Existen empresas donde el 80% del consumo de energía consumida lo representa sus sistemas de bombeo, como sucede en algunas empresas de servicios públicos que proveen los tres tipos: Agua, energía y telecomunicaciones.
PÉRDIDAS TÍPICAS DE UN SISTEMA DE BOMBEO:
Las mayores pérdidas de energía se presentan durante la transformación de energía mecánica en hidráulica (bomba a red hidráulica), que en algunos casos alcanza valores de entre el 40% y el 45%. Aunque, una vez recibida la energía en el motor eléctrico, no es extraño encontrar sistemas de bombeo con pérdidas de hasta el 60%.
En ese rango del 40%-45% precisamente se encuentran las oportunidades que se exploran más adelante como producto de la optimización de la operación hidráulica, y es allí donde también se presentan oportunidades de ahorro de energía importantes.
Para entrar en más detalle, recordemos el contexto técnico y algunos conceptos básicos :
ESQUEMA ENERGÉTICO DE UN SISTEMA DE BOMBEO (para agua residual y potable)
En casos de sistemas de agua y saneamiento, los principales elementos para el suministro y la transformación energética necesarios para la producción, el suministro y el tratamiento del agua se muestran esquemáticamente en el gráfico, en el cual se observa la cadena de equipos, que abarca desde el medidor de consumo del suministrador de energía, el transformador, el centro de control del motor y sus elementos correspondientes, hasta el motor eléctrico, la bomba y la disposición final del agua potable y residual.
CONCEPTOS TÉCNICOS SOBRE UN SISTEMA DE BOMBEO:
Consumo total. Es la energía total consumida por el sistema eléctrico en un año de operación, calculada como la suma del promedio de la potencia activa en todas las fases, más las pérdidas de energía en los conductores del tramo transformador al interruptor principal, multiplicada por el tiempo de operación. De esta formase obtiene el consumo total de energía en kWh.
Eficiencia del motor. Es la eficiencia real del motor.
Eficiencia de la bomba. Es la eficiencia real de la bomba.
Pérdidas por fugas. Se trata de la estimación de pérdidas por fugas en la red de distribución de acuerdo con estudios previos, y debe ser un valor ingresado.
Carga útil. Es la carga que debe tenerla bomba debido al desnivel físico por cuestiones topográficas del sistema, más la distancia que existe entre la succión y el cabezal de la bomba, y se expresa en metros de columna de agua.
Pérdidas eléctricas. Son las pérdidas de energía debidas a los elementos eléctricos, en este caso, las debidas a las pérdidas de energía en los conductores.
Pérdidas en el motor. Son las pérdidas de energía que se producen en el motor, por la eficiencia real de trabajo del mismo.
Pérdidas en la bomba. Son las pérdidas de energía que tienen lugar en la bomba, por la eficiencia de trabajo de la misma.
Pérdidas en succión y descarga. Son las pérdidas de energía provocadas por la fricción del fluido en las tuberías de succión y descarga.
Pérdidas de carga. Son las pérdidas totales de carga de la bomba calculadas en relación de la carga neta de la misma y la carga útil correspondiente (desnivel).
Pérdidas por fugas. Son las pérdidas de energía estimadas a partir del fluido perdido en fugas en la red de distribución, calculadas en función del factor de fugas.
Trabajo útil. Es el trabajo real expresado en unidades de energía que requiere realmente el sistema de bombeo. Es decir, la energía que realmente es utilizada para que el sistema de bombeo cumpla con el trabajo encomendado.
SOBRE EL SISTEMA DE GESTIÓN DE LA ENERGÍA
La implementación de un Sistema de Gestión de la Energía – SGEn , implica para la organización establecer un enfoque sistemático hacia la eficiencia energética, que genere de manera directa y demostrable una disminución de costos asociados a sus usos de energía. Es decir, la implementación de un SGEn permite ahorrar dinero.
Un SGEn como el que define la norma ISO 50001 está conformado por un conjunto amplio de requisitos a cumplir, pero que a su vez permite distinguir entre ellos a aquellos que conforman los aspectos medulares y dan sustento a la Eficiencia Energética.
Actualmente, varias empresas gestionan sus insumos estratégicos como la energía, procurando producir o brindar sus servicios en mayor volumen a la vez reduciendo sus consumos y costos de energía. Así, el desempeño energético viene adquiriendo vital importancia para las organizaciones
ENFOQUE del desempeño energético
El desempeño energético es un elemento clave, integrado dentro de los conceptos introducidos en la norma ISO 50001, para asegurar resultados eficaces y medibles a lo largo del tiempo, tratándose de un concepto relacionado con la eficiencia energética, el uso de la energía y el consumo de energía. Los indicadores de desempeño energético (IDEn) y las líneas de base energética (LBEn) son dos elementos interrelacionados que se abordan en esta norma para permitirle a las organizaciones demostrar la mejora del desempeño energético.
El desempeño energético se puede medir con respecto a los objetivos de la organización, las metas energéticas, y otros requisitos del desempeño energético.
Este proceso o SGEn, al pasar por el comportamiento humano, sus malos hábitos arraigados o la falta de atención a los detalles del proceso productivo generan gastos de energía que influyen en los costos totales de los propios productos o servicios.
Por tanto, al tratarse de una cuestión de comportamiento humano, allí se presentan las mayores barreras para la implementación de este tipo de sistema de gestión, ya que implica un cambio en la visión y las actitudes dentro de la organización, tomando de esta forma una mayor relevancia el compromiso de la Alta Dirección de la empresa.
EVALUACIÓN DE UN SISTEMA DE BOMBEO DE AGUA
Actividades de campo. Se recolectan datos clave de los sistemas de bombeo y otros componentes (motores, bombas, conducciones, tanques y datos adicionales como las condiciones de operación, población y topografía) y mediciones de campo, con las cuales se recolectan los principales parámetros operativos, hidráulicos y energéticos necesarios para los cálculos de eficiencias, pérdidas y ahorros potenciales.
Análisis dela información para evaluación de la eficiencia.
Una vez recolectada la información producto de las actividades de campo, esta deberá ser analizada. El análisis propuesto en esta metodología se refiere a los cálculos de pérdidas y a la siguiente información:
- Cálculo de pérdidas eléctricas en conductores y transformadores.
- Cálculo de pérdidas y eficiencia del motor.
- Cálculo de pérdidas y eficiencia de la bomba.
- Cálculo de pérdidas de carga en tuberías.
- Cálculo de pérdidas en la red.
- Cálculo de indicadores energéticos.
- Análisis estadístico de los indicadores.
- Elaboración de balances de energía.
- Análisis de la operación.
- Análisis del mantenimiento.
Con ésto se determinan los elementos con un alto índice de pérdidas o menor eficiencia, a fin de concentrar en ellos las medidas de ahorro.
Con el análisis de estos datos recolectados se estructura una Auditoría energética (AE).
Metodología:
La auditoría energética (AE) en un sistema de agua y saneamiento es la aplicación de un conjunto de técnicas para determinar cómo se administra la energía, así como también para comprobar la eficiencia en cada uno de los componentes consumidores en una instalación de agua y saneamiento. Consiste en el análisis crítico de todos los componentes en una instalación consumidora de energía para determinar dónde y cómo se utiliza la misma, además de especificar cuánta se desperdicia.
El principio conceptual de la Auditoría Energética es el balance de energía.
Este balance se basa esencialmente en determinar la energía consumida y las pérdidas en cada componente del proceso de bombeo: es decir, desde la entrada de energía en la acometida del suministrador, pasando por todos los elementos del sistema, hasta la entrega de agua al punto de uso. Este método permite distinguir cuánta energía suministrada se convierte en trabajo útil, que es el mínimo trabajo para bombear el agua estrictamente necesaria hasta todos los puntos del sistema de distribución. El gráfico muestra un diagrama simple del balance.
La importancia del balance de energía reside en que las medidas a tomar deben considerar la eficiencia operacional del servicio, es decir: que este cumpla o siga cumpliendo con el estándar definido de la prestación del servicio (caudal, continuidad del servicio y presión mínima).
Para realizar el balance de energía del sistema, se deben sumar los consumos de energía de todas las instalaciones que lo componen (pozos, plantas de tratamiento y bombeos) para obtener el porcentaje de consumo en cada uno de ellos respecto al total de energía del sistema.
Con el balance se identifican las instalaciones de mayor consumo de energía dentro del sistema para la planeación de la Auditoría Energética. En el gráfico 6.2 se muestra un balance típico en un sistema de agua potable y saneamiento
Propuesta de medidas de ahorro.
Con el análisis de la información y la evaluación de los elementos de mayor consumo de energía, se determinan las medidas de ahorro que para la metodología compuesta pueden incluir una o varias de las siguientes:
• Ahorros en tarifas de suministro.
• Reducción de pérdidas en las instalaciones eléctricas.
• Mejora de la eficiencia en motores eléctricos.
• Mejora de la eficiencia en bombas.
• Reducción de pérdidas mecánicas.
• Reducción de fugas de agua y pérdidas de carga.
• Mejoras en la operación.
• Mejoras en el mantenimiento.
• Sustitución del suministro de energía.
• Mejoramiento del alumbrado.
• Cambio de tecnologías.
• Aprovechamiento de energías residuales.
ANALISIS DE CONDICIONES DE OPERACIÓN DE UN SISTEMA DE BOMBEO
En este punto hay dos aspectos a observar:
• 1. Las condiciones de carga y caudal reales en que operan los sistemas de bombeo para determinar si son constantes o cambian por períodos.
• 2. La forma de operación con respecto al manejo de niveles de cárcamos en caso de los bombeos y tanques de regulación.
Para el primer aspecto, hay que considerar las cuestiones que se plantean a continuación.
De acuerdo con su diseño, todos los equipos tienen un punto de operación carga-caudal óptimo, donde todas las pérdidas descritas anteriormente se minimizan. Fuera de este punto se presentan problemas como los siguientes:
- Bajo rendimiento energético.
- Reducción del tiempo de vida de los componentes, particularmente de los impulsores y anillos de desgaste.
- Cavitación por bajo flujo en la succión.
- Capital ocioso sin ocupar (en el caso de poca utilización).
- Mayor presión por el deterioro del medio ambiente (en caso de poca utilización).
Esquema de operación de las bombas fuera de su punto óptimo:
Es muy común encontrar que los sistemas de bombeo operan en condiciones diferentes para las que están diseñados. Entre las causas que originan este problema pueden mencionarse las siguientes:
•Tandeos excesivos. Es común encontrar que los equipos operen hacia distintos puntos de la red, incluso en el mismo día. Es típica la operación de tandeo donde un día el sistema suministra directo a la red y otro día suministra hacia un tanque para abastecer a otra zona poblacional.
•Reparaciones urgentes. Debido a la falta de mantenimiento preventivo, es común que se atiendan reparaciones urgentes y se carezca de componentes en inventario disponibles para realizar las reparaciones pertinentes o la sustitución de equipos apropiados a cada aplicación, por lo que generalmente se recurre a la instalación de equipos disponibles que en la mayoría de los casos están diseñados para otras condiciones de operación.
En el segundo aspecto, la situación a verificar consiste en determinar la operación típica en cuanto a control de niveles en la succión y descarga de los equipos de bombeo. Es muy común que esta operación se lleve a cabo manualmente, lo cual ocasiona ineficiencias como derrame en tanques, lo que lleva a operar los equipos de bombeo más tiempo de lo debido o hacerlo durante lapsos prolongados en condiciones desfavorables de carga y, por ende, de eficiencia electromecánica. Ante esta situación, es muy importante que durante la auditoría de eficiencia energética se realicen las siguientes tareas:
• Identificar claramente el esquema de operación del equipo en estudio. Esto incluye las condiciones de operación de carga-caudal para diferentes períodos del día o semanalmente, y la duración de los mismos.
• Conseguir los parámetros de diseño o, de ser posible, la curva original de diseño del equipo que se encuentre instalado en ese momento para poder dar las recomendaciones pertinentes a cada situación.
Ante esta situación, es muy importante que durante la auditoría de eficiencia energética se realicen las siguientes tareas:
• Identificar claramente el esquema de operación del equipo en estudio. Esto incluye las condiciones de operación de carga-caudal para diferentes períodos del día o semanalmente, y la duración de los mismos.
• Conseguir los parámetros de diseño o, de ser posible, la curva original de diseño del equipo que se encuentre instalado en ese momento para poder dar las recomendaciones pertinentes a cada situación.
MEDIDAS GENERALES PARA MEJORAR LA EFICIENCIA EL SISTEMA DE BOMBEO:
1. Para incrementar la eficiencia de las bombas.
- Adecuación del equipo de bombeo al punto de operación real.
- Ajuste de la posición de los impulsores en bombas de turbina con impulsor abierto.
- Reducción de pérdidas de carga mediante:
-Corrección de defectos en la configuración de tuberías
de descarga y en la operación
-Reducción de pérdidas por cortante en conducciones.
- Reducción de fugas Implementar una campaña de detección y eliminación de fugas.
- Mejorar la operación Instalación de variadores de frecuencia.
- Instalación de tanques de regulación.
- Mejorar el mantenimiento el Mantenimiento preventivo y predictivo.
- Reemplazo de la fuente de suministro de energía eléctrica. Uso de fuentes de energía renovable
2. Para la reducción de pérdidas en las instalaciones eléctricas
- Mejorar el enfriamiento de los transformadores.
- Incrementar el calibre de los conductores.
- Optimizar el factor de potencia (FP)
3. Para incrementar la eficiencia de los motores
- Corregir los desbalances de voltaje.
- Sustitución del motor eléctrico por un motor de alta eficiencia
- Los motores de alta eficiencia se diferencian de los motores estándar por las siguientes
características:
a) Utilización de acero con mejores propiedades magnéticas.
b) Reducción del entrehierro.
c) Reducción del espesor de la laminación.
d) Incremento en el calibre de los conductores.
e) Utilización de ventiladores y sistemas de enfriamiento más eficientes.
f) Utilización de mejores materiales aislantes.
SOBRE EL AUTOR
Consultor y coordinador técnico especializado :
Helmer Hernández- firma RETIE Ingeniería: Ingeniero Electricista con experiencia en: Procesos de Seguridad-Confiabilidad Operativa y Proyectos de Gestión Integral Energética, con énfasis en Dirección, Construcción de Sistemas Eléctricos de Alta, Media y Baja Tensión bajo Normatividad RETIE, con experiencia y formación académica como: Director, Instructor, Consultor, Interventor, en Áreas de Planeación, Gestión de Proyectos, Programación, Presupuestos, Control de Costos - Bachelor Degree in Electrical Engineering, US Equivalence, United States 2001 - Especialista en Gerencia de Construcciones, Facultad de Ingeniería, Pontifica - Universidad Javeriana, Santiago de Cali, Colombia, 1998 - Especialista en Administración de Empresas, Facultad de Administración del Valle, Santiago de Cali, Colombia, 1986 - Ingeniero Electricista, Facultad de Ingeniería, Universidad del Valle, Santiago de Cali, Colombia, 1980. Distributech Ltda., Implantación de Procesos de Seguridad y Confiabilidad Operativa en las Sedes Bancarias de Bancolombia, 2014-2017. Atel Ltda., Director de Ingeniería, Desarrollo de Productos, (2008 – 2009) - Colredes, Diseño, Dirección, Consultoría e Interventoría, Nueva planta de STUDIO F,(2009-20010) - Anter Ltda., Director de Ingeniería en procesos de Gestión Energética y Confiabilidad Industrial (2010-2011) - Mares Group, Diseño, Consultoría e Interventoría (2011-2013) - Corporación Universitaria Remington, Santiago de Cali, Colombia, (2010 – 2011) - Docente adscrito a las áreas de Electrónica y Administración - Universidad Santiago de Cali, Santiago de Cali, Colombia, (2000 – 2005), (2010 2011) - Docente adscrito al Departamento de Proyectos - Servinco Ltda., Santiago de Cali, Colombia (1997 – 1999), Gerente – Socio, Planeación - Construcción, Organización, Dirección de Proyectos - Meditel Ltda., Santiago de Cali, Colombia (1986 – 1997) Gerente – Socio, Planeación, - Construcción, Organización de Proyectos - Electro Obras Ingenieros Ltda., Santiago de Cali, Colombia (1981 – 1986), Subgerente – Socio, Dirección y Control de Obras.
SOBRE EL INTEGRADOR DE SOLUCIONES
Javier Hernández Píchica. Ing. Electricista, EMBA (Executive Master of Business Adminisitration), Especialista en Gerenciamiento del medio ambiente. Experiencia en empresa de servicios públicos (EMCALI - 25 años) y en soluciones para el desarrollo integralmente sostenible en sector privado (D'ISRAEL - 15 años) .
