ1∙m1 m2∙N2∙φ2 ( 26 ) I2 ′=√I1F2−Ivacio2 → I2=I2 ′∙rtI ( 27 )
Estudio de las posibilidades y acciones de reciclaje de motores asíncronos. Galán Hurtado Jorge Eddison 80 Ivacio=I2 P ( 28 ) Una vez encontrado estos valores podemos saber la densidad de corriente del rotor. ∆2=Ivacio Sr2 ( 29 ) Se aconseja escoger una densidad de corriente: Para un rotor de cobre entre 3 y 8 A/mm2 Para un rotor de aluminio entre 3 y 6,5 A/mm2, se ha escogido (4÷5).
Estudio de las posibilidades y acciones de reciclaje de motores asíncronos. Galán Hurtado Jorge Eddison 87 En conclusión, en la gráfica de la Fig. 64 muestra los ratios totales donde revelan que los motores de mayor potencia ofrecen una mejor eficiencia, tanto en su rendimiento eléctrico como en la optimización del uso de materiales en su fabricación. Esto contribuye a reducir el impacto ambiental al disminuir la extracción y procesamiento de recursos naturales, lo que a su vez ayuda a reducir la generación de residuos y las emisiones de gases contaminantes. Figura 64. Ratios peso/potencia de los materiales utilizados en el estator, rotor y total. 6. IMPACTO AMBIENTAL 6.1 Ciclo de vida de un producto El análisis de ciclo de vida (ACV) de un producto es un concepto que abarca todas las etapas por las que pasa un producto, desde la extracción de las materias primas hasta su eliminación o reciclaje final. Esta visión integral es clave para evaluar el impacto ambiental de un producto a lo largo de toda su existencia y es esencial en el ámbito del ecodiseño y la sostenibilidad. Las fases más comunes del ciclo de vida incluyen la extracción de recursos naturales, la producción del producto, su distribución, el uso por parte del consumidor, y finalmente su gestión al final de su vida útil. La primera etapa, extracción de materias primas, consiste en obtener los recursos naturales necesarios para la fabricación. Esta fase suele tener un alto impacto ambiental debido a la energía y los materiales involucrados. Luego, en la fase de producción, las materias primas se transforman en el producto final mediante diversos procesos industriales que consumen energía y generan emisiones. Posteriormente, el producto entra en la fase de distribución, donde es transportado y almacenado hasta llegar al usuario final, lo que también implica consumo de energía y generación de emisiones. En la fase de uso, el producto es utilizado por los consumidores, y en el caso de productos que consumen energía, esta etapa suele ser crítica para el cálculo de su impacto ambiental total. Finalmente, en la etapa de fin de vida, el producto puede ser
Estudio de las posibilidades y acciones de reciclaje de motores asíncronos. Galán Hurtado Jorge Eddison 88 reciclado, reutilizado o desechado, y es en esta fase donde se determinan las oportunidades para reducir residuos o recuperar materiales. Evaluar cada una de estas etapas permite identificar las áreas en las que se pueden hacer mejoras para minimizar el impacto ambiental, promoviendo así prácticas más sostenibles. Figura 65. Análisis de un ciclo de vida de un producto. Fuente: ITA “Nueva metodología para el diseño de productos en la cual se consideran los impactos ambientales en todas las etapas del proceso de diseño y desarrollo de productos para lograr productos que generen el mínimo impacto ambiental posible a lo largo de su proceso de vida” (TU Delft University Holanda) “Integración de los aspectos medioambientales en el diseño del producto con el fin de mejorar su comportamiento medioambiental a lo largo de todo su ciclo de vida” (Directiva 2005/32/CE) Lo que se promueve es reducir el impacto ambiental considerando el ciclo de vida del producto a través de un diseño que integre criterios medioambientales. Figura 66. Evolución hacia el EcoDiseño y el ACV. Fuente: ITA
Estudio de las posibilidades y acciones de reciclaje de motores asíncronos. Galán Hurtado Jorge Eddison 89 Normas de aplicación ISO 14040:2006 – Gestión ambiental – Análisis del ciclo de vida. Principio y Marco de referencia. ISO 14044:2006 – Gestión ambiental – Análisis del ciclo de vida. Requisitos y directrices. 6.2 Metodología MEEUP La metodología MEEUP, cuyo nombre completo es "Methodology Study for the Ecodesign of Energy-using Products", fue desarrollada por la empresa VHK (Van Holsteijn en Kemna BV) y promovida por la Comisión Europea. Esta metodología tiene como finalidad proporcionar un análisis uniforme para cualquier producto que utilice energía (PUE), mediante un enfoque simplificado que combina aspectos cuantitativos y cualitativos para evaluar su impacto ambiental e identificar posibles mejoras. A través de este marco, se implementa la Directiva 2005/32/CE, emitida el 6 de julio de 2005, que establece los requisitos de ecodiseño para productos que consumen energía. Esta metodología se presenta en forma de hoja de cálculo Excel, conocida como EuP EcoReport, que facilita el análisis de impacto medioambiental. (EUP Lot 30, 2014) Es importante destacar que la directiva 2009/125/EC “por la que se establece un marco para el diseño ecológico aplicable a los productos relacionados con la energía” derogó la Directiva 2005/32/CE por la necesidad de actualizar la metodología MEEUP, dando lugar a la metodología MEERP (Methodology for Ecodesing of Energy-related Products). Esta nueva metodología permite realizar un análisis del impacto ambiental con más exactitud. Sin embargo, una desventaja de esta actualización es el elevado coste económico de sus licencias, esto puede representar una barrera, especialmente para pequeñas y medianas empresas o proyectos con recursos limitados. La metodología MEEUP sigue siendo útil para obtener una evaluación ambiental general de forma aproximada, con menor coste económico respecto al uso de otras metodologías que requieren una inversión económica elevada en el proceso de evaluación. (EUP Lot 11 Motors, 2008) 6.2.1 Análisis 1: motor de inducción trifásico 1,5 kW, 4 Polos, IE2. El objetivo es aplicar la metodología MEEUP utilizando una hoja de cálculo Excel especifica, EUP EcoReport. Para el caso 1 se hará referencia a un motor de eficiencia estándar (IE2) • Entrada de pesos y tipos de materiales utilizados en el proceso de extracción y producción. La composición del material de los motores eléctricos se presenta en las siguientes listas de materiales Fig. 68 proporcionadas por fabricantes y reparadores. Para utilizar una fuente neutral y altamente representativa, CEMEP3 acordó recopilar datos de los fabricantes y elaboró listas de materiales (BoM) para los motores EFF2 y EFF1, para las potencias nominales individuales definidas de cada motor:
Estudio de las posibilidades y acciones de reciclaje de motores asíncronos. Galán Hurtado Jorge Eddison 90 1,1 kW, 11 kW y 110 kW, todos con 4 polos. (EUP Lot 11 Motors, 2008) Figura 67. Listas de materiales para los motores IE2/EFF1 de las potencias de salida de referencia acordadas. Fuente. EUP Lot 11 Motors. Se introducen los pesos en gramos, teniendo en cuenta la potencia nominal del motor a estudiar, en este caso 1,5 kW, la categoría y tipo de material del producto. Ejemplo de cálculo de peso en g: Para el proceso de resolución se tiene en cuenta la Fig. 66 donde se selecciona el rango de potencias nominales, para este caso corresponde la columna de 1,1 kW. 8kg kW∙ 1,5 kW∙1000 g 1 kg =12000g ( 46 ) Haciendo los cálculos como se ha indicado para cada uno de los materiales tenemos la siguiente Tabla 21. Tabla 21. Entrada de datos de peso y tipo de materiales MEEUP de un motor de 1,5 kW IE2. Version 5 VHK for European Commission 28 Nov. 2005 Document subject to a legal notice (see below) ECO-DESIGN OF ENERGY-USING PRODUCTS EuP EcoReport: INPUTS Assessment of Environmental Impact Nr Product name Date Author Motor Inducción 1500 W - 4 polos - IE2 29/09/2024 Jorge Galán Pos MATERIALS Extraction & Production Weight Category Material or Process nr Description of component in g Click &select select Category first ! 1 Chapa 12000,0 3-Ferro 21-St sheet galv. 2 Acero 2400,0 3-Ferro 25-Stainless 18/8 coil 3 Hierro 3750,0 3-Ferro 23-Cast iron 4 Aluminio 3000,0 4-Nonferro 27-Al diecast 5 Cobre 2850,0 4-Nonferro 28-Cu winding wire
Estudio de las posibilidades y acciones de reciclaje de motores asíncronos. Galán Hurtado Jorge Eddison 91 6 Aislamientos 75,0 2TecPlastics 14-Epoxy 7 Embalaje 1500,0 1BlkPlastics 1-LDPE 8 Resina 450,0 2TecPlastics 14-Epoxy 9 Pintura 150,0 2TecPlastics 14-Epoxy • Fabricación En la siguiente tabla los valores de pesos se proporcionan automáticamente con los datos introducidos anteriormente, obtenemos el porcentaje de la chapa desaprovechada que es de un 25%. Tabla 22. Porcentaje de chapa desaprovechada. Pos MANUFACTURING Weight Percentage Category index (fixed) nr Description in g Adjust 201 OEM Plastics Manufacturing (fixed) 2175 20 202 Foundries Fe/Cu/Zn (fixed) 3750 34 203 Foundries Al/Mg (fixed) 3000 35 204 Sheetmetal Manufacturing (fixed) 14400 36 205 PWB Manufacturing (fixed) 0 53 206 Other materials (Manufacturing already included) 2850 207 Sheetmetal Scrap (Please adjust percentage only) 3600 25% 37 • Distribución Los volúmenes promedio para los motores dependiendo de su potencia de salida son: Figura 68. volumen medio de productos envasados. Fuente. Tabla 5-1 EUP Lot 11 Motors. En el caso que se está estudiando corresponde a un volumen medio de 0.02 m3 considerando que es un motor de 1,5 kW de potencia nominal. Tabla 23. Volumen del producto empaquetado. Pos DISTRIBUTION (incl. Final Assembly) Answer Category index (fixed) nr Description 208 Is it an ICT or Consumer Electronics product <15 kg? NO 59 0 209 Is it an installed appliance (e.g. boiler)? 0 NO 60 1 62 1 210 Volume of packaged final product in m3 in m3 0,02 63 0 64 1
Estudio de las posibilidades y acciones de reciclaje de motores asíncronos. Galán Hurtado Jorge Eddison 92 • Fase de uso Se considera un tiempo de vida media de los motores según su potencia: Tabla 24. Promedios de tiempo de vida de un motor. Fuente: Tabla 3-1 EUP Lot 11. 1 – 7,5 kW 12 años 7,5 – 75 kW 15 años 75 – 250 kW 20 años Considerando que es un motor de alta eficiencia (IE2) en la celda de concepto (consumo por hora) se introduce el valor de las pérdidas de energía del motor que se calcula con la siguiente expresión: Teniendo en cuenta de la Tabla 25. de valores nominales estándar de eficiencia (IE2) de motores de 4 polos, 50 Hz y potencia nominal 1,5 kW, sabemos el rendimiento que es de 82,8 %. Tabla 25. Valores nominales de alta eficiencia (IE2). Fuente: Tabla 1-16 EUP Lot 11. Pn kW Número de polos 2 4 6 0,75 77,4 79,6 75,9 1,1 79,6 81,4 78,1 1,5 81,3 82,8 79,8 Pperd=Pab−Pu=Pu ŋ−Pu=1,5 0,828−1,5=0,311 kW ( 47 ) →en función de horas tenemos→ Pérdidas E=Pperd∙t=0,311 kWh ( 48 ) Pperd=Potencia pérdida Pab=Potencia absorvida Pu=Potencia útil Pu=Rendimiento En el caso de un motor eléctrico si hay variaciones de índice de cargas, se calcula la media de horas de funcionamiento anual con un índice de carga especifico. Tabla 26. Fase de uso MEEUP motor de clase estándar (IE2). Pos USE PHASE unit Subtotals nr Description 211 Product Life in years 12 years Electricity 212 On-mode: Consumption per hour, cycle, setting, etc. 0,311 kWh 699,75 213 On-mode: No. Of hours, cycles, settings, etc. / year 2250 # 214 Standby-mode: Consumption per hour 0 kWh 0 215 Standby-mode: No. Of hours / year 0 # 216 Off-mode: Consumption per hour 0 kWh 0 217 Off-mode: No. Of hours / year 0 # TOTAL over Product Life 8,40 MWh (=000 kWh) 65 Heat
Estudio de las posibilidades y acciones de reciclaje de motores asíncronos. Galán Hurtado Jorge Eddison 93 218 Avg. Heat Power Output 0 kW 219 No. Of hours / year 0 hrs. 220 Type and efficiency (Click & select) 0 85-not applicable TOTAL over Product Life 0,00 GJ Consumables (excl, spare parts) material 221 Water 0 m3/year 83-Water per m3 222 Auxilliary material 1 (Click & select) 0 kg/ year 85-None 223 Auxilliary material 2 (Click & select) 0 kg/ year 85-None 224 Auxilliary material 3 (Click & select) 0 kg/ year 85-None Maintenance, Repairs, Service 225 No. of km over Product-Life 0 km / Product Life 86 226 Spare parts (fixed, 1% of product materials & manuf.) 262 g • Eliminación y reciclaje Los valores arrojados por la tabla son automáticos, solo se pueden modificar los porcentajes de residuos (Landfill) y plásticos reutilizados. Tabla 27. Eliminación y reciclaje MEEUP motor de clase estándar (IE2). Pos DISPOSAL & RECYCLING unit Subtotals nr Description Substances released during Product Life and Landfill 227 Refrigerant in the product (Click & select) 0 g 1-none 228 Percentage of fugitive & dumped refrigerant 0% 229 Mercury (Hg) in the product 0 g Hg 230 Percentage of fugitive & dumped mercury 0% Disposal: Environmental Costs perkg final product 231 Landfill (fraction products not recovered) in g en % 1309 5% 88-fixed 232 Incineration (plastics & PWB not reused/recycled) 1958 g 91-fixed 233 Plastics: Re-use & Recycling ("cost"-side) 218 g 92-fixed Re-use, Recycling Benefit in g % of plastics fraction 234 Plastics: Re-use, Closed Loop Recycling (please edit%) 22 1% 4 235 Plastics: Materials Recycling (please edit% only) 196 9% 4 236 Plastics: Thermal Recycling (please edit% only) 1958 90% 72 237 Electronics: PWB Easy to Disassemble ? (Click&select) 0 YES 98 238 Metals & TV Glass & Misc. (95% Recycling) 22800 fixed • Costos económicos del ciclo de vida Los resultados generados automáticamente por la hoja de cálculo utilizan unos ratios ya definidos sin posibilidad de ser modificados. Tabla 28. Entrada de costes del ciclo de vida. MEEUP motor de clase estándar (IE2). INPUTS FOR EU-Totals & economic Life Cycle Costs unit nr Description A Product Life 12 years B Annual sales mln. Units/year
Estudio de las posibilidades y acciones de reciclaje de motores asíncronos. Galán Hurtado Jorge Eddison 94 C EU Stock mln. Units D Product price 292 Euro/unit E Installation/acquisition costs (if any) 19,5 Euro/ unit F Fuel rate (gas, oil, wood) Euro/GJ G Electricity rate 0,1 Euro/kWh H Water rate Euro/m3 I Aux. 1: None Euro/kg J Aux. 2 :None Euro/kg K Aux. 3: None Euro/kg L Repair & maintenance costs 39 Euro/ unit M Discount rate (interest minus inflation) 5,0% % N Present Worth Factor (PWF) (calculated automatically) 8,86 (years) O Overall Improvement Ratio STOCK vs. NEW, Use Phase 1,00 • Resultados del ciclo de vida por producto Se muestra una tabla agrupada por tipo de material utilizado en la fabricación del motor, al final del ciclo de vida se realiza un balance con la cantidad de material que puede ser reutilizado o no. Así mismo se muestran datos informativos sobre la energía necesaria y los residuos generados durante todo el ciclo de vida. También tenemos datos de impacto ambiental contaminantes al aire y agua tanto en su producción, distribución, uso y final de vida. Tabla 29. Impacto de ciclo de vida por producto MEEUP motor de clase estándar (IE2). Nr Life cycle Impact per product: Date Author 0 Motor Inducció 1500 W - 4 pols - IE2 45564 Jorge Galán Life Cycle phases --> PRODUCTION DISTRIUSE END-OF-LIFE* TOTAL Resources Use and Emissions Material Manuf. Total BUTION Disposal Recycl. Total Materials unit 1 Bulk Plastics g 1500 1350 150 1500 0 2 TecPlastics g 675 608 68 675 0 3 Ferro g 18150 908 17243 18150 0 4 Non-ferro g 5850 293 5558 5850 0 5 Coating g 0 0 0 0 0 6 Electronics g 0 0 0 0 0 7 Misc. g 0 0 0 0 0 Total weight g 26175 3158 23018 26175 0 see note! Other Resources & Waste debet credit 8 Total Energy (GER) MJ 1378 378 1756 79 88186 223 116 107 90127 9 of which, electricity (in primary MJ) MJ 88 219 307 0 88172 0 1 -1 88477 10 Water (process) ltr 204 3 207 0 5880 0 1 -1 6086 11 Water (cooling) ltr 361 95 456 0 235121 0 5 -5 235572 12 Waste, non-haz./ landfill g 83946 1697 85642 64 103083 1605 3 1602 190391 13 Waste, hazardous/ incinerated g 22 0 22 1 2032 1958 1 1957 4012 Emissions (Air) 14 Greenhouse Gases in GWP100 kg CO2 eq. 92 21 113 6 3849 17 8 9 3977 15 Ozone Depletion, emissions mg R11 eq. negligible
Estudio de las posibilidades y acciones de reciclaje de motores asíncronos. Galán Hurtado Jorge Eddison 95 16 Acidification, emissions g SO2 eq. 1190 93 1283 17 22716 33 10 23 24039 17 Volatile Organic Compounds (VOC) g 3 0 4 0 33 1 0 1 38 18 Persistent Organic Pollutants (POP) ng iTeq 465 39 504 0 583 11 0 11 1098 19 Heavy Metals mg Ni eq. 569 91 660 3 1519 62 0 62 2245 PAHs mg Ni eq. 70 0 70 4 174 0 0 0 248 20 Particulate Matter (PM, dust) g 136 14 150 69 486 289 0 289 994 Emissions (Water) 21 Heavy Metals mg Hg/20 291 0 291 0 571 19 0 19 881 22 Eutrophication g PO4 13 0 14 0 3 1 0 1 18 23 Persistent Organic Pollutants (POP) ng iTeq negligible Resumen del coste de vida económico total del producto. Tabla 30. Costes de ciclo de vida MEEUP motor de clase estándar (IE2). Motor Inducción 1500 W - 4 polos - IE2 LCC new product total annual consumer expenditure in EU25 Item D Product price 195 € 0 mln.€ E Installation/ acquisition costs (if any) 20 € 0 mln.€ F Fuel (gas, oil, wood) 0 € 0 mln.€ F Electricity 620 € 0 mln.€ G Water 0 € 0 mln.€ H Aux. 1: None 0 € 0 mln.€ I Aux. 2 :None 0 € 0 mln.€ J Aux. 3: None 0 € 0 mln.€ K Repair & maintenance costs 29 € 0 mln.€ Total 864 € 0 mln.€
Estudio de las posibilidades y acciones de reciclaje de motores asíncronos. Galán Hurtado Jorge Eddison 96 6.2.2 Análisis 2: motor inducción trifásico del laboratorio. Para este análisis, utilizaremos la misma metodología que en el análisis 1. El objetivo de realizar este segundo estudio MEEUP es para observar y comparar las diferencias de los resultados entre un motor de alta eficiencia IE2 y el motor de nuestro laboratorio. Figura 69. Motor asíncrono 1,5 kW del laboratorio eléctrico UPC EPSEVG. Datos nominales del motor del laboratorio: Potencia: 1,5 kW Nº de fases: 3 Número de polos: 4 Frecuencia: 50 Hz Tensión de línea: 220 V Intensidad de línea: In=6,6 A Velocidad síncrona: 1500 rpm Factor de potencia: cos𝜑=0,75 • Entrada de pesos y tipos de materiales utilizados en el proceso de extracción y producción. En este análisis, evaluaremos el impacto medioambiental del motor de laboratorio de 1,5 kW, 4 polos. En un capítulo anterior, se realizó estudio detallado sobre los pesos de los metales utilizados en su fabricación, estos valores serán tomados como referencia para aplicar la metodología MEEUP de manera precisa. Tabla 31. Entrada de datos de peso y tipo de materiales MEEUP de un motor de 1,5 kW laboratorio. Version 5 VHK for European Commission 28 Nov. 2005 Document subject to a legal notice (see below) ECO-DESIGN OF ENERGY-USING PRODUCTS EuP EcoReport: INPUTS Assessment of Environmental Impact Nr Product name Date Author Motor Inducción 1500 W - 4 pols - Laboratorio 29/09/2024 Jorge Galán Pos MATERIALS Extraction & Production Weight Category Material or Process nr Description of component in g Click &select select Category first ! 1 Chapa 9690,0 3-Ferro 21-St sheet galv. 2 Acero 772,0 3-Ferro 25-Stainless 18/8 coil 3 Hierro 3750,0 3-Ferro 23-Cast iron
Estudio de las posibilidades y acciones de reciclaje de motores asíncronos. Galán Hurtado Jorge Eddison 103 7. POTENCIAL DE RECICLAJE A PARTIR DE DATOS DE MERCADO DE LA UNIÓN EUROPEA En el 2021, los motores eléctricos instalados se estima que fueron alrededor de 2 billones de unidades para aplicaciones industriales, en potencias de inferiores a 0,75 kW, de 230 millones de unidades para potencias de rango 0,75 kW a 375 kW, y 0,6 Millones de unidades con potencias superiores a 375 kW. En este apartado se han utilizado datos indicados en el documento EuP Lot30: Electric Motor and Drives, Task 2: Economic and market Analysis. (EUP Lot 30, 2014) Datos estadísticos de la actividad económica de un producto, proporcionados por PRODCOM (Production Communautare) a partir de la clasificación estadística de la actividad económica de la Unión Europea. (Eurostat) Estas estadísticas tienen como objetivo proporcionar una imagen completa a nivel de la UE de la evolución de la producción industrial para un producto determinado o para una industria. Según el CEMEP (European Committee of Manufactures of Electrical Machines ans Power Electronics), en 2010 el número de unidades de motores de inducción trifásicos vendidos y el volumen de negocio fue de: (CEMEP) Tabla 40. Número de unidades vendidas de motores de inducción trifásicos. Fuente: CEMEP. Ud PRECIO (€) MILLONES POTENCIA kW 7.300.000 580 <0,75 8.100.000 2.700 0,75-375 135.000 340 375 MOTORES AC POLIFÁSICOS INCLUYENDO MOTORES DE TRACCIÓN (SEGÚN PRODCOM) Ud PORCENTAJE POTENCIA kW 11.700.000 53,42 <0,75 8.366.000 38,20 0,75-7,5 1.512.000 6,90 7,5-37 202.000 0,92 37-75 94.000 0,43 75-375 21.000 0,10 375-750 7.000 0,03 >750 La estimación realizada en el 2010 sobre el stock de motores instalados, a partir del número de motores vendidos anualmente, del periodo estimado de vida y de la tasa de crecimiento establecida en la EU, proporciona los datos siguientes: Tabla 41. Stock de motores instalados en el 2010. Fuente CEMEP. Ud POTENCIA kW 77.355.000 <0,75 92.852.000 0,75-375 dato desconocido <375
Estudio de las posibilidades y acciones de reciclaje de motores asíncronos. Galán Hurtado Jorge Eddison 104 La tendencia del mercado de ventas de motores de inducción trifásicos en la Unión Europea ha mostrado estabilidad en los últimos años, por lo que se estima que los datos presentados anteriormente no varíen significativamente en el corto plazo. En motores de potencias menores a 0,75 kW, podría observarse un aumento en su demanda, ya que estos motores podrían reemplazar a los motores monofásicos, impulsados por la adopción de variadores de velocidad. En potencias más altas, el crecimiento podría estar vinculado a la movilidad eléctrica, aunque el motor de inducción trifásico competirá con otras tecnologías como los motores Brushless o síncronos de imanes permanentes. Para evaluar el potencial de reciclaje, se ha considerado un crecimiento anual del 2,1%, alineado con el aumento del consumo eléctrico en la UE en los últimos años. Teniendo en cuenta: (EUP Lot 30, 2014) Se estima un periodo de vida: Tabla 42. Promedio de años de vida de los motores teniendo en cuenta su potencia. Fuente: Tabla 3-1 EUP Lot 11. 1 – 7,5 kW 12 años 7,5 – 75 kW 15 años 75 – 250 kW 20 años Se tiene en cuenta una tasa de crecimiento en ventas del 2.1%. y una tasa anual de retirada de motores obtenida a partir de la ecuación siguiente: MR=(SMA+MVA−MRA)/T ( 49 ) Donde: MR=número de motores retirados por año en el nuevo periodo a considerar SMA= stock de motores instalado MVA=número de motores vendidos por año considerando la tasa de crecimiento anual MRA =número de motores retirados anualmente correspondientes al periodo de instalacion anterior T=años de vida estimada de los motores A partir de la ecuación anteriormente mencionada se obtiene la previsión del número de motores a retirar en el periodo 2021-2030 por rango de potencia considerada, mostrado en la Fig. 70.
Estudio de las posibilidades y acciones de reciclaje de motores asíncronos. Galán Hurtado Jorge Eddison 105 Figura 70. Previsión del número de motores a retirar (en millones de unidades) en el periodo 2021-2030 por rango de potencias. A partir de la distribución de ventas por potencias en cada categoría, suministrada por PRODCOM, se ha efectuado una estimación del porcentaje de ventas para cada una de las potencias normalizadas que los fabricantes ofrecen en sus catálogos, obteniéndose para cada categoría las distribuciones, en %, indicadas en las Fig. 71-73. Figura 71. Previsión porcentual de ventas en la categoría de potencias inferiores a 0.75 kW.
Estudio de las posibilidades y acciones de reciclaje de motores asíncronos. Galán Hurtado Jorge Eddison 106 Figura 72. Previsión porcentual de ventas en la categoría de potencias entre 0.75 kW - 7.5 kW. Figura 73. Previsión porcentual de ventas en la categoría de potencias entre 7.5 kW - 75 kW. En las Fig. 71-73 se muestran los resultados finales obtenidos del potencial previsto de metales a reciclar para la década 2021-2030, diferenciado por categoría de potencias y por partes del motor.
Estudio de las posibilidades y acciones de reciclaje de motores asíncronos. Galán Hurtado Jorge Eddison 107 Figura 74. Previsión del potencial de metales a reciclar en el periodo 2021-2030 (estator, motores de potencia < 0.75 kW) Figura 75. Previsión del potencial de metales a reciclar en el periodo 2021-2030 (estator, motores de potencia 0.75 kW – 7.5 kW)
Estudio de las posibilidades y acciones de reciclaje de motores asíncronos. Galán Hurtado Jorge Eddison 108 Figura 76. Previsión del potencial de metales a reciclar en el periodo 2021-2030 (estator, motores de potencia 7.5 kW – 75 kW) Figura 77. Previsión del potencial de metales a reciclar en el periodo 2021-2030 (rotor, motores de potencia < 0.75 kW)
Estudio de las posibilidades y acciones de reciclaje de motores asíncronos. Galán Hurtado Jorge Eddison 109 Figura 78. Previsión del potencial de metales a reciclar en el periodo 2021-2030 (rotor, motores de potencia 0.75 kW – 7.5 kW) Figura 79. Previsión del potencial de metales a reciclar en el periodo 2021-2030 (rotor, motores de potencia 7.5 kW – 75 kW)
Estudio de las posibilidades y acciones de reciclaje de motores asíncronos. Galán Hurtado Jorge Eddison 110 8. ASPECTOS ECONÓMICOS A pesar de que no es el objetivo de este TFG desarrollar estos aspectos debido a su complejidad y amplitud, si se estima conveniente dar unas pequeñas pautas sobre el contexto general para tener en cuenta, considerando la cantidad de material que se puede reciclar obtenidos en los análisis realizados. Estimación de reciclaje para el año 2021: Tabla 43. Estimación de cantidad de material reciclable para el año 2021. Material Cantidad Unidad Cobre 46.620 Toneladas Aluminio 90.513 Toneladas Chapa 200.350 Toneladas Acero 15.637 Toneladas - Aspectos económicos De forma orientativa, el coste de los metales utilizados en la fabricación de motores eléctricos se ha estimado en, aproximadamente: (Re-Use and Recycling of Different Electrical Machines. Latvian Journal of Physics and Technical Sciences, 2018), (Effects of Economies of Scale and Experience on the Cost of Energy-Efficient Technologies – Case Study of Electric Motors in Germany, 2010) Tabla 44. Importe aproximado del coste de los materiales. Material IMPORTE Unidad Cobre 5,50 €/kg Aluminio 1,70 €/kg Chapa 2,30 €/kg Acero 0,57 €/kg Se estima que las industrias de reciclaje obtuvieron unos ingresos en el año 2021 por el reciclaje obtenido de: Tabla 45. Estimación de ingresos obtenidos por las empresas en el año 2021. Material IMPORTE Unidad Cobre 256,41 M€ Aluminio 153,87 M€ Chapa 460,80 M€ Acero 0,91 M€ TOTAL 871,99 M€ Estas cifras ofrecen una visión del volumen económico que la industria del reciclaje de motores eléctricos podría generar, estimado en aproximadamente 880 millones de euros anuales. A esto se le puede sumar las oportunidades para las empresas y la creación de empleo, junto con las actividades necesarias para que el proceso de reciclaje sea eficiente, desde la recolección de los metales hasta el desarrollo de maquinaria especializada para su separación y tratamiento.
Estudio de las posibilidades y acciones de reciclaje de motores asíncronos. Galán Hurtado Jorge Eddison 111 9. NORMATIVAS DE REFERENCIA En el ámbito europeo y nacional, los motores de inducción deben cumplir con una serie de normativas de reciclaje y gestión de residuos. Estas normativas están diseñadas para garantizar un tratamiento adecuado de los residuos y promover la sostenibilidad. A continuación, se detallan las principales normativas aplicables España, Europa e internacionalmente. 9.1 Normativa ISO 14001 El principal objetivo de los Sistemas de Gestión Medioambiental (SGA) lo proporciona la Normativa internacional medioambiental ISO 14001, que establece un compromiso a las empresas para la gestión de los riesgos medioambientales y promover la sostenibilidad asociados a la actividad que desarrollan. Es de esencial prioridad lograr este equilibrio entre estos tres pilares fundamentales, el medio ambiente, la sociedad y la economía para poder satisfacer las necesidades sin llegar a comprometer las necesidades de las futuras generaciones. El cumplimiento de dicha norma dependerá del contexto en que se encuentre una empresa. Podemos encontrar dos empresas que desarrollen la misma actividad, pero las diferencias en ambas dependerán de las tecnologías ambientales que apliquen en su proceso de producción, de una forma u otra ambas deben obedecer a sus compromisos de políticas ambientales. Enfoque PHVA (Planificar, Hacer, Verificar y Actuar) El modelo PHVA promueve a las organizaciones conseguir una mejora continua, aplicando un SGA completo. Los cuatro conceptos necesarios PHVA: - Planificar: fomentar una planificación de los objetivos ambientales necesarios para cumplir la política ambiental en cada proceso productivo. - Hacer: llevar a cabo todos los procesos acordados. - Verificar: instaurar procedimientos de verificación y cumplimiento con los objetivos ambientales. - Actuar: Fijar criterios de decisiones para mejoras que actúen de forma continua.
Estudio de las posibilidades y acciones de reciclaje de motores asíncronos. Galán Hurtado Jorge Eddison 112 Figura 80. Modelo de SGA Norma ISO 14001. Fuente: ISOTOOLS EXCELLENCE. La norma ISO 14001 está adaptada para todas las normas de Sistemas de Gestión, este estándar internacional no incluye requisitos específicos para otros sistemas de gestión, como puede ser la calidad, la salud y seguridad laboral, etc. La norma internacional facilita un enfoque de uso común e integración para todas las organizaciones que deban aplicar un SGA y con esto puedan realizar evaluaciones de conformidad con el proceso, gestionando sus responsabilidades ambientales que contribuyan con la sostenibilidad. Las empresas tienen que implementar procesos necesarios que garanticen mejoras continuas del SGA y garantizar una política ambiental. Para ello deben tener establecidos los objetivos ambientales, estos deben ser registrados, monitoreados y actualizados continuamente. Esta información tiene que estar documentada identificando todos los aspectos ambientales, actividades, servicios o productos que puedan influir a posibles impactos ambientales, de esa forma poderlos comunicar a los diferentes niveles de organización, para poder evaluar y tomar las respectivas decisiones frente a los riesgos, cumpliendo con sus obligaciones. La empresa está obligada a seleccionar personal competente en base a su formación y experiencia para llevar a cabo estas funciones, bajo el control de la organización. La información documentada requerida por el SGA debe estar disponible para su uso, en ella se identificarán los procesos de distribución, acceso, recuperación, utilización, almacenamiento, conservación y control de cambios. Así mismo, la empresa debe realizar periódicamente auditorías internas, para proporcionar información sobre el cumplimiento y eficacia del SGA, estas auditorias deben ser informadas a la dirección pertinente, revisadas por la gerencia para asegurarse de su eficacia y de posibles adecuaciones. En caso de presentarse no conformidades y acciones correctivas, la organización debe reaccionar ante estas no conformidades, evaluando y tomando decisiones para aplicar los correctivos que sean necesarios. (EXCELLENCE, 2015)