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Cálculo del ahorro energético que podemos conseguir en los sistemas de bombeo
Si bien hemos hablado en muchos artículos sobre bombas (ver recopilación) hasta ahora no hemos tratado en profundidad la eficiencia energética de bombas como sistema para reducir costes operacionales. Vamos a hacerlo en esta ocasión y como siempre trataremos de hacerlo de forma sencilla, simplificando al máximo los cálculos y usando un lenguaje que todos entiendan. Y lo más práctico para ello es traducir kwh en dólares, así se entiende de una forma más sencilla y efectiva estos conceptos.
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Hoy en día, los precios de la energía imponen una amenaza sin precedentes a las operaciones que consumen energía, pues el incremento de los precios de la energía erosiona el rendimiento financiero de las compañías, la productividad y en muchas ocasiones las empresas se ven obligadas a cerrar. Este último punto se conoce algo menos en occidente donde realmente la energía es barata en comparación con la eficiencia de las máquinas. Sin embargo, nuestra experiencia en economías emergentes es bien distinta. En las economías emergentes las máquinas son menos eficientes, en muchos casos altamente ineficientes, y los costes de la energía son más elevados. Eso está llevando silenciosamente a miles de empresas a la ruina ante la impotencia propia y la incapacidad de sus gobiernos para conseguir soluciones.
Con estas amenazas en mente, las operaciones de fabricación en todo el mundo están implementando procesos y procedimientos de gestión de la energía que buscan:
- Mejorar la productividad que incrementa el rendimiento financiero.
- Controlar el gasto reduciendo el consumo energético sin comprometer el rendimiento o, preferiblemente, mientras que simultáneamente se mejoran los niveles de producción.
- Incrementar la fiabilidad operacional e integridad de los procesos enfatizando el uso de tecnologías eficientes que soporten una eficiencia mecánica realzada.
- Reducción de la vulnerabilidad a la volatilidad de los precios de la energía.
Puesto que las bombas suponen casi el 27 % del uso de electricidad en el sector industrial, la mejora de los sistemas de bombeo juega un papel importante en este esfuerzo.
Como ocurre en la mayoría de los procesos industriales, no existe una solución única cuando trabajamos con sistemas de bombeo, aunque si indicamos que la selección de la bomba correcta es yba de las actuaciones más importantes que debemos tener en cuenta. Según nuestra experiencia no haber realizado un dimensionado correcto de la bomba en su momento es ahora la fuente mayor de nuestros problemas. En muchos casos nos vamos a encontrar costes realmente espectaculares en los sistemas de bombeo, sobre todo en aquellos países en los que se ven obligados a usar generadores diesel para impulsar grandes trasiegos de fluidos. Las mejoras que pueden conseguirse en este tipo de aplicaciones son realmente espectaculares, pero todas pasan por un redimensionamiento de todo el sistema.
¿En qué bombas podemos ahorrar energía?
Según el Hidraulic Institute las oportunidades de ahorro energético en los sistemas de bombeo abundan en todas las instalaciones existentes, y si tomamos como referencia la industria americana podemos tomar como objetivo factible un ahorro energético promedio del 20 %. Respecto al tamaño de las bombas sobre las que podemos realizar mejoras U.S. Department of Energy dice que todo el rango comercial es propicio para conseguir mejoras energéticas significativas. Los rangos comunes de la industria van desde 1 H.P. a grandes bombas de más de 1.000 H.P. Pero el rango más frecuente sobre el que actuar por su frecuencia es el que va de 20 a 500 H.P.
¿Cuánta energía podemos ahorrar?
La energía que podemos ahorrar en un sistema de bombeo depende sobre todo de la antiguedad de la bomba y del cuidado que se haya tenido en el diseño. Como referencia inicial podemos tomar también los valores que nos da U.S. Department of Energy y que son las siguientes:
- Reduciendo los requerimientos totales. 5 - 20 %
- Acoplar el tamaño de la bomba a la carga. 10 - 30 %
- Reducir o controlar la velocidad de la bomba. 5 - 50 %
- Compra de componentes. 1 - 3 %
- Operación y mantenimiento. 1 - 5 %
¿Cuánto consume una bomba?
Conocer el consumo exacto de una bomba exige su medición en carga pero para hacernos una idea inicial de las cifras que se manejan en un sistema de bombeo aportamos la siguiente información. Son datos del U.S. Department of Energy en los que hemos transformado los costes del kwh para tomar como referencia el coste promedio de países donde la energía no es tan barata como en U.S.A. Hemos tomado un valor más realista de U.S. $ 0,30 por kWh. Bajo este supuesto si consideramos una bomba de 100 H.P. con una eficiencia del 90 % (esto de la eficiencia del 90 % es optimista para la mayoría de las bombas que nos encontramos por ahí) y tendríamos:
- Una bomba operando durante una hora supone un coste de US $ 24,6.
- Una bomba operando durante 24 horas supone un coste de US $ 594.
- Una bomba operando durante un mes supone un coste de US $ 18.126.
- Una bomba operando durante un año ininterrumpidamente supone un coste de US $ 217.800.
Como vemos en las bombas grandes que están funcionando muchas horas el coste es muy elevado.
Pero estos son unos datos genéricos que nos sirven para hacernos una idea inicial de lo que podemos ahorrar en un sistema de bombeo, posteriormente debemos empezar a entrar en detalles.
Lo primero que hay que decir es que en muchas ocasiones nos encontraremos bombas de lo más "achacosas" de las que nadie es consciente el derroche que están suponiendo cada día. Las bombas están tirando energía a la basura cuando fallan en convertir la potencia eléctrica que le aplicamos en el movimiento del fluido para el que se diseñaron, y eso ocurre frecuentemente con mayor intensidad de lo que fuese deseable.
Aprendiendo a evaluar la eficiencia energética de una bomba
La ingeniería de los sistemas hidráulicos no es sencilla pero si lo que queremos es analizar un sistema de bombas desde el punto de vista de los costes operacionales lo tenemos más fácil. Hay varias ecuaciones críticas que debemos conocer cuando consideremos en un proyecto la selección de una nueva bomba o estemos analizando un sistema de bombeo para analizar su eficiencia energética (ver también "Eficiencia energética en bombas").
1) Eficiencia de la bomba:
La eficiencia energética de una bomba podemos calcularla dividiendo la
energía que obtenemos a la salida de la bomba entre la eficiencia que
obtenemos a la entrada. La eficiencia de la bomba está relacionada con
sus pérdidas hidráulicas, mecánicas y volumétricas.
Ejemplo: Si una bomba de 1,25 HP se aplica al eje de entrada de una bomba cuando la bomba está haciendo el trabajo equivalente a 1 HP, entonces la eficiencia de la bomba será del 80 % (dividimos 1 entre 1,25).
2) Eficiencia total (Wire-to-water efficiency):
Es la eficiencia en la que se toma en consideración tanto la eficiencia
de la bomba como la del motor. La eficiencia total es el producto de la
eficiencia unitaria de la bomba y la eficiencia unitaria de la unidad
de potencia.
- En los motores eléctricos, el rango de eficiencia va generalmente de 85 a 92 %.
- Las bombas operando a eficiencias entre el 60 - 70 % pueden ser mejoradas.
- Las bombas que operan con eficiencias inferiores al 50 % necesitan reparaciones mayores, cambios del sistema o ser sustituidas.
3) Energía específica:
Potencia actual requerida por la bomba dado un volumen dado de fluido
(kWh/Q). La energía específica se calcula dividiendo la energía
utilizada entre el volumen bombeado.
4) Potencia: Es
una medida del tiempo que se tarda en realizar un trabajo. Se calcula
dividiendo la energía convertida entre el tiempo empleado.
5 ) Potencia de salida de la bomba: (es la potencia hidráulica, hydraulic or water horsepower). es la potencia del líquido transmitida por la bomba.
En las bombas de desplazamiento positivo se calcula de la siguiente forma:
Hydraulic Horsepower (water HP) = Flow rate (GPM) x Pressure (PSI) / 1714
En las bombas centrífugas:
Hydraulic Horsepower (water HP) = Flow rate (GPM) x Head (FT) x Specific Gravity / 3960
6) Potencia de entrada de la bomba (Brake Horsepower - BHP) es la potencia transmitida al eje de la bomba.
Brake Horsepower (BHP) = Flow Rate (GPM) x Head (FT) x Spexific Gravity / 3600 x Pump Efficiency
o alternativamente:
Brake Horsepower (BHP) = Water HP (WHP) / Pump Efficiency
7) Energía de fluidos = Potencia del fluido x Tiempo de operación
8) Caballos de fuerza: La tasa de trabajo realizada por una bomba (en H.P.) es proporcional al peso del líquido que reparte por minuto, multiplicado por la distancia vertical equivalente (en pies) a través de la cual se mueve.
Horsepower (alternating current) = kW x Efficiency / 746
CUANTIFICANDO EL AHORRO
En la primera parte de este artículo hemos introducido los conceptos de
cálculo generales de los sistemas de bombeo. Reanudamos la serie
entrando ya en detalle en la cuantificación del ahorro.
El accionador principal más común en una bomba es un motor eléctrico en
corriente alterna (ac). Los motores se miden según los caballos de
fuerza transmitidos. Ya que las bombas sirven para un amplio rango de
necesidades, los tamaños de las bombas pueden ir desde varias fracciones
de caballos de fuerza a varios miles, dependiendo de la aplicación.
Cuando se incrementa la potencia es también muy costoso operar la bomba.
La eficiencia combinada del motor y la bomba determinan la eficiencia
wire-to-water del sistema. Alcanzar una alta eficiencia wire-to-water
en el sistema es lo deseable, y para ello se necesitan bombas y motores
con alta eficiencia wire-to-water para asegurar la eficiencia a largo
plazo. Pero gestionar la eficiencia energética de un sistema de bombeo
es más complicado que elegir bombas de alta eficiencia y motores. Hay
una gran variedad de fuentes dentro de un sistema de bombeo que pueden
derrochar energía incluyendo válvulas de control y estrangulamiento,
tamaño de tuberías y configuración y desgaste de bombas, por nombrar
algunos.
La eficiencia de una bomba puede degradarse tanto como un 10-25 % antes
de ser reemplazada. Eficiencias de 50-60 % o inferiores son comunes. Sin
embargo, ya que estas ineficiencias no son fácilmente aparentes, las
opoertunidades de ahorro energético para reparación o reemplazamiento de
componentes son a menudo pasadas por alto.
Cuando las bombas se dimensionan inapropiadamente (sobre o sub
dimensionadas), cuando los costes de operación no se consideran, o
cuando faltan resultados de experiencia en el uso de bombas que esán
inapropiadamente acopladas a las aplicaciones, estamos derrochando
energía. Cuando esto ocurre, cada kw de potencia que entra en la bomba,
solamente es aprovechado en una parte para transferir el fluido.
El problema que surge no es solamente que la compañía paga una energía
adicional, sino que el desgaste de la bomba se acelera reduciéndose la
vida de los componetnes. Los costes de mantenimiento se incrementan ya
que es esperable un fallo prematuro, lo cual origina pérdidas de
productividad adicionales.
Diseño por máxima demanda
Uno de los principales problemas de derrocho energético en bombas es que
normalmente los diseños se basan en la máxima demanda del sistema, que
además suele considerarse teniendo en cuenta posibles crecimientos
futuros. Eso provoca que la máxima demanda solamente actúe en un pequeño
porcentaje del tiempo total. La mayor separación entre la capacidad de
la bomba y la demanda real origina una mayot ineficiencia y derroche de
energía del sistema.
Calculando el potencial de ahorro energético
Cuando las bombas operan a niveles óptimos usan menos energía e
incrementan la fiabilidad, ahorrando tanto energía como costes de
mantenimiento.
- Una reducción de potencia de 100 kW en un proceso funcionando 24/7 reduce los costes de energía en U.S. $ 40.000 dólares al año cuando el coste de la energía es de U.S. $ 0,05/kWh (coste irrealista por bajo).
- Los beneficios en mantenimiento y productividad de mejorar el rendimiento de un sistema de bombeo son generalmente uno o dos veces el valor de ahorro energético.
El ahorro potencial de energía se calcula de la siguiente forma:
Ahorro = kW (energía eléctrica de entrada) x Horas anuales de operación x (1 - eficiencia actual)/eficiencia óptima
Ejemplo:
1) Eficiencia de operación: Bomba de 300 HP = 55 % de eficiencia.
2) Eficiencia de operación óptima: 78 % de eficiencia.
3) La bomba demanda 235 kW x 6000 horas de servicio al año.
El ahorro sería = 235 kW x 6000 horas/año x (1 - 0,55) / 0,78 = 415.769 kWh al año
Con un coste de US $ 0,05 pr kWh el ahorro sería de $20.788 dólares. En otros países habría que multiplicar ese ahorro 4 o 6.
