Instalación eléctrica sustentable. Beneficios económico y ambiental (ICA-Procobre, jul2015)
Instalación eléctrica sustentable
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INSTALACIÓN ELÉCTRICA SUSTENTABLE BENEFICIOS ECONÓMICO Y AMBIENTAL Octubre de 2015 Ing. Ángel Estévez Tapia Google images
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INSTALACIÓN ELÉCTRICA SUSTENTABLE BENEFICIOS ECONÓMICO Y AMBIENTAL
Octubre de 2015 Ing. Ángel Estévez Tapia
Google images
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Aviso Importante:
Esta presentación ha sido preparada por Soluciones Integrales en Alta
Tecnología (SIATSA) en colaboración con Procobre Centro Mexicano de
Promoción del cobre A.C. con el propósito de difundir y diseminar diferentes
aspectos relacionados con ventajas y beneficios para quienes adopten o
implementen las recomendaciones aquí expuestas. Ha sido preparado y
revisado por personas conocedoras del tema, sin embargo, el Centro Mexicano
de Promoción del Cobre y otros organismos participantes no se
responsabilizan de su aplicación ni de la profundidad en relación al contenido
aquí expuesto, ni por cualquier daño directo, incidental o consecuencial que
pueda derivarse del uso de la información o de los datos aquí contenidos.
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Energía eléctrica
iluminación
- equipo médico
- entretenimiento
- enseñanza
- comunicaciones
- …
informática producción
- Es un insumo básico de la sociedad actual.
- Se distribuye por medio del cableado eléctrico.
Introducción
Imágenes: Google images
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Algunos procesos de generación contaminan, queman
combustibles fósiles, deterioran el medio ambiente.
Central eléctrica Fuente primaria
- Termoeléctrica Carbón, Petróleo, Gas No, Combustible Fósil
- Hidroeléctrica Flujo Hídrico
Si, Naturales - Eólica Viento
- Solar Fotovoltaica Luz solar
Renovable
La energía eléctrica se genera en las centrales eléctricas donde se
transforma alguna clase de energía, como: química, mecánica, térmica,
luminosa o nuclear, en energía eléctrica.
Introducción
Energía eléctrica, central eléctrica
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Las centrales eléctricas se pueden dividir en dos grupos:
1 De energía NO Renovable (combustible fósil)
Carbón Petróleo Gas
2 De energía Renovable (fuente natural virtualmente inagotable)
Flujo hídrico Viento Luz solar Otros
- Maremotriz
- Geotermia
- …
Introducción
Imágenes: Google images
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- Carbón
- Petróleo
- Gas
- Exploración
Tierra, mar
- Extracción
Tierra, mar
- Transporte
Marítimo, terrestre
(buque, oleoducto, camión)
- Consumo
Termoeléctrica,
carboeléctrica,…
2015, Abkatun, México
2015, Santos, Brasil
extracción, accidente
almacenaje, accidente
Introducción
La quema de combustibles fósiles genera
residuos que impactan negativamente la atmósfera y el entorno
Combustibles fósiles: Extracción, almacenaje y transporte
Imágenes: Google images
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Eventos No deseados
2015, explosión e incendio en la plataforma Abkatún de Pemex
4 trabajadores muertos, 16 heridos, 300 evacuados
2007, Incendio en la torre de perforación Kab 121
21 trabajadores muertos, derrame de crudo y escape de gas natural
1979, Explosión en la torre de perforación Ixtoc 1
Derrame de 140 millones de galones de hidrocarburos (durante 9 meses)
transporte, accidente
2015, BCS, México
Introducción
Combustibles fósiles: Extracción, almacenaje y transporte
A mayor demanda de energía eléctrica
mayor quema* de combustibles fósiles.
* Cuando la generación se obtiene por ese medio
Imágenes: Google images
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Central Termoeléctrica, tipo No Renovable
En su proceso, generan residuos como el dióxido de sulfuro, óxidos de
nitrógeno, monóxido de carbono y dióxido de carbono, contaminan,
afectan la calidad del aire, pueden producir daño a los seres vivos en su
zona de influencia y propician Calentamiento Global.
Perturbación al ambiente
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Consecuencias - Pérdida de playas y ciudades costeras por aumento del
nivel de los océanos.
- La precipitación pluvial se reduce en algunas zonas (sequías),
se incrementa en otras (inundaciones).
- Aumento del nivel del mar.
- Aumento de la temperatura atmosférica y océanos.
- Derretimiento del hielo polar y de las altas montañas.
- Eventos meteorológicos extremos.
- Acidificación de los océanos http://climate.nasa.gov/evidence
Perturbación al ambiente
Calentamiento global, evidencias
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Fenómeno natural producido por la acción del sol y algunos gases
atmosféricos (de efecto invernadero), al aumentar su volumen la
temperatura atmosférica se eleva, propicia el Cambio Climático.
Gas de efecto
invernadero %
Vapor de agua 36 a 70
Dióxido de carbono 9 a 26
Metano 4 a 9
Ozono 3 a 7
Hansen, J. (2005). «Efficacy of climate forcings».Journal
of Geophysical Research Google Images
Perturbación al ambiente
Efecto invernadero
El clima terrestre depende del balance energético entre la radiación
solar recibida en la tierra y la que en forma de calor permanece. Se
estima incremento de temperatura de 2.5 °C a 3.0 °C, en el 2050.
Cambio climático
En la atmósfera hay otros gases: N2 y O2, principalmente
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- Modificación de ciclos agrícolas.
- Sustitución de cultivos en algunas regiones del planeta.
- Especies animales y vegetales podrían situarse en posición de riesgo
o desaparecer.
- Enfermedades tropicales o insectos portadores estarán presentes en
ciudades de mayor altitud donde no se habían encontrado.
- Millones de personas se desplazaran de zonas costeras a ciudades
mas altas.
Perturbación al ambiente
Consecuencias del cambio climático
Imágenes: Google images
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- Disminuirá la producción de energía hidroeléctrica derivado de sequía
o disminución del volumen de lluvia.
- Disminuirá el aporte económico por el turismo de sol y playa.
- Migración masiva de población humana.
Perturbación al ambiente
Consecuencias económicas
Imágenes: Google images
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Producción y consumo de energía eléctrica
La producción de energía eléctrica es costosa
Métodos convencionales: Combustibles fósiles, energía nuclear
- Alta generación de deshechos y contaminación ambiental.
- Subordinado a la búsqueda y adquisición de combustibles.
Energías renovables: Eólica, fotovoltaica, …
- Elevados costos iniciales.
- Elevado tiempo de retorno de la inversión.
- Dependiente del clima.
Ingeniería Energética Integral SA de CV
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Producción y consumo de energía eléctrica
Necesario Consumir menos energía eléctrica
Procesos productivos mas eficientes
- Iluminación: de fluorescente a LED.
- Motor eléctrico: de Estándar a Alta eficiencia.
Menores pérdidas en el transporte de la energía eléctrica
- Transformadores: de Estándar a Alta eficiencia.
- Conductores: incremento de eficiencia.
- Disminución de pérdidas en el cableado - Incremento en su eficiencia
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Cableado en el sistema eléctrico
La eficiencia de conducción depende del calibre del
conductor, a mayor sección mayor eficiencia.
La función del conductor es conducir la energía eléctrica desde la fuente
o punto de acometida hasta el punto de utilización, debido a su
resistencia eléctrica el cable disipa en forma de calor una pequeña parte
de la energía transportada (efecto Joule), es pérdida de dinero que se
refleja en la factura del consumo eléctrico, esta presente durante la vida
útil del conductor.
El conductor eléctrico
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- Presenta ligera oposición al paso de la corriente
- A mayor temperatura, mayor oposición (mismo diámetro y longitud)
- A menor diámetro, mayor oposición (para la misma corriente)
- A mayor oposición menor eficiencia (en la transferencia de energía)
Se acostumbra calcular con eficiencia de 93% a 97% (caída de tensión
de 3% a 5%). Es pérdida de energía durante su vida útil.
En el cableado se pierde
de 3% a 5% de lo producido
¿es razonable?
El conductor eléctrico
Cableado en el sistema eléctrico
Imágenes: Google images
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La generación de energía eléctrica es costosa, es necesario incrementar
la eficiencia en el cableado.
A mayor diámetro
mayor eficiencia, para la
misma magnitud de corriente.
Si la sección del cable se calcula para alta eficiencia (mayor a
98.5%), se aprovecha casi la totalidad de la energía disponible
durante la transmisión.
El incremento en el precio del conductor por mayor sección
se compensa por la disminución en la pérdida de energía.
El conductor eléctrico
Cableado en el sistema eléctrico
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¿En seguridad, es suficiente con la norma de instalaciones eléctricas?
Si
¿Es apropiada económica y ambientalmente?
No siempre, es conveniente tomar en cuenta:
- Magnitud económica de pérdida por operación
- Eficiencia energética
- Sustentabilidad *
* Cuando la energía eléctrica es obtenida por la quema de
combustibles fósiles y se pierde energía en el conductor.
Cableado en el sistema eléctrico
Cálculo de la sección del conductor
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Cableado en el sistema eléctrico
Es la menor sección nominal que no compromete la seguridad de la
instalación eléctrica.
No toma en cuenta las pérdidas por ineficiencia
ni el incremento en costos operativos.
Dimensionamiento técnico del conductor
Es un método para disminuir la pérdida económica de operación, se
incrementa el diámetro del conductor e implica un incremento en la
inversión inicial de la instalación, que se compensa por la disminución en
la pérdida de energía.
Dimensionamiento óptimo del conductor
Toma en cuenta la seguridad, eficiencia y variables económicas.
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Cableado en el sistema eléctrico
Técnicos
- Corriente máxima permisible
Conductor - Caída de tensión
tradicional - Temperatura ambiente
- Temperatura de operación
Conductor - Corriente de corto circuito
óptimo Económicos
- Precio del conductor y su instalación
- Precio del kWh
- Número de horas anuales de operación
- Número de años útiles de la instalación
- Tasa de interés
Dimensionamiento óptimo del conductor
El dimensionamiento óptimo requiere mayor conocimiento
El incremento en la sección del conductor tiene un límite dado por razones
económicas, intervienen las siguientes variables:
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Las normas en la eficiencia del conductor
NMX-AA-164-SCFI-2013, Edificación sustentable
5.2.2.12 El cableado de los circuitos alimentadores en toda instalación
eléctrica debe tener una eficiencia de 98.5 % o mayor. El cableado para la
combinación de los circuitos alimentadores y los circuitos derivados, debe tener
una eficiencia de 97.5 % o mayor.
NOM-001-SEDE-2012, Instalación eléctrica, utilización
4.2.6 Área de la sección transversal de los conductores
NOTA: Es deseable tener áreas de sección transversal de los conductores
mayores que las requeridas para la seguridad y para una operación
económica.
Cableado en el sistema eléctrico
El conductor visto como un elemento de sustentabilidad
La operación económica como concepto de no desperdicio
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Las normas en la eficiencia del conductor
NMX-J-685-ANCE-2013, Guía para determinar la designación óptima de
conductores eléctricos
Procedimiento para identificar la sección del conductor que reduce la energía
desperdiciada, sin incurrir en costos iniciales excesivos de compra e instalación
de los cables.
NMX-J-SAA-50001-ANCE-IMNC-2011, Sistemas de gestión de la energía
Establece sistemas y procesos necesarios para mejorar el desempeño
energético, incluyendo la eficiencia energética.
4.4.3.c) Las oportunidades pueden relacionarse con, …la energía desperdiciada.
Cableado en el sistema de energía renovable
Conductor Óptimo: Máxima utilidad durante la vida útil
Evite el desperdicio de energía en los conductores
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Estudio de casos
Estudio de casos Se presentan tres casos de instalaciones eléctricas, que utilizaron criterios
diferentes en la selección del tamaño (calibre) de los conductores, no se incluye
información específica de la localización del inmueble que contiene a la
instalación pues no se pretende calificarlas, sólo indicar el beneficio que se
obtiene cuando se utiliza el criterio “Dimensionamiento Óptimo”.
La metodología del cálculo del conductor óptimo se basó en la norma “NMX-J-
685-ANCE-2013, Guía para determinar la designación óptima de conductores
eléctricos”, los cálculos fueron realizados con el software “Dimensionamiento
Óptimo de Conductores Eléctricos”, disponible en forma gratuita del sitio
www.procobre.org
El cálculo de emisiones de CO2 y de combustible fósil se realizó con información
de la Secretaría de Energía en su página www.sener.com.mx, y en base al
estudio “Estimation of CO2 Emissions reduction resulting from conductor size
increase for electric wires and cables, Masuo, Kume, Hara; IEEE Japan, 2007.
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Estudio de casos
Ubicado en Querétaro, México, cuenta con 4000 m2 útiles en 4 niveles, el
análisis de los conductores se realizó a los alimentadores de la
infraestructura eléctrica común a las oficinas.
(2 elevadores, aire acondicionado central, suministro de agua presurizada).
Caso 1: Edificio de oficinas para renta
Los conductores utilizados son de mayor tamaño
(calibre) que el mínimo requerido por la
normatividad eléctrica, comparativamente se
redujeron las pérdidas económicas y de energía,
la cantidad de dióxido de carbono emitido a la
atmósfera y el combustible fósil requerido para
generar la energía desperdiciada en los
conductores.
Es una instalación con bajas pérdidas de operación, baja emisión de
contaminantes, segura en su funcionamiento y que cumple la normatividad
eléctrica, según se observa en la siguiente tabla, donde en el proyecto se utilizó
el criterio de Dimensionamiento Óptimo.
Imágenes: Google images
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Estudio de casos
Criterio de cálculo
Pérdida de energía, anual
CO2 emitido por pérdida de energía, anual
Precio de los conductores
Utilidad
Técnico (mínimo aceptado por norma)
27 672 kWh 6.5 Toneladas $188,330 Referencia
Óptimo (el utilizado)
17 063 kWh 4.0 Toneladas $253,424 $115,102
Se redujo la pérdida de energía 38%, la emisión de CO2 38%, utilidad económica
$115 mil unidades monetarias aún después de haberse cubierto la diferencia por
incremento en el precio de los conductores.
Caso 1: Edificio de oficinas para renta
Parámetros considerados en el estudio
Vida esperada de la instalación: 30 años
Temperatura ambiente interior: 25 °C
Temperatura exterior: 35 °C
Horas diarias de utilización de la carga: 10
Días anuales de operación del inmueble: 260
Precio del kWh: $1
Tasa de capitalización: 3 %
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Estudio de casos
Caso 2: Laboratorio médico
Se ubica en Cuautitlán Izcalli, México, circuitos para alimentar cultivos
bacteriológicos y seguridad permanecen en operación las 24 horas del día.
Análisis de la instalación
El tamaño de los conductores cumple con el mínimo establecido por la
normatividad eléctrica en relación a la capacidad de corriente, un dictamen
técnico de revisión indicaría:
“La instalación eléctrica cumple la normatividad vigente”
Parámetros considerados en el estudio
- Vida esperada de la instalación: 30 años;
- Temperatura ambiente interior: 25 °C;
- Temperatura exterior: 35 °C;
- Horas diarias de utilización de la carga: 12;
- Días anuales de operación del inmueble: 260;
- Precio del kWh: $1;
- Tasa de capitalización: 3 %.
Imágenes: Google images
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Estudio de casos
Caso 2: Laboratorio médico
La siguiente tabla muestra la pérdida de energía y la emisión de CO2 asociada.
En la tercer fila se observan valores relevantes en caso de que se hubiera
utilizado el criterio de conductor óptimo.
Si se utiliza en la instalación el Conductor Óptimo en lugar del Técnico, la
emisión a la atmósfera de CO2 se reduce 57%, las pérdidas de energía 59% y se
tiene utilidad de $171 mil unidades monetarias después de haber cubierto el
incremento en el precio de los conductores.
Criterio de cálculo
Pérdida de energía, anual
CO2 emitido por pérdida de
energía, anual
Precio de los conductores
Utilidad
Técnico, (el utilizado)
22,104 kWh 5.2 $153,000 referencia
Óptimo 9,078 kWh 2.2 $246,000 $171,000
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Estudio de casos
Caso 3: Unidad fabril
Industria metal mecánica de autopartes, Puebla, México, 30 años de antigüedad.
Parámetros considerados en el estudio
Vida esperada de la instalación: 30 años;
Temperatura ambiente interior: 25 °C;
Temperatura exterior: 35 °C;
Horas de utilización de la carga: Planta: 24 h
Oficinas: 12 h
Días anuales de operación del inmueble: 260;
Precio del kWh: $1;
Tasa de capitalización: 3 %.
Análisis de la instalación
Se analizaron 80 circuitos trifásicos, comparando el calibre del conductor con lo
mínimo establecido en la norma de instalaciones eléctricas se observó que:
13 circuitos (16,3%) tienen calibre inferior al permitido en la norma;
32 circuitos (40,0%) con el calibre mínimo aceptado por la norma;
14 circuitos (17,5%) un calibre arriba del mínimo;
21 circuitos (26,2%) dos calibres arriba del mínimo aceptado por la norma
Imágenes: Google images
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Estudio de casos
Caso 3: Unidad fabril Los circuitos con conductores de tamaño inferior al permitido son de
alimentadores principales rebasados en su capacidad de corriente al incrementar
la carga, los circuitos con dos calibres arriba del mínimo alimentan equipos
relativamente nuevos.
La carga rebasó la capacidad de la instalación eléctrica, la energía que se pierde
por este motivo es elevada (399 338 kWh) si se compara con el cálculo de
criterio óptimo (145 600 kWh), corregir la desviación tiene un costo aproximado
de $1 millón, el tiempo de recuperación de la inversión es de 2,5 años (no se
muestra en la tabla), con esta acción la reducción en emisión de CO2 a la
atmosfera es de 60,1 toneladas anuales (63,5%).
Criterio de cálculo
Pérdida de energía, anual
CO2 emitido por pérdida de
energía, anual
Precio de los conductores
Utilidad
Instalado 399,338 kWh 94.6 toneladas $1,285,000 referente
Óptimo 145,600 kWh 34.5 toneladas $2,264,000 $2,685,000
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Conclusiones
La selección de la sección transversal del conductor por el criterio
“Dimensionamiento óptimo” otorga a la instalación ventajas si se compara con
conductores calculados solo con el criterio de dimensionamiento técnico.
Ventaja Económica:
- Disminución en los costos operativos y en general utilidad económica
durante el tiempo de vida esperada de la instalación.
Ventaja Ambiental
- Reducción en la emisión indirecta a la atmosfera de CO2
- Reducción en la quema de combustibles fósiles para generar energía
que se pierde en el conductor.
Ventaja Técnica:
- Incremento de eficiencia en la transferencia de energía en el conductor.
- Mejor comportamiento del conductor en eventos de sobrecarga y corto
circuito.
Gracias
31
ICA – Procobre
Red de instituciones latinoamericanas cuya misión es la promoción del uso del cobre, impulsando la
investigación y el desarrollo de nuevas aplicaciones y difundiendo su contribución al mejoramiento de la
calidad de vida y el progreso de la sociedad.
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SIATSA
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Contacto: Ing. Enrique Balan Romero, enriquebalan@cablevisión.net.mx, (55) 4622 0301
Presentador: Ing. L. Angel Estevez T. [email protected]
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