Los motores eléctricos han sido comunes en las aplicaciones de fabricación desde, al menos, finales del siglo XIX. En comparación con los métodos anteriores, ofrecían numerosas ventajas, tales como un par instantáneo, una mayor controlabilidad y un menor mantenimiento. Si bien la tecnología de los motores ciertamente ha mejorado a lo largo de los años, aún quedan grandes avances por lograr. En este artículo de Analog Devices, se explora cómo el proceso de hacer que los motores eléctricos sean 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 2050. Para cumplir este objetivo de 1,5 °C en 2050, se requiere una reducción de aproximadamente el 70 % en las emisiones de CO2 con respecto a los niveles de 2018. La trayectoria actual del calentamiento global tiene el potencial de causar importantes trastornos económicos, sociales y ambientales. El mundo ya se ha calentado 1,1 °C ,y los expertos dicen que es probable que supere los 1,5 °C en la década de 2030.
La Figura 1 describe un camino hacia el objetivo de 1,5 °C, mediante la reducción de las emisiones de CO2 a menos de 10 Gt de CO2, como se cubre en 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 a partir de políticas gubernamentales anunciadas públicamente. El segundo es el escenario de desarrollo sostenible, que analiza 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 son las ganancias en eficiencia energética, que representan un 37 % de las reducciones del escenario de desarrollo sostenible en comparación con el escenario de políticas declaradas. En vista de que el 25 % de las emisiones de CO2 provinieron de la industria en 2022 [2], acelerar las inversiones en eficiencia energética industrial será una parte importante del camino hacia lograr cero emisiones netas en 2050.
Figura 1: Camino hacia la reducción de las emisiones de CO2
Por qué son importantes los motores industriales
El suministro mundial de electricidad en 2022 fue de 28.642 teravatios-hora, lo que contribuyó con 13,2 Gt de emisiones de carbono. Se estima que la industria consume el 30 % de la electricidad mundial y, dentro de la industria, los motores eléctricos representan aproximadamente el 70 % del consumo de electricidad. Claramente, la eficiencia de estos componentes es una contribución potencialmente crítica a los ahorros de eficiencia identificados en la Figura 1. Las soluciones de movimiento más básicas y de menor eficiencia se basan en motores trifásicos de CA conectados directamente a la red que utilizan interruptores para proporcionar control de encendido y 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 de velocidad significativos se implementan con engranajes.
Figura 2: El papel que desempeñan los motores industriales en el uso global de energía
La adición de un rectificador, un bus de CC y una etapa inversora trifásica, como se ilustra en la Figura 3(b), crea un inversor con frecuencia variable y una salida de tensión 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, ya que hace funcionar el motor a la velocidad óptima para la carga y la aplicación. Los ejemplos incluyen bombas y ventiladores de mayor eficiencia. Cuando se agrega al motor existente de una bomba, ventilador o compresor, un inversor puede reducir potencialmente el consumo de energía entre un 25 % y un 60 %, según el motor y la aplicación. Para aplicaciones de control de movimiento de mayor rendimiento, un VSD (Figura 3(c)) permite un control preciso del par de torsión, la velocidad y la posición.
Figura 3: (a) Motor de CA conectado a la red (b) Motor alimentado por inversor (c) Motor de velocidad variable
Se estima que solo 1 de cada 6 de todos los motores utilizados en la industria están accionados por inversores o conectados a un VSD. Al cambiar más activos de movimiento desplegados de motores conectados a la red a unos accionados 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 impulsados por motor implementados funcionaran con la máxima eficiencia, se reduciría la demanda mundial de electricidad en un 10 % y se eliminarían 2490 Mt de emisiones de CO2 en 2030.
Estándares de eficiencia del motor
Para acelerar el despliegue de sistemas impulsados por motores de mayor eficiencia, la Comisión Electrotécnica Internacional (IEC) ha contribuido a la definición de estándares de motores eléctricos energéticamente eficientes. Esto incluye el estándar de prueba IEC 60034-2-1 para motores eléctricos y el esquema de clasificación IEC 60034-30-1 compuesto por cuatro niveles de eficiencia del motor (IE1 a IE4), y el nivel IE5 se introducirá en el futuro. Los estándares de nivel superior se pueden lograr mediante un diseño de motor más eficiente o mediante la adición de un inversor o VSD al diseño de un motor estándar. A medida que las clases de eficiencia se vuelven más estrictas, alcanzarlas únicamente mediante un mejor diseño del motor se vuelve cada vez más desafiante y costoso. Además de los beneficios adicionales que proporciona el control de velocidad variable en la aplicación, el argumento a favor de la conexión VSD a la mayoría de los motores industriales se está volviendo más convincente.