Establecimiento La Ponderosa S.A.Departamento El ZondaProvincia de San JuanRepública ArgentinaSeptiembre 2011

Utilización de electrobombas dealta eficiencia en el riego agrícola

Utilización de electrobombas dealta eficiencia en el riego agrícola

Antecedentes

El Gobierno de la Provincia de San Juan y laSecretaría de Energía de la Nación (SEN)firmaron en el año 2006 el “CONVENIOGENERAL DE COOPERACION PARA ELDESARROLLO DE ACCIONES DE EFICIENCIAENERGETICA (E.E.) Y DE USO DE RECURSOSENERGETICOS RENOVABLES”, que fueaprobado por la Ley provincial 7732.

En el marco de este Convenio, la Direcciónde Recursos Energéticos (DRE), dependientedel Ministerio de Infraestructura y Tecnología,firmó un Acta Específica para hacer un estudiosobre la E.E. en la extracción de aguasubterránea para Riego Agrícola. Comopatrocinante del estudio participó laInternational Copper Association (ICA),entidad que agrupa a los productoresmundiales de cobre y que apoya y auspiciaproyectos que propendan al uso intensivo deeste metal, siendo los proyectos de AhorroEnergético uno de los medios eficaces paraincrementar la utilización del mismo.

El Proyecto consistió en la realización de unestudio sobre las condiciones de eficienciadel parque de bombeo para riego agrícolainstalado en San Juan , para lo cual se trabajóprimero en la definición de las pautas generalesdel Proyecto con profesionales de la SEN, de

la DRE, del Departamento de Hidráulica dela Provincia (DH) y de ICA.

Entre otros aspectos se definió el tamaño dela muestra con la que se trabajaría, que fuede 60 instalaciones. También se determinó,en base a la profundidad relativa de losacuíferos en el momento de la campaña demedición, que se trabajaría en losDepartamentos de Rawson, Pocito y Zonda.Definido esto, se realizaron reuniones con lascámaras del sector agrícola y con productoresindependientes y fue de este modo como seobtuvieron los voluntarios que participaríande la muestra.

Para la medición de la eficiencia de cada pozo,ICA contrató al Instituto Regional de Estudiossobre Energía (IRESE) dependiente de laFacultad Regional Mendoza de la UniversidadTecnológica Nacional. Las campañas demedición fueron realizadas por equipos detrabajo conformados con personal del IRESE,de la DRE, de la DH y en algunas comisionestambién participó personal de la SEN y deICA.

Se eligió como referencia la Norma NOM-006-ENER-1995, de origen mexicano, queestablece el procedimiento para medir laeficiencia de equipos de extracción de aguade pozos profundos. No obstante, para la

determinación de las eficiencias de referenciatambién se tomó en cuenta la NOM-010-ENER-2004 que en este tema es máselaborada.

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La Empresa:Establecimiento La Ponderosa S.A.

Se encuentra ubicada en calle Matías Sánchezs/n antes de San Martín, Departamento Zonda,Provincia de San Juan, República Argentina.

Se dedica al cultivo de la vid, con una superficiebajo riego de 50 hectáreas. La cantidad depozos de riego en operación es de dos.

El volumen de producción de la empresa esde 1.000.000 de kilogramos / año.

Características de la operación de riego: eltotal de equipos de riego en la finca es 2; laduración del riego por día es de 16 horas, 250días al año aproximadamente.

Las horas anuales de marcha de las doselectrobombas son 4.000, con un consumoanual de energía eléctrica en el año 2010 -para ambas-, de 316.903 kWh.

En dicho año, el gasto en energía de la empresafue de $ 57.509 (US$ 13.700).

La empresa había participado en la campañade mediciones de consumo energético querealizara en 2010, por encargo deICA/PROCOBRE, el Instituto Regional deEstudios sobre Energía (IRESE), pertenecientea la Facultad Regional Mendoza de laUniversidad Tecnológica Nacional.

En base a este estudio y a la evaluación dediferentes características (tamaño relativo dela empresa, potencial visibilidad de un proyectodemostrativo, interés de los propietarios,estado general de las instalaciones, etc, etc)La Ponderosa S.A. resultó seleccionada parael desarrollo de la experiencia demostrativade instalación de una electrobomba de altaeficiencia en reemplazo de la existente enuno de los 2 pozos de riego de la finca.

La empresa Energía San Juan S.A. (ESJ) es laproveedora del servicio de distribución de

energía eléctrica al establecimiento(www.energiasanjuan.com.ar), con el encuadretarifario Tarifa TRA-RSD (riego agrícola).

A continuación se presentan las ventajasenergéticas y económicas que ha obtenido elestablecimiento La Ponderosa S.A. alimplementar la sustitución de unaelectrobomba de eficiencia estándar por unade alta eficiencia, siendo un ejemplo a seguirpor otras instalaciones donde la extracciónde agua subterránea sea significativa (riegoy/o provisión de agua potable o agua parauso industrial).

Desarrollo de la experiencia

Una vez concluida la fase preliminar(mediciones hechas en 2010 en pozos elegidos),se seleccionaron tres instalaciones promedio(en potencia, rendimiento y consumo) y sevisitaron para verificar nuevamente losresultados de las mediciones realizadas, y deellas se eligió una para realizar una pruebapiloto de un cambio de equipo completo.

Este conjunto de mediciones fue realizado porpersonal altamente calificado pertenecienteal Instituto de Energía Eléctrica de laFacultad de Ingeniería de la UniversidadNacional de San Juan.

Para la realización de esta sustitución se contócon el apoyo técnico y material de GrundfosArgentina S.A. y su representante en Mendozay San Juan, Bottino Hnos.

El equipo donado es un motor de altaeficiencia, de 22 kW de potencia, con altocontenido de cobre y con estructura de aceroinoxidable y un cuerpo de bomba del mismomaterial. El conjunto tiene una capacidadpara extraer 100 m3/hora desde unaprofundidad de 25 metros y una presión en

la salida de 3,5 kg/cm2. Además, Grundfos-Bottino aportó el tablero de protección,comando y medición completo y la mano deobra especializada para la puesta en marcha.

El propietario de la finca La Ponderosa S.A.donde se realizó la experiencia de lasustitución, aportó los costos asociados alcambio de la bomba estándar por la eficiente.

Finalmente, la eficaz tarea de coordinaciónde la Dirección de Recursos Energéticos delGobierno de la Provincia de San Juan posibilitóel éxito final de la experiencia piloto.

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Ahorros obtenidos por sustitución de electrobombaestándar por una de alta eficiencia

Una vez realizado el cambio de electrobomba el 15/9/11, se constató que para unas prestacioneshidráulicas levemente superiores (+ 3 %), el nuevo equipo demandó una potencia 30% inferior.

Como conclusión, podemos afirmar que en este caso la instalación de un equipo de Alta Eficienciaen reemplazo del existente produjo una disminución del consumo de energía y demanda de potenciadel 30%.

Los siguientes son los datos de facturación de La Ponderosa S.A. para este suministro, durante elúltimo año, comparados con los que hubiera tenido si se hubiera instalado esta nueva bomba apartir de agosto de 2010 (a tarifa constante).

Los datos recopilados antes y después del cambio, son los siguientes:

Como puede observarse, si en los próximos 12 meses se mantiene el mismo ritmo de uso del pozo,es decir igual cantidad de horas de uso e igual cantidad de agua extraída, el valor final abonadoa la Distribuidora habrá disminuido en $ 8.200 (US$ 2.000 aproximadamente). Esto da un periodode repago simple de la inversión de alrededor de 5 años.

No obstante, es de destacar que determinadas tarifas de energía en la República Argentina gozantemporariamente de un subsidio nacional. En el caso de no considerar este subsidio el cuadroanterior quedaría con los siguientes valores:

Pot. Ópt.(kw)

Pozo1

NºFecha deensayo

Potenciaactiva (kw)

Carga total debombeo (m)

Q(m3/h)

Dif.(%)

22

22

28/05/2010

15/09/2011

34,8

24,4

60

60

100

103

67,0

67,0

46,9

69,1

-20

+2

24

1. Ver Tabla anexa

$ 3.361$ 2.841$ 4.005$ 4.351$ 2.960$ 1.108$ 1.305$ 1.499$ 1.017$ 763$ 734$ 831$ 24.774

Consumo (kWh) Electrobomba 37 kW Electrobomba 24 kWFecha

Sep-10Oct-10Nov-10Dic-10Ene-11Feb-11Mar-11Abr-11May-11Jun-11Jul-11Ago-11Total

1708012980193842119212484

1812298841481688288

0203

94.247

$ 2.401$ 1.947$ 2.731$ 2.966$ 2.009$ 739$ 875$ 1.009$ 416$ 515$ 483$ 521$ 16.611

5

Bajo estas condiciones, el ahorro anual por la sustitución de esta electrobomba sería de US$ 3.400,en cuyo caso el repago se obtendría en un plazo menor a tres años.

Debe tenerse en cuenta que la instalación elegida para el cambio tenía un rendimiento del 47%y se encontraba en el puesto 31, entre las 45 ranqueadas del total de 60 pozos medidos en 20102.Esto quiere decir que de haberse realizado la prueba piloto de sustitución en una instalación conmenor rendimiento y con un uso similar de horas mensuales, el resultado económico hubiera sidomás significativo aún.

Analizaremos ahora el periodo de repago para otra instalación medida.

En el pozo identificado como Nº de orden 21 en la Tabla de mediciones de la pág. 11, de haberrealizado la sustitución, se habría conseguido un ahorro de al menos 238 MWh al año y unadisminución de la potencia instalada de 27 kW (al pasar de una bomba en funcionamiento de 90,2kW a una de 63 kW). Con estos valores se obtendría un ahorro en lo pagado a la Distribuidoraeléctrica, de aproximadamente US$ 8.300 anuales.

Dado que el costo de sustitución para este caso hubiera sido de aproximadamente US$ 18.000,el periodo de repago alcanzaría poco más de dos años (dos años y dos meses).

En el caso que no se considere el subsidio nacional a la energía, el ahorro anual ascendería a US$20.500 y el periodo de repago descendería a menos de once meses.

Como se puede apreciar, el periodo de repago es muy sensible a la intensidad de uso de la bomba.Mientras mayor cantidad de horas mensuales promedio se usa, menor será el plazo de repago dela inversión.

$ 6.762$ 5.355$ 7.837$ 8.544$ 5.381$ 1.427$ 1.845$ 2.262$ 1.901$ 832$ 734$ 879$ 43.760

Consumo (kWh) Tarifa sin subsidio 37 kW Tarifa sin subsidio 24 kWFecha

Sep-10Oct-10Nov-10Dic-10Ene-11Feb-11Mar-11Abr-11May-11Jun-11Jul-11Ago-11Total

1708012980193842119212484

1812298841481688288

0203

94.247

$ 4.831$ 3.670$ 5.343$ 5.824$ 3.653$ 952$ 1.237$ 1.522$ 778$ 561$ 483$ 551$ 29.406

2. Ver Tabla anexa

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Características Técnicas

Sustitución de electrobomba estándarpor una de alta eficiencia

• SP 95-5

• Velocidad para datos de bomba: 2900 rpm• Caudal real calculado: 91.2 m3/h• Altura resultante de la bomba: 61.7 m• Tolerancia de curva: ISO 9906 Annex A• Etapas: 5• Válvula: bomba con válvula de retención integrada

• Bomba, impulsor y motor: acero inoxidable para mayor durabilidad y cobre para una mayor eficiencia. DIN W.-Nº 1.4301• AISI 304

• Tipo de brida: GRUNDFOS• Descarga: 5"• Diámetro del motor: 6 pulgadas

• Temperatura líquido máx. a 0.15 m/seg: 30 °C• Temperatura líquido: 20 °C• Densidad: 998.2 kg/m3

• Tipo de motor: MS6 - Aplic. motor: NEMA• Potencia nominal - P2: 22.0 kW• Frecuencia de alimentación: 50 Hz• Tensión nominal: 3 x 380-400-415 V• Tipo de arranque: directo• Corriente nominal: 49.5-48.5-49.5 A• Factor de potencia: 0.85-0.82-0.79• Velocidad nominal: 2840-2860-2870 rpm• Grado de protección (IEC 34-5): 68• Clase de aislamiento (IEC 85): F• Protección del motor: Ninguno• Protección térmica: exterior

• Peso neto: 102 kg• Peso bruto: 123 kg• Volumen: 0.15 m3

La electrobomba de alta eficiencia instalada en el Establecimiento La Ponderosa SA es de marcaGrundfos, modelo SP 95-5-AB, cuyas características técnicas se informan a continuación:

Descripción

Producto

Descripción técnica

Materiales

Instalación

Líquido

Datos eléctricos

Otros

(Fuente: CAPS Grundfos) - SP 95 CA

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Razones que hacen que laselectrobombas sean de alta eficiencia

Las bombas Grundfos SP consumen menosenergía que otras de similar servicio en elmercado; al ser de acero inoxidable por dentroy por fuera (AISI 304) tienen mayor vida útily permiten un trabajo continuo en condicionesde alta exigencia sin perder rendimiento. Sumayor eficiencia hidráulica está relacionadaa esta característica (acero inoxidable pulido).

Tienen válvula de retención incorporada;mejora el pasaje de arena ya que las caras delos cojinetes son octogonales y dejan espaciolibre contra el eje.La garantía de funcionamiento es de dos años.

En cuanto a la mejora en la eficiencia eléctricarespecto a modelos de eficiencia estándar, elnuevo motor Grundfos logró reducir la pérdidamagnética gracias a la mayor cantidad usadade cobre, a la mejor calidad de silicio en elrotor y el estator.

Es importante destacar, que el conjunto(electrobomba, tablero de comando, accesoriosy cables de cobre) es el que finalmente logróaumentar significativamente la eficiencia enla experiencia realizada en la finca LaPonderosa S.A.

El tablero de comando instalado junto a laelectrobomba eficiente de Grundfos utilizamás cobre, dado que para el diseño de loscables de entrada y salida al tablero se utilizóun criterio de intensidad de corriente igual a1 - 1,5 Ampere/mm2.

Otra mejora del sistema es proporcionada porel uso de una mayor sección de los cables depotencia, disminuyendo la pérdida de cargadesde un margen del 2 al 4% a un margendel 1 al 3 %.

Como conclusión, considerando que en loscostos de los sistemas de bombeo a lo largode su vida útil el costo inicial (capital) es delorden del 5 %, el de mantenimiento del 10%y el del consumo eléctrico 85 %, resulta clavela selección de una electrobomba de altaeficiencia dado que resulta en un menorconsumo para un mismo caudal erogado oigual consumo para mayor caudal erogado).

Beneficios del uso de motores de altaeficiencia

Una característica importante de los motoresen general es que el costo operacional sueleser superior a su costo de adquisición.Dependiendo del tiempo de funcionamientoy de la potencia de su rendimiento, un motorpuede costar en consumo de 25 a 150 vecessu valor de compra.

Es por eso que vale la pena apostar a unacorrecta gestión de los motores en uso encualquier instalación, sea agrícola o industrial,minimizando los gastos con un uso eficientey adecuado de la energía eléctrica.

En el mercado global, altamente competitivo,mantener costos de procesos reducidos puedesignificar una diferencia entre el éxito y elfracaso en la comercialización de muchosproductos. Los motores eficientes ayudan areducir los costos de los procesos deproducción.

La promoción de motores eficientes en laagroindustria ha aumentado la competitividaddel sector, ya que los sistemas electromotoresrepresentan un porcentaje significativo de suscostos. Típicamente, el tiempo de retorno dela inversión en motores eficientes varía de 6meses a 3 años, lo que justificaeconómicamente su utilización.

Más allá de la preservación ambiental y eldesarrollo sustentable, un motor de altorendimiento genera bajas pérdidas de energía,reduce notablemente la elevación de latemperatura y por lo tanto brinda una mayorvida útil en comparación con un motorconvencional, gracias a que poseen mayorcantidad de cobre.

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Inversión y Rentabilidad

La instalación de la electrobomba de Grundfossignificó una inversión aproximada a los US$9.700. Este valor incluye el costo de laelectrobomba, el tablero de comando yprotecciones, accesorios y cables y el costodel trabajo de extracción de la bombapreexistente e instalación de la nueva.

La situación de gasto anual energético de laempresa entre septiembre 2010 y agosto 2011era de $ 24.774 (US$ 5.898). De haberserealizado la sustitución en el total de dichoperiodo, el ahorro hubiera sido de US$ 2.000como se dijo en la página 5. En consecuencia,el ahorro anual de la sustitución en relaciónal monto total de la factura hubiera sido del34 % de ésta, aproximadamente. (US$ 2.000/5.898).

Monitoreo de Ahorros

En conjunto con la implementación de lasustitución de la electrobomba de eficienciaestándar la empresa La Ponderosa S.A.desarrollará un programa de seguimiento delos resultados en el mediano y largo plazocomo una manera de generar replicabilidaden el sector de riego.

La empresa pone a disposición sus instalacionespara contribuir a la sensibilización sobre estetema de mejora en el uso de la energía, la cualtiene importante incidencia en la Provincia deSan Juan ya que contribuye a disminuir costosy a reducir o eliminar el monto de los subsidiosotorgados al sector por parte de laAdministración provincial.

Los motores de alta eficiencia poseen otrosbeneficios adicionales, tales como:

• Trabajar a temperaturas menores y ser más resistentes a las variaciones de tensión que los motores convencionales.

• Tener un factor de potencia media superior al de los motores convencionales equivalentes.

• Ser más silenciosos que los motores convencionales.

Aunque los motores modernos tienenrendimientos relativamente altos gracias a laalta conductividad del cobre, se han creadonuevos diseños que permiten un mejoraprovechamiento energético.

Los motores eficientes fueron diseñados parareducir al mínimo las pérdidas constantes porcarga. Con estos diseños, se genera menoscalor residual y por ende, se requiere menosenergía para enfriar el motor. Esto permiteemplear un ventilador más pequeño,obteniendo un doble ahorro y una operaciónmucho más silenciosa.

La mayoría de los motores funcionan en formamuy eficiente durante casi todo el período deoperación cuando están bajo régimen de plenacarga. Los motores eficientes se diseñaronpara ahorrar energía logrando una mejoreficiencia en un rango comprendido entremedia y plena carga.

Para lograr el máximo ahorro energético y decostos, es primordial especificar motoreseficientes en la etapa inicial de todo proyecto.

Conclusiones

El proyecto piloto resultó exitoso y cumpliócon las expectativas de demostrar laconveniencia técnico-económica de procedera la sustitución de una electrobomba de bajaeficiencia existente por una nueva de altaeficiencia.

Basado en esta experiencia, se hace evidenteque un programa exhaustivo de ahorro deenergía a nivel provincial y/o regional,enfocado en la sustitución de electrobombasobsoletas representa una alternativa replicabley rentable para hacer más eficiente el uso dela electricidad en los usuarios de aguasubterránea, a fin de mejorar su competitividady hacer un uso más eficiente de los recursostécnicos y económicos de las empresasproductivas y de servicios que tengan a laextracción de agua subterránea para bombeo,una de sus necesidades operativas principales.

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Tabla de mediciones en pozos seleccionados dela Provincia de San Juan(Mediciones hechas por el IRESE de la Facultad Regional Mendoza de la Universidad TecnológicaNacional en 2010)

La Tabla está en orden creciente de rendimientos, columna 7; los menores rendimientos primero;esto hace que la columna de ahorro potencial de energía vaya en sentido inverso (peores rendimientosy mayor cantidad de horas de uso traerían aparejados mayores ahorro de energía al hacerse lasustitución de electrobombas).

El pozo No. 22 fue el seleccionado para la experiencia de sustitución del 15/9/11.

7,17,97,4

10,810,08,57,68,09,8

16,37,88,1

12,17,37,68,6

24,49,0

39,28,1

12,210,111,17,08,07,49,37,4

11,77,4

34,425,17,3

Nºorden

Pot. Act.(kW)

H. T.(m)

Q(m3/h)

Ø(mm)

Pot. Ópt.(kW)

Ahorro dePot. (kW)

Ahorro deEnergía (%)

ConsumoPromedio Anual

(MWh / año)

Ahorro anualestimado(MWh)

32291

133

609

333740314114531824

16465551345235598

4936107

225038

2,980,68,9

10,27,58,77,41,44,26,22,42,06,23,40,74,96,22,57,73,83,91,46,12,0

22,61,00,92,02,30,2

38,54,40,1

4,216,3

6,019,3

10,011,86,955,8327,711,15,39,4

12,930,77,5110,413,927,9 28,638,242,239,5

38,7318,713,3

4026,518,126,947,4

6046,228,6

8996,6

99,41997590

106,814739

168170101110

28,712210423245

193314439445894

29,85769

74,427,14

1009645

11111414011011616311318790

17018211510090

16911617311517011011592

11616214582

11517111592

140181111

14,421,021,923,324,125,126,629,130,031,131,331,831,832,832,934,236,137,838,340,141,541,641,942,242,444,044,245,846,447,247,548,048,4

53,358,557,058,557,758,557,756,254,762,457,858,561,653,160,858,564,756,166,253,156,854,756,154,858,553,157,754,858,453,167,061,453,3

3334444458446545

146

2369885667697

24207

4,14,94,46,86,04,53,64,04,88,33,84,16,12,33,63,6

10,43,0

16,22,13,22,13,12,02,01,42,31,42,70,4

10,45,10,3

5,1129,915,016,212,516,615,52,88,5

12,34,93,9

12,310,61,5

11,714,57,5

18,714,714,86,9

22,17,2

90,15,33,7

10,69,74,2

127,621,54,3

58626063605347504951495151324742433441252621282825192519236

30203

Tabla continúa en la página siguiente

10

identificados como de Riego Agrícola, con unapotencia contratada del orden de 18 a 22MW, variando mes a mes. Es de destacar queexisten otros suministros que consumenenergía para extracción de agua subterráneacon fines agrícolas e industriales pero no hansido considerados a estos efectos, por no estarencuadrados específicamente en esa tarifa.

Como puede observarse en la tabla anterior,los 45 pozos enumerados tienen una potenciatotal instalada de 703 kW. En caso de sustituirlos ineficientes, esta potencia podría disminuira 512 kW, es decir un ahorro en potenciainstalada de 191 kW. Similarmente, el totalanual de energía consumida por estas 45instalaciones asciende a 3.067 MWh/año.En caso de usar bombas y motores eficientes,la misma tarea podría realizarse consumiendo2.437 MWh/año, es decir un ahorro de 630MWh/año, lo que representa un 21 % del totalde la energía.

Posibilidades de expansión de laexperiencia al conjunto de pozos deriego en San Juan

Haciendo una extrapolación de los valores deahorro obtenidos en el grupo estudiado aluniverso de pozos de riego con tarifa de RiegoAgrícola (TRA) de la Empresa Energía San JuanS.A. en el periodo Septiembre/2010 -Agosto/2011 (inclusive) (un año), se hanregistrado 49 GWh consumidos por suministros

3. Esta suposición depende de numerosas variables, por loque debe ser verificada en cada circunstancia medianteun estudio de pre factibilidad, el cual podría ser realizadoa través del Acuerdo existente entre la Provincia de SanJuan y el Instituto de Energía Eléctrica de la UniversidadNacional de San Juan.

8,98,8

90,215,07,1

43,317,053,97,07,58,5

51,3703

Nºorden

Pot. Act.(kW)

H. T.(m)

Q(m3/h)

Ø(mm)

Pot. Ópt.(kW)

Ahorro dePot. (kW)

Ahorro deEnergía (%)

ConsumoPromedio Anual

(MWh / año)

Ahorro anualestimado(MWh)

56542139512152342484420

TOTAL

0,90,9

237,73,50,3

107,00,7

15,70,00,00,00,0

630

24,129,795,329,723,224,624,469,925,645,028,855,7

6654

17292

61,2355149170674282

277

117116173115

95,518118517017091

175226

48,549,549,549,554,754,958,360,066,668,275,481,9

56,256,167,059,956,267,162,467,056,256,157,767,9

88

63127

3516487

7,58,5

51,3512

0,90,8

27,23,00,18,31,05,90,00,00,00,0

190

8,39,5

788,817,326,0

556,312,4

142,56,9

19,728,2

788,83.067

119

30201

196

110000

Asumiendo que el parque instalado en SanJuan de equipos para extracción de aguasubterránea para riego tiene las característicaspromedio del grupo estudiado, podemossuponer3 que se puede ahorrar hasta un 27%en potencia instalada y hasta un 19% enenergía consumida (ver siguiente Tabla), loque generaría los siguientes valores:

20

15

1.290.000

Potencia (MW)

Sept-2010 a Ago-2011

Parque Renovado

Ahorro anual c/Subsidio Nac. ($)

Ahorro anual s/Subsidio Nac. ($)

Reducción de emisiones de CO2 (ton)

Energía (GWh)

49

39

1.448.000

3.720.000

5.500

Continuación Tabla

11