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La instalación eléctrica en la sostenibilidad de la construcción

Incrementar el diámetro del conductor implica la disminución en pérdidas de energía, lo que acerca más la construcción al concepto de Edificio Ecológico. La clave está en buscar un equiibrio entre la ganancia económica por la reducción de las pérdidas y el incremento en el costo de la instalación.

1. Los combustibles fósiles que utilizan las centrales eléctricas del tipo termoeléctrico para generar energía son carbón, petróleo y gas natural.

2. Cuando la energía eléctrica se genera al quemar combustibles fósiles.

Por Enrique Balan R.

instalacion_electricaLa función de un conductor eléctrico es conducir corriente eléctrica desde la fuente o punto de acometida, hasta el punto de utilización; la eficiencia en la transferencia de energía depende de su oposición al flujo eléctrico. Debido a su resistencia eléctrica, el conductor disipa, en forma de calor, parte de la energía transportada. Si se incrementa el diámetro del conductor, disminuyen las pérdidas de energía, lo cual, aunque implica un incremento en el precio inicial de la instalación, se compensa al final. Los conductores se calculan para tener cierta caída de tensión, que equivale a la pérdida de energía aproximada a ese valor, lo cual es un costo operativo durante la vida útil del conductor.

Teóricamente, es posible disminuir las pérdidas a valores insignificantes aumentando la sección del conductor; sin embargo, esto aumenta el costo del cableado y sus accesorios a valores que no son rentables. Se puede buscar un equilibrio entre la ganancia económica en la reducción de las pérdidas y el incremento en el costo de la instalación, o se puede reducir la pérdida en el cableado a un valor especificado previamente; por ejemplo, menor a uno por ciento.

La instalación eléctrica debe ser reemplazada  parcial o totalmente
Tiene un tiempo de vida, ya sea por su aplicación o porque se desgasta y llega a su fin.La instalación eléctrica genera gastos operativos 
Durante el tiempo de vida de la instalación, se generan, principalmente, gastos por el costo de mantenimiento y por las pérdidas en el transporte de la energía eléctrica. En términos financieros, resulta en el incremento del monto de facturación de consumo eléctrico. Se puede disminuir la magnitud del costo operativo incrementando el diámetro del conductor, ya que se reduce su resistencia con la misma longitud y material del conductor, manteniendo constante la corriente y su tiempo de circulación (operación de la carga).

El costo de la instalación
La instalación eléctrica y el precio que representa no están en discusión. Es decir, si un inmueble requiere energía eléctrica para su operación, no se evalúa si la instalación se construye o no: se asume que es necesario y se ejecuta la obra.

Es común que el monto económico erogado en la instalación, materiales y mano de obra se considere como un gasto ineludible, no como una inversión; sin embargo, en una unidad productiva, la instalación debe ser atendida y reemplazada, considerando que en su operación diaria genera desechos en forma indirecta.

En general, en el dimensionamiento de los conductores para la instalación eléctrica se privilegia un argumento: “El costo inicial mínimo”, el cual conlleva altas pérdidas de energía durante toda su vida útil, pudiendo alcanzar hasta cinco por ciento. Además, acarrea, en forma indirecta, emisiones de CO2 (gas de efecto invernadero) a la atmósfera, derivadas de la quema de combustibles fósiles para generar energía que se desperdicia.

La práctica anterior, que hoy en día es generalizada, va en contra del concepto básico de Edificio verde o Ecológico (Green Building) que sostiene:

  • Inmueble que satisface las necesidades actuales sin poner en peligro a las generaciones futuras
  • Inmueble cuyo impacto en el medioambiente es mínimo, en la construcción y en la operación

Emitir a la atmósfera gases de efecto invernadero, derivados de la quema de combustibles fósiles para la generación de energía eléctrica, propiciado por desperdicio en la transferencia de energía en los conductores, pudiéndose disminuir, no es ecológico y es una variable que deberá ser tomada en cuenta al denominar o calificar a un inmueble como Edificio Ecológico.

Eficiencia en la transferencia de energía
Es común encontrar pérdidas en los procesos productivos. La circulación de corriente por los conductores eléctricos genera pérdida en ellos, la cual es necesario cuantificar para tomar medidas correctivas o determinar el costo económico que representa en su operación. La pérdida de energía en un conductor se calcula a partir de su resistencia eléctrica, de la corriente que circula por él y del tiempo de circulación.

La resistencia (R) del conductor está determinada por su material (r), la longitud (L) y su sección transversal (S).

Donde:
R          resistencia eléctrica [W/m] r           resistividad volumétrica de material [Wmm2/km] L          longuitud [m] S          sección transversal [mm2]

De la expresión anterior, se observa que cuanto mayor sea la longitud del conductor, mayor será su resistencia, y mientras mayor sea su sección transversal, para la misma longitud, menor será su oposición al flujo de corriente eléctrica. Es recomendable disminuir la oposición que presenta el conductor al flujo de la corriente, vía el incremento de su diámetro para la corriente que transporta.

Para el cálculo de la pérdida de energía en el conductor, se puede utilizar la siguiente expresión:

Donde:
xC        energía perdida (disipada) en el conductor [W/h] R          resistencia eléctrica del conductor [?] I           corriente por el conductor [A] t           tiempo de circulación de la corriente [h]

Como ejemplo, consideremos un circuito alimentador en 220V, 60 Hz, trifásico, con conductores de cobre instalados al aire, temperatura máxima de operación 60 °C. El circuito tiene 100 metros de longitud, la temperatura ambiente promedio es de 30 °C, la potencia consumida por la carga es de 50 kW. Se calculará la eficiencia en el conductor para diferentes calibres y se encontrará la magnitud de la emisión de CO2 a la atmósfera.

Opción de conductor Sección Caída de tensión Eficiencia Incremento de precio en el conductor Valor presente neto[1] Recuperación de la inversión
mm2 (AWG/kcm) % % miles de $ miles de $ años
1 26.7 (3) 4.2 96 referente referente referente
2 33.6 (2) 3.3 96.8 14 17 10.4
3 42.4 (1) 2.6 97.5 21 34 8.7
4 53.48 (1/0) 2.1 98 28 47 8.3
5 67.43 (2/0) 1.7 98.4 34 55 8.6
6 85.01 (3/0) 1.3 98.7 37 64 8.2
7 107.2 (4/0) 1 99 53 58 11.2
8 126.7 (250) 0.9 99.1 68 48 14.3
9 152.0 (300) 0.8 99.3 78 44 18
10 177.3 (350) 0.7 99.4 91 34 19
Tabla 1. La selección del conductor en su opción seis es, económicamente, la más rentable. [1] El Valor Presente Neto es un método para evaluar económicamente proyectos de inversión

La respuesta en caída de tensión y eficiencia del conductor, con diferentes calibres de conductor para este circuito, se observa en la tabla 1. Incrementar el calibre del conductor significa incrementar el precio inicial de la instalación; sin embargo, esta acción logra disminuir el costo de las pérdidas operativas. La opción tres del conductor es una selección “estándar” para este alimentador, caída de tensión cercana a tres por ciento, mientras que la opción seis presenta la mejor opción económica por su valor presente neto, que es el mayor (64 mil unidades monetarias); el tiempo de recuperación de la inversión es menor que en la opción tres. En la gráfica 1, se observa el comportamiento de la utilidad económica para las diferentes opciones de conductor. El máximo valor se alcanza en la opción seis: no sólo se paga el incremento en el precio de los conductores, se tiene una ganancia económica adicional. Si se continúa aumentando el calibre del conductor, habrá pérdida económica, aunque se incremente la eficiencia operativa. Al cambio en la pendiente de la curva, opción seis de la gráfica 1, se le conoce como “Conductor óptimo”; responde a condiciones económicas, no técnicas.

Gráfica 1. Se observa la opción seis del conductor como el máximo beneficio económico en la vida útil de la instalación

Otro aspecto notable a tomar en cuenta al incrementar el diámetro del conductor es la disminución de CO2 emitido a la atmósfera, derivado de la disminución de las pérdidas de energía en el conductor y la disminución de los combustibles fósiles que se queman en centrales termoeléctricas, pues es menor el desperdicio de energía y, por lo tanto, menor la necesidad de generación eléctrica.

Para el ejemplo anterior, se considera que el circuito permanece en operación durante 3 mil 600 horas anuales. El precio del kilowatt/hora en el nivel de la tensión pertinente es de $1; el tiempo de vida esperada de la instalación es de 30 años; la tasa de capitalización es de tres por ciento anual.

Con los datos anteriores y siguiendo con el mismo ejemplo, se determina la disminución en la emisión de CO2 a la atmósfera, pasando de 33.9 toneladas a 16.9 toneladas, que significa una reducción de emisiones de 50 por ciento durante la vida útil de la instalación.

Opción de conductor Sección Pérdida anual de energía

Consumo de petróleo por pérdidas

CO2 emitido por perdidas
mm2 (AWG/kcm) kW/h BEP Toneladas
1 26.7 (3) 7570 143.2 53.5
2 33.62 (2) 6002 113.5 42.4
3 42.4 (1) 4781 90.4 33.8
4 53.48 (1/0) 3781 71.5 26.7
5 67.43 (2/0) 3005 56.8 21.2
6 85.01 (3/0) 2391 45.2 16.9
7 107.2 (4/0) 1905 36.0 13.5
8 126.7 (250) 1627 30.8 11.5
9 152.0 (300) 1355 25.6 9.6
10 177.3 (350) 1196 22.6 8.5
Tabla 2. Disminución de CO2 emitido a la atmósfera al seleccionar

La tabla 2 muestra la pérdida anual de energía en conductores con diferentes calibres para la misma corriente y tiempo de operación. Esas pérdidas dan lugar a la emisión de CO2 derivado de la quema de combustibles fósiles para generar energía que se desperdicia.

Una acción de sostenibilidad de la instalación por construir podría ser elegir la opción número 10 del ejemplo. En este caso, la emisión de CO2 sólo sería de 25 por ciento si se compara con la opción tres, que representa caída de tensión aproximada a tres por ciento, selección cotidiana actualmente. De acuerdo con los resultados obtenidos, el incremento en el precio del conductor se pagará en 19 años, por debajo de los 30 años de su vida esperada.

Gráfica 2. Reducción de emisión a la atmósfera de CO2 al incrementar el calibre del conductor

Los conductores de diámetro mayor, comparados con un cálculo tradicional basado en el costo mínimo y en una caída de tensión que sólo refleja pérdidas, tiene ventajas técnicas, económicas y ambientales que se reflejan en la sustentabilidad de la instalación.

Ventajas
Técnicas
Mayor eficiencia en la transferencia de energía
Menor variación de tensión en la carga
Menor calentamiento en los conductores

Económicas
Retorno de inversión en corto tiempo
Disminución de costos operativos
Valor presente neto superior al incremento en el monto inicial de la instalación

Ambientales
Disminución en la emisión al ambiente de CO2
Disminución en la quema de combustibles fósiles cuando la generación de energía eléctrica es por este medio
Cumplimiento de políticas tendientes a disminuir el calentamiento global por la actividad humana
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Referencias
NOM-001-SEDE-2005, Instalaciones eléctricas, utilización

IEC-60287-3-2: Cálculo del conductor económico

Estimation of CO2 Emissions Reduction Resulting From Conductor Size Increase for Electric Wires and Cables, Kazuhiko Masuo, Nobukazu Kume, Takehisa Hara; IEEE Japan, 2007.

Consumo de energía y emisiones de gases de efecto invernadero de la minería del cobre de Chile, Comisión Chilena del Cobre, 2008.

International Energy Agency Data Services, 2006.

Dimensionamento económico e ambiental de Condutores Elétricos, Brasil, Hilton Moreno, 2010

Eficiencia energética en el uso de la energía eléctrica, PROCOBRE, 2012
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Enrique Balan
Es consultor en la parte normativa de instalaciones eléctricas de ICA-Procobre México, labor que ha complementado como profesor en materias de electrónica y electricidad. Se ha desempeñado como Ingeniero de Diseño de Equipo Eléctrico Industrial y ha sido responsable de la planeación de suministro eléctrico para centros de cómputo y telecomunicaciones en diversas empresas de la iniciativa privada.

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