Evaluación del ahorro energético y económico en accionamientos eléctricos con motores de alto rendimiento

1 Proyecto Fin de Grado Grado en Ingeniería de le Energía Evaluación del ahorro energético y económico en accionamientos eléctricos con motores de alto rendimiento Autor: Sebastián D. Castillo Rodríguez Tutores: Manuel Burgos Payán Juan Manuel Roldán Fernández 2 3 Proyecto Fin de Grado Ingeniería de la Energía Evaluación del ahorro energético y económico en accionamientos eléctricos con motores de alto rendimiento Autor: Sebastián D. Castillo Rodríguez Tutores: Manuel Burgos Payán Juan Manuel Roldán Fernández Dpto. de Ingeniería Eléctrica Escuela Técnica Superior de Ingeniería Universidad de Sevilla Sevilla, 2020 4 5 Trabajo Fin de Carrera: Evaluación del ahorro energético y económico en accionamientos eléctricos con motores de alto rendimiento Autor: Sebastián D. Castillo Rodríguez Tutores: Manuel Burgos Payán Juan Manuel Roldán Fernández El tribunal nombrado para juzgar el Proyecto arriba indicado, compuesto por los siguientes miembros: Presidente: Vocales: Secretario: Acuerdan otorgarle la calificación de: Sevilla, 2020 El Secretario del Tribunal 6 7 Agradecimientos Lógicamente y, en primer lugar, a mi familia, en especial a mis padres y a mi hermana, por su confianza y ánimos a lo largo de estos años que acaban con este trabajo, sin su apoyo no habría llegado hasta aquí. Todo lo que pueda decir o hacer solo refleja una pequeña parte de lo agradecido que les estoy. También a esa familia que tuve la suerte de conocer cuando entré en esta escuela, aquel grupo que empezó a la vez que esta carrera y con los que tantas horas e historias he compartido y que, por suerte, sigo compartiendo. No solo ellos, también a los que cogieron el relevo y que consiguieron que tras la marcha de los primeros estos últimos años se hayan hecho mucho más llevaderos. Por último, a mis tutores, Manuel Burgos y Juan Manuel Roldán, por permitirme realizar este trabajo con ellos, su ayuda y por su paciencia. Sebastián D. Castillo Rodríguez ETSI Universidad de Sevilla Sevilla, 2020 8 9 Resumen En la actualidad casi la mitad del consumo total de energía eléctrica se produce en el sector industrial. Dentro del sector industrial, la mayor parte del consumo es debido a los motores eléctricos. Sabiendo esto, es fácil darse cuenta de que cambiar estos motores por otros de alto rendimiento puede provocar un ahorro considerable de la cantidad de energía consumida, y con ello una reducción de las emisiones emitidas a la atmosfera asociadas con el mencionado ahorro de energía. Además, este ahorro energético al usar motores de alta eficiencia conlleva un ahorro económico debido al menor consumo y los impuestos derivados de las emisiones. 16 1 INTRODUCCIÓN En este primer apartado del trabajo, se pretende dar una vista general del consumo de energía mundial y la tendencia de este, así como la procedencia de esta energía. A continuación, se realizará un enfoque en el consumo de energía eléctrica tanto a nivel mundial y en particular en España, objetivo sobre el que se realizará el posterior análisis de la sustitución de los accionamientos eléctricos. En último lugar, realizará una descripción de los motores eléctricos, así como una clasificación de estos. 1.1 Antecedentes En los últimos años el consumo de energía primaria mundial tiene una tendencia alcista, esto es debido al aumento de la población, entre el 1.25% y el 1% anual en los últimos veinte años y con una previsión de crecimiento de entre un 1%y un 0.85% anual en los próximos 20 años, como se muestra en la Tabla 1 [Incremento mundial de la población] [1] Tabla 1. Incremento mundial de la población. Año 2000 2005 2010 2015 2020 2025 2030 2035 2040 Población (Mpersonas) 6143 6.542 6957 7380 7795 8184 8549 8888 9199 ΔAnual 6% 6% 6% 6% 5% 5% 4% 4% 3% Otro de los motivos que origina este crecimiento en el consumo de energía primaria es el desarrollo de las conocidas como economías emergentes, estos países se caracterizan por tener un desarrollo económico intermedio entre los considerados en vías de desarrollo y los desarrollados, así como ser economías con un rápido crecimiento económico o con gran potencial de desarrollarlo. Entre ellos podemos destacar dos grupos: Mercados emergentes avanzados, países en los que se observa que el promedio de la renta está por encima de la renta nacional bruta, además de contar con altos volúmenes de negocio y una infraestructura poco desarrollada. En este grupo se enmarca el bloque más conocido de países emergentes, los BRICS (Brasil, Rusia, India, China y Suráfrica), también se encuentra estados con un gran potencial económico, como México, Hungría, Polonia o Taiwán. Mercados emergentes secundarios, estas son economías con PIB medio y bajo, pero con cierta infraestructura, y un mercado medianamente desarrollado. En este grupo se encuentra el bloque de países conocidos como CIVETS (Colombia, Indonesia, Vietnam, Egipto, Turquía y Sudáfrica) y otros países como Argentina, Chile y Malasia. [2] 17 1.2 Consumo energético mundial A continuación, vamos a realizar un análisis de los consumos de energía primaria y final en el último cuarto de siglo, donde podremos apreciar de una mejor forma el incremento del consumo mencionado con anterioridad como se muestra en la Figura 1 [Consumo energético mundial (serie histórica)][3]. Dicho consumo podemos observar que proviene en gran parte del continente asiático, ya que en el resto del mundo el consumo tiene unos valores estables con pequeñas variaciones o un incremento bastante menor. Figura 1. Consumo energético mundial (serie histórica). Si observamos la Tabla 2 [Consumo de energía final mundial (Serie histórica, MTep)] [3] podemos hacer un análisis más detallado de los consumos de energía primaria mencionados con anterioridad. Tabla 2. Consumo de energía final mundial (serie histórica, MTep). 1990 1995 2000 2005 2010 2015 2018 Europa 1.786 1.782 1.854 1.964 1.931 1.808 1.847 CIS 1.373 961 898 965 1.008 1.005 1.081 Norte América 2.121 2.296 2.522 2.592 2.482 2.465 2.558 Sur y Centroamérica 463 519 598 681 784 849 822 Asia 2.109 2.559 2.885 3.759 4.820 5.466 5.859 Pacífico 104 112 129 135 151 151 158 Africa 382 433 485 588 684 774 850 Oriente Medio 223 322 372 487 648 758 803 18 En primer lugar, vemos que, en las zonas más desarrolladas como el caso de Europa, Eurasia y Norteamérica tienen una tendencia bastante estable con ligeras subidas o bajadas dependiendo del periodo que observemos. La región centro y sur de América tiene un incremento bastante estable en el periodo estudiado. En un orden de magnitud parecido en valor absoluto tenemos las zonas de Oriente medio, con el mayor crecimiento de los últimos años coincidiendo con el movimiento de la primavera árabe y con África donde el mayor consumo proviene como se menciona con anterior de Sudáfrica, aunque cabe también destacar el incremento de Argelia, que, tras los acuerdos realizados con la Unión Europea, sus gaseoductos se convierten en el principal punto de enlace de Europa con el continente africano. Por último, podemos observar que el grueso del consumo mundial se centra en la zona asiática, con un consumo total que duplica a la segunda en cuestión (Norteamérica), lógicamente el mayor consumidor es China, que se lleva más de la mitad del consumo de esta zona, como hemos dicho también con anterioridad. De igual forma, empieza a adquirir cierta importancia la India, aunque sus cifras aún están lejos de las del gigante asiático. Si desglosamos este consumo, tenemos que más del 80% es debido al uso de combustibles fósiles (petróleo 33%, gas natural 24% y carbón 28%), le sigue muy de lejos la energía hidráulica con un 7%, a la energía nuclear le corresponde un 5% del mix energético y por último las energías renovables que representan el 3% restante en el año 2019[4]. Figura 2. Consumo energético mundial por fuentes. 19 Como se muestra en la Figura 3 [Evolución del consumo energético mundial por fuentes] vemos que en los próximos años el porcentaje de consumo de combustibles fósiles irá descendiendo a excepción del gas, tanto la energía hidráulica como la nuclear se mantendrán estables, mientras que el porcentaje de energías renovables aumentarán considerablemente[4]. Figura 3. Evolución del consumo energético mundial por fuentes. Si realizamos el mismo estudio para la energía eléctrica, podemos observar que también el consumo sigue una tendencia bastante parecida al consumo de energía primaria como se muestra en Figura 4 [consumo de energía eléctrica mundial (serie histórica)].[3] Figura 4. Consumo energía eléctrica mundial (serie histórica). 20 En ella apreciamos un pequeño crecimiento anual en los países europeos, incluidos los pertenecientes al CEI (Comunidad de Estados Independientes, formados por Armenia, Azerbaiyán, Bielorrusia, Kazajistán, Kirguistán, Moldavia, Rusia, Tayikistán y Uzbekistán) y Norteamérica, donde Rusia, Alemania y Estados Unidos con 889, 531 y 3.808 TWh son los más destacados en estas zonas. De nuevo, las zonas la zona asiática es la que mayor consumo tiene, así como un mayor crecimiento, donde China, India y Japón son sus referentes, ocupando tres de las cuatro primeras posiciones en el consumo de energía eléctrica. Los países de África, Oriente Medio y América latina mantienen un crecimiento en los últimos años, así como la zona del Pacífico sin embargo en ella tanto el consumo como el crecimiento es mucho menor, como podemos ver en la Tabla 3 [Consumo de energía eléctrica mundial (serie histórica, TWh)] [3]. Tabla 3. Consumo de energía eléctrica mundial (serie histórica, TWh). 1990 1995 2000 2005 2010 2015 2018 Europa 2.516 2.632 2.952 3.264 3.377 3.307 3.411 CEI 1.417 1.051 1.000 1.086 1.203 1.227 1.301 Norte América 3.146 3.603 4.093 4.345 4.415 4.428 4.499 Sur y Centroamérica 506 630 788 939 1.129 1.290 1.338 Asia 1.923 2.662 3.369 4.800 6.869 8.861 10.446 Pacífico 165 184 218 241 265 270 276 África 563 305 379 472 554 641 696 Oriente Medio 213 297 400 528 742 913 997 1.3 Consumo energético en España De igual forma que a nivel mundial, podemos realizar análisis del consumo energético para España, que como se mencionó al principio del capítulo, es donde se va a centrar nuestro estudio. En la Figura 5 [Serie histórica del consumo de energía final en España][5], podemos ver una disminución del consumo de energía final a partir de 2005, coincidiendo con la crisis económica (2008) y la firma de la directiva 20/20/20 por parte de los dirigentes de la UE. Establecida en 2007 e incorporada a la legislación en 2009, que tiene como objetivos la reducción en un 20% de los gases de efecto invernadero (en relación con los niveles de 1990), un 20% de energías renovables y un 20% de mejora en la eficiencia energética. 21 Figura 5. Serie histórica del consumo de energía final en España. Si nos fijamos en la composición del mix energético, los combustibles fósiles siguen siendo la principal fuente de abastecimiento, con aproximadamente un 70% del total, siendo el petróleo la fuente principal del consumo de energía primaria en España, siendo este algo más la mitad del consumo total, el consumo de gas es algo superior al 15% sobre el total y el consumo de carbón es aproximadamente un 2% . La electricidad representa aproximadamente el 24% del consumo total, las renovables son aproximadamente un 7% del mix energético, lejos del 20% de la directiva 20/20/20 mencionada anteriormente, aunque con un crecimiento aproximadamente del 40% los últimos 20 años, como se muestra en la Tabla 4 [Consumo de energía final en España (serie histórica, kTep)] [5]. Tabla 4. Consumo de energía final en España (serie histórica, kTep). Carbón Productos petrolíferos Gas Electricidad Energías renovables Total 1990 4089 34217 4230 10817 3933 57286 1995 2581 39734 6494 12116 3255 64180 2000 1959 46499 11905 16205 3470 80038 2005 2116 53694 17695 20827 3792 98124 2010 1603 47024 14380 21049 5384 89440 2015 1515 40677 13140 19952 5315 80599 2018 1538 44315 14271 20504 6250 86878 A partir de 2015, de nuevo se empieza a observar un crecimiento anual en el consumo de energía, aunque menor que el anterior a la crisis y el establecimiento de la directiva 20/20/20. España es un país importador de energía para poder satisfacer su demanda, junto con Alemania, Italia y Francia son los mayores importadores de la Unión Europea, siendo esta de pendencia de entre , como podemos ver en la Tabla 5 [Dependencia energética en España (serie histórica)][6] 0 20000 40000 60000 80000 100000 120000 1990 1995 2000 2005 2010 2015 2018 Consumo (kTep) Año Carbón Productos petrolíferos Gas Electricidad Energías renovables Total 22 Tabla 5. Dependencia energética en España (serie histórica). Año Importación neta de energía (Mtep) Dependencia energética exterior (%) 2007 124 79.55 2009 111 79.60 2011 105 76.09 2013 90 70.06 2015 95 72.80 2017 102 73.72 Si analizamos el consumo de energía eléctrica vemos que su evolución es similar a la del consumo de energía final, es decir, un aumento hasta el año 2008 y a partir de esa fecha, cierta estabilidad, con subidas y bajadas anuales no muy significativas, como podemos comprobar en la Figura 6 [Consumo de energía eléctrica en España (serie histórica)][7]. Figura 6. Consumo de energía eléctrica en España (serie histórica). Por último, en la tabla 6 [Consumo de energía eléctrica en España (serie histórica)] [7], tenemos los valores del consumo de energía eléctrica, el más importante para nuestro estudio, en el podemos apreciar que se mantiene más o menos estable en los últimos 15 años, alrededor de 250 GWh, donde solo hubo una fuerte caída entre 2008 y 2009 y entre 2011 y 2012, por otro lado, la mayor subida de los últimos 10 años tuvo lugar entre 2014 y 2015. 180 190 200 210 220 230 240 250 260 270 20002001200220032004200520062007200820092010201120122013201420152016201720182019 Consumo anual (TWh) 23 Tabla 6. Consumo de energía eléctrica en España (serie histórica). Año Consumo anual (TWh) 2000 195 2001 206 2002 212 2003 226 2004 236 2005 246 2006 255 2007 262 2008 265 2009 253 2010 261 2011 256 2012 252 2013 246 2014 244 2015 248 2016 250 2017 253 2018 254 2019 249 1.4 Los accionamientos eléctricos Los accionamientos o motores eléctricos son dispositivos que convierten la energía eléctrica en energía mecánica, sin embargo, esta conversión no es total ya que durante el proceso se producen una serie de pérdidas, de las que se hablará más adelante. Estos motores tienen un rango de potencias muy amplio, desde los micromotores con una potencia inferior a los 0.12kW hasta los de gran tamaño con potencias superiores a los 375kW, pasando por los de pequeño (de 0.12kW a 0.75kW) y mediano tamaño (de 0.75kW a 375kW). Aparecen tanto en edificios como en la industria. Dentro de los edificios podemos destacar dos grupos, el residencial, en el cual su uso no es tan evidente y tiene menor importancia, en el están presentes en los sistemas de acondicionamiento de aire, así como en electrodomésticos y juguetes. Por otro lado, en el sector comercial, a parte del ya mencionado acondicionamiento de aire, la mayor parte es equipamiento de oficina como fotocopiadoras, y trituradoras. A nivel industrial tienen una gran variedad de aplicaciones. Enel sector transporte, su uso va desde alternadores y equipamientos auxiliares a vehículos eléctricos. También tienen aplicación en el sector agrario, cuyo uso es principalmente bombas para riego. 24 Por último, el sector industrial, donde es más evidente su uso, ya que tienen una gran variedad de aplicaciones como ventiladores, bombas y cintas transportadoras entre otros. 1.5 Clasificación Hay una gran variedad de tecnologías de motores eléctricos que podemos agrupar en dos clases, los motores de corriente continua y los de corriente alterna. Dentro de los motores de corriente continua tenemos dos grupos, los motores sin escobillas y los motores con escobillas los cuales podemos clasificar en función de tipo de excitación (en serie, en paralelo, compuesta o independiente). Por otro lado, en el grupo de los motores de corriente continua tenemos varios subgrupos, los motores síncronos, de inducción y universal, como podemos observar en la Figura 7 [Clasificación de motores eléctricos][8]. Figura 7. Clasificación de motores eléctricos. 1.5.1. Motores de corriente continua con escobillas Estos motores están diseñados para operar desde una fuente de tensión directa. Habitualmente este tipo de motor tienen las bobinas en la parte fija o estator, este bobinado produce un campo magnético cuando se le aplica un voltaje externo. El funcionamiento se basa en el giro de una armazón en el cual se colocan varios devanados separados, que se alimentan a través de escobillas que hacen contacto con el conmutador de tal forma que el campo magnético del estator y el armazón estén desalineados para generar el par máximo. La principal ventaja de este tipo de motores es la facilidad para controlar la velocidad y el par lo que hace que no sea necesaria una electrónica costosa. Sin embargo, la alta complejidad en su construcción, así como la baja fiabilidad y la necesidad de un alto Motores eléctricos Motores DC EC - PM sin escobillas Con escobillas Excitación en serie Excitación en paralelo Excitación compuesta Excitación independiente Motores AC Universal Síncronos De inducción Monofásico Trifásico 25 mantenimiento en las escobillas y el conmutador por su desgaste conllevan un mayor costo. Además, estos tienen una baja eficiencia y unas interferencias electromagnéticas altas (chispas y ozono proveniente de las escobillas). 1.5.2. Motores de corriente continua sin escobillas Los motores sin escobillas se alimentan a través de un enlace de corriente continua con energía generada en una fuente de corriente alterna, a continuación, esta energía se convierte de nuevo en corriente alterna que alimenta el motor. La principal diferencia con los motores de escobillas es que los imanes están en el rotor en lugar del estator y la conmutación se realiza de forma electrónica evitando así el uso del conmutador y las escobillas. Estos motores tienen una complejidad de construcción media, un coste entre moderado y alto en función de los materiales magnéticos utilizados. Al contrario que los motores de escobillas tienen una alta fiabilidad y eficiencia, así como unas bajas interferencias electromagnéticas. El costo de estos ha ido disminuyendo por la producción en masa, lo que los ha convertido en una gran opción, especialmente en los motores de baja potencia. 1.5.3. Motores de corriente alterna Los motores de corriente alterna están diseñados para funcionar con una fuente de energía de corriente alterna. Al igual que otros motores, disponen una parte fija, llamada estator y un rotor que gira con un espacio de aire cuidadosamente diseñado entre los dos. En ellos, podemos destacar tres grandes clases. Motores universales En primer lugar, tenemos los motores universales, son máquinas eléctricas similares a un motor bobinado corriente continua pero diseñado para funcionar con corriente continua o corriente alterna monofásica, en ellos, los bobinados del estator y del rotor del motor se conectan en serie a serie a través del rotor conmutador. Su característica más destacada es que son capaces de funcionar tanto con corriente alterna como con corriente continua. Al igual que los motores de corriente continua con escobillas tienen una alta complejidad en su construcción, así como una baja eficiencia y fiabilidad. De igual forma tiene unas interferencias electromagnéticas altas. La máxima potencia de salida de estos es bastante limitada, no es común que sean mayores de un kilovatio, por lo que su uso es principalmente aparatos domésticos y 32 Figura 11. Distribución de pérdidas típica en función de la carga. Una vez localizadas las pérdidas y los motivos que la producen, a continuación, vamos a tratar algunas medidas que permitan reducir estas pérdidas y por tanto aumentar la eficiencia. En primer lugar, podemos reducir las pérdidas en el estator disminuyendo la longitud de la cabeza de la bobina y aumentando la sección de cobre en las ranuras del estator, así como aumentar el tamaño de estas para que quepan los conductores de mayor sección. En el caso del rotor, la utilización de mayores secciones de cobre en caso de máquinas de rotor bobinado o anillos rozantes, y el aumentar el tamaño y la conductividad (sustitución de cobre por aluminio) de las barras conductoras, en caso de rotor en jaula. Para las pérdidas magnéticas o en el hierro, podemos disminuir el entrehierro del motor, mejorar el factor de bobinado y la calidad de la chapa magnética, también, aumentar la longitud del paquete magnético lo que disminuye la inducción, además de disminuir el grosor de las chapas que lo componen que producen una reducción en las pérdidas por corrientes parásitas de Foucault. Las pérdidas mecánicas pueden reducirse con el uso de ventiladores más eficientes y rodamientos más pequeños y con bajo nivel de pérdidas. Por último, las pérdidas adicionales las cuales pueden reducirse mediante un mejor diseño. 33 2.3 Marco regulatorio Debido al gran potencial de ahorro y de reducción de emisiones que conlleva el uso de motores de alto rendimiento, por esto en los últimos años diferentes países del mundo han ido desarrollando políticas que establecen unos valores mínimos de rendimiento energético para los accionamientos eléctricos (Minimun Energy Performance Standars, MEPS). Estas medidas son de gran importancia no solo por su potencial de ahorro, si no que complementan otras políticas energéticas de la Unión Europea 2050 en el que se espera conseguir un sistema energético bajo en emisiones, donde las energías renovables y la electrificación del sistema hacen que estas tomen una mayor relevancia y asegurando el suministro eléctrico, disminuyendo la dependencia energética exterior. Además, estas medidas de eficiencia conllevarían una creación de alrededor de 1.5 millones de puestos de trabajo y en torno a un millón de empleados en puestos de flexibilidad del sistema. [13] Como podemos observar en la Figura 12 [Estado de las MEPS][14][15], estas medidas son obligatorias en la mayoría de los países de la Unión Europea, también lo es en Norteamérica, México y Brasil, así como en Australia y Nueva Zelanda, en Asia solo es de obligado cumplimiento en China y Corea del Sur y en ningún país en el continente africano, posiblemente debido a su bajo desarrollo industrial. Por otro lado, la normativa respecto a este tipo de medidas está en desarrollo en países como Chile, Rusia, Arabia Saudí, así como en India, Vietnam y Japón. Figura 12. Estado de las MEPS. Estas medidas no son exactamente iguales en cada país, algunas de ellas son derivadas de la normativa de otro país, sin embargo, las podemos agrupar en cuatro grandes 34 grupos en los que habrá pocas variaciones. En primer lugar, la normativa NEMA MG1, de aplicación en EE. UU., Canadá y México, en Brasil está en vigor la NBR 17094-1, la AS/NZS 1359.5 tiene validez en Australia y Nueva Zelanda y por último la norma IEC 60034 que se aplica en los países europeos, asiáticos, el continente africano y en Sudamérica. Esto lo podemos ver con mayor claridad en la Figura 13[Normativa mundial][14][16]. Figura 13. Normativa mundial. Como hemos mencionado anteriormente, no todos los países tienen la misma normativa, y aunque usen la misma, pueden tener algunas variaciones, esto hace que no en todos se establezcan los mismos valores mínimos de eficiencia para los accionamientos eléctricos, sin embargo, podemos establecer una equivalencia entre los distintos niveles de eficiencia entre las distintas normativas, como podemos observar en la Figura 14 [Comparativa de niveles de eficiencia][16]. 35 Figura 14. Comparativa de niveles de eficiencia. Podemos destacar, como caso especial China, que a pesar de estar basado en la norma IEC 60034, establece unos valores distintos de eficiencia para los accionamientos eléctricos. En la tabla 6 [Comparativa IEC-NEMA], se comparan los valores a clase IE3 y Premium en motores de 4 polos. Podemos ver la similitud entre los valores mínimos de eficiencia entre la normativa IEC 60034 y NEMA MG1. 36 Tabla 7. Comparativa IEC-NEMA. IEC 60034 NEMA MG1 P(kW) Rendimiento (%) P(kW) Rendimiento (%) 0,75 82,5 0,74 85,5 1,1 84,1 1,10 86,5 1,5 85,3 1,47 86,5 2,2 86,7 2,21 89,5 5,5 89,6 5,52 91 11 91,4 11,03 93 15 92,1 14,71 93 18,5 92,6 18,39 93,6 22 93 22,06 94,1 30 93,6 29,42 94,1 37 93,9 36,77 94,5 45 94,2 44,13 95 55 94,6 55,16 95 75 95 73,55 95,4 90 95,2 91,94 95,4 110 95,4 110,32 95,8 200 96 220,65 95,8 250 96 257,42 95,8 315 96 330,97 96,2 355 96 367,75 96,2 La principal diferencia es la unidad de medida usada para la potencia nominal del accionamiento eléctrico, siendo el kW en la IEC y el caballo de vapor en la NEMA, impidiendo esto una comparativa más precisa, también podemos apreciar, una menor exigencia de la noma IEC en los motores de menor potencia y mayor en los de mayor potencia nominal. Esta similitud es aplicable entre las diversas normas, para todas las potencias y clases. 2.4 Normativa applicable Una vez definidas las MEPS, así como la norma en la que se basan según su localización geográfica, vamos a establecer los valores mínimos de eficiencia para los accionamientos donde las MEPS tienen un carácter obligatorio. En los países europeos y Turquía, desde el 1 de enero de 2017, el nivel mínimo es de exigencia es la clase IE3 o en su defecto, la clase IE2 con variador de frecuencia. Para Estados Unidos, México, Arabia Saudí, Taiwán y Japón se establece la clase IE3 o equivalente. 37 Algunos países establecen varios niveles mínimos en función de la potencia nominal. Canadá exige la clase Premium (equivalente a IE3) para motores menores de 150 kW y clase High (equivalente a IE2) para los de mayor potencia. La República de Corea también establece dos niveles mínimos de eficiencia, sin embargo, lo hace de forma inversa, requiere un nivel de eficiencia IE2 en el rango de 0.75 a 30 kW y una eficiencia IE3 en los motores superiores a 37 kW. De igual forma se fijan los valores mínimos en Israel, siendo estos, clase IE3 para motores entre 7.5 y 375 kW y clase IE2 para los de menor potencia nominal. Entre los países que exigen un nivel de eficiencia IE2 o equivalente encontramos a China e India, también están en este grupo Australia, Brasil, Nueva Zelanda e Irán, aunque en estos el nivel mínimo de eficiencia es solo aplicable a motores con una potencia nominal inferior a 185 kW. Por último, Costa Rica, Chile y Vietnam establecen como valor mínimo la clase IE1. Figura 15. Exigencia mínima MEPS. Para nuestro caso de estudio, la norma aplicable es la IEC 60034, esta norma es aplicable a: − Motores de inducción trifásicos de velocidad única de 50/60 Hz. − De 2 a 6 polos, con una tensión nominal de alimentación de hasta 1 kV para corriente alterna y 105 kV de corriente continua. − Con una potencia nominal entre 0.75 kW y 375 kW. − Pensados para un funcionamiento en continuo. La implementación de esta norma se ha realizado en diferentes etapas: − A partir del 16 de junio de 2011, el nivel de rendimiento de los motores con una potencia nominal entre 0.75 kW y 375 kW no podrán tener un rendimiento inferior a la clase IE2. 38 − A partir del 1 de enero de 2015, el nivel de eficiencia de los motores con una potencia nominal entre 7.5 kW y 375 kW deberán tener un rendimiento igual o superior a la clase IE3 o ser clase IE2 y estar equipados con un mando de regulación de velocidad. − Por último, desde el 1 de enero de 2017, todos los motores con una potencia nominal entre 0.75 kW y 375 kW no podrán tener un rendimiento inferior a nivel de clasificación IE3 o el nivel IE2 y estar equipados con un mando de regulación de velocidad. Una vez que conocemos a qué tipo de motores es aplicable y el nivel de clasificación necesario, necesitamos saber los distintos valores de rendimiento para las diferentes potencias. Estos rendimientos, deben ser suministrados por el fabricante y ha de ser determinado de acuerdo con la norma, para nuestro caso de estudio la IEC 60034-2-1, como se ha mencionado anteriormente. Esta norma permite calcular el rendimiento mediante varios métodos y procedimientos, entre las que podemos destacar tres.[10] − Método directo con medida del par, designado por la norma como preferente en potencias inferiores a 1 kW. − Suma de pérdidas con medida del par, designado por la norma como preferente en potencias comprendidas entre 1 kW y 150 kW. − Suma de pérdidas sin medida de par, con las pérdidas adicionales en carga asignadas. En todos estos métodos, la norma tiene los siguientes requerimientos en la precisión de la medición: − Precisión de los aparatos de medida: 0,2%. − Precisión en las medidas de par: 0,2% (debe corregirse la medida del dinamómetro, si es necesario). − Precisión en las medidas de frecuencia: 0,1%. − Precisión en las medidas de resistencia: 0,2%. − Precisión en las medidas de velocidad: 0,1% o 1 rpm. − Precisión en las medidas de temperatura: 1 ºC. De igual forma, en los ensayos donde se deba medir la resistencia del estátor se ha de proceder de la siguiente forma. Se medirá la resistencia entre los bornes de línea de conexión del motor y según la conexión la resistencia de fase será: − Conexión en estrella: Rfase = 0,5 Rmedida − Conexión en triángulo: Rfase = 1,5 Rmedida 39 Por último, para determinar la temperatura de funcionamiento a la que deber referirse la resistencia debe usarse uno de estos métodos en este orden de preferencia: − Temperatura determinada en el ensayo de resistencia a plena carga (norma 60034-1). − Temperatura medida directamente mediante sonda o termopar. − Temperatura determinada en el ensayo de resistencia a plena carga en una máquina idéntica. − Asumiendo la temperatura según la clase de aislamiento (Clase B = 95 ºC, Clase F = 115 ºC, Clase H = 135 ºC). Una vez conocemos los requerimientos necesarios para el cálculo de los métodos veremos cómo son dichos métodos. Método directo con medida del par Mediante el ensayo en carga, debe medirse: − La potencia eléctrica absorbida (Pab) − El par de salida (T) y la velocidad (Ω) Con esto se calculan directamente la potencia útil (Pu) y el rendimiento (η), siendo Ω la velocidad en rad/s: Pu=T · Ω (ecuación 5) η= Pu Pab (ecuación 6) Nota: si es necesario, la medida del par debe corregirse por la acción del dinamómetro como se indica en el anexo A de la norma. Suma de pérdidas con medida del par Se debe proceder de la siguiente forma: − Determinar las pérdidas constantes (Pctn), estas engloban las pérdidas en el hierro y las debidas a rozamiento y ventilación (Pfreg). Se obtienen mediante el ensayo de vacío, realizado a tensión y frecuencia nominal. Se calcula a partir de: Pctn =Pab0 − Pj10 (ecuación 7) Donde: Pj10 =3 · Rfase · If0 2 (ecuación 8) Siendo Pab0, la potencia absorbida en el ensayo de vacío, If0 la corriente de fase en el ensayo de vacío y Rfase la resistencia de fase a la temperatura del ensayo de vacío. − Determinación de las pérdidas en el hierro y las debidas a rozamiento y ventilación (Pfreg). Las obtenemos a partir del ensayo de vacío con al menos siete tensiones diferentes 40 incluyendo la nominal. A continuación, se representan gráficamente las perdidas constantes en función de la tensión del ensayo de vacío al cuadrado (U02). Las pérdidas por rozamiento y ventilación (Pfreg) se corresponden al punto de corte con el eje de ordenadas de la recta de regresión obtenida Figura 16 (Determinación de las perdidas por rozamiento y ventilación). Figura 16. Determinación de las perdidas por rozamiento y ventilación. Para el cálculo de las pérdidas en el hierro (Pfe) debe representarse en primer lugar, a partir del ensayo de vacío, las pérdidas obtenidas (Pfe = Pctn - Pfreg) en función de la tensión aplicada (U0). Figura 17. Determinación de las pérdidas en el hierro. 41 Las pérdidas en el hierro, para los diferentes puntos de carga, se obtienen a partir del cálculo de la tensión Ur utilizando la ecuación 9, donde los valores de tensión, corriente, resistencia y ángulo son los correspondientes al punto de carga en cuestión. Entrando en la Figura 17 (Determinación de las pérdidas en el hierro) por el valor de Ur se obtienen las correspondientes pérdidas en el hierro para el punto de carga. Ur=√(U − [√3 2 · I · R · cosφ])2+ ( √3 2 · I · R · sinφ)2 (ecuación 9) − Determinación de las pérdidas en cargas. Estas se obtienen a partir del ensayo en carga para seis valores de carga diferente, incluyendo la nominal. La temperatura del ensayo debe ser próxima a la de referencia del motor. Las pérdidas Joule en el estator (Pj1) se calculan como se muestra en la ecuación 10: Pj1 =3 · Rfase · If2 (ecuación 10) Donde, Rfase es la resistencia de fase a la temperatura de cada punto del ensayo e If, la corriente de fase en cada punto. Las pérdidas Joule en el rotor se calculan a partir de: Pj2 =(Pab − Pj1 − Pfe) ∗ s (ecuación 11) Siendo Pab la potencia absorbida y s el deslizamiento d cada punto del ensayo el cual se debe corregir a la temperatura del ensayo. − Determinación de las pérdidas adicionales en carga. Se calculan a partir del ensayo en carga, con la medida del par en cada uno de los puntos del ensayo. Una vez determinadas las pérdidas conocidas en cada punto, se determinan las pérdidas residuales (Pres) como se muestra en la ecuación 12: Pres =Pab − Pútil − Pj1 − Pj2 − Pfe − Pfreg (ecuación 12) Las pérdidas residuales se representan gráficamente en función del cuadrado del par. Se haya la recta de regresión lineal, ya que su pendiente A, junto con el par del punto de carga a calcular (T), será utilizada para el cálculo de las pérdidas de carga adicionales (Pad), como se muestra en la ecuación 13: Pad =A·T2 (ecuación 13) 48 En la actualidad se están desarrollando motores de reluctancia síncrona (SynRM), que permiten obtener un nivel de eficiencia IE5, que reduce el consumo del motor en torno a un 20% respecto a la clase IE4 [16]. Este nivel se ha conseguido gracias a este diseño SynRM que combina las ventajas de rendimiento de la tecnología de imanes permanentes con la sencillez y facilidad de mantenimiento de los motores de inducción, además con este tipo de diseño se consigue disminuir la temperatura de los cojinetes y los devanados lo que aumenta la fiabilidad y vida útil de los motores, también se consigue una disminución de ruido de estos [17]. En la Figura 20 [Rendimiento nominal por clases][18] se muestran los niveles mínimos de eficiencia para cada clase en función de la potencia nominal mencionados anteriormente para los motores de 4 polos, los más habituales en el mercado. Figura 20. Rendimiento nominal por clases. 49 3 DISTRIBUCIÓN DE MOTORES ELÉCTRICOS EN EL MERCADO ESPAÑOL En este apartado haremos un análisis del número total de motores en el mercado, así como su distribución según su eficiencia, esta información es imprescindible para el análisis energético, económico y de emisiones que se realizará en el siguiente apartado. 3.1 Introducción Como se ha visto con anterioridad, el consumo de energía eléctrica ha aumentado en los últimos años. De este consumo en torno a un 40% es debido a los motores eléctricos. En vista de comprobar los posibles ahorros es necesario conocer el número de motores en España, objetivo del estudio, tanto en número total como la distribución de estos según su potencia nominal, de igual forma es importante saber el nivel de eficiencia de estos. Como se muestra en la Tabla 12 [Evolución de la distribución de motores vendidos en el mercado español por intervalos de potencia][19] el mayor porcentaje de motores vendidos se corresponde a los de pequeña potencia nominal (<750W) que se corresponden como se ha mencionado con anterioridad a aparatos domésticos y de oficina. Por otra parte, se aprecia que el número total de motores vendidos ha tenido incrementos y decrementos en los últimos años, sin embargo, número total es menor en todos los rangos de potencia respecto al año 2000, siendo más significativa en los de potencia nominal comprendida entre 0.75 y 37 kW. 50 Tabla 12. Evolución de la distribución de motores vendidos en el mercado español por intervalos de potencia. Año P≤750 W 0.75<P≤7,5 kW 7.5<P≤37 kW 37<P≤75 kW 75 <P≤375 kW 375<P≤750 P>750 kW 2000 220251 250983 60389 ꟷ ꟷ ꟷ ꟷ 2001 171586 382194 46332 11283 ꟷ ꟷ ꟷ 2002 102229 411545 75762 ꟷ 1103 ꟷ ꟷ 2003 307633 327984 76422 ꟷ 1179 ꟷ ꟷ 2004 601801 349125 81058 ꟷ ꟷ ꟷ ꟷ 2005 610366 315592 69866 7041 ꟷ ꟷ ꟷ 2006 437473 353370 68447 7496 1822 245 1761 2007 444233 362298 68028 ꟷ 780 ꟷ 1720 2008 379036 358405 79408 ꟷ ꟷ ꟷ 468 2009 305071 253671 55836 ꟷ ꟷ ꟷ 616 2010 399814 260489 57468 ꟷ 1406 ꟷ 1063 2011 405714 285563 66787 ꟷ ꟷ ꟷ ꟷ 2012 386499 270936 76022 ꟷ ꟷ ꟷ ꟷ 2013 359956 63620 60677 ꟷ 1299 ꟷ ꟷ 2014 314800 75234 64452 ꟷ 1945 ꟷ 216 2015 210867 54995 60867 ꟷ 3698 ꟷ 73 2016 159730 52875 27082 ꟷ 3794 ꟷ 119 2017 164691 55901 24606 ꟷ ꟷ ꟷ ꟷ 2018 203311 59126 17593 ꟷ ꟷ ꟷ 533 2019 188455 35968 27676 4181 * 919 * 355 * 294 * Valores estimados 51 Podemos realizar una estimación de los motores en servicio en España, como se muestra en la Tabla 13 [Estimación de la distribución de los motores en servicio por intervalos de potencia] por semejanza al mercado europeo ya que de este si tenemos tanto la información del número total de motores vendidos como el número de motores en servicio [20]. Tabla 13. Estimación de la distribución de los motores en servicio por intervalos de potencia. Potencia nominal N.º de motores en servicio ≤750 W 1245977 0,75<P≤7,5 kW 328258 7,5<P≤37 kW 252582 37<P≤75 kW 38157 75 <P≤375 kW 8387 375<P≤750 kW 5229 P>750 kW 4330 52 3.2 Distribución según eficiencia Una vez conocido la distribución de los accionamientos eléctricos en el mercado, es necesario analizar la distribución de estos según su eficiencia para valorar su potencial de ahorro. Como se muestra en la Figura 21 [Distribución de motores según eficiencia en Europa][21] en el periodo comprendido entre 2005 y 2010 se produjo una disminución de los motores de clase IE1 produciéndose un aumento de casi igual valor en los de clase IE2 pasando de un 92 y 8% aproximadamente a un 79 y un 19% respectivamente, apareciendo por primera vez los motores de clase IE3 (o IE2+VSD), aunque con un porcentaje mínimo. En los siguientes cuatro años continuaron descendiendo los accionamientos de clase IE1 hasta un porcentaje cercano al 25%, en este periodo los motores de clase IE2 alcanzaron su pico, superior al 80% del total y los de eficiencia IE3 continuaron su pequeño crecimiento hasta el 5%. A partir de esta fecha, los motores de clase IE3 aumentaron considerablemente su cuota en el mercado, en torno al 30% del total, debido en gran parte a la normativa vigente, a costa de una bajada significativa en los accionamientos de clase IE2 y en menor medida de los de eficiencia IE1, situándose estos en valores en torno al 50 y 20% respectivamente. Figura 21. Distribución de motores según eficiencia. 53 4 AHORRO ENERGÉTICO, ECONÓMICO Y DE EMISIONES En este capítulo se va a realizar un análisis energético, económico y de reducción de emisiones que se producirían al sustituir los motores eléctricos en el mercado español por otros más eficientes, así como el cálculo de diversos indicadores económicos. 4.1 Metodología En primer lugar, tenemos que establecer los valores importantes para la definición de nuestro caso. La primera es el número de motores en servicio, así como su distribución y nivel de eficiencia, que ya hemos estimado en el apartado anterior. A continuación, realizamos la suposición de que el número de motores vendidos, los cuales también se muestran en el apartado anterior, obtenidos de las estadísticas ProdCom, se utilizan para la sustitución de los motores actualmente en servicio por otros de eficiencia IE4. Sabiendo esto, calculamos el consumo energético actual de los motores, así como el económico y de emisiones y a continuación, se realizarán los mismos cálculos hasta que se hayan sustituido todos por los de mayor eficiencia. 4.2 Recopilacion de datos Una vez establecida la metodología necesitamos recoger todos los datos para realizar nuestro estudio, en este apartado recogeremos todos los datos que nos harán falta en el apartado siguiente. Ya conocemos el número total de motores en servicio por rango de potencias, sin embargo, para calcular los consumos no es suficiente ya que los rendimientos de los motores son diferentes según la potencia nominal, el número de polos y el nivel de eficiencia de estos. En primer lugar, a falta de más información suponemos que el número de motores se reparte de forma equitativa entre todas las potencias que están agrupadas en el mismo rango. A continuación, en la Tabla 14 [Porcentaje de motores según número de polos] realizamos una estimación del reparto de los motores según el número de polos, a partir de la información en EuP Lot 11[8]. 54 Tabla 14. Porcentaje de motores según número de polos. Número de polos Porcentaje (%) 2 polos 25 4 polos 60 6 polos 10 8 polos 5 Por último, necesitamos conocer el reparto de motores según su nivel de eficiencia, el cual se muestra en la Tabla 15 [Porcentaje de motores en función de su eficiencia], obtenida a partir de la Figura 21 [Distribución de motores según eficiencia]. Tabla 15. Distribución de motores según eficiencia. Clase de eficiencia Porcentaje (%) IE1 17 IE2 53 IE3 29 IE4 1 Con estos datos ya podemos establecer el número de motores, los cuales se muestran desde la Tabla 16 a la Tabla 19. 55 Tabla 16. Número de motores de 2 polos en función de la potencia nominal y nivel de eficiencia. 2 polos Potencia nominal (kW) IE1 IE2 IE3 IE4 0,12 6619 20636 11292 389 0,18 6619 20636 11292 389 0,2 6619 20636 11292 389 0,25 6619 20636 11292 389 0,37 6619 20636 11292 389 0,4 6619 20636 11292 389 0,55 6619 20636 11292 389 0,75 6619 20636 11292 389 1,1 1993 6213 3400 117 1,5 1993 6213 3400 117 2,2 1993 6213 3400 117 3 1993 6213 3400 117 4 1993 6213 3400 117 5,5 1993 6213 3400 117 7,5 1993 6213 3400 117 11 1789 5578 3052 105 15 1789 5578 3052 105 18,5 1789 5578 3052 105 22 1789 5578 3052 105 30 1789 5578 3052 105 37 1789 5578 3052 105 45 541 1685 922 32 55 541 1685 922 32 75 541 1685 922 32 90 45 139 76 3 110 45 139 76 3 132 45 139 76 3 160 45 139 76 3 200 45 139 76 3 250 45 139 76 3 315 45 139 76 3 355 45 139 76 3 400 56 173 95 3 450 56 173 95 3 500 56 173 95 3 750 56 173 95 3 1000 184 574 314 11 56 Tabla 17. Número de motores de 4 polos en función de la potencia nominal y nivel de eficiencia. 4 polos Potencia nominal (kW) IE1 IE2 IE3 IE4 0,12 15886 49528 27100 934 0,18 15886 49528 27100 934 0,2 15886 49528 27100 934 0,25 15886 49528 27100 934 0,37 15886 49528 27100 934 0,4 15886 49528 27100 934 0,55 15886 49528 27100 934 0,75 15886 49528 27100 934 1,1 4783 14912 8160 281 1,5 4783 14912 8160 281 2,2 4783 14912 8160 281 3 4783 14912 8160 281 4 4783 14912 8160 281 5,5 4783 14912 8160 281 7,5 4783 14912 8160 281 11 4294 13387 7325 253 15 4294 13387 7325 253 18,5 4294 13387 7325 253 22 4294 13387 7325 253 30 4294 13387 7325 253 37 4294 13387 7325 253 45 1297 4045 2213 76 55 1297 4045 2213 76 75 1297 4045 2213 76 90 107 333 182 6 110 107 333 182 6 132 107 333 182 6 160 107 333 182 6 200 107 333 182 6 250 107 333 182 6 315 107 333 182 6 355 107 333 182 6 400 133 416 227 8 450 133 416 227 8 500 133 416 227 8 750 133 416 227 8 1000 442 1377 753 26 57 Tabla 18. Número de motores de 6 polos en función de la potencia nominal y nivel de eficiencia. 6 polos Potencia nominal (kW) IE1 IE2 IE3 IE4 0,12 2648 8255 4517 156 0,18 2648 8255 4517 156 0,2 2648 8255 4517 156 0,25 2648 8255 4517 156 0,37 2648 8255 4517 156 0,4 2648 8255 4517 156 0,55 2648 8255 4517 156 0,75 2648 8255 4517 156 1,1 797 2485 1360 47 1,5 797 2485 1360 47 2,2 797 2485 1360 47 3 797 2485 1360 47 4 797 2485 1360 47 5,5 797 2485 1360 47 7,5 797 2485 1360 47 11 716 2231 1221 42 15 716 2231 1221 42 18,5 716 2231 1221 42 22 716 2231 1221 42 30 716 2231 1221 42 37 716 2231 1221 42 45 216 674 369 13 55 216 674 369 13 75 216 674 369 13 90 18 56 30 1 110 18 56 30 1 132 18 56 30 1 160 18 56 30 1 200 18 56 30 1 250 18 56 30 1 315 18 56 30 1 355 18 56 30 1 400 22 69 38 1 450 22 69 38 1 500 22 69 38 1 750 22 69 38 1 1000 74 229 126 4 64 Tabla 25. Consumo energético (GWh/año) en motores de 2 polos. 2 polos Potencia nominal (kW) IE1 IE2 IE3 IE4 0,12 4,41 11,55 5,57 0,18 0,18 5,64 15,37 7,71 0,25 0,20 6,06 16,67 8,40 0,27 0,25 7,11 19,90 10,13 0,33 0,37 9,58 27,47 14,15 0,46 0,40 10,20 29,31 15,14 0,49 0,55 13,19 38,29 19,96 0,66 0,75 17,21 49,99 26,24 0,87 1,1 8,77 25,76 13,57 0,45 1,5 11,62 34,39 18,17 0,61 2,2 16,50 49,29 26,12 0,88 3 22,01 66,10 35,13 1,18 4 28,78 86,90 46,31 1,56 5,5 38,82 117,84 62,89 2,13 7,5 52,14 158,69 84,90 2,88 11 67,40 205,89 110,44 3,75 15 90,77 277,97 149,45 5,08 18,5 111,19 340,56 183,32 6,23 22 131,35 403,22 217,30 7,39 30 177,53 545,66 294,41 10,02 37 326,63 1004,01 542,33 18,48 45 119,37 367,35 198,65 6,78 55 145,26 447,54 242,02 8,26 75 240,54 741,12 401,67 13,72 90 23,72 73,07 39,60 1,35 110 28,89 89,12 48,30 1,65 132 37,74 116,30 63,10 2,16 160 45,60 140,67 76,33 2,61 200 56,88 175,46 95,21 3,26 250 71,10 219,33 119,01 4,07 315 89,59 276,36 149,95 5,13 355 100,96 311,45 168,99 5,79 400 141,85 437,58 237,43 8,13 450 159,58 492,28 267,11 9,14 500 177,31 546,98 296,79 10,16 750 332,46 1025,59 556,49 19,05 1000 1468,28 4529,41 2457,66 84,13 65 Tabla 26. Consumo energético (GWh/año) en motores de 4 polos. 4 polos Potencia nominal (kW) IE1 IE2 IE3 IE4 0,12 9,53 25,14 12,55 0,40 0,18 12,54 34,45 17,45 0,56 0,20 13,58 37,58 19,06 0,62 0,25 16,14 45,19 23,04 0,75 0,37 22,26 63,02 32,43 1,07 0,40 23,78 67,38 34,74 1,14 0,55 31,21 88,33 46,12 1,53 0,75 41,31 116,66 61,59 2,04 1,1 21,05 60,46 32,02 1,06 1,5 27,88 81,05 43,05 1,44 2,2 39,61 116,75 62,11 2,07 3 52,82 156,97 83,74 2,80 4 69,07 206,64 110,51 3,71 5,5 93,18 280,56 150,26 5,05 7,5 125,14 378,27 203,09 6,84 11 161,76 491,94 264,46 8,93 15 217,84 664,91 357,89 12,18 18,5 266,87 814,66 439,02 14,88 22 315,24 964,55 519,83 17,64 30 426,08 1305,33 704,32 23,95 37 783,92 2404,43 1298,82 44,18 45 286,49 879,74 475,75 16,20 55 348,63 1070,64 579,01 19,74 75 577,29 1774,91 960,95 32,79 90 56,92 175,19 94,85 3,24 110 69,34 213,44 115,68 3,95 132 90,58 278,82 151,12 5,17 160 109,44 337,25 182,80 6,25 200 136,51 420,67 228,02 7,81 250 170,64 525,84 285,03 9,76 315 215,01 662,56 359,13 12,29 355 242,31 746,69 404,74 13,86 400 340,44 1049,10 568,65 19,47 450 383,00 1180,24 639,74 21,90 500 425,55 1311,37 710,82 24,33 750 797,91 2458,83 1332,78 45,63 1000 3523,88 10859,15 5886,09 201,50 66 Tabla 27. Consumo energético (GWh/año) en motores de 6 polos. 6 polos Potencia nominal (kW) IE1 IE2 IE3 IE4 0,12 2,07 4,89 2,35 0,07 0,18 2,62 6,56 3,18 0,10 0,20 2,78 7,09 3,45 0,11 0,25 3,18 8,38 4,12 0,13 0,37 4,10 11,30 5,68 0,18 0,40 4,33 12,00 6,07 0,20 0,55 5,53 15,53 8,04 0,26 0,75 7,09 20,39 10,73 0,35 1,1 3,61 10,50 5,54 0,18 1,5 4,77 14,02 7,42 0,25 2,2 6,77 20,05 10,65 0,35 3 9,00 26,85 14,30 0,48 4 11,75 35,25 18,80 0,63 5,5 15,83 47,68 25,50 0,85 7,5 21,18 64,13 34,34 1,16 11 27,33 83,01 44,61 1,51 15 36,72 111,93 60,24 2,04 18,5 44,83 136,98 73,89 2,50 22 52,95 162,00 87,39 2,97 30 71,41 218,98 118,27 4,02 37 131,23 402,91 217,86 7,42 45 47,90 147,26 79,71 2,72 55 58,23 179,21 97,01 3,31 75 96,32 296,77 160,84 5,50 90 9,50 29,26 15,86 0,54 110 11,56 35,65 19,34 0,66 132 15,10 46,52 25,24 0,86 160 18,24 56,27 30,53 1,05 200 22,75 70,19 38,08 1,31 250 28,44 87,73 47,60 1,63 315 35,83 110,54 59,98 2,05 355 40,38 124,58 67,60 2,31 400 56,74 175,03 94,97 3,25 450 63,83 196,91 106,85 3,65 500 70,93 218,79 118,72 4,06 750 132,98 410,24 222,59 7,61 1000 587,31 1811,76 983,06 33,62 67 Tabla 28. Consumo energético (GWh/año) en motores de 8 polos. 8 polos Potencia nominal (kW) IE1 IE2 IE3 IE4 0,12 1,28 3,11 1,34 0,04 0,18 1,57 4,05 1,73 0,05 0,20 1,67 4,35 1,86 0,06 0,25 1,91 5,10 2,20 0,07 0,37 2,46 6,81 3,01 0,10 0,40 2,60 7,22 3,22 0,10 0,55 3,24 9,20 4,25 0,14 0,75 4,06 11,69 5,65 0,19 1,1 1,98 5,79 2,89 0,10 1,5 2,56 7,55 3,84 0,13 2,2 3,55 10,57 5,48 0,18 3 4,66 13,98 7,33 0,25 4 6,04 18,21 9,62 0,32 5,5 8,08 24,47 13,02 0,44 7,5 10,79 32,78 17,52 0,59 11 13,89 42,36 22,74 0,77 15 18,68 57,05 30,66 1,04 18,5 22,85 69,88 37,60 1,27 22 27,02 82,63 44,47 1,51 30 36,47 111,81 60,17 2,04 37 67,09 205,69 110,71 3,76 45 24,54 75,25 40,51 1,38 55 29,83 91,67 49,35 1,68 75 49,39 151,78 81,71 2,78 90 4,86 14,96 8,06 0,27 110 5,92 18,21 9,82 0,33 132 7,71 23,76 12,81 0,44 160 9,31 28,68 15,48 0,53 200 11,56 35,66 19,28 0,66 250 14,45 44,57 24,10 0,82 315 18,21 56,16 30,37 1,04 355 20,52 63,29 34,23 1,17 400 28,83 88,92 48,09 1,64 450 32,43 100,04 54,10 1,85 500 36,04 111,15 60,11 2,06 750 67,57 208,41 112,71 3,85 1000 298,42 920,41 497,77 17,02 68 Como se muestra en la Figura 25 [Consumo energético (GWh/año) según rango de potencia nominal] el consumo principal se produce en los motores de 4 polos ya que son los que más presencia tienen en el mercado, en cuanto a rango de potencias el mayor consumo se produce en los de potencia superior a 750 kW, tras estos se encuentran los de potencia situada entre 7,5 kW y 37 kW, donde la mayor presencia de estos en el mercado hace que su consumo sea mayor que los de potencia superior a ellos a excepción de los de más de 750 kW mencionados anteriormente. Figura 25. Consumo energético (GWh/año) según rango de potencia nominal. Para el calcular el coste que supone este consumo energético, usamos el precio de la energía eléctrica del último año que es de 0,13235 €/kWh (Tabla 23). Estos costes se muestran de la Tabla 29 a la Tabla 32. 0 5000 10000 15000 20000 25000 P<= 750 W 0,75 kW < P <= 7,5 kW 7,5 kW < P <= 37 kW 37 kW< P <= 75 kW 75 kW< P <= 375 kW 375 kW< P <= 750 kW P > 750 kW Consumo energético (GWh/año) 2 polos 4 polos 6 polos 8 polos 69 Tabla 29. Coste económico (M€/año) en motores de 2 polos. 2 polos Potencia nominal (kW) IE1 IE2 IE3 IE4 0,12 0,58 1,53 0,74 0,02 0,18 0,75 2,03 1,02 0,03 0,2 0,80 2,21 1,11 0,04 0,25 0,94 2,63 1,34 0,04 0,37 1,27 3,64 1,87 0,06 0,4 1,35 3,88 2,00 0,06 0,55 1,75 5,07 2,64 0,09 0,75 2,28 6,62 3,47 0,12 1,1 1,16 3,41 1,80 0,06 1,5 1,54 4,55 2,40 0,08 2,2 2,18 6,52 3,46 0,12 3 2,91 8,75 4,65 0,16 4 3,81 11,50 6,13 0,21 5,5 5,14 15,60 8,32 0,28 7,5 6,90 21,00 11,24 0,38 11 8,92 27,25 14,62 0,50 15 12,01 36,79 19,78 0,67 18,5 14,72 45,07 24,26 0,82 22 17,38 53,37 28,76 0,98 30 23,50 72,22 38,97 1,33 37 43,23 132,88 71,78 2,45 45 15,80 48,62 26,29 0,90 55 19,23 59,23 32,03 1,09 75 31,84 98,09 53,16 1,82 90 3,14 9,67 5,24 0,18 110 3,82 11,80 6,39 0,22 132 4,99 15,39 8,35 0,29 160 6,04 18,62 10,10 0,35 200 7,53 23,22 12,60 0,43 250 9,41 29,03 15,75 0,54 315 11,86 36,58 19,85 0,68 355 13,36 41,22 22,37 0,77 400 18,77 57,91 31,42 1,08 450 21,12 65,15 35,35 1,21 500 23,47 72,39 39,28 1,34 750 44,00 135,74 73,65 2,52 1000 194,33 599,47 325,27 11,13 70 Tabla 30. Coste económico (M€/año) en motores de 4 polos. 4 polos Potencia nominal (kW) IE1 IE2 IE3 IE4 0,12 1,26 3,33 1,66 0,05 0,18 1,66 4,56 2,31 0,07 0,2 1,80 4,97 2,52 0,08 0,25 2,14 5,98 3,05 0,10 0,37 2,95 8,34 4,29 0,14 0,4 3,15 8,92 4,60 0,15 0,55 4,13 11,69 6,10 0,20 0,75 5,47 15,44 8,15 0,27 1,1 2,79 8,00 4,24 0,14 1,5 3,69 10,73 5,70 0,19 2,2 5,24 15,45 8,22 0,27 3 6,99 20,77 11,08 0,37 4 9,14 27,35 14,63 0,49 5,5 12,33 37,13 19,89 0,67 7,5 16,56 50,06 26,88 0,91 11 21,41 65,11 35,00 1,18 15 28,83 88,00 47,37 1,61 18,5 35,32 107,82 58,10 1,97 22 41,72 127,66 68,80 2,33 30 56,39 172,76 93,22 3,17 37 103,75 318,23 171,90 5,85 45 37,92 116,43 62,97 2,14 55 46,14 141,70 76,63 2,61 75 76,40 234,91 127,18 4,34 90 7,53 23,19 12,55 0,43 110 9,18 28,25 15,31 0,52 132 11,99 36,90 20,00 0,68 160 14,48 44,64 24,19 0,83 200 18,07 55,68 30,18 1,03 250 22,58 69,59 37,72 1,29 315 28,46 87,69 47,53 1,63 355 32,07 98,82 53,57 1,83 400 45,06 138,85 75,26 2,58 450 50,69 156,20 84,67 2,90 500 56,32 173,56 94,08 3,22 750 105,60 325,43 176,39 6,04 1000 466,39 1437,21 779,02 26,67 71 Tabla 31. Coste económico (M€/año) en motores de 6 polos. 6 polos Potencia nominal (kW) IE1 IE2 IE3 IE4 0,12 0,27 0,65 0,31 0,01 0,18 0,35 0,87 0,42 0,01 0,2 0,37 0,94 0,46 0,01 0,25 0,42 1,11 0,55 0,02 0,37 0,54 1,50 0,75 0,02 0,4 0,57 1,59 0,80 0,03 0,55 0,73 2,06 1,06 0,03 0,75 0,94 2,70 1,42 0,05 1,1 0,48 1,39 0,73 0,02 1,5 0,63 1,86 0,98 0,03 2,2 0,90 2,65 1,41 0,05 3 1,19 3,55 1,89 0,06 4 1,56 4,67 2,49 0,08 5,5 2,10 6,31 3,37 0,11 7,5 2,80 8,49 4,54 0,15 11 3,62 10,99 5,90 0,20 15 4,86 14,81 7,97 0,27 18,5 5,93 18,13 9,78 0,33 22 7,01 21,44 11,57 0,39 30 9,45 28,98 15,65 0,53 37 17,37 53,33 28,83 0,98 45 6,34 19,49 10,55 0,36 55 7,71 23,72 12,84 0,44 75 12,75 39,28 21,29 0,73 90 1,26 3,87 2,10 0,07 110 1,53 4,72 2,56 0,09 132 2,00 6,16 3,34 0,11 160 2,41 7,45 4,04 0,14 200 3,01 9,29 5,04 0,17 250 3,76 11,61 6,30 0,22 315 4,74 14,63 7,94 0,27 355 5,34 16,49 8,95 0,31 400 7,51 23,17 12,57 0,43 450 8,45 26,06 14,14 0,48 500 9,39 28,96 15,71 0,54 750 17,60 54,30 29,46 1,01 1000 77,73 239,79 130,11 4,45 72 Tabla 32. Coste económico (M€/año) en motores de 8 polos. 8 polos Potencia nominal (kW) IE1 IE2 IE3 IE4 0,12 0,17 0,41 0,18 0,01 0,18 0,21 0,54 0,23 0,01 0,2 0,22 0,58 0,25 0,01 0,25 0,25 0,67 0,29 0,01 0,37 0,33 0,90 0,40 0,01 0,4 0,34 0,96 0,43 0,01 0,55 0,43 1,22 0,56 0,02 0,75 0,54 1,55 0,75 0,03 1,1 0,26 0,77 0,38 0,01 1,5 0,34 1,00 0,51 0,02 2,2 0,47 1,40 0,73 0,02 3 0,62 1,85 0,97 0,03 4 0,80 2,41 1,27 0,04 5,5 1,07 3,24 1,72 0,06 7,5 1,43 4,34 2,32 0,08 11 1,84 5,61 3,01 0,10 15 2,47 7,55 4,06 0,14 18,5 3,02 9,25 4,98 0,17 22 3,58 10,94 5,89 0,20 30 4,83 14,80 7,96 0,27 37 8,88 27,22 14,65 0,50 45 3,25 9,96 5,36 0,18 55 3,95 12,13 6,53 0,22 75 6,54 20,09 10,81 0,37 90 0,64 1,98 1,07 0,04 110 0,78 2,41 1,30 0,04 132 1,02 3,14 1,70 0,06 160 1,23 3,80 2,05 0,07 200 1,53 4,72 2,55 0,09 250 1,91 5,90 3,19 0,11 315 2,41 7,43 4,02 0,14 355 2,72 8,38 4,53 0,15 400 3,82 11,77 6,36 0,22 450 4,29 13,24 7,16 0,24 500 4,77 14,71 7,96 0,27 750 8,94 27,58 14,92 0,51 1000 39,50 121,82 65,88 2,25 73 En la Figura 26 [Coste económico (M€/año)], vemos que el coste económico se distribuye de igual forma que el coste energético por los mismos motivos que este, mencionados con anterioridad. Figura 26.Coste económico (M€/año) Por último, las emisiones de CO2 las calculamos con el coeficiente de paso a emisiones, el cual tiene un valor de 0,19 tCO2eq/MWh (Tabla 22). De forma análoga al coste económico, los valores de las emisiones se muestran a continuación de la Tabla 33 a la Tabla 36. 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 P<= 750 W 0,75 kW < P <= 7,5 kW 7,5 kW < P <= 37 kW 37 kW< P <= 75 kW 75 kW< P <= 375 kW 375 kW< P <= 750 kW P > 750 kW Coste económico (M€/año) 2 polos 4 polos 6 polos 8 polos 80 Tabla 39. Coste económico (M€/año) situación final. Potencia nominal (kW) 2 polos 4 polos 6 polos 8 polos 0,12 2,32 5,32 0,95 0,50 0,18 3,28 7,45 1,32 0,69 0,2 3,58 8,16 1,44 0,75 0,25 4,33 9,92 1,74 0,91 0,37 6,10 14,11 2,44 1,28 0,4 6,53 15,14 2,62 1,38 0,55 8,69 20,27 3,50 1,84 0,75 11,57 27,06 4,67 2,46 1,1 6,01 14,09 2,42 1,27 1,5 8,07 19,00 3,25 1,69 2,2 11,64 27,46 4,69 2,42 3 15,67 37,07 6,30 3,25 4 20,69 49,05 8,32 4,28 5,5 28,16 66,86 11,32 5,80 7,5 38,07 90,48 15,30 7,82 11 49,64 118,24 19,92 10,17 15 67,18 161,23 26,99 13,75 18,5 82,50 196,96 33,11 16,86 22 97,80 233,47 39,24 19,96 30 132,66 317,03 53,23 27,05 37 244,64 584,66 98,17 49,82 45 89,71 214,39 35,96 18,25 55 109,29 261,21 43,81 22,23 75 181,59 433,99 72,79 36,86 90 17,92 42,88 7,18 3,64 110 21,86 52,30 8,76 4,43 132 28,56 68,40 11,45 5,79 160 34,58 82,73 13,85 7,00 200 43,14 103,31 17,29 8,73 250 53,92 129,14 21,57 10,91 315 67,94 162,71 27,15 13,74 355 76,57 183,38 30,59 15,49 400 107,57 257,64 42,98 21,76 450 121,02 289,85 48,36 24,48 500 134,47 322,05 53,73 27,20 750 252,13 603,85 100,75 51,01 1000 1113,49 2666,85 444,93 225,27 81 Tabla 40. Emisiones (ktCO2/año) situación final. Potencia nominal (kW) 2 polos 4 polos 6 polos 8 polos 0,12 3,34 7,63 1,37 0,71 0,18 4,70 10,70 1,90 0,99 0,2 5,14 11,71 2,07 1,08 0,25 6,22 14,25 2,50 1,31 0,37 8,76 20,25 3,51 1,84 0,4 9,38 21,73 3,76 1,98 0,55 12,48 29,10 5,03 2,64 0,75 16,61 38,85 6,71 3,54 1,1 8,63 20,23 3,48 1,82 1,5 11,59 27,28 4,67 2,43 2,2 16,71 39,42 6,73 3,48 3 22,50 53,22 9,05 4,67 4 29,70 70,42 11,95 6,14 5,5 40,43 95,98 16,24 8,32 7,5 54,65 129,90 21,96 11,22 11 71,26 169,74 28,60 14,60 15 96,44 231,47 38,74 19,73 18,5 118,44 282,75 47,53 24,20 22 140,40 335,17 56,34 28,66 30 190,44 455,13 76,42 38,83 37 351,20 839,33 140,92 71,52 45 128,78 307,78 51,62 26,20 55 156,90 374,99 62,89 31,92 75 260,68 623,03 104,49 52,91 90 25,73 61,56 10,31 5,22 110 31,38 75,08 12,58 6,36 132 41,00 98,19 16,43 8,31 160 49,64 118,77 19,88 10,05 200 61,92 148,31 24,82 12,53 250 77,41 185,39 30,96 15,66 315 97,53 233,59 38,97 19,73 355 109,92 263,25 43,92 22,24 400 154,43 369,87 61,71 31,24 450 173,74 416,10 69,42 35,15 500 193,04 462,34 77,14 39,05 750 361,95 866,88 144,63 73,22 1000 1598,51 3828,49 638,74 323,39 82 En la Figura 28 [Consumos en la situación final] donde todos los motores son de eficiencia IE4, se muestran los consumos, tanto energético como económico así como las emisiones producidas. Figura 28. Consumos en la situación final. Si comparamos la situación inicial con la final, vemos que se producen unos ahorros energéticos de 2,19 TWh/año y de 12966,5 ktCO2eq de emisiones por lo que desde estos dos puntos de vista resulta interesante realizar la sustitución, sin embargo, la forma para que un proyecto se realice es que este sea rentable desde el punto de vista económico, por lo que a continuación vamos a calcular algunos indicadores económicos para ver la viabilidad de la sustitución de los motores por los de mayor eficiencia. 4.4 Indicadores económicos Vamos a analizar el tiempo de retorno o payback, el valor actualizado neto y la tasa interna de retorno. Estos indicadores son de los más utilizados a la hora de evaluar económicamente la rentabilidad de un proyecto. Tiempo de retorno. El tiempo de retorno o payback (PB), es el tiempo que se tarda en recuperar la inversión inicial a partir de los beneficios obtenidos por el proyecto. Habitualmente varía entre meses y años en función del tipo de proyecto que se esté realizando. Este indicador es bastante sencillo de aplicar por lo que es especialmente útil en proyectos de corta duración, ya que no tiene en cuenta el valor temporal del dinero, así como para hacer una primera aproximación de la rentabilidad del proyecto. Se calcula como: 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 P<= 750 W 0,75 kW < P <= 7,5 kW 7,5 kW < P <= 37 kW 37 kW< P <= 75 kW 75 kW< P <= 375 kW 375 kW< P <= 750 kW P > 750 kW Consumos en la situación final Consumo energético (GWh/año) Coste económico (M€/año) Emisiones (ktCO2/año) 83 𝑃𝐵= inversión inicial promedio flujo de caja (ecuación 18) En nuestro caso, la inversión es el coste de cambiar los motores por los de clase IE4, que obtenemos mediante el número de motores que se muestran desde la Tabla 16 a la Tabla 19 unido al coste unitario de los motores que está reflejado en la Tabla 24, el cual se muestra en la Tabla 41 [Inversión para la sustitución de los motores eléctricos (M€) en función de la potencia nominal (kW)]. 84 Tabla 41. Inversión para la sustitución de los motores eléctricos (M€) en función de la potencia nominal (kW). Potencia nominal (kW) 2 polos 4 polos 6 polos 8 polos 0,12 2,39 5,18 0,76 0,55 0,18 2,24 5,55 0,96 0,54 0,2 2,31 5,74 1,02 0,62 0,25 2,39 5,92 1,06 0,69 0,37 2,70 6,57 1,11 0,83 0,4 2,89 6,66 1,22 0,90 0,55 3,05 6,75 1,31 0,97 0,75 5,44 13,32 2,64 1,47 1,1 2,97 6,30 0,90 0,57 1,5 2,34 9,14 1,05 0,66 2,2 4,29 10,84 1,25 0,79 3 3,84 12,26 1,34 1,03 4 6,02 15,04 1,81 1,14 5,5 4,67 18,80 3,15 1,46 7,5 9,55 23,65 2,90 1,76 11 9,27 22,83 3,70 2,68 15 13,29 32,51 5,41 3,47 18,5 16,14 40,86 6,38 3,48 22 18,36 46,41 7,65 3,98 30 22,97 60,71 9,20 5,38 37 30,17 60,74 10,27 6,59 45 7,73 25,42 3,96 2,39 55 11,56 27,00 4,82 2,75 75 12,82 35,74 6,02 3,86 90 1,23 3,35 0,64 0,38 110 1,30 2,93 0,77 0,45 132 1,70 3,82 0,92 0,53 160 2,10 4,70 1,01 0,69 200 2,55 5,60 1,39 0,92 250 3,84 6,70 1,87 1,17 315 4,26 7,58 2,11 1,36 355 4,95 8,54 2,44 1,58 400 7,03 11,84 3,44 2,23 450 9,41 17,87 3,62 3,57 500 9,26 17,41 4,62 3,95 750 17,81 40,87 9,26 5,23 1000 83,59 186,41 38,17 19,48 Total 348,45 821,53 150,15 90,12 85 El promedio de flujo de caja es el ahorro económico que se consigue con esta sustitución, que se muestra en la Tabla 42 [Ahorro económico obtenido (M€) en función de la potencia nominal (kW)] Tabla 42. Ahorro económico obtenido (M€) en función de la potencia nominal (kW). Potencia nominal (kW) 2 polos 4 polos 6 polos 8 polos 0,12 2,39 4,29 1,01 1,16 0,18 2,43 5,01 1,13 1,26 0,2 2,49 5,29 1,17 1,30 0,25 2,71 5,85 1,24 1,38 0,37 3,19 7,02 1,37 1,55 0,4 3,34 7,30 1,40 1,58 0,55 3,69 8,08 1,49 1,69 0,75 3,96 9,88 1,71 1,70 1,1 1,51 3,89 0,67 0,57 1,5 1,82 4,73 0,82 0,62 2,2 2,34 6,27 1,08 0,70 3 2,88 7,78 1,35 0,79 4 3,47 9,27 1,60 0,91 5,5 4,26 11,46 1,99 1,05 7,5 5,26 14,24 2,41 1,25 11 5,96 16,19 2,78 1,40 15 7,51 16,60 3,06 1,71 18,5 8,61 22,70 3,83 2,02 22 9,75 25,53 4,26 2,30 30 12,15 30,85 5,10 2,95 37 13,78 36,42 5,90 3,47 45 4,59 12,26 1,98 1,22 55 5,53 14,20 2,27 1,46 75 6,55 17,50 2,71 1,88 90 0,61 1,62 0,25 0,18 110 0,73 1,89 0,29 0,21 132 0,84 2,14 0,33 0,23 160 0,94 2,55 0,39 0,26 200 1,17 2,98 0,46 0,29 250 1,47 3,73 0,61 0,37 315 1,85 4,70 0,79 0,46 355 2,08 5,29 0,89 0,52 400 2,93 7,44 1,25 0,73 450 3,29 8,36 1,41 0,82 500 3,66 9,29 1,56 0,92 750 5,49 13,94 2,34 1,37 1000 24,24 61,57 10,35 6,06 86 Con estas dos tablas, podemos obtener el tiempo de retorno, el cual se presenta a continuación en la Tabla 43 [Tiempo de retorno (años) en función de la potencia nominal (kW)]. Tabla 43. Tiempo de retorno (años) en función de la potencia nominal (kW). Potencia nominal (kW) 2 polos 4 polos 6 polos 8 polos 0,12 1,00 1,21 0,75 0,47 0,18 0,92 1,11 0,84 0,43 0,2 0,93 1,08 0,87 0,48 0,25 0,88 1,01 0,86 0,50 0,37 0,84 0,94 0,81 0,54 0,4 0,87 0,91 0,87 0,57 0,55 0,83 0,84 0,88 0,58 0,75 1,37 1,35 1,54 0,87 1,1 1,97 1,62 1,34 1,00 1,5 1,29 1,93 1,27 1,06 2,2 1,84 1,73 1,16 1,13 3 1,33 1,58 0,99 1,30 4 1,73 1,62 1,13 1,25 5,5 1,09 1,64 1,59 1,39 7,5 1,82 1,66 1,21 1,41 11 1,55 1,41 1,33 1,91 15 1,77 1,96 1,77 2,03 18,5 1,87 1,80 1,67 1,72 22 1,88 1,82 1,80 1,73 30 1,89 1,97 1,80 1,83 37 2,19 1,67 1,74 1,90 45 1,68 2,07 2,00 1,96 55 2,09 1,90 2,13 1,89 75 1,96 2,04 2,22 2,05 90 2,03 2,07 2,54 2,19 110 1,78 1,55 2,67 2,20 132 2,01 1,79 2,79 2,29 160 2,22 1,84 2,57 2,67 200 2,17 1,88 3,06 3,12 250 2,61 1,80 3,08 3,20 315 2,31 1,62 2,67 2,95 355 2,38 1,61 2,74 3,03 400 2,40 1,59 2,75 3,05 450 2,86 2,14 2,57 4,33 500 2,53 1,87 2,96 4,32 750 3,24 2,93 3,95 3,81 1000 3,45 3,03 3,69 3,21 87 Teniendo en cuenta que el tiempo de retorno es bajo, alrededor de un año en los motores de pequeña potencia donde la vida útil es de unos diez años, dos años en los de media potencia los cuales tienen una duración que va de doce a quince años y aproximadamente tres años en los de mayor potencia donde su vida útil ronda los veinte años, podemos ver en una primera estimación la rentabilidad de la sustitución de los motores eléctricos por otros de alto rendimiento. Valor actualizado neto y tasa interna de retorno. A continuación, vamos a usar los otros dos indicadores mencionados anteriormente, el valor actualizado neto (VAN) y la tasa interna de retorno (TIR), ambos miden la rentabilidad de un proyecto a partir de los flujos de caja del proyecto, de forma simplificada, los ingresos menos los gastos netos. Para su cálculo, necesitamos saber la inversión inicial, I, los flujos de caja, Qn, de todos los años que tenga de duración del proyecto, N, y la tasa de descuento, d: VAN=-I+∑Qn (1+d)n N n=1 Para que un proyecto sea rentable desde el punto de vista del VAN basta con que el resultado de este sea positivo. La tasa interna de retorno es el tipo de interés o tasa de descuento que hace que el VAN sea cero. 0=-I+∑Qn (1+TIR)n N n=1 Para saber la rentabilidad de un proyecto mediante la TIR, cuanto mayor sea, mayor rentabilidad obtendremos, habitualmente se suelen denominar rentables productos con una TIR superior al 10%. Para nuestro caso de estudio, separamos los motores en cuatro grupos, en función de su vida útil, los de potencia inferior a 1,1 kW, los de potencia entre 1,1 kW y 11 kW, los que se encuentran entre 11 kW y 110 kW y los de potencia superior a 110 kW, también debemos tener en cuenta el tiempo que tardan en realizarse la sustitución total de todos los motores que ya se ha mencionado anteriormente en el trabajo, ya que los rangos de potencias son distintos. Para nuestro caso de estudio, la inversión inicial, I, se realiza de forma escalonada en diez años, ya que no es realista que la sustitución de todos los motores eléctricos de un país se sustituyan a la misma vez. Los flujos de caja, Qn, es el ahorro económico conseguido mediante la sustitución de los motores eléctricos por los de alto rendimiento, el cual irá aumentando a medida que se vayan sustituyendo los motores. 88 Por último, usaremos una tasa de descuento, d, del 10% a lo largo de la vida útil de los motores, la cuales se muestran en la Tabla 21 [Vida media en función de la potencia nominal]. Los valores para el cálculo del valor actualizado neto y la tasa interna de retorno se muestran en la Tabla 44 [Inversión y flujos de caja] Tabla 44. inversión y flujos de caja. Año Inversión Ahorro Qn Inicial 140,47 -140,47 1 140,47 28,81 -111,66 2 140,47 57,61 -82,85 3 140,47 86,42 -54,05 4 140,47 122,83 -17,63 5 140,47 151,64 11,17 6 140,47 180,44 39,98 7 125,84 208,07 82,23 8 125,84 233,39 107,55 9 33,90 255,94 222,04 10 50,99 263,55 212,57 11 70,61 271,16 200,55 12 70,61 278,77 208,16 13 70,61 289,27 218,67 14 36,70 289,27 252,57 15 98,56 289,27 190,71 16 98,56 289,27 190,71 17 83,94 289,27 205,34 18 83,94 289,27 205,34 19 81,48 289,27 207,79 20 61,86 289,27 227,41 Una vez realizados los cálculos [27] para nuestro caso de estudio, obtenemos un valor de 433.86 M€ para el valor actualizado neto, valor positivo y una tasa interna de retorno del 18.3%, superior a la tasa de descuento habitual, unido al tiempo de retorno el cual calculamos anteriormente, podemos concluir que la sustitución de los motores menos eficientes por los de clase IE4 es un proyecto con una rentable. 89 5 CONCLUSIONES 1. El consumo de energía mundial sigue creciendo en los últimos años y la energía eléctrica lo hace de igual forma. La mayor parte del consumo de esta última proviene de los motores eléctricos por lo que resulta interesante realizar un estudio sobre el ahorro que podemos llegar a conseguir sustituyendo estos por otros de mejor eficiencia. 2. Los motores eléctricos disponen de una gran variedad de modelos, así como un amplio rango de potencias, por lo que es conociendo las características de estos podremos elegir el que mejor se adapte a la función para el cual va a ser utilizado. 3. En la actualidad la legislación exige un nivel mínimo de eficiencia el cual va aumentando periódicamente. Esto unido al paquete de medidas sobre clima y energía hasta 2020, establecida por la Unión Europea en 2007 en la cual aparece un ahorro del 20% en el consumo de energía y una reducción del 20% en las emisiones hacen de la sustitución de los accionamientos eléctricos una opción más que interesante. 4. Estas medidas unidas al fomento de las renovables, y a la electrificación del sistema hacen que los motores de alto rendimiento adquieran aun mayor valor, además estas a parte del ahorro energético, económico y de emisiones, fomenta la generación de empleo, directo y en flexibilidad del sistema. 5. Por último, teniendo en cuenta que el tiempo de retorno es muy pequeño en comparación con la vida útil del motor eléctrico y que los valores del valor actualizado neto y la tasa interna de retorno son altos, añadido a las políticas tomadas por la Unión Europea para los próximos años, hacen que la sustitución por motores de alta eficiencia sea una opción más que interesante.