TECNICO INVITADO Ahorro de energía en las operaciones de bombeo Por Sr Ing. Jakob Løchte
Director de Desarrollo de Negocios para Mercados Emergentes Gerencia de Grundfos Dinamarca
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Nota publicada en m3hweb – Registro de propiedad intelectual realizado y vigente. La reproducción parcial o total está penada por ley Nº11.723. Mayor información: info@emetreshache.com
ANALISIS DE LA IMPLEMENTACION DE UN SISTEMA DE BOMBEO, CUALES SON LOS ERRORES MAS COMUNES, HERRAMIENTAS PARA UN USO. Los cálculos y mediciones de todas las operaciones de bombeo en diversas industrias, cuando se calculan a lo largo de un período prolongado, demuestran que el precio de compra de las bombas representa menos del 5%, el costo de mantenimiento del 5 al 15%, y el costo de energía generalmente más del 80%. También es un hecho que más del 20% del consumo global de energía corresponde a las bombas. Algunos diseñadores de sistemas de bombeo sostienen que se puede ahorrar hasta el 50% de este costo de energía si se hace un esfuerzo conjunto en toda la cadena, desde el diseño de los sistemas de bombeo hasta la operación. Considero que están en lo cierto y me gustaría presentarles algunas ideas, reflexionar sobre por qué no ocurre esto, y también qué hace falta para que ocurra. ¿Por qué no posibilitamos estos ahorros cuando hablamos sobre la escasez de recursos energéticos, el aumento en las emisiones de CO2, el cambio climático, el aumento de los niveles de contaminación y el perfil ambiental? Además, ¿no .. . www.m3hweb.com
sería bueno ahorrar mucho dinero? ¿No hacemos nada porque no nos importan estos problemas?, ¿Cuál es el motivo si estos temas resultan tan evidentes? Yo creo que, lo que parece a primera vista pensamiento de corto plazo y poner la prioridad en el precio solamente, es en realidad una larga cadena de ignorancia entre los responsables de la toma de decisiones, los responsables de las compras, del diseño y del funcionamiento de los sistemas de bombeo. Una ignorancia que lleva a decisiones desastrosas que pueden generar mucho daño a las futuras generaciones, lleva a malgastar recursos y llevará varias décadas reparar estos daños. La bomba lamentablemente no es un objeto sexy como, por ejemplo, un automóvil. Y la mayoría percibe a la bomba como algo que está escondido en un sótano y requiere poca atención. Me gustaría señalar que si hubiera más conciencia sobre las consecuencias de esta ignorancia y desinterés, se tomarían las medidas apropiadas. Por supuesto que puede haber limitaciones presupuestarias, pero unos simples cálculos
TECNICO INVITADO frecuentemente pueden demostrar que vale la pena considerar nuevas formas de financiar las inversiones, ya que en general se amortizan a corto plazo, en el curso de algunos meses, o en el peor de los casos en el curso de algunos años. Se pueden evaluar diversos modelos de negocios para esta financiación aplicando los ahorros obtenidos con un sistema de bombeo más eficiente en términos de consumo de energía. A continuación trataré de describir las fases de la vida del sistema de bombeo y resaltar en qué aspectos hay problemas, y dónde entra en juego la falta de conocimiento. Fase de diseño y especificaciones Normalmente, el primer paso son las especificaciones y el diseño de los sistemas de bombeo. En esta fase hay una tendencia a olvidar el objetivo general del sistema, cómo es el perfil de carga requerido y qué probabilidades existen de que se produzca una catástrofe si el sistema no puede satisfacer los picos de demanda durante períodos breves. En mis 20 años de experiencia de trabajo con bombas, nunca he visto una bomba demasiado pequeña, pero he visto miles de bombas de tamaño excesivo. Esto probablemente no se debe a los errores en los cálculos y estimaciones de los requerimientos para las bombas, sino simplemente a que los seres humanos tratamos de cubrirnos cuando hacemos cálculos o estimaciones. Pero, si muchas personas agregan márgenes de seguridad en la cadena, terminamos con una bomba que no es sólo 10 ó 20% más grande de lo necesario, sino que en 80% de los casos la bomba puede duplicar el tamaño requerido. Además, frecuentemente no se observa el perfil de carga y por lo tanto la bomba opera de 50 a 97% del tiempo operativo más que duplicando la exigencia necesaria, ya que se ha tomado 100% de carga como criterio de diseño. Muchos diseñadores y otras personas que trabajan en la selección de bombas realizan sus cálculos con grandes márgenes de seguridad para garantizar una operación sin problemas y segura, pero en la práctica logran lo opuesto, ya que algunas de las consecuencias de este sobredimensionamiento son, no sólo una operación fuera del punto de funcionamiento de diseño (BEP o punto de mayor eficiencia), sino que
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en la mayoría de los casos tiene consecuencias en la operación, como pérdidas por alta fricción, vibraciones, golpe de ariete, cavitación y otros inconvenientes que derivan en: • Mayor nivel de ruido • Desgaste de los componentes vitales, que a su vez provoca un menor rendimiento • Menor vida útil de los cojinetes • Pérdidas en los sellos mecánicos • Costos de energía excesivamente altos Resolver esto regulando las válvulas o haciendo derivaciones para compensar el dimensionamiento incorrecto es lo mismo que apretar el acelerador y el freno del automóvil al mismo tiempo. Todos sabemos que esto reduce la vida útil del producto y no es una solución muy económica. La regulación se debe hacer en el motor.
Sr Ing. Jakob Løchte en la E-Week desarrollada en Bs.As., Argentina Noviembre 2011
Las operaciones con excesiva presión también pueden aumentar las pérdidas de agua o del líquido que se esté bombeando, cuando la operación en el punto de mayor eficiencia (BEP) como norma, permite una operación más económica y una mayor vida útil. Otro problema es el alto riesgo de cavitación que tiene como consecuencia el malfuncionamiento de la bomba y un menor rendimiento. En las aplicaciones subterráneas es donde se observan algunos de los peores desastres en las
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TECNICO INVITADO operaciones de bombeo en todo el mundo. En estas situaciones las bombas sobredimensionadas provocan una excesiva disminución del nivel del agua, y sólo un 20% extra en la disminución del nivel puede provocar un aumento del 25% en el costo de energía. El derroche de energía en este campo es enorme. Aún peor es que el exceso de bombeo de los pozos de sondeo hace que un acuífero abierto quede expuesto al aire, lo que provoca reacciones químicas, afecta la calidad del agua y aumenta la necesidad de su tratamiento. Esto frecuentemente se traduce en un consumo innecesario de energía. Especificaciones de los accesorios Muy pocos prestan la debida atención al hecho de que la bomba sólo puede operar según su diseñada y dimensionamiento, siempre y cuando la instalación y el equipo de instalación así lo permitan. Una bomba de alta eficiencia no sirve de mucho si las pérdidas en cables, tuberías, válvulas y otros elementos hacen que la bomba consuma más energía de la necesaria. Los cálculos demuestran que los cables o tuberías mal dimensionados pueden fácilmente reducir las eficiencias del bombeo en un porcentaje bastante alto, lo que se traduce en consumo excesivo de energía. Debería señalar también que, en los motores, la pérdida de eficiencia se transforma en calor y de este modo puede reducir la vida útil del motor significativamente. Es común culpar al proveedor de energía cuando el suministro no es 100% estable, pero se presta muy poca atención al correcto dimensionamiento y calidad de transformadores, cables y empalmes, equipo de puesta en marcha, protección del motor, etc. Como me dijo una vez un gerente de Hamburg Waterworks: “No me puedo dar el lujo de operar las bombas con cables que tengan más de 1% de caída de tensión”. Muy pocos pensarían en incluir esto en una especificación, y en la vida real quizás nunca ocurra, salvo en Hamburg Waterworks. Los accesorios adicionales seguramente originan costos adicionales, pero cuando se puede demostrar que se amortizan en un año esto no debería resultar un problema. Especialmente no sería un problema si se incrementa la vida útil del producto. Algunas soluciones con accesorios no son muy
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sofisticadas ni muy costosas, como las camisas refrigerantes que pueden aumentar significativamente la vida útil de los motores sumergibles. Datos de bombeo confiables Algunas aplicaciones de bombas requieren cierta eficiencia, pero la forma en que se presentan los requerimientos da muy poca garantía al cliente de que la bomba que se entrega realmente funciona tal como se indica en un atractivo folleto. Algunos clientes incluyen el requisito de entrega de certificados y la realización de ensayos con testigos para asegurarse de recibir todo aquello por lo que pagaron. Estos costosos procedimientos han sido reemplazados hace mucho tiempo, principalmente en el mundo occidental.
Los fabricantes hoy producen de acuerdo con ciertas normas, tales como las ISO, y esto es verificado por un organismo de certificación independiente. Se deberá tener presente que un sello ISO por sí mismo no representa ninguna garantía de calidad, sino que es “sólo” una garantía de un mismo nivel de calidad, de acuerdo a determinadas normas.
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TECNICO INVITADO Motores con certificación de eficiencia energética Desde hace varios años, los motores estándar tienen certificación de eficiencia energética Eficiencia 1 o Eficiencia 2, pero a pesar de esto, y a pesar de las grandes diferencias en eficiencia energética, en el costo de las operaciones, en el rendimiento y en la vida útil, muchos diseñadores todavía no incluyen a los motores Eficiencia 1 como requisito. Dejar estos elementos librados al azar, deriva en que muchas veces se utilizan los motores más económicos (Eficiencia 2), o aún peor, se utilizan motores que están totalmente fuera de cualquier categoría, con lo que se producen enormes pérdidas financieras. Uso de accionadores de frecuencia variable (VFD) Hay muy buenas razones que justifican la tendencia a utilizar accionadores de frecuencia variable con los sistemas de bombeo, pero muchos tienen una idea equivocada de los VFD. Creen erróneamente que el uso de un VFD en las bombas va a significar un ahorro de energía en forma automática, y que el VFD permitirá cubrir las fluctuaciones en la demanda. Ambas ideas son erróneas. Cuando se trata de solo llenar un tanque, el VFD en general no puede agregar ningún valor.
El VFD consume hasta 5% de energía, por lo tanto, de partida reduce la eficiencia, aunque esta reducción es insignificante en comparación con los grandes ahorros que se pueden lograr utilizando unidades VFD. No obstante, también hay muchas otras buenas
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razones además del ahorro de energía para utilizar un VFD, tales como obtener presión constante, reducción del choque de presión en los sistemas de tubería en la puesta en marcha y en la detención de la bomba. Estas son funciones generalmente ligadas a obtener mayor confort. Fase de compra En el proceso de compra de equipos, en general se trata de encontrar un producto que pueda cumplir con las especificaciones al menor costo. A algunos responsables de compra se les pagan bonificaciones por los ahorros en los costos que pueden lograr cuando compran equipos, sin prestar atención al costo operativo del equipo. Los encargados de los departamentos de compras hoy, típicamente tienen conocimientos de hidráulica y quizás de motores, pero en muchos casos tienen muy pocos conocimientos sobre los equipos de control y comunicaciones y sobre las posibilidades de mejorar las operaciones utilizando estos equipos. Yo personalmente he visto cientos de especificaciones sin ningún requerimiento respecto de las eficiencias del sistema o costo del ciclo vital (LCC), especialmente en los países del tercer mundo, donde precisamente tienen mayor necesidad de hacer ahorros ya que el dinero es escaso. Las especificaciones han pasado a ser un legado de las antiguas generaciones de ingenieros, que tenían una perspectiva completamente diferente y en general trataban de encontrar un producto que cumpliera con las funciones al menor precio posible. Ya no podemos continuar con esta forma de pensar. En muchos casos no queda a discreción del responsable de compras exclusivamente, sino que la decisión de compra también está influenciada por personas que tienen experiencia en el trato con los proveedores en lo que respecta a rendimiento del producto, calidad y también al servicio posventa. En ese aspecto las buenas relaciones también tienen un rol vital. Casi todos tratan de hacer negocios con las personas y los productos que les dan tranquilidad. En gran medida esta es una reacción humana, pero no necesariamente conduce a la solución que les permite a los clientes tener el mejor sistema de bombeo. La conclusión es que también en la fase de compra
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TECNICO INVITADO la ignorancia deriva en sistemas con los que algunos piensan que tienen la mejor solución y han hecho una buena tarea, pero en muchos casos la realidad es exactamente opuesta y el resultado es una menor vida útil y un enorme derroche de energía y dinero. Todavía no he conocido un gerente de compras que haya pagado incentivos para reducir el costo de las operaciones de bombeo aunque hay herramientas disponibles para calcular y hacer una buena estimación del LCC de diferentes productos. Fase de entrega Muchas compañías mantienen bombas en stock, que pueden ser nuevas o usadas y reparadas. Algunos hacen ensayos con los productos reciclados, pero en muchos casos el funcionamiento no es un gran problema. Muchas veces se mantienen en operación anillos de cuello hasta tanto el producto tenga un funcionamiento razonable. En algún momento, estos equipos de alto consumo de energía, vuelven a ser puestos en operación aunque deberían haber sido enviados a chatarra hace mucho tiempo para reemplazarlos por nuevos equipos, ya que el cambio se amortiza varias veces. Pero, ¿quién da de baja un producto que todavía funciona bien? Pareciera que las normas de operación y calidad como la ISO, sólo se aplican a los productos nuevos, y desde el día en que el producto sale de la fábrica, a nadie parece importarle demasiado la eficiencia, y pareciera que toda la atención se pone en la operación del sistema, sin prestar atención a lo que ocurre con el mayor consumidor de energía de toda la operación, la bomba. Fase de operación Aún si uno logra manejar bien las primeras fases, puede haber derroches en la última de ellas, ya que un producto de alta eficiencia no funcionará de acuerdo con las expectativas si las condiciones operativas no son las esperadas, o no se realiza un servicio o mantenimiento adecuados. En efecto, las condiciones operativas rara vez son las esperadas, pero ¿quién piensa en reemplazar un producto recientemente instalado? Sin embargo, es un hecho que muchos productos, aún productos completamente nuevos, nunca deberían entrar en operación, ya que debido a una falta de compatibilidad entre el funcionamiento del producto y las condiciones operativas, los
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gastos de energía pueden superar en mucho a las estimaciones realizadas en base a los cálculos de diseño. En la puesta en marcha muy pocos son los que prestan atención a estas cuestiones, y la puesta en marcha muchas veces es una mera formalidad legal que sirve para transferir responsabilidades y dinero. Para saber si un producto no está funcionando de acuerdo con las expectativas, y si cada hora de operación realmente significa gastos excesivos de energía y dinero, es necesario tener acceso a datos. Se deben recolectar datos simples de bombeo en línea y compararlos con los datos de diseño y luego se debe hacer un cálculo correcto de retorno de las inversiones a fin de considerar simples acciones correctivas tales como cómo hacer que la bomba funcione en el punto de funcionamiento y no 20% o 30% por debajo del punto de eficiencia energética. En general el operador solo necesita saber el costo en kWh que significa bombear 1 m3 de agua para saber si corresponde tomar simples acciones correctivas como el mejor momento para el servicio, ya que el mejor momento para el servicio no es probablemente cuando el producto se rompe, sino cuando el costo de energía comienza a aumentar por alguna razón. Pero si no cuentan con datos los operadores se encuentran perdidos y pueden echar millones de kWh por la borda por simple ignorancia. ¿Por qué hacer una auditoría de bombas? En un mundo turbulento, en un entorno de mucha competitividad y altos precios de energía, cada vez más compañías en todo el mundo han comenzado a poner la atención en los gastos de energía y a pensar qué hacer al respecto, y para algunas de ellas, las bombas han pasado a ser el lugar natural donde empezar a pensar en ahorrar costos. Por este motivo las auditorías de bombas se están popularizando. Los responsables de las operaciones que generan altos costos de energía simplemente quieren conocer su situación y saber si tienen una oportunidad de hacer ahorros. También esperan que en la auditoría no sólo se analicen las bombas y se hagan recomendaciones de bombas nuevas y más eficientes, sino que esperan un análisis de toda la operación de bombeo. Las cuentas de las empresas son sometidas a una
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TECNICO INVITADO auditoría efectuada por auditores especializados, que verifican que las cuentas reflejen las operaciones en forma veraz y confiable. De la misma manera, la Auditoría de Bombas consiste en una inspección, realizada por profesionales, de los sistemas de bombeo. Auditoría de bombas El sistema de auditoría se configura en el sitio de instalación de las bombas, y esta herramienta se puede utilizar en prácticamente todas las aplicaciones conocidas con contenidos sólidos de hasta el 5% y tamaños de tubos de 25 mm a 1000 mm. La auditoría en sí misma es una operación simple. Es solo una herramienta para medir Q, H y kWh. Lo interesante es el análisis del diseño del sistema y las recomendaciones para mejorar la operación. Esto es lo que el cliente aprecia, y es aquí donde se ocultan la energía y el dinero. La auditoría verifica la eficiencia global de las bombas instaladas utilizando un potenciómetro que se instala con 2 juegos de pinzas amperimétricas que transmiten la información que recogen a un registro de datos instalado en una PC. Después de un cierto período se analizan los datos recogidos y se hacen algunos cálculos para que resulten relevantes para la aplicación específica. Para completar esta etapa del proceso se elabora un informe que luego se le presenta al cliente. A partir de esos datos se elaboran recomendaciones que le ofrecen al cliente diversas opciones, todas ellas para que el sistema opere en forma más eficiente, para ahorrar dinero en las cuentas de electricidad y así contribuir a conservar los recursos energéticos. Auditoría de bombas – Casos Joh. Pengg es una empresa muy conocida de Austria que realizó una evaluación de su sistema de suministro de agua. En este caso la auditoría de bombas pudo demostrar que existía la posibilidad de ahorrar un 56% de energía instalando un nuevo sistema de presurización. El costo de esta instalación de 3 bombas era de €21,500, en tanto los ahorros ascendían a €12,200. Esto significa que el ahorro de energía hace que el costo de instalación se amortice en sólo 21 meses. La fábrica de helados de Unilever instalada en
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Gloucestershire es uno de los tantos clientes satisfechos que hay en todo el mundo que tomaron la decisión hace poco tiempo de recurrir a la herramienta de Auditoría de Bombas Grundfos para evaluar la eficiencia de sus bombas instaladas. Al igual que muchas otras compañías, Unilever se ha fijado metas muy estrictas y exigentes, entre las que se incluye lograr eficiencias ambientales y aplicar una serie de medidas para verificar que se estén cumpliendo. Una vez completado el ciclo de evaluación, están muy satisfechos con la reducción registrada en el consumo de energía que se verificó con el proceso de auditoría, con los indicadores de los análisis posteriores y con los resultados que están viendo una vez que han completado el proceso e instalado nuevas bombas. Por cierto piensan que todo el proceso ha valido la pena. Conclusión Hay enormes oportunidades de ahorro de energía con los sistemas de bombeo, y los gerentes responsables deberían aprovechar algunas de estas frutas maduras que prácticamente no requieren ningún esfuerzo extra, como utilizar perfiles de carga y análisis de LCC (Life Cost Cycle o Costo del Ciclo de Vida) en la fase de diseño. No se requerirán recursos extra en la fase operativa para garantizar el servicio y el reemplazo en el momento más oportuno. Y si las empresas que tienen instalaciones de bombas y grandes facturas de energía consideran que no pueden pasar por alto estos aspectos, pueden recurrir a otras compañías para hacer auditorías de energía y obtener una evaluación de cómo reducir los costos de las operaciones de bombeo y, presuntamente, lograr una mejor operación de bombeo. 10 consejos para lograr una operación de bombeo más confiable y con un menor costo de energía: • Elaborar perfiles de carga y utilizarlos en la fase de diseño • Incluir el concepto de LCC en el proceso de compras y no poner atención sólo en el precio • Pensar en la operación del sistema y calcular el costo de mover una unidad de agua - kWh/m3 • Utilizar exclusivamente motores que tienen el símbolo de Eficiencia 1 • Utilizar el VFD cuando resulta apropiado • Garantizar la confiabilidad de los datos y utilizar productos certificados
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TECNICO INVITADO • Aprender a dar de baja a los equipos obsoletos e ineficientes • Garantizar la operación correcta y el bajo consumo de energía de acuerdo con las estimaciones iniciales
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• Recoger datos en forma permanente y aplicar acciones correctivas para garantizar la optimización de los sistemas de bombeo • Hacer auditorías de energía en forma regular. Es posible ahorrar dinero y energía.
Grundfos es una empresa de origen danés, fundada en 1945 que hoy cuenta con 17.000 empleados en todo el mundo y una facturación global de Euro 2.633 millones. Se estableció en Argentina en 1995 y en el 2008 pasó a ser la empresa de bombas nro. 1 en ventas en Argentina, posición que ha mantenido desde entonces.
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