¿Es el aluminio más barato que el cobre en los transformadores?

En la adquisición y selección de transformadores, la pregunta más frecuente es "¿Cuál es más barato, el aluminio o el cobre?", especialmente para proyectos sensibles al presupuesto, ya que la selección de materiales impacta directamente la inversión inicial y los costos de operación y mantenimiento a largo plazo. En realidad, la respuesta es bastante clara: en la fabricación de transformadores, el costo total del aluminio es mucho menor que el del cobre, pero "más barato" no equivale a "más rentable". Entonces, ¿cómo se debe elegir? Echemos un vistazo.

De hecho, el aluminio es más barato que el cobre.

Desde las materias primas hasta los productos terminados, la ventaja de costos del aluminio en los transformadores es constante en todo momento. Primero, veamos los precios de las materias primas básicas. Con referencia a las últimas cotizaciones de la Bolsa de Metales de Londres (LME), los futuros de cobre de la LME se situaron en aproximadamente 13.245 $/tonelada, mientras que los futuros del aluminio de la LME se situaron en aproximadamente 3.548 $/tonelada.

El precio del aluminio es sólo alrededor de un tercio del precio del cobre. Esta importante diferencia de precio determina directamente la diferencia en los costes de adquisición entre los dos materiales utilizados en los transformadores.

Tomando como ejemplo un transformador sumergido en aceite de 10kV/2500kVA, el precio de compra de un modelo totalmente de aluminio es de aproximadamente entre 25.000 y 33.000 dólares estadounidenses, mientras que un modelo totalmente de cobre cuesta entre 39.000 y 53.000 dólares estadounidenses. El coste de adquisición del aluminio es entre un 30% y un 50% menor que el del cobre.

Además de las materias primas, el aluminio también tiene ventajas en los costes de procesamiento y transporte. La densidad del aluminio es sólo alrededor del 30% de la del cobre. Para la misma capacidad, un transformador totalmente de aluminio es más liviano, lo que reduce el consumo de energía de procesamiento y los costos de transporte e elevación, lo que lo hace particularmente adecuado para áreas montañosas e instalaciones de gran altitud donde el transporte es difícil.

Además, los recursos de aluminio son mucho más abundantes que el cobre, lo que da como resultado una cadena de suministro más estable y fluctuaciones de precios significativamente menores, lo que hace que el presupuesto de costos para los transformadores de aluminio sea más fácil de controlar.

Comparación de rendimiento

Detrás de la ventaja de costes también son significativas las diferencias de rendimiento entre el aluminio y el cobre. Las principales diferencias radican en la conductividad, la disipación de calor, la resistencia mecánica y la vida útil, que también son factores clave que afectan los costos operativos a largo plazo.

En términos de conductividad, el cobre tiene una resistividad de aproximadamente 1,72 × 10⁻⁸ Ω·m, mientras que el aluminio tiene una resistividad de aproximadamente 2,82 × 10⁻⁸ Ω·m, 1,6 veces la del cobre.

Esto significa que para conseguir la misma capacidad de transporte de corriente que el cobre, es necesario aumentar la sección transversal del conductor de aluminio aproximadamente 1,6 veces. Esto da como resultado que los transformadores bobinados en aluminio tengan mayores volúmenes de bobina y tamaños de núcleo, lo que los hace más altos y delgados en general, mientras que los transformadores bobinados en cobre son más compactos.

Las ventajas del cobre son aún más pronunciadas en términos de pérdidas y estabilidad. El cobre tiene una mejor disipación del calor; Bajo la misma carga, los devanados de cobre generan menos calor y las pérdidas tanto sin carga como con carga son menores que los devanados de aluminio, lo que resulta en mayores ahorros de electricidad a largo plazo. Por ejemplo, en un modelo de 10 kV/1000 kVA, un aumento del 1 % en la eficiencia del devanado de cobre puede ahorrar aproximadamente 5000 kWh de electricidad al año.

Mientras tanto, el cobre tiene una mayor resistencia mecánica, una mayor resistencia a la fluencia y una resistencia a la oxidación superior en comparación con el aluminio. Los devanados de aluminio son propensos a la oxidación, formando una película de óxido de aluminio, lo que provoca un sobrecalentamiento en los puntos de conexión, lo que lleva a una mayor tasa de fallas en operaciones prolongadas a alta temperatura. El aluminio también tiene una capacidad de resistencia a cortocircuitos más débil que el cobre.

En términos de vida útil, los transformadores con bobinados de cobre pueden durar entre 25 y 30 años, mientras que los transformadores con bobinados totalmente de aluminio solo duran entre 10 y 15 años, y con procesos de fabricación deficientes, incluso menos de 10 años. Además, el cobre tiene un valor de reciclaje mucho mayor que el aluminio. Un transformador con núcleo de cobre usado se puede reciclar por aproximadamente entre 1400 y 2100 dólares, mientras que un transformador con núcleo de aluminio solo se puede vender por entre 830 y 1110 dólares. Desde la perspectiva del ciclo de vida completo, la ventaja del valor residual del cobre es significativa.

Es importante tener en cuenta que los transformadores de aluminio fabricados conforme a las normas (como el modelo S20) pueden lograr las mismas pérdidas estándar nacionales que los transformadores de cobre al aumentar el diámetro del cable y optimizar la estructura. Esto no significa que "los transformadores de aluminio consuman necesariamente más electricidad", sino que el aluminio se beneficia de una "compensación de diseño", mientras que el cobre se beneficia de una "ventaja natural".

Juego de rentabilidad

El núcleo de la rentabilidad reside en el equilibrio entre insumos y retornos. La elección entre aluminio y cobre se reduce esencialmente a una compensación entre costos a corto plazo y beneficios a largo plazo, con conclusiones de rentabilidad completamente diferentes según el escenario.

Para uso a corto plazo y presupuestos extremadamente ajustados, el aluminio ofrece una mejor rentabilidad. Los ejemplos incluyen el suministro de energía temporal para sitios de construcción, pequeñas estaciones base en áreas remotas y subestaciones transformadoras de gama baja en redes eléctricas rurales. Estos escenarios tienen cargas estables y relativamente ligeras, sin pérdidas económicas significativas por cortes de energía. La elección de transformadores de aluminio puede reducir significativamente la inversión inicial e incluso con una vida útil más corta, pueden satisfacer las necesidades de uso a corto plazo.

Basado en una vida útil de 15 años, el costo total del ciclo de vida (compra + mantenimiento + electricidad) de un transformador totalmente de aluminio es de aproximadamente $76 000 a $104 000, aparentemente más bajo que el de los transformadores de cobre. Sin embargo, esto se basa en un uso a corto plazo y cargas bajas.

Para escenarios de operación a largo plazo con altos requisitos de confiabilidad y eficiencia energética, el cobre ofrece una rentabilidad superior. Los ejemplos incluyen hospitales, centros de datos, grandes parques industriales y comunidades residenciales. Estos escenarios requieren un funcionamiento continuo las 24 horas y tienen requisitos extremadamente altos de estabilidad del suministro de energía. Las ventajas de los transformadores de cobre (bajas pérdidas, baja tasa de fallas y larga vida útil) están completamente demostradas.

Aunque los transformadores de cobre tienen un costo de compra inicial más alto, sus costos de operación y mantenimiento a largo plazo son más bajos: los transformadores de tipo seco totalmente de cobre prácticamente no requieren mantenimiento, con costos de mantenimiento anual de sólo $110-210, mientras que los transformadores de aluminio requieren costos de mantenimiento anual de $550-970 y están sujetos a reparaciones frecuentes. Se estima que si una empresa opera más de 6.000 horas al año, los ahorros en costos de electricidad y mantenimiento de los transformadores de cobre durante 3 a 5 años pueden cubrir la diferencia del precio de compra inicial.

Panorama del mercado

En el mercado actual de transformadores, el aluminio y el cobre no son competidores, sino que se complementan según los escenarios de aplicación, ocupando cada uno una cuota de mercado diferente.

Los transformadores de aluminio ocupan principalmente el mercado de gama baja a media, especialmente en el sector de redes de distribución de 35 kV y menos, donde se espera que su tasa de penetración alcance el 65%. Se utilizan principalmente en mejoras de redes eléctricas rurales, proyectos de distribución temporal y pequeñas fábricas con presupuestos limitados, cuyo requisito principal es "bajo costo y satisfacer las necesidades básicas de suministro de energía". Con las mejoras en la tecnología de procesamiento de aluminio, el rendimiento de los transformadores de aluminio que cumplen con las normas se optimiza continuamente, lo que hace que su posición dominante en el mercado de gama baja sea difícil de superar.

Los transformadores de cobre, por otro lado, dominan el mercado de gama media a alta, especialmente en aplicaciones de alto voltaje y alta capacidad. Por ejemplo, en escenarios como estaciones de refuerzo de energía fotovoltaica/eólica, centros de datos, hospitales y metros, donde la confiabilidad del suministro de energía y la eficiencia energética son extremadamente exigentes, los transformadores de cobre, con sus bajas pérdidas y su alta estabilidad, son la opción preferida.

Desde la perspectiva de las tendencias del mercado, con el avance de los objetivos de "doble carbono" y la mejora de los estándares de eficiencia energética, la penetración en el mercado de los transformadores de eficiencia energética de Nivel 1 se está acelerando. Los transformadores de cobre, con su ventaja de bajas pérdidas, verán un crecimiento continuo en la demanda en escenarios de gama media a alta. Los transformadores de aluminio, por otro lado, continuarán enfocándose en escenarios de suministro de energía temporal y de bajo costo, al mismo tiempo que cumplen con los requisitos básicos de eficiencia energética a través de la optimización del proceso, formando un patrón estable de "cobre de alta gama que domina y complemento de aluminio de gama baja".

Original source: https://www.alcustrip.com/es/a/is-aluminum-cheaper-than-copper-in-transformers.html