Avanzando hacia la era IE5 para la eficiencia energética

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Por Carolina Hayes

Publicado el martes 14 de marzo de 2023

Mientras el sector de la ingeniería busca formas económicas y sostenibles de lograr una mayor automatización, ¿qué está frenando una adopción más amplia del motor IE5?

Los motores convierten la energía eléctrica en energía mecánica para impulsar piezas. Hoy en día, son omnipresentes: se estima que sólo en la UE se utilizan más de ocho mil millones de motores eléctricos. Vienen en todos los tamaños para uso en hogares, oficinas, fábricas, equipos hospitalarios y equipos industriales.

Se estima que representan más del 50 por ciento del consumo mundial de electricidad y, con el aumento de los precios del combustible, el funcionamiento energéticamente eficiente se ha convertido en una cuestión económica y medioambiental. La disponibilidad de motores con mayor eficiencia energética contribuirá a reducir las emisiones de CO2 y ayudará a los países a alcanzar objetivos netos cero.

Los motores industriales se utilizan para controlar el par y la velocidad en cintas transportadoras, brazos robóticos, vehículos guiados automáticamente y en compresores para regular el volumen de aire, gas o líquido que circula por las tuberías.

Están clasificados en términos de clases de eficiencia internacional (IE), y cada nivel de eficiencia genera entre un 10 y un 20 por ciento menos de pérdida de energía en el funcionamiento del motor (consulte el recuadro a continuación).

La clase IE5 está definida para motores que funcionan con velocidad variable. Richard Gee, director de ventas de motores y generadores de ABB en el Reino Unido, afirma que los motores IE5 producen hasta un 50 por ciento menos de pérdidas de energía que los motores IE2 equivalentes y un 20 por ciento menos de pérdidas en comparación con los motores IE4.

Los motores síncronos pueden utilizar imanes permanentes o pueden crear par mediante reluctancia magnética. Hoy en día, hay disponibles motores de imán permanente (PM) IE5, motores de reluctancia síncronos IE5 y motores de reluctancia síncronos asistidos por PM IE5. Se está trabajando en la creación de un motor de inducción (o asíncrono) IE5, pero es difícil lograr que uno alcance una eficiencia tan alta, dice Norbert Hanigovszki, director de inteligencia de accionamientos de Danfoss.

El tipo de imán utilizado afecta el costo y el tamaño del motor. Los materiales de tierras raras utilizados en los imanes permanentes son escasos y geopolíticamente sensibles porque la mayoría se extraen en China, explica Hanigovszki. La ferrita es un imán más barato pero más débil, lo que da como resultado un motor más grande.

Las estimaciones sitúan los motores IE5 en no más del 1 por ciento del mercado total de motores en la actualidad. Parte de la lenta adopción puede deberse al hecho de que los gobiernos no exigen motores superiores a IE3. Esto puede estar dictado por la geografía de los fabricantes de motores, observa Hanigovszki, con Danfoss, ABB y Siemens en Europa y GE y Allen-Bradley en Estados Unidos, pero ningún fabricante en China.

Como resultado, los motores IE5 son una herramienta para diferenciar productos, pero se consideran una actualización de lujo más que una necesidad. Dado que un motor IE5 debe fabricarse específicamente y con un precio superior, y teniendo en cuenta que es posible que los ahorros no se obtengan de inmediato, se debe considerar el costo total del proyecto, no solo el costo inicial del motor, aconseja Hanigovszki.

Esto es particularmente cierto para proyectos municipales donde los motores IE5 pueden ahorrar costos de funcionamiento y uso de energía para proyectos grandes que hacen funcionar motores a carga parcial o velocidad parcial, como calefacción, ventilación y aire acondicionado (HVAC), bombeo de agua dulce y tratamiento de aguas residuales. La electricidad utilizada para suministrar agua a pueblos y ciudades suele ser la carga eléctrica más alta, dice Hanigovszki, por lo que cualquier ahorro será significativo.

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Los motores están diseñados para funcionar durante al menos 20 años, pero el ahorro total de costos se puede lograr con relativa rapidez. ABB cita el ejemplo de un motor de 110 kW que funciona a 1.500 rpm. La diferencia en el coste inicial de su motor IE5 y un motor IE3 “es insignificante en comparación con el ahorro anual en costes de energía”. El paquete de motor IE5 reembolsará la diferencia de coste después de unos 13 meses. Además, seguirá generando ahorros anuales durante el resto de su vida útil. Dentro de unos 10 años, el uso reducido de energía cubrirá el coste inicial de todo el paquete IE5, afirma la empresa.

Un motor síncrono IE5 es más pequeño que un motor de inducción IE3 o IE3, por lo que es posible que sea necesario rediseñarlo para adaptarlo al modelo de eficiencia energética. El equilibrio de cableado y voltaje entre los motores es el mismo.

Un motor de reluctancia síncrono IE5 tiene el mismo tamaño que un motor de inducción IE2, por lo que no se necesita ninguna modificación mecánica para una adaptación. "Funcionalmente, funciona de la misma manera que cualquier motor de inducción, por lo que no hay requisitos específicos que considerar, ya que se puede cambiar de igual a igual", dice Gee de ABB.

Sin embargo, necesita un variador de velocidad para alcanzar los niveles de eficiencia IE5. Deben ser un paquete coincidente, es decir, del mismo fabricante y compatibles entre sí, aconseja.

"Un variador de velocidad puede generar ahorros muy superiores a los obtenidos con la mayor eficiencia del [motor] IE5 porque cuando se adapta la velocidad del motor a la velocidad de la aplicación, se ahorra una enorme cantidad de energía". dice Hanigovszki. Normalmente, se pueden ahorrar entre un 15 y un 40 por ciento al pasar de un motor de velocidad fija, por ejemplo para ventiladores, bombas y compresores. El uso de un motor IE5 ofrece temperaturas de devanado hasta 30 °C más bajas y temperaturas de rodamiento hasta 15 °C más bajas. temperatura que un motor IE2. Esto aumenta la confiabilidad y prolonga la vida útil del motor, dice Gee. "Las temperaturas más bajas de los rodamientos son un factor importante para reducir los costos del ciclo de vida, porque las fallas de los rodamientos causan alrededor del 70 por ciento de las paradas no planificadas del motor", añade.

Si un motor se utiliza de forma intermitente o con carga parcial durante períodos prolongados (por ejemplo, ventiladores y bombas), un variador de velocidad puede reducir el voltaje y la frecuencia de entrada al motor, reducir la velocidad de rotación y generar hasta un 30 por ciento de ahorro de energía adicional. .

Los ahorros relativamente pequeños al pasar de un motor IE1 a uno IE5 (alrededor del 5 por ciento) podrían ser una de las razones por las que la modernización con motores IE5 no es popular. "El tiempo de recuperación de la inversión podría ser de cinco a ocho años si se actualiza sólo el motor, mientras que la migración de velocidad fija a velocidad variable podría amortizarse en un año", reconoce Hanigovszki.

También hay una falta de conciencia, añade Gee, y en particular de los posibles ahorros que el motor puede lograr a largo plazo. “Los fuertes aumentos en los costos de la energía también, sin darnos cuenta, han hecho que los argumentos a favor de IE5 sean aún más convincentes. Cuanto más aumenta el coste de la energía, más rápido se recupera la inversión”, afirma.

Un ejemplo es la refinería de azúcar de Südzucker en Bélgica, que utiliza 3.000 t/h de agua en temporada alta para transportar remolacha por su planta. Sin embargo, el análisis mostró que el mayor potencial de ahorro de energía procedía de las máquinas cortadoras. Aquí, seis viejos motores asíncronos de 160 kW han sido reemplazados por motores SynRM de ABB con clasificación IE5 de 134 kW, combinados con variadores de velocidad, lo que reduce los costos de la subestación en un 27,4 por ciento, con las menores emisiones asociadas.

Sin duda, la crisis energética acelerará la demanda de motores IE5. Lamentablemente, a la crisis energética se suma también la crisis de suministro, afirma Hanigovszki, con plazos de entrega de unos seis meses para los motores. La crisis de suministro puede significar que los motores de imanes permanentes se vuelvan menos populares, cediendo terreno a los motores de reluctancia síncronos. También podría estar surgiendo un motor híbrido, afirma. Estos utilizarán imanes de ferrita más pequeños para proporcionar un mejor factor de potencia que los motores de reluctancia síncronos.

“Si pones suficiente imán en el motor, puedes estar en un punto óptimo... pero claro, un punto óptimo puede ser muchas cosas. Para algunos, el precio es importante; para otros, es densidad de potencia y, para otros, es eficiencia, sin importar lo que cueste”.

La eficiencia de un motor es su potencia máxima de salida dividida por la potencia de entrada. Ningún motor es 100 por ciento eficiente, pero no todos los motores son iguales.

Para distinguir los niveles de eficiencia, la IEC (Comisión Electrotécnica Internacional) ha definido cinco clases de eficiencia para motores industriales, basándose en el método de prueba de la norma IEC 60032-30:2008. En los EE. UU., NEMA (la Asociación Nacional de Fabricantes Eléctricos) tiene tres clases: Estándar, Eficiencia Energética y Eficiencia Premium.

Las primeras cuatro clases de Eficiencia Internacional (IE) de IEC son equivalentes a las categorías de Eficiencia Estándar (IE1) de NEMA, Alta Eficiencia (IE2), Eficiencia Premium (IE3) y Súper Eficiencia/Eficiencia Súper Premium (IE4). No existe un equivalente NEMA para IE5.

Los motores se prueban según IEC 60034-3, que regula la temperatura y la eficiencia energética. Actualmente, las regulaciones en toda la industria llegan hasta IE3, aunque eso cambiará a partir de julio de este año, cuando la UE requerirá motores de entre 75 y 200 kW para cumplir con IE4. En la actualidad, todos los motores entre 0,75 y 1000 kW deben cumplir con IE3 en la UE y los motores más pequeños de 0,12 a 0,75 kW deben ser IE2 o superior.

Para EE.UU. el nivel mínimo requerido para motores es IE3 y concretamente IE3 para motores polifásicos de 0,18 a 2,2kW e IE2 para motores monofásicos. Japón también requiere IE3. Australia, Nueva Zelanda e India tienen estándares mínimos de rendimiento energético de IE2 para motores de 0,75 a 185 kW. China exige IE2 para motores de 0,75 a 375 kW.

Los requisitos mínimos hacen que los motores IE4 e IE5 estén disponibles pero fabricados bajo pedido.

Además de reducir el consumo de energía, una mayor eficiencia da como resultado una vida operativa más larga y menores costos de mantenimiento. Otros beneficios son menores emisiones de CO2 y una mejor calidad del aire, mientras que la reducción del mantenimiento y el tiempo de inactividad aumenta la productividad.

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