Estudio energético del sistema de bombeo en el Instituto de Ciencia Animal, Cuba

Energy study of the pumping system from the Institute of Animal Science, Cuba

Ing. Duniet Pérez Torres,^I M.Sc. Arelys Vázquez Peña,^I M.Sc. Osney G. Pérez Acosta,^I M.Sc. Tania Pérez Pérez,^I Dr.C. Antihus Hernández Gómez,^II

^IInstituto de Ciencia Animal, San José de las Lajas, Mayabeque, Cuba.
^IIUniversidad Agraria de La Habana, San José de las Lajas, Mayabeque, Cuba.

RESUMEN

Con el objetivo de realizar un estudio energético del sistema de bombeo del Instituto de Ciencia Animal (ICA), se procedió a la mapificación y detección de salideros en la conductora principal, se midieron las fugas de agua en las redes interiores y se determinó el porciento de este líquido que se pierde por derroche. Conjuntamente se analizó el consumo energético de la bomba, se determinó la potencia real consumida y la eficiencia del motor. Los resultados demostraron que existen pérdidas de agua respecto al total que se bombea (1 400 m³), por mal uso (39,67%) y por mal estado técnico de las redes (31,76%). El estudio energético mostró que el consumo eléctrico anual de la institución por cuestión de abasto de agua es de 310 034.49 kW, lo que representa 67,6 toneladas equivalentes de petróleo, para un gasto anual de la institución de 71 962.38 USD. Se concluye que si se eliminan las pérdidas de agua, se evitan 5 horarios de bombeo, lo que representa un ahorro de 51 405.31 USD al año por dejar de importar 48,26 toneladas de petróleo, además se dejan de emitir a la atmósfera 131,75 t de CO₂.

Palabras clave: Consumo de energía, ahorro de agua, derroche.

ABSTRACT

In order to perform an energy study of the pumping system from the Institute of Animal Science, a mapping and detection study of leaks in the main conductor was conducted, water leakages were measured in the interior networks and the percentage of losses was determined. At the same time, an energy study of the pump was carried out and the actual consumed power and motor efficiency were determined. Results showed that there are great losses of water regarding the total pumped water (1 400 m³), due to misuse (39.67%) or bad technical state of the networks (31.76 %).The energy study showed that annual electric consumption of the institution, regarding water supply, is 310 034.49 kW, which represents 67.6 tons equivalent to oil and annual expenses of 71 962.38 USD for the institution. It can be concluded that removing water losses, five pumping times will be avoided, which represents a saving of 51 405.31 USD per year, because there are 48.26 tons of oil that are not imported. In addition, 131.75 t of CO₂ would not be released to the atmosphere.

Key words: energy consumption, water saving, waste.

INTRODUCCIÓN

Actualmente se consumen 10 000 000 000 de toneladas de combustibles fósiles al año (Rojas, 2015). Razón por la cual, surge con más fuerza, la incógnita sobre el futuro energético de la humanidad. Este problema planteado por varios especialistas, tiene un tronco común: el derroche desmedido de los recursos (Febles, 2010).

Cuando se inicia en Cuba la Revolución Energética, se comienza con la aplicación de la Tarea de Gestión Total y Eficiente de la Energía (GTEE), con ella se identifican todos los centros altamente consumidores de energía y de estos, las áreas o equipos que tienen mayores gastos. Una de las actividades que mayor demanda energética posee es el bombeo de agua, razón por la cual es necesario que se emplee de la forma más eficiente posible. El 70% del agua bombeada en Cuba se pierde por el deterioro de las redes hidráulicas¹.

El Instituto de Ciencia Animal por su parte, al tener medio siglo de fundado, presenta un deterioro notable en los sistemas de abasto de agua. Según estudios realizados por recursos hidráulicos en el año 2015 el instituto debe consumir 400 m³ diarios, sin embargo en las 7 horas de trabajo del acueducto se bombean 1 400 m³, es decir, se pierden 1000 m³ de agua, lo que trae consigo problemas económicos, sociales y ambientales. Por esta razón, se decidió realizar un estudio energético del sistema de bombeo que permita hacer un mejor uso del recurso agua.

MATERIALES Y MÉTODOS

El estudio energético del sistema de bombeo se desarrolló en la estación de bombeo principal del ICA la que está compuesta por una bomba ATH- 14 de 200 m³/h que posee una carga de 86 m y un motor eléctrico de 87 kW, con una eficiencia del 54% según los datos del fabricante.

Mapificación y detección de fugas

De conjunto con el departamento de pitometría de Aguas de la Habana se realizó un estudio de mapificación y detección de salideros en la conductora principal. La determinación del estado técnico de las redes se realizó mediante el método de sondeo directo con el empleo de un Geófono Electromagnético, marca Prime Probe, con una precisión de 0,05. La ubicación de la red central se realizó mediante el Método de Rastreo inductivo, con el empleo de un localizador de redes, marca Fisher, modelo TW-6, con una frecuencia de salida de 82,175 kHz y una precisión de 0,05 kHz.

Mediciones de las fugas

La medición de las fugas se realizó por el método de aforo volumétrico. Los salideros de agua en las llaves, inodoros, duchas, lavamanos, bebederos y mangueras se midió de forma manual en probetas aforadas de 100 y 500 mL con división mínima de 1 mL y con el empleo de cronómetros de la marca Oregón Scientific de cero a 24 h con precisión 0,01 s. Este estudio se realizó en todas las unidades de producción y departamentos del instituto que se abastecen del tanque central. Todas las mediciones se realizaron por triplicado para determinar el promedio de las fugas de agua en cada uno de los accesorios. Sobre la base del total de agua que se bombea, se determinó el porcentaje que se pierde por derroche mediante la siguiente ecuación (1):

donde:

Vd – Volumen de agua que se derrocha, L;

Vt – Volumen de agua que se bombea diario, L/dia;

Vf – Volumen de agua que se fuga a través de los salideros en los accesorios L;

Vc - Volumen que se debe consumir, L.

Estudio energético de la bomba

donde:

P- potencia, kW;

I- intensidad de la corriente, A;

V-tensión, V;

cos j - ángulo de desfasaje del motor, cos j= 0,87;

e – eficiencia;

Q_b - caudal de la bomba, m3/s;

H_b - carga de la bomba, m;

P_m - potencia del motor, kW.

Análisis estadístico

Se realizó un análisis de varianza no paramétrico de bloque al azar con arreglo factorial 4 x 5, dispuestos en los 4 meses de trabajo (febrero, mayo, agosto y noviembre) y los 5 horarios de medición. Se verificaron los supuestos teóricos del análisis de varianza, a partir de las dócimas de Shapiro y Wilk (1965) para la normalidad de los errores y la dócima de Levene (1960) para la homogeneidad de varianza.

Las variables analizadas no cumplieron con los supuestos teóricos del ANOVA, por lo que se emplearon las transformaciones √x, ln y log10, sin embargo, estas no mejoraron el cumplimiento de dichos supuestos por lo que se realizó un análisis de varianza no paramétrico de bloque al azar de Friedman, con arreglo factorial 4 x 5 y se aplicó la dócima LSD Fisher y Yates, (1958), para la comparación de los rangos medios.

RESULTADOS Y DISCUSIÓN

Mapificación y detección de fugas

Mediante el método de rastreo inductivo se ubicó la conductora principal, los ramales que abastecen a los departamentos y a las unidades de producción del instituto, así como los registros, válvulas y diámetros de la red hidráulica.

Según los estudios de sondeo directo se concluyó que la conductora principal se encuentra en buen estado técnico y no presenta fugas considerables. Este resultado confirma la hipótesis de que gran parte del agua se pierde en las redes interiores de las instalaciones, donde solamente el 20,8% de las áreas muestreadas no presentan fugas. En el caso de las áreas de producción, las fugas de agua en las mangueras, tetinas y bebederos ascienden a los 155 000 L/día, por su parte los departamentos de investigación (Fisiología, Pastos y Rumiantes), tienen pérdidas de 235 893,76 L/d por el mal estado técnico de sus acometidas y accesorios (herrajes, llaves, duchas y lavamanos). La comunidad presenta problemas similares aunque en menor medida, con pérdidas que ascienden a 53 760 L/día. Debido al mal estado técnico de las redes interiores de las unidades de producción y departamentos de investigación que se abastecen del tanque central se realizó un diagnóstico de los accesorios y tuberías que se necesitan para reparar el sistema de abasto (datos no mostrados). Este diagnóstico permite conocer hacia dónde deben ir encaminadas las inversiones para que se emplee de forma eficiente el agua que se bombea. De forma general por el concepto de salideros en el ICA se pierden 444 653,76 L/día, lo que representa el 31,76% del total que se bombea. Estas cifras muestran que independiente de los salideros, existen otros problemas, por el que se pierden innecesariamente 555 346,24 L/día, lo que está asociado al mal uso o derroche de agua. Es importante señalar que en el ámbito global, la sustentabilidad hídrica está determinada fundamentalmente por políticas públicas que incentivan el ahorro de agua (Cruz et al., 2015). Por esta razón, además de realizar las reparaciones necesarias en todo el sistema de bombeo, se necesita crear un plan de capacitación tanto en la comunidad como en las áreas de la institución, que motive a los trabajadores a contribuir con el ahorro de agua. La Figura 1 muestra el porcentaje de pérdidas de agua con respecto al total que se suministra.

Análisis del consumo de energía eléctrica por bombeo de agua

El ICA consume como promedio 2,36 MW diarios y el bombeo de agua tiene una gran influencia en esta cifra. Su sistema de abasto tiene 50 años de explotación y su motor se ha reparado en varias ocasiones, por estas razones se decidió evaluar el consumo eléctrico real de la bomba tomándose como referencia 4 meses, uno por cada estación del año. Los resultados del comportamiento de intensidad de corriente (Tabla 1), tensión (Tabla 2) y potencia (Tabla 3) no mostraron interacciones entre los factores, por lo que se muestran los efectos principales en las tablas. En cuanto a las mediciones de intensidad de corriente y tensión, no se encontraron diferencias significativas entre los diferentes horarios de bombeo, sin embargo entre los meses evaluados sí se encontraron diferencias (P<0.001). Por otra parte, los valores de potencia eléctrica difirieron (P<0.001) tanto en los horarios de bombeo como en los meses evaluados. Estos resultados están asociados a que las áreas de mayor demanda de energía poseen motores eléctricos y el ICA no cuenta con un banco de capacitores en su red eléctrica, lo que provoca que las actividades que demandan energía, influyan en el consumo de la bomba.

Se calculó mediante la suma de los consumos en los distintos horarios, el gasto de energía diario (849 kW). Por su parte la eficiencia de la bomba (38,9%), se determinó con el valor real de la potencia del motor (121,344 kW·h). Este resultado es inferior al valor de la eficiencia reportada por el fabricante (54%), debido, principalmente, al tiempo de explotación del sistema, lo que influye tanto en el desgaste de los impelentes, como en el estado técnico del motor.

Para realizar una valoración económica del consumo energético del instituto por el concepto de bombeo de agua, se tuvo en cuenta que para generar 1 kW se necesitan 217,9 g de petróleo y un barril (0,138 t) cuesta en el mercado internacional aproximadamente 147 USD según lo informado por la Oficina Nacional de Estadística (ONE) en el año 2014. Se fija este precio para realizar los cálculos, debido a que desde el 2014 hasta la fecha el costo del barril de petróleo no se ha mantenido estable (Gutiérrez et al., 2015; IEA, 2015), imposibilitando tomar un precio promedio actual para realizar estos estudios.

El consumo eléctrico anual de la institución por concepto de abasto de agua es de 310 034,49 kW, lo que representan 67,6 t equivalentes de petróleo, para un gasto anual de la institución por bombeo de 71 962,38 USD. En la Tabla 4 se muestran los valores de consumo eléctrico y el importe en USD que representan las fugas y el mal uso del agua. Cabe resaltar que de adoptarse medidas como la rehabilitación de la red hidráulica y de aplicarse una consecuente política respecto al uso eficiente del agua, se evitarían 5 horarios de bombeo que le representan al país un ahorro de 51 405,31 USD al año, por dejar de importar 48,26 t de petróleo. Por otra parte, se conoce que el uso de los combustibles fósiles contribuye a la producción de gases de efecto invernadero (GEI), los que ocasionan consecuencias irremediables en el ambiente, como la elevación de la temperatura global en 4,8ºC, y el cambio climático (AEI, 2012; Ochoa, 2015). El ritmo acelerado de desarrollo que actualmente se maneja no será el adecuado para la continuidad de la vida en el planeta (Stocker et al., 2013; Andrade, 2015). Según Leiva et al. (2012) por cada tonelada equivalente de petróleo que se quema, se emiten a la atmósfera 3 t de CO₂. Estos índices de emisión de CO₂ pueden variar en dependencia de la calidad del petróleo que se emplee (Pérez et al., 2015). En este estudio se tomó un factor de emisión de 2,73 t de CO₂ por cada tonelada equivalente de petróleo que se consume según lo planteado por el Ministerio de Energía y Minas en el boletín de la ONEI (2014). Por lo tanto, de ponerse en práctica todas las medidas que puedan derivarse de este estudio, no solo se obtendrían beneficios económicos sino también ambientales, pues dejarían de emitirse un total de 131,75 t de CO₂ a la atmósfera.

CONCLUSIONES

-Las pérdidas de agua respecto al total que se bombea, representan 39,67% por mal uso y un 31,76% por mal estado técnico de las redes. El consumo eléctrico anual de la institución por concepto de abasto de agua es de 310 034,49 kW, lo que representan 67,6 toneladas equivalentes de petróleo. Si se realizan las reparaciones necesarias en el sistema de abasto de la institución y si aplica una política eficiente sobre el uso del agua, se evitarían 5 horarios de bombeo que le representan al país un ahorro de 51 405.31 USD al año, por dejar de importar 48,26 toneladas de petróleo, además se dejarían de emitir a la atmosfera 131,75 t de CO₂.

NOTAS AL PIE

¹ ASPIOLEA, J.L.: Fertilización de pastos y abastecimiento de agua a la ganadería, ICA, Tesis de Doctorado, La Habana, Cuba, 2008.

BIBLIOGRAFÍA

ANDRADE, S.J.A.: “Reconciliación y responsabilidad: acciones de sinergia para la construcción de un pensamiento ecologizante desde la escuela. «Incertidumbres Semilla»”, El Ágora USB, 15(1): 271–287, 2015, ISSN: 1657-8031.

CRUZ, G.L.; CARREÓN, G.J.; HERNÁNDEZ, V.J.; SILVIA, M.; GARCÍA, E.R.; ROSAS, F.J.F.: “Hacia una agenda hídrica para la gobernanza local sustentable”, Revista Internacional de Investigación en Ciencias Sociales, 11(1): 130–154, 2015, ISSN: 2226-4000.

FEBLES, G.: “La diversidad biológica en Cuba, características y situación actual. Estrategia nacional y plan de acción”, Cuban Journal of Agricultural Science, 43(3): 211-223, 2009, ISSN: 2079-3480.

FISHER, R.A.; YATES, F.: Statistical tables for biological, agricultural and medical research, [en línea], Ed. Hafner Press, 5.^a ed., New York, OCLC: 228089888, 1958, Disponible en: https://catalog.hathitrust.org/Record/001306237, [Consulta: 3 de junio de 2016].

GUTIÉRREZ, R.; GONZÁLEZ, R.V.; CARREÑO, M.Á.D.: “Predicción de la volatilidad en el mercado del petróleo mexicano ante la presencia de efectos asimétricos.”, Cuadernos de Economía, 34(65): 299–326, 2015, ISSN: 0121-4772.

IEA (INTERNATIONAL ENERGIE AGENCY): World Energy Outlook 2012, [en línea], OCDE/AIE, 2012, Disponible en: http://www.iea.org/publications/freepublications/publication/Spanish.pdf, [Consulta: 3 de junio de 2016].

IEA (INTERNATIONAL ENERGY AGENCY): World energy outlook 2015, Ed. OECD, Paris, 700 p., 2015, ISBN: 978-92-64-24365-1.

LEIVA, M.J.; RODRÍGUEZ, R.I.L.; MARTÍNEZ, N.P.: “Cálculo de la huella ecológica en universidades cubanas. Caso de estudio: Universidad Central «Marta Abreu» de Las Villas”, Afinidad, 69(557): 30-34, 2012, ISSN: 2339-9686.

LEVENE, H.: “Robust tests for the equality of variance”, [en línea], En: Olkin, I., Contributions to Probability and Statistics: Essays in Honor of Harold Hotelling, Ed. Stanford University Press, pp. 278-292, 1960, ISBN: 978-0-8047-0596-7, Disponible en: https://books.google.com.cu/books?id=ZUSsAAAAIAAJ&pg=PA278&lpg=PA278&dq=Robust+tests+for+the+equality+of+variance.+Contributions+to+Probability+and+Statistics+LEVENE&source=bl&ots=GchQnBzOWS&sig=gS0jf8qRvK2f4GqJ05U1Jmk8kRo&hl=es-419&sa=X&redir_esc=y#v=onepage&q=Robust%20tests%20for%20the%20equality%20of%20variance.%20Contributions%20to%20Probability%20and%20Statistics%20LEVENE&f=false, [Consulta: 3 de junio de 2016].

OCHOA, Z.M.; CASTELLANOS, M.R.; OCHOA, P.Z.; MONZÓN, O.J.L.: “Variabilidad y cambio climáticos: su repercusión en la salud”, MEDISAN, 19(7): 873-885, julio de 2015, ISSN: 1029-3019.

ONEI: “Panorama Económico y Social”, [en línea], En: Oficina Nacional de Estadística e Información (ONEI), 2014, Disponible en: http://www.one.cu/panorama2014.htm, [Consulta: 3 de junio de 2016].

PÉREZ, S.A.; MONTERO, A.G.; AYALA, B.R.; CORONADO, O.M.A.; CAMPBELL, R.H.E.; GARCÍA, G.C.: “Simulación en Aspen de la combustión de mezclas diesel-biodiesel”, Ingeniería, Investigación y Tecnología, 16(1): 83–92, 2015, ISSN: 1405-7743.

ROJAS, D.M.: “La región andina en la geopolítica de los recursos estratégicos”, Análisis Político, 28(83): 88-107, 2 de julio de 2015, ISSN: 0121-4705, DOI: 10.15446/anpol.v28n83.51649.

SHAPIRO, S.S.; WILK, M.B.: “An analysis of variance test for normality (complete samples)”, Biometrika, 52(3-4): 591-611, 12 de enero de 1965, ISSN: 0006-3444, 1464-3510, DOI: 10.1093/biomet/52.3-4.591.

STOCKER, T.F.; QIN, D.; PLATTNER, G.K.; TIGNOR, M.; ALLEN, S.K.; BOSCHUNG, J.; NAUELS, A.; XIA, Y.; BEX, V.; MIDGLEY, P.M.: Climate Change 2013: The Physical Science Basis. Contribution of  Working Group I to the Fifth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change, [en línea], Ed. Cambridge University Press, Cambridge, United Kingdom and New York, USA, 2013, Disponible en: http://www.climatechange2013.org/images/report/WG1AR5_ALL_FINAL.pdf, [Consulta: 3 de junio de 2016].

Recibido: 20/10/2015
Aprobado: 03/06/2016

Duniet Pérez Torres, Ing., Instituto de Ciencia Animal, San José de las Lajas, Mayabeque, Cuba. Email: dptorres@ica.co.cu