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En los productos más eficientes, los fabricantes han logrado conjugar la más alta eficiencia de sus motores con la más alta eficiencia del rodete, lanzando ventiladores con cada vez más baja emisión sonora

El 1% de eficiencia extra

Hugo do Ó. Ingeniero de aplicaciones de Ziehl Abegg Ibérica, S.L.U.04/03/2021

En las empresas que miran hacia adelante en innovación y donde la presión es inmensa para desarrollar la próxima novedosa tecnología que les lleve un paso más cerca del objetivo de ser el más verde, saben lo que cuesta conseguir un 1% extra de eficiencia del nuevo producto estrella.

El reto de lanzar productos cada vez más eficientes, competitivos y siempre compatibles con los criterios de proyectos de las más variadas áreas de industria incluyendo las novedades que se consideran imprescindibles para dentro de 5 / 10 años así como cumplir con las muy exigentes normativas existentes, es algo que pocas empresas logran conseguir de manera continuada.

La calidad, esa grandeza de la que todos hablamos y que no siempre podemos medir, depende de cada proyecto y de cada área industrial. Ya sea bajar la potencia instalada, reducir emisión sonora o bien controlar el THDi, tocar estos puntos en una instalación nueva es obligatorio y con los componentes y equipos del mercado global podemos diseñar un sistema que no sería posible hace tan solo 5 años.

Sabemos hoy que dentro de pocos años tendremos criterios todavía más exigentes para la selección de componentes de un sistema termodinámico. El reciente colapso de red eléctrica en el estado de Texas ya tiene consecuencias para los fabricantes de componentes que a partir de ahora deben de poder arrancar a 25°C bajo cero. La crisis sanitaria obligó y sigue forzando a una adaptación con una rapidez alucinante tanto de las personas como de los equipos que ahora tienen que garantizar que no se vean afectados por irradiación de lámparas UV para desinfección de aire y de superficies.

El papel de la IoT para lograr mayor eficiencia

La transformación digital del país se ha dinamizado sobre todo por culpa de la pandemia, aún no conocemos el impacto general del crecimiento del teletrabajo en la revolución que ya se veía llegar desde el Big Data e Internet de las Cosas o Internet of Things (IoT). El efecto de la pandemia seguramente está incluido en la dimensión del paquete de inversión España Digital 2025 de 140.000 millones de euros en 5 años.

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Figura 1 - Representación IoT / Cloud.

Un sistema con IoT va a permitir realizar ajustes en tiempo real y por lo tanto, las eficiencias del sistema en condiciones reales podrán acercarse más a las mediciones de los laboratorios de los fabricantes. Se podrán comparar, con datos reales y en tiempo real, costes, eficiencias y prestaciones. En componentes críticos será posible incluso monitorear vibraciones y plantear intervenciones de mantenimiento previo al fallo del equipo. Estos puntos representan un beneficio de eficiencia que va más allá de lo que podemos conseguir al mejorar un componente o un equipo.

Aunque sepamos que la IoT será una parte muy presente de nuestra actividad diaria, el reto hoy es la falta de ambición notoria en la reciente directiva UE 1781/2019 que reemplaza la anterior UE 640/2009 para subir las clases de eficiencia mínima de los motores IEC a partir del 1 Julio de 2021.

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Figura 2 - Motor IEC.

Si tenemos en cuenta que la clase de eficiencia IE3 se ha definido por la IEC en el año 2008 (IEC 600034-30 octubre 2008) es difícil entender como solo ahora a partir de Julio del 2021 entre en vigencia la obligatoriedad de montar motores clase IE3 (para potencias nominales entre 0.75 y 1000 kW de 2, 4, 6 ó 8 polos).

Se estima1 que los sistemas accionados por motor eléctrico utilizan alrededor de la mitad de la electricidad que se produce en la Unión Europea. Se estima que los motores eléctricos convirtieron 1425 TWh de electricidad en energía mecánica y calor en 2015, lo que representa unas emisiones de 560 millones de toneladas equivalentes de CO2. Se espera que este valor aumente hasta alrededor de 1470 TWh de aquí a 2020 y hasta unos 1500 TWh de aquí a 2030.

De éstos, un 64% será debido a los motores eléctricos operando en industria, que corresponde a un total de 69% de toda la energía eléctrica consumida en ambiente industrial2.

Cuando tenemos en cuenta la información que viene de la actividad propia en proyectos de mejora energética (Retrofit) de que la prácticamente unos 40% de los motores IEC en la industria y en edificios comerciales están funcionando a un 50% de su capacidad nominal, queda claro que el incremento de unos 2% al grado de eficiencia al pasar de motores de clase IE2 a IE3 traerá un beneficio marginal al compararlo con el potencial de mejora por la más exacta especificación de potencia a instalar.

En el conjunto de los equipos del ámbito de las directivas Ecodesign, que se dividen por lotes ErP, los motores eléctricos son los mayores consumidores de energía. El caso especial del tercer más grande consumidor de energía de todos los lotes ErP que contabiliza unos 300 TWh/año3 merece un análisis más a fondo: es el caso de los ventiladores industriales que es un campo muy específico de los motores eléctricos.

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Figura 3 - Ejemplos ventiladores: Axial y Radial.

Mayores ahorros energéticos con motores EC con funciones de IoT, comunicación inalámbrica y eficiencia IE5

Los ventiladores están compuestos básicamente por motor eléctrico + rodete + soporte. Pueden estar equipados con motor tipo IEC o bien con motor de rotor externo que aporta una construcción más compacta al equipo completo. El caso de los ventiladores es especial porque es donde se nota la adopción de una tecnología de motor que en muchos campos de la industria es considerado como una tecnología demasiado reciente.

El motor de conmutación electrónica (EC) se creó en 1985 pero se puede considerar como producto colocado en el mercado sólo desde el año 2003. Como está sujeto al avance de la industria electrónica se mejora a cada iteración de versión y esto se nota en todos los fabricantes, con el claro beneficio para el consumidor final.

A día de hoy ya se pueden encontrar motores EC con funciones de IoT y comunicación inalámbrica, y ésto con clase de eficiencia IE5. El promedio del ahorro energético de un Retrofit donde se pasa de ventiladores con motor IE1/IE2 a los ventiladores con motor EC está en unos conservadores 30-40%.

Conseguir ahorros energéticos tan considerables sin perder nada de capacidad térmica y añadiendo funciones de gestión integrada del sistema es el resultado de la búsqueda incesante del 1% extra de eficiencia.

Los fabricantes de ventiladores con producción integral de las partes que componen el producto terminado han sido capaces de adaptar las eficiencias de los motores a las eficiencias de los rodetes.

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Figura 4 - Detalle rodete optimizado.

En los productos más eficientes del mercado, los fabricantes han logrado conjugar la más alta eficiencia de sus motores con la más alta eficiencia del rodete, al mismo tiempo lanzando ventiladores con cada vez más baja emisión sonora.

Si analizamos un caso real, podemos ver claramente el beneficio para el consumidor al reformar su instalación sustituyendo sólo los ventiladores. Siguen en operación muchísimos sistemas de caudal constante y fijo donde el potencial de mejora es enorme.

En el cuadro de abajo, podemos ver el impacto inmediato de un Retrofit de pequeñas dimensiones que se podría completar en un par de días.

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Tabla 1 - Impacto Retrofit.

La mejora en el consumo en la columna de la derecha representa la comparativa en el punto de trabajo nominal, es decir considerando la misma capacidad de caudal movido a máxima velocidad de los ventiladores previamente instalados. Uno de los objetivos mayores de un Retrofit de este tipo es pasar a tener una capacidad de caudal que se adapte a las necesidades de cada momento lo que supone un ahorro adicional a la mejora en eficiencia.

Sabemos que los sistemas de climatización están dimensionados para las condiciones casi pico de verano/invierno, pero en la mayoría de las horas de funcionamiento a lo largo del año están en operación de carga parcial. Al actualizar una instalación con ventiladores EC con capacidad de adaptarse a las necesidades de cada momento el ahorro puede llegar al 50% cuando comparamos los consumos al largo de un año.

Considerando los productos disponibles a día de hoy con mejor eficiencia y funcionalidades de comunicación IoT, se puede afirmar con seguridad que hoy podemos beneficiarnos de un ahorro energético importante y que el 1% extra de eficiencia lo podremos conquistar con la visión integrada de sistema que tendremos a medio plazo.

Referencias

1 - REGLAMENTO (UE) 2019/1781 DE LA COMISIÓN

2 - IEA (2011), Energy Efficiency Policy Opportunities for Electric Motor-Driven Systems, IEA, Paris https://www.iea.org/reports/energy-efficiency-policy-opportunities-for-electric-motor-driven-systems

3- Study for the Review of Fan Regulation 327/2011 – Final report https://fanreview.eu/documents.htm

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