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UNIVERSIDAD NACIONAL AUTÓNOMA DE MÉXICO
FACULTAD DE INGENIERÍA
División de Ingeniería Eléctrica
AHORRO DE ENERGÍA EN LA SELECCIÓN Y OPERACIÓN DE
MOTORES ELÉCTRICOS: CASO DE ESTUDIO PLANTA QUÍMICA
ENMEX.
TESIS
QUE PARA OBTENER EL TÍTULO DE: INGENIERO ELÉCTRICO ELECTRÓNICO
PRESENTAN: AMADOR CABRERA RAYMUNDO GARCÍA SALAZAR ALFREDO MAYO RAMÍREZ LETZY MARIANA PINELO BOLAÑOS JESÚS REYES ROMERO JUAN CARLOS
PROFESOR ASESOR: DR. GABRIEL LEÓN DE LOS SANTOS
México D.F. 2012
AGRADECIMIENTOS.
Cinco pilares tengo en mi vida. El más importante sin duda es mi madre, quien no solo me ha protegido y dado lo mejor de si, sino también me ha enseñado las mejores cosas de la vida… amar, reír, disfrutar. Te amo mamí, gracias por darme desde siempre la libertad de tomar mis propias decisiones y dejarme hacer las cosas a mi manera.
Padre, eres enojón pero admirable. Gracias por aguantar todos mis des$%”&es y mis malas elecciones, por enseñarme que un Ingeniero es aquella persona que hace con un tornillo lo que otra hace con dos o más. ¡No te falle viejito!
Hermanitos, olvidando todos y cada uno de los moquetazos que ambos me propinaron en nuestra niñez… ¡Los amo! Ustedes, tal como cuento de Hansel y Greten dejaron un camino marcado para mí. Yeya abrió brecha, Jonas tiro las migajas y yo seguí sus pasos hasta el punto que hoy nos encontramos. Y sí de algo estoy seguro,es que el logro que tenemos hoy será el primero, pues en cuanto uno comience a despuntar de nuevo los otros los seguiremos.
Abuelitos, tíos, primos, y por supuesto amigos. Por su apoyo, calidez y de una manera indirecta contribuir a definir la persona que hoy día soy, gracias. Canelo eres el mejor abuelo, pero definitivamente no de este mundo porque eres otro rollo. Nicholas y Nestor son mis padrinos, no son mágicos pero sí increíbles.
Mike, Almendra pequeña, Rambo, Chaos, Nenejo son mis mejores amigos. Ustedes hicieron de este viaje un verdadero huateque. Es algo increíble y genial contar con personas como ustedes, gracias.
Por supuesto a mis múltiples amores y ex-amores (sin nombres para no incomodar jajaja) que ya no les tocará disfrutar lo mejor de mí… Mis millones de pesos que ahora como Ingeniero percibiré, y todo por no aguantarme un poquito ¿ya ven? lero lero… ¡Ah! Y por favor ya quítenme el adjetivo de “inolvidable” jajaja.
Por mi raza hablará el espíritu… Vino mujeres y orgías… Chichis, nalgas y cueros… Son tatuajes de mi alma máter que llevaré por siempre y portaré con mucho orgullo. No hay nada mejor que ser hijo de la máxima casa de estudios… ¡La UNAM!
Al PAT (jajaja) y a todas las personas que han compartido algo importante conmigo y a las ya mencionadas; no solo no hubiera sino nada sin ustedes sino con toda la gente que estuvo alrededor en mi carrera, algunos siguen hasta hoy… GRACIAS TOTALES.
¡¡¡Gooooooooya, goooooooya…!!!
Raymundo Amador Cabrera.
El presente trabajo está dedicado a las personas que más quiero, a las que han contribuido a mi formación tanto académica como personal; y que sin duda representan lo más importante en mi vida.
Agradezco a Dios por darme la fuerza para enfrentar nuevos retos y sobre todo por la familia y amigos que tengo, pues ellos son el motor e impulso para emprender y cumplir mis metas.
También quiero agradecer a la Universidad Nacional Autónoma de México por darme la oportunidad de formarme como profesionista en ella. Es un orgullo para mí ser ingeniera y nada más y nada menos que de la máxima casa de estudios.
A mi mamá Elena, por su amor, sus esfuerzos, sus sacrificios, su confianza y porque siempre ha creído en mí respetando mis decisiones (por muy incoherentes que parezcan); por enseñarme que lo único que vale la pena es vivir sin prisa, amar a la familia y a Dios, pues son ellos los únicos que nos pueden hacer felices. Te amo mucho mamita.
Agradezco profundamente a mi papá Francisco Mayo (Q.E.P.D), por ser una excelente persona en todos los sentidos, por enseñarme que el único camino para superarse y salir adelante es a través de la educación, por todo su amor, por consentirme, por sus consejos y sobre todo por apoyarme, pues a pesar de mis equivocaciones jamás dudó de mi capacidad para volverme a levantar. Es por eso que siempre ha sido mi inspiración en cada uno de mis proyectos. Todo él y la grandeza de su alma seguirá siempre conmigo. Aunque siento una profunda tristeza porque no podré compartir con él este momento tan especial y esperado. ¡Te amo por siempre y para siempre papá!
A mis hermanos: Iván, Ingrid y Laura, está demás el decirles que han sido el mejor ejemplo a seguir. Admiro su fortaleza y su manera de enfrentar situaciones adversas. Gracias “hermanuchos” porque siempre me han apoyado en absolutamente todo. Los amo aunque a veces se unan en mi contra y me envidien por ser la consentida jaja.
A mis sobrinos Emi y Meli, por enseñarme que siempre existen motivos para reírse a carcajadas y ser felíz. Ambos llegaron a darle luz a la familia. Los amo mucho aunque sean extremadamente traviesos y “malos” conmigo.
A mis amigos: La banda del bloque 6, especialmente a Kary (mi ami tolo-h), a Lalo, a Miguel (el intensito) y a Daniel (zurdo). De verdad agradezco su amistad incondicional, sin duda hemos pasado momentos inolvidables. Pero sobre todo gracias porque ustedes han estado a mi lado en instantes en que el mundo parece romperse y en realidad sólo mostraba otro camino. Los quiero mucho.
Por último quiero agradecer a alguien muy especial que llegó a cambiar mi vida por completo llenándola de luz y de amor. Gracias Omar por tu comprensión, tu apoyo y tus cuidados. Te amo.
Letzy Mariana Mayo Ramírez.
Este trabajo está dedicado a todas las personas que me dieron su apoyo y consejo en los momentos donde necesitaba sentir que vale la pena esforzarse.
A Dios por darme la vida, la fuerza y excelentes personas que me rodean a diario, así como también por obsequiarme a mis dos hijos que son la razón y generador de mí existir.
En especial a la persona que sentí y amé desde el primer momento, que con su sacrificio silencioso, desvelos, paciencia, dedicación, ejemplos diarios y consejos me han ayudado en este camino difícil de la vida, a ti Mamita Luz, muchas gracias Mamá.
Sandra, gracias por estar compartiendo junto conmigo los momentos más difíciles y felices de mi vida, junto con ello, agradecerte eternamente que me hayas dado a nuestros hijos que son la luz que me despierta por la mañana y la razón de querer seguir adelante. Te amo.
A mis hermanos Cesar, Alma, Luz Elena, muchas gracias, estoy y estaré siempre agradecido con Ustedes porque son los pilares y cimientos de la persona que soy ahora.
Yahel, Miguel y Gabriel, Ustedes son nuestra esperanza y fe, esperamos que nuestros ejemplos les sirvan para que crezcan siendo personas de bien y que a lo que se dediquen en un futuro lo hagan siempre con el mayor esfuerzo.
También quiero agradecer a la empresa WEG México S.A de C.V. en nombre del gerente del Área de Máquinas y Proyectos el Ing. Juvencio Zuñiga Ortiz por las facilidades que me otorgaron para poder realizar este trabajo.
Juan Carlos Reyes Romero.
Capítulo 3. Propuesta de sustitución de motores en la planta química
Capítulo 4.
- 2.4.4 Por par de arranque……………………………………………………..
- 2.4.5 Diseños norma NEMA…………………………………………………..
- 2.4.6 Diseños norma IEC………………………………………………………
- 2.5 Aplicación de motores eléctricos trifásicos de inducción jaula de ardilla….
- 2.6 Aplicación de motores eléctricos por tipo de carga…………………….…….
- 2.6.1 Bombas……………………………………………………………….…..
- 2.6.2 Compresores………………………………………………………….….
- 2.6.3 Ventiladores…………………………………………………………..…..
- 2.6.4 Molinos de piedra…………………………………………………….…
- 2.6.5 Elevadores…………………………………………………………….….
- 2.7 Aplicación por par de arranque………………………………………………...
- 2.8 Tipos de torques en los motores eléctricos según norma NEMA……….….
- 2.9 Ahorro de energía en motores trifásicos de inducción jaula de ardilla…….
- 2.10 Tipo de Perdidas en motores trifásicos de corriente alterna…….…..
- 2.10.1 Perdidas por efecto Joule en estator……………………………….….
- 2.10.2 Perdidas por efecto Joule en rotor………………………………….….
- 2.10.3 Perdidas mecánicas………………………………………………….….
- 2.10.4 Perdidas indeterminadas o adicionales……………………………….
- 2.11 Comparación de tipos de motores por eficiencia……………………..
- 2.11.1 Motor eficiencia alta…………………………………………………….
- 2.11.2 Motor eficiencia Premium………………………………………………
- 2.12 Ahorro de energía en el método de arranque…………………………
- 2.12.1 Arrancador a tensión plena…………………………………………….
- 2.12.2 Soft Starter (Arrancador suave)……………………………………….
- 2.12.3 Drive (Variador de velocidad)………………………………………….
- 2.12.4 Arrancador a tensión reducida…………………………………………
- 2.12.5 Arrancador estrella triangulo…………………………………………...
- 2.13 Corrección de factor de potencia……………………………………….
- 2.13.1 Bancos de capacitores………………………………………………….
- 2.13.2 Bancos de capacitores automáticos…………………………………..
- 2.14 Resultado de ahorro de energía………………………………………..
- 2.15 Conclusiones…………………………………………………………….. - ENMEX ……………………………………………………………………...
- 3.1. Introducción……………………………………………………………………...
- 3.2. Descripción de la instalación…………………………………………………..
- 3.3. Tipo y uso de los motores……………………………………………………...
- 3.4. Consumo de energía eléctrica de motores actuales………………………..
- 3.5. Costos de operación de motores actuales…………………………………...
- 3.6. Estudio de tecnologías actuales en los motores eléctricos………………...
- 3.7. Marcas comerciales de motores eléctricos en el mercado mundial….……
- 3.8. Propuesta de un Programa de ahorro de energía en la instalación….……
- 3.9. Propuesta y cálculo de sustitución de motor eléctrico………………………
- 3.10. Costos de los nuevos motores………………………………………….
- 3.11. Conclusiones……………………………………………………………..
- Capítulo 4. Análisis de viabilidad y toma de decisiones ………………………..
- 4.1. Introducción……………………………………………………………….……..
- 4.2. Indicadores técnicos-económicos…………………………….......................
- 4.3. Afectaciones medioambientales……………………………………….………
- 4.4. Calculo del ahorro de la energía………………………………………………
- 4.5. Estimación de la reducción de costos de operación……………………….
- 4.6. Análisis financiero e Indicadores de toma de decisiones………………....
- 4.7. Ingresos adicionales…………………………………………………………..
- 4.7.1 Ahorro en costos de mantenimiento…………………………………..
- 4.7.2 Emisiones anuales equivalentes de CO 2 evitadas………………….
- 4.8. Conclusiones……………………………………………………………….…..
- Conclusiones …………………………………………………………………………..
- Nomenclatura ………………………………………………………………………….
- Anexos ………………………………………………………………………………….
- Bibliografía ……………………………………………………………………………..
- Tabla 3.9.c Datos de placa de motores propuestos…………………….……………
- Tabla 3.9.d Estimación de datos de campo de motores propuestos………………
- Tabla 3.9.e Consumo de Energía Eléctrica de motores propuestos…….…………
- Tabla 3.10 Costo por consumo de Energía Eléctrica de motores propuestos……
- Tabla 3.10.a Costo de inversión de motores propuestos……………………………
- Tabla 3.10.b Costo de instalación de motores propuestos………………………….
- Tabla 4.4 Ahorros en consumo de energía en base…………………………..……..
- Tabla 4.4.a Ahorro anual en consumo de energía en intermedia……………..……
- Tabla 4.4.b Ahorro anual en consumo de energía en punta………………………..
- Tabla 4.4.c Ahorro anual en consumo total de energía……………………………
- Tabla 4.5 Ahorro anual en costos por consumo de energía en base………….…
- Tabla 4.5.a Ahorro anual en costos por consumo de energía en intermedia……
- Tabla 4.5.b Ahorro anual en costo por consumo de energía en punta………..…
- Tabla 4.5.c Ahorro anual en costo por consumo total de energía……………..…
- Tabla 4.5.d Ahorros en el reemplazo de motores………………………..…………
- Tabla 4.6 Datos compresor 1 (instalado y nuevo)…………………………….……
- Tabla 4.6.a Resultado de ahorros………………………………………….…………
- Tabla 4.6.b Supuestos de evaluación…………………………………………..……
- Tabla 4.6.c Análisis de sensibilidad de compresor 1………………………….……
- Tabla 4.6.d Datos compresor 3 (instalado y nuevo)……………………………......
- Tabla 4.6.e Resultado de ahorros………………………………..…………………..
- Tabla 4.6.f Supuestos de evaluación………………………………………..……….
- Tabla 4.6.g Análisis de sensibilidad de compresor 3……………………………….
- Tabla 4.6.h Datos agitador 10 (instalado y nuevo)……………………………...….
- Tabla 4.6.i Resultado de ahorros………………………………..……………………
- Tabla 4.6.j Supuestos de evaluación…………………………………………………
- Tabla 4.6.k Análisis de sensibilidad de agitador 10…………………………..…….
- Tabla 4.6.l Datos agitador 13 (instalado y nuevo)…………………………..………
Tabla 4.6.m Resultado de ahorros…………………………………………………… Tabla 4.6.n Supuestos de evaluación…………………………………………..…… Tabla 4.6.o Análisis de sensibilidad de agitador 13…………………………...…… Tabla 4.7.2 Contenidos energéticos en gas natural…………………………..…… Tabla 4.7.2.a Emisiones anuales de CO 2 equivalentes del compresor 1 (instalado)……………………….………………….. Tabla 4.7.2.b Emisiones anuales de CO 2 equivalentes del compresor 1 (nuevo) y ahorro de emisiones……………………
ÍNDICE DE FIGURAS.
Capítulo 1.
Figura 1.5 Representación de los combustibles que generan energía eléctrica…. Figura 1.6 Principio de funcionamiento de motores eléctricos……………….……. Figura 1.6.a Componentes de un motor de inducción rotor jaula de ardilla…….…
Capítulo 2.
Figura 2.8 Curvas torque-velocidad de motores diseño NEMA……………………. Figura 2.10 Pérdidas en el motor durante su funcionamiento……………………… Figura 2.11.2 Comparativo de los diferentes tipos de eficiencia……………………
ÍNDICE DE GRÁFICAS.
Capítulo 3.
Gráfica 3.4 Consumo anual de Energía Eléctrica de motores instalados……….... Gráfica 3.5 Costo por Consumo anual de Energía Eléctrica de motores instalados………………………………………….………….
OBJETIVO GENERAL.
Realizar un estudio de factibilidad técnica-económica del potencial de ahorro de energía eléctrica en los motores de la PLANTA QUÍMICA ENMEX , con el fin de implementar una estrategia de uso eficiente de la energía, encaminada a incrementar la productividad y reducir los costos de energía eléctrica de las instalaciones, y con ello obtener un mayor aprovechamiento de los recursos energéticos y una disminución en el impacto ambiental que ocasionan los procesos productivos de los motores eléctricos.
OBJETIVOS ESPECIFICOS:
- Dar una visón de las diferentes temáticas y conceptos involucrados en los procesos energéticos, que se desarrollan para poder generar los requerimientos que demanda la industria, así como la relación de estos con los recursos naturales, el cuidado del medio ambiente, el costo de la energía y la normatividad que regulan estos procesos, enfocados en el uso de los motores eléctricos.
- Conocer los conceptos y lineamientos que se deben seguir a fin de poder estudiar y caracterizar el uso de la energía eléctrica en los motores, así como los métodos y formas de evaluar y operar estos dispositivos.
- Conocer y caracterizar la instalación para determinar el potencial de uso y ahorro de energía, y con ello proponer estrategias de mejoramiento de los motores eléctricos, basado en el ahorro de energía con el apoyo de otros beneficios como reducción de costos de mantenimiento, etc.
- Hacer la evaluación de los beneficios técnicos de la propuesta de sustitución de motores mediante el aumento en la eficiencia, para después evaluar el ahorro económico, por medio de indicadores que permitan la toma de decisión para aprobar o no la ejecución del proyecto.
INTRODUCCIÓN.
La necesidad de mantener un equilibrio entre energía, medio ambiente y economía, ha adquirido una nueva urgencia en el siglo XXI. Los combustibles fósiles, que han sido impulsores de la modernización de los procesos productivos desde la revolución industrial, se están agotando; además de que el uso de los mismos ha modificado la composición química de la atmósfera, contribuyendo de esta manera al cambio climático. (Prias, 2004).
Dada la urgencia de mitigar las consecuencias ambientales producidas por el uso y la explotación de los recursos fósiles, los países a nivel mundial están tomando acciones para frenar dichas consecuencias. El crecimiento esperado en la demanda de energía sigue una trayectoria insostenible y la eficiencia energética desempeñará un papel clave en la reducción de ese crecimiento.
Entre los principales desafíos que enfrenta la industria a nivel mundial se encuentran:
- La necesidad de incorporar tecnologías modernas que conlleven a una reducción significativa del costo operativo global.
- Presiones ambientales de tipo nacional e internacional para mitigar la generación de gases de efecto invernadero.
- Seguridad Energética, la cual empieza a ser cuestionada dado el panorama energético mundial actual, en el que es notorio el incremento en los costos de la misma.
En términos simples, una compañía debe producir más productos a un costo óptimo, mientras simultáneamente se asegura de que el producto final sea de gran calidad.
Para el desarrollo de este trabajo, como primer paso se describen los antecedentes de los motores eléctricos definiendo conceptos de energía, medio ambiente, eficiencia energética, programas para el ahorro de energía, principio de funcionamiento del motor de inducción jaula de ardilla, tarifas eléctricas y autoabastecimiento en México; así como, las normas actuales aplicables.
También se definen los elementos a considerar para una correcta selección de motores eléctricos. Además, se exponen las principales aplicaciones de los motores eléctricos de inducción jaula de ardilla, por tipo de carga y por par de arranque. Así como también los tipos de torques y el tipo de pérdidas de dichos motores.
Tomando en cuenta los conceptos anteriores, se realizará un levantamiento de datos de los motores de la planta química ENMEX, en la que se describirá la instalación, el tipo y uso de los motores y costos de operación de motores actuales.
Se hará una comparación de los tipos de motores por medio de eficiencia media y eficiencia premium. Y con el estudio de tecnologías actuales en los motores eléctricos, que comprenden marcas comerciales en el mercado actual, se elaborará una propuesta y cálculo para la sustitución de motores que representan un mayor consumo de energía. Así como un análisis de costo de inversión y operación de los nuevos motores.
Y en base a ello, se propondrá un programa de ahorro de energía, analizando la viabilidad con indicadores técnicos-ambientales, estimando la reducción de costos de operación y mantenimiento; haciendo un análisis económico para la toma de decisiones. Todo esto, para obtener un resultado de ahorro de energía.
CAPÍTULO 1.
ANTECEDENTES DE LOS MOTORES ELÉCTRICOS.
1.1 Introducción.
Los motores eléctricos desempeñan un papel importante proporcionando potencia para distintos tipos de aplicaciones: domésticas, comerciales e industriales. Su enorme versatilidad y economía de operación hacen que prácticamente el motor eléctrico no pueda ser igualada por ninguna otra forma de potencia para el movimiento.
Se estima que los motores eléctricos se emplean en un 60 por ciento de las aplicaciones industriales, considerando las distintas variantes y aplicaciones que existen en la actualidad. (Cortés, 2002).
En aplicaciones domésticas, la utilización de los motores eléctricos alcanza también un alto grado; ya que, se observa su uso desde licuadoras, ventiladores, bombas de agua, aspiradoras, etc.
Desde el punto de vista de fuentes de generación de energía eléctrica, la mayor parte de la potencia eléctrica que se genera es en corriente alterna (Pérez Amador, 1994), por lo que la mayoría de las aplicaciones de los motores eléctricos es en corriente alterna (CA).
Después de la aportación de Thomas Alva Edison, al hacer útil mediante el alumbrado a la energía eléctrica, hecho que ha evolucionado la vida haciendo disponible este tipo de energía, se inició el desarrollo práctico de las distintas
Las energías que forman parte de este grupo son: los combustibles fósiles (carbón, petróleo y el gas natural) y los combustibles nucleares (uranio y plutonio).
La energía puede ser medida en las unidades del Sistema Internacional (SI), (Serway & Faughn, 2001):
- Caloría (cal): Es la cantidad de energía necesaria para elevar la temperatura de un gramo de agua de 14.5 a 15.5 grados centígrados (°C).
- Joule (J): Es igual a 0.24 calorías.
- Kilowatt hora (kWh): Usada habitualmente en electricidad. Se refiere a la energía que se consume cuando se abastece una potencia eléctrica de un kilowatt durante una hora.
La energía cumple un papel fundamental en la vida al servicio del hombre y en todo lo que lo rodea. Sin la energía no se dispondría de medios de transporte ni mercancías; y con ello tampoco de alimentos. Igualmente, las fábricas no podrían funcionar, debido a que las maquinarias realizan sus producciones gracias a ésta.
Por lo que se debe tener conciencia de lo que en realidad significa la energía en la sociedad. Así pues, el desarrollo de un país está supeditado al funcionamiento de la energía. Sin embargo, también se perjudica gravemente al medio ambiente; ya que, la producción, transporte y consumo de energía resulta perjudicial para éste.
De esta manera se tiene que evaluar el impacto ambiental que se ocasiona, siendo necesario desarrollar políticas de descontaminación, con el fin de evitar impactos negativos en la naturaleza.
Actualmente, la población está más consciente de que se tiene que conservar el buen estado de la naturaleza; y es por ello, que se elaboran planes y medidas para mantener limpio el medio ambiente.
1.3 Eficiencia Energética.
La eficiencia energética consiste en usar la energía disponible de la mejor forma posible; es decir, emplear tecnología que requiere menos energía para realizar la misma función. (Campos Avella, 2004).
La industria es uno de los sectores de la sociedad más necesitados del ahorro de energía; ya que, su logro supone una mayor competitividad. Son grandes consumidoras de electricidad, y es por eso que buscan aplicar en sus procesos de producción diversas tecnologías para reducir al máximo el consumo de electricidad, para conseguir un menor gasto y una mayor productividad.
Así pues, iniciativas en el sentido de aumentar la eficiencia a través de motores eléctricos de alta eficiencia son significativas cuando se considera su representatividad en el consumo de energía global.
Actualmente, la certificación ISO 50001 define los requerimientos necesarios para el desarrollo, implementación, mantenimiento y mejora de los sistemas de gestión de la energía. Se ha diseñado para ayudar a las organizaciones en la mejora continua de la gestión de la energía en edificios comerciales e industriales, optimizando su utilización y reduciendo los costos de operación. (http://www.aenor.es/actualidad/noticias, 2010).
