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SAVE ELECTRICITY BALANCE INDUCTION CONTROL SYSTEM

EDUARDO ELÚA SAMANIEGO – MARZO 2011


Indice 1.2.3.4.5.6.7.-

ANTECEDENTES CALIDAD DE LA ENERGIA TECNOLOGIAS DISPONIBLES PARA LA MEJORA DE LA CALIDAD DE LA ENERGIA SAVE ELECTRICITY BALANCE INDUCTION CONTROL SYSTEMS (SEBICS) ESTUDIO DE AHORROS Y RETORNO DE LA INVERSIร“N CONCLUSIONES FINALES CONTACTO

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1.- ANTECEDENTES A menudo, las empresas no son conscientes de las consecuencias desfavorables que sobre la producción y la rentabilidad tiene el hecho de no disponer de una buena calidad del suministro eléctrico. Las pérdidas financieras debidas a fenómenos de no calidad en la energía eléctrica afectan negativamente al resultado económico y por tanto a la productividad empresarial. Por ello es conveniente implementar soluciones tecnológicas que aporten una mejora en la calidad del suministro de la energía eléctrica que consumen los receptores de las instalaciones de la organización. Además dichas soluciones desde el punto de vista financiero tienen un importante rentabilidad con unos periodos de amortización muy bajos reduciendo de manera notable los costes, no sólo en la factura eléctrica sino además en los costes de mantenimiento. La solución tecnológica que se plantea está enfocada justamente en mejorar la calidad del suministro eléctrico y como consecuencia de ello reducir nuestros costes energéticos y de mantenimiento.

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2.- CALIDAD DE LA ENERGIA La calidad de la energía se entiende cuando la energía eléctrica es suministrada a los equipos y dispositivos con las características y condiciones adecuadas que les permita mantener su continuidad sin que se afecte su desempeño ni provoque fallas a sus componentes. Cuatro parámetros pueden servir como referencia para clasificar las distorsiones de acuerdo a su impacto en la calidad de la energía: •

Variaciones de frecuencia que raramente ocurren en sistemas alimentados por las compañías suministradoras, siendo más común que se encuentren en sistemas aislados con grupos electrógenos en los que las variaciones de carga provocan variaciones de frecuencia.

Variaciones de amplitud pueden ocurrir en diferentes formas y rangos de duración que van desde transitorios de muy corta duración hasta condiciones de estado estable. Dentro de este punto están los que provienen del suministro de la propia compañía eléctrica como son los transitorios por defectos de microcortes y sobre tensiones en una de las fases, y las que se producen dentro de la instalación como son los transitorios producidos por el arranque directo de motores de jaula de ardilla o el arranque de lámparas de descarga.

Variaciones en la forma de onda de voltaje o corriente producidos por cargas no lineales, denominada distorsión armónica, siendo una condición de estado estable. Son las causantes de muchas de los fallos eléctricos que se producen actualmente en las instalaciones. Pueden ser de origen externo o interno y son los causantes del aumento de las caídas de tensión en las líneas de distribución debidos al efecto “Skin”

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, produciendo pérdidas por sobrecalentamiento de los conduc-

tores, deterioro de la protección dieléctrica, fundido de las lámparas, cortocircuitos en los bobinados de los motores, etc. Otros efectos negativos son al aumento de la intensidad en los bancos de condensadores ya que a mayor distorsión armónica menos impedancia y por tanto mayor intensidad de circulación. Un banco de condensadores sin filtrado de armónicos podría entrar en resonancia aumentando la amplitud de las ondas armónicas y por tanto su efecto perjudicial en la instalación. Otros problemas que genera los armónicos es el incorrecto funcionamiento de los equipos electrónicos, su sobrecalentamiento y su posible falla, generando problemas en los sistemas PLC de las máquinas, fallo en las señales de los sensores, y por tanto su mal funcionamiento. •

Desbalance entre las fases de un sistema trifásico causado principalmente por la operación de cargas monofásicas desiguales tanto en intensidad como en factor

1

Es la disminución del área eficaz de conducción debido a la contaminación armónica del suministro eléctrico. Página 4 de 13


de potencia que afectan principalmente a máquinas rotatorias y circuitos rectificadores trifásicos. El defecto del desbalanceo de los fasores repercute en que el campo magnético que rota en el estator de los motores gire desequilibrado haciendo que en el eje del rotor se generen esfuerzos que no aportan par de giro y que por lo tanto se desperdician a la hora de generar energía de rotación convirtiéndose en perdidas por calor debido a las corrientes de Foucault 2. A parte de las pérdidas por efecto Joule de las corrientes de Foucault dicho desbalance de las fases producen esfuerzos mecánicos oscilatorios y de fatiga en los rodamientos del eje de rotación provocando un acortamiento considerable de su vida útil. Por tanto, la falta de calidad de la energía está ligada a la eficiencia energética de tal manera que cuando mejor es la calidad mayor es el ahorro que se puede obtener en el consumo eléctrico.

2

Corrientes alternas de trayectorias cerradas inducidas en las piezas metálicas debido a la acción sobre estas de un campo magnético de flujo variable. Fueron descubiertas por L. Foucault. Página 5 de 13


3.- TECNOLOGIAS DISPONIBLES PARA LA MEJORA DE LA CALIDAD DE LA ENERGIA

Son muchas las distintas tecnologías que existen para mejorar la calidad de la energía desde sistemas activos como reguladores-estabilizadores electrónicos, filtros activos, arrancadores suaves, etc, hasta los sistemas pasivos como trasformadores de separación galvánica, filtros con reactancias, y transformadores de cruce de bobinados. La elección de las distintas soluciones que hay en el mercado debe basarse en dos criterios principalmente, el primero la fiabilidad de la tecnología y el segundo en el ahorro generado vs la inversión en dicha tecnología. El primer criterio, que se refiere a la fiabilidad, es un punto clave a tener en cuenta, ya que de poco sirve una tecnología que tiene un nivel elevado de fallos durante su funcionamiento y que adicionalmente genere gastos periódicos de mantenimiento. De los distintos sistemas antes comentados los que son pasivos son los de mayor fiabilidad ya que consiste en sistemas estáticos y robustos en donde no se aplican regulaciones mediante electrónica de control y de potencia. Los sistemas activos son más propensos al fallo que los pasivos por lo que deberían de ser estos últimos la primera opción desde el punto de vista de la fiabilidad. El segundo criterio está relacionado con el ahorro generado en unidades monetarias en comparación con el coste de la inversión. Existen varios métodos de análisis de viabilidad financiera pero el más utilizado es el payback o lo que es lo mismo, el número de años en recuperar la inversión teniendo en cuenta los ahorros generados. Este método es incompleto e inexacto y no aporta la suficiente información para tomar una decisión acertada desde el punto de vista de viabilidad. Tal vez la Tasa Interna de Retorno TIR sería más adecuada para dicha valoración y más si hacemos un estudio detallado teniendo en cuenta la subida anual del coste del kWh 3, los costes financieros de adquisición e implementación, costes de mantenimiento de las soluciones de ahorro energético, los flujos de efectivo de los ahorros posteriores a la fecha de amortización, datos que no se tienen en cuenta el cálculo del payback. Este otro criterio es determinante a la hora de elegir una solución tecnológica ya que dependerá mucho de nuestros consumos, turnos de trabajo, maxímetros o potencias máximas, previsiones futuras, etc. 3

El coste del kWh se ha incrementado desde 2005 hasta 2011 en un 40%.

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4.- SAVE ELECTRICITY BALANCE INDUCTION CONTROL SYSTEM (SEBICS)

La solución tecnológica de ahorro que se propone denomina SAVE ELECTRICITY BALANCE INDUCTION CONTROL SYSTEM o de forma sintetizada SEBICS. Consiste en un trasformador con cruce de bobinados y por tanto un sistema pasivo para la eficiencia energética en instalaciones eléctricas mediante la mejora de la calidad del suministro eléctrico en las instalaciones. Es un sistema sencillo y a la vez robusto que no requiere de ninguna componente activo para realizar su trabajo. En la siguiente figura se representa el sistema. Es un dispositivo que se coloca inmediatamente después del centro de transformación, aguas arriba de la instalación de tal manera que cada una de las fases entra en el equipo SEBICS y salen hacia la instalación una vez pasen por las distintas bobinas del equipo. El principio en el que se fundamenta dicho dispositivo es el del transformador Dz con secundario en zig zag cuyo objetivo es compensar el desequilibrado de las fases y la atenuación de los armónicos sobre todo el de 3er orden. Por tanto, es un dispositivo capaz de mejorar la calidad del suministro eléctrico así como la eficiencia en el consumo. En los siguientes puntos se describe los distintos efectos que tiene SEBICS en comparación a la no instalación del equipo. 1. El más importante de los beneficios que aporta SEBICS es el equilibrado y balanceo de las tres fases. Normalmente los tres fasores 4, en el suministro eléctrico, no se encuentra a 120º unos de otros (como sería lo ideal), así como en magnitud debido principalmente que en las líneas de distribución de cada una de las fases, en todo su recorrido desde las centrales eléctricas hasta los puntos de consumo, no se mantiene las mismas condiciones desde el punto de vista del efecto capacitivo que se produce entre la línea y el suelo. También se produce desequilibrios debido a los propios receptores de la instalación. Dichos efectos son los causantes de pérdidas eléctricas disipándose en forma de calor y que no son aprovechados

4

Un fasor es un vector utilizado para representar una onda. Referido a una función sinusoidal, número complejo que tiene por módulo el valor eficaz, y por argumento la fase inicial de esa función sinusoidal; es decir, el fasor de y=Ymsen(wt+a) esY=Yeja, donde Y es el valor eficaz de y. También se llama fasor de y a Ym=Ymeja. Página 7 de 13


para el propio proceso productivo. A mayor descompensación y desbalance de las fases se producen más pérdidas. Con SEBICS se consigue balancear las fases de tal manera que se disminuyan estas pérdidas, mejorando notablemente la eficiencia energética de la instalación. 2. Disminución de los picos de intensidad en los arranques directos

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de los motores.

Cuando se realiza el arranque directo de los motores asíncronos de tipo “jaula de ardilla”, que son los motores más comunes, se produce un pico de intensidad que puede tomar valores de entre 6 a 8 veces mayor que la corriente nominal del motor. Si el motor arranca a plena carga, el bobinado del estator tiende a absorber una cantidad de corriente muy superior a la nominal, lo que hace que las líneas de alimentación incrementen considerablemente su carga y como consecuencia directa se produzca una caída de tensión y un elevado consumo de energía en el arranque. Dicho consumo se debe a pérdidas que se producen por las corrientes de Foucault tanto en el estator como en el rotor del motor debido a la falta de sincronismo de los campos electromagnéticos rotatorios en el arranque produciendo calor por efecto Joule 6. El equipo SEBICS lo que consigue es atenuar este efecto por falta de sincronismo que genera pérdidas por corrientes de Foucault disminuyendo los picos de arranque en amplitud y por tanto consiguiendo un ahorro importante en consumo eléctrico. 3. Atenuación de los picos de sobre tensión y eliminación de microcortes que se producen fuera de la instalación. Al ser SEBICS en definitiva una inductancia dichos picos de tensión son absorbidos por las bobinas reduciendo su efecto aguas debajo de la instalación. Lo mismo acurre con los microcortes 7 de tensión que son eliminados por el efecto inductivo del equipo SEBICS. 4. Eliminación de armónicos en la red. Uno de los problemas más importantes que hay en los sistemas eléctricos es la presencia de armónicos debidos fundamentalmente a la proliferación de los equipos con electrónica de potencia, como son las fuentes conmutadas, variadores de velocidad, convertidores de frecuencia, reactancias electrónicas, etc. Dichas perturbaciones son otras de las causas por lo que se pierde eficiencia energética en las instalaciones. SEBICS es un equipo capaz de atenuar los armónicos de 3er, 5º y 7º orden, causantes de los defectos por

5 Se dice que un motor arranca en forma directa cuando a sus bornes se aplica directamente la tensión nominal a la que debe trabajar. 6 Fenómeno por el cual si en un conductor circula corriente eléctrica, parte de la energía cinética de los electrones se transforma en calor, debido a los choques que sufren con los átomos del material conductor por el que circulan, elevando la temperatura del mismo. 7 Son caídas de la tensión a 0 voltios de la red eléctrica (o caídas de la tensión por debajo del 60% de su valor nominal) con una duración menor a un ciclo. Se deben principalmente a defectos en la red eléctrica o en la propia instalación del usuario. Pueden producir mal funcionamiento en cargas muy sensibles y errores en los ordenadores.

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contaminación armónica en la red. Por tanto, conseguimos mejorar la calidad del suministro eléctrico y aumentamos la eficiencia energética en su consumo. 5. Mejora del factor de potencia. En la mayoría de las instalaciones el tipo de cargas que más abundan son las de tipo inductivo debido fundamentalmente a los motores eléctricos. Este tipo de cargas, aparte de consumir energía activa, que es la verdaderamente útil, también consumen reactiva, energía que sobrecarga los conductores y los transformadores de la instalación y que no aporta trabajo. Dicha energía reactiva se compensa normalmente con la colocación de bancos de condensadores, pero esto es eficaz cuando se trata de instalaciones con cargas lineales y totalmente balanceadas. Pero la realidad es que en las instalaciones se tiene cargas no lineales y que no están perfectamente balanceadas causando el consumo extra de energía reactiva y que no se pueden compensar con un simple banco de condensadores. SEBICS es un equipo capaz de evitar este defecto ya que su función es compensar las fases y eliminar los armónicos en la red. Por tanto, es un equipo que complementa al banco de condensadores de la instalación para compensar la energía reactiva consiguiendo un mejor factor de potencia. 6. Disminución de las pérdidas energéticas. Con la eliminación de los defectos y por consiguiente, la mejora de la calidad de la energía, el equipo SEBICS es capaz de consiguir ahorros de entre el 6% (ahorro mínimo garantizado) y el 20%. En el siguiente cuadro se ha indicado una serie de instalaciones en España con los ahorros conseguidos. Como se puede apreciar no hay ninguna instalación que baje del 10% de ahorro. Empresa

Capacidad

Ahorro

Tipo de Negocio

Localización

Provasa

175 Kva

10,30%

Industrial

Ajalvir, Madrid España

Vincci Hoteles (22 entre Península e Islas)

100 - 800 kva

12,50%

Hotel

Repsol

100 kva

14,90%

Estación de Servicio

Madrid

Aguas de Bullent

250 kva

12,90%

Industrial

Oliva, Valencia

Hoteles López (Canarias)

400 kva

12,30%

Hotel

Lanzarote, Canarias

Más Energía

50 kva

18,15%

Ingeniería

Alicante

Ofeinco

50 kva

10,75%

Ingeniería

Jaén

Autopista Madrid Toledo AP-41

100 kva

14,13%

Estación de Servicio

Madrid

Restaurante Tapas Tapas (Canarias)

50 kva

12,24%

Restaurante

Las Palmas G.C.

Manuel Beas S.L.

100 Kva

11,33%

Taller

Coslada, Madrid

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5.- ESTUDIO DE AHORROS Y RETORNO DE LA INVERSIÓN Como se ha comentado, el dispositivo puede generar ahorros en consumo eléctrico desde un mínimo garantizado del 6 % en la 1ª generación de SEBICS y un 8% en la 2ª generación hasta incluso superar el 20%. Dicho ahorro está referenciado al consumo de kWh en una instalación por tanto afectará al coste de los kWh consumidos en un periodo de facturación. Otro efecto beneficioso que tiene el sistema SEBICS, desde el punto de vista de contratación, es que la potencia máxima de la instalación en funcionamiento disminuye aproximadamente un 10% por lo que es una oportunidad más de ahorro de costes al poder ajustar más la potencia contratada. Adicionalmente, a estos dos ahorros en costes, se tiene los generados por la disminución de fallos por la mejora de la calidad de la energía. Son muchos los problemas que pueden generar un fallo en los equipos debido a una mala calidad de la energía eléctrica. Se enumeran algunos como: 1. Los esfuerzos de flexión del eje del rotor de los motores debido a un desbalance en el campo magnético en el estator y de manera cíclica generan un degradación importante en los rodamientos por efecto de la fatiga 8 mecánica que acortan la vida de los mismos implicando aumentar la frecuencia de mantenimiento preventivo en los motores. 2. Debido al efecto “Skin” , ya comentado, se producen los siguientes problemas de mantenimiento: a. Destrucción del esmalte aislante de las bobinas de los motores produciendo microcortocircuitos entre las bobinas que con el tiempo acaban quemandose obligando a la parada y posterior rebobinado de los motores. b. En las luminarias de descarga ya sean con electrodo o con filamento, como en los fluorescentes, dicho efecto acelera el desgaste de dichos elementos acortado la vida de los mencionados dispositivos. Lógicamente esto afecta igualmente a las lámparas de incadescencia. c. Sobrecalentamiento de los contactos eléctricos en relés y contactores acortando la vida de dichos dispositivos. 3. Disminución de la impedancia en los bancos de condensadores encargados de compensar la energía reactiva en las instalaciones provocando un aumento de la intensidad generando sobrecalentamiento del mismo acortando la vida del dieléctrico de los condensadores.

8

Fenómeno por el cual la rotura de los materiales bajo cargas dinámicas cíclicas (fuerzas repetidas aplicadas sobre el material) se produce ante cargas inferiores a las cargas estáticas que producirían la rotura. Página 10 de 13


4. Fallos prematuros en los equipos electrónicos tanto de potencia como de control debido fundamentalmente a los armónicos y a los transitorios como son los microcortes y arranque directo de motores. Los ahorros generados por la disminución de la frecuencia en las actividades de mantenimiento son muy difíciles de cuantificar ya que cada tipo de instalación es totalmente diferente con distintos tipos de receptores tanto en tipo como en potencia y como en cantidad. Lo que sí se puede determinar es que es un ahorro que puede ser importante. Por tanto, el análisis de rentabilidad hay que centrarlo en el ahorro de consumo de kWh. Como ya se comentó existen varios métodos para medir la rentabilidad de la inversión. El más usado es el tiempo de retorno o payback que nos indica en cuanto tiempo se recupera la inversión, pero el más adecuado seguramente es el método del cálculo de la tasa interna de retorno. Un ejemplo para evaluar su rentabilidad es el estudio real de una fábrica que ha tenido un consumo en el año 2009 de 979.572 kWh con una factura eléctrica de 121.956,72 €. La máxima potencia que se alcanzado en la instalación ha sido de 327 kW. Por tanto, el equipo SEBICS que se ofertó fue de 500 KVA cuyo coste, incluido su instalación y puesta en marcha, ascendía a 29.442,54 €. Se ha realizado el cálculo, tanto del plazo de amortización de la inversión como la rentabilidad obtenida, en dos supuestos casos: 1. Que el ahorro obtenido sea el mínimo garantizado del 6% 2. Que el ahorro obtenido sea la media de los resultados obtenidos en las distintas actuaciones monitorizadas y que es de un 12% El coste del kWh se ha incrementado desde 2005 hasta 2011 en un 40% que si lo distribuimos año a año sería

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1

100= 5,77% de aumento anual en estos últimos años.

Para este estudio se ha propuesto un aumento de un 3% anual, que es un valor más conservador. Como no se tienen datos de previsiones de producción para años posteriores se ha partido de que la producción se ha va a mantener en el horizonte temporal marcado.

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En la siguiente tabla se representa los cálculos de los ahorros generados en términos monetarios, tanto si tenemos un ahorro sobre el consumo de energía del 6% como si es del 12%.

COSTE DE LA INVERSION

29.442,54 €

AÑO 1

AÑO 2

AÑO 3

AÑO 4

AÑO 5

AÑO 6

AÑO 7

AÑO 8

AÑO 9

AÑO 10

COSTE KWH (3% ANUAL)

0,1245 €

0,1282 €

0,1321 €

0,1360 €

0,1401 €

0,1443 €

0,1487 €

0,1531 €

0,1577 €

0,1624 €

CONSUMO

979.572 kWh

979.572 kWh

979.572 kWh

979.572 kWh

979.572 kWh

979.572 kWh

979.573 kWh

979.574 kWh

979.575 kWh

979.576 kWh

AHORRO 6% KWH

58.775 kWh

58.774 kWh

58.774 kWh

58.774 kWh

58.774 kWh

58.774 kWh

58.774 kWh

58.774 kWh

58.774 kWh

58.775 kWh

AHORRO 6% EUROS

7.317,40 €

7.536,93 €

7.763,03 €

7.995,92 €

8.235,80 €

8.482,88 €

8.737,37 €

8.999,50 €

9.269,50 €

9.547,59 €

AHORRO ACUMULADO 6%

7.317,40 €

14.854,33 €

22.617,36 €

30.613,29 €

38.849,09 €

47.331,96 €

56.069,33 €

65.068,84 €

74.338,33 €

83.885,92 €

AHORRO 12% KWH

117.549 kWh

117.549 kWh

117.549 kWh

117.549 kWh

117.549 kWh

117.549 kWh

117.549 kWh

117.549 kWh

117.549 kWh

117.549 kWh

AHORRO 12% EUROS

14.634,806 €

15.073,851 €

15.526,066 €

15.991,848 €

16.471,604 €

16.965,752 €

17.474,742 €

17.999,003 €

18.538,992 €

19.095,181 €

AHORRO ACUMULADO 6%

14.634,81 €

29.708,66 €

45.234,72 €

61.226,57 €

77.698,17 €

94.663,93 €

112.138,67 €

130.137,67 €

148.676,66 €

167.771,84 €

Para el cálculo de la rentabilidad de la inversión se planteado un horizonte temporal de de 10 años (el equipo tiene una vida útil superior a 25 años). En la siguiente tabla se representa los flujos de caja y las rentabilidades obtenidas: AHORRO 6%

AÑO 0

AÑO 1

AÑO 2

AÑO 3

AÑO 4

AÑO 5

AÑO 6

AÑO 7

AÑO 8

AÑO 9

AÑO 10

CASHFLOW

-29.442,54 €

7.317,40 €

7.536,93 €

7.763,03 €

7.995,92 €

8.235,80 €

8.482,88 €

8.737,37 €

8.999,50 €

9.269,50 €

9.547,59 €

CASHFLOW ACUMULADO

-29.442,54 €

-22.125,14 €

-14.588,21 €

-6.825,18 €

1.170,75 €

9.406,55 €

17.889,42 €

26.626,79 €

35.626,30 €

44.895,79 €

54.443,38 €

AÑO 0

AÑO 1

AÑO 2

AÑO 3

AÑO 4

AÑO 5

AÑO 6

AÑO 7

AÑO 8

AÑO 9

AÑO 10

CASHFLOW

-29.442,54 €

14.634,81 €

15.073,85 €

15.526,07 €

15.991,85 €

16.471,60 €

16.965,75 €

17.474,74 €

17.999,00 €

18.538,99 €

19.095,18 €

CASHFLOW ACUMULADO

-29.442,54 €

-14.807,73 €

266,12 €

15.792,18 €

31.784,03 €

48.255,63 €

65.221,39 €

82.696,13 €

100.695,13 €

119.234,12 €

138.329,30 €

23,95%

TIR A 10 AÑOS

< 4 AÑOS

PAYBACK

AHORRO 12%

TIR A 10 AÑOS PAYBACK

51,67% < 2 AÑOS

Por tanto, de los resultados obtenidos se puede concluir: 1. que en este caso particular la rentabilidad mínima garantizada (el ahorro mínimo garantizado de SEBICS es del 6%) a 10 años vista es de 23,95% anual, con un plazo de amortización inferior a 4 años, 2. que en este caso la rentabilidad media que podría obtenerse es del 51,67% anual, con un plazo de amortización inferior a 2 años, 3. que al no estar cuantificados los ahorros en mantenimiento, a dichas rentabilidades habría que sumarles los valores correspondientes por dichos ahorros, Página 12 de 13


4. aunque no se han cuantificado, los beneficios medioambientales debido menor consumo de energía eléctrica son importantes y sobre todo cuando el mix energético actual depende tanto de los combustibles fósiles.

6.- CONCLUSIONES FINALES El dispositivo SEBICS descrito tiene dos beneficios fundamentales: la mejorara de la calidad de la energía eléctrica y, por consiguiente, la durabilidad de los equipos consumidores, y, otro beneficio, un importante ahorro en el consumo eléctrico con un mínimo garantizado del 6%, una media de ahorro de un 12% llegando en algunas instalaciones a superar el 20%. Es un equipo con unos plazos retorno de la inversión muy cortos con una vida útil de más de 25 años.

7.- CONTACTO Para más información contactar con: Eduardo Elúa Samaniego Ingeniero Industrial eelua@greeneffciency.es Móvil: 644 34 07 00

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Sistema de Ahorro Energético SEBICS