Salvando el planeta un motor a la vez
Los motores eléctricos han sido comunes en aplicaciones de fabricación desde al menos finales del siglo XIX. En comparación con los métodos anteriores, ofrecían numerosas ventajas, incluyendo torque instantáneo, mayor controlabilidad y menor mantenimiento. Aunque la tecnología de motores ha mejorado ciertamente a lo largo de los años, todavía quedan grandes avances por realizar. Este artículo de Analog Devices explora cómo el proceso de hacer los motores eléctricos más eficientes puede ayudar a reducir las emisiones que contribuyen al cambio climático.
El Acuerdo de París de 2015 estableció un plan para limitar el calentamiento global a 1.5°C para el año 2050. Alcanzar el objetivo de 1.5°C en 2050 requiere una reducción aproximada del 70% en las emisiones de CO2 respecto a los niveles de 2018. La trayectoria actual del calentamiento global tiene el potencial de causar importantes perturbaciones económicas, sociales y ambientales. El mundo ya se ha calentado en 1.1°C y los expertos dicen que es probable que se supere el límite de 1.5°C en la década de 2030.
La Figura 1 describe un camino hacia el objetivo de 1.5°C al reducir las emisiones de CO2 a menos de 10 Gt CO2, según lo presentado en el informe *World Energy Outlook 2019*. En ese informe, la Agencia Internacional de la Energía (AIE) analiza dos escenarios para la trayectoria de las emisiones globales. El primero es el Escenario de Políticas Declaradas, que estima las emisiones basándose en las políticas gubernamentales anunciadas públicamente. El segundo es el Escenario de Desarrollo Sostenible, que evalúa caminos adicionales para mitigar las emisiones. La mayor oportunidad para reducir las emisiones de CO2 como parte del Escenario de Desarrollo Sostenible de la AIE radica en los avances en eficiencia energética, representando el 37% de las reducciones del Escenario de Desarrollo Sostenible en comparación con el Escenario de Políticas Declaradas. Con el 25% de las emisiones de CO2 provenientes de la industria en 2022 [2], acelerar las inversiones en eficiencia energética industrial será una parte crucial del camino hacia las emisiones netas cero en 2050.
Figura 1: Ruta hacia la reducción de emisiones de CO2
Por qué los motores industriales son importantes
El suministro global de electricidad en 2022 fue de 28,642 teravatios-hora, contribuyendo con 13.2 Gt de emisiones de carbono. La industria consume aproximadamente el 30% de la electricidad global y, dentro de la industria, los motores eléctricos representan aproximadamente el 70% del consumo de electricidad. Evidentemente, la eficiencia de estos componentes es una contribución potencialmente crítica a los ahorros en eficiencia identificados en la Figura 1. Las soluciones de movimiento más básicas y de menor eficiencia se basan en motores de corriente alterna de 3 fases conectados directamente a la red eléctrica que utilizan equipos de conmutación para proporcionar control de encendido/apagado y protección básica. Estas soluciones de movimiento funcionan a una velocidad relativamente fija, independientemente de cualquier variación de carga. Los ajustes en las variables de salida (como el flujo de fluidos en bombas y ventiladores) se implementan con controles mecánicos como aceleradores, amortiguadores y válvulas, mientras que los cambios significativos de velocidad se implementan con engranajes.
Figura 2: El papel de los motores industriales en el consumo global de energía
La adición de un rectificador, un bus de corriente continua y una etapa de inversor de 3 fases, como se ilustra en la Figura 3(b), crea un inversor con frecuencia variable y una salida de voltaje variable que se aplica al motor para permitir el control de velocidad variable. Este motor accionado por inversor reduce significativamente el consumo de energía del sistema al hacer funcionar el motor a la velocidad óptima para la carga y la aplicación. Ejemplos incluyen bombas y ventiladores de mayor eficiencia. Al añadirse al motor existente de una bomba, ventilador o compresor, un inversor puede reducir potencialmente el consumo de energía entre un 25% y un 60%, dependiendo del motor y la aplicación. Para aplicaciones de control de movimiento de alto rendimiento, un VSD (Figura 3(c)) permite un control preciso de torque, velocidad y posición.
Figura 3: (a) Motor de CA conectado a la red (b) Motor alimentado por inversor (c) Accionamiento de motor de velocidad variable
Se estima que solo aproximadamente 1 de cada 6 motores desplegados en la industria están impulsados por inversores o conectados a un VSD. Al trasladar más activos de movimiento desplegados de motores conectados a la red a motores impulsados por inversores o VSD, es posible reducir significativamente el consumo de energía y las emisiones de CO. Estas reducciones en el consumo de energía permitirían una fabricación más sostenible con menores emisiones de CO2. Se ha estimado que si todos los sistemas accionados por motores desplegados operaran a máxima eficiencia, se reduciría la demanda mundial de electricidad en un 10% y se eliminarían 2490 Mt de emisiones de CO2 en 2030.
Normas de eficiencia de motores
Para acelerar el despliegue de sistemas impulsados por motores de mayor eficiencia, la Comisión Electrotécnica Internacional (IEC, por sus siglas en inglés) ha contribuido en la definición de estándares de eficiencia energética para motores eléctricos. Esto incluye el estándar de prueba IEC 60034-2-1 para motores eléctricos y el esquema de clasificación IEC 60034-30-1, que consta de cuatro niveles de eficiencia de motores (IE1 a IE4), con el nivel IE5 previsto para ser introducido en el futuro. Los estándares de nivel superior pueden alcanzarse ya sea mediante un diseño más eficiente del motor o mediante la incorporación de un inversor o VSD (variable speed drive, sistema de velocidad variable) al diseño estándar del motor. A medida que las clases de eficiencia se vuelven más estrictas, cumplir con ellas únicamente mediante mejoras en el diseño del motor está siendo cada vez más difícil y costoso. Junto con los beneficios adicionales que ofrece el control de velocidad variable en las aplicaciones, el argumento para añadir un VSD a la mayoría de los motores industriales está volviéndose más convincente.
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