TECNOLÓGICO NACIONAL DE MÉXICO.
INGENIERÍA ELECTROMECÁNICA. “IEME”
MATERIA: AHORRO DE ENERGÍA ING. HECTOR CERVANTES MORALES UNIDAD 5 “TÉCNICAS
DE AHORRO EN SISTEMAS ELECTRICOS ” ALUMNO:
RAMÓN ALEJANDRO VALDEZ VÁZQUEZ. JESÚS GERARDO MÉNDEZ FARÍAS. RAÚL VILLAFAN FABIAN. ZAYRA GABRIELA AVALOS ALVAREZ. “82EA”
AHORRO DE ENERGÍA
Página 1
INTRODUCCIÓN. En la actualidad y desde ya hace muchos años la electricidad ha sido un elemento fundamental para llevar a cabo gran parte de nuestras actividades diarias, ya sea domésticas, laborales, industriales, comerciales o recreativas y gracias a este tipo de energía, en gran medida hoy tenemos una mejor calidad de vida que hace décadas y siglos, pues nos es suficiente con presionar un botón o interruptor para conseguir luz, calor, aire fresco y limpio, imagen, sonido o una línea de comunicación. El uso de la electricidad es indispensable hoy en día para todos nosotros, sin embargo, pocas veces reflexionamos y consideramos de manera seria su importancia, lo que nos lleva a utilizar este recurso de manera indiscriminada, descontrolada e ineficiente. Por lo anterior, el ahorro de energía eléctrica se ha convertido en una práctica cada vez más importante, más difundida entre la sociedad y es un elemento fundamental para lograr un aprovechamiento ideal de los recursos energéticos con los que contamos actualmente, pues ahorrar electricidad no solo implica un beneficio económico sino ambiental, ya que se disminuye el consumo de combustibles, la emisión de gases contaminantes hacia la atmósfera y se reduce la generación de calor. En el mundo se utilizan diferentes recursos para generar electricidad y gracias a la riqueza natural del territorio de nuestro país, en México hay una gran cantidad de fuentes de energía, sin embargo, la generación de electricidad se realiza en su mayor parte utilizando petróleo, carbón y gas natural, lo que tiene grandes implicaciones para el medio ambiente, pues el uso de estos recursos no renovables, principalmente los combustibles fósiles, impacta considerablemente el entorno natural. Las consecuencias de esto son bien conocidas en nuestra época: emisión de gases contaminantes, efecto invernadero, calentamiento global y las consecuencias que estos fenómenos tienen y pueden llegar a tener en el futuro. Y es precisamente por todo lo anterior, por la importancia que tiene la electricidad para el ser humano en nuestros días y por las consecuencias negativas que todos podemos sufrir por el uso inadecuado y descontrolado de este recurso, y en consecuencia de otras fuentes energéticas, que es de suma importancia para todos que aprendamos a utilizar de manera eficiente la electricidad. Uno de los grandes inconvenientes que se tiene actualmente para lograr hacer consciencia en la población general es la idea que muchos tienen, que el ahorro de energía eléctrica y de cualquier otro recurso, implica invariablemente un sacrificio, como disminuir nuestra calidad de vida, eliminar varias de nuestras comodidades o no satisfacer por completo nuestras necesidades. Por ello es menester aclarar que utilizar de manera eficiente la electricidad, y con esto conseguir un ahorro considerable, es complicado, desde luego, pero no es AHORRO DE ENERGÍA
Página 2
sinónimo de sacrificio. Ahorrar energía implica más bien un cambio importante de hábitos y actitudes con el objetivo de incrementar la eficiencia energética, utilizar racionalmente los recursos energéticos, proteger y mejorar la economía personal y familiar y principalmente preservar y proteger el medio ambiente.
TÉCNICAS DE AHORRO EN SISTEMAS ELECTRICOS.
AUDITORIA ENERGÉTICA:
Una auditoría energética es una inspección, estudio y análisis de los flujos de energía en un edificio, proceso o sistema con el objetivo de comprender la energía dinámica del sistema bajo estudio. Normalmente una auditoría energética se lleva a cabo para buscar oportunidades para reducir la cantidad de energía de entrada en el sistema sin afectar negativamente la salida. Cuando el objeto de estudio es un edificio ocupado se busca reducir el consumo de energía, manteniendo y mejorando al mismo tiempo el confort higrotérmico, la salubridad y la seguridad. Más allá de la simple identificación de las fuentes de energía, una auditoría energética tiene por objeto dar prioridad a los usos energéticos de acuerdo con el mayor a menor costo efectivo de oportunidades para el ahorro de energía. Cada vez con más frecuencia en las últimas décadas, las auditorías energéticas han permitido reducir la demanda de energía, cada día más costosa, los gastos y avanzar hacia un desarrollo sostenible. Esto ha hecho que las auditorías energéticas sean cada vez más populares. Con estas auditorías se ha tratado de reducir los consumos energéticos en el sector industrial a través de Guías de ahorro y Eficiencia Energética, los programas de auditorías energéticas han demostrado su eficacia a escala mundial para mejorar el Rendimiento energético de las instalaciones industriales. En este sector las auditorías energéticas persiguen un triple objetivo: 1. Adecuar los consumos reales de la planta a los consumos nominales, garantizando un buen mantenimiento de las instalaciones. 2. Reducir los consumos nominales con nuevas Tecnologías que aumenten la eficiencia del consumo energético. 3. Minimizar la demanda del proceso optimizando la operación de los servicios energéticos.
AHORRO DE ENERGÍA
Página 3
ESTUDIO DEL FACTOR DE CARGA:
Todos los sistemas eléctricos son afectados, en mayor o menor medida, por pérdidas de energía, las cuales causan diversos perjuicios al medio ambiente en general, requiriendo mayor consumo de recursos no renovables debido a que se debe disponer mayor generación conforme aumentan las pérdidas; y al sistema eléctrico en particular, limitando la capacidad técnica y aumentando la solicitación de las instalaciones. En general las pérdidas de energía pueden clasificarse en dos grupos: Pérdidas técnicas y no técnicas. Las empresas de distribución de energía adoptan variadas metodologías para el cálculo de las pérdidas técnicas, que se nutren de la información proveniente directamente de mediciones y de datos que se desprenden de algoritmos de cálculo. Es común, que los procedimientos empleados para el cálculo utilicen un factor denominado: factor de carga de pérdidas. Actualmente, para obtener un valor aproximado de dicho factor que permita agilizar los cálculos, se utiliza típicamente una ecuación empírica. Es objeto del presente trabajo mostrar un método alternativo para obtener un valor del factor de carga de perdida con un grado mayor de aproximación. Para ello se aplica un algoritmo de inteligencia artificial, particularmente una red neuronal, que luego de un apropiado entrenamiento permite obtener resultados satisfactorios. Los sistemas eléctricos de potencia están compuestos por una variada cantidad de elementos, los cuales no presentan un comportamiento ideal de funcionamiento en régimen nominal de trabajo (transformadores, líneas, etc.), motivo por el cual, los mismos presentan pérdidas de energía que se encuadran dentro de las denominadas pérdidas técnicas y se calculan a través de diferentes metodologías. Las pérdidas técnicas de energía vinculadas con un alimentador de media tensión típico están relacionadas principalmente con el valor de la resistencia eléctrica de los conductores, la magnitud cuadrática de la corriente eléctrica que por ellos circula y el tiempo de exposición de dichos conductores a la circulación de la mencionada corriente. Considerando que la corriente eléctrica en un alimentador de media tensión típico no permanece constante conforme transcurre el paso del tiempo, el valor de pérdida técnica de energía, asociada con dicho alimentador, para un determinado periodo de tiempo queda expresado a través de la siguiente expresión:
AHORRO DE ENERGÍA
Página 4
Con el objeto de obtener los valores de las pérdidas de potencia Pp(t) correspondientes a un periodo de tiempo, se realizan sucesivas simulaciones de flujos de cargas a lo largo del lapso de tiempo considerado. En redes con numerosa cantidad de alimentadores, resulta extremadamente laborioso y poco práctico calcular el valor de pérdida técnica de energía de este modo, debido al elevado tiempo de procesamiento y cálculo que demanda. Para disminuir considerablemente la cantidad de flujos de cargas necesarios y facilitar la resolución de la ecuación (1), es una práctica habitual la utilización del valor de corriente eficaz máxima correspondiente al periodo de análisis, por ser éste un valor característico y fácil de obtener de los alimentadores. Contemplando lo dicho, la expresión (2) permite obtener el valor de la energía de perdida Ep correspondiente a un alimentador a través de la utilización de la corriente eficaz máxima para calcular la potencia de perdida máxima Pp max , la cual multiplicada por el tiempo arrojará un valor de energía, que afectado por el Factor de carga de perdida Fcp permitirá obtener el valor de energía de perdida correspondiente al periodo de tiempo que se esté considerando.
Mediante la aplicación de la ecuación (2) es posible calcular la energía perdida en cada alimentador de media tensión que compone el sistema eléctrico, utilizando como dato su demanda máxima. El cálculo del factor de carga de perdida Fcp , se efectúa a través de una relación empírica de uso generalizado en los estudios de planificación de redes de distribución, dada por la expresión (3), la cual permite determinar el Fcp cuando el factor de carga Fc del alimentador bajo análisis es conocido [10]. Entendiendo como factor de carga Fc a la relación entre el consumo durante un período determinado de tiempo y el consumo que habría resultado de la AHORRO DE ENERGÍA
Página 5
utilización permanente de la potencia máxima observada durante dicho período, como se desprende de la ecuación (4).
Con el objeto de disminuir los errores que se introducen en el cálculo de la perdida de energía Ep debido a la utilización del factor de carga de perdida, el presente trabajo muestra una forma alternativa de cálculo de dicho factor Fcp.
Metodología alternativa para cálculo del Factor de carga de pérdida. La pérdida de energía en un alimentador se modifica de acuerdo a las variaciones de la carga de dicho alimentador, una curva típica de variación de la demanda diaria de un alimentador puede tomar una forma como la mostrada en la Figura 1.
El valor del factor de carga de pérdida permite calcular con una aproximación aceptable la perdida de energía de un alimentador de distribución y es una práctica común obtenerlo actualmente utilizando una relación empírica dada por la ecuación (3). Para poder obtener un Fcp que permita arrojar valores más aproximados de la perdida de energía Ep, se propone la utilización de un algoritmo de inteligencia artificial, particularmente una arquitectura de red neuronal. Los datos que ingresan AHORRO DE ENERGÍA
Página 6
a la red neuronal para obtener como resultado el valor del Fcp, y que comúnmente se encuentran disponibles, son valores de corriente eficaz correspondiente al alimentador de media tensión considerado. En distintos momentos del día durante diferentes días representativos.
APLICACIÓN DEL FACTOR DE POTENCIA:
¿Qué es el Factor de Potencia? Es un indicador sobre el correcto aprovechamiento de la energía, de forma general es la cantidad de energía que se ha convertido en trabajo. El factor de potencia puede tomar valores entre 0 y 1, lo que significa que:
Beneficios al corregir el factor de potencia. -Disminución de pérdidas en los conductores. -Reducción de las pérdidas de las caídas de tensión. -Aumento de la disponibilidad de potencia de transformadores y líneas. -Incremento de la vida útil de las instalaciones eléctricas. -Reducción del costo de su facturación de energía eléctrica. El valor ideal del factor de potencia es 1, esto indica que toda la energía consumida por los aparatos ha sido transformada en trabajo. Por el contrario, un factor de potencia menor a la unidad significa mayor consumo de energía necesaria para producir un trabajo útil. Considerando lo anterior el factor de potencia por debajo del 90% significa energía desperdiciada por su empresa y en consecuencia un incremento innecesario en el importe de su facturación por este concepto. De acuerdo al comportamiento del factor de potencia se aplica una penalización cuando el f.p. es < al 90% o bonificación cuando el f.p. es > al 90% conforme a lo siguiente:
AHORRO DE ENERGÍA
Página 7
Origen del bajo Factor de Potencia. La mayoría de los equipos eléctricos utilizan potencia activa o real que es la que hace el trabajo real y utilizan también la potencia reactiva, la cual no produce un trabajo físico directo en los equipos. Un alto consumo de energía reactiva puede producirse como consecuencia principalmente de: -Un gran número de motores. -Presencia de equipos de refrigeración y aire acondicionado. -Una sub-utilización de la capacidad instalada en equipos electromecánicos, por una mala planificación y operación en el sistema eléctrico de la industria. -Un mal estado físico de la red eléctrica y de los equipos de la industria. Además del incremento en el importe de la facturación, un bajo factor de potencia también deriva en los siguientes problemas: -Mayor consumo de corriente. -Aumento de las pérdidas en conductores. -Desgaste prematuro de los conductores. -Sobrecarga de transformadores y líneas de distribución. -Incremento en caídas de voltaje. Ya que el bajo factor de potencia se origina por la carga inductiva, que algunos equipos requieren para su funcionamiento, es necesario compensar este consumo reactivo mediante bancos de capacitores y/o filtros de armónicas (Carga lineal y no lineal). Se pueden manejar tres arreglos para la aplicación de capacitores, los cuales pueden combinarse entre sí según el arreglo que más beneficie en cada caso.
AHORRO DE ENERGÍA
Página 8
Compensación individual: Únicamente estaría en servicio cuando opere la carga a controlar.
Compensación en grupo: Varias cargas de igual capacidad y periodo de trabajo, se pueden compensar con un capacitor en común, en un punto único como un centro de carga.
Compensación central: Cargas distintas que operan a diferentes períodos pueden ser compensadas, con un banco único de capacitores, conectado usualmente a la entrada de la instalación, el cual mejora el nivel de voltaje pero no reduce las pérdidas.
INVESTIGACIÓN DE LOS TIPOS DE TARIFAS ELÉCTRICAS:
Existen dos procesos en principio independientes pero que finalmente están asociados en la búsqueda de eficiencia: La determinación de las tarifas objetivo eficientes,
La planificación de las inversiones en el sector eléctrico.
En los esquemas donde la planificación es centralizada, como en el caso de México, donde los planes de inversión son aprobados por la Secretaría de Energía, quien debe asegurar la eficiencia de los mismos, las metas de mejora de eficiencia no están incluidas en el cálculo tarifario inicial. En los esquemas donde la planificación de las inversiones no es centralizada, la definición de las mismas AHORRO DE ENERGÍA
Página 9
es un proceso de decisión de cada empresa y controlado en última instancia por el ingreso tarifario (el cual debe ser suficiente para permitir que la empresa realice las inversiones necesarias para operar) y la regulación de la calidad. De acuerdo con lo señalado en los TdR, el Consultor debe plantear la metodología para estimar los impactos que tendrían en los costos actuales determinados en la tarea 3, el logro de las metas de eficiencia y productividad y calidad determinadas en la actividad 5.1 (informes N° 51, 52, 53 y 54). Las metas de eficiencia y productividad determinadas en los citados informes se sintetizan a continuación:
Metas de eficiencia y productividad en los costos de operación y mantenimiento de generación:
De acuerdo a los resultados obtenidos en la Tarea 5.1.1 - Informes N° 51 y 52, (Parte A – Centrales Generadoras), el costo de explotación asociado a las actividades de operación y mantenimiento del parque de generación de CFE, promedio ponderado, expresado como costo monómico global, presenta una ineficiencia de 10% o bien una eficiencia de 0,90, lo cual implica que los costos de OyM de CFE admiten una rebaja de 10% para ser calificados como eficientes.
Metas de eficiencia y productividad en la administración, operación y mantenimiento de transmisión y subtransmisión:
De acuerdo a los resultados obtenidos en la Tarea 5.1.2 - Informes N° 51 y 52, (Parte B – Transmisión y Subtransmisión), el costo de operación y mantenimiento del segmento de transmisión de CFE se encuentra en el rango de 3.2% a 3.5% del VNR de las instalaciones de transmisión, siendo un indicador eficiente recomendado el 3.0% del VNR; ello implica que los costos de OyM de transmisión de CFE admiten una rebaja de un 10% para ser calificados de eficientes. En el caso del segmento de subtransmisión, el mismo informe citado en el párrafo anterior entrega el resultado de un benchmarking internacional, sobre la base del cual el Consultor recomendó adoptar un 4% del VNR de las instalaciones de subtransmisión de CFE, como valor representativo de costos de OyM eficientes. Este resultado implica una rebaja de 10% en los costos de OyM de subtransmisión de CFE para ser calificados de eficientes.
Metas de eficiencia y productividad en la administración, operación y mantenimiento de la distribución:
De acuerdo a los resultados obtenidos en la Tarea 5.1.3 - Informes N° 53 y 54, los costos operativos totales de CFE en el segmento de distribución, incluyendo OyM de redes, costos comerciales y administrativos, presentan una ineficiencia estimada en 18%. Esto implica que los costos operativos totales de distribución de CFE deberían bajar en al menos 18% para ser calificados de eficientes. Lo AHORRO DE ENERGÍA
Página 10
anteriormente indicado puede observarse en la siguiente tabla donde se detallan los costos de explotación y los ahorros que introduce la eficiencia.
Se define un sendero de transición lineal, entre los años 2014 y 2018 para alcanzar los objetivos de eficiencia de los procesos de suministro. Como se muestra en el cuadro, la reducción total de los costos de explotación OyM debe alcanzar un valor de 14% en el año 2018, por lo tanto se determina un factor de ajuste igual a 2.59%1 anual acumulativo sobre los costos de explotación OyM del año 2003. Determinación de los costos eficientes: De acuerdo con los TdR, el Consultor debe plantear la metodología para el cálculo y determinar los costos relacionados con una operación eficiente de CFE, considerando las metas de eficiencia, productividad y calidad. Costos eficientes por metas de eficiencia en costos de explotación de transmisión, subtransmisión y distribución Al igual que la obtención de los costos eficientes de explotación de generación, en los segmentos de transmisión, subtransmisión y distribución, los costos eficientes de explotación se obtienen de aplicar las metas de eficiencia en la explotación señaladas en los acápites 2.1.1 b) para transmisión y subtransmisión y 2.1.1 c) para distribución, a los costos totales de explotación de los segmentos, respectivamente.
Costo eficiente de OyM de transmisión = Costo de OyM de transmisión base * Nivel de eficiencia de transmisión. Costo eficiente de OyM de subtransmisión = Costo de OyM de subtransmisión base * Nivel de eficiencia de subtransmisión. Costo eficiente de OyM de distribución = Costo de OyM de distribución base * Nivel de eficiencia de distribución.
A partir de los costos totales de servicio de CFE se le aplica la reducción en costos en los procesos determinados en los puntos anteriores obteniéndose así los costos totales eficientes en el largo plazo. AHORRO DE ENERGÍA
Página 11
CONCLUSIÓN. El estudio del Factor de carga se realiza para determinar el consumo de energía, así mismo como las pérdidas de la misma, esto se debe a que los equipos eléctricos no tienen un consumo uniforme de potencia y corriente, es por estos factores que se tiene que llevar a cabo un estudio del factor de carga de las pérdidas que se generan dentro de un sistema, esto ayuda a tomar decisiones y alternativas para un mejor aprovechamiento de la energía eléctrica. El uso del factor de potencia se tiene que llevar de una forma adecuada para el aprovechamiento de la energía eléctrica, lo más considerable es tener el valor de dicho factor lo más cercano a 1, para considerar que tiene un funcionamiento adecuado, así mismo tener eficiencia en el consumo de energía eléctrica, ya que si no se cuenta con un factor de potencia adecuado lo más probable es que tengamos un consumo más elevado y con menor aprovechamiento, de igual forma reduciendo la eficiencia en el consumo y ahorro energético. La investigación de las tarifas eléctricas conlleva a tomar en cuenta artículos institucionales basados en el aprovechamiento y consumo de la energía eléctrica, por lo cual es un largo proceso poder adecuar tarifas que resulten adecuadas para cada tipo de usuario, esto se debe al tipo de uso que se le da a dicha energía, además tomando en cuenta los canales por los que se conduce la electricidad:
Generación. Transmisión. Subtransmisión. Distribución.
Por lo cual, se buscan planificaciones estratégicas para las inversiones en el sector eléctrico que permita una mejor eficiencia, así mismo obteniendo ahorros significativos.
AHORRO DE ENERGÍA
Página 12
CFE. (21 de Mayo de 2017). CFE. Obtenido de CFE: http://www.cfe.gob.mx/industria/ahorroenergia/lists/ahorro%20de%20energa/attachme nts/3/factordepotencia1.pdf Cidel. (18 de Febrero de 2010). cidel2010. Obtenido de cidel2010: http://www.cidel2010.com/papers/paper-93-18022010.pdf CRE. (22 de Julio de 2014). CRE.GOB. Obtenido de CRE.GOB: http://www.cre.gob.mx/estudios/sc0108inf55y56.pdf
AHORRO DE ENERGÍA
Página 13
