Los transformadores de distribución
de metal amorfo de ABB están
maximizando el ahorro de energía
V. R. RAMAnAn, MARTIn CARLEn – Con una población mundial en continuo aumento y una mayor demanda mundial de energía, mantener nuestro mundo ávido de electricidad exige productos eficientes y redes fiables. Los programas de ahorro de energía y las exigencias de eficiencia actuales están impulsados por iniciativas tanto globales como locales centradas en la reducción de las emisiones de CO2. En el caso de los transformadores de distribución, que son un elemento esencial del sistema de suministro de electricidad, siguen produciéndose grandes pérdidas totales de energía a causa de la enorme base instalada, incluso en los transforma dores. modernos. A escala mundial, se estima que estas pérdidas representan alrededor del 2 al 3 por ciento de la producción total de energía eléctrica: unos 25 gW. Por cada gigavatio ahorrado podrían evitarse 5 millones de toneladas de emisiones de CO2 al año. Como líder mundial en la fabricación de transformadores, ABB ha creado transformadores de distribución de metal amorfo sumergidos en líquido y EcoDry que reducen las pérdidas sin carga en torno a un 70 por ciento en comparación con los materiales empleados en núcleos convencionales.
La distribución
apuesta por el
verde
Imagen del título
Los transformadores de distribución de metal amorfo pueden reducir al mínimo las pérdidas sin carga en aplicaciones de energía eólica. El parque eólico marino mostrado aquí es el danés Horns Rev I.
[1]. Esta solidificación rápida da lugar a
un sólido vitrificado con una estructura atómica aleatoria (amorfa) esencialmente igual a la propia de la fase líquida ➔1.
Esto difiere de la estructura atómica del acero al silicio convencional de grano regular orientado (RGO) (una aleación Fe-Si), que tiene una estructura cristalina organizada. El uso más extendido del metal amorfo es la construcción de núcleos para transformadores de distri-bución de electricidad. Estos materiales ofrecen, en conjunto, excelentes carac-terísticas magnéticas y de ahorro en los costes de producción. De hecho, la llegada de las aleaciones de metal amor-fo de Fe-B-Si a mediados de la década de los ochenta supuso el avance más importante en los materiales para trans-formadores de distribución de la segun-da mitad del siglo XX.
Para producir metales amorfos de Fe-B-Si hay que lograr velocidades de soli-dificación de 106 K/s. La alta velocidad
de extracción de calor limita el sólido obtenido a la for-ma de una del-gada cinta, de unos 25 µm de grosor. Como el material es tan fino, la aplicación del metal amorfo se limita a los núcleos de trans-formador arrolla-dos. Los núcleos de metal amorfo se usan desde hace más de 20 años en transfor-madores sumergidos en líquido, y esta tecnología se aplica ahora a los trans-formadores de tipo seco.
C
mo parte de su cartera de transformadores ecológicos para distribución, las nuevas tecnologías de metal amorfo de ABB están contribuyendo a maximi-zar el ahorro de energía. Hay dos tipos de transformadores de distribución de metal amorfo (AMDT):− Transformadores sumergidos en líquido con núcleos de metal amorfo, tanto con aceite mineral convencional como con líquidos a base de aceite vegetal (BIOTEMP).
− Transformadores EcoDry ultraeficien-tes de tipo seco con núcleos de metal amorfo.
Con estos transformadores de núcleo de metal amorfo no sólo se realizan benefi-cios económicos claros, sino que tam-bién se obtienen ventajas medioambien-tales.
Metal amorfo
El metal amorfo utilizado por ABB es una aleación metálica de hierro, boro y silicio
(Fe-B-Si) producida por solidificación de la aleación fundida con rapidez suficien-te para impedir la cristalización del metal
La estabilidad del
comporta-miento del metal amorfo a la
temperatura de trabajo del
transformador es muy alta, y
harían falta más de 1.000 años
para que se produjesen
cam-bios significativos en sus cifras
de pérdidas.
Los núcleos de
metal amorfo se
usan desde hace
más de 20 años
en transformado-
res sumergidos
en líquido, y esta
tecnología se
aplica ahora a los
transformadores
de tipo seco.
1 Estructura desordenada del acero amorfo y estructura cristalina ordenada del acero de grano regular orientado
pía. La estructura atómica aleatoria de los metales amorfos excluye dicha ani-sotropía magnetocristalina. Sin embar-go, se puede inducir una anisotropía magnética que defina direcciones de fácil magnetización en estos materiales. Como resultado del enfriamiento muy rápido, los metales amorfos sufren
gran-des esfuerzos de templado, lo que se traduce en una anisotropía inducida por esfuerzo. Con el recocido se relajan los esfuerzos de templado y, aplicando un campo magnético externo, usualmente de 1.000 A/m, se introduce en el mate-rial un eje preferido de magnetización (longitudinal a la cinta). Una consecuen-cia del paso de recocido es que el metal amorfo, anteriormente dúctil, se convier-te en frágil, lo que requiere una manipu-lación más cuidadosa del material en los pasos siguientes.
Pérdidas en el núcleo considerablemente menores
La característica más notable de un metal amorfo en un transformador es que las pérdidas en el núcleo son mucho menores –hasta un 70 por ciento– que con las mejores calidades de acero RGO. En el material del núcleo de un transformador se producen dos tipos principales de pérdidas: las pérdidas por histéresis y las pérdidas por corrientes de Foucault. El primer tipo refleja la faci-lidad de magnetización del material cuando se suministra energía al núcleo, y el segundo es consecuencia de las corrien tes internas generadas en el material. La ausencia de una estructura cristalina en el metal amorfo permite la fácil magnetización del material, con la consiguiente disminución de las pérdi-das por histéresis. Las pérdipérdi-das por corrientes de Foucault también son menores en el metal amorfo debido a la combinación de su delgadez y su eleva-da resistivieleva-dad eléctrica de 130 µΩcm–1,
frente a los 50 µΩcm–1 de los aceros RGO.
Optimización por recocido
Las bajas pérdidas en el metal amorfo se consiguen gracias a recocidos optimiza-dos, que se logran por exposición a una temperatura próxima a la temperatura de Curie del material (668 K) durante un tiempo determinado en presencia de un campo magnético aplicado externamen-te. El recocido es un paso esencial para los metales amorfos.
La anisotropía magnética de un material ferromagnético es una medida de la faci-lidad de magnetización fuera de una de-terminada dirección. En los aceros RGO, la estructura cristalina, que determina ejes predefinidos de fácil magnetización, define fundamentalmente esta
anisotro-La característica
más notable de un
metal amorfo en un
transformador es
que las pérdidas
en el núcleo son
mucho menores
–hasta un 70 por
ciento– que con las
mejores calidades
de acero de grano
regular orientado.
2 Comparación de normas del Departamento de Energía (DoE) de EE.UU. sobre eficiencia mínima, de obligado cumplimiento, para una diversidad de transformadores
2b Transformadores de distribución trifásicos de tipo seco
15 30 45 75 15 30 45 75
112.5 150 225 300 500 750 1.000 1.500 2.000 2.500 112.5 150 225 300 500 750 1.000 1.500 2.000 2.500
Valor nominal del transformador (kVA) Valor nominal del transformador (kVA)
Eficiencia (%) con 50 % de carga Eficiencia (%) con 50 % de carga
98 98
99 99
100 100
97 97
AMDT (transformadores de distribución de metal amorfo) trifásicos, sumergidos en líquido Norma del DOE, sumergido en líquido, trifásico
Tipo seco, AMDT trifásicos, BIL (nivel de aislamiento básico) 46 – 96 kV Norma del DOE, tipo seco, trifásico
falta más de 1.000 años para que se produjesen cambios importantes en las cifras de pérdidas [2]. Estas pruebas de envejecimiento se llevaron a cabo con toroides pequeños protegidos del oxíge-no. Desde entonces, la composición de la aleación de metal amorfo ha cambiado ligeramente y los métodos de fabricación han evolucionado. Para garantizar la estabilidad de los materiales actuales (y ver la influencia del aire ambiente), ABB ha repetido mediciones aceleradas del enve-jecimiento a temperatura elevada (490 K) con un núcleo de tamaño real en atmós-fera de aire durante más de 200 días. Pero los resultados fueron similares, lo que sugiere que no debe esperarse que se produzca degradación de las pérdidas durante el ciclo de vida del transformador.
Posibles ahorros de energía
➔2 compara la eficiencia de los AMDT con las normas de eficiencia mínima de obligado cumplimiento del Departamen-to de Energía (DOE) de los EE.UU., para una amplia gama de valores nominales de transformadores. La mejora de la efi-ciencia energética conseguida está muy clara. Un cálculo rápido pone de mani-fiesto las posibilidades de ahorro de energía de los transformadores AMDT. Como se ha indicado, el uso de núcleos de metal amorfo puede reducir las pérdi-das sin carga en el núcleo del transfor-mador en torno a un 70 por ciento, en comparación con los núcleos de acero RGO. Admitiendo que alrededor de un 1 por ciento de la capacidad de genera-ción instalada en EE.UU., de 1.4 TW, se desaproveche en pérdidas sin carga en los transformadores de distribución, esta reducción de pérdidas mediante el empleo de núcleos amorfos sugiere un posible ahorro anual de energía de cerca de 85.000 millones de kWh.
Menor nivel de inducción de diseño
Debido a la presencia del boro, el metal amorfo tiene una inducción de saturación menor (1,56 T) que el acero RGO (2,1 T). Por lo tanto, la inducción de diseño con el metal amorfo es menor que la disponible en los aceros RGO. Como resultado, los transformadores de núcleo amorfo suelen tener una sección transversal del núcleo mayor, lo que se traduce en bobinas mayores y transformadores más grandes.
nivel de ruido del transformador
Los transformadores con núcleos de metal amorfo generan un nivel de ruido entre 3 y 5 dB mayor que los de núcleo de acero RGO. Las técnicas para reducir estos mayores niveles de ruido son objeto de actividades de investigación actuales de ABB. El ruido se genera dentro del núcleo del transformador debido a una característica intrínseca del material que lo compone denominada magnetoestric-ción. Cuando la dirección de magnetiza-ción tiene que girar bajo un campo aplica-do, el material experimenta un cambio de dimensiones y se produce ruido. En los aceros RGO, los ejes cristalinos de mag-netización fácil están bien alineados entre los granos. Esto no es así en el caso del metal amorfo, ya que el esfuerzo de tem-plado nunca queda totalmente relajado por el recocido. Por lo tanto, durante el funcionamiento del transformador, se requiere un mayor grado de rotación de la magnetización para el metal amorfo que para los aceros RGO. La variación de las dimensiones es, por tanto, mayor, lo que se traduce en un mayor nivel de ruido.
Pérdidas estables a lo largo del tiempo
En el decenio de 1990 se demostró que la estabilidad del comportamiento del metal amorfo a la temperatura de trabajo del transformador es muy alta, y harían
La utilización de
un núcleo de metal
amorfo puede
im-pedir la emisión de
140.000 toneladas
de CO
2
(equivalen-te a 60.000 kg de
petróleo) durante
un periodo de
funcionamiento de
20 años para un
transformador de
1.000 kVA.
3 Potencial anual de ahorro de energía e impacto sobre la producción de CO2 por el uso de transformadores AMDT [3]
País Pérdidas anuales Potencial anual Reducción anual de
en transformadores de ahorro CO2 (millones
(TWh) (TWh) de toneladas) EE.UU. 141 84 60 UE25 55 22 9 Japón 44 31 12 China 33 18 13 India 6 3 3 Australia 6 3 3 Total 285 161 100
TOC = CT+ A · P0+B · Pk ($)
donde TOC = coste total de propiedad,
CT = precio de compra del transforma-dor, A = factor de capitalización para pérdidas sin carga y B = factor de capi-talización para la pérdida con carga. Los AMDT tienen un coste de adquisi-ción mayor. Sin embargo, si se tienen en cuenta los costes del ciclo de vida, siguen siendo la opción más económica.
Sostenibilidad medioambiental y respeto al entorno
ABB ha realizado una evaluación com-parativa del ciclo de vida (ECV) entre los transformadores AMDT y los de núcleo de acero RGO. La ECV es una herra-mienta de gestión medioambiental que se utiliza para comparar el posible impacto medioambiental causado a lo largo de todas las fases del ciclo de vida del producto (fabricación, utilización, final de la vida útil) para diversos tipos de productos y sistemas, respecto a varios criterios críticos para el medio.
Como se ilustra en ➔6, el impacto medioambiental de los AMDT de alta efi-ciencia es considerablemente inferior al de los transformadores corrientes. Este menor impacto está dominado por las ventajas durante la fase de utilización y las pocas pérdidas sin carga del núcleo de metal amorfo.
Transformadores verdes y aplicaciones
El empleo de los transformadores de núcleo amorfo de ABB puede tener un importante impacto en el consumo de energía de muchas aplicaciones diferen-tes, como compañías de servicios, generación de energía eólica y centrales eléctricas fotovoltaicas.
ponen de dos partes: la pérdida sin car-ga (P0) generada en el núcleo y la pérdi-da con carga (Pk), que se produce principalmente en los devanados de los transformadores. P0 siempre está pre-sente y es constante durante el funcio-namiento normal, mientras que Pk sólo se produce durante cuando los transfor-madores están trabajando y depende de la carga ➔4.
La pérdida sin carga de los transformado-res AMDT de ABB es sólo un 30 por cien-to de la correspon-diente en un trans- formador conven-cional ➔5.
Por tanto, la utili-zación de un nú-cleo de metal amorfo puede im-pedir la emisión de 140.000 toneladas de CO2 (equivalen-te a 60.000 kg de petróleo) duran(equivalen-te un periodo de funcionamiento de 20 años para un transformador de 1.000 kVA.
Costes del transformador
Cuando se elige un transformador, se pueden considerar distintos costes: de adquisición, del ciclo de vida o que inclu-yen todos los gastos de infraestructura añadidos. Los costes del ciclo de vida incluyen la capitalización de las pérdidas en el transformador. Esto se hace normal-mente utilizando el método del TOC (cos-te total de propiedad), en el que se asig-nan valores determinados a P0 y Pk. Estos valores, entre otras consideraciones, dependen del coste de la electricidad, del coste de proporcionar la energía perdida y de la utilización del transformador. Los valores utilizados por la mayoría de las compañías eléctricas oscilan entre 5 y 10 $/W para P0 y entre 1 y 2 $/W para Pk. El ahorro de energía es considerable,
aunque sólo se sustituya por AMDT una parte de todos los transformadores de distribución. Este ahorro obtenido de la capacidad de generación existente per-mite el aplazamiento o la cancelación de planes de nueva generación para aten-der una demanda siempre creciente. Las ventajas ambientales asociadas a la reducción de las emisiones de gases nocivos y de la huella de CO2 están cla-ras, al igual que las ventajas económicas
acumuladas por los ahorros de energía y costes. Los beneficios sociales consi-guientes son obvios. Se han llevado a cabo cálculos similares del ahorro de energía y las reducciones de CO2 para las principales naciones representativas
[3], como se ilustra en ➔3.
Si las emisiones de CO2 se gravaran en 25 $/ton, esto supondría 2.500 millones de dólares anuales.
Los transformadores verdes de ABB La amplia cartera de transformadores de distribución verdes de ABB permite a los clientes seleccionar el producto más ade-cuado para sus necesidades. A continua-ción se recogen algunos de los criterios principales de selección de productos.
Pérdidas del transformador
Como en cualquier transformador, las pérdidas en los de metal amorfo se
com-El impacto medioambiental
de los transformadores AMDT
de alta eficiencia es
conside-rablemente inferior al de los
transformadores tradicionales.
4 Componentes de pérdidas sin carga y con carga en un transformador clásico de tipo seco de 630 kVA
Pérdida sin carga (W)
0 500 1000 1500 2000
Transformador están dar de tipo seco Transformador estándar
sumergido en líquido Transformador de núcleo de metal amorfo de tipo seco Transformador de núcleo de metal amorfo sumergido en líquido
Pérdida sin carga Pérdida con carga
0 20 40 60 80 100 Carga (%) 4000 5000 6000 7000 8000 3000 2000 1000 0 Pér didas (W)
5 Pérdidas sin carga en transformadores estándar y de núcleo de metal amorfo sumergidos en líquido y de tipo seco de 1.000 kVA
hay que minimizar las pérdidas sin carga de los transformadores en las aplicacio-nes de energía eólica. Como se ha indi-cado anteriormente, se hace evidente la ventaja de los AMDT en dichas aplica-ciones por consideraaplica-ciones de TOC.
Transformadores EcoDry para centrales fotovoltaicas
Para promover la energía solar, muchos países han establecido un sistema de tarifas incentivadas para la electricidad generada en centrales fotovoltaicas (FV). Por ejemplo, para una planta fotovoltaica autónoma, que entró en funcionamiento en 2010, la tarifa es de 0,26 euros/kWh (alrededor de 0,34 $/kWh) en Alemania y de 0,32 euros/kWh (unos 0,42 $/kWh) en España. El explotador de la planta fotovoltaica desea maximizar sus ingresos opti-mizando la pro-ducción y minimi-zando las pérdi- das. Un transfor-mador de una planta de produc-ción de energía foto voltaica expe-rimenta una carga muy variable según la hora del día, la estación y las condicio-nes meteorológicas. Por la noche, el transformador consume las pérdidas sin carga por las que el explotador debe pagar, a menos que desconecte el trans-formador de la red. El transtrans-formador de
Los transformadores en la red de distribución de las compañías eléctricas
Para las compañías eléctricas, la reduc-ción de las pérdidas sin carga es priori-taria, ya que la carga media de un transformador de distribución suele ser baja. Los AMDT son la elección perfecta para lograr este objetivo. Aunque los costes de adquisición de los AMDT son mayores, suelen constituir la opción pre-ferida si se consideran los TOC. Esto se ilustra en ➔7 para transformadores de
1.000 kVA con los valores de pérdidas sin carga mostrados en ➔5 y con los factores de capitalización A = 10$/W y
B = 2$/W.
Pueden conseguirse más reducciones de costes si hay que enfriar de forma activa
los transformadores de tipo seco, o si se tiene en cuenta el gravamen por CO2.
Transformadores para la generación eólica
Las turbinas de un parque eólico sólo producen electricidad durante periodos breves a lo largo del día. Por lo tanto,
La tecnología de
núcleo de metal
amorfo de ABB
para los
transfor-madores de
distri-bución sumergidos
en líquido y de tipo
seco es un paso
importante para
mejorar la
eficien-cia energética.
El empleo de los
transforma-dores de núcleo amorfo de
ABB puede tener un impacto
considerable en el consumo
de energía para muchas
aplicaciones diferentes.
6 Impacto ambiental relativo de los transformadores
6a Impacto ambiental relativo de transformadores de núcleo de metal amorfo comparado con los normales de tipo seco, calculado para una carga del 20%
6b Impacto ambiental relativo de transformadores de núcleo de metal amorfo comparado con los normales de baja pérdida (BkA0) sumergidos en líquido, en función de la carga del transformador
Estándar seco EcoDrybasic
Transformador de núcleo de metal amorfo sumergido en líquido Transformador estándar de baja pérdida sumergido en líquido Impacto ambiental relativo (%)
0 20 40 60 80 100 0 20 30 40 50
Potencial de calentamiento global mondial (kg CO2 equiv.) Potencial de acidificación (kg SO2 equiv.) Potencial de eutrofización
(kg fosfato equiv.) Potencial de toxicidad humana
(kg DCB equiv.) Potencial de destrucción de la capa de ozono (kg R11 equiv.) Potencial de formación de
ozono fotoquím. (kg eteno equiv.)
Carga del transformador (%)
Impacto ambiental r elativo 80 100 60 40 20 0
V.R. Ramanan
ABB Corporate Research, Power Technologies Raleigh, NC, Estados Unidos
[email protected] Martin Carlen
ABB Power Products, Transformers Baden-Dättwil, Suiza
Referencias
[1] Ramanan, V. R. V. (1991). Metallic glasses in distribution transformer applications: Una actualización. Journal of Materials Engineering
and Performance, 13(2), 119–127.
[2] Ramanan, V. R. V., Liebermann, H. A. (1993). Aging of glassy transformer core alloys and the activation energy spectrum model. Journal of
Applied Physics, 73(10), 5366.
[3] European Copper Institute, Targosz, R. (Ed.). (2005, February). The potential for global energy savings from high efficiency distribution transformers.
calcular la rentabilidad de la inversión como se ilustra en ➔8.
En esos cálculos se supone un coste de la electricidad de 0,08 euros/kWh (unos 0,10 $/kWh) y unos ingresos de 0,28 euros/kWh (alrededor de 0,37 $/kWh).
Una elección clara
La tecnología de núcleo de metal amorfo de ABB para los transformadores de dis-tribución sumergidos en líquido y de tipo seco es un paso importante para mejorar la eficiencia energética. Para los clientes, la elección de los AMDT no requiere nuevas consideraciones en el proceso de toma de decisiones. La importancia de la eficiencia energética y la sostenibi-lidad medioambiental, junto con la com-petitividad de costes ahora existente, los convierte en una opción atractiva.
Para obtener más información sobre el líquido aislante BIOTEMP® de ABB, consulte
“Transforma-dores transformados” en la página 48 de este núme-ro de la Revista ABB.
tipo seco EcoDry es la elección ideal para tales aplicaciones.
Un modelo sencillo permite calcular los beneficios. En el modelo se admite un determinado número de días soleados al año, con varias horas al día con una potencia del 95 por ciento y otras varias con una potencia del 11 por ciento (mañana y tarde). Se supone que los demás días del año están nublados y la poten cia producida por la planta foto-voltaica es el del 15 por ciento durante todo el día. Estas condiciones se tradu-cen en una determinada potencia espe-cífica anual (kWh/kWp). Por ejemplo, una potencia específica de 1.700 kWh/kWp se consigue con 240 días soleados con 6 horas a una carga del 95 por ciento y 4 horas a una carga del 15 por ciento. Si la diferencia de precio entre el trans-formador convencional, que tiene un coste bajo pero pérdidas elevadas, y el transformador EcoDry se considera como una inversión añadida, se puede
7 Comparación de los TOC (costes totales de propiedad) de transformadores normales y de núcleo de metal amorfo
7a Transformadores sumergidos en líquido de 1.000 kVA 7b Transformadores de tipo seco de 1.000 kVA
Coste de adquisición Pérdidas capitalizadas Coste de adquisición Pérdidas capitalizadas
A = 10 dólares/W; B = 2 dólares/W A = 10 dólares/W; B = 2 dólares/W
0 50 100 150 200 250 0 50 100 150 200
Normal
De metal amorfo
Normal
EcoDry
Costes relativos Costes relativos
8 Rentabilidad del coste adicional de un transformador EcoDry de alta eficiencia en una instalación fotovoltaica
Conectado por la noche Desconectado por la noche
600 900 1200 1500 1800 2100 2400 Generación anual de potencia PV (fotovoltaica) (kWh/kWp)
TT
asa de r
etor
