Eficiencia Transformadores: Perfil Carga

El documento inicia planteando la posibilidad de lograr ahorros sustanciales mediante la mejora de la eficiencia energética en los transformadores de distribución. Se enfatiza que la implementación de regulaciones que establezcan niveles de eficiencia superiores, considerando el perfil de carga, las pérdidas asociadas y el costo inicial, resultaría en importantes beneficios. Se menciona que varios países han realizado cambios regulatorios exitosos en este sentido, mejorando la eficiencia de sus sistemas eléctricos. La investigación se centra en el mercado eléctrico mexicano, dirigida específicamente a asesores técnicos involucrados en el diseño y desarrollo de programas de ahorro de energía. Este enfoque en el mercado mexicano implica una comprensión profunda de las necesidades específicas del país y la legislación vigente, lo que permite ofrecer una propuesta de valor orientada a la realidad local. El objetivo primordial es identificar y cuantificar las oportunidades de mejora en la eficiencia energética de los transformadores de distribución en México, considerando la optimización del costo total del activo.

Se destaca la relevancia de la mejora de la eficiencia en los transformadores de distribución a nivel mundial. Si bien son máquinas eléctricamente eficientes, el hecho de que toda la energía generada pase por ellos hace que cualquier incremento en su eficiencia tenga un impacto significativo a nivel ambiental, energético y económico. Se cita un estudio que indica que las pérdidas eléctricas en la red a nivel mundial en 2011 fueron de 1788 TWh (8.5% de la producción total), equivalente a la generación de energía en Japón, Corea, Australia y Hong Kong juntos, o al 70% de la producción mundial de energía nuclear. Esto subraya la magnitud del problema y la importancia de las mejoras propuestas. La falta de prácticas estandarizadas en México para la selección óptima de transformadores, lo cual provoca que muchos operen muy por debajo de su capacidad, intensifica la necesidad de una investigación enfocada en la optimización de este aspecto, maximizando el uso de la capacidad instalada y reduciendo las pérdidas inherentes a su operación.

Se presenta una breve reseña histórica del desarrollo del transformador, desde los diseños iniciales de Gaulard y Gibbs, pasando por las mejoras de Bláthy, Déri y Zipernowski hasta las contribuciones de Westinghouse y Stanley. Se resalta la evolución en el diseño y la importancia de la disminución de las pérdidas de energía a través de la innovación en materiales y construcción. Se describen los principios básicos de funcionamiento del transformador, incluyendo la operación en vacío y bajo carga. Esta revisión histórica contextualiza la necesidad de mejoras en la eficiencia, mostrando cómo, a pesar de los avances, aún existen retos significativos en la fabricación de transformadores con pérdidas mínimas. La necesidad de mejorar la eficiencia se debe al aumento constante del consumo global de energía eléctrica, demandando así mejoras en la eficiencia de los transformadores, tanto para reducir el impacto ambiental como los costos de operación.

El documento examina las normas y regulaciones internacionales y mexicanas que buscan controlar y mejorar la eficiencia energética de los transformadores de distribución. Se hace hincapié en que un gran número de países cuenta con normas regulatorias que, con el tiempo, se vuelven más estrictas, limitando cada vez más las pérdidas máximas permitidas. Estas normas consideran diferentes factores, tales como el rango de potencia aparente, la tensión en los terminales del transformador y el índice de carga al que está conectado. La creciente preocupación por el impacto ambiental y el costo de la energía impulsa la implementación de estas regulaciones más estrictas, incentivando el desarrollo de transformadores más eficientes. La revisión de estas normas es fundamental para comprender el marco legal y técnico que rige la producción y operación de estos equipos, permitiendo una adecuada contextualización de la investigación. Se menciona explícitamente la importancia de la regulación mexicana (NOM) y la influencia de organizaciones internacionales como DOE (Department of Energy) e IEC (International Electrotechnical Commission) en la definición de estándares de eficiencia.

Se profundiza en la definición de pérdidas en transformadores de distribución, un concepto central para comprender la eficiencia de estos equipos. El documento destaca la importancia de estas pérdidas, tanto desde un punto de vista económico como ambiental. Las pérdidas energéticas representan un costo significativo para las empresas distribuidoras de energía, y su reducción contribuye a una mayor sostenibilidad. Se explica cómo las normas buscan minimizar estas pérdidas estableciendo límites máximos permitidos. Esta sección aclara los conceptos fundamentales relacionados con la eficiencia, estableciendo una base sólida para el análisis posterior. Se enfatiza que la comprensión del impacto de las pérdidas es crucial para la toma de decisiones informadas sobre el diseño y la operación de los transformadores, contribuyendo a la eficiencia energética general del sistema.

El diseño y la fabricación de transformadores de distribución se centran en la selección de materiales que optimizan la eficiencia energética. El núcleo, componente crucial, generalmente se fabrica con acero eléctrico, donde la adición de silicio incrementa la resistividad volumétrica, facilitando la conducción del flujo magnético y reduciendo las corrientes parásitas y las pérdidas de potencia. Se mencionan también otros elementos en la aleación como magnesio y aluminio que mejoran las propiedades metalúrgicas y limitan pérdidas de histéresis. Para reducir las corrientes indeseables generadas por las líneas de flujo, el núcleo se construye con láminas delgadas aisladas. Los devanados, la parte más vulnerable, se elaboran con conductores aislados (cobre o aluminio) y deben soportar esfuerzos dieléctricos, térmicos y mecánicos. La selección del material conductor y su disposición (alambre, lámina o soleras) depende de la corriente. La optimización de estos materiales es esencial para minimizar las pérdidas y mejorar la eficiencia del transformador.

El sistema de aislamiento eléctrico es fundamental para la vida útil del transformador, protegiendo los componentes de contactos eléctricos y manteniendo el flujo de corriente en las trayectorias deseadas. Se destaca la importancia de los materiales aislantes en la eficiencia del transformador. El aceite mineral, el líquido refrigerante más empleado, aunque eficiente, presenta problemas de inflamabilidad y toxicidad, lo que motiva la búsqueda de alternativas más seguras y ecológicas. Se presenta el aceite vegetal como una opción viable, destacando sus propiedades como fluido dieléctrico natural, biodegradable y no contaminante. El sistema de refrigeración, basado en la convección natural o en la utilización de otros líquidos refrigerantes dependiendo de la aplicación, es esencial para mantener la temperatura de operación dentro de los límites establecidos por las normas, lo cual es crítico para alargar la vida útil del equipo, generalmente de al menos 20 años, según las normas. La adecuada refrigeración también contribuye a evitar la degradación acelerada de los materiales aislantes que afecta el desempeño y la vida útil del transformador.

El documento utiliza el método del Costo Total de Propiedad (TOC) para evaluar la adquisición de transformadores de manera estratégica, considerando no solo el precio de compra inicial sino también los costos operativos a lo largo de la vida útil del equipo. El costo inicial se calcula considerando los costos de materiales, transporte, mano de obra y un margen de ganancia. Para el segmento de pérdidas, se asigna un valor de capitalización a las pérdidas en vacío y con carga, simulando el costo de operación durante su vida útil. Este costo se suma al costo inicial para obtener el TOC. El método TOC permite a los fabricantes adaptar el diseño a las necesidades específicas de cada empresa de energía y evaluar múltiples diseños para encontrar la solución óptima. Se utiliza también el análisis de costo del ciclo de vida (LCC) y el período de retorno de pago (PBP), utilizando datos de costos de materiales de periodos consecutivos. Para cada diseño, los resultados clave del análisis LCC son el ahorro medio de costo, el PBP medio, y la fracción de clientes que obtendrían un beneficio neto, un costo neto o ningún impacto en relación con un caso base. Se discuten escenarios de límite inferior y superior de eficiencia, analizando su impacto en la rentabilidad de los fabricantes.

Se presentan dos estudios de caso. El primero es un análisis técnico para evaluar el impacto de los valores mínimos de eficiencia para el mercado norteamericano, aplicando la metodología descrita. El segundo estudio muestra un análisis estadístico de una población de transformadores de distribución de dos compañías eléctricas para evaluar el impacto de los niveles de carga promedio y pico en la eficiencia de sus equipos. Este estudio de dos compañías eléctricas no nombradas provee datos empíricos que ayudan a comprender el comportamiento real de los transformadores bajo diferentes condiciones de carga. El análisis del impacto en el mercado norteamericano ofrece una perspectiva global de las tendencias en eficiencia y costos. La combinación de estos dos estudios proporciona una comprensión más completa del impacto de la eficiencia en diferentes contextos, demostrando la aplicabilidad y validez de la metodología propuesta. Los resultados muestran que un aumento en la eficiencia implica no solo aspectos técnicos de diseño, sino también impactos en costos, materiales, y dimensiones del equipo, requiriendo posibles cambios en la infraestructura.

El análisis examina el impacto del incremento de la eficiencia en las dimensiones y el peso de los transformadores. Se observa una diferencia de precios entre 3% y 5% en transformadores monofásicos y de 9% a 18% en transformadores trifásicos, considerando costos de materiales de 2014 y paridad de costos entre acero amorfo y acero al silicio. Los diseños fueron optimizados usando conductores de aluminio. Se advierte que las mejoras en eficiencia podrían llevar a aumentos de costos, dimensiones y peso que podrían volverse una preocupación para los usuarios si la tendencia continúa hacia zonas no lineales. Se concluye que la búsqueda de una mayor eficiencia implica una cuidadosa consideración de los aspectos técnicos, el costo, la competitividad, las dimensiones, y el peso, así como las posibles adaptaciones necesarias a la infraestructura del sistema de distribución. La limitada disponibilidad de materiales como el acero amorfo, fundamental para alcanzar altos niveles de eficiencia, es otro factor importante a considerar.

El documento analiza el crecimiento significativo del mercado del acero eléctrico, impulsado principalmente por la expansión de las redes de transmisión y distribución en países como China, Japón e India. Estas inversiones en infraestructura aumentan la demanda de transformadores, lo que a su vez incrementa la demanda de acero eléctrico. Si bien ha habido pocos anuncios de nuevas capacidades en Estados Unidos, China e India, se espera una mayor necesidad de acero eléctrico después de 2025. Nuevas fuentes de crecimiento emergentes incluyen la infraestructura para vehículos eléctricos y el crecimiento de la infraestructura de energía inteligente. Se proyecta que el mercado de acero eléctrico en la región de Asia-Pacífico experimentará el crecimiento compuesto anual más alto debido a su alta densidad poblacional y la alta demanda de electricidad. El avance tecnológico y la alta eficiencia del acero eléctrico contribuyen al crecimiento del mercado, ofreciendo inmensas oportunidades ante la creciente demanda del sector eléctrico. La demanda de acero eléctrico de grano orientado crecerá significativamente en el mercado existente de energía fuerte, mientras que las energías renovables (eólica y solar) respaldarán la demanda de nuevos transformadores.

Se analiza el uso de diferentes tipos de acero en la fabricación de transformadores, particularmente el acero amorfo y el acero al silicio. Para valores de eficiencia superiores a un nivel estándar, los diseños con núcleos de acero amorfo son más ventajosos. Sin embargo, los diseños con acero al silicio implican aumentos significativos de precios, volviéndolos menos atractivos para el mercado. Se espera que el uso de acero amorfo aumente, especialmente en transformadores trifásicos grandes, aunque su participación en el mercado eléctrico se mantiene minoritaria (alrededor del 5%). El estudio evalúa el impacto del incremento en la eficiencia en las dimensiones y peso de los transformadores, observando diferencias en precios entre transformadores monofásicos y trifásicos. Se concluye que el uso de materiales de bajas pérdidas en la fabricación del núcleo es fundamental para lograr una mayor eficiencia, aunque la disponibilidad limitada de materiales como el acero amorfo debe ser considerada. Se menciona que, tras un incremento en los niveles de eficiencia, el siguiente paso es considerar el factor de carga real para futuras actualizaciones.

El documento destaca la importancia de considerar el factor de carga real en futuras actualizaciones de los estándares de eficiencia. Un segundo estudio muestra que este factor es aproximadamente la mitad del factor de carga definido por el Departamento de Energía de EE. UU. Se plantea la posibilidad de reducir el factor de carga en futuras actualizaciones para reflejar un valor más real. Se menciona la formación de un grupo de trabajo en el IEEE para estudiar la factibilidad de proponer cambios en el futuro próximo. En conclusión, la búsqueda de eficiencia energética continua, más allá del tipo de acero utilizado, requiere incorporar factores reales de operación como el factor de carga, para lograr una optimización completa del diseño y fabricación de transformadores, maximizando así los ahorros energéticos a largo plazo.