Artículos TécnicosHistórico de la revista

Conductores eléctricos y sustentabilidad en edificios

La emisión de energía a través de conductores eléctricos en mal estado genera pérdidas que necesitan cuantificarse para tomar medidas correctivas y determinar el costo económico que representa su operación.

Por  Enrique Balán Romero.

La función de un conductor eléctrico es dirigir corriente 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 y, aunque implica un incremento en el precio inicial de la instalación, se compensa con la disminución en la pérdida de energía.

Los conductores se calculan para tener cierta caída de tensión, que equivale a pérdida de energía aproximada a ese valor, el cual está presente durante la vida útil del conductor, lo que refleja un costo operativo.

En teoría, es posible disminuir las pérdidas a valores insignificantes al aumentar la sección del conductor, sin embargo, el costo del cableado y sus accesorios aumentan a valores que no son rentables. En ese caso, 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 con anterioridad, por ejemplo, menor a uno por ciento.

Instalaciones eléctricas en edificios
De acuerdo con el concepto de edificio verde o ecológico green building, los inmuebles deben satisfacer las necesidades actuales sin poner en peligro a las generaciones futuras, además de generar el mínimo impacto en el ambiente durante su construcción y a lo largo de su operación. Dentro de estas premisas están dimensionadas las instalaciones eléctricas y situaciones ambientales que de forma indirecta acarrean emisiones de CO2.

Emitir a la atmosfera gases de efecto invernadero, propiciado por desperdicio en la transferencia de energía en los conductores, cuando es posible disminuirlos, no es ecológico, y se trata de una variable que deberá tomarse en cuenta al denominar a un inmueble como green building.

Pérdidas en el conductor
En general, en el dimensionamiento de los conductores para la instalación eléctrica se privilegia el argumento del costo inicial mínimo, lo que conlleva a altas pérdidas de energía durante su vida útil, hasta del cinco por ciento.

La circulación de corriente por los conductores eléctricos genera pérdidas que necesitan cuantificarse 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. Para calcularlo se utiliza la siguiente expresión:

?c = I2 · R · t

Donde:
?c = Energía perdida (disipada) en el conductor (Wh)
R = Resistencia eléctrica del conductor (?)
I = Corriente por el conductor (A)
t = Tiempo de circulación de la corriente (h)

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

R =  ?L
……..S

Donde:
R = Resistencia eléctrica (W m)
? = Resistividad volumétrica del material (Wmm2/km)
L = Longitud (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 eléctrica por medio del incremento de su diámetro, para la misma corriente que transporta.

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

La respuesta en caída de tensión y eficiencia del conductor con diferentes calibres se observa en la tabla 1.

Tabla 1: La selección del conductor en su opción 6 es la más rentable en cuanto a costos
Opción de conductor Sección Caída de tensión Eficiencia Incremento de precio en el conductor Valor presente neto 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

Incrementar el calibre del conductor significa aumentar el precio inicial de la instalación, sin embargo, esta acción logra disminuir el costo de las pérdidas operativas.

La opción 3 del conductor es una selección estándar para este alimentador, con caída de tensión cercana a tres por ciento. Por otro lado, la opción 6 presenta la mejor opción económica por tener un valor presente neto mayor (el valor presente neto es un método para evaluar el costo de proyectos de inversión), donde el tiempo de recuperación de la inversión es menor que la opción 3.

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 6, no sólo se paga el incremento en el precio de los conductores, sino que tiene una ganancia económica adicional.

Se observa la opción 6 del conductor como el máximo beneficio económico en la vida útil de la instalación

Si se aumenta el calibre del conductor, habrá pérdida económica, aunque se incrementará la eficiencia operativa y el cambio en la pendiente de la curva. La opción 6 de la gráfica 1 se conoce como “conductor óptimo” y responde a condiciones económicas no técnicas.

Para el ejemplo anterior se considera que el circuito permanece en operación durante 3 mil 600 horas anuales, el precio del kW/hora en el nivel de la tensión pertinente es de un peso, el tiempo de vida esperada de la instalación es de 30 años y la tasa de capitalización es de tres por ciento anual. Ahora, bajo el mismo ejemplo, se determina la disminución en la emisión de CO2 a la atmósfera, que pasa de 33.9 a 16.9 toneladas, lo que significa una reducción de emisiones del 50 por ciento durante la vida útil de la instalación.

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 emisión de CO2, derivado de la quema de combustibles fósiles, para generar la energía que se desperdicia.

Tabla 2: CO2 emitido a la atmósfera utilizando conductores de diferente sección. Fuente: CFE, agosto 2011
Opción de conductor Sección Pérdida anual de energía Consumo de petróleo por pérdidas CO2  emitido por pérdidas
mm2 (AWG/kcm) kWh BEP Toneladas
1 26,7 (3) 7570 143 53,5
2 33,62 (2) 6002 114 42,4
3 42,4 (1) 4781 90 33,8
4 53,48 (1/0) 3781 72 26,7
5 67,43 (2/0) 3005 57 21,2
6 85,01 (3/0) 2391 45 16,9
7 107,2 (4/0) 1905 36 13,5
8 126,7 (250) 1627 31 11,5 1 kWh a  0,00178538 BEP
9 152,0 (300) 1355 26 9,6 1 BEP a  560,1 kWh
10 177,3 (350) 1196 23 8,5 1 kWh a  0,66741 kg de CO2

 

Reducción de emisiones de CO2 a la atmósfera al incrementar el calibre del conductor

Los conductores de diámetro mayor, comparado con un cálculo tradicional basado en el costo mínimo y en una caída de tensión que sólo refleja pérdidas, tienen 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

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

Ventajas ambientales
•   Disminución en la emisión de CO2 al ambiente
•   Disminución en la quema de combustibles fósiles
•   Cumplimiento de políticas que tienden a disminuir el calentamiento global por la actividad humana
——————————————————————————————————————————————————-

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, NobukazuKume, Takehisa Hara; IEEE Japón, 2007
•   Consumo de energía y emisiones de gases de efecto invernadero de la minería del cobre de Chile; Comisión Chilena del Cobre, Chile, 2008
•   International Energy Agency Data Services, 2006
•   Hilton Moreno, Dimensionamento económico e ambiental de Condutores Elétricos, Brasil, 2010
•   Eficiencia energética en el uso de la energía eléctrica, Procobre, 2012
——————————————————————————————————————————————————-

Enrique Balán Romero
Ingeniero en electrónica y comunicaciones del Instituto Politécnico Nacional (IPN). Actualmente es Gerente del área de ingeniería y Consultor Independiente en sistemas de puesta a tierra y calidad de la energía en Soluciones Integrales en Alta Tecnología (SIAT). También funge como miembro del Colegio de Ingenieros Mecánicos y Electricistas (CIME), y otras asociaciones del ramo académico.

Publicaciones relacionadas

Deja una respuesta

Tu dirección de correo electrónico no será publicada.

Mira también
Cerrar
Botón volver arriba