Proyecto Fin de

1

Proyecto Fin de Grado

Grado en Ingeniería de le Energía

Evaluación del ahorro energético y económico en

accionamientos eléctricos con motores de alto

rendimiento

Autor: Sebastián D. Castillo Rodríguez

Tutores: Manuel Burgos Payán

Juan Manuel Roldán Fernández

3

Proyecto Fin de Grado

Ingeniería de la Energía

Evaluación del ahorro energético y económico

en accionamientos eléctricos con motores de

alto rendimiento

Autor:

Sebastián D. Castillo Rodríguez

Tutores:

Manuel Burgos Payán

Juan Manuel Roldán Fernández

Dpto. de Ingeniería Eléctrica

Escuela Técnica Superior de Ingeniería

Universidad de Sevilla

Sevilla, 2020

5

Trabajo Fin de Carrera: Evaluación del ahorro energético y económico en

accionamientos eléctricos con motores de alto rendimiento

Autor: Sebastián D. Castillo Rodríguez

Tutores: Manuel Burgos Payán Juan Manuel Roldán Fernández

El tribunal nombrado para juzgar el Proyecto arriba indicado, compuesto por los siguientes miembros:

Presidente:

Vocales:

Secretario:

Acuerdan otorgarle la calificación de:

Sevilla, 2020

El Secretario del Tribunal

7

Agradecimientos

Lógicamente y, en primer lugar, a mi familia, en especial a mis padres y a mi hermana,

por su confianza y ánimos a lo largo de estos años que acaban con este trabajo, sin su

apoyo no habría llegado hasta aquí. Todo lo que pueda decir o hacer solo refleja una

pequeña parte de lo agradecido que les estoy.

También a esa familia que tuve la suerte de conocer cuando entré en esta escuela,

aquel grupo que empezó a la vez que esta carrera y con los que tantas horas e historias

he compartido y que, por suerte, sigo compartiendo. No solo ellos, también a los que

cogieron el relevo y que consiguieron que tras la marcha de los primeros estos últimos

años se hayan hecho mucho más llevaderos.

Por último, a mis tutores, Manuel Burgos y Juan Manuel Roldán, por permitirme

realizar este trabajo con ellos, su ayuda y por su paciencia.

Sebastián D. Castillo Rodríguez

ETSI Universidad de Sevilla

Sevilla, 2020

9

Resumen

En la actualidad casi la mitad del consumo total de energía eléctrica se produce en el

sector industrial. Dentro del sector industrial, la mayor parte del consumo es debido a

los motores eléctricos.

Sabiendo esto, es fácil darse cuenta de que cambiar estos motores por otros de alto

rendimiento puede provocar un ahorro considerable de la cantidad de energía

consumida, y con ello una reducción de las emisiones emitidas a la atmosfera

asociadas con el mencionado ahorro de energía.

Además, este ahorro energético al usar motores de alta eficiencia conlleva un ahorro

económico debido al menor consumo y los impuestos derivados de las emisiones.

11

Abstract

Today, almost half of all energy consumption occurs in the industrial sector. Within the

industrial sector, most of the consumption is due to electric motors.

Knowing this, it is easy to realize that replacing these motors with high efficiency ones

can lead to a considerable saving in the amount of energy consumed, and with it a

reduction in the emissions emitted to the atmosphere associated with the mentioned

energy saving.

Furthermore, this energy saving by using high efficiency motors leads to economic

savings due to lower consumption and taxes on emissions.

12

ÍNDICE

Agradecimientos ........................................................................................................... 7

Resumen ....................................................................................................................... 9

Abstract ...................................................................................................................... 11

1 Introducción ........................................................................................................ 16

1.1 Antecedentes ................................................................................................ 16

1.2 Consumo energético mundial ....................................................................... 17

1.3 Consumo energético en España .................................................................... 20

1.4 Los accionamientos eléctricos ....................................................................... 23

1.5 Clasificación .................................................................................................. 24

2 Pérdidas y rendimiento o eficiencia ..................................................................... 28

2.1 Rendimiento y pérdidas en los accionamientos eléctricos ............................. 28

2.2 Pérdidas ........................................................................................................ 30

2.3 Marco regulatorio ......................................................................................... 33

2.4 Normativa applicable .................................................................................... 36

3 Distribución de motores eléctricos en el mercado español .................................. 49

3.1 Introducción ................................................................................................. 49

3.2 Distribución según eficiencia ......................................................................... 52

4 Ahorro energético, económico y de emisiones ..................................................... 53

4.1 Metodología ................................................................................................. 53

4.2 Recopilacion de datos ................................................................................... 53

4.3 Ahorro energético, económico y de emisiones. ............................................. 63

4.4 Indicadores económicos ............................................................................... 82

5 Conclusiones ........................................................................................................ 89

6 Referencias .......................................................................................................... 90

13

ÍNDICE DE TABLAS

Tabla 1. Incremento mundial de la población. ............................................................. 16

Tabla 2. Consumo de energía final mundial (serie histórica, MTep). ............................ 17

Tabla 3. Consumo de energía eléctrica mundial (serie histórica, TWh). ....................... 20

Tabla 4. Consumo de energía final en España (serie histórica, kTep). .......................... 21

Tabla 5. Dependencia energética en España (serie histórica). ..................................... 22

Tabla 6. Consumo de energía eléctrica en España (serie histórica). ............................. 23

Tabla 7. Comparativa IEC-NEMA. ................................................................................ 36

Tabla 8. Eficiencia mínima (%) clase IE1. ...................................................................... 44

Tabla 9. Eficiencia mínima (%) clase IE2. ...................................................................... 45

Tabla 10. Eficiencia mínima (%) clase IE3. .................................................................... 46

Tabla 11. Eficiencia mínima (%) clase IE4. .................................................................... 47

Tabla 12. Evolución de la distribución de motores vendidos en el mercado español por

intervalos de potencia. ................................................................................................ 50

Tabla 13. Estimación de la distribución de los motores en servicio por intervalos de

potencia. ..................................................................................................................... 51

Tabla 14. Porcentaje de motores según número de polos. .......................................... 54

Tabla 15. Distribución de motores según eficiencia. .................................................... 54

Tabla 16. Número de motores de 2 polos en función de la potencia nominal y nivel de

eficiencia..................................................................................................................... 55


eficiencia..................................................................................................................... 56


eficiencia..................................................................................................................... 57


eficiencia..................................................................................................................... 58

Tabla 20. Número de horas de funcionamiento .......................................................... 59

Tabla 21. Vida media en función de la potencia nominal. ............................................ 60

Tabla 22. Factor de emisión de CO2 de la generación. ................................................. 61

Tabla 23. Evolución del precio de la energía eléctrica en España. ................................ 61

Tabla 24. Coste unitario de los motores. ..................................................................... 62

Tabla 25. Consumo energético (GWh/año) en motores de 2 polos. ............................. 64




Tabla 29. Coste económico (M€/año) en motores de 2 polos. ..................................... 69




Tabla 33. Emisiones (ktCO2/año) en motores de 2 polos. ............................................ 74




14

Tabla 37. Ahorros anuales. .......................................................................................... 78

Tabla 38. Consumo energético (GWh/año) situación final. .......................................... 79

Tabla 39. Coste económico (M€/año) situación final. .................................................. 80

Tabla 40. Emisiones (ktCO2/año) situación final. ......................................................... 81

Tabla 41. Inversión para la sustitución de los motores eléctricos (M€) en función de la

potencia nominal (kW). ............................................................................................... 84

Tabla 42. Ahorro económico obtenido (M€) en función de la potencia nominal (kW). 85

Tabla 43. Tiempo de retorno (años) en función de la potencia nominal (kW). ............. 86

Tabla 44. inversión y flujos de caja. ............................................................................. 88

15

ÍNDICE DE FIGURAS

Figura 1. Consumo energético mundial (serie histórica). ............................................. 17

Figura 2. Consumo energético mundial por fuentes. ................................................... 18

Figura 3. Evolución del consumo energético mundial por fuentes. .............................. 19

Figura 4. Consumo energía eléctrica mundial (serie histórica). .................................... 19

Figura 5. Serie histórica del consumo de energía final en España. ............................... 21

Figura 6. Consumo de energía eléctrica en España (serie histórica). ............................ 22

Figura 7. Clasificación de motores eléctricos. .............................................................. 24

Figura 8. Esquema de pérdidas.................................................................................... 29

Figura 9. Modelo de circuito equivalente aproximado de motor eléctrico. .................. 30

Figura 10. Variación porcentual de las componentes de pérdidas a plena carga en

función de la potencia nominal. .................................................................................. 31

Figura 11. Distribución de pérdidas típica en función de la carga. ............................... 32

Figura 12. Estado de las MEPS. .................................................................................... 33

Figura 13. Normativa mundial. .................................................................................... 34

Figura 14. Comparativa de niveles de eficiencia. ......................................................... 35

Figura 15. Exigencia mínima MEPS. ............................................................................. 37

Figura 16. Determinación de las perdidas por rozamiento y ventilación. ..................... 40

Figura 17. Determinación de las pérdidas en el hierro. ................................................ 40

Figura 18. Recta de pérdidas residuales. ..................................................................... 42

Figura 19. Asignación de las pérdidas adicionales en carga. ........................................ 42

Figura 20. Rendimiento nominal por clases. ................................................................ 48

Figura 21. Distribución de motores según eficiencia.................................................... 52

Figura 22. Número de horas de funcionamiento en por rango de potencias................ 59

Figura 23. Porcentaje de carga en función de la potencia nominal .............................. 60

Figura 24. Emisiones y factor de emisión de CO2 de la generación. ............................. 61

Figura 25. Consumo energético (GWh/año) según rango de potencia nominal. .......... 68

Figura 26.Coste económico (M€/año) ......................................................................... 73

Figura 27. Emisiones (ktCO2/año) ............................................................................... 78

Figura 28. Consumos en la situación final. ................................................................... 82

16

1 INTRODUCCIÓN

En este primer apartado del trabajo, se pretende dar una vista general del consumo de

energía mundial y la tendencia de este, así como la procedencia de esta energía.

A continuación, se realizará un enfoque en el consumo de energía eléctrica tanto a nivel

mundial y en particular en España, objetivo sobre el que se realizará el posterior análisis

de la sustitución de los accionamientos eléctricos.

En último lugar, realizará una descripción de los motores eléctricos, así como una

clasificación de estos.

1.1 Antecedentes

En los últimos años el consumo de energía primaria mundial tiene una tendencia alcista, esto es debido al aumento de la población, entre el 1.25% y el 1% anual en los últimos veinte años y con una previsión de crecimiento de entre un 1%y un 0.85% anual en los próximos 20 años, como se muestra en la Tabla 1 [Incremento mundial de la población] [1]

Tabla 1. Incremento mundial de la población.

Año 2000 2005 2010 2015 2020 2025 2030 2035 2040

Población (Mpersonas)

6143 6.542 6957 7380 7795 8184 8549 8888 9199

ΔAnual 6% 6% 6% 6% 5% 5% 4% 4% 3%

Otro de los motivos que origina este crecimiento en el consumo de energía primaria es

el desarrollo de las conocidas como economías emergentes, estos países se caracterizan

por tener un desarrollo económico intermedio entre los considerados en vías de

desarrollo y los desarrollados, así como ser economías con un rápido crecimiento

económico o con gran potencial de desarrollarlo. Entre ellos podemos destacar dos

grupos:

Mercados emergentes avanzados, países en los que se observa que el promedio de la

renta está por encima de la renta nacional bruta, además de contar con altos

volúmenes de negocio y una infraestructura poco desarrollada. En este grupo se

enmarca el bloque más conocido de países emergentes, los BRICS (Brasil, Rusia, India,

China y Suráfrica), también se encuentra estados con un gran potencial económico,

como México, Hungría, Polonia o Taiwán.

Mercados emergentes secundarios, estas son economías con PIB medio y bajo, pero con cierta infraestructura, y un mercado medianamente desarrollado. En este grupo se encuentra el bloque de países conocidos como CIVETS (Colombia, Indonesia, Vietnam, Egipto, Turquía y Sudáfrica) y otros países como Argentina, Chile y Malasia. [2]

17

1.2 Consumo energético mundial

A continuación, vamos a realizar un análisis de los consumos de energía primaria y final

en el último cuarto de siglo, donde podremos apreciar de una mejor forma el

incremento del consumo mencionado con anterioridad como se muestra en la Figura 1

[Consumo energético mundial (serie histórica)][3]. Dicho consumo podemos observar

que proviene en gran parte del continente asiático, ya que en el resto del mundo el

consumo tiene unos valores estables con pequeñas variaciones o un incremento

bastante menor.

Figura 1. Consumo energético mundial (serie histórica).

Si observamos la Tabla 2 [Consumo de energía final mundial (Serie histórica, MTep)] [3]

podemos hacer un análisis más detallado de los consumos de energía primaria

mencionados con anterioridad.

Tabla 2. Consumo de energía final mundial (serie histórica, MTep).

1990 1995 2000 2005 2010 2015 2018

Europa 1.786 1.782 1.854 1.964 1.931 1.808 1.847

CIS 1.373 961 898 965 1.008 1.005 1.081

Norte América 2.121 2.296 2.522 2.592 2.482 2.465 2.558

Sur y Centroamérica

463 519 598 681 784 849 822

Asia 2.109 2.559 2.885 3.759 4.820 5.466 5.859

Pacífico 104 112 129 135 151 151 158

Africa 382 433 485 588 684 774 850

Oriente Medio 223 322 372 487 648 758 803

18

En primer lugar, vemos que, en las zonas más desarrolladas como el caso de Europa,

Eurasia y Norteamérica tienen una tendencia bastante estable con ligeras subidas o

bajadas dependiendo del periodo que observemos.

La región centro y sur de América tiene un incremento bastante estable en el periodo

estudiado. En un orden de magnitud parecido en valor absoluto tenemos las zonas de

Oriente medio, con el mayor crecimiento de los últimos años coincidiendo con el

movimiento de la primavera árabe y con África donde el mayor consumo proviene

como se menciona con anterior de Sudáfrica, aunque cabe también destacar el

incremento de Argelia, que, tras los acuerdos realizados con la Unión Europea, sus

gaseoductos se convierten en el principal punto de enlace de Europa con el continente

africano.

Por último, podemos observar que el grueso del consumo mundial se centra en la zona

asiática, con un consumo total que duplica a la segunda en cuestión (Norteamérica),

lógicamente el mayor consumidor es China, que se lleva más de la mitad del consumo

de esta zona, como hemos dicho también con anterioridad. De igual forma, empieza a

adquirir cierta importancia la India, aunque sus cifras aún están lejos de las del gigante

asiático.

Si desglosamos este consumo, tenemos que más del 80% es debido al uso de

combustibles fósiles (petróleo 33%, gas natural 24% y carbón 28%), le sigue muy de

lejos la energía hidráulica con un 7%, a la energía nuclear le corresponde un 5% del mix

energético y por último las energías renovables que representan el 3% restante en el

año 2019[4].

Figura 2. Consumo energético mundial por fuentes.

19

Como se muestra en la Figura 3 [Evolución del consumo energético mundial por

fuentes] vemos que en los próximos años el porcentaje de consumo de combustibles

fósiles irá descendiendo a excepción del gas, tanto la energía hidráulica como la

nuclear se mantendrán estables, mientras que el porcentaje de energías renovables

aumentarán considerablemente[4].

Figura 3. Evolución del consumo energético mundial por fuentes.

Si realizamos el mismo estudio para la energía eléctrica, podemos observar que

también el consumo sigue una tendencia bastante parecida al consumo de energía

primaria como se muestra en Figura 4 [consumo de energía eléctrica mundial (serie

histórica)].[3]

Figura 4. Consumo energía eléctrica mundial (serie histórica).

20

En ella apreciamos un pequeño crecimiento anual en los países europeos, incluidos los pertenecientes al CEI (Comunidad de Estados Independientes, formados por Armenia, Azerbaiyán, Bielorrusia, Kazajistán, Kirguistán, Moldavia, Rusia, Tayikistán y Uzbekistán) y Norteamérica, donde Rusia, Alemania y Estados Unidos con 889, 531 y 3.808 TWh son los más destacados en estas zonas. De nuevo, las zonas la zona asiática es la que mayor consumo tiene, así como un mayor crecimiento, donde China, India y Japón son sus referentes, ocupando tres de las cuatro primeras posiciones en el consumo de energía eléctrica. Los países de África, Oriente Medio y América latina mantienen un crecimiento en los últimos años, así como la zona del Pacífico sin embargo en ella tanto el consumo como el crecimiento es mucho menor, como podemos ver en la Tabla 3 [Consumo de energía eléctrica mundial (serie histórica, TWh)] [3].

Tabla 3. Consumo de energía eléctrica mundial (serie histórica, TWh).

1990 1995 2000 2005 2010 2015 2018

Europa 2.516 2.632 2.952 3.264 3.377 3.307 3.411

CEI 1.417 1.051 1.000 1.086 1.203 1.227 1.301

Norte América 3.146 3.603 4.093 4.345 4.415 4.428 4.499

Sur y Centroamérica

506 630 788 939 1.129 1.290 1.338

Asia 1.923 2.662 3.369 4.800 6.869 8.861 10.446

Pacífico 165 184 218 241 265 270 276

África 563 305 379 472 554 641 696

Oriente Medio 213 297 400 528 742 913 997

1.3 Consumo energético en España

De igual forma que a nivel mundial, podemos realizar análisis del consumo energético

para España, que como se mencionó al principio del capítulo, es donde se va a centrar

nuestro estudio.

En la Figura 5 [Serie histórica del consumo de energía final en España][5], podemos ver una disminución del consumo de energía final a partir de 2005, coincidiendo con la crisis económica (2008) y la firma de la directiva 20/20/20 por parte de los dirigentes de la UE. Establecida en 2007 e incorporada a la legislación en 2009, que tiene como objetivos la reducción en un 20% de los gases de efecto invernadero (en relación con los niveles de 1990), un 20% de energías renovables y un 20% de mejora en la eficiencia energética.

21

Figura 5. Serie histórica del consumo de energía final en España.

Si nos fijamos en la composición del mix energético, los combustibles fósiles siguen siendo la principal fuente de abastecimiento, con aproximadamente un 70% del total, siendo el petróleo la fuente principal del consumo de energía primaria en España, siendo este algo más la mitad del consumo total, el consumo de gas es algo superior al 15% sobre el total y el consumo de carbón es aproximadamente un 2% . La electricidad representa aproximadamente el 24% del consumo total, las renovables son aproximadamente un 7% del mix energético, lejos del 20% de la directiva 20/20/20 mencionada anteriormente, aunque con un crecimiento aproximadamente del 40% los últimos 20 años, como se muestra en la Tabla 4 [Consumo de energía final en España (serie histórica, kTep)] [5].

Tabla 4. Consumo de energía final en España (serie histórica, kTep).

Carbón

Productos petrolíferos

Gas Electricidad Energías

renovables Total

1990 4089 34217 4230 10817 3933 57286

1995 2581 39734 6494 12116 3255 64180

2000 1959 46499 11905 16205 3470 80038

2005 2116 53694 17695 20827 3792 98124

2010 1603 47024 14380 21049 5384 89440

2015 1515 40677 13140 19952 5315 80599

2018 1538 44315 14271 20504 6250 86878

A partir de 2015, de nuevo se empieza a observar un crecimiento anual en el consumo

de energía, aunque menor que el anterior a la crisis y el establecimiento de la directiva

20/20/20.

España es un país importador de energía para poder satisfacer su demanda, junto con

Alemania, Italia y Francia son los mayores importadores de la Unión Europea, siendo

esta de pendencia de entre , como podemos ver en la Tabla 5 [Dependencia energética

en España (serie histórica)][6]

0

20000

40000

60000

80000

100000

120000

1990 1995 2000 2005 2010 2015 2018

Co

nsu

mo

(kT

ep)

Año

Carbón

Productos petrolíferos

Gas

Electricidad

Energías renovables

Total

22

Tabla 5. Dependencia energética en España (serie histórica).

Año Importación neta de

energía (Mtep) Dependencia energética

exterior (%)

2007 124 79.55

2009 111 79.60

2011 105 76.09

2013 90 70.06

2015 95 72.80

2017 102 73.72

Si analizamos el consumo de energía eléctrica vemos que su evolución es similar a la del consumo de energía final, es decir, un aumento hasta el año 2008 y a partir de esa fecha, cierta estabilidad, con subidas y bajadas anuales no muy significativas, como podemos comprobar en la Figura 6 [Consumo de energía eléctrica en España (serie histórica)][7].

Figura 6. Consumo de energía eléctrica en España (serie histórica).

Por último, en la tabla 6 [Consumo de energía eléctrica en España (serie histórica)] [7], tenemos los valores del consumo de energía eléctrica, el más importante para nuestro estudio, en el podemos apreciar que se mantiene más o menos estable en los últimos 15 años, alrededor de 250 GWh, donde solo hubo una fuerte caída entre 2008 y 2009 y entre 2011 y 2012, por otro lado, la mayor subida de los últimos 10 años tuvo lugar entre 2014 y 2015.

180

190

200

210

220

230

240

250

260

270

2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016 2017 2018 2019

Consumo anual (TWh)

23

Tabla 6. Consumo de energía eléctrica en España (serie histórica).

Año Consumo anual (TWh)

2000 195

2001 206

2002 212

2003 226

2004 236

2005 246

2006 255

2007 262

2008 265

2009 253

2010 261

2011 256

2012 252

2013 246

2014 244

2015 248

2016 250

2017 253

2018 254

2019 249

1.4 Los accionamientos eléctricos

Los accionamientos o motores eléctricos son dispositivos que convierten la energía

eléctrica en energía mecánica, sin embargo, esta conversión no es total ya que durante

el proceso se producen una serie de pérdidas, de las que se hablará más adelante.

Estos motores tienen un rango de potencias muy amplio, desde los micromotores con

una potencia inferior a los 0.12kW hasta los de gran tamaño con potencias superiores

a los 375kW, pasando por los de pequeño (de 0.12kW a 0.75kW) y mediano tamaño

(de 0.75kW a 375kW).

Aparecen tanto en edificios como en la industria. Dentro de los edificios podemos

destacar dos grupos, el residencial, en el cual su uso no es tan evidente y tiene menor

importancia, en el están presentes en los sistemas de acondicionamiento de aire, así

como en electrodomésticos y juguetes. Por otro lado, en el sector comercial, a parte

del ya mencionado acondicionamiento de aire, la mayor parte es equipamiento de

oficina como fotocopiadoras, y trituradoras.

A nivel industrial tienen una gran variedad de aplicaciones. Enel sector transporte, su

uso va desde alternadores y equipamientos auxiliares a vehículos eléctricos. También

tienen aplicación en el sector agrario, cuyo uso es principalmente bombas para riego.

24

Por último, el sector industrial, donde es más evidente su uso, ya que tienen una gran

variedad de aplicaciones como ventiladores, bombas y cintas transportadoras entre

otros.

1.5 Clasificación

Hay una gran variedad de tecnologías de motores eléctricos que podemos agrupar en dos clases, los motores de corriente continua y los de corriente alterna. Dentro de los motores de corriente continua tenemos dos grupos, los motores sin escobillas y los motores con escobillas los cuales podemos clasificar en función de tipo de excitación (en serie, en paralelo, compuesta o independiente). Por otro lado, en el grupo de los motores de corriente continua tenemos varios subgrupos, los motores síncronos, de inducción y universal, como podemos observar en la Figura 7 [Clasificación de motores eléctricos][8].

Figura 7. Clasificación de motores eléctricos.

1.5.1. Motores de corriente continua con escobillas

Estos motores están diseñados para operar desde una fuente de tensión directa. Habitualmente este tipo de motor tienen las bobinas en la parte fija o estator, este bobinado produce un campo magnético cuando se le aplica un voltaje externo. El funcionamiento se basa en el giro de una armazón en el cual se colocan varios devanados separados, que se alimentan a través de escobillas que hacen contacto con el conmutador de tal forma que el campo magnético del estator y el armazón estén desalineados para generar el par máximo.

La principal ventaja de este tipo de motores es la facilidad para controlar la velocidad y el par lo que hace que no sea necesaria una electrónica costosa. Sin embargo, la alta complejidad en su construcción, así como la baja fiabilidad y la necesidad de un alto

Motores eléctricos

Motores DC

EC - PM sin escobillas

Con escobillas

Excitación en serie

Excitación en paralelo

Excitación compuesta

Excitación independiente

Motores AC

Universal Síncronos De inducción

Monofásico Trifásico

25

mantenimiento en las escobillas y el conmutador por su desgaste conllevan un mayor costo.

Además, estos tienen una baja eficiencia y unas interferencias electromagnéticas altas (chispas y ozono proveniente de las escobillas).

1.5.2. Motores de corriente continua sin escobillas

Los motores sin escobillas se alimentan a través de un enlace de corriente continua

con energía generada en una fuente de corriente alterna, a continuación, esta energía

se convierte de nuevo en corriente alterna que alimenta el motor. La principal

diferencia con los motores de escobillas es que los imanes están en el rotor en lugar

del estator y la conmutación se realiza de forma electrónica evitando así el uso del

conmutador y las escobillas.

Estos motores tienen una complejidad de construcción media, un coste entre

moderado y alto en función de los materiales magnéticos utilizados.

Al contrario que los motores de escobillas tienen una alta fiabilidad y eficiencia, así

como unas bajas interferencias electromagnéticas.

El costo de estos ha ido disminuyendo por la producción en masa, lo que los ha

convertido en una gran opción, especialmente en los motores de baja potencia.

1.5.3. Motores de corriente alterna

Los motores de corriente alterna están diseñados para funcionar con una fuente de

energía de corriente alterna. Al igual que otros motores, disponen una parte fija,

llamada estator y un rotor que gira con un espacio de aire cuidadosamente diseñado

entre los dos. En ellos, podemos destacar tres grandes clases.

Motores universales

En primer lugar, tenemos los motores universales, son máquinas eléctricas similares a

un motor bobinado corriente continua pero diseñado para funcionar con corriente

continua o corriente alterna monofásica, en ellos, los bobinados del estator y del rotor

del motor se conectan en serie a serie a través del rotor conmutador.

Su característica más destacada es que son capaces de funcionar tanto con corriente

alterna como con corriente continua.

Al igual que los motores de corriente continua con escobillas tienen una alta

complejidad en su construcción, así como una baja eficiencia y fiabilidad. De igual

forma tiene unas interferencias electromagnéticas altas.

La máxima potencia de salida de estos es bastante limitada, no es común que sean

mayores de un kilovatio, por lo que su uso es principalmente aparatos domésticos y

26

herramientas eléctricas, las cuales tienen un pequeño número de horas de

funcionamiento.

Como ventaja se puede destacar su buena relación potencia/peso, si se opera a altas

velocidades.

Motores síncronos

A continuación, tenemos los motores síncronos, este tipo de motores tienen bobinas

en el estator para producir un campo magnético rotativo que es alimentado por una

fuente de corriente continua separada. En estos motores el rotor y el campo del

estator se mueven a la misma velocidad (velocidad de sincronismo), es decir, no hay

deslizamiento en ellos. Esta velocidad está determinada por el número de polos del

motor y la frecuencia de la fuente de alimentación. Este tipo de motores necesitan un

equipo auxiliar que lo lleve hasta la velocidad de sincronismo.

Como principales ventajas aparece su alta eficiencia, la posibilidad de regular el factor

de potencia, la precisión en la velocidad y unas bajas de interferencias

electromagnéticas.

Tanto su complejidad de construcción como su fiabilidad es media, sin embargo, esta

clase de motores tienen un alto costo.

Los motores síncronos, suelen usarse principalmente para las potencias más elevadas

donde su mejor eficiencia representa una ventaja significativa, también se usan en

procesos donde la precisión en la velocidad es muy importante.

Motores de inducción

En último lugar aparecen los motores de inducción, estos motores se alimentan

mediante una fuente de corriente alterna que produce un campo magnético en el

estator, este a su vez induce una fuerza electromotriz en el rotor.

La interacción entre el campo magnético giratorio y el campo del rotor genera un par

de giro haciendo que el motor gire en esa dirección.

La forma más utilizada para generar un campo magnético giratorio en el estator

consiste en alimentar tres juegos de bobinas del estator, distribuidos en intervalos de

120 grados, mediante una fuente de alimentación trifásica.

Al igual que los motores síncronos, la velocidad de sincronismo depende de la

frecuencia de la tensión de alimentación y del número de polos del motor.

En estos motores la velocidad del rotor es ligeramente inferior a la velocidad de

sincronismo, por lo también son denominados motores asíncronos. El deslizamiento

del rotor aumenta de forma lineal a medida que la carga aumenta, siendo casi cero en

vacío.

27

Sus características principales son, una baja complejidad de construcción, una alta

fiabilidad, incluso a altas velocidades y tienen la posibilidad de controlar la velocidad

de estos incluso sin uso de sensores.

Disponen de una eficiencia media para potencias bajas y una alta eficiencia en

potencias altas, así como una baja interferencia electromagnética.

Lo más destacado de esta clase de motores es que tiene el menor costo por kW entre

las diferentes tecnologías de motores.

Este tipo de motores son los más utilizados en el mercado, debido a sus características

y su mejor coste en comparación a otras tecnologías, como se ha mencionado

anterioridad.

Además, la normalización de sus principales características hacen que sean fácilmente

intercambiados en todo el mundo por motores hechos por diferentes fabricantes y que

cumplen los mismos requisitos.

El propósito general del trabajo consiste en primer lugar, realizar un estudio del

consumo de energía eléctrica, económico y de emisiones de los motores de inducción,

ya que son los mayoritarios en la industria y a continuación ver el ahorro que se

obtendría sustituyendo estos de forma paulatina.

28

2 PÉRDIDAS Y RENDIMIENTO O EFICIENCIA

En este capítulo, hablaremos sobre la eficiencia de los motores eléctricos, las causas

que producen perdidas en los mismos y los valores mínimos de eficiencia que la

normativa establece para cada clase.

2.1 Rendimiento y pérdidas en los accionamientos eléctricos

Uno de los puntos a los que hacemos referencia es la eficiencia, por lo que es

necesario hacer una definición de esta. El rendimiento de una máquina se define como

el cociente entre el trabajo útil en un intervalo de tiempo determinado y el trabajo

total entregado a la máquina en ese intervalo.

Si la particularizamos para nuestro caso, los accionamientos eléctricos, podemos

definir la eficiencia como la relación entre la potencia mecánica de salida y la potencia

eléctrica de entrada al mismo.

La potencia mecánica de salida del mismo se calcula a partir del par y de la velocidad

requerida para mover el equipo mecánico conectado al motor mientras que la energía

eléctrica se determina mediante la tensión, la corriente, el factor de potencia que se

suministra al motor, así como del tiempo de funcionamiento.

La salida de potencia mecánica es siempre inferior a la entrada de energía eléctrica, ya

que una parte (usualmente pequeña) de la energía se pierde durante la conversión

(eléctrica a mecánica) en diversas formas, como las pérdidas por efecto Joule en los

conductores, en el circuito magnético o las mecánicas debidas a la fricción y los

rozamientos, como podemos ver en la Figura 8 [Esquema de pérdidas] [9].

29

Figura 8. Esquema de pérdidas.

Las pérdidas por efecto Joule en el estátor y el rotor, corresponden al paso de las

intensidades por las resistencias de los conductores de los arrollamientos estatórico y

rotórico, estas son tres veces la resistencia y al cuadrado de la intensidad estatórica o

rotórica respectivamente (ecuaciones 1 y 3). Las pérdidas en el entrehierro son

debidas al ciclo de histéresis magnética, en la cual, el núcleo absorbe parte de la

energía en la magnetización del núcleo y a las corrientes de Foucault, que crean

campos magnéticos opuestos al campo magnético aplicado, las hallamos como el triple

del cociente entre el cuadrado de la tensión y la resistencia del entrehierro (ecuación

2). Las pérdidas mecánicas provienen de la fricción que se producen entre los

rodamientos, y a las pérdidas que se generan por la resistencia del aire tanto con el

giro del ventilador como con otros elementos giratorios del motor, estas son

proporcionales a una constante y a la velocidad de sincronismo (ecuación 4). Por

último, tenemos las pérdidas adicionales, estas suelen estar relacionadas con la carga

y se suele suponer que varían con el cuadrado del par de salida, la naturaleza de estas

pérdidas es bastante compleja ya que influyen en ellas, entre otros, el diseño del

devanado, la relación entre la magnitud del entrehierro y la abertura de las ranuras, la

relación entre el número de ranuras del estator y del rotor, la inducción en el

entrehierro; las condiciones de superficie del rotor, el tipo de contacto superficial

entre las barras y las laminaciones del rotor.[9]

Para el cálculo de estas pérdidas usamos el modelo de circuito equivalente del motor

eléctrico Figura 9 [Modelo de circuito equivalente aproximado de motor eléctrico] [6]

siendo estas:

− Perdidas Joule en el estátor: 𝑃𝐽1 = 3 · 𝐼12 · 𝑅1 (ecuación 1)

− Pérdidas en el hierro: 𝑃𝐹𝑒 =𝐸2

𝑅𝐹𝑒 (ecuación 2)

30

− Perdidas Joule en el rotor: 𝑃𝐽2 = 3 · (𝐼2′ )2 · 𝑅2

′ (ecuación 3)

− Pérdidas mecánicas: 𝑃𝑝.𝑚𝑒𝑐 = 𝑘𝑝.𝑚𝑒𝑐 · 𝛺3 (ecuación 4)

− Pérdidas adicionales

Figura 9. Modelo de circuito equivalente aproximado de motor eléctrico.

2.2 Pérdidas

En el apartado anterior ya hemos mencionado por primera vez las pérdidas, estas no

son un valor constante en todos los motores, varían en función de la carga y de la

potencia nominal del motor y de su clase de eficiencia.

Como podemos observar en la Figura 10 [Variación porcentual de las componentes de

pérdidas a plena carga en función de la potencia nominal][11], los valores porcentuales

de las pérdidas a plena carga no son constantes para todo el rango de potencias

nominales de los motores. Si hacemos un análisis de la variación de estas pérdidas a

plena carga podemos apreciar que, las pérdidas en el estator representan un

porcentaje mucho mayor sobre el total en los motores de pequeña que en los de gran

potencia nominal (de aproximadamente el 55% en los primeros a en torno al 30% en

los segundos). Por otra parte, el porcentaje de las pérdidas en el estátor se mantienen

constantes para todo el rango de potencias. Por último, el resto de las pérdidas

tienden a aumentar a medida que lo hace la potencia nominal, siendo más leve en las

pérdidas en el núcleo magnético y más acusado en las mecánicas y las pérdidas

adicionales.

31

Figura 10. Variación porcentual de las componentes de pérdidas a plena carga en función de la potencia nominal.

Por otro lado, para un motor de una determinada potencia nominal, las pérdidas

también varían en función del nivel de carga del motor. Las pérdidas por efecto Joule

en el rotor y en el estator son las que más aumentan a medida que lo hace la carga, ya

que estas dependen del cuadrado de la intensidad provocando un aumento del calor

generado en las resistencias. También, de forma lógica, se incrementan las pérdidas

adicionales, aunque tienen un crecimiento menor que las anteriores. Por último, las

pérdidas en el núcleo y las mecánicas se mantienen constante independientemente

del nivel de carga del motor, como se puede comprobar en la Figura 11 [Distribución

de pérdidas típica en función de la carga][12].

32

Figura 11. Distribución de pérdidas típica en función de la carga.

Una vez localizadas las pérdidas y los motivos que la producen, a continuación, vamos

a tratar algunas medidas que permitan reducir estas pérdidas y por tanto aumentar la

eficiencia.

En primer lugar, podemos reducir las pérdidas en el estator disminuyendo la longitud

de la cabeza de la bobina y aumentando la sección de cobre en las ranuras del estator,

así como aumentar el tamaño de estas para que quepan los conductores de mayor

sección.

En el caso del rotor, la utilización de mayores secciones de cobre en caso de máquinas

de rotor bobinado o anillos rozantes, y el aumentar el tamaño y la conductividad

(sustitución de cobre por aluminio) de las barras conductoras, en caso de rotor en

jaula.

Para las pérdidas magnéticas o en el hierro, podemos disminuir el entrehierro del

motor, mejorar el factor de bobinado y la calidad de la chapa magnética, también,

aumentar la longitud del paquete magnético lo que disminuye la inducción, además de

disminuir el grosor de las chapas que lo componen que producen una reducción en las

pérdidas por corrientes parásitas de Foucault.

Las pérdidas mecánicas pueden reducirse con el uso de ventiladores más eficientes y

rodamientos más pequeños y con bajo nivel de pérdidas.

Por último, las pérdidas adicionales las cuales pueden reducirse mediante un mejor

diseño.

33

2.3 Marco regulatorio

Debido al gran potencial de ahorro y de reducción de emisiones que conlleva el uso de

motores de alto rendimiento, por esto en los últimos años diferentes países del mundo

han ido desarrollando políticas que establecen unos valores mínimos de rendimiento

energético para los accionamientos eléctricos (Minimun Energy Performance Standars,

MEPS).

Estas medidas son de gran importancia no solo por su potencial de ahorro, si no que

complementan otras políticas energéticas de la Unión Europea 2050 en el que se

espera conseguir un sistema energético bajo en emisiones, donde las energías

renovables y la electrificación del sistema hacen que estas tomen una mayor

relevancia y asegurando el suministro eléctrico, disminuyendo la dependencia

energética exterior.

Además, estas medidas de eficiencia conllevarían una creación de alrededor de 1.5

millones de puestos de trabajo y en torno a un millón de empleados en puestos de

flexibilidad del sistema. [13]

Como podemos observar en la Figura 12 [Estado de las MEPS][14][15], estas medidas son

obligatorias en la mayoría de los países de la Unión Europea, también lo es en

Norteamérica, México y Brasil, así como en Australia y Nueva Zelanda, en Asia solo es

de obligado cumplimiento en China y Corea del Sur y en ningún país en el continente

africano, posiblemente debido a su bajo desarrollo industrial.

Por otro lado, la normativa respecto a este tipo de medidas está en desarrollo en

países como Chile, Rusia, Arabia Saudí, así como en India, Vietnam y Japón.

Figura 12. Estado de las MEPS.

Estas medidas no son exactamente iguales en cada país, algunas de ellas son derivadas

de la normativa de otro país, sin embargo, las podemos agrupar en cuatro grandes

34

grupos en los que habrá pocas variaciones. En primer lugar, la normativa NEMA MG1,

de aplicación en EE. UU., Canadá y México, en Brasil está en vigor la NBR 17094-1, la

AS/NZS 1359.5 tiene validez en Australia y Nueva Zelanda y por último la norma IEC

60034 que se aplica en los países europeos, asiáticos, el continente africano y en

Sudamérica. Esto lo podemos ver con mayor claridad en la Figura 13[Normativa

mundial][14][16].

Figura 13. Normativa mundial.

Como hemos mencionado anteriormente, no todos los países tienen la misma normativa, y aunque usen la misma, pueden tener algunas variaciones, esto hace que no en todos se establezcan los mismos valores mínimos de eficiencia para los accionamientos eléctricos, sin embargo, podemos establecer una equivalencia entre los distintos niveles de eficiencia entre las distintas normativas, como podemos observar en la Figura 14 [Comparativa de niveles de eficiencia][16].

35

Figura 14. Comparativa de niveles de eficiencia.

Podemos destacar, como caso especial China, que a pesar de estar basado en la norma

IEC 60034, establece unos valores distintos de eficiencia para los accionamientos

eléctricos.

En la tabla 6 [Comparativa IEC-NEMA], se comparan los valores a clase IE3 y Premium

en motores de 4 polos. Podemos ver la similitud entre los valores mínimos de

eficiencia entre la normativa IEC 60034 y NEMA MG1.

36

Tabla 7. Comparativa IEC-NEMA.

IEC 60034 NEMA MG1

P(kW) Rendimiento (%) P(kW) Rendimiento (%)

0,75 82,5 0,74 85,5

1,1 84,1 1,10 86,5

1,5 85,3 1,47 86,5

2,2 86,7 2,21 89,5

5,5 89,6 5,52 91

11 91,4 11,03 93

15 92,1 14,71 93

18,5 92,6 18,39 93,6

22 93 22,06 94,1

30 93,6 29,42 94,1

37 93,9 36,77 94,5

45 94,2 44,13 95

55 94,6 55,16 95

75 95 73,55 95,4

90 95,2 91,94 95,4

110 95,4 110,32 95,8

200 96 220,65 95,8

250 96 257,42 95,8

315 96 330,97 96,2

355 96 367,75 96,2

La principal diferencia es la unidad de medida usada para la potencia nominal del

accionamiento eléctrico, siendo el kW en la IEC y el caballo de vapor en la NEMA,

impidiendo esto una comparativa más precisa, también podemos apreciar, una menor

exigencia de la noma IEC en los motores de menor potencia y mayor en los de mayor

potencia nominal. Esta similitud es aplicable entre las diversas normas, para todas las

potencias y clases.

2.4 Normativa applicable

Una vez definidas las MEPS, así como la norma en la que se basan según su localización

geográfica, vamos a establecer los valores mínimos de eficiencia para los

accionamientos donde las MEPS tienen un carácter obligatorio.

En los países europeos y Turquía, desde el 1 de enero de 2017, el nivel mínimo es de

exigencia es la clase IE3 o en su defecto, la clase IE2 con variador de frecuencia. Para

Estados Unidos, México, Arabia Saudí, Taiwán y Japón se establece la clase IE3 o

equivalente.

37

Algunos países establecen varios niveles mínimos en función de la potencia nominal.

Canadá exige la clase Premium (equivalente a IE3) para motores menores de 150 kW y

clase High (equivalente a IE2) para los de mayor potencia. La República de Corea

también establece dos niveles mínimos de eficiencia, sin embargo, lo hace de forma

inversa, requiere un nivel de eficiencia IE2 en el rango de 0.75 a 30 kW y una eficiencia

IE3 en los motores superiores a 37 kW. De igual forma se fijan los valores mínimos en

Israel, siendo estos, clase IE3 para motores entre 7.5 y 375 kW y clase IE2 para los de

menor potencia nominal.

Entre los países que exigen un nivel de eficiencia IE2 o equivalente encontramos a

China e India, también están en este grupo Australia, Brasil, Nueva Zelanda e Irán,

aunque en estos el nivel mínimo de eficiencia es solo aplicable a motores con una

potencia nominal inferior a 185 kW.

Por último, Costa Rica, Chile y Vietnam establecen como valor mínimo la clase IE1.

Figura 15. Exigencia mínima MEPS.

Para nuestro caso de estudio, la norma aplicable es la IEC 60034, esta norma es

aplicable a:

− Motores de inducción trifásicos de velocidad única de 50/60 Hz.

− De 2 a 6 polos, con una tensión nominal de alimentación de hasta 1 kV para corriente alterna y 105 kV de corriente continua.

− Con una potencia nominal entre 0.75 kW y 375 kW.

− Pensados para un funcionamiento en continuo.

La implementación de esta norma se ha realizado en diferentes etapas:

− A partir del 16 de junio de 2011, el nivel de rendimiento de los motores con una potencia nominal entre 0.75 kW y 375 kW no podrán tener un rendimiento inferior a la clase IE2.

38

− A partir del 1 de enero de 2015, el nivel de eficiencia de los motores con una potencia nominal entre 7.5 kW y 375 kW deberán tener un rendimiento igual o superior a la clase IE3 o ser clase IE2 y estar equipados con un mando de regulación de velocidad.

− Por último, desde el 1 de enero de 2017, todos los motores con una potencia nominal entre 0.75 kW y 375 kW no podrán tener un rendimiento inferior a nivel de clasificación IE3 o el nivel IE2 y estar equipados con un mando de regulación de velocidad.

Una vez que conocemos a qué tipo de motores es aplicable y el nivel de clasificación

necesario, necesitamos saber los distintos valores de rendimiento para las diferentes

potencias.

Estos rendimientos, deben ser suministrados por el fabricante y ha de ser determinado

de acuerdo con la norma, para nuestro caso de estudio la IEC 60034-2-1, como se ha

mencionado anteriormente. Esta norma permite calcular el rendimiento mediante

varios métodos y procedimientos, entre las que podemos destacar tres.[10]

− Método directo con medida del par, designado por la norma como preferente

en potencias inferiores a 1 kW. − Suma de pérdidas con medida del par, designado por la norma como

preferente en potencias comprendidas entre 1 kW y 150 kW.

− Suma de pérdidas sin medida de par, con las pérdidas adicionales en carga

asignadas.

En todos estos métodos, la norma tiene los siguientes requerimientos en la precisión

de la medición:

− Precisión de los aparatos de medida: 0,2%. − Precisión en las medidas de par: 0,2% (debe corregirse la medida del

dinamómetro, si es necesario).

− Precisión en las medidas de frecuencia: 0,1%.

− Precisión en las medidas de resistencia: 0,2%.

− Precisión en las medidas de velocidad: 0,1% o 1 rpm. − Precisión en las medidas de temperatura: 1 ºC.

De igual forma, en los ensayos donde se deba medir la resistencia del estátor se ha de

proceder de la siguiente forma. Se medirá la resistencia entre los bornes de línea de

conexión del motor y según la conexión la resistencia de fase será:

− Conexión en estrella:

Rfase = 0,5 Rmedida

− Conexión en triángulo:

Rfase = 1,5 Rmedida

39

Por último, para determinar la temperatura de funcionamiento a la que deber referirse

la resistencia debe usarse uno de estos métodos en este orden de preferencia:

− Temperatura determinada en el ensayo de resistencia a plena carga (norma

60034-1). − Temperatura medida directamente mediante sonda o termopar.

− Temperatura determinada en el ensayo de resistencia a plena carga en una

máquina idéntica.

− Asumiendo la temperatura según la clase de aislamiento (Clase B = 95 ºC, Clase

F = 115 ºC, Clase H = 135 ºC).

Una vez conocemos los requerimientos necesarios para el cálculo de los métodos

veremos cómo son dichos métodos.

Método directo con medida del par

Mediante el ensayo en carga, debe medirse:

− La potencia eléctrica absorbida (Pab)

− El par de salida (T) y la velocidad (Ω)

Con esto se calculan directamente la potencia útil (Pu) y el rendimiento (η), siendo Ω la

velocidad en rad/s:

Pu = T · Ω (ecuación 5)

η =Pu

Pab (ecuación 6)

Nota: si es necesario, la medida del par debe corregirse por la acción del dinamómetro

como se indica en el anexo A de la norma.

Suma de pérdidas con medida del par

Se debe proceder de la siguiente forma:

− Determinar las pérdidas constantes (Pctn), estas engloban las pérdidas en el hierro y las debidas a rozamiento y ventilación (Pfreg). Se obtienen mediante el ensayo de vacío, realizado a tensión y frecuencia nominal. Se calcula a partir de:

Pctn = Pab0 − Pj10 (ecuación 7)

Donde:

Pj10 = 3 · Rfase · If02 (ecuación 8)

Siendo Pab0, la potencia absorbida en el ensayo de vacío, If0 la corriente de fase en el

ensayo de vacío y Rfase la resistencia de fase a la temperatura del ensayo de vacío.

− Determinación de las pérdidas en el hierro y las debidas a rozamiento y

ventilación (Pfreg).

Las obtenemos a partir del ensayo de vacío con al menos siete tensiones diferentes

40

incluyendo la nominal. A continuación, se representan gráficamente las perdidas constantes en función de la tensión del ensayo de vacío al cuadrado (U0

2). Las pérdidas por rozamiento y ventilación (Pfreg) se corresponden al punto de corte con el eje de ordenadas de la recta de regresión obtenida Figura 16 (Determinación de las perdidas por rozamiento y ventilación).

Figura 16. Determinación de las perdidas por rozamiento y ventilación.

Para el cálculo de las pérdidas en el hierro (Pfe) debe representarse en primer

lugar, a partir del ensayo de vacío, las pérdidas obtenidas (Pfe = Pctn - Pfreg) en

función de la tensión aplicada (U0).

Figura 17. Determinación de las pérdidas en el hierro.

41

Las pérdidas en el hierro, para los diferentes puntos de carga, se obtienen a partir del cálculo de la tensión Ur utilizando la ecuación 9, donde los valores de tensión, corriente, resistencia y ángulo son los correspondientes al punto de carga en cuestión. Entrando en la Figura 17 (Determinación de las pérdidas en el hierro) por el valor de Ur se obtienen las correspondientes pérdidas en el hierro para el punto de carga.

Ur = √(U − [√3

2 · I · R · cos φ])2 + (

√3

2 · I · R · sin φ)2 (ecuación 9)

− Determinación de las pérdidas en cargas.

Estas se obtienen a partir del ensayo en carga para seis valores de carga diferente,

incluyendo la nominal. La temperatura del ensayo debe ser próxima a la de referencia

del motor. Las pérdidas Joule en el estator (Pj1) se calculan como se muestra en la

ecuación 10:

Pj1 = 3 · Rfase · If2 (ecuación 10)

Donde, Rfase es la resistencia de fase a la temperatura de cada punto del ensayo e If, la

corriente de fase en cada punto.

Las pérdidas Joule en el rotor se calculan a partir de:

Pj2 = (Pab − Pj1 − Pfe) ∗ s (ecuación 11)

Siendo Pab la potencia absorbida y s el deslizamiento d cada punto del ensayo el cual se

debe corregir a la temperatura del ensayo.

− Determinación de las pérdidas adicionales en carga. Se calculan a partir del ensayo en carga, con la medida del par en cada uno de los puntos del ensayo. Una vez determinadas las pérdidas conocidas en cada punto, se determinan las pérdidas residuales (Pres) como se muestra en la ecuación 12:

Pres = Pab − Pútil − Pj1 − Pj2 − Pfe − Pfreg (ecuación 12)

Las pérdidas residuales se representan gráficamente en función del cuadrado del par.

Se haya la recta de regresión lineal, ya que su pendiente A, junto con el par del punto

de carga a calcular (T), será utilizada para el cálculo de las pérdidas de carga

adicionales (Pad), como se muestra en la ecuación 13:

Pad = A · T2 (ecuación 13)

42

Figura 18. Recta de pérdidas residuales.

Por último, se calcula el rendimiento:

η =Pa − PT

Pa (ecuación 14)

Donde las pérdidas totales (PT) son:

PT = Pj1 + Pj2 + Pfe + Pfreg + Pad (ecuación 15)

Suma de pérdidas sin medida del par

Este método resulta apropiado cuando podemos realizar el ensayo en carga, pero no

disponemos de medidor de par. Se calculan las pérdidas Joule, en el hierro y

mecánicas, igual que en el caso anterior y se determinan las pérdidas adicionales a

plena carga en porcentaje respecto de la potencia absorbida, según las relaciones

indicadas en la Figura 19 (Asignación de las pérdidas adicionales en carga), siendo Pab,

la potencia absorbida, Pu, la potencia útil y Pad, las pérdidas adicionales a plena carga.

Figura 19. Asignación de las pérdidas adicionales en carga.

La corrección de estas pérdidas adicionales para puntos de carga diferentes del nominal (Pad’), se realiza a partir de la ecuación 16.

43

Pad′ = Pad ·

I12 − I0

2

I1n2 − I0

2 (ecuación 16)

Siendo I1, la corriente absorbida en el punto de carga, I1n, la corriente absorbida en condiciones nominales e I0, la corriente absorbida en vacío. La determinación de las pérdidas adicionales en carga nominales puede realizarse también a partir del método Eh-Star, o bien, a partir del método con rotor desmontado y ensayo de rotación inversa. Para su corrección a otros puntos de carga se hace también a partir de la ecuación 16.

Una vez determinadas todas las pérdidas, el rendimiento se calcula a partir de la ecuación 15, como en el método descrito anteriormente.

A continuación, se presentan las tablas con el nivel mínimo de rendimiento de cada

clase, en función de la potencia nominal y el número de polos del motor según la

norma IEC 60034.

44

Tabla 8. Eficiencia mínima (%) clase IE1.

IE1

Potencia nominal (kW) 2 polos 4 polos 6 polos 8 polos

0,12 45 50 38,3 31

0,18 52,8 57 45,5 38

0,2 54,6 58,5 47,6 39,7

0,25 58,2 61,5 52,1 43,4

0,37 63,9 66 59,7 49,7

0,4 64,9 66,8 61,1 50,9

0,55 69 70 65,8 56,1

0,75 72,1 72,1 70 61,2

1,1 75 75 72,9 66,5

1,5 77,2 77,2 75,2 70,2

2,2 79,7 79,7 77,7 74,2

3 81,5 81,5 79,7 77

4 83,1 83,1 81,4 79,2

5,5 84,7 84,7 93,1 81,4

7,5 86 86 84,7 83,1

11 87,6 87,6 86,4 85

15 88,7 88,7 87,7 86,2

18,5 89,3 89,3 88,6 86,9

22 89,9 89,9 89,2 87,4

30 90,7 90,7 90,2 88,3

37 91,2 91,2 90,8 88,8

45 91,7 91,7 91,4 89,2

55 92,1 92,1 91,9 89,7

75 92,7 92,7 92,6 90,3

90 93 93 92,9 90,7

110 93,3 93,3 93,3 91,1

132 93,5 93,5 93,5 91,5

160 93,8 93,8 93,8 91,9

200 94 94 94 92,5

250 94 94 94 92,5

315 94 94 94 92,5

355 94 94 94 92,5

400 94 94 94 92,5

450 94 94 94 92,5

500-1000 94 94 94 92,5

45


IE2


0,12 53,6 59,1 50,6 39,8

0,18 60,4 64,7 56,6 45,9

0,2 61,9 65,9 58,2 47,4

0,25 64,8 68,5 61,6 50,6

0,37 69,5 72,7 67,6 56,1

0,4 70,4 73,5 68,8 57,2

0,55 74,1 77,1 73,1 61,7

0,75 77,4 79,6 75,9 66,2

1,1 79,6 81,4 78,1 70,8

1,5 81,3 82,8 79,8 74,1

2,2 83,2 84,3 81,8 77,6

3 84,6 85,5 83,3 80

4 85,8 86,6 84,6 81,9

5,5 87 87,7 86 83,8

7,5 88,1 88,7 87,2 85,3

11 89,4 89,8 88,7 86,9

15 90,3 90,6 89,7 88

18,5 90,9 91,2 90,4 88,6

22 91,3 91,6 90,9 89,1

30 92 92,3 91,7 89,8

37 92,5 92,7 92,2 90,3

45 92,9 93,1 92,7 90,7

55 93,2 93,5 93,1 91

75 93,8 94 93,7 91,6

90 94,1 94,2 94 91,9

110 94,3 94,5 94,3 92,3

132 94,6 94,7 94,6 92,6

160 94,8 94,9 94,8 93

200 95 95,1 95 93,5

250 95 95,1 95 93,5

315 95 95,1 95 93,5

355 95 95,1 95 93,5

400 95 95,1 95 93,5

450 95 95,1 95 93,5

500-1000 95 95,1 95 93,5

46


IE3


0,12 60,8 64,8 57,7 50,7

0,18 65,9 69,9 63,9 58,7

0,2 67,2 71,1 65,4 60,6

0,25 69,7 73,5 68,6 64,1

0,37 73,8 77,3 73,5 69,3

0,4 74,6 78 74,4 70,1

0,55 77,8 80,8 77,2 73

0,75 80,7 82,5 78,9 75

1,1 82,7 84,1 81 77,7

1,5 84,2 85,3 82,5 79,7

2,2 85,9 86,7 84,3 81,9

3 87,1 87,7 85,6 83,5

4 88,1 88,6 86,8 84,8

5,5 89,2 89,6 88 86,2

7,5 90,1 90,4 89,1 87,3

11 91,2 91,4 90,3 88,6

15 91,9 92,1 91,2 89,6

18,5 92,4 92,6 91,7 90,1

22 92,7 93 92,2 90,6

30 93,3 93,6 92,9 91,3

37 93,7 93,9 93,3 91,8

45 94 94,2 93,7 92,2

55 94,3 94,6 94,1 92,5

75 94,7 95 94,6 93,1

90 95 95,2 94,9 93,4

110 95,2 95,4 95,1 93,7

132 95,4 95,6 95,4 94

160 95,6 95,8 95,6 94,3

200 95,8 96 95,8 94,6

250 95,8 96 95,8 94,6

315 95,8 96 95,8 94,6

355 95,8 96 95,8 94,6

400 95,8 96 95,8 94,6

450 95,8 96 95,8 94,6

500-1000 95,8 96 95,8 94,6

47


IE4


0,12 66,5 69,8 64,9 62,3

0,18 70,8 74,7 70,1 67,2

0,2 71,9 75,8 71,4 68,4

0,25 74,3 77,9 74,1 70,8

0,37 78,1 81,1 78 74,3

0,4 78,9 81,7 78,7 74,9

0,55 81,5 83,9 80,9 77

0,75 83,5 85,7 82,7 78,4

1,1 85,2 87,2 84,5 80,8

1,5 86,5 88,2 85,9 82,6

2,2 88 89,5 87,4 84,5

3 89,1 90,4 88,6 85,9

4 90 91,1 89,5 87,1

5,5 90,9 91,9 90,5 88,3

7,5 91,7 92,6 91,3 89,3

11 92,6 93,3 92,3 90,4

15 93,3 93,3 92,9 91,2

18,5 93,7 94,2 93,4 91,7

22 94 94,5 93,7 92,1

30 94,5 94,9 94,2 92,7

37 94,8 95,2 94,5 93,1

45 95 95,4 94,8 93,4

55 95,3 95,7 95,1 93,7

75 95,6 96 95,4 94,2

90 95,8 96,1 95,6 94,4

110 96 96,3 95,8 94,7

132 96,2 96,4 96 94,9

160 96,3 96,6 96,2 95,1

200 96,5 96,7 96,3 95,4

250 96,5 96,7 96,5 95,4

315 96,5 96,7 96,6 95,4

355 96,5 96,7 96,6 95,4

400 96,5 96,7 96,6 95,4

450 96,5 96,7 96,6 95,4

500-1000 96,5 96,7 96,6 95,4

48

En la actualidad se están desarrollando motores de reluctancia síncrona (SynRM), que

permiten obtener un nivel de eficiencia IE5, que reduce el consumo del motor en torno

a un 20% respecto a la clase IE4 [16]. Este nivel se ha conseguido gracias a este diseño

SynRM que combina las ventajas de rendimiento de la tecnología de imanes

permanentes con la sencillez y facilidad de mantenimiento de los motores de

inducción, además con este tipo de diseño se consigue disminuir la temperatura de los

cojinetes y los devanados lo que aumenta la fiabilidad y vida útil de los motores,

también se consigue una disminución de ruido de estos [17].

En la Figura 20 [Rendimiento nominal por clases][18] se muestran los niveles mínimos

de eficiencia para cada clase en función de la potencia nominal mencionados

anteriormente para los motores de 4 polos, los más habituales en el mercado.

Figura 20. Rendimiento nominal por clases.

49

3 DISTRIBUCIÓN DE MOTORES ELÉCTRICOS

EN EL MERCADO ESPAÑOL

En este apartado haremos un análisis del número total de motores en el mercado, así

como su distribución según su eficiencia, esta información es imprescindible para el

análisis energético, económico y de emisiones que se realizará en el siguiente

apartado.

3.1 Introducción

Como se ha visto con anterioridad, el consumo de energía eléctrica ha aumentado en

los últimos años. De este consumo en torno a un 40% es debido a los motores

eléctricos.

En vista de comprobar los posibles ahorros es necesario conocer el número de

motores en España, objetivo del estudio, tanto en número total como la distribución

de estos según su potencia nominal, de igual forma es importante saber el nivel de

eficiencia de estos.

Como se muestra en la Tabla 12 [Evolución de la distribución de motores vendidos en

el mercado español por intervalos de potencia][19] el mayor porcentaje de motores

vendidos se corresponde a los de pequeña potencia nominal (<750W) que se

corresponden como se ha mencionado con anterioridad a aparatos domésticos y de

oficina.

Por otra parte, se aprecia que el número total de motores vendidos ha tenido

incrementos y decrementos en los últimos años, sin embargo, número total es menor

en todos los rangos de potencia respecto al año 2000, siendo más significativa en los

de potencia nominal comprendida entre 0.75 y 37 kW.

50

Tabla 12. Evolución de la distribución de motores vendidos en el mercado español por intervalos de potencia.

Año P≤750 W 0.75<P≤7,5 kW 7.5<P≤37 kW 37<P≤75 kW 75 <P≤375 kW 375<P≤750 P>750 kW

2000 220251 250983 60389 ꟷ ꟷ ꟷ ꟷ

2001 171586 382194 46332 11283 ꟷ ꟷ ꟷ

2002 102229 411545 75762 ꟷ 1103 ꟷ ꟷ

2003 307633 327984 76422 ꟷ 1179 ꟷ ꟷ

2004 601801 349125 81058 ꟷ ꟷ ꟷ ꟷ

2005 610366 315592 69866 7041 ꟷ ꟷ ꟷ

2006 437473 353370 68447 7496 1822 245 1761

2007 444233 362298 68028 ꟷ 780 ꟷ 1720

2008 379036 358405 79408 ꟷ ꟷ ꟷ 468

2009 305071 253671 55836 ꟷ ꟷ ꟷ 616

2010 399814 260489 57468 ꟷ 1406 ꟷ 1063

2011 405714 285563 66787 ꟷ ꟷ ꟷ ꟷ

2012 386499 270936 76022 ꟷ ꟷ ꟷ ꟷ

2013 359956 63620 60677 ꟷ 1299 ꟷ ꟷ

2014 314800 75234 64452 ꟷ 1945 ꟷ 216

2015 210867 54995 60867 ꟷ 3698 ꟷ 73

2016 159730 52875 27082 ꟷ 3794 ꟷ 119

2017 164691 55901 24606 ꟷ ꟷ ꟷ ꟷ

2018 203311 59126 17593 ꟷ ꟷ ꟷ 533

2019 188455 35968 27676 4181 * 919 * 355 * 294

* Valores estimados

51

Podemos realizar una estimación de los motores en servicio en España, como se muestra en la Tabla 13 [Estimación de la distribución de los motores en servicio por intervalos de potencia] por semejanza al mercado europeo ya que de este si tenemos tanto la información del número total de motores vendidos como el número de motores en servicio [20].

Tabla 13. Estimación de la distribución de los motores en servicio por intervalos de potencia.

Potencia nominal N.º de motores en servicio ≤750 W 1245977

0,75<P≤7,5 kW 328258

7,5<P≤37 kW 252582

37<P≤75 kW 38157

75 <P≤375 kW 8387

375<P≤750 kW 5229

P>750 kW 4330

52

3.2 Distribución según eficiencia

Una vez conocido la distribución de los accionamientos eléctricos en el mercado, es

necesario analizar la distribución de estos según su eficiencia para valorar su potencial

de ahorro.

Como se muestra en la Figura 21 [Distribución de motores según eficiencia en

Europa][21] en el periodo comprendido entre 2005 y 2010 se produjo una disminución

de los motores de clase IE1 produciéndose un aumento de casi igual valor en los de

clase IE2 pasando de un 92 y 8% aproximadamente a un 79 y un 19% respectivamente,

apareciendo por primera vez los motores de clase IE3 (o IE2+VSD), aunque con un

porcentaje mínimo. En los siguientes cuatro años continuaron descendiendo los

accionamientos de clase IE1 hasta un porcentaje cercano al 25%, en este periodo los

motores de clase IE2 alcanzaron su pico, superior al 80% del total y los de eficiencia IE3

continuaron su pequeño crecimiento hasta el 5%.

A partir de esta fecha, los motores de clase IE3 aumentaron considerablemente su

cuota en el mercado, en torno al 30% del total, debido en gran parte a la normativa

vigente, a costa de una bajada significativa en los accionamientos de clase IE2 y en

menor medida de los de eficiencia IE1, situándose estos en valores en torno al 50 y

20% respectivamente.

Figura 21. Distribución de motores según eficiencia.

53

4 AHORRO ENERGÉTICO, ECONÓMICO Y DE

EMISIONES

En este capítulo se va a realizar un análisis energético, económico y de reducción de

emisiones que se producirían al sustituir los motores eléctricos en el mercado español

por otros más eficientes, así como el cálculo de diversos indicadores económicos.

4.1 Metodología

En primer lugar, tenemos que establecer los valores importantes para la definición de

nuestro caso. La primera es el número de motores en servicio, así como su distribución

y nivel de eficiencia, que ya hemos estimado en el apartado anterior. A continuación,

realizamos la suposición de que el número de motores vendidos, los cuales también se

muestran en el apartado anterior, obtenidos de las estadísticas ProdCom, se utilizan

para la sustitución de los motores actualmente en servicio por otros de eficiencia IE4.

Sabiendo esto, calculamos el consumo energético actual de los motores, así como el

económico y de emisiones y a continuación, se realizarán los mismos cálculos hasta

que se hayan sustituido todos por los de mayor eficiencia.

4.2 Recopilacion de datos

Una vez establecida la metodología necesitamos recoger todos los datos para realizar

nuestro estudio, en este apartado recogeremos todos los datos que nos harán falta en

el apartado siguiente.

Ya conocemos el número total de motores en servicio por rango de potencias, sin

embargo, para calcular los consumos no es suficiente ya que los rendimientos de los

motores son diferentes según la potencia nominal, el número de polos y el nivel de

eficiencia de estos.

En primer lugar, a falta de más información suponemos que el número de motores se

reparte de forma equitativa entre todas las potencias que están agrupadas en el

mismo rango. A continuación, en la Tabla 14 [Porcentaje de motores según número de

polos] realizamos una estimación del reparto de los motores según el número de

polos, a partir de la información en EuP Lot 11[8].

54

Tabla 14. Porcentaje de motores según número de polos.

Número de polos Porcentaje (%)

2 polos 25

4 polos 60

6 polos 10

8 polos 5

Por último, necesitamos conocer el reparto de motores según su nivel de eficiencia, el

cual se muestra en la Tabla 15 [Porcentaje de motores en función de su eficiencia],

obtenida a partir de la Figura 21 [Distribución de motores según eficiencia].

Tabla 15. Distribución de motores según eficiencia.

Clase de eficiencia Porcentaje (%)

IE1 17

IE2 53

IE3 29

IE4 1

Con estos datos ya podemos establecer el número de motores, los cuales se muestran

desde la Tabla 16 a la Tabla 19.

55

Tabla 16. Número de motores de 2 polos en función de la potencia nominal y nivel de eficiencia.

2 polos

Potencia nominal (kW) IE1 IE2 IE3 IE4

0,12 6619 20636 11292 389

0,18 6619 20636 11292 389

0,2 6619 20636 11292 389

0,25 6619 20636 11292 389

0,37 6619 20636 11292 389

0,4 6619 20636 11292 389

0,55 6619 20636 11292 389

0,75 6619 20636 11292 389

1,1 1993 6213 3400 117

1,5 1993 6213 3400 117

2,2 1993 6213 3400 117

3 1993 6213 3400 117

4 1993 6213 3400 117

5,5 1993 6213 3400 117

7,5 1993 6213 3400 117

11 1789 5578 3052 105

15 1789 5578 3052 105

18,5 1789 5578 3052 105

22 1789 5578 3052 105

30 1789 5578 3052 105

37 1789 5578 3052 105

45 541 1685 922 32

55 541 1685 922 32

75 541 1685 922 32

90 45 139 76 3

110 45 139 76 3

132 45 139 76 3

160 45 139 76 3

200 45 139 76 3

250 45 139 76 3

315 45 139 76 3

355 45 139 76 3

400 56 173 95 3

450 56 173 95 3

500 56 173 95 3

750 56 173 95 3

1000 184 574 314 11

56


4 polos


0,12 15886 49528 27100 934

0,18 15886 49528 27100 934

0,2 15886 49528 27100 934

0,25 15886 49528 27100 934

0,37 15886 49528 27100 934

0,4 15886 49528 27100 934

0,55 15886 49528 27100 934

0,75 15886 49528 27100 934

1,1 4783 14912 8160 281

1,5 4783 14912 8160 281

2,2 4783 14912 8160 281

3 4783 14912 8160 281

4 4783 14912 8160 281

5,5 4783 14912 8160 281

7,5 4783 14912 8160 281

11 4294 13387 7325 253

15 4294 13387 7325 253

18,5 4294 13387 7325 253

22 4294 13387 7325 253

30 4294 13387 7325 253

37 4294 13387 7325 253

45 1297 4045 2213 76

55 1297 4045 2213 76

75 1297 4045 2213 76

90 107 333 182 6

110 107 333 182 6

132 107 333 182 6

160 107 333 182 6

200 107 333 182 6

250 107 333 182 6

315 107 333 182 6

355 107 333 182 6

400 133 416 227 8

450 133 416 227 8

500 133 416 227 8

750 133 416 227 8

1000 442 1377 753 26

57


6 polos


0,12 2648 8255 4517 156

0,18 2648 8255 4517 156

0,2 2648 8255 4517 156

0,25 2648 8255 4517 156

0,37 2648 8255 4517 156

0,4 2648 8255 4517 156

0,55 2648 8255 4517 156

0,75 2648 8255 4517 156

1,1 797 2485 1360 47

1,5 797 2485 1360 47

2,2 797 2485 1360 47

3 797 2485 1360 47

4 797 2485 1360 47

5,5 797 2485 1360 47

7,5 797 2485 1360 47

11 716 2231 1221 42

15 716 2231 1221 42

18,5 716 2231 1221 42

22 716 2231 1221 42

30 716 2231 1221 42

37 716 2231 1221 42

45 216 674 369 13

55 216 674 369 13

75 216 674 369 13

90 18 56 30 1

110 18 56 30 1

132 18 56 30 1

160 18 56 30 1

200 18 56 30 1

250 18 56 30 1

315 18 56 30 1

355 18 56 30 1

400 22 69 38 1

450 22 69 38 1

500 22 69 38 1

750 22 69 38 1

1000 74 229 126 4

58


8 polos


0,12 1324 4127 2258 78

0,18 1324 4127 2258 78

0,2 1324 4127 2258 78

0,25 1324 4127 2258 78

0,37 1324 4127 2258 78

0,4 1324 4127 2258 78

0,55 1324 4127 2258 78

0,75 1324 4127 2258 78

1,1 399 1243 680 23

1,5 399 1243 680 23

2,2 399 1243 680 23

3 399 1243 680 23

4 399 1243 680 23

5,5 399 1243 680 23

7,5 399 1243 680 23

11 358 1116 610 21

15 358 1116 610 21

18,5 358 1116 610 21

22 358 1116 610 21

30 358 1116 610 21

37 358 1116 610 21

45 108 337 184 6

55 108 337 184 6

75 108 337 184 6

90 9 28 15 1

110 9 28 15 1

132 9 28 15 1

160 9 28 15 1

200 9 28 15 1

250 9 28 15 1

315 9 28 15 1

355 9 28 15 1

400 11 35 19 1

450 11 35 19 1

500 11 35 19 1

750 11 35 19 1

1000 37 115 63 2

59

Para el cálculo del consumo energético necesitamos conocer el número de horas de

funcionamiento de los motores y el factor de carga. En la Figura 22[Número de horas

de funcionamiento en por rango de potencias][8] se muestra gráficamente la media de

horas de funcionamiento en función de la potencia nominal. En la Tabla 20 [Número

de horas de funcionamiento] se muestran los valores que se tomarán para la

realización de los cálculos.

Figura 22. Número de horas de funcionamiento en por rango de potencias.

Tabla 20. Número de horas de funcionamiento

Rango de potencias Número de horas de funcionamiento

P <= 0,75 kW 2500

0,75 kW 500 kW 7500

El porcentaje de carga, lo obtenemos también mediante la información en EuP Lot 11[8]

como se muestra en la Figura 23 [Porcentaje de carga en función de la potencia

nominal].

60

Figura 23. Porcentaje de carga en función de la potencia nominal

Además, es necesario conocer la vida útil de los motores para el análisis económico,

con esto sabemos cuándo es necesario reemplazar de nuevo los motores, estos valores

se muestran en la Tabla 21 [Vida media en función de la potencia nominal][22].

Tabla 21. Vida media en función de la potencia nominal.

Rango de potencia Vida media (años) 0,75 kW 110 kW 20

También necesitamos saber tanto el precio de la energía eléctrica como el coeficiente

de emisiones, para saber el ahorro económico y de emisiones que se conseguirá al

sustituir los accionamientos eléctricos por los de mayor rendimiento.

El factor de emisiones lo obtenemos a partir de la información de Red Eléctrica

Española[23], como se muestra en la Figura 24 [Emisiones y factor de emisión de CO2 de

la generación] y la Tabla 22 [Factor de emisión de CO2 de la generación] estos valores

han ido descendiendo en los últimos años, debido en gran parte a una mayor

generación por parte de energías renovables.

61

Figura 24. Emisiones y factor de emisión de CO2 de la generación.

Tabla 22. Factor de emisión de CO2 de la generación.

Año Factor de emisión de CO2 (tCO2 eq/MWh)

2015 0,29

2016 0,24

2017 0,29

2018 0,25

2019 0,19

El precio de la energía lo obtenemos de Eurostat[24], este se ha mantenido estable en

los últimos años a excepción de 2019 donde ha sufrido una bajada considerable, como

se puede ver en la Tabla 23 [Evolución del precio de la energía eléctrica en España].

Tabla 23. Evolución del precio de la energía eléctrica en España.

Año Precio (€/kWh) Media anual (€/kWh)

2015 (1er semestre) 0,1815 0,18395

2015 (2º semestre) 0,1864

2016 (1er semestre) 0,1718 0,1757

2016 (2º semestre) 0,1796

2017 (1er semestre) 0,1805 0,17585

2017 (2º semestre) 0,1712

2018 (1er semestre) 0,1873 0,1910

2018 (2º semestre) 0,1947

2019 (1er semestre) 0,1326 0,13235

2019 (2º semestre) 0,1321

Por último, para el cálculo de los indicadores económicos, necesitamos saber la

inversión necesaria para la sustitución de los motores por los de eficiencia

superior, por lo que tenemos que conocer el precio de venta de estos. En la

62

Tabla 24 [Coste unitario de los motores][25] podemos ver el coste los motores

según su potencia.

Tabla 24. Coste unitario de los motores.

Precio (€)


0,12 62 56 49 71

0,18 58 60 62 70

0,2 60* 62* 66* 80*

0,25 62 64 69 90

0,37 70 71 72 108

0,4 75* 72* 79* 117*

0,55 79 73 85 126

0,75 141 144 171 191

1,1 256 226 194 244

1,5 202 328 226 283

2,2 370 389 270 342

3 331 440 288 443

4 519 540 389 490

5,5 402 675 678 628

7,5 823 849 625 760

11 890 913 887 1284

15 1276 1300 1299 1663

18,5 1549 1634 1532 1671

22 1762 1856 1835 1912

30 2205 2428 2208 2584

37 2896 2429 2465 3163

45 2456 3364 3141 3791

55 3671 3574 3827 4369

75 4074 4731 4778 6134

90 4743 5375 6156 7418

110 5016 4699 7462 8759

132 6536 6131 8847 10306

160 8079 7542 9732 13297

200 9833 8988 13440 17649

250 14784 10752 18041 22613

315 16433* 12180* 20337* 26284*

355 19082* 13711* 23466* 30411*

400 21732* 15242* 26595* 34539*

450 29088 23008 27969 55152

500 28625 22423 35723 61100

750 55050 52639 71581 80762

1000 78000 72475 89050 90891

*Valor estimado.

63

4.3 Ahorro energético, económico y de emisiones.

Para realizar el análisis de los ahorros que se puede conseguir sustituyendo los

motores eléctricos por los de mayor eficiencia, en primer lugar, vamos a calcular el

consumo energético de la situación actual gracias a la información obtenida

anteriormente, esto junto al precio de la energía y al coeficiente de paso a emisiones

obtenemos el coste económico y las emisiones que producen.

Para calcular el consumo energético, adaptamos la expresión mostrada en [26].

AEA = PN ∗ L ∗ 𝑡ℎ ∗1

𝜂∗ 100 (ecuación 17)

Donde PN representa la potencia nominal del motor, siendo L el factor de carga

(porcentaje de carga total), funcionando un total de th horas anuales y siendo 𝜂 el

rendimiento del motor en cuestión.

El consumo energético de los motores en el año base, se muestra a continuación desde

la Tabla 25 a la Tabla 28.

64

Tabla 25. Consumo energético (GWh/año) en motores de 2 polos.

2 polos


0,12 4,41 11,55 5,57 0,18

0,18 5,64 15,37 7,71 0,25

0,20 6,06 16,67 8,40 0,27

0,25 7,11 19,90 10,13 0,33

0,37 9,58 27,47 14,15 0,46

0,40 10,20 29,31 15,14 0,49

0,55 13,19 38,29 19,96 0,66

0,75 17,21 49,99 26,24 0,87

1,1 8,77 25,76 13,57 0,45

1,5 11,62 34,39 18,17 0,61

2,2 16,50 49,29 26,12 0,88

3 22,01 66,10 35,13 1,18

4 28,78 86,90 46,31 1,56

5,5 38,82 117,84 62,89 2,13

7,5 52,14 158,69 84,90 2,88

11 67,40 205,89 110,44 3,75

15 90,77 277,97 149,45 5,08

18,5 111,19 340,56 183,32 6,23

22 131,35 403,22 217,30 7,39

30 177,53 545,66 294,41 10,02

37 326,63 1004,01 542,33 18,48

45 119,37 367,35 198,65 6,78

55 145,26 447,54 242,02 8,26

75 240,54 741,12 401,67 13,72

90 23,72 73,07 39,60 1,35

110 28,89 89,12 48,30 1,65

132 37,74 116,30 63,10 2,16

160 45,60 140,67 76,33 2,61

200 56,88 175,46 95,21 3,26

250 71,10 219,33 119,01 4,07

315 89,59 276,36 149,95 5,13

355 100,96 311,45 168,99 5,79

400 141,85 437,58 237,43 8,13

450 159,58 492,28 267,11 9,14

500 177,31 546,98 296,79 10,16

750 332,46 1025,59 556,49 19,05

1000 1468,28 4529,41 2457,66 84,13

65


4 polos


0,12 9,53 25,14 12,55 0,40

0,18 12,54 34,45 17,45 0,56

0,20 13,58 37,58 19,06 0,62

0,25 16,14 45,19 23,04 0,75

0,37 22,26 63,02 32,43 1,07

0,40 23,78 67,38 34,74 1,14

0,55 31,21 88,33 46,12 1,53

0,75 41,31 116,66 61,59 2,04

1,1 21,05 60,46 32,02 1,06

1,5 27,88 81,05 43,05 1,44

2,2 39,61 116,75 62,11 2,07

3 52,82 156,97 83,74 2,80

4 69,07 206,64 110,51 3,71

5,5 93,18 280,56 150,26 5,05

7,5 125,14 378,27 203,09 6,84

11 161,76 491,94 264,46 8,93

15 217,84 664,91 357,89 12,18

18,5 266,87 814,66 439,02 14,88

22 315,24 964,55 519,83 17,64

30 426,08 1305,33 704,32 23,95

37 783,92 2404,43 1298,82 44,18

45 286,49 879,74 475,75 16,20

55 348,63 1070,64 579,01 19,74

75 577,29 1774,91 960,95 32,79

90 56,92 175,19 94,85 3,24

110 69,34 213,44 115,68 3,95

132 90,58 278,82 151,12 5,17

160 109,44 337,25 182,80 6,25

200 136,51 420,67 228,02 7,81

250 170,64 525,84 285,03 9,76

315 215,01 662,56 359,13 12,29

355 242,31 746,69 404,74 13,86

400 340,44 1049,10 568,65 19,47

450 383,00 1180,24 639,74 21,90

500 425,55 1311,37 710,82 24,33

750 797,91 2458,83 1332,78 45,63

1000 3523,88 10859,15 5886,09 201,50

66


6 polos


0,12 2,07 4,89 2,35 0,07

0,18 2,62 6,56 3,18 0,10

0,20 2,78 7,09 3,45 0,11

0,25 3,18 8,38 4,12 0,13

0,37 4,10 11,30 5,68 0,18

0,40 4,33 12,00 6,07 0,20

0,55 5,53 15,53 8,04 0,26

0,75 7,09 20,39 10,73 0,35

1,1 3,61 10,50 5,54 0,18

1,5 4,77 14,02 7,42 0,25

2,2 6,77 20,05 10,65 0,35

3 9,00 26,85 14,30 0,48

4 11,75 35,25 18,80 0,63

5,5 15,83 47,68 25,50 0,85

7,5 21,18 64,13 34,34 1,16

11 27,33 83,01 44,61 1,51

15 36,72 111,93 60,24 2,04

18,5 44,83 136,98 73,89 2,50

22 52,95 162,00 87,39 2,97

30 71,41 218,98 118,27 4,02

37 131,23 402,91 217,86 7,42

45 47,90 147,26 79,71 2,72

55 58,23 179,21 97,01 3,31

75 96,32 296,77 160,84 5,50

90 9,50 29,26 15,86 0,54

110 11,56 35,65 19,34 0,66

132 15,10 46,52 25,24 0,86

160 18,24 56,27 30,53 1,05

200 22,75 70,19 38,08 1,31

250 28,44 87,73 47,60 1,63

315 35,83 110,54 59,98 2,05

355 40,38 124,58 67,60 2,31

400 56,74 175,03 94,97 3,25

450 63,83 196,91 106,85 3,65

500 70,93 218,79 118,72 4,06

750 132,98 410,24 222,59 7,61

1000 587,31 1811,76 983,06 33,62

67


8 polos


0,12 1,28 3,11 1,34 0,04

0,18 1,57 4,05 1,73 0,05

0,20 1,67 4,35 1,86 0,06

0,25 1,91 5,10 2,20 0,07

0,37 2,46 6,81 3,01 0,10

0,40 2,60 7,22 3,22 0,10

0,55 3,24 9,20 4,25 0,14

0,75 4,06 11,69 5,65 0,19

1,1 1,98 5,79 2,89 0,10

1,5 2,56 7,55 3,84 0,13

2,2 3,55 10,57 5,48 0,18

3 4,66 13,98 7,33 0,25

4 6,04 18,21 9,62 0,32

5,5 8,08 24,47 13,02 0,44

7,5 10,79 32,78 17,52 0,59

11 13,89 42,36 22,74 0,77

15 18,68 57,05 30,66 1,04

18,5 22,85 69,88 37,60 1,27

22 27,02 82,63 44,47 1,51

30 36,47 111,81 60,17 2,04

37 67,09 205,69 110,71 3,76

45 24,54 75,25 40,51 1,38

55 29,83 91,67 49,35 1,68

75 49,39 151,78 81,71 2,78

90 4,86 14,96 8,06 0,27

110 5,92 18,21 9,82 0,33

132 7,71 23,76 12,81 0,44

160 9,31 28,68 15,48 0,53

200 11,56 35,66 19,28 0,66

250 14,45 44,57 24,10 0,82

315 18,21 56,16 30,37 1,04

355 20,52 63,29 34,23 1,17

400 28,83 88,92 48,09 1,64

450 32,43 100,04 54,10 1,85

500 36,04 111,15 60,11 2,06

750 67,57 208,41 112,71 3,85

1000 298,42 920,41 497,77 17,02

68

Como se muestra en la Figura 25 [Consumo energético (GWh/año) según rango de

potencia nominal] el consumo principal se produce en los motores de 4 polos ya que

son los que más presencia tienen en el mercado, en cuanto a rango de potencias el

mayor consumo se produce en los de potencia superior a 750 kW, tras estos se

encuentran los de potencia situada entre 7,5 kW y 37 kW, donde la mayor presencia

de estos en el mercado hace que su consumo sea mayor que los de potencia superior a

ellos a excepción de los de más de 750 kW mencionados anteriormente.

Figura 25. Consumo energético (GWh/año) según rango de potencia nominal.

Para el calcular el coste que supone este consumo energético, usamos el precio de la

energía eléctrica del último año que es de 0,13235 €/kWh (Tabla 23). Estos costes se

muestran de la Tabla 29 a la Tabla 32.

0

5000

10000

15000

20000

25000

P<= 750 W 0,75 kW < P<= 7,5 kW

7,5 kW 750 kW

Consumo energético (GWh/año)

2 polos 4 polos 6 polos 8 polos

69

Tabla 29. Coste económico (M€/año) en motores de 2 polos.

2 polos Potencia nominal (kW) IE1 IE2 IE3 IE4

0,12 0,58 1,53 0,74 0,02

0,18 0,75 2,03 1,02 0,03

0,2 0,80 2,21 1,11 0,04

0,25 0,94 2,63 1,34 0,04

0,37 1,27 3,64 1,87 0,06

0,4 1,35 3,88 2,00 0,06

0,55 1,75 5,07 2,64 0,09

0,75 2,28 6,62 3,47 0,12

1,1 1,16 3,41 1,80 0,06

1,5 1,54 4,55 2,40 0,08

2,2 2,18 6,52 3,46 0,12

3 2,91 8,75 4,65 0,16

4 3,81 11,50 6,13 0,21

5,5 5,14 15,60 8,32 0,28

7,5 6,90 21,00 11,24 0,38

11 8,92 27,25 14,62 0,50

15 12,01 36,79 19,78 0,67

18,5 14,72 45,07 24,26 0,82

22 17,38 53,37 28,76 0,98

30 23,50 72,22 38,97 1,33

37 43,23 132,88 71,78 2,45

45 15,80 48,62 26,29 0,90

55 19,23 59,23 32,03 1,09

75 31,84 98,09 53,16 1,82

90 3,14 9,67 5,24 0,18

110 3,82 11,80 6,39 0,22

132 4,99 15,39 8,35 0,29

160 6,04 18,62 10,10 0,35

200 7,53 23,22 12,60 0,43

250 9,41 29,03 15,75 0,54

315 11,86 36,58 19,85 0,68

355 13,36 41,22 22,37 0,77

400 18,77 57,91 31,42 1,08

450 21,12 65,15 35,35 1,21

500 23,47 72,39 39,28 1,34

750 44,00 135,74 73,65 2,52

1000 194,33 599,47 325,27 11,13

70



0,12 1,26 3,33 1,66 0,05

0,18 1,66 4,56 2,31 0,07

0,2 1,80 4,97 2,52 0,08

0,25 2,14 5,98 3,05 0,10

0,37 2,95 8,34 4,29 0,14

0,4 3,15 8,92 4,60 0,15

0,55 4,13 11,69 6,10 0,20

0,75 5,47 15,44 8,15 0,27

1,1 2,79 8,00 4,24 0,14

1,5 3,69 10,73 5,70 0,19

2,2 5,24 15,45 8,22 0,27

3 6,99 20,77 11,08 0,37

4 9,14 27,35 14,63 0,49

5,5 12,33 37,13 19,89 0,67

7,5 16,56 50,06 26,88 0,91

11 21,41 65,11 35,00 1,18

15 28,83 88,00 47,37 1,61

18,5 35,32 107,82 58,10 1,97

22 41,72 127,66 68,80 2,33

30 56,39 172,76 93,22 3,17

37 103,75 318,23 171,90 5,85

45 37,92 116,43 62,97 2,14

55 46,14 141,70 76,63 2,61

75 76,40 234,91 127,18 4,34

90 7,53 23,19 12,55 0,43

110 9,18 28,25 15,31 0,52

132 11,99 36,90 20,00 0,68

160 14,48 44,64 24,19 0,83

200 18,07 55,68 30,18 1,03

250 22,58 69,59 37,72 1,29

315 28,46 87,69 47,53 1,63

355 32,07 98,82 53,57 1,83

400 45,06 138,85 75,26 2,58

450 50,69 156,20 84,67 2,90

500 56,32 173,56 94,08 3,22

750 105,60 325,43 176,39 6,04

1000 466,39 1437,21 779,02 26,67

71


6 polos

Potencia nominal (kW) IE1 IE2 IE3 IE4 0,12 0,27 0,65 0,31 0,01

0,18 0,35 0,87 0,42 0,01

0,2 0,37 0,94 0,46 0,01

0,25 0,42 1,11 0,55 0,02

0,37 0,54 1,50 0,75 0,02

0,4 0,57 1,59 0,80 0,03

0,55 0,73 2,06 1,06 0,03

0,75 0,94 2,70 1,42 0,05

1,1 0,48 1,39 0,73 0,02

1,5 0,63 1,86 0,98 0,03

2,2 0,90 2,65 1,41 0,05

3 1,19 3,55 1,89 0,06

4 1,56 4,67 2,49 0,08

5,5 2,10 6,31 3,37 0,11

7,5 2,80 8,49 4,54 0,15

11 3,62 10,99 5,90 0,20

15 4,86 14,81 7,97 0,27

18,5 5,93 18,13 9,78 0,33

22 7,01 21,44 11,57 0,39

30 9,45 28,98 15,65 0,53

37 17,37 53,33 28,83 0,98

45 6,34 19,49 10,55 0,36

55 7,71 23,72 12,84 0,44

75 12,75 39,28 21,29 0,73

90 1,26 3,87 2,10 0,07

110 1,53 4,72 2,56 0,09

132 2,00 6,16 3,34 0,11

160 2,41 7,45 4,04 0,14

200 3,01 9,29 5,04 0,17

250 3,76 11,61 6,30 0,22

315 4,74 14,63 7,94 0,27

355 5,34 16,49 8,95 0,31

400 7,51 23,17 12,57 0,43

450 8,45 26,06 14,14 0,48

500 9,39 28,96 15,71 0,54

750 17,60 54,30 29,46 1,01

1000 77,73 239,79 130,11 4,45

72


8 polos


0,18 0,21 0,54 0,23 0,01

0,2 0,22 0,58 0,25 0,01

0,25 0,25 0,67 0,29 0,01

0,37 0,33 0,90 0,40 0,01

0,4 0,34 0,96 0,43 0,01

0,55 0,43 1,22 0,56 0,02

0,75 0,54 1,55 0,75 0,03

1,1 0,26 0,77 0,38 0,01

1,5 0,34 1,00 0,51 0,02

2,2 0,47 1,40 0,73 0,02

3 0,62 1,85 0,97 0,03

4 0,80 2,41 1,27 0,04

5,5 1,07 3,24 1,72 0,06

7,5 1,43 4,34 2,32 0,08

11 1,84 5,61 3,01 0,10

15 2,47 7,55 4,06 0,14

18,5 3,02 9,25 4,98 0,17

22 3,58 10,94 5,89 0,20

30 4,83 14,80 7,96 0,27

37 8,88 27,22 14,65 0,50

45 3,25 9,96 5,36 0,18

55 3,95 12,13 6,53 0,22

75 6,54 20,09 10,81 0,37

90 0,64 1,98 1,07 0,04

110 0,78 2,41 1,30 0,04

132 1,02 3,14 1,70 0,06

160 1,23 3,80 2,05 0,07

200 1,53 4,72 2,55 0,09

250 1,91 5,90 3,19 0,11

315 2,41 7,43 4,02 0,14

355 2,72 8,38 4,53 0,15

400 3,82 11,77 6,36 0,22

450 4,29 13,24 7,16 0,24

500 4,77 14,71 7,96 0,27

750 8,94 27,58 14,92 0,51

1000 39,50 121,82 65,88 2,25

73

En la Figura 26 [Coste económico (M€/año)], vemos que el coste económico se

distribuye de igual forma que el coste energético por los mismos motivos que este,

mencionados con anterioridad.

Figura 26.Coste económico (M€/año)

Por último, las emisiones de CO2 las calculamos con el coeficiente de paso a emisiones,

el cual tiene un valor de 0,19 tCO2eq/MWh (Tabla 22). De forma análoga al coste

económico, los valores de las emisiones se muestran a continuación de la Tabla 33 a la

Tabla 36.

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

P<= 750 W 0,75 kW 750 kW

Coste económico (M€/año)

2 polos 4 polos 6 polos 8 polos

74

Tabla 33. Emisiones (ktCO2/año) en motores de 2 polos.


0,12 0,84 2,19 1,06 0,03

0,18 1,07 2,92 1,46 0,05

0,2 1,15 3,17 1,60 0,05

0,25 1,35 3,78 1,92 0,06

0,37 1,82 5,22 2,69 0,09

0,4 1,94 5,57 2,88 0,09

0,55 2,51 7,28 3,79 0,13

0,75 3,27 9,50 4,99 0,17

1,1 1,67 4,89 2,58 0,09

1,5 2,21 6,53 3,45 0,12

2,2 3,14 9,37 4,96 0,17

3 4,18 12,56 6,67 0,22

4 5,47 16,51 8,80 0,30

5,5 7,38 22,39 11,95 0,40

7,5 9,91 30,15 16,13 0,55

11 12,81 39,12 20,98 0,71

15 17,25 52,81 28,40 0,97

18,5 21,13 64,71 34,83 1,18

22 24,96 76,61 41,29 1,40

30 33,73 103,68 55,94 1,90

37 62,06 190,76 103,04 3,51

45 22,68 69,80 37,74 1,29

55 27,60 85,03 45,98 1,57

75 45,70 140,81 76,32 2,61

90 4,51 13,88 7,52 0,26

110 5,49 16,93 9,18 0,31

132 7,17 22,10 11,99 0,41

160 8,66 26,73 14,50 0,50

200 10,81 33,34 18,09 0,62

250 13,51 41,67 22,61 0,77

315 17,02 52,51 28,49 0,97

355 19,18 59,18 32,11 1,10

400 26,95 83,14 45,11 1,54

450 30,32 93,53 50,75 1,74

500 33,69 103,93 56,39 1,93

750 63,17 194,86 105,73 3,62

1000 278,97 860,59 466,96 15,98

75


4 polos


0,18 2,38 6,55 3,32 0,11

0,2 2,58 7,14 3,62 0,12

0,25 3,07 8,59 4,38 0,14

0,37 4,23 11,97 6,16 0,20

0,4 4,52 12,80 6,60 0,22

0,55 5,93 16,78 8,76 0,29

0,75 7,85 22,17 11,70 0,39

1,1 4,00 11,49 6,08 0,20

1,5 5,30 15,40 8,18 0,27

2,2 7,53 22,18 11,80 0,39

3 10,04 29,82 15,91 0,53

4 13,12 39,26 21,00 0,70

5,5 17,70 53,31 28,55 0,96

7,5 23,78 71,87 38,59 1,30

11 30,73 93,47 50,25 1,70

15 41,39 126,33 68,00 2,31

18,5 50,71 154,79 83,41 2,83

22 59,90 183,26 98,77 3,35

30 80,96 248,01 133,82 4,55

37 148,94 456,84 246,78 8,39

45 54,43 167,15 90,39 3,08

55 66,24 203,42 110,01 3,75

75 109,69 337,23 182,58 6,23

90 10,81 33,29 18,02 0,62

110 13,17 40,55 21,98 0,75

132 17,21 52,98 28,71 0,98

160 20,79 64,08 34,73 1,19

200 25,94 79,93 43,32 1,48

250 32,42 99,91 54,16 1,85

315 40,85 125,89 68,23 2,34

355 46,04 141,87 76,90 2,63

400 64,68 199,33 108,04 3,70

450 72,77 224,25 121,55 4,16

500 80,85 249,16 135,06 4,62

750 151,60 467,18 253,23 8,67

1000 669,54 2063,24 1118,36 38,29

76


6 polos


0,18 0,50 1,25 0,60 0,02

0,2 0,53 1,35 0,66 0,02

0,25 0,60 1,59 0,78 0,02

0,37 0,78 2,15 1,08 0,03

0,4 0,82 2,28 1,15 0,04

0,55 1,05 2,95 1,53 0,05

0,75 1,35 3,87 2,04 0,07

1,1 0,69 2,00 1,05 0,03

1,5 0,91 2,66 1,41 0,05

2,2 1,29 3,81 2,02 0,07

3 1,71 5,10 2,72 0,09

4 2,23 6,70 3,57 0,12

5,5 3,01 9,06 4,85 0,16

7,5 4,02 12,18 6,52 0,22

11 5,19 15,77 8,48 0,29

15 6,98 21,27 11,45 0,39

18,5 8,52 26,03 14,04 0,48

22 10,06 30,78 16,60 0,56

30 13,57 41,61 22,47 0,76

37 24,93 76,55 41,39 1,41

45 9,10 27,98 15,14 0,52

55 11,06 34,05 18,43 0,63

75 18,30 56,39 30,56 1,05

90 1,81 5,56 3,01 0,10

110 2,20 6,77 3,67 0,13

132 2,87 8,84 4,80 0,16

160 3,47 10,69 5,80 0,20

200 4,32 13,34 7,24 0,25

250 5,40 16,67 9,04 0,31

315 6,81 21,00 11,40 0,39

355 7,67 23,67 12,84 0,44

400 10,78 33,26 18,04 0,62

450 12,13 37,41 20,30 0,69

500 13,48 41,57 22,56 0,77

750 25,27 77,95 42,29 1,45

1000 111,59 344,23 186,78 6,39

77


8 polos


0,18 0,30 0,77 0,33 0,01

0,2 0,32 0,83 0,35 0,01

0,25 0,36 0,97 0,42 0,01

0,37 0,47 1,29 0,57 0,02

0,4 0,49 1,37 0,61 0,02

0,55 0,62 1,75 0,81 0,03

0,75 0,77 2,22 1,07 0,04

1,1 0,38 1,10 0,55 0,02

1,5 0,49 1,43 0,73 0,02

2,2 0,67 2,01 1,04 0,03

3 0,89 2,66 1,39 0,05

4 1,15 3,46 1,83 0,06

5,5 1,54 4,65 2,47 0,08

7,5 2,05 6,23 3,33 0,11

11 2,64 8,05 4,32 0,15

15 3,55 10,84 5,83 0,20

18,5 4,34 13,28 7,14 0,24

22 5,13 15,70 8,45 0,29

30 6,93 21,24 11,43 0,39

37 12,75 39,08 21,03 0,71

45 4,66 14,30 7,70 0,26

55 5,67 17,42 9,38 0,32

75 9,38 28,84 15,52 0,53

90 0,92 2,84 1,53 0,05

110 1,12 3,46 1,87 0,06

132 1,46 4,51 2,43 0,08

160 1,77 5,45 2,94 0,10

200 2,20 6,78 3,66 0,13

250 2,75 8,47 4,58 0,16

315 3,46 10,67 5,77 0,20

355 3,90 12,03 6,50 0,22

400 5,48 16,89 9,14 0,31

450 6,16 19,01 10,28 0,35

500 6,85 21,12 11,42 0,39

750 12,84 39,60 21,41 0,73

1000 56,70 174,88 94,58 3,23

78

Por último, en la Figura 27 [Emisiones (ktCO2/año)] se muestra el reparte de las

emisiones producidas según el rango de potencias y el número de polos, al igual que se

ha realizado anteriormente para el consumo energético y económico.

Figura 27. Emisiones (ktCO2/año)

Una vez tenemos el caso base, como se ha mencionado anteriormente, consideramos

que las ventas de motores son para reemplazar los existentes por otros de eficiencia

IE4, esto supone un 15% del total para los motores de potencia inferior a 0,75kW, lo

que supone que lo sustitución total de los motores se produce al séptimo año, un 11%

para los motores de potencia nominal entre 0,75 kW y 375 kW, por lo que la

sustitución al completo se produciría a los nueve años y por último las ventas de

motores de potencia superior a 375 kW se sustituyen en su totalidad a los catorce

años, ya que las ventas son aproximadamente un 7% del total de motores en servicio.

Con esto se obtienen unos ahorros anuales que se muestran en la Tabla 37 [Ahorros

anuales]

Tabla 37. Ahorros anuales.

Potencia nominal (kW)

Ahorro energético (GWh/año)

Ahorro económico (M€/año)

Emisiones evitadas

(ktCO2/año)

P < 0,75 kW 26,33 3,48 5,00

0,75 kW 375 kW 57,49 14,76 10,92

Por último, la situación final, donde todos los motores son de clase IE4 se muestra de

la Tabla 38 a la Tabla 40, aunque los motores llegan a la situación final en tiempos

distintos los ahorros potenciales se muestran en la misma tabla para una mayor

claridad.

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

4000

P<= 750 W 0,75 kW < P<= 7,5 kW

7,5 kW < P<= 37 kW

37 kW 750 kW

Emisiones (ktCO2/año)

2 polos

4 polos

6 polos

8 polos

79

Tabla 38. Consumo energético (GWh/año) situación final.


0,12 17,57 40,16 7,20 3,75

0,18 24,75 56,29 10,00 5,21

0,2 27,08 61,64 10,91 5,69

0,25 32,75 74,97 13,14 6,87

0,37 46,12 106,58 18,47 9,69

0,4 49,35 114,38 19,79 10,40

0,55 65,69 153,15 26,47 13,91

0,75 87,43 204,45 35,31 18,62

1,1 45,41 106,48 18,31 9,58

1,5 60,99 143,55 24,57 12,77

2,2 87,93 207,49 35,41 18,31

3 118,42 280,12 47,63 24,57

4 156,31 370,62 62,87 32,30

5,5 212,80 505,17 85,50 43,81

7,5 287,65 683,66 115,57 59,08

11 375,05 893,38 150,51 76,84

15 507,60 1218,24 203,91 103,86

18,5 623,37 1488,14 250,15 127,39

22 738,94 1764,06 296,52 150,84

30 1002,31 2395,40 402,20 204,35

37 1848,40 4417,53 741,71 376,43

45 677,79 1619,87 271,69 137,88

55 825,80 1973,64 331,01 167,98

75 1372,02 3279,12 549,96 278,48

90 135,42 324,00 54,28 27,49

110 165,17 395,18 66,21 33,49

132 215,78 516,79 86,49 43,75

160 261,28 625,12 104,62 52,91

200 325,92 780,59 130,64 65,94

250 407,40 975,74 162,96 82,42

315 513,32 1229,43 205,12 103,85

355 578,51 1385,55 231,16 117,04

400 812,80 1946,68 324,78 164,43

450 914,40 2190,02 365,38 184,99

500 1016,00 2433,35 405,98 205,54

750 1905,00 4562,53 761,21 385,39

1000 8413,21 20149,95 3361,80 1702,04

80

Tabla 39. Coste económico (M€/año) situación final.


0,12 2,32 5,32 0,95 0,50

0,18 3,28 7,45 1,32 0,69

0,2 3,58 8,16 1,44 0,75

0,25 4,33 9,92 1,74 0,91

0,37 6,10 14,11 2,44 1,28

0,4 6,53 15,14 2,62 1,38

0,55 8,69 20,27 3,50 1,84

0,75 11,57 27,06 4,67 2,46

1,1 6,01 14,09 2,42 1,27

1,5 8,07 19,00 3,25 1,69

2,2 11,64 27,46 4,69 2,42

3 15,67 37,07 6,30 3,25

4 20,69 49,05 8,32 4,28

5,5 28,16 66,86 11,32 5,80

7,5 38,07 90,48 15,30 7,82

11 49,64 118,24 19,92 10,17

15 67,18 161,23 26,99 13,75

18,5 82,50 196,96 33,11 16,86

22 97,80 233,47 39,24 19,96

30 132,66 317,03 53,23 27,05

37 244,64 584,66 98,17 49,82

45 89,71 214,39 35,96 18,25

55 109,29 261,21 43,81 22,23

75 181,59 433,99 72,79 36,86

90 17,92 42,88 7,18 3,64

110 21,86 52,30 8,76 4,43

132 28,56 68,40 11,45 5,79

160 34,58 82,73 13,85 7,00

200 43,14 103,31 17,29 8,73

250 53,92 129,14 21,57 10,91

315 67,94 162,71 27,15 13,74

355 76,57 183,38 30,59 15,49

400 107,57 257,64 42,98 21,76

450 121,02 289,85 48,36 24,48

500 134,47 322,05 53,73 27,20

750 252,13 603,85 100,75 51,01

1000 1113,49 2666,85 444,93 225,27

81

Tabla 40. Emisiones (ktCO2/año) situación final.

Potencia nominal (kW) 2 polos 4 polos 6 polos 8 polos 0,12 3,34 7,63 1,37 0,71

0,18 4,70 10,70 1,90 0,99

0,2 5,14 11,71 2,07 1,08

0,25 6,22 14,25 2,50 1,31

0,37 8,76 20,25 3,51 1,84

0,4 9,38 21,73 3,76 1,98

0,55 12,48 29,10 5,03 2,64

0,75 16,61 38,85 6,71 3,54

1,1 8,63 20,23 3,48 1,82

1,5 11,59 27,28 4,67 2,43

2,2 16,71 39,42 6,73 3,48

3 22,50 53,22 9,05 4,67

4 29,70 70,42 11,95 6,14

5,5 40,43 95,98 16,24 8,32

7,5 54,65 129,90 21,96 11,22

11 71,26 169,74 28,60 14,60

15 96,44 231,47 38,74 19,73

18,5 118,44 282,75 47,53 24,20

22 140,40 335,17 56,34 28,66

30 190,44 455,13 76,42 38,83

37 351,20 839,33 140,92 71,52

45 128,78 307,78 51,62 26,20

55 156,90 374,99 62,89 31,92

75 260,68 623,03 104,49 52,91

90 25,73 61,56 10,31 5,22

110 31,38 75,08 12,58 6,36

132 41,00 98,19 16,43 8,31

160 49,64 118,77 19,88 10,05

200 61,92 148,31 24,82 12,53

250 77,41 185,39 30,96 15,66

315 97,53 233,59 38,97 19,73

355 109,92 263,25 43,92 22,24

400 154,43 369,87 61,71 31,24

450 173,74 416,10 69,42 35,15

500 193,04 462,34 77,14 39,05

750 361,95 866,88 144,63 73,22

1000 1598,51 3828,49 638,74 323,39

82

En la Figura 28 [Consumos en la situación final] donde todos los motores son de

eficiencia IE4, se muestran los consumos, tanto energético como económico así como

las emisiones producidas.

Figura 28. Consumos en la situación final.

Si comparamos la situación inicial con la final, vemos que se producen unos ahorros

energéticos de 2,19 TWh/año y de 12966,5 ktCO2eq de emisiones por lo que desde

estos dos puntos de vista resulta interesante realizar la sustitución, sin embargo, la

forma para que un proyecto se realice es que este sea rentable desde el punto de vista

económico, por lo que a continuación vamos a calcular algunos indicadores

económicos para ver la viabilidad de la sustitución de los motores por los de mayor

eficiencia.

4.4 Indicadores económicos

Vamos a analizar el tiempo de retorno o payback, el valor actualizado neto y la tasa

interna de retorno. Estos indicadores son de los más utilizados a la hora de evaluar

económicamente la rentabilidad de un proyecto.

Tiempo de retorno.

El tiempo de retorno o payback (PB), es el tiempo que se tarda en recuperar la

inversión inicial a partir de los beneficios obtenidos por el proyecto. Habitualmente

varía entre meses y años en función del tipo de proyecto que se esté realizando.

Este indicador es bastante sencillo de aplicar por lo que es especialmente útil en

proyectos de corta duración, ya que no tiene en cuenta el valor temporal del dinero,

así como para hacer una primera aproximación de la rentabilidad del proyecto. Se

calcula como:

0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500

P<= 750 W 0,75 kW < P<= 7,5 kW

7,5 kW < P<= 37 kW

37 kW 750 kW

Consumos en la situación final

Consumoenergético(GWh/año)

Coste económico (M€/año)

Emisiones(ktCO2/año)

83

𝑃𝐵 =inversión inicial

promedio flujo de caja (ecuación 18)

En nuestro caso, la inversión es el coste de cambiar los motores por los de clase IE4,

que obtenemos mediante el número de motores que se muestran desde la Tabla 16 a

la Tabla 19 unido al coste unitario de los motores que está reflejado en la Tabla 24, el

cual se muestra en la Tabla 41 [Inversión para la sustitución de los motores eléctricos

(M€) en función de la potencia nominal (kW)].

84

Tabla 41. Inversión para la sustitución de los motores eléctricos (M€) en función de la potencia nominal (kW).


0,12 2,39 5,18 0,76 0,55

0,18 2,24 5,55 0,96 0,54

0,2 2,31 5,74 1,02 0,62

0,25 2,39 5,92 1,06 0,69

0,37 2,70 6,57 1,11 0,83

0,4 2,89 6,66 1,22 0,90

0,55 3,05 6,75 1,31 0,97

0,75 5,44 13,32 2,64 1,47

1,1 2,97 6,30 0,90 0,57

1,5 2,34 9,14 1,05 0,66

2,2 4,29 10,84 1,25 0,79

3 3,84 12,26 1,34 1,03

4 6,02 15,04 1,81 1,14

5,5 4,67 18,80 3,15 1,46

7,5 9,55 23,65 2,90 1,76

11 9,27 22,83 3,70 2,68

15 13,29 32,51 5,41 3,47

18,5 16,14 40,86 6,38 3,48

22 18,36 46,41 7,65 3,98

30 22,97 60,71 9,20 5,38

37 30,17 60,74 10,27 6,59

45 7,73 25,42 3,96 2,39

55 11,56 27,00 4,82 2,75

75 12,82 35,74 6,02 3,86

90 1,23 3,35 0,64 0,38

110 1,30 2,93 0,77 0,45

132 1,70 3,82 0,92 0,53

160 2,10 4,70 1,01 0,69

200 2,55 5,60 1,39 0,92

250 3,84 6,70 1,87 1,17

315 4,26 7,58 2,11 1,36

355 4,95 8,54 2,44 1,58

400 7,03 11,84 3,44 2,23

450 9,41 17,87 3,62 3,57

500 9,26 17,41 4,62 3,95

750 17,81 40,87 9,26 5,23

1000 83,59 186,41 38,17 19,48

Total 348,45 821,53 150,15 90,12

85

El promedio de flujo de caja es el ahorro económico que se consigue con esta

sustitución, que se muestra en la Tabla 42 [Ahorro económico obtenido (M€) en

función de la potencia nominal (kW)]

Tabla 42. Ahorro económico obtenido (M€) en función de la potencia nominal (kW).


0,12 2,39 4,29 1,01 1,16

0,18 2,43 5,01 1,13 1,26

0,2 2,49 5,29 1,17 1,30

0,25 2,71 5,85 1,24 1,38

0,37 3,19 7,02 1,37 1,55

0,4 3,34 7,30 1,40 1,58

0,55 3,69 8,08 1,49 1,69

0,75 3,96 9,88 1,71 1,70

1,1 1,51 3,89 0,67 0,57

1,5 1,82 4,73 0,82 0,62

2,2 2,34 6,27 1,08 0,70

3 2,88 7,78 1,35 0,79

4 3,47 9,27 1,60 0,91

5,5 4,26 11,46 1,99 1,05

7,5 5,26 14,24 2,41 1,25

11 5,96 16,19 2,78 1,40

15 7,51 16,60 3,06 1,71

18,5 8,61 22,70 3,83 2,02

22 9,75 25,53 4,26 2,30

30 12,15 30,85 5,10 2,95

37 13,78 36,42 5,90 3,47

45 4,59 12,26 1,98 1,22

55 5,53 14,20 2,27 1,46

75 6,55 17,50 2,71 1,88

90 0,61 1,62 0,25 0,18

110 0,73 1,89 0,29 0,21

132 0,84 2,14 0,33 0,23

160 0,94 2,55 0,39 0,26

200 1,17 2,98 0,46 0,29

250 1,47 3,73 0,61 0,37

315 1,85 4,70 0,79 0,46

355 2,08 5,29 0,89 0,52

400 2,93 7,44 1,25 0,73

450 3,29 8,36 1,41 0,82

500 3,66 9,29 1,56 0,92

750 5,49 13,94 2,34 1,37

1000 24,24 61,57 10,35 6,06

86

Con estas dos tablas, podemos obtener el tiempo de retorno, el cual se presenta a

continuación en la Tabla 43 [Tiempo de retorno (años) en función de la potencia

nominal (kW)].

Tabla 43. Tiempo de retorno (años) en función de la potencia nominal (kW).


0,12 1,00 1,21 0,75 0,47

0,18 0,92 1,11 0,84 0,43

0,2 0,93 1,08 0,87 0,48

0,25 0,88 1,01 0,86 0,50

0,37 0,84 0,94 0,81 0,54

0,4 0,87 0,91 0,87 0,57

0,55 0,83 0,84 0,88 0,58

0,75 1,37 1,35 1,54 0,87

1,1 1,97 1,62 1,34 1,00

1,5 1,29 1,93 1,27 1,06

2,2 1,84 1,73 1,16 1,13

3 1,33 1,58 0,99 1,30

4 1,73 1,62 1,13 1,25

5,5 1,09 1,64 1,59 1,39

7,5 1,82 1,66 1,21 1,41

11 1,55 1,41 1,33 1,91

15 1,77 1,96 1,77 2,03

18,5 1,87 1,80 1,67 1,72

22 1,88 1,82 1,80 1,73

30 1,89 1,97 1,80 1,83

37 2,19 1,67 1,74 1,90

45 1,68 2,07 2,00 1,96

55 2,09 1,90 2,13 1,89

75 1,96 2,04 2,22 2,05

90 2,03 2,07 2,54 2,19

110 1,78 1,55 2,67 2,20

132 2,01 1,79 2,79 2,29

160 2,22 1,84 2,57 2,67

200 2,17 1,88 3,06 3,12

250 2,61 1,80 3,08 3,20

315 2,31 1,62 2,67 2,95

355 2,38 1,61 2,74 3,03

400 2,40 1,59 2,75 3,05

450 2,86 2,14 2,57 4,33

500 2,53 1,87 2,96 4,32

750 3,24 2,93 3,95 3,81

1000 3,45 3,03 3,69 3,21

87

Teniendo en cuenta que el tiempo de retorno es bajo, alrededor de un año en los

motores de pequeña potencia donde la vida útil es de unos diez años, dos años en los

de media potencia los cuales tienen una duración que va de doce a quince años y

aproximadamente tres años en los de mayor potencia donde su vida útil ronda los

veinte años, podemos ver en una primera estimación la rentabilidad de la sustitución

de los motores eléctricos por otros de alto rendimiento.

Valor actualizado neto y tasa interna de retorno.

A continuación, vamos a usar los otros dos indicadores mencionados anteriormente, el

valor actualizado neto (VAN) y la tasa interna de retorno (TIR), ambos miden la

rentabilidad de un proyecto a partir de los flujos de caja del proyecto, de forma

simplificada, los ingresos menos los gastos netos.

Para su cálculo, necesitamos saber la inversión inicial, I, los flujos de caja, Qn, de todos

los años que tenga de duración del proyecto, N, y la tasa de descuento, d:

VAN=-I+ ∑Qn

(1+d)n

N

n=1

Para que un proyecto sea rentable desde el punto de vista del VAN basta con que el

resultado de este sea positivo.

La tasa interna de retorno es el tipo de interés o tasa de descuento que hace que el

VAN sea cero.

0=-I+ ∑Qn

(1+TIR)n

N

n=1

Para saber la rentabilidad de un proyecto mediante la TIR, cuanto mayor sea, mayor

rentabilidad obtendremos, habitualmente se suelen denominar rentables productos

con una TIR superior al 10%.

Para nuestro caso de estudio, separamos los motores en cuatro grupos, en función de

su vida útil, los de potencia inferior a 1,1 kW, los de potencia entre 1,1 kW y 11 kW, los

que se encuentran entre 11 kW y 110 kW y los de potencia superior a 110 kW, también

debemos tener en cuenta el tiempo que tardan en realizarse la sustitución total de

todos los motores que ya se ha mencionado anteriormente en el trabajo, ya que los

rangos de potencias son distintos.

Para nuestro caso de estudio, la inversión inicial, I, se realiza de forma escalonada en

diez años, ya que no es realista que la sustitución de todos los motores eléctricos de un

país se sustituyan a la misma vez.

Los flujos de caja, Qn, es el ahorro económico conseguido mediante la sustitución de

los motores eléctricos por los de alto rendimiento, el cual irá aumentando a medida

que se vayan sustituyendo los motores.

88

Por último, usaremos una tasa de descuento, d, del 10% a lo largo de la vida útil de los

motores, la cuales se muestran en la Tabla 21 [Vida media en función de la potencia

nominal]. Los valores para el cálculo del valor actualizado neto y la tasa interna de

retorno se muestran en la Tabla 44 [Inversión y flujos de caja]

Tabla 44. inversión y flujos de caja.

Año Inversión Ahorro Qn

Inicial 140,47 -140,47

1 140,47 28,81 -111,66

2 140,47 57,61 -82,85

3 140,47 86,42 -54,05

4 140,47 122,83 -17,63

5 140,47 151,64 11,17

6 140,47 180,44 39,98

7 125,84 208,07 82,23

8 125,84 233,39 107,55

9 33,90 255,94 222,04

10 50,99 263,55 212,57

11 70,61 271,16 200,55

12 70,61 278,77 208,16

13 70,61 289,27 218,67

14 36,70 289,27 252,57

15 98,56 289,27 190,71

16 98,56 289,27 190,71

17 83,94 289,27 205,34

18 83,94 289,27 205,34

19 81,48 289,27 207,79

20 61,86 289,27 227,41

Una vez realizados los cálculos [27] para nuestro caso de estudio, obtenemos un valor

de 433.86 M€ para el valor actualizado neto, valor positivo y una tasa interna de

retorno del 18.3%, superior a la tasa de descuento habitual, unido al tiempo de

retorno el cual calculamos anteriormente, podemos concluir que la sustitución de los

motores menos eficientes por los de clase IE4 es un proyecto con una rentable.

89

5 CONCLUSIONES

1. El consumo de energía mundial sigue creciendo en los últimos años y la energía eléctrica lo hace de igual forma. La mayor parte del consumo de esta última proviene de los motores eléctricos por lo que resulta interesante realizar un estudio sobre el ahorro que podemos llegar a conseguir sustituyendo estos por otros de mejor eficiencia.

2. Los motores eléctricos disponen de una gran variedad de modelos, así como un amplio rango de potencias, por lo que es conociendo las características de estos podremos elegir el que mejor se adapte a la función para el cual va a ser utilizado.

3. En la actualidad la legislación exige un nivel mínimo de eficiencia el cual va aumentando periódicamente. Esto unido al paquete de medidas sobre clima y energía hasta 2020, establecida por la Unión Europea en 2007 en la cual aparece un ahorro del 20% en el consumo de energía y una reducción del 20% en las emisiones hacen de la sustitución de los accionamientos eléctricos una opción más que interesante.

4. Estas medidas unidas al fomento de las renovables, y a la electrificación del sistema hacen que los motores de alto rendimiento adquieran aun mayor valor, además estas a parte del ahorro energético, económico y de emisiones, fomenta la generación de empleo, directo y en flexibilidad del sistema.

5. Por último, teniendo en cuenta que el tiempo de retorno es muy pequeño en

comparación con la vida útil del motor eléctrico y que los valores del valor

actualizado neto y la tasa interna de retorno son altos, añadido a las políticas

tomadas por la Unión Europea para los próximos años, hacen que la sustitución por

motores de alta eficiencia sea una opción más que interesante.

90

6 REFERENCIAS

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https://population.un.org/wpp/DataQuery/

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91

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[20] Anibal de Almeida, Hugh Falkner, João Fong, Keeran Judoyal, EuP Lot 30: Electric motors and drives, 2010. https://netzwerke.bam.de/Netzwerke/Content/DE/Downloads/Evpg/Industrie/030_studyf_14-07.pdf?__blob=publicationFile [21] Comisión Europea, Commision regulation (EU) …/... laying down ecodesign requirements for electric motors and variable speed drives pursuant to Directive 2009/125/EC of the European Parliament and of the Council and repealing Commission Regulation (EC) No 640/2009, 2019. [22] IEC/TS 60034-31:2010, Rotating electrical machines - Part 31: Selection of energy-efficient motors including variable speed applications - Application guide. [23] Red Eléctrica Española, base de datos, 2020. https://www.ree.es/es/datos/generacion/no-renovables-detalle-emisiones-CO2 [24] Eurostat, Estadísticas de los precios de la electricidad, 2019

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[27] Microsoft Corporation, herramienta de cálculo Microsoft Excel.

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