La eficiencia premium , cuando se utiliza en referencia a tipos específicos de motores eléctricos (con un eje giratorio), es una clase de eficiencia del motor.
Como parte de un esfuerzo concertado a nivel mundial para reducir el consumo de energía , las emisiones de CO2 y el impacto de las operaciones industriales en el medio ambiente, diversas autoridades regulatorias en muchos países han introducido, o están planeando, legislación para incentivar la fabricación y el uso de motores eléctricos de mayor eficiencia . Este artículo analiza el desarrollo del estándar de eficiencia premium (IE3) y los motores de eficiencia premium (PEM) y los temas ambientales, legales y relacionados con la energía asociados.
La crisis del petróleo y la necesidad mundial de más energía, más energía eléctrica y, en consecuencia, más centrales eléctricas han aumentado la conciencia sobre la conservación de la energía .
En 1992, el Congreso de los Estados Unidos , como parte de la Ley de Política Energética (EPAct), estableció niveles mínimos de eficiencia (véase la Tabla B-1) [ vago ] para los motores eléctricos . [1]
En 1998, el Comité Europeo de Fabricantes de Máquinas Eléctricas y Sistemas de Potencia (CEMEP) emitió un acuerdo voluntario de fabricantes de motores sobre la clasificación de eficiencia, con tres clases de eficiencia: [2]
El término eficiencia premium que se analiza aquí se relaciona con una clase de eficiencia del motor. Se considera necesario introducir este término asociado con los motores debido a la futura legislación en la UE , EE. UU. y otros países con respecto al uso obligatorio futuro de motores de inducción de tipo jaula de ardilla de eficiencia premium en equipos definidos.
Se han hecho varias afirmaciones sobre el uso de motores y las ventajas de utilizar motores de eficiencia superior o superior. Entre ellas se incluyen las siguientes:
Según datos del Departamento de Energía de Estados Unidos , se estima que el programa de motores de alta eficiencia de la Asociación Nacional de Fabricantes Eléctricos (NEMA) ahorraría 5,8 teravatios de electricidad y evitaría la liberación de casi 80 millones de toneladas métricas de carbono a la atmósfera en los próximos diez años. Esto equivale a mantener 16 millones de automóviles fuera de circulación. [3]
Cada año se venden aproximadamente 30 millones de nuevos motores eléctricos para fines industriales. Unos 300 millones de motores se utilizan en la industria, la infraestructura y los grandes edificios. Estos motores eléctricos son responsables del 40% de la electricidad mundial que se utiliza para accionar bombas, ventiladores, compresores y otros equipos de tracción mecánica. La tecnología de los motores ha evolucionado en las últimas décadas. Ahora existen productos superiores, denominados "premium", listos para cambiar el mercado hacia la eficiencia energética y contribuir a reducir las emisiones de gases de efecto invernadero en todo el mundo. [4]
Con la aplicación de las mejores prácticas, la eficiencia energética de los motores eléctricos puede mejorarse entre un 20% y un 30% en promedio. La mayoría de las mejoras se amortizan en un plazo de entre uno y tres años. Esto, además, supone un gran impacto potencial en la reducción de las emisiones globales de gases de efecto invernadero. [5]
Los sistemas de motor eléctrico consumen grandes cantidades de energía eléctrica y pueden brindar una oportunidad de ahorro energético significativo. La energía representa más del 97 por ciento de los costos operativos totales del motor durante su vida útil. Sin embargo, la compra de un motor nuevo suele estar impulsada por el precio, no por la electricidad que consumirá. Incluso una pequeña mejora en la eficiencia podría resultar en un ahorro energético y de costos significativo. Invertir un poco más de dinero por adelantado en un motor más eficiente suele amortizarse en ahorros de energía. Mejorar la eficiencia energética reduce las emisiones de gases de efecto invernadero que contribuyen al cambio climático . [6]
La eficiencia de un motor eléctrico se representa con la letra griega Eta y se define como la relación entre la potencia mecánica de salida y la potencia eléctrica de entrada y se puede calcular utilizando esta fórmula:
Dado que la eficiencia es una relación, siempre que la unidad de medida sea la misma para la potencia de salida y de entrada, se puede utilizar cualquier unidad de medida para este cálculo.
La potencia del eje se transfiere a la máquina accionada; la potencia eléctrica de entrada es lo que se mide y cobra. La pérdida de eficiencia del motor está determinada por la diferencia entre la potencia de entrada y la potencia de salida o del eje.
P pérdida = P entrada - P eje
Pérdida = pérdidas del motor eléctrico [kW]
La pérdida de energía del motor es principalmente calor causado por muchos factores, incluida la pérdida del devanado de la bobina (resistencia), la pérdida en las barras del rotor y los anillos colectores , la pérdida debido a la magnetización del núcleo de hierro y la pérdida por fricción de los cojinetes.
El 19 de diciembre de 2007, el presidente Bush firmó la Ley de Independencia y Seguridad Energética de 2007 (EISA, por sus siglas en inglés) y la convirtió en ley (Ley Pública 140-110). La Asociación Nacional de Fabricantes Eléctricos (NEMA, por sus siglas en inglés) participó activamente en la elaboración de las disposiciones principales de la EISA. Una disposición fundamental en la que se centró la NEMA fue la de aumentar los niveles de eficiencia de los motores. La sección de Motores Generadores de la NEMA unió fuerzas con el Consejo Estadounidense para una Economía de Eficiencia Energética para redactar y recomendar nuevas normas sobre la eficiencia de los motores que cubrieran tanto los motores eléctricos de uso general como algunas categorías de motores eléctricos de uso específico y definido.
La Sección de Motores y Generadores de NEMA estableció el programa NEMA Premium por cuatro razones principales:
Visite NEMA Premium Motors para obtener más información. [7]
Un resumen de las normas EISA para motores: [8]
En junio de 2005, la Unión Europea promulgó una Directiva por la que se establece un marco para la fijación de requisitos de diseño ecológico (como los requisitos de eficiencia energética) para todos los productos que utilizan energía en los sectores residencial, terciario e industrial. [9] Unas normas coherentes a escala de la UE en materia de diseño ecológico garantizarán que las disparidades entre las reglamentaciones nacionales no se conviertan en obstáculos para el comercio intracomunitario. La Directiva no introduce directamente requisitos vinculantes para productos específicos, pero sí define condiciones y criterios para establecer requisitos relativos a características de productos relevantes desde el punto de vista medioambiental (como el consumo de energía) y permite mejorarlos de forma rápida y eficiente. A continuación se adoptarán medidas de aplicación que establecerán los requisitos de diseño ecológico. En principio, la Directiva se aplica a todos los productos que utilizan energía (excepto los vehículos de transporte) y abarca todas las fuentes de energía. [10]
La norma IEC 60034-30 especifica clases de eficiencia eléctrica para motores de inducción de jaula, trifásicos , de una sola velocidad , de 50 Hz y 60 Hz, que:
La siguiente tabla muestra las clases de eficiencia IEC 60034-30 (2008) y los niveles de eficiencia comparables.
La norma también reserva una clase IE4 (Super Premium Efficiency) para el futuro. Los siguientes motores quedan excluidos de la nueva norma de eficiencia:
El gráfico muestra como ejemplo motores de 4 polos y 50 Hz.
Para el funcionamiento a 60 Hz, los valores mínimos de eficiencia a plena carga IE2 e IE3 son prácticamente idénticos a los estándares de motores de eficiencia energética y eficiencia premium de la Asociación Nacional de Fabricantes Eléctricos de Norteamérica (NEMA) [11] , respectivamente. (NEMA especifica diferentes valores de eficiencia a plena carga para motores con gabinetes totalmente cerrados, enfriados por ventilador y abiertos a prueba de goteo y, a partir de 200 HP, la eficiencia IEC IE3 es ligeramente superior a la eficiencia premium de NEMA). Los estándares mínimos de eficiencia a plena carga IEC son más altos para motores de 60 Hz que para motores de 50 Hz. Esto se debe a que, siempre que el par motor sea constante, I 2 R o las pérdidas de resistencia del devanado son las mismas a 50 Hz y 60 Hz. Sin embargo, la potencia de salida del motor aumenta linealmente con la velocidad, aumentando un 20 % cuando la frecuencia aumenta de 50 Hz a 60 Hz. En general, la eficiencia de 60 Hz es aproximadamente entre un 2,5 % y un 0,5 % mayor que los valores de 50 Hz. La ganancia de eficiencia es mayor para potencias de motor más pequeñas.
Para demostrar el cumplimiento de estas nuevas normas de eficiencia, los motores deben probarse de acuerdo con el protocolo de prueba IEC 60034-2–1 recientemente adoptado. Este procedimiento proporciona resultados de prueba que son en gran medida compatibles con los obtenidos mediante los métodos de prueba IEEE 112B y CSA 390 de Norteamérica. La nueva norma también exige que la clase de eficiencia del motor y la eficiencia nominal del motor se etiqueten en la placa de identificación del motor y se indiquen en la documentación del producto y en los catálogos de motores en el siguiente formato:
IE3 94,5%
El 22 de julio de 2009, el Reglamento (CE) nº 640/2009 de la Comisión, por el que se aplica la Directiva 2005/32/CE, establece que en la UE, con excepción de algunas aplicaciones especiales, los motores no deberán ser menos eficientes que el nivel de eficiencia IE3 a partir del 1 de enero de 2015.
En detalle:
EC 60034–30, IE3 La eficiencia premium (%) se presenta en la tabla.
Eficiencia Premium IE3
El diseño de motores de alta eficiencia requiere conocimientos especiales, experiencia e instalaciones de prueba equipadas con instrumentación de precisión. La tarea del diseño es aumentar la eficiencia minimizando y equilibrando las pérdidas individuales, especialmente las creadas en las bobinas del estator, el hierro del estator (magnetización) y las pérdidas dentro del rotor por deslizamiento. En comparación con los motores eléctricos estándar (por ejemplo, IE1), se utilizan más materiales de hierro y cobre. Los motores IE3 son más pesados y físicamente más grandes que los motores IE1.
Por lo general, el uso de un relleno de ranura más alto en el devanado de cobre, el uso de laminaciones más delgadas con propiedades de acero mejoradas, la reducción del espacio de aire, un mejor diseño del ventilador de enfriamiento, el uso de cojinetes especiales y mejorados, etc. pueden garantizar una mayor eficiencia en los motores.
La alta conductividad eléctrica del cobre en comparación con otros conductores metálicos mejora la eficiencia energética eléctrica de los motores. [12] Aumentar la masa y la sección transversal de los conductores en una bobina aumenta la eficiencia energética eléctrica del motor. Cuando el ahorro de energía es un objetivo de diseño primordial, [13] [14] los motores de inducción pueden diseñarse para cumplir y superar los estándares de eficiencia premium de la Asociación Nacional de Fabricantes Eléctricos (NEMA). [13] [14] [7]
Según la Asociación Nacional de Fabricantes Eléctricos (NEMA), el Comité de Energía y Recursos Naturales del Senado de Estados Unidos adoptó una disposición promovida por la NEMA que creó un programa de reembolsos para motores de eficiencia energética premium, también conocido como programa "Crush for credit". El programa proporcionaba un reembolso de 25 dólares por caballo de fuerza y un reembolso de 5 dólares por caballo de fuerza por la eliminación del motor viejo. Este último programa era necesario para compensar la diferencia de costo entre los motores nuevos, más caros y eficientes, y el menor costo de reparación de los motores más viejos e ineficientes, dice la NEMA. Este programa permitió al gobierno federal gastar 350 millones de dólares en incentivos para la adopción generalizada de motores NEMA Premium.
La disposición "Crush for Credit" contenida en la versión del Senado de la "Ley de Política y Conservación de Energía" (EPCA) estuvo vigente durante cinco años e incluyó la siguiente financiación propuesta: [15]
En la UE, existen diversos planes de desgravación fiscal que alientan a las empresas a comprar equipos que incorporen motores de alta eficiencia. Por ejemplo, en el Reino Unido, el Enhanced Capital Allowances Scheme [16] ofrece un incentivo fiscal a las empresas que inviertan en equipos que cumplan los criterios de ahorro energético publicados. La Lista de Tecnologías Energéticas (ETL) detalla los criterios para cada tipo de tecnología y enumera los productos de cada categoría que los cumplen. La gestiona Carbon Trust , en nombre del Gobierno, y consta de dos partes:
La ETPL también contiene detalles de los valores máximos de reclamación [18] para productos calificados que comprenden un componente en una pieza más grande de planta y maquinaria, que en sí misma no califica para ECA.
Las características principales del sistema ECA son:
En Irlanda existe un programa similar, Accelerated Capital Allowance (ACA), administrado por Sustainable Energy Ireland (SEI) [20], que permite a una empresa reducir su renta imponible en un 100% del coste de capital de los equipos de eficiencia energética que cumplan los requisitos durante el primer año de compra, en comparación con apenas un 12,5% para las plantas y maquinarias que no cumplan los requisitos.
Con la actual estructura impositiva de las deducciones de capital, cuando se gasta dinero en "equipos de capital", las empresas pueden deducir el coste de estos equipos de sus beneficios de forma proporcional durante un periodo de 8 años, es decir, el beneficio imponible anual sólo se reduce en 1/8 del coste total de los equipos.
Con el nuevo ACA, cuando se gasta dinero en "equipos de capital energéticamente eficientes elegibles", la empresa puede deducir el costo total de estos equipos de sus ganancias en el año de la compra, es decir, la ganancia imponible en el primer año se reduce por el costo total del equipo.
