administración de energía, un nuevo enfoque
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Administración de la EnergíaTRANSCRIPT
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Índice
Introducción: Diferencias entre ahorro y administración de energía
Página 5
Motivos por los cuales NO conviene ahorrar energía eléctrica
Página 7
La administración de la energía, conceptos básicos:
Aspectos administrativos, distribución interna, conversión de energía y
control de demanda máxima.
Página 19
La administración de energía enfocada como asignación de recursos para
proyectos de producción
Página 23
Criterios para la selección y evaluación en los proyectos de administración
de energía eléctrica
Página 35
Obtención y presentación de resultados de los proyectos de administración
de energía eléctrica
Página 43
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La administración de la energía: la búsqueda continua de la mejora en el
desempeño
Página 53
Calidad de la energía y su impacto en el costo de operación
Página 63
Reducción de pérdidas en distribución:
Un proyecto de corrección de factor de potencia
Página 75
Reducción de pérdidas en distribución:
Localización y análisis de pérdidas en alimentadores
Página 83
Reducción de pérdidas en distribución:
Criterios de selección de calibre de conductor en instalaciones afectadas
por armónicas.
Página 91
Reducción de pérdidas en distribución:
Localización y análisis de pérdidas en transformadores
Página 105
3
Reducción de pérdidas en conversión:
Localización y análisis de pérdidas en motores
Página 117
Reducción de pérdidas en conversión:
Proyecto de sustitución de motores eléctricos por equipo de alta eficiencia
Página 129
Reducción de pérdidas en conversión:
Localización y análisis de pérdidas en luminarias
Página 139
Control de la demanda máxima:
Planteamiento del proyecto
Página 149
Control de la demanda máxima:
Realización del proyecto
Página 161
Control de la demanda máxima:
Control de demanda máxima por medio de soporte por generación propia de
energía.
Página 171
4
Control de la demanda máxima:
Seguimiento de los resultados
Página 181
La administración de la energía:
Proyectos de segunda generación
Página 185
La administración de la energía:
Como convertir los parámetros eléctricos en costos.
(Interpretación de la facturación de energía eléctrica)
Página 191
Bibliografía
Página 201
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Introducción
Diferencias entre ahorro y administración de energía
Se ha escrito mucho sobre la energía eléctrica, en los aspectos de generación, transmisión,
conversión y ahorro de la misma. Incluso en algunos casos se ha tratado a la energía desde el
punto de vista de costos unitarios en los procesos de producción.
En pocas ocasiones se conjuntan ambos puntos de vista, ya que los ingenieros nos quedamos
asombrados con los aspectos técnicos y olvidamos que la decisión se toma es por conveniencia
económica.
Existe una antigua frase que dice “La guerra es demasiado importante para dejar su dirección a los
militares”, en nuestro caso sería “La energía es demasiado importante para dejar su administración
a los ingenieros”.
En este libro se trata la energía eléctrica de una manera integral, no solamente desde el punto de
vista de su costo o de los parámetros eléctricos.
Se plantea una metodología de medición, análisis, manejo de costos y parámetros eléctricos que
permite formar un concepto integral de energía, que abarca desde su consumo, facturación (tanto
el costo a pagar al proveedor externo como su manejo de manera interna), planteamiento de
proyectos de optimización, análisis, reducción de pérdidas y administración.
Este libro pretende ser entendido por ingenieros con tareas administrativas, pero que acepte la
formación de equipos de trabajo, que permita tratar con la energía desde varios puntos de vista,
desde económicos hasta técnicos.
El primer capítulo explica la diferencia entre el ahorro (término comúnmente usado) de energía y la
administración de la misma. Como se apreciará a lo largo del libro, el ahorro es solo una pequeña
parte de la administración de la energía.
Debe quedar claro que el objetivo de administrar la energía es NO afectar calidad ni producción en
el proceso, se pretende mejorar la productividad, logrando más y mejor con menor costo.
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Dada la situación actual de la globalización y competencia con países que ofrecen costos de
energía inferiores a los nuestros, la administración de la energía se vuelve indispensable y una
manera de situar los costos real y efectiva.
Existen procesos en que el costo de la energía no es crítico, pero en todos es importante. La
administración de la energía es algo que llegó para quedarse y es mejor estar conciente, ya que
cada vez nos tomará más tiempo su optimización.
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Motivos por los cuales NO conviene ahorrar energía eléctrica
La administración de la energía eléctrica y la racionalización de su uso
Concepto básico:
La energía eléctrica es un producto no palpable en la fabricación de bienes o para proveer
servicios. No por ser no palpable, es gratuita, ni por desperdiciarla mejoraremos nuestro
nivel ni calidad de vida. La energía eléctrica forma parte de los costos directos de la
fabricación y así debe ser evaluada.
Para administrar la energía debemos tratarla igual que cualquier otra materia prima de los
productos fabricados o servicios objeto de la empresa.
Las acciones a seguir para poder administrar la energía son:
• Cuantificar
Es decir, conocer en forma exacta la cantidad de energía consumida, no solamente del total
por la empresa, sino de ser posible por área o línea de producción. Cada empresa decidirá
como dividir su medición de consumo energético de acuerdo con sus procesos productivos.
• Evaluar
La evaluación es el siguiente paso después de la medición. Este proceso consiste en
calcular la cantidad actual por unidad producida y posteriormente con base en datos
estadísticos e información obtenida de fuentes confiables, determinar la cantidad que se
debe consumir con los procesos y condiciones actuales. Esta será la meta u objetivo a lograr
a corto plazo.
La evaluación también permite analizar las opciones de diferentes procesos de producción y
las diferentes situaciones de la competencia en los niveles nacional e internacional.
En pocas palabras la evaluación nos sitúa donde estamos e indica hacia donde debemos
dirigirnos.
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• Optimizar
Después de haber hecho una evaluación detallada de los consumos de energía por unidad
de producción y analizado las diferentes opciones de los procesos disponibles, se procederá
a plantear los objetivos a lograr con los recursos disponibles, los objetivos a lograr con
proyectos de mediano plazo y recuperación a menos de un año. Finalmente se plantean los
objetivos en proyectos que requieren cambios profundos en el proceso productivo,
modificación de gran escala y modernizaciones de fabricación.
Esta etapa es la que marcará el destino de la producción en planes a largo plazo. En los
países altamente industrializados y eficientes los costos energéticos son de gran importancia
en la determinación de los procesos productivos a elegir.
Metodología a seguir:
Una vez terminado el paso inicial se debe seguir una metodología adecuada para llevar a
cabo los cambios necesarios.
Cuantificar:
La energía eléctrica (en los niveles industrial y comercial, de 100 KW de demanda en
adelante) tiene 7 factores que permiten evaluar su costo:
Energía (KWh) a diferentes horarios Base, Intermedio (valle) y Punta.
Demanda (KW) a diferentes horarios Base, Intermedio (valle) y Punta
Factor de Potencia.
La energía eléctrica es más barata entre las 0:00 y las 6:00 horas entre semana, el sábado y
gran parte del domingo (Horario Base).
Durante el día entre semana y la noche del sábado su precio sube (Horario Intermedio).
De las 18:00 a 22:00 horas entre semana y durante algunas temporadas y en algunas
regiones, también el sábado en la tarde, el costo de la energía puede llegar a ser hasta 4
veces el del horario base.
Los días festivos se consideran como domingos para el cálculo de costos de energía.
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En algunas zonas, existen hasta cuatro periodos de costo de energía al día, de manera que
la complejidad es aún mayor.
En México existen incentivos para disminuir tanto la demanda como el consumo de energía
en el periodo punta, ya sea por disminución de kwh de este periodo, como por la fórmula de
cálculo de la demanda facturable, que favorece por la aplicación de los factores FRI y FRB la
reducción de costos de este concepto.
Además es interesante señalar un aumento neto de entre 25 y 30% de la energía eléctrica
valuándola en dólares US en los últimos 4 años. El precio de la energía en los países a que
se exporta ha sufrido incrementos inferiores a ese valor.
Para detalles sobre la facturación, se deberán consultar otros capítulos, ya que ese punto no
se encuentra dentro del alcance de éste. Para esa información se puede consultar a:
http://www.cfe.gob.mx, en el apartado “Conoce tu tarifa”, donde se podrán verificar los
costos de la energía desde hace 4 años y la política de facturación de CFE y LyFC.
Se sugiere ver el glosario de términos situado al final de este libro para disipar dudas sobre
los términos técnicos alrededor de los aspectos de la facturación.
Una vez que se haya entendido el método de facturación, se puede cuestionar la manera
como se consume la energía eléctrica.
De aquí surge la pregunta ¿Por qué no comprar la energía cuando es más barata?. Eso no
es ahorro, es administración de la energía. Si se efectúa el mismo razonamiento con otras
materias primas, comprar cuando o donde son más baratas, ¿ Por qué no hacerlo con la
energía eléctrica?
Es decir, tratar de consumir lo más que se pueda (en forma eficiente, obviamente) en
periodo base e intermedio y dejar para periodo punta lo indispensable.
En muchos casos esto significa reacomodos de horario de los procesos productivos, por
ejemplo, en una planta automotriz, el proceso de fundido de motores puede reducirse o
incluso detenerse en periodo punta. Compensando la producción de este periodo (4 horas
por día de lunes a viernes) con producción en periodo base (6 horas por día entre semana y
de 0 a 18 horas en sábado y domingo). Vale la pena aclarar que el costo de la energía en el
periodo punta puede llegar a ser (dependiendo de la zona) hasta 4 veces lo que en periodo
base y aprovechar los beneficios por la reducción de la demanda facturable.
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Procesos intensivos en el uso de energía (como la fundición de motores) requieren de
grandes cantidades de la misma, pero también existen procesos de menor consumo que
pueden ser recorridos para no invadir el periodo punta, esto va desde los horarios de salida
de las oficinas, hasta la recarga de equipo (como montacargas) con baterías.
Es importante recordar que NO IMPORTA QUE EL DESPERDICIO DE ENERGIA SEA
PEQUEÑO, CUALQUIER DESPERDICIO SE DEBE EVITAR.
En estos casos se debe eliminar la operación desordenada del equipo (equivale a un manejo
ordenado del automóvil, es decir manejar suave y no hacerlo por medio de aceleraciones
cortas y bruscas, seguidas de actuaciones del freno igual de abruptas).
Este manejo ordenado se mide por medio de lo que se llama “factor de carga”, es decir la
relación entre el promedio de consumo y el pico de demanda. El ideal de este valor es 1.0,
pero es prácticamente imposible de lograr, los valores objetivo a lograr varían para cada
caso, pero puede ser desde 0.9 hasta 0.6 dependiendo del proceso y las circunstancias
propias.
Por último, el factor de potencia. Este parámetro indica que tan eficientemente se consume
la corriente recibida en la instalación, desde un punto de vista estrictamente eléctrico;
existen varios métodos para corregirlo y tratar de alcanzar el valor unitario.
De los métodos de compensar el factor de potencia, no todos eficientes; compensarlo en
forma global le resuelve el problema a la compañía suministradora, no a la propia, el factor
de potencia se debe compensar localmente para evitar las mismas pérdidas en el nivel
interno que son la base de las multas que impone la compañía suministradora en el nivel
externo.
Este tema será tratado posteriormente y no forma parte del alcance de este capítulo.
Evaluar:
Consiste en calcular cuanta es la cantidad razonable de energía a consumir para llevar a
cabo el proceso de manera adecuada, cómoda y segura. Es decir lo que debe consumirse,
ni más ni menos.
Este proceso es difícil y tedioso, pero nos sitúa dentro de la realidad y al llevarse a
cabo, se observará que al evaluar la energía eléctrica también se comenzarán a
optimizar otros recursos (materiales, agua y sobre todo tiempo de las personas
involucradas, el cual es un recurso no renovable).
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Es una práctica cada vez más común el dividir una planta productora para cuestiones
administrativas en secciones, donde cada una compra sus materias primas a la anterior y
vende sus productos a la siguiente.
Este procedimiento obedece a una sencilla razón: nadie cuida las cosas en una organización
grande, es decir el uso de energía, agua y otros recursos se desperdicien con el pretexto de
decir: “yo cuido, pero ellos no”, de manera que todo mundo acaba desperdiciando,
especialmente las materias no tangibles como agua y electricidad.
Al dividir una gran planta en pequeñas unidades de las cuales hay que responder
administrativamente como si fuera una empresa independiente, los empleados se vuelven
más responsables al tener que responder a un jefe directo. Éste a su vez responderá con
resultados de eficiencia y estos números le permitirán obtener recursos para más proyectos
de producción o administración de energía e inclusive premios de productividad.
De esta forma los empleados e volverán más responsables al ver que sus disminuciones
de costos se reflejan en su sección directamente y no se diluyen en toda la planta.
¿Cuál es el secreto para poder realizar esta planeación y administración en secciones?, el
secreto se llama facturación distribuida.
La facturación distribuida, aplicada a la energía eléctrica depende de la medición local y la
aplicación de las mismas reglas de facturación que de la compañía suministradora a cada
una de las diferentes secciones de la planta.
Llevando esta misma operación distribuida a todos los aspectos de la unidad productiva y de
servicios de la planta, se logrará la eficiencia de manejo de una compañía pequeña con
gente comprometida por el uso eficiente de los recursos y la adquisición en volumen
característica de las empresas grandes.
Los sistemas de cómputo actuales facilitan el reporte de resultados y permiten ligar una
administración distribuida a una administración global de la planta.
Una vez que se logre la evaluación de cada división de la planta y cada proceso que la
conforma, se podrá comparar con los niveles de otras plantas en diferentes partes del
mundo y con los niveles mundiales de aprovechamiento.
Como resultado de esta evaluación, se generarán los objetivos que se deberán alcanzar
para consumos de energía, en cada uno de los siguientes tres plazos:
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Plazo inmediato: Son los cambios de operación, adecuaciones de horarios y adaptaciones
que no requieren de inversiones importantes y que comenzarán a dar resultados de manera
inmediata.
Plazo medio: Son los cambios y adecuaciones de los sistemas eléctricos y de producción
que requieren de inversiones con recuperación a menos de 6 ó 12 meses, dependiendo del
caso.
Plazo largo: Son los cambios profundos de proceso y que requieren de grandes inversiones
y sus tiempos de recuperación son de más de doce meses.
Como ejemplo, una medida importante es ordenar los procesos para no consumirla en
forma desordenada y disminuir pérdidas por medio de un factor de potencia adecuadamente
corregido (lo cual no es muy común).
Es indispensable un trabajo interdisciplinario entre todos los grupos que conforman la
organización para lograr estas evaluaciones. Sin embargo normalmente el departamento
más involucrado en esta actividad es mantenimiento.
El error más común que se comete es desligar el costo de la energía de mantenimiento y
asociarlo a contabilidad (ellos no tienen por que conocer la manera como se consume la
energía y no tiene la capacidad ni la responsabilidad técnica para hacerlo).
Conviene mencionar que la muerte de los proyectos de ahorro de energía sobreviene en la
mayor parte de los casos por la falta de evaluación de los resultados, siendo en muchos
casos proyectos exitosos y que poco a poco caen en el olvido y el desuso.
Uno de los grandes errores consiste en no contar con medición adecuada ni la metodología
para poder evaluar en tiempo real el desempeño de estos proyectos.
Una de las sorpresas que resultan después del proceso de cuantificación y evaluación es
que en muchos casos los costos fijos causados por los consumos de oficinas y corporativos
son exagerados, incluso en uno de los casos evaluados en una planta dividida en cinco
procesos productivos y el edificio corporativo, el costo de este último ocupaba el segundo
lugar, es decir, importaba más al mes que cuatro de los cinco procesos productivos.
Estos casos son comunes y no dejan de reportar “sorpresas” desagradables, pero al mismo
tiempo permiten tener grandes oportunidades de disminución de costos.
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Optimizar:
Estos objetivos se plantean en tres niveles diferentes:
• Objetivos a lograr sin modificar las instalaciones, solamente por cambio de hábitos y
horarios. Estas medidas tiene una amortización inmediata al casi no costar y rendir frutos.
• Objetivos a lograr por medio de medición de energía, corrección de factor de potencia e
implantación de equipos de control de demanda. La amortización típica de estos proyectos
va de 6 meses a dos años y pueden rendir frutos muy interesantes.
• Objetivos a lograr por cambios del proceso productivo. Estos objetivos requieren
modificaciones profundas en los procesos de producción y las amortizaciones pueden ser de
2 a 10 años. En muchas ocasiones estos cambios son forzosos, ta que la actualización de la
tecnología del producto lo requiere.
Para seleccionar los proyectos a efectuar, se genera una matriz que contiene en el
vertical los proyectos, en el horizontal el monto que estos requieren y en la
intersección el tiempo de amortización. Estos parámetros se ordenan en forma
ascendente a partir del extremo izquierdo superior.
Al contar con esta matriz se pueden comparar rápidamente las opciones a seguir, los
objetivos trazados y los montos de las inversiones requeridas.
Es importante tener en cuenta que esta matriz es dinámica y continuamente debe ser
ajustada y evaluada para no trabajar con datos obsoletos.
En este punto es donde se puede observar la gran diferencia entre ahorro y administración:
el seguimiento de las acciones.
En el caso del ahorro, no existe seguimiento y en la mayoría de los casos las acciones se
dejan de llevar a cabo después de un tiempo. En el caso de la administración, se da un
seguimiento y se verifica que las acciones no solo se lleven a cabo, sino que cada vez se
efectúen de manera más efectiva y mejor. Cuando estas acciones dejen de ser efectivas, se
desecharán y se impedirá la creación de mitos, acto muy común en las empresas y que
provoca conductas erróneas de las cuales no hay documentación pero se llevan a cabo por
costumbre, “siempre se ha hecho así” es una de las excusas para no corregir los
procedimientos, sin poder dar ninguna justificación al respecto.
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La manera de administrar la energía de la manera más realista y adecuada es evaluar el
costo unitario de producción, tomando en cuenta todos los aspectos de horario de consumo
y su costo por concepto de demanda máxima (este concepto de facturación es demasiado
complejo para cubrirlo en este momento, más tarde se tratará).
Para llevar a cabo adecuadamente estos proyectos se sugiere pasar por las siguientes
etapas en forma cronológica:
1) Análisis del estado actual de la instalación eléctrica. (Conocer el estado actual que
guarda la instalación):
• Levantamiento actualizado de la instalación (información requerida en la obtención
de certificaciones tales como el ISO9000)
• Medición de consumos, voltajes y corrientes en puntos importantes
• Medición de factor de potencia por divisiones, subestaciones o principales cargas
• Obtención de perfiles horarios por división, subestación o principales cargas
• Evaluación de costos por división, subestación o principales cargas
• Evaluación de los porcentajes de carga de los transformadores y perfiles de
operación
Esta etapa tiene una duración de una semana a tres meses, dependiendo del tamaño de las
instalaciones. Se requiere equipo de medición, personal para llevar a cabo las mediciones y
levantamientos.
El resultado de esta etapa es la obtención de una “radiografía” de la instalación eléctrica y
su operación.
2) Con la información recabada, se puede elaborar una facturación aproximada y
verificar los costos que está cobrando la compañía suministradora. (Ver de costos de
energía)
• Análisis de la tarifa utilizada y posibilidades de cambio a otra tarifa más adecuada
• Análisis del comportamiento de la demanda
• Análisis de pérdidas y localización de oportunidades de reducción de costos
• Capacitación necesaria para entender la metodología de cálculo de facturas y costos de
energía por parte del personal de mantenimiento y operación de la planta
Esta etapa tiene una duración aproximada de 2 a 8 semanas y requiere básicamente de
trabajo de escritorio de dos o tres personas.
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El resultado obtenido es la generación de una factura aproximada global y por cada una de
las áreas, la capacitación del personal encargado de mantenimiento y de producción para
poder entender a fondo la metodología de la medición y facturación de energía eléctrica.
También se obtiene una idea bastante clara de los costos de energía eléctrica por cada
subestación o incluso por proceso o etapa de producción.
Simulación en hoja de cálculo de la facturación con diferentes tarifas y con las diferentes
condiciones factibles de producción.
En este punto se recomienda adquirir un sistema de facturación distribuida en tiempo real.
Este sistema es capaz de obtener la facturación actual de la planta y descomponerla en
diferentes puntos de medición, separando los costos de cada uno de estos puntos. El costo
de un sistema así, puede pensarse elevado (algunos miles de dólares, de cuerdo al tamaño
y complejidad de la planta), pero sus beneficios inmediatos lo justificarán plenamente.
3) Planeación de objetivos factibles de disminución de costos de energía por medio
de cambios de poco o ningún costo, inversión recuperable a 6 meses e inversiones
recuperables a 2 años o más. (Para conocer objetivos, metas y evaluación de resultados)
• Análisis de proyectos de administración de energía factibles y sus tiempos de recuperación
• Posibilidades de reducción de costos de energía por cambio de procedimientos
• Proyectos típicos de recuperación a seis meses o menos: corrección local de factor de
potencia, evaluación de sustitución de motores convencionales por motores de alta
eficiencia, cambio de iluminación entre otros
• Sistemas continuos de evaluación de resultados (equipo y procedimientos)
• Ajuste continuo de programas de administración de energía
Esta etapa es la primera en comenzar a registrar resultados, varios de los cuales serán
prácticamente sin costo, solamente por cambio de rutinas de operación y modificaciones
menores.
Se generan observaciones que pueden redituar en disminución de pérdidas y métodos de
evaluación de las mismas.
Con la información de esta etapa existe la posibilidad de plantear de manera sólida los
proyectos encaminados a la administración correcta de la energía eléctrica.
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4) Planteamiento de los proyectos seleccionados de administración de energía (Con
base en objetivos plantear proyectos con metas a lograr)
• Formación de un grupo de trabajo para análisis de proyectos
• Metodología de selección de proyectos. Cálculos financieros de recuperación de la
inversión
• Metodología seguida para el seguimiento de los proyectos
• Reporte de mediciones y resultados de los proyectos realizados
En esta etapa se hace el planteamiento formal de los proyectos de administración de
energía.
Los resultados de esta etapa permitirán el arranque de una serie de proyectos para
realmente administrar la energía eléctrica.
5) Retroalimentación continua de resultados y generación de nuevas oportunidades
de administración de energía (Cambio y adaptación continua)
• Metodología de revisión de proyectos
• Metodología para proposición de nuevas oportunidades de administración de energía
eléctrica
• Revisión continua de resultados y modo de evolución
Esta etapa no tiene una duración definida, debe ser una actividad continua en la operación
de la planta. En caso de estar llevando a cabo diferentes proyectos de administración de
energía, cada proyecto debe tener esta actividad por separado y posteriormente evaluar
globalmente los proyectos realizados.
En esta actividad se requiere que los involucrados en el manejo de energía por parte de la
planta, así como de personas externas que puedan “ver” el panorama conjunto desde
afuera.
El acto de optimizar exige una tremenda honestidad de análisis, ya que en muchas
ocasiones los resultados de la cuantificación y evaluación no son lo que se esperaba y los
desperdicios aparecen donde menos se espera.
Otro punto interesante a seguir en la optimización es la comparación sistemática de equipos
iguales o semejantes con rendimientos diferentes. En muchas ocasiones resulta que se
cuenta con dos o más equipos iguales, reportando una eficiencia de producción totalmente
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diferente y en varias ocasiones el que mejor opera no está aún en su punto óptimo, pero el
otro equipo se encuentra totalmente fuera de ajuste.
Conclusiones
Como ha podido observarse, el costo de inicio de este cambio en la forma de manejar la
energía eléctrica es relativamente bajo a comparación de los resultados que puede redituar.
Conforme este ordenamiento tome lugar, los resultados permitirán justificar la asignación de
más recursos y la capitalización de los logros alcanzados en disminución de costos.
El primer paso a realizar para la administración es medir en forma confiable y segura, por lo
tanto es el punto por donde se debe comenzar, NO SE PUEDE CONTROLAR LO QUE NO
SE MIDE. La facturación de energía eléctrica es tan compleja (horarios, energía, demanda y
factor de potencia) que se requiere de un sistema de facturación distribuida que reporte en
tiempo real los costos de las diferentes partes de la planta. Sin un sistema de este tipo la
administración de energía eléctrica, simplemente es irreal. De ahí que sea aconsejable que
después de llevar a cabo los pasos de obtención de la "radiografía” de la instalación
eléctrica, el siguiente paso recomendado sea la implantación de un sistema con las
características mencionadas.
Es importante observar que como resultado de la primera generación de resultados, se
podrá contar con fondos suficientes para invertir y lograr una segunda generación. Hay
reportes de empresas en países industrializados de encontrarse en la quinta o sexta
generación de proyectos de administración de energía, en los cuales se analizan cambios
tan profundos como la cogeneración o la autogeneración de energía eléctrica.
Finalmente, debe quedar claro que el ahorro de energía mal entendido lleva a una
degradación de la calidad de los procesos y de producción. La administración, por el
contrario, mejora la calidad de los procesos y la producción.
Nuestro objetivo debe ser la mejora continua, no la degradación de nuestros niveles
de vida, calidad y eficiencia de producción por un concepto de ahorro mal entendido.
La administración permite hacer que la utilización de recursos energéticos sea dinámica,
cambiante y se adapte a la modernización y la competencia externa.
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Es muy común que los programas de ahorro de energía caigan en desuso, por muchas
fallas, que pueden ser:
• Falta de incentivos para continuarlo.
• Falta de reconocimiento de las personas que los siguen y aportan ideas
• Cansancio de la rutina
• Falta de organización entre las personas que lo llevan a cabo
• Falta de cuidado
Todos estos programas se podrían salvar si se manejara en lugar de “el ahorro de energía”,
la “administración de energía”.
La administración de energía debe contar con los siguientes aspectos:
• Evaluación continua
• Planteamiento certero de objetivos
• Cumplimiento de objetivos
• Incentivos no solo para lograr los objetivos, sino para poder superarlos
• Aprovechamiento de los recursos (por lo menos parcialmente) que arrojen estos
programas
• Aprovechamiento de estos recursos en proyectos de administración de la energía de la
siguiente generación.
La mejora continua se debe llevar a cabo todos los días y debe ser dinámica. Uno de los
errores comunes de los programas de ahorro de energía es que se vuelven estáticos.
Por eso la conclusión es:
NO ahorre la energía eléctrica; adminístrela, es mejor.
La energía es una materia prima, la cual debe evaluarse, cuantificarse y administrarse, no
sencillamente ahorrarse.
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La administración de la energía, conceptos básicos:Aspectos administrativos propios, distribución interna,conversión de energía y control de demanda máxima.
La administración de energía
Conceptos básicos
Cuando se habla de la administración de la energía se deben considerar varios aspectos
simultáneamente:
1. La energía como parte del proceso, ya que es una de las materias primas.
2. Consiste en un cambio de concepto en la manera de costear los procesos. En
este punto se debe considerar de seriamente un análisis que muestre cuales son
los objetivos de consumo (no de ahorro) de energía. El primero es conocer cuanta
energía se requiere para un proceso “ideal”, el segundo cuanta energía se
requiere para un proceso óptimo en condiciones no existentes en esa instalación
(suponiendo el mejor equipo, disposición y condiciones de una planta) y por último
la cantidad de energía factible con las condiciones y las máquinas actuales
considerando procedimientos, ajustes y operaciones óptimas.
3. Las condiciones y los horarios de compra (análisis de tarifas y manejo de
consumos en tarifas horarias).
4. Se requiere documentar la manera de consumir la energía para poder seleccionar
la mejor opción en cuanto a suministro de energía. Este hecho conlleva un estudio
de ingeniería industrial para llegar a la optimización de procesos de producción
tomando en cuenta los costos de la energía.
5. La administración interna de la energía dentro de la planta y las opciones factibles
de control de consumos en la instalación (conceptos de la administración interna
de la facturación).
6. Trata sobre la metodología de manejo de costos dentro del proceso productivo,
buscando la optimización y la mejora continua
7. Pérdidas en la distribución interna de energía en la instalación.
8. Análisis y búsqueda de la minimización de las pérdidas en la transmisión de
energía en el interior de la instalación. Esta acción requiere de estudios eléctricos
y simulaciones para poder conocer el estado actual y llegar a plantear la
optimización.
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9. Pérdidas en la conversión de energía eléctrica a mecánica (motores), lumínica
(iluminación) y térmica (hornos). Se debe buscar la manera más eficiente para
lograrlo.
10. Análisis de pérdidas y eficiencia en la conversión de energía eléctrica a las
aplicaciones necesarias para el proceso productivo.
11. Administración de la energía efectuando el control de demanda máxima, ya sea
por control de cargas o por arranque de plantas de emergencia para abatir picos
en la demanda máxima medida. En este caso el análisis es complejo, ya que
debe incluir la frecuencia esperada de arranques de la planta de emergencia, este
estudio se logra a base de simulaciones y pruebas.
Desarrollo de los conceptos básicos
Se requiere de una cambio de mentalidad en cuanto al manejo de la energía (esto a
grandes rasgos) en la industria y el comercio en México, afortunadamente en algunos
casos ya se ha comenzado con la cultura de la energía.
Sin embargo el análisis energético pocas veces se ha llevado a cabo de una manera global,
comprendiendo todos los aspectos de la misma.
No se debe olvidar que el dinero mueve al mundo y por supuesto a la ingeniería, así que se
debe analizar la energía desde sus aspectos administrativos, técnicos y de operación.
En los primeros capítulos se analizan los aspectos administrativos, que van desde como
contabilizar la energía, impulsar al personal a ser eficiente, a tener conciencia de la
energía. Se da le metodología para entender las tarifas eléctricas y como buscar la más
adecuada al caso específico de cada uno de ellos.
Es también interesante encontrar una manera para plantear los proyectos de administración
de energía y como calcular sus utilidades como inversiones para justificarlos desde el punto
de vista financiero.
Si se entiende la estructura de las tarifas también será posible efectuar cambios de
operación de la planta (turnos de trabajo, días de descanso), estas medidas no ahorran
energía, solo ahorran dinero, pero es posible que permitan dar las bases para después
plantear los proyectos de administración de energía.
Analizando el comportamiento de la energía dentro de la instalación, la energía pasa por
dos procesos, transmisión y conversión. En ambos casos hay pérdidas que se pueden
reducir y que se deben estudiar detenidamente.
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En la transmisión existe un método completo de análisis que consiste en lo que se conoce
como “Flujo de Cargas”, este estudio y metodología para análisis y simulación permite
encontrar la operación óptima en la red de distribución, disminuyendo el flujo de energía
reactiva en la red y por ende logrando llegar cerca del mínimo de pérdidas.
Otro problema serio que se debe analizar, no solo como generador de pérdidas sino como
motivos potenciales de problemas son las llamadas resonancias dentro de la red de
distribución.
Cuando se analiza la conversión de energía, también se deben atacar las ineficiencias en la
misma, desde analizar los procesos, los motores, luminarias y otros dispositivos utilizados
para la producción. Este análisis consiste en observar ciclos de trabajo, aprovechamiento
de los motores, balanceo de fases y gran cantidad de aspectos, tanto del proceso como de
los dispositivos utilizados.
Por último, otro aspecto que se debe analizar es la factibilidad de abatir el valor de la
demanda máxima medida, lo cual, no es ahorro de energía, sino más bien un ordenamiento
en la operación de la misma.
Para terminar, los últimos dos capítulos son de soporte financiero y contable para
redondear el aspecto económico de este libro.
Conclusiones
Se puede observar como la administración de la energía es mucho más que cambiar
equipos o apagar cargas; la administración es, nos guste o no, un nuevo aspecto de la
energía eléctrica que llegó para quedarse, será una nueva preocupación más del industrial,
pero también un más arma con que buscar la optimización y el mejoramiento continuo.
Un aspecto que se debe recalcar de manera muy importante es que la administración es
para mejorar los procesos y la calidad de los productos. La administración de la energía no
debe tomarse como un obstáculo a la calidad ni a la productividad, al contrario, es un arma
más con que lograrlas. La gran diferencia entre administración y ahorro reside exactamente
en ese punto.
Existe la experiencia que nos indica que si se aplica toda la metodología mencionada sobre
administración de energía, como consecuencia se comenzará a mejorar la administración
de otros energéticos como gas, agua, diesel. Este es un efecto en cadena, que al contrario
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del desperdicio (que forma un círculo vicioso) la administración bien ejecutada llevará a
cabo un círculo virtuoso de optimización y eficiencia.
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La administración de energía eléctrica enfocada como asignación de recursos para proyectos de producción
Concepto Básico
Existe una marcada diferencia entre el aprovechamiento de recursos dentro de una
pequeña empresa y una planta industrial de gran tamaño, siendo la primera más eficiente
en la administración de recursos y la gran empresa reduce sus costos por volumen de
adquisición.
A partir de estos puntos, se plantea la siguiente pregunta: ¿Por qué no es posible obtener
lo mejor de ambos modos de operación?
Para lograrlo, se requiere el compromiso del pequeño empresario con sus costos de
operación y a su vez el capital y volumen de adquisición de las grandes empresas.
Por lo menos en lo que a energía eléctrica esto es factible con el siguiente procedimiento:
1) Medición y cálculo de facturación de energía eléctrica localmente dentro de zonas
asignadas dentro de la instalación
2) Costos de energía de tarifas eléctricas de medio y alto voltaje
En la realidad el segundo punto generalmente ya está resuelto y el primero es alcanzable
con la tecnología de los adquisidores de parámetros eléctricos disponibles en el mercado
de equipos de instrumentación eléctrica en conjunto con un programa de aplicación para
cálculo de costos de energía eléctrica.
Otro punto de suma importancia es el hecho de obtener la facturación de energía eléctrica
en tiempo real, es decir, saber al minuto y al segundo el costo acumulado de la energía.
Además llevar un registro estadístico completo de costos de energía eléctrica por día y
dentro de cada día por periodos horarios, resulta imprescindible como parte de la historia
de costos de la compañía.
Si una sección de la planta es convertida en una “pequeña empresa”, se le deben dar las
libertades al gerente o administrador aunque sea parcialmente para administrar la energía y
poder invertir los “ahorros” logrados en esta misma sección y no diluirlos en toda la planta.
24
El gerente de esta sección será un verdadero administrador de la energía y buscará
siempre su optimización. Debe observarse la manera como este hecho se vuelva un
verdadero incentivo, de la misma manera que un pequeño empresario lo recibe cuando no
desperdicia la energía en su negocio u oficina por pequeño que sea.
El gran secreto de todo es el cálculo exacto de la facturación de energía eléctrica y permitir
la oportunidad de corregir los costos a tiempo, es decir, un control de consumo y demanda
máxima de energía eléctrica, pero operando localmente en cada zona o sección
(obviamente coordinado con un control global de demanda máxima de la planta).
Además, otros beneficios, podría ser la comparación de eficiencias entre secciones iguales
o semejantes, la comparación de nuevas tecnologías de producción al poder verificarlas y
compararlas con las secciones existentes con tecnología ya probada e instalada.
Como resultado lógico, en estas condiciones la eficiencia y productividad mostrarán la
tendencia a incrementarse.
Metodología a seguir
Para lograr que opere un sistema facturación distribuida de energía eléctrica, los pasos a
seguir son:
1) Capacitar al personal técnico y administrativo de la sección de la planta en cuanto a
los métodos de facturación de energía eléctrica.
2) Instalar equipo de medición adecuado, que permita la facturación en tiempo real y si
es posible subdividir la o las secciones, aún mejor.
3) Plantear metas a lograr en cuanto a disminución de costos de energía (basándose en
estadísticas y un estudio detallado), lo cual permitirá calcular la amortización del equipo de
medición de energía eléctrica.
Este estudio detallado debe analizar el o los procesos de la planta y obtener tres niveles de consumo:
• El nivel ideal. En este nivel se obtiene únicamente la energía necesaria para
llevar a cabo el proceso, no se observa como la energía llegó a ese punto. Aquí se requiere
de un conocimiento profundo de la operación por especialistas en el tema o subtema del
proceso de producción.
25
• El nivel óptimo. En este caso se lleva a cabo una búsqueda de equipos,
instalaciones y condiciones realizables con equipo existente (y posiblemente de tecnología
de punta) con el cual llevar a cabo el proceso.
• El nivel factible. Aquí se estima el menor consumo de energía alcanzable con la
instalación, la maquinaria y las condiciones actuales (es de observar que no se
mencionaron los procedimientos, ya que estos pueden ser realizados de muchas formas
diferentes).
4) Formación de un equipo multidisciplinario de asesores tanto internos como externos a
la planta, cuyo objetivo sea auxiliar al gerente a administrar la energía en la forma más
eficiente posible. Resulta una acción aconsejable obtener estadísticas de consumos y
costos de energía para plantas similares en condiciones semejantes. También es útil el
análisis histórico de los consumos.
5) Revisar el comportamiento en cuanto a consumos de energía eléctrica de esta
sección de manera periódica, buscando que el gerente pueda plantear metas realizables
como objetivos de reducción de costos, mejoras en la productividad y aumento en la
eficiencia de operación de la energía eléctrica.
Cada uno de estos pasos, debe ser llevado en forma exhaustiva, de manera que los puntos
1 y 2 se lleven a cabo solo una vez y los puntos 3 a 5 formen un ciclo continuo que se
deberá renovar y evolucionar.
El incentivo para los puntos 3 a 5, será la administración con un grado alto de libertad de
los recursos que se logren por medio de las revisiones periódicas.
Si esta inversión de las ganancias por lograr la optimización del consumo se lleva a cabo,
se podrá comenzar con una serie de “generaciones” de proyectos de administración de
energía. Como se mencionó en un artículo anterior, existen compañías en diversos países
en las que sus proyectos de administración de energía son de generación 5 y hasta 6.
Hay que notar que estos proyectos no han costado y en cambio han redituado de la misma
forma que un incremento de producción.
26
Conceptos de comparación de consumos ideales, óptimos y factibles con los consumos
actuales y proyectos a plantear para cada uno de ellos
El punto 3 del tema anterior permitirá analizar diferentes situaciones (a continuación se
plantean solo algunas):
1. El consumo ideal de energía es suficientemente bajo como para pensar en invertir
y recuperar el dinero gastado en un plazo razonable. Es decir la disminución en consumo
de energía permitirá ser competitivo y por medio de un análisis de beneficios se observa
que hay un buen margen para operar con los nuevos consumos.
Un ejemplo: En una planta cementera se encuentra que su consumo ideal está 30% por
debajo del consumo actual. Esta diferencial de costos permitirá no solo permanecer en el
mercado, sino colocarse adelante de la competencia. Conviene pasar a la siguiente etapa.
2. El consumo de energía ideal no me reportará un beneficio significativo en la
producción o los servicios. En este caso el costo de energía es marginal y será conveniente
invertir en otros aspectos que mantengan la competitividad. Un proyecto de administración
de energía no es factible, ya sea por que el costo de ésta es tan bajo en el costo final o su
optimización ya se ha llevado a cabo anteriormente de manera muy eficiente.
Un ejemplo sencillo: El costo de energía eléctrica en la iluminación del taller de joyas para
un tallador de diamantes no es representativo en el costo de su producto y le convendrá
más invertir en mejores herramientas.
3. El consumo de energía óptimo (habiendo pasado por el consumo ideal y siendo
este atractivo) permite plantear un objetivo que sea atractivo para la producción o los
servicios y de acuerdo a las condiciones planteadas para conseguirlo, conviene invertir en
un proyecto de optimización. En este caso las adquisiciones de maquinaria o
modificaciones de la instalación representarán un gasto que se puede recuperar en un
tiempo que se considere adecuado.
Regresando al ejemplo de la planta cementera, se encuentra que el consumo óptimo
requiere de modificaciones de la red de alimentación (correcciones distribuidas de factor de
potencia, disminución de pérdidas, motores síncronos en lugar de motores de inducción,
molinos verticales y tecnología de punta en general) y la maquinaria; pero no se obtendrá el
30% ideal de disminución en el consumo de energía con respecto al actual, sino solo el
25% y se requiere de grandes inversiones. Se deberá efectuar un análisis detallado técnico
y financiero para justificar todas las modificaciones contra la recuperación de la inversión
necesaria.
27
4. El nivel óptimo no dará grandes ventajas con respecto al consumo actual, pero el
ideal si resultaría atractivo. En este caso hay que buscar en tecnologías de punta y lo más
actual para ver si en el equipo que saldrá a la venta en uno o dos años permitirá disminuír
el consumo de energía y volver rentable un proyecto de administración de energía.
En este caso como ejemplo se encuentra en desarrollo un método capaz de inclinar el
balance en la decisión de un proyecto, es necesario investigar más en esa área.
5. El consumo factible es menor que el actual. En este caso la diferencial entre el
consumo factible y el actual existe y tal vez no sea espectacular, pero puede permitir la
justificación de procedimientos de operación y dado que los costos para realizar estos
cambios son mínimos, la justificación es prácticamente inmediata. Estos son los proyectos
más exitosos cuando se realizan ya que con baja inversión se obtienen disminuciones
importantes de costo.
Este último caso es el más encontrado y el menos explotado, tiene que ver con el manejo
del personal, con otorgar estímulos y saber reconocer a quien hace bien su trabajo.
En este nivel están todas las empresas, no hay quien no sea capaz de mejorar en algún
detalle su proceso, pero se debe saber oír y apreciar las opiniones desde los más
modestos trabajadores hasta los asesores externos más preparados y todos deben trabajar
en forma multi e interdisciplinaria.
Volviendo al ejemplo de la planta cementera, el consumo óptimo representa los proyectos a
mediano y largo plazo (incluso no para esa planta, sino para alguna que se encuentre en
planes del mismo grupo cementero), pero el consumo factible define el conjunto de
proyectos a llevarse a cabo de manera inmediata. Ya que permitirá obtener resultados con
muy baja inversión.
Curiosamente en el taller de joyas del tallador de diamantes, también este cambio de
procedimientos (que puede ser el cambio de una luminaria o un interruptor que evite dejar
encendida la luz cuando alguien no esté en su puesto), también redituará rápidamente.
Se tomaron dos ejemplos drásticamente opuestos para demostrar que no importando la
actividad realizada siempre hay formas de llevarla a cabo de manera más eficiente. Como
es obvio, su impacto en los costos y beneficios cambiará en cada una de estas situaciones,
pero siempre será positiva.
28
Comparación entre un proyecto de incremento de producción y uno de administración de
energía
Una cantidad de dinero no malgastado, equivale a un incremento de producción mayor, es
decir un ahorro de $1,000.00 equivale a un incremento de producción de por lo menos
$4,000.00, $5,000.00 o hasta más. En este aspecto el retorno de inversión de un proyecto
de administración de energía es mucho mayor que uno de aumento de capacidad de
producción para la misma cantidad.
Es más rentable gastar menos en producir, que producir más en la misma proporción.
Además del hecho que el mercado no es fácilmente expansible, mientras que la reducción
de costo si se refleja rápidamente y sin ningún esfuerzo extra de ventas ni almacenamiento
como un incremento de la producción.
Este fue un concepto que durante la crisis de energéticos ocurrida en los años 70 se
desarrolló, se conoció como el KWh negativo, es decir redituaba más por unidad de
inversión, reducir el consumo de una cierta área que utilizar esos recursos en un
incremento de la capacidad de producción de energía.
Este fenómeno es válido incluso para las compañías productoras de energía eléctrica, que
de no fomentar la administración de la energía por parte de los usuarios, tendrían que
invertir en proyectos muy costosos de construcción de plantas generadoras. Esta es una
realidad en países como México, donde la industria estatal no posee los fondos suficientes
para invertir en la construcción de más plantas termoeléctricas.
Este concepto es especialmente válido si se considera el costo de producir energía
eléctrica “limpia” es decir, lo más libre de contaminantes que se pueda, ya que esta energía
“limpia” puede tener costos adicionales de valor importante por el tipo de combustible a
utilizar (típicamente gas en lugar de combustóleo o carbón) cerca de las grandes
concentraciones de población.
Es importante el concepto que el desperdicio no beneficia ni siquiera al productor del bien
que se desperdicia, especialmente en renglones como agua o energéticos.
¿Es la administración de energía distribuida una posible solución al desperdicio?
Existe un viejo dicho popular que dice “nadie cuida lo que no le cuesta” y la mejor manera
de romper este problema de desperdicio es que la responsabilidad de la utilización y las
bondades de una buena administración recaigan sobre la persona que vea los bienes o
servicios a cuidar como propios.
29
Otro punto de gran importancia es como “ligar” la administración local de una sección de la
planta con la administración global. Este es el concepto conocido como administración
distribuida de energía eléctrica.
Para lograr este punto se deberá contar con un sistema de cómputo y administración
unificado en toda la planta que permita llevar costos individuales y conjuntos para tener la
agilidad de adquisición de una pequeña empresa con el volumen de compra y las
facilidades de crédito de una gran compañía.
El verdadero problema reside en este punto. Se deberá dar libertad de decisión y control de
fondos suficiente al gerente para que sienta “suyos” esos fondos y que no sea
obstaculizado por la característica burocracia de los departamentos de compras de las
grandes empresas.
El problema técnico de medir la energía eléctrica consiste en que se requiere de un
registrador en el nivel global de la planta y de otro registrador semejante para la sección a
medir.
La razón es simple, si se registran las demandas máximas en cada uno de los periodos
horarios, se debe calcular la participación de las secciones bajo medición de esos totales,
para posteriormente calcular la facturación parcial de estas secciones.
Un beneficio más de este sistema, es la comprobación del monto de la energía eléctrica
facturado por la compañía suministradora, haciendo posible detectar cualquier desviación
en forma eficiente y tener bases para una reclamación documentada convenientemente.
El análisis de todos estos puntos para la facturación en tiempo real requieren de un sistema
de medición completo y adecuadamente instalado en toda la planta, tomando en cuenta
todos estos puntos.
El costo de un sistema completo con registro y estadística de variables eléctricas y
económicas para 4 ó 5 puntos de medición, además de la acometida principal puede ser
de aproximadamente USD$ 15,000.00 a USD$ 20,000.00, sin embargo es posible
encontrar precios más bajos si se reducen las estaciones de medición y se busca tener
solamente los puntos básicos de facturación.
Una vez que se analiza la facturación, es relativamente sencillo implantar un sistema de
control de demanda máxima en el nivel global, que “dirija” controles distribuidos de
demanda máxima en cada una de las secciones de la planta. Sin embargo, este tema
30
deberá ser tratado más adelante en otro artículo de carácter mucho más técnico que el
presente.
Concretando, un sistema de facturación distribuida de energía eléctrica requiere de una
metodología para coordinar la medición de energía eléctrica entre la acometida principal y
los puntos a analizar, además de que la responsabilidad o beneficios de la administración
de la energía recaigan sobre una persona suficientemente cercana a los aspectos técnicos
y económicos de su utilización para que tome esa tarea como propia, como si fueran sus
propios recursos.
Evaluación de costos energéticos
Lograr la administración de energía eléctrica es resultado de obtener los llamados costos
unitarios, es decir saber cual es el porcentaje de costo de energía eléctrica en la fabricación
de los productos.
En este punto interviene un criterio muy interesante, si el costo de fabricación incluye
gastos fijos de mantenimiento de la planta (iluminación, servicios generales y otros gastos
fijos), costo de operación de las oficinas y demás gastos de energía eléctrica no asignables
fácilmente a un producto directamente o si el cálculo es por fabricación exclusivamente y
los costos de administración se cargan a la operación de la planta.
Para este manejo se considera que mantenimiento es una compañía de servicios que
consume energía eléctrica, agua y energéticos y sus productos son iluminación general de
la planta, vapor, energía térmica y servicios de reparación y mantenimiento.
En la mayoría de los casos los productos subsidian la operación eléctrica de la instalación
completa.
Aquí surge un punto vital en la manera de cubrir los costos fijos.
Si la gerencia va a cargar sus costos de administración como si fuera una “compañía”
dentro de la planta, sus insumos serán básicamente energéticos (agua, electricidad, diesel)
y sus productos serán proporcionar de la manera adecuada estos servicios (alimentación
de energía eléctrica en el lugar requerido, aire comprimido, vapor, ventilación, enfriamiento
por agua helada). La gerencia tendrá un costo de insumos y un valor en sus productos.
Este punto de vista es muy importante, ya que en muchas ocasiones los costos de las
oficinas dentro de una planta no se vigilan y resultan exorbitantes, existe un caso
documentado en que el segundo consumidor de energía más grande de un complejo de
31
cinco compañías agrupadas bajo una misma instalación, eran las oficinas corporativas. El
desperdicio en el uso y abuso del equipo de aire acondicionado y el agua era exagerado y
nunca antes nadie había evaluado ese costo.
Cuando las oficinas sean tratadas como una “compañía” dentro de la planta, todos estos
puntos salen a la vista y se fomenta la administración de los recursos de manera adecuada.
Una vez que los costos de los energéticos han sido evaluados, es factible proponer un
proyecto encaminado a reducirlos. Este proyecto se planteará con objetivos a lograr, en
plazos definidos y de la misma manera que se plantea un proyecto de expansión de la
planta o de sustitución de maquinaria por equipo de mayor productividad o mayor
eficiencia.
Pruebas locales de los proyectos de administración de energía. Una solución rentable y
muy interesante
Contando con la instrumentación adecuada para medir la energía eléctrica de manera local
en una planta, permite verificar la efectividad de un programa de administración de energía
en poco tiempo, obteniendo resultados de las mediciones inmediatos, lo cual permite
cancelar, modificar o aprobar el programa a toda la planta.
Tratar de verificar un programa de administración de energía por medio de la facturación
global no es erróneo, pero por el contrario, una instrumentación ágil que permita la
adecuada verificación es efectiva por los siguientes factores:
1. Es difícil que un programa piloto de administración de energía sea llevado a cabo al
pié de la letra durante todo un mes y después esperar el resultado de la facturación de
energía eléctrica.
2. Si este proyecto es llevado a cabo en solo una parte de la planta, es poco factible
calcular el impacto de él en la facturación total de la planta. Normalmente lo que sucede es
que la disminución se diluye y no es posible evaluarla.
3. El hecho de contar con un periodo largo (30 días) en que la producción puede tener
aumentos y hacer que sea difícil evaluar el “ahorro” o el caso en que la producción
disminuya y genere falsas expectativas de “ahorro”, da al traste con una evaluación
confiable de ventajas. Los resultados de un programa piloto deben conocerse en un término
de 24 a 48 horas, controlando los factores de producción para evitar que se vuelvan una
variable más.
32
4. La obtención de costos unitarios resultantes del mencionado programa piloto no es
fácil, en una planta que produce otros artículos diferentes y que puede tener variaciones de
los niveles productivos. En este caso se debe buscar el parámetro a evaluar, por ejemplo,
en una fábrica de inyección de plásticos no se evalúa el número de artículos, sino el kg de
plástico inyectado.
5. Por último, es importante reforzar de inmediato un programa de administración de
energía que da resultado, reconocer al personal involucrado en él y al mismo tiempo
desechar un programa cuyos resultados son nulos o corregir uno que obtiene resultados
pobres. El no corregir o desechar a tiempo, tiene como consecuencia el descrédito de los
programas de administración de energía, volviendo cada vez más difícil el probar nuevas
opciones.
Concretando, el secreto de la administración energética es contar con una adecuada
medición, no solo de parámetros eléctricos, sino de los parámetros de facturación de la
instalación eléctrica global ligada a una medición local de las mismas características.
Conclusiones
Los puntos más importantes de este capítulo son:
1. La administración de energía eléctrica se logra por medio de una correcta
medición y evaluación de costos en tiempo real, para lograrlo se requiere de un sistema de
facturación distribuida.
2. Las ventajas de un sistema así son evidentes, genera el orden y permite que los
costos energéticos sean asignados de acuerdo a como son consumidos. Si el costo de
mantenimiento es exagerado, se tomarán decisiones encaminadas a reducirlo, limitando la
planta o generando patrones de operación más eficiente.
3. Este sistema de evaluación de costos de operación, redundará en una mayor
responsabilidad por los consumos de energía eléctrica. Recordemos que el fluido eléctrico
no es como los otros insumos, no es palpable fácilmente y su facturación es altamente
compleja.
4. El método de facturación distribuida de energía eléctrica tiende a resaltar los
desperdicios y favorecer a las personas que cuidan que el consumo sea cuidado por ellos y
sus empleados.
33
5. Este sistema permite la evaluación de los proyectos de administración de energía
eléctrica y a obtener datos exactos de los costos de producción. En muchos procesos de
fabricación, el material que no cumple las normas de calidad es reciclado y regresado al
proceso de producción para lograr un producto final de nivel de calidad satisfactorio.
En el costo de este producto no se toma en cuenta que la energía eléctrica, térmica y
aprovechamiento de recursos hidráulicos utilizados en fabricarlo la primera vez se perdió y
el costo de un producto regresado al ciclo de producción es mayor que el de uno que no lo
ha sido.
6. En las condiciones actuales de globalización, calidad y competitividad en un
mercado abierto, es importante producir con calidad, pero conservando el costo dentro de
un margen que permita mantenerse dentro del mercado.
Cuando se plantean los objetivos de disminución de consumo energético se puede plantear
el proyecto completo, tal como se hace en los proyectos de sustitución de máquinas o de
mejoras en el aprovechamiento de materias primas, es decir con objetivos definidos de
recuperación de la inversión a plazos perfectamente definidos. Para conocer esos datos, se
requiere de haber obtenido datos de manera profunda y del conocimiento de la operación,
un estudio de objetivos mal hecho puede afectar totalmente las perspectivas y metas de un
proyecto de administración de energía eléctrica.
Es de suma importancia que este estudio sea sólido y correctamente realizado, de la misma
manera que se hace un proyecto para la expansión de la planta o de una de sus líneas de
producción.
Al hacer la comparación entre un proyecto de incremento de productividad y uno de
reducción de costos por administración de energéticos, el segundo muy factiblemente será
más redituable.
Se puede decir que cambiando la mentalidad de operación actual por una más clara de
administración, la reducción de costos y la eficiencia de la operación en un centro de
producción o servicios podrá verse mejorada de manera sustancial.
La energía eléctrica no es una materia prima que se puede ver o tocar, pero no por eso
debe dejar de administrarse. Su precio de adquisición es complicado, teniendo hasta 7
factores que influyen en él; afortunadamente con el apoyo de la informática, se puede
resolver de una manera más sencilla y permite simplificar su evaluación de costos.
34
35
Criterios para la selección y evaluación en los proyectos
de administración de energía eléctrica
Conceptos básicos
Habiendo decidido cambiar los criterios de administración de recursos energéticos y
después de obtener la información histórica de consumos, estadísticas y haber reunido
toda la información posible, surge la pregunta ¿qué sigue?.
El siguiente paso es plantear las diferentes acciones a llevar a cabo para la administración
de la energía eléctrica.
Existirán diferentes proyectos, cada uno con diferentes objetivos, inversiones iniciales y
modificaciones en uno o más procedimientos de producción o generación de servicios.
Se busca un método que permita con un simple vistazo, obtener una visión global de todas
las opciones, inversiones, tiempos de recuperación por disminución de costos y posibilidad
de realización de cada una de las propuestas.
En pocas palabras, se busca que en una sola hoja tamaño carta se tenga la posibilidad de
concentrar la información que permita tomar una decisión. Existe un criterio que dice: “Si no
es posible expresar algo de manera sencilla es por que no se entiende o no se quiere
mostrar completamente”. Este criterio será el eje central del artículo que se presenta.
Metodología
La manera más sencilla de presentar algo es por medios gráficos, “una imagen dice más
que mil palabras” es una vieja verdad.
La metodología que aquí se propone para presentación es la siguiente:
1. Separar las posibles opciones de proyectos en tres categorías de acuerdo a sus
tiempos de amortización:
• Inmediata (menos de 3 meses)
• Corto plazo (menos de 6 meses)
• Mediano plazo (menos de 2 años)
• Largo plazo (más de 2 años)
36
Posteriormente se utiliza un criterio de ordenamiento por valor de la inversión necesaria,
colocando rangos de valores en forma de columna en una hoja de cálculo y posteriormente
los tiempos de amortización con el mismo criterio de orden.
Como resultado se obtendrá una matriz, con los montos de las inversiones en la vertical y
los tiempos de recuperación en la horizontal.
En cada casilla es escriben los nombres de los proyectos que caigan en los rangos tanto
vertical como horizontal. Esta acción se lleva a cabo en cada una de las categorías de
inversión y tiempos de recuperación.
El presentar de esta forma los proyectos, permitirá tener una manera de visualización global
que permite decidir de una manera más sencilla las opciones para seleccionar los
proyectos de administración de energía.
Los números presentados en estas tablas se deben basar en estudios obtenidos de manera
cuidadosa, con bases estadísticas y cálculo de incertidumbre, para evitar lo más posible la
existencia de situaciones inesperadas cuando los proyectos se llevan a cabo.
Evaluación de resultados
Es muy importante lograr una metodología de evaluación precisa y rápida de los resultados
de los proyectos.
Es necesario recabar datos ANTES de realizar el proyecto, de la misma manera que se
medirá durante y después de realizarlo.
Estas mediciones comparativas son sumamente importantes y sin ellas no se podrá
calcular el resultado económico del mismo.
Para lograr estas evaluaciones, es muy factible que el equipo de medición que se utilice no
sea de instalación definitiva, sino del tipo portátil, para poder lograr mediciones ágilmente.
Estos equipos son conocidos como analizadores portátiles de redes trifásicas y
frecuentemente vienen en presentación de maletín con ganchos de corriente y conexiones
de voltaje por caimán, de fácil y rápida instalación.
37
Figura 6.1. Tabla de presentación de proyectos de administración de energía.
Los equipos fijos de adquisidores de parámetros eléctricos con capacidad de registro tienen
un costo semejante al de estos analizadores portátiles, pero su instalación requiere de
modificar gabinetes y en muchas ocasiones de programar paros con el fin de poder
instalarlos.
Una vez contando con el equipo de registro, se comienzan a obtener los siguientes datos:
• KWh en los tres periodos (base, intermedio y punta),
• Demanda máxima medida (base, intermedia y punta)
• Factor de potencia en ese punto exactamente.
Con estos datos, se corre una simulación de la facturación y se compara contra los datos
anteriores al inicio, las mejoras durante la realización y los resultados iniciales al terminar la
operación inicial del proyecto de administración de energía.
Un punto importante a tomar en cuenta es que el resultado de un proyecto no se presenta
de golpe al comenzar su puesta en operación inicial, sino que requiere de un periodo de
ajustes y verificaciones que puede llegar a tardar varias semanas.
Por eso es muy importante contar con equipo propio de medición; las evaluaciones pueden
ser tan cortas como 24 horas y como máximo de una semana. El tiempo acostumbrado de
evaluación se puede considerar que abarque por lo menos de tres a diez veces el tiempo
de fabricación del producto.
Semanas de amortización de inversión
Inversión 1 2 5 10 20 50
$1,000´s
10 Proy1 Proy2
50
100 Pr3y4
200 Proy5
500
1,000
2,000
5,000
10,000
38
Es decir si el tiempo en que entra a la planta una pieza o componente y sale en un producto
terminado es de 2 a 3 horas, el tiempo mínimo recomendable es de 24 horas, si este
tiempo es de 8 a 10 horas, el intervalo de medición será de cuatro días (aunque se
aconseja siete días por el cálculo de sábado y domingo, que cuentan con diferentes
horarios) y si el tiempo de estancia es mayor de 24 horas el tiempo recomendado mínimo
de medición es de siete días.
La razón de estos tiempos es promediar entre varios ciclos de producción y que evitar el
fenómeno de tomar solo mediciones de día y fallar en la medición del consumo del sistema
de iluminación. Es muy importante no efectuar mediciones instantáneas y considerarlas
como válidas, las mediciones deben ser perfiles que cubran tiempos mínimos de un día.
En el caso de instalaciones tales como hoteles de playa, centros comerciales u otros casos
en los cuales la influencia de factores externos como el clima influye fuertemente en los
consumos, el análisis de consumos de energía eléctrica se deberán hacer tomando en
cuenta estos factores. En el caso de hotelería el estudio se hará por rangos de temperatura
promedio por día (es lógico que el consumo de energía para enfriar un hotel playa sea
diferente en primavera, verano, otoño e invierno).
El análisis de amortización será lógicamente prorrateado a lo largo del año de acuerdo a los
ciclos climáticos que resulten con la duración promedio correspondiente de cada uno de
ellos.
Figura 6.2. Comparación de los costos de la energía eléctrica, antes, durante,
después y objetivo a lograr de un proyecto de administración de energía.
Cálculos y objetivos de un proyecto de administración de energía
Datos actuales (antes de) Datos previstos (durante) Datos futuros (después)Costo de energía eléctrica Costo de energía eléctrica Costo de energía eléctrica
global por unidad de global por unidad de global por unidad deproducción producción producción
2500.00 0.55 2450.00 0.54 2400.00 0.53
Objetivos Es importante notar que en casos de Costo de energía eléctrica variación de niveles de producción, el
global por unidad de objetivo será el consumo por unidad de
producción producción, no el global.
2400.00 0.53
39
En muchos casos el mejor “retrato” de los consumos de energía y cálculos de demanda es
de una semana.
Es importante distinguir entre los “retratos” que se harán para el estudio y las mediciones
dinámicas que permitirán ver en forma cotidiana un “video” y no un “retrato” de la operación.
Los equipos portátiles que no requieren instalación definitiva se pueden colocar en muchos
puntos diferentes para efectuar algunas evaluaciones rápidas de diferentes zonas de los
proyectos de administración de energía.
Cálculo de recuperación de la inversión
El procedimiento de cálculo de la recuperación de la inversión es la parte más difícil y
compleja en la evaluación económica de los proyectos.
Se deben tomar los siguientes factores en cuenta:
• Valor del dinero actualizado con la tasa de interés bancaria.
• Costo de los energéticos, actualizando ese valor de acuerdo con la inflación
energética anual.
• Recuperación de la invertido por medio de la disminución real de costos, calculando el
consumo de acuerdo con los índices de producción y la relación unidad de producto / KWh
y producto y unidad de producto / KW para cada uno de los periodos horarios (base,
intermedio y punta) y por el total de ellos.
La primera acción que se requiere para llevar a cabo este cálculo es conocer a fondo los
perfiles de relación producto / KWh y producto / KW de la sección de la planta a modificar.
Es importante hacer notar que en muchas ocasiones estas relaciones son variables de
acuerdo con el volumen de producción.
Comúnmente, como parte de los proyectos de administración de energía, se decide
modificar los perfiles de producción de acuerdo a los periodos horarios.
Es posible que al decidir una disminución del nivel de producción en periodo punta, esta
relación de producto / KWh varíe y no sea tan benéfico como se podría pensar desde un
principio.
40
En la figura 6.3 se hace un ejemplo en hoja de cálculo de un cálculo de amortización.
Conclusiones
En el ejemplo ilustrado por la figura 6.3, es factible observar la rentabilidad de un proyecto
de administración de energía, los números deberán ser ajustados para cada caso, pero una
inflación en energéticos del 15% anual, es conservadoramente baja (de 1996 a la fecha en
México el incremento de la energía eléctrica expresado en USD, es de aprox. 35%, en
pesos es del 125%), la tasa de costo por financiamiento es cercana a lo real, la disminución
de costos propuesta por el proyecto es razonable (4%).
Figura 6.3. Ejemplo de cálculo de recuperación de la inversión
Aún a pesar del alto costo de financiamiento, es factible ver las bondades de una inversión
de este tipo.
Inversión inicial = 1,000.00
Interés anual cobrado por préstamo = 36.00% 2.60%
mensual
Inflación en costos energéticos = 15.00% 1.17%
Reducción aproximada de costos = 4.00%
Costo de energía eléctrica por mes = 2,500.00
VP mes VF Costoenergía
Dism. Costos
1,000.00 0 1,000.00 2,500.00 100.00
Costo energía 1 1,025.95 2,529.29 101.17
2,500.00 2 1,052.58 2,558.92 102.36
3 1,079.90 2,588.90 103.564 1,107.93 2,619.22 104.775 1,136.69 2,649.91 106.006 1,166.19 2,680.95 107.247 1,196.46 2,712.36 108.498 1,227.51 2,744.13 109.779 1,259.37 2,776.28 111.05
10 1,292.06 2,808.80 112.3511 1,325.59 2,841.71 113.6712 1,360.00 2,875.00 115.00
Totales 1,360.00 1,395.42
41
Los datos dados en esta tabla son conservadores y varían en diferentes casos. Las
conclusiones de este artículo son obvias, después de observar la tabla de la figura 6.3.
Sin embargo estos análisis no se realizarían si se tratara de proyectos de ahorro de
energía, por eso la importancia de tratar la administración de energía de la forma propuesta
.
En el siguiente capítulo, se verá a fondo como calcular de manera real y dinámica las
disminuciones de costo reales que trae como consecuencia el proyecto de administración.
Esa acción permitirá sustituir de la columna de disminución de costos un valor calculado
porcentualmente y obtener un valor real, que se irá calculando mes a mes, para evaluar
esta tabla paso por paso y lograr que las metas del proyecto sean iguales a las calculadas
inicialmente o de ser posible las sobrepasen.
La documentación del proyecto constará de una tabla como esta de manera inicial y
posteriormente mes a mes se podrán sustituir los valores reales para cada uno de los
meses.
El desarrollo de este historial permitirá conocer a fondo el comportamiento financiero
del proyecto.
Las evaluaciones se deben actualizar tan seguido como se pueda y formar un archivo de
desarrollo por semanas y meses para dar un seguimiento completo.
El aspecto más importante de los proyectos de administración de energía es como su
nombre lo indica, La Administración de la Energía, es decir racionalizar su uso para evitar
desperdicios y buscar su optimización. La obtención, seguimiento y publicación de los
resultados obtenidos son hechos de mucha importancia, casi tan importante es realizar el
proyecto como demostrar su éxito.
Si la documentación de los resultados no es adecuada, el proyecto puede parecer un
fracaso o por lo menos no parecerá dar buenos resultados. De ahí la gran importancia de
documentar antes, durante y después de terminar la realización del proyecto.
Además existe un hecho muy importante: El proyecto requerirá de ser corregido durante su
realización y después de ésta, de manera que el seguimiento permitirá llevar a cabo estas
correcciones y alcanzar las metas trazadas e inclusive sobrepasarlas.
42
La documentación de los resultados es el hecho permite continuar con los proyectos de
segunda y tercera generación. Si la documentación no es adecuada aunque el proyecto
haya sido exitoso, el resultado real será muy limitado.
Suena raro, pero en la mayoría de los casos lo más importante de un proyecto es su
documentación. Las técnicas de ISO para documentación deberán ser seguidas para
contar con un adecuado respaldo en los datos recabados.
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Obtención y presentación de resultados de los
proyectos de administración de energía eléctrica
Introducción
En los capítulos anteriores se habló de la administración, de cómo asignar recursos y como
justificar los proyectos de administración de energía. Partiendo de la base que ya se
consiguió comenzar un proyecto de administración, ahora se verá que pasos se deben
seguir para cubrir su planteamiento, realización, terminación y seguimiento después de
terminado.
Planteamiento
Para empezar, se debe contar con las bases para sustentar el proyecto, por lo cual se
procede a montar equipo de medición y obtener una “radiografía” detallada de los
consumos actuales de la instalación.
Este equipo debe obtener el perfil de consumo, factor de potencia y demanda de la
instalación cada 15 minutos y registrarlo.
El siguiente paso es un análisis detallado de los componentes que forman la instalación, la
manera como operan y que las mediciones individuales que tengan sumen el total del
consumo. Esto tiene como objeto que luego resulte que hay otros procesos operando como
parásitos eléctricos.
Una vez que estos primeros pasos se han hecho, se analizarán detalladamente las
mediciones en una hoja de cálculo y se corren simulaciones para determinar los objetivos a
lograr, teniendo siempre en cuenta NO AFECTAR LA PRODUCCION, NI EN CALIDAD NI
EN CANTIDAD.
Posteriormente se procederá a tratar de implementar de manera sencilla una prueba que
verifique los objetivos a lograr.
Esta prueba se llevará a cabo con el equipo de medición montado y de manera manual (por
ejemplo, en vez de monitorear la demanda de forma automática, la operación se hará
manualmente, por un periodo corto de tiempo y se registrarán los resultados de manera
detallada).
44
También se analizará lo más que se pueda de manera estadística, para estar seguro que
los objetivos están sólidamente planteados.
De ser posible se comparan estos objetivos con documentación de los fabricantes y de
otras instalaciones vistas a un nivel mundial, afortunadamente existe gran cantidad de
información en Internet y puede ser factible que nos situemos adecuadamente.
Posteriormente de tener asegurados los objetivos eléctricos se ejecuta algún programa de
cálculo de facturación para ver cual es el impacto económico de los objetivos eléctricos.
Para este tiempo, el costo de realización del proyecto deberá estar bien definido y se podrá
realizar el análisis económico mostrado en el capítulo anterior.
Después de correr varios ejemplos económicos, se busca “el peor caso”, en el cual, se
consideran que los resultados serán los menos favorecedores y se corre la simulación
económica. No quiere esto decir que se utilice para los cálculos, pero uno debe evitar
cualquier sorpresa desagradable.
Habiendo definido perfectamente los objetivos económicos, se procede a realizar las
mediciones de documentación de inicio de proyecto.
Durante la realización del proyecto (por ejemplo de iluminación), se irán obteniendo
mediciones parciales que indicarán el rumbo de los resultados.
Por último se procederá a realizar las mediciones de terminación de trabajos y verificación
de resultados.
En este punto es donde se harán las correcciones y adecuaciones para asegurarse que los
objetivos económicos sean cubiertos o en caso de no ser posible replantear la recuperación
de la inversión.
Debemos recordar que se tomaron objetivos que no correspondían al mejor de los casos y
que el incremento del costo de la energía, normalmente va por arriba de los valores
previstos.
Procedimiento para Instalar los equipos de medición
El proyecto debe incluir forzosamente dentro de sus acciones instalar equipo de medición
que permita verificar los resultados. Estos equipos pueden ser portátiles para instalación
temporal (sobre todo para la parte de análisis inicial) o del tipo fijo (para operación de
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manera definitiva). En el caso de equipos fijos el precio suele ser menor, ya que los
transductores de corriente tipo pinza son mucho más caros que los de tipo fijo.
El equipo de medición debe leer los siguiente parámetros por intervalo de medición:
• Voltaje por cada fase (fase a tierra y fase a fase)
• Corriente por fase (máximos y promedios)
• Factor de potencia por fase y total
• Demanda promedio por fase y total
• Distinguir KVAL y KVAC al calcular factor de potencia por fase y total
El intervalo de medición debe fijarse por lo menos a 15 minutos (de preferencia 5 minutos) y
el registro deberá hacerse en un medio electrónico (de ser posible con respaldo escrito).
Estos equipos permitirán verificar que el proyecto está realmente funcionando y en caso de
no hacerlo, permitirá encontrar las razones y corregir para que pueda ser un éxito
económico.
El análisis de los parámetros guardados, permitirá además cuantificar la calidad de la
energía eléctrica consumida y dará información valiosa en el caso de reparaciones o
mantenimiento (especialmente los perfiles de voltaje y corriente).
También esta información es de suma utilidad en caso de reclamación de garantías, para
demostrar al fabricante o distribuidor que las fallas no se han debido a factores externos a
su equipo, o en caso que si sea así, darle datos para agilizar las reparaciones. En este
punto tenemos un valor agregado muy importante: la reducción de tiempos de reparación y
la documentación de fallas de las líneas de alimentación, así como de la documentación de
la calidad de la energía.
Cuando más adelante se planteen proyectos de sustitución de motores por equipo moderno
de alta eficiencia, es muy importante conocer el voltaje de operación y su regulación.
Un voltaje fuera de los valores nominales o desbalanceado puede convertir a un motor de
alta eficiencia en un equipo de eficiencia normal, o inclusive en muchos casos en lugar de
cambiar los motores por equipo de alta eficiencia, conviene balancear y adecuar la línea de
alimentación.
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Por eso la etapa de mediciones es tan importante, sin las bases un proyecto de
administración de energía sin etapa de mediciones preliminares no tiene ningún sustento y
está prácticamente condenado al fracaso y al descrédito de los subsecuentes proyectos de
administración de energía.
A continuación se presenta una tabla en la figura 7.1 sobre los datos que se requieren
obtener de los equipos de medición.
Figura 7.1. Tabla de mediciones a realizar para la obtención de datos básicos para el
cálculo de amortización de costos del proyecto.
La manera más lógica de ordenar esta información es en una hoja de cálculo (normalmente
Excel) colocando las mediciones por columnas y cada grupo de columnas correspondiendo
a un día en especial.
Esta disposición es muy útil para la obtención de gráficas por días y para la generación de
archivos por bloques de días, por ejemplo, por semanas.
Hora V A V B V C KW FP Periodo3:45 440 440 439 1600 0.924 Base4:00 440 439 442 1546 0.919 Base4:15 440 439 439 1570 0.921 Base4:30 440 439 442 1587 0.920 Base4:45 440 441 440 1637 0.917 Base5:00 440 441 441 1706 0.915 Base5:15 440 441 439 1678 0.913 Base5:30 440 440 440 1798 0.915 Base5:45 440 439 442 1928 0.918 Base6:00 440 441 441 2021 0.915 Base6:15 440 440 442 1942 0.919 Intermedio6:30 440 441 439 1834 0.917 Intermedio6:45 440 439 439 1897 0.912 Intermedio7:00 440 442 440 1824 0.915 Intermedio7:15 440 440 442 1951 0.912 Intermedio7:30 440 442 439 1820 0.909 Intermedio7:45 440 440 441 1873 0.914 Intermedio8:00 440 442 440 2001 0.917 Intermedio8:15 440 439 442 2007 0.922 Intermedio8:30 440 438 439 1872 0.918 Intermedio
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Basándose en la información recabada, se genera un programa de cálculo de facturación
por semana y a su vez los datos de éste se integran a uno de facturación mensual,
actualizado con los datos de costos de CFE.
Para obtener estos datos de costos con 15 días de anticipación, se puede consultar el sitio
de CFE en Internet ( http://www.cfe.gob.mx ).
Una vez que se tenga esta información, se podrá llevar a cabo el análisis de recuperación
de la inversión. Es de suma importancia contar con este mismo análisis de datos previos a
la realización del proyecto de administración de energía, para poder hacer la comparación
de antes, durante y después de llevar a cabo el proyecto.
Después de terminado, a su vez se podrá generar el reporte de operación de manera
sencilla y que no sea una tarea odiosa y deje de efectuarse por esa razón.
Es importante recordar que la administración de energía no se lleva a cabo una sola vez,
sino que es como la adquisición de materiales, un trabajo de todos los días, algo que nunca
se dejará de realizar, ya que además servirá de base para la siguiente generación de
proyectos de administración de energía.
Concretando, existen dos opciones en la manera de instalar los equipos de medición, la
primera en forma temporal con equipo portátil y la segunda con equipo de tablero instalado
en forma definitiva.
Ambos casos deben contar con un equipo tipo registrador, es decir que no solo muestre los
datos en una pantalla, sino que los guarde en memoria electrónica para ser leídos
posteriormente por una estación de trabajo o una PC portátil.
Cálculo de las diferencias en costos de energía
Es importante relacionar los resultados con la producción, ya que esto puede engañar a
una comparación absoluta de costos.
Una vez que el costo total de energía sea calculado, se relaciona al costo por unidad de
producción. Este valor indicará la eficiencia a la cual se utiliza la energía eléctrica. La
amortización del proyecto se debe calcular a producción constante, es decir escalar los
datos a un nivel de producción de referencia, en pocas palabras normalizar el valor a una
producción igual a la que se tuvo al hacer el estudio inicial.
En el caso de instalaciones comerciales y hoteleras, se debe tomar muy en cuenta factores
externos, tales como el clima y la época del año (en las tiendas al público la época de fin de
48
año, es diferente a las demás y debe considerarse por comparación contra los años
anteriores, no contra los meses precedentes).
En el caso de los hoteles de tipo playa, el costo no depende tanto del número de
huéspedes como de las temperaturas exteriores, así que en ese caso se debe normalizar
contra temperaturas medias por día.
Existen procesos como el del cemento en los que el consumo de energía eléctrica depende
de la humedad ambiente, en ese caso si es posible, se puede referir el análisis a
porcentajes de humedad ambiente. Actualmente estos datos se pueden obtener por
Internet y además permiten un conocimiento más profundo del proceso y es posible dar
lugar a proyectos tales como un tratamiento previo del material utilizando parte de la
temperatura de salida de los hornos, por ejemplo.
Uno de los puntos más interesantes de los proyectos de administración de energía es que
el primero da lugar a los de la siguiente generación, lejos de terminarse, cada vez hay más
ideas y la optimización ideal está más lejana, pero hay más lugares de donde reducir los
consumos y en muchas ocasiones mejorar la calidad del producto.
Esa es la razón que países que empezaron con este tipo de proyectos hace varios años,
están alcanzando niveles de productividad y calidad cada vez más lejanos a los países que
no han comenzado el camino.
Si se pensara en ahorro de energía, este fenómeno de mejora no se daría. La gran
diferencia es buscar la correcta administración de la energía eléctrica y este camino de
mejora y medición de la energía se irá dando en forma automática.
Basándose en la tabla de la figura 7.1, se resumen las mediciones del día, acumulando
Energía (KWh) de cada uno de los periodos, Demanda (KW) de cada uno de los periodos y
FP total del día.
Con base en estos resultados se genera la facturación de cada día, para generar la
facturación mensual se toma el mayor valor de la demanda de cada uno de los periodos y
las energías de cada periodo se suman par obtener estos siete parámetros de facturación
en forma mensual.
La gran ventaja de hacerlo así es que se puede comparar día con día y semana con
semana, para también escalar con respecto a producción los valores y “normalizar” los
datos para tomar referencias de productividad y eficiencia.
49
Todos estos datos son muy útiles para cálculos comparativos de consumo por unidad de
producto.
Los beneficios de la administración comienzan a ser evidentes, ya que el incremento de
consumo se puede interpretar como una señal de necesidad de mantenimiento o de
sustitución de equipos. En pocas palabras es un indicador de la operación de los equipos o
secciones de la planta.
Aquí se observa la diferencia entre ahorro y administración de energía.
Figura 7.2. Generación de los parámetros de facturación.
También se puede tomar como un objetivo a lograr y cuando se aleja de estos valores
“óptimos”, el desperdicio puede incluir no solo a la energía eléctrica, sino al agua y a otras
materias primas.
Aquí ya la energía eléctrica no es solo un objetivo, es también un indicador de eficiencia.
Lo que como es obvio, ya no se cuestiona en lo absoluto, es la corrección de factor de
potencia,es un acto que se da por hecho; simplemente la reducción de pérdidas en las
líneas de transmisión es justificación suficiente, además de la mejora en regulación de
potencia y la robustez ante demandas transitorias de corriente.
Parámetros de facturación por día $ Costo
Demanda máxima base 1,645 KW
Demanda máxima intermedia 1,712 KW
Demanda máxima punta 1,220 KW
Demanda facturable 1,412 KW 87.324 $123,301.49
Energía de base
9,212 KWh 0.32245 $ 2,970.41
Energía de intermedio 14,381 KWh 0.39522 $ 5,683.58
Energía de punta 3,416 KWh 1.12638 $ 3,847.72
Factor de potencia 0.912 bonificación $ (435.00)
Total $135,368.19
50
Interacción de la administración de insumos con la administración de energía
eléctrica
La administración de energía eléctrica se relaciona con la administración de los otros
insumos y de manera lógica el punto óptimo de consumo en los diferentes componentes
coincide para todos ellos.
La energía eléctrica además es un indicador total de eficiencia de operación. Por ejemplo,
si se desperdicia agua, se está desperdiciando la energía eléctrica utilizada para su
bombeo, si se desperdicia vapor lo mismo, el acarreo de los materiales como lámina o
cualquier otro insumo sólido, requiere transportación, por lo que su movimiento se registra
en el consumo de energía eléctrica.
Existe un fenómeno interesante, así como el desorden tiene la capacidad de esparcirse, el
orden con un poco de disciplina también lo puede hacer.
Hay lugares donde el orden empieza con la administración de la energía y después se
extiende a otras actividades de la planta.
Existen tres acciones que resultan imprescindibles para que esto suceda:
• Evitar “ yo creo” por “yo medí y verifiqué”.
• Analizar las mediciones antes de tomar acciones.
• Simular las consecuencias antes de actuar, calculando el mejor, el peor y el caso
más factible.
El peor enemigo del orden es la falta de conocimiento, se crean los mitos y la frase
“siempre se ha hecho así”, abunda.
La razón histórica de “siempre se ha hecho así”, no es suficiente, ya que en muchas
ocasiones se ha hecho siempre mal.
Conclusiones
Se analiza la metodología de evaluación de los costos de energía y como es factible
reportar las variaciones del valor de la energía eléctrica.
51
Tomando como base los datos es factible calcular la recuperación de la inversión para
estos proyectos de administración de energía.
Se debe recordar que los diferenciales de costo se deben escalar a una producción de
referencia para poderlo calcular adecuadamente, aunque es importante saber también la
diferencia absoluta.
Hay casos de empresas que empezaron por la administración de la energía, pasaron a una
administración de recursos materiales y posteriormente a una administración total.
La base de la administración total es separar todos sus componentes, que cada parte
trabaje como debe de hacerlo y que todas se ensamblen como piezas de rompecabezas.
Cuando se mencionó la diferencia entre ahorro y administración, una de las razones de
esta diferencia es que visualizando esto como un proyecto de ahorro nunca se hubiera
llegado a los conceptos con los que se está trabajando en administración.
En el capítulo anterior se habló de la administración distribuida, este es un ejemplo
adecuado de orden, mantener una estructura por niveles y correctamente ordenada.
52
53
La administración de la energía: la búsqueda continuade la mejora en el desempeño.
Introducción
Al comenzar un proyecto de administración de energía, comúnmente se formula la pregunta
¿cuál es el óptimo?.
La respuesta es que no existe, pero lo que sí hay es una tendencia, un rumbo hacia el cual
dirigirse. Este es el mismo fenómeno que el de los récords deportivos, la pregunta
correspondiente es ¿ dejarán algún día de romperse?.
Lo mismo ocurre con la administración de energía ¿ cuando habremos alcanzado el
óptimo?. La respuesta es la misma, nunca. El punto óptimo no existe, solo marca el rumbo
a seguir, nada más.
Sin embargo un proyecto de administración de energía debe contar con metas a cumplir en
término de tiempo definidos. Si las metas son excesivamente ambiciosas, los términos de
tiempo son demasiado cortos o no se cuenta con la estabilidad de condiciones adecuadas y
no son satisfechas, se corre el peligro de desacreditar el proyecto.
De aquí surge el siguiente punto: un proyecto técnicamente correcto, con metas demasiado
ambiciosas en tiempo o porcentajes, puede resultar un fracaso.
Por el contrario un proyecto técnicamente poco novedoso o poco llamativo, bien acotado y
ordenado puede ser el comienzo de algo muy superior.
Determinación de metas y objetivos.
El punto de mayor importancia no es el aspecto técnico, es el aspecto del planteamiento de
objetivos y tiempos en los cuales lograrlos. Si los objetivos están correctamente planteados,
ya se irá evolucionando sobre ese proyecto y se podrá volver técnicamente más importante
y ambicioso.
Hay un punto muy importante: intentar conseguir resultados impresionantes, puede
terminar en no obtener nada satisfactorio.
Para estar en la realidad, se hace el análisis del caso “ideal”, es decir, que todo salga bien;
después se plantea el caso con margen de cobertura (70 a 80%) de los resultados ideales y
después el peor de los casos.
54
Los planteamientos se deben basar en un análisis detallado de las estadísticas de
consumos, producción y sobre todo estabilidad de las características de operación.
Si el proceso de producción no es estable, lo primero que se debe hacer es darle un
comportamiento lo más adecuado posible, no es lógico hablar de optimizar procesos con
eventos transitorios.
La optimización se alcanza en situaciones predecibles, no en arranques y paros sucesivos
y frecuentes.
Los puntos a seguir realmente importantes para plantear las metas y objetivos a lograr en
un proyecto de administración de energía son los siguientes:
• Análisis del comportamiento del área o proceso que vaya a ser objeto de la
optimización con por lo menos un año de anterioridad.
• Verificar si la tecnología que se está utilizando es de punta o ya está en un periodo
estable.
• Observar los datos eléctricos de este proceso con un equipo de medición durante por
lo menos una semana, para comprobar su estabilidad.
• A través del análisis de las mediciones que se tienen (anteriores o las realizadas con
el equipo de registro), buscar el punto óptimo ya realizado en la operación. Este punto ya
fue alcanzado, de manera que repetirlo debe convertirse en un objetivo a lograr a través del
ordenamiento de la operación. También se debe analizar el punto de menor desempeño.
• Encontrar las razones para estos dos puntos, relacionando su comportamiento con el
perfil de producción y circunstancias en que se obtuvo..
• Obtener la variación porcentual de estos puntos contra el valor promedio de la
producción.
• Analizar el proyecto de administración de la energía correspondiente. Es importante
que si se habla de cambiar motores convencionales por unidades de alta eficiencia, primero
se estabilice el voltaje y el balanceo de la instalación a un punto cercano al nominal.
Un voltaje desbalanceado puede disminuir la eficiencia de un motor eléctrico a un punto
importante y colocar un motor de alta eficiencia con condiciones lejanas a las nominales en
55
una situación semejante a la de contar con equipo convencional. Por el contrario, en lugar
de sustituir motores, puede ser más rentable adecuar las condiciones de operación para
que se aproximen a los valores nominales en cuanto a voltaje, balanceo, comportamiento
transitorio y número adecuado de arranques.
• Averiguar si este proyecto se ha intentado antes y con qué resultados.
• Obtener varias propuestas para la adquisición de equipo y buscar que el distribuidor o
fabricante se comprometa con los resultados ofrecidos por su publicidad. Es muy
importante observar la “letra pequeña” de los datos técnicos. En muy pocos casos el
fabricante menciona que las condiciones de operación están tomadas a nivel del mar,
voltaje balanceado a menos del 1% y en un rango de 1% fuera del valor nominal.
Los resultados se basarán en esos datos, de manera que el fabricante o distribuidor debe
poder garantizar sus especificaciones en las condiciones que interesen.
• Conviene dejar siempre un margen en las expectativas, es decir si se espera un
comportamiento de 20, es aconsejable prometer un 16 ó 18, además si se obtiene el 20,
eso hablará más a favor del proyecto. No hay nada mejor para lograr la satisfacción de los
directivos que un proyecto que sobrepasa las metas propuestas originalmente.
Metodología de la obtención de datos para plantear objetivos de administración de energía
La parte más árida de un proyecto de administración de energía es el planteamiento de
metas y objetivos.
Para poder hacerlo de manera adecuada es necesario seguir una metodología que incluya
en pasos bien definidos los puntos que se mencionaron anteriormente.
1. Plantear el término al cual se desea llevar a cabo el proyecto (inmediato, corto,
mediano o largo plazo). Esta acción permite saber de qué se está hablando en cuanto a
magnitudes de inversión, los recursos disponibles y de otros aspectos financieros, así como
plantear el tamaño del proyecto para poder asignar recursos financieros.
Los proyectos pequeños y cortos pueden presentar resultados espectaculares en tiempos
de recuperación, se debe recordar que un buen resultado de un proyecto acotado
fuertemente desde el punto de vista técnico, es mucho mejor que un resultado pobre de un
proyecto espectacular.
56
2. Analizar el costo de la energía eléctrica contra el valor total de venta del producto, si
este es menos de un 3%, es posible que no sea redituable atacar los costos de energía
eléctrica.
Es factible que en esas condiciones sea más redituable invertir en otros conceptos. Por
ejemplo, el ahorro de energía en sucursales bancarias se hace más por imagen, que por
conveniencia real. Modernizar su sistema de atención al cliente redituaría mucho más que
“ahorrar” un poco por energía eléctrica. Sin embargo la imagen de un banco que no cuida
sus recursos puede costar indirectamente mucho dinero.
Otro punto muy importante es hacer la proyección de cuanto menos se va a economizar
contra cuanto más se tendrá que vender para lograr los mismos resultados.
En muchas ocasiones ya no es posible vender más por saturación de mercado, pero
siempre es factible pagar menos por la misma calidad y cantidad de producto.
De manera que la única forma factible en ese momento de subir ganancias es
administrando mas eficientemente.
3. Analizar con cuidado las alternativas técnicas que comprenden puntos como
corrección de factor de potencia, reducción de pérdidas (ya sea por modificación de
conductas y horarios, sustitución de motores por equipo de alta eficiencia, balanceo y
mejora en la calidad de cables alimentadores, control de demanda o cambio en el proceso
de fabricación).
Comparar las diferentes opciones con fabricantes y distribuidores serios.
Es importante que las ofertas de equipo o proyectos con resultados espectaculares en
muchas ocasiones (las más de ellas), no son reales o solo suceden en condiciones ideales
poco reproducibles o controlables. Un proyecto que ofrezca más del 10% de disminución de
costos sin afectar los otros aspectos de calidad y producción, debería ser analizado con
mucho detenimiento.
Repitiendo lo antes mencionado, existe poca posibilidad que un valor de resultados
espectaculares y su posibilidad, solo puede ocurrir en condiciones ideales.
Proyectar las metas a lograr con un valor de 10 a 20% de incertidumbre. Es importante
recordar que no todas las personas se comprometerán con el proyecto como su promotor y
habrá gran cantidad de escépticos.
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Los resultados parciales y las metas a lograr permitirán corregir cuando de manera
inmediata no se obtengan los resultados esperados y en caso de conseguirlos permitirán
convencer a los escépticos.
Aunque no es fácil, el primer escéptico debe ser el promotor del proyecto, para evitar que el
resultado del proyecto sea lo que él desea y no la realidad. Por este motivo los reportes
deben ser exactos, concisos y muy rápidos de entender. Cuando algo se entiende bien, es
claro y no se puede ocultar, los resultados son directos.
Es muy útil usar gráficas respaldadas con números, existe un consejo a seguir que dice:
“Cualquier cosa que se desee ser entendida y clara se debe expresar a lo mucho en una
hoja carta”. Posteriormente los detalles se podrán dar en los apéndices técnicos, pero los
resultados del proyecto se deben poder expresar en una sola hoja.
Cuando un proyecto muestra resultados favorables en esta manera clara y concisa, es muy
difícil rebatirlos.
Obtención de resultados
En el capítulo anterior, se habló sobre la metodología de obtención de resultados de un
proyecto de administración de energía. Es muy importante ser cuidadoso y llevar a cabo de
la manera mencionada el desarrollo del proyecto aunque a veces resulte árido y monótono.
Cada proyecto tendrá diferencias en la manera de obtener estos resultados, pero la
metodología en general ha sido expresada.
Comparación entre los objetivos, metas y resultados obtenidos del proyecto
Una vez establecidas las metas, determinada la metodología y habiendo comenzado, es
recomendable hacer mediciones intermedias durante el desarrollo del proyecto.
Estas mediciones tienen la enorme virtud de “alarmar” en caso de tener un error de
planteamiento o de desarrollo y dan la oportunidad de corregir sobre la marcha si no se
cumplen las metas previstas. En el caso contrario, de indicar que el rumbo es el correcto,
permiten reforzar las medidas tomadas y estar seguros del buen resultado.
Es de gran importancia que estas mediciones intermedias se lleven a cabo, por sencillo que
sea el desarrollo, siempre pueden haber imprevistos y problemas.
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Cuando el proyecto está en la fase final o ya terminado es importante mecanizar los
reportes, de manera que tomen poco tiempo en realizarse, sean claros, puedan ser
llevados a cabos en forma metódica por diferentes personas y permitan observar resultados
fácilmente.
A continuación en la figura 8.1 se presenta una tabla de resultados de un proyecto de
administración de energía.
Figura 8.1. Cálculo comparativo de resultados por etapas de un proyecto de
administración de energía.
La generación de reportes cuando un proyecto ha sido terminado y solo se requiere de
seguimiento, no debe tomar más de 10 minutos, afortunadamente con las herramientas
actuales tales como las hojas de cálculo esto es posible.
Esta tabla da un ejemplo de presentación de resultados de manera concisa, si aparte de
esto se presentan gráficas de apoyo, el resultado puede ser bastante bueno. El punto más
demostrativo de esta acción será el índice de la mejora. Este es directamente el aspecto
que debe ser perseguido como objetivo de una mejora en el índice de comportamiento de
manera continua.
Si se desea que el índice de mejora sea completo, se debe incluir una relación de
producción sin defectos y una puntuación de volumen de producción.
Previo En desarrollo Final Objetivo a mediano
plazo
Consumo KWh Consumo KWh Consumo KWh Consumo KWh
Base Intermedio Punta Base Intermedio Punta Base Intermedio Punta Base Intermedio Punta
9,200 21,200 3,800 9,200 22,300 3,500 9,200 24,386 3,121 9,250 25,100 2,850
Demanda KW Demanda KW Demanda KW Demanda KW
Base Intermedio Punta Base Intermedio Punta Base Intermedio Punta Base Intermedio Punta
1,700 1,900 1,500 1,700 1,900 1,200 1,700 1,950 953 1,720 2,000 900
Factor de potencia = 0.93 Factor de potencia = 0.93 Factor de potencia = 0.93 Factor de potencia = 0.95
Costo / día = $ 132,458 Costo / día = $ 125,637 Costo / día = $ 118,679 Costo / día = $ 113,550
Rechazos = 3.12% Rechazos = 3.05% Rechazos = 2.98% Rechazos = 2.85%
Producción = 12,684 Producción = 12,695 Producción = 12,721 Producción = 13,000
Mejora en el desempeño 1.00000 Mejora en el desempeño =
1.01200 Mejora en el desempeño =
1.04200 Mejora en el desempeño =
1.05100
59
Con el objeto de indicar que el proyecto de administración de energía eléctrica no ha
sacrificado ni calidad ni volumen de producción, se busca que este índice sobrepase
siempre el valor de referencia 1.00000, previo al comienzo de este proyecto.
Concepto de índice de mejora en el desempeño
La mejora en el desempeño abarca los conceptos de costos, consumos, niveles de
producción y cantidad de rechazos por baja calidad.
Este índice se deberá calcular antes, durante y después del proyecto de administración de
energía; se compone de cuatro diferentes puntos, uno de ellos es el precio en KWh por
producto, otro es el promedio de KW por producto, otro más es el porcentaje de rechazos y
otro la cantidad de productos por unidad de tiempo. Es posible después incluir más
parámetros, de acuerdo con las decisiones de la empresa.
Todos estos factores se conjugan por medio de valores diferentes para las constantes de
peso para cada uno de ellos.
Mejora en el desempeño =
K1*(valor inicial - KWh/producto)
+K2*(valor inicial - KW/producto)
+K3*(valor inicial - %rechazo)
+K4* (producción - producción inicial).
Las constantes K1, K2, K3 y K4, se darán de acuerdo a criterios relativos en cada empresa.
Es decir los valores que se tratan de reducir se restan al valor del punto de inicio y los
valores que se tratan de aumentar, se les resta el punto de inicio.
La idea de esta variable es crear un parámetro objetivo y que permita realmente mejorar
en todos los aspectos.
El punto más difícil es encontrar el balance de las constantes y deberá ser realizado por un
grupo multidisciplinario, formado por personas de los departamentos de control de calidad,
producción, energía o mantenimiento y análisis de costos.
De esta forma se llegará a un valor adecuado para cada constante.
60
Conclusiones
Las conclusiones de este capítulo son sencillas, se presenta una metodología de selección
de metas y objetivos, una herramienta a seguir para el desarrollo del proyecto y una forma
de comparar los resultados con los objetivos y metas planteados.
El concepto realmente novedoso e importante es el valor del índice de mejora en el
desempeño.
El concepto de desempeño (en inglés “performance”), involucra todos los aspectos, calidad,
nivel de producción y costos de material, este concepto se divide en servicios (agua,
energía eléctrica y energéticos en general), materiales (materias primas del proceso) y
costos de fabricación (mano de obra, amortización de activos).
En este capítulo no se involucró la constante de materias primas por no estar dentro de su
alcance, pero puede incluirse para abarcar todo el concepto completo.
Este índice es la base para la poder proyectar los objetivos a lograr (valor del índice) y las
metas a lograr (calendarizar detalladamente los objetivos).
Además este índice permitirá que la mejora sea integral, no solamente en el consumo de
energía.
En el primer capítulo se habla del hecho que al imponer el orden en materia energética, el
orden en los otros aspectos comienza a operar y pronto la planta completa empezará a
mejorar en todos sus aspectos.
El índice de desempeño permite cuantificar y no hacer proyectos para mejorar de manera
cualitativa, se debe conocer de manera exacta (numérica) y evaluar de acuerdo a los
resultados numéricos, no aspectos subjetivos.
Seguir estos lineamientos permitirá una exposición clara y adecuada de lo obtenido. En
estas conclusiones se hace énfasis en que el objetivo a lograr es una mejora integral y ya
no relacionar los objetivos con costos, KWh, KW y otros parámetros eléctricos o
económicos por separado.
Este índice es la guía para el planteamiento continuo de superación en todos los aspectos,
menor costo energético, menor porcentaje de rechazo, menor costo de materias primas y
mayor producción.
61
La elevación de este índice marcará la capacidad competitiva del producto y se puede
volver un indicativo muy importante.
62
63
Calidad de la energía y su impacto en el costo deoperación
Calidad de la energía: Conceptos básicos
Introducción
Se describen los parámetros para evaluar la calidad de la energía: variaciones de voltaje
diferentes tipos de eventos (transitorios, microinterrupciones e interrupciones por intervalos
largos).
Modo de evaluación del desbalanceo de fases, distorsión de la señal y el método para
analizarla.
Evaluación del impacto económico por la baja calidad de la energía:
• Tiempo de re-arranque después de un microcorte
• Impacto de las variaciones de voltaje (“Sags and Swells”)
• Variaciones de voltaje generadas por la carga externa a la instalación
• Pérdidas generadas por armónicas
Metodología de medición de los parámetros de calidad de energía:
• Medición de perfiles
• Medición de balanceo de fases
• Medición de Sags and Swells
• Medición de transitorios inferiores a medio ciclo de línea. (Notches and Spikes)
Soluciones comunes a estos problemas:
• Soporte a los equipos electrónicos
• Filtrado de ruido de línea
En muchas ocasiones se habla de ahorro y administración de energía, pero no
comúnmente se habla del impacto en los programas de administración sobre la falta de
calidad de la energía eléctrica.
El primer punto a tratar es la definición de parámetros para evaluar la calidad de la energía
eléctrica y posteriormente calcular cual puede ser el impacto económico en el costo de la
producción.
64
Parámetros para evaluar la calidad de la energía.
• Perfiles de voltaje (evaluado en intervalos de uno o varios minutos).
El perfil de voltaje se llama a la obtención de los valores de voltaje (ya sea monofásicos o
trifásicos) midiendo cada determinado número de minutos, evaluando el promedio, el
mínimo y el máximo voltaje de cada intervalo de medición.
El perfil de un intervalo mínimo (puede ser un día o una semana, dependiendo del caso)
arroja una gran cantidad de la estabilidad del voltaje de alimentación.
• Caídas de tensión y sobrevoltajes pasajeros (Sags and Swells)
En muchas ocasiones existen fluctuaciones momentáneas (de medio ciclo a uno 10 ó 20
ciclos) en que el voltaje de la alimentación presenta fluctuaciones de +/- 20 % de su valor
nominal en adelante.
Muchas fuentes de alimentación de equipos electrónicos están diseñadas para operar sin
energía, es decir con respaldo, pero pocas soportan esas variaciones de manera que no
reflejen variaciones o interrupciones en los circuitos que alimentan.
En muchos casos estas variaciones son más dañinas que una interrupción, logrando
corromper la memoria de datos o programación de los equipos de automatización.
• Balanceo de fases
El balanceo de fases es un factor crítico en la estabilidad y eficiencia de la instalación. Un
desbalanceo superior al 1 %, ya comienza a provocar problemas serios de eficiencia en
motores.
Este factor es pocas veces tomado en cuenta, pero muy comúnmente es uno de los
principales motivos de la baja eficiencia en motores y otros sistemas industriales.
Un desbalanceo de 2 ó 3 % puede provocar una reducción en la eficiencia de motores y
sistemas trifásicos de un 4 a 6%.
Por lo tanto el balance es de alta importancia dentro de los parámetros de calidad de
energía.
65
Las mediciones de balance se deben llevar a cabo con un voltímetro o analizador de redes
trifásico, no es válido llevarlo a cabo con un voltímetro monofásico en forma secuencial a
cada fase.
• Microcortes
Los microcortes son interrupciones que van desde una fracción de semiciclo hasta 100 mili-
segundos. Sus efectos se dejan sentir más bien sobre el equipo electrónico.
Los motores y sistemas de calentamiento no resienten estos cortes, pero los controladores
programables, computadoras y equipo de automatización en general, puede sufrir desde
una reinicialización hasta un bloqueo o pérdida de memoria.
Los microcortes se contabilizan en un periodo de facturación para poder comparar con
otras regiones o países del mundo.
Incluso en algunos países los micrcortes y el tiempo de interrupción son cargados como
multa por parte del usuario, es decir se obtiene un descuento por fallas en el servicio.
• Distorsión armónica
La deformación de la señal senoidal de 60 hz provoca componentes senoidales múltiplos
de la señal original de 60 hz (120, 180, 240, 300 hz) que pueden ser evaluadas por medio
por medio de un análisis de Fourier.
La existencia de frecuencias mayores a 60 hz en una red de distribución puede dar lugar a
una gran cantidad de anomalías en el comportamiento de loes equipos conectados,
especialmente los electrónicos.
Los capacitores de compensación de factor de potencia pueden sufrir grandes daños, al
disminuir su impedancia con el incremento de la frecuencia o al presentar efectos de
resonancia al interactuar con las inductancias existentes.
Se considera, en términos generales que una distorsión mayor al 5 % en voltaje es
inaceptable y los niveles deseados están por debajo del 3 %.
66
• Transitorios de voltaje
La definición de transitorios de voltaje es: la presencia de un evento mucho menor a medio
ciclo de la frecuencia de 60 hz (menos de 1 mseg) y que tiene valores por arriba de los 200
volts.
El transitorio puede ser una adición de voltaje (un evento de voltaje del mismo signo que la
señal de alimentación) o una sustracción (de signo contrario al voltaje de alimentación).
Los transitorios en una línea de alimentación de 110, 220 ó 440 VCA pueden tener
magnitudes de centenas o miles de volts.
Se pueden deber a desconexiones abruptas de cargas inductivas, inducciones provocadas
por rayos o incluso golpes directos de rayos en las líneas de alimentación.
Estos fenómenos pueden ser devastadores sobre el equipo electrónico, a pesar de las
protecciones que los equipos tienen para prevenir que estas situaciones les provoquen
daño o degradación.
• Número de cortes y tiempo de interrupción de servicio durante un periodo de facturación.
En este parámetro se contabilizan los cortes de duración mayor a 0.1 segs.
Este es otro parámetro indicativo de la calidad del servicio.
El tiempo total de interrupción.
Todos estos parámetros deben ser evaluados cuando se califica la calidad de la energía
eléctrica que se está recibiendo por parte de la compañía suministradora.
Metodología de medición del desbalanceo de fases y distorsión armónica
Es común encontrar medidores monofásicos en sistemas trifásicos y suponer por
simplicidad que el voltaje está balanceado.
Cuando se hace una evaluación detallada, estas suposiciones deben omitirse y obtener
registro del perfil de voltaje de cada una de las tres fases y calcular el desbalance de
manera porcentual.
67
La forma de obtener este valor es promediar los tres voltajes con respecto al neutro y
calcular la desviación porcentual de cada fase.
El perfil de desbalance se debe incluir dentro del reporte de perfiles de voltaje.
Toda esta información permite evaluar el impacto de la calidad de energía (o la falta de la
misma) sobre la eficiencia de operación.
El salir de más del 1 % del balance afecta la eficiencia.
Es muy importante localizar la causa de la asimetría. Se deben hacer mediciones en el
transformador que reduce a baja tensión e ir siguiendo las mediciones a lo largo de la
instalación hasta encontrar el punto a partir del cual se presenta la asimetría o desbalance.
En muchas ocasiones se encuentran cargas monofásicas provisionales que llevan muchos
años de instaladas.
Otra fuente de desbalanceo puede ser un transformador con derivaciones asimétricamente
conectadas. Es muy importante revisar todas las derivaciones en los transformadores
dentro de la instalación.
Uno de los puntos con mayor desbalanceo son los circuitos de alimentación de las
luminarias, se recomienda no mezclar circuitos de fuerza con ellos.
Otro punto muy importante para la simetría de las fases es la buena calidad de las tierras,
ya que al existir desbalanceo, la corriente por el cable de neutro se incrementa y debe tener
suficiente capacidad.
Medición de Sags and Swells
La definición de un disturbio de este tipo es que cuenta con la duración suficiente para
hacer variar una medición rms.
Para poder medir este tipo de disturbios se requiere de un registrador de alta velocidad que
sea capaz de medir tiempos desde 8 milisegundos en adelante.
Existen varias marcas de quipos especializados para estas funciones. Las marcas y
modelos adecuados hacen énfasis en esta característica de registro.
68
Figura 8.1. Reporte de tendencias de voltaje
Linecorder Trend Data Report Printed: 05/16/10 08:51:25 Page 2
Report: 1 Channel 1 (Vrms)
Date Time Max Avg Min ============================================= 20/07/01 01:15:35 a.m. 441.8 437.3 432.9 20/07/01 01:10:35 a.m. 450.2 442.6 435.0 20/07/01 01:15:35 a.m. 450.4 444.6 438.9 20/07/01 01:20:35 a.m. 447.7 443.8 439.9 20/07/01 01:25:35 a.m. 448.7 442.3 435.9 20/07/01 01:30:35 a.m. 443.1 438.2 433.2 20/07/01 01:35:35 a.m. 448.3 439.0 429.8 20/07/01 01:40:35 a.m. 443.0 436.1 429.3 20/07/01 01:45:35 a.m. 443.6 438.2 432.8 20/07/01 01:50:35 a.m. 443.4 439.2 435.0 20/07/01 01:55:35 a.m. 448.0 440.9 433.7 20/07/01 02:00:35 a.m. 446.9 439.4 432.0 20/07/01 02:05:35 a.m. 445.2 442.1 439.0 20/07/01 02:10:35 a.m. 451.1 440.1 429.1 20/07/01 02:15:35 a.m. 443.4 439.0 434.6 20/07/01 02:20:35 a.m. 448.9 444.1 439.3 20/07/01 02:25:35 a.m. 451.1 442.5 433.8 20/07/01 02:30:35 a.m. 451.9 443.5 435.0 20/07/01 02:35:35 a.m. 445.3 439.9 434.4 20/07/01 02:40:35 a.m. 448.9 441.4 434.0 20/07/01 02:45:35 a.m. 453.9 446.2 438.4 20/07/01 02:50:35 a.m. 447.8 440.4 433.0 20/07/01 02:55:35 a.m. 442.6 440.8 439.0 20/07/01 03:00:35 a.m. 447.4 441.8 436.2 20/07/01 03:05:35 a.m. 450.4 442.5 434.6 20/07/01 03:10:35 a.m. 445.8 442.9 439.9 20/07/01 03:15:35 a.m. 448.2 439.8 431.4 20/07/01 03:20:35 a.m. 451.8 443.3 434.8 20/07/01 03:25:35 a.m. 442.6 438.3 434.1 20/07/01 03:30:35 a.m. 446.9 440.1 433.4 20/07/01 03:35:35 a.m. 450.3 439.9 429.5 20/07/01 03:40:35 a.m. 449.1 443.0 436.8 20/07/01 03:45:35 a.m. 445.8 440.3 434.8 20/07/01 03:50:35 a.m. 442.5 440.9 439.3 20/07/01 03:55:35 a.m. 452.1 442.0 431.9 20/07/01 04:00:35 a.m. 451.2 443.2 435.2 20/07/01 04:05:35 a.m. 450.3 441.0 431.7 20/07/01 04:10:35 a.m. 450.2 444.5 438.7 20/07/01 04:15:35 a.m. 444.2 439.1 433.9 20/07/01 04:20:35 a.m. 447.8 443.6 439.5 20/07/01 04:25:35 a.m. 452.3 440.5 428.6
69
El muestreo debe ser de por lo menos 4 veces por ciclo y de preferencia que trabaje con
valor RMS, no valor medio.
El registrador debe indicar en que día, hora, minuto y segundo ocurrió el evento y
localizarlo dentro del segundo por número de ciclo o semiciclo, así como dar la duración de
este evento.
En la mayoría de los equipos, se genera un listado normalmente en hoja de cálculo, a una
computadora personal.
Y se enlistan los resultados por orden cronológico, de voltaje o de duración, según sea el
estudio que se realiza.
En estos registros se puede hacer una correspondencia con las bitácoras de fallas y
relacionar el efecto de estas fallas con los paros de producción.
Esta correspondencia permite evaluar el costo de una calidad deficiente de la energía en la
producción.
En muchas ocasiones, estos datos permiten decidir sobre acciones como alimentar todos
los equipos electrónicos con líneas especiales reguladas o inclusive alimentadas por
fuentes de poder ininterrumpibles del tipo ON-LINE, para eliminar por completo los efectos
en el equipo electrónico de control.
Estos efectos tienen poco efecto en motores y otros equipos eléctricos.
A continuación se da una muestra de mediciones realizadas con un equipo de este tipo.
Este reporte permite decidir la conveniencia de líneas de alimentación reguladas
independientes para el equipo electrónico.
Este tipo de soluciones puede ser cara, pero se amortiza al garantizar la continuidad de la
producción.
Medición de transitorios inferiores a medio ciclo de línea.
Este tipo de eventos se clasifica de diferente manera que los “Sags and Swells”.
Estos eventos normalmente son más energéticos que los anteriores, solo de menor tiempo.
70
El caso de una inducción causada por un rayo o una carga inductiva al ser desconectada
sin protecciones, puede alcanzar varios cientos o miles de Volts en líneas de bajo voltaje
(spikes).
Figura 8.2. Reporte de mediciones de eventos (Sags and Swells) y transitorios de
voltaje
Otra falla factible es la desconexión momentánea durante unos microsegundos (notches).
Estos efectos son especialmente destructivos para el equipo electrónico y pueden tener
consecuencias muy importantes al no solo parar una línea de producción y requerir
arrancarla de nuevo, sino además producir daños serios en el equipo y necesitar su
sustitución con el consiguiente costo por detener la producción varias horas en el mejor de
los casos o incluso días.
Los equipos eléctricos son mucho más “inmunes” a este nivel de transitorios.
Los equipos electrónicos incorporan protecciones de tipo varistor o dispositivos de
descarga de gas, pero en muchas ocasiones no brindan suficiente robustez, velocidad o
capacidad de protección.
En muchos casos dispositivos como los varistores, se degradan con el uso, perdiendo
efectividad con el uso.
Para poder registrar estos eventos se utiliza equipo electrónico de adquisición de alta
velocidad.
Linecorder Event Data Report Printed: 16/05/02 08:51:41 Page 2
Channel 1 (Vrms)Nbr Date Time Half-Cycle Event Type Level Duration==================================================================1 20/07/01 13:07:56 32 Sag 415.0 75.0 ms2 21/07/01 03:44:40 36 Swell 496.0 8.33 ms3 21/07/01 15:17:43 82 Sag 421.0 33.3 ms4 21/07/01 15:31:22 75 OvrV 932.1 4.1 us5 21/07/01 15:43:36 75 Sag 425.0 450 ms6 21/07/01 15:45:31 25 Sag 409.0 1.02 s7 21/07/01 23:36:44 73 Sag 422.0 8.33 ms
71
Los registradores para este tipo de eventos tienen la posibilidad de obtener mediciones
desde un microsegundo o menos y se adquiere el valor de voltaje máximo del evento.
Los equipos más sofisticados, pueden adquirir la forma del evento, los más sencillos, solo
su amplitud máxima.
En la figura 8.2 se presenta un ejemplo de estas adquisiciones. Estos valores fueron
adquiridos con un equipo marca Telog, pero existen muchas otras marcas.
Algunas medidas de protección para equipos electrónicos
El aspecto más peligroso de estos eventos es que pueden llegar a romper el valor máximo
de bloqueo de rectificadores, transistores, incluso capacitores u otro tipo de componentes
electrónicos, es decir el problema no es la energía involucrada, sino el voltaje de los
mismos.
El primer aspecto indispensable para contar con una protección adecuada es una buena
conexión a tierra.
Figura 8.3. Curvas de operación de los dispositivos de protección.
Los dispositivos de protección (varistores o dispositivos de descarga de gas) lo único que
hacen es dirigir el impulso hacia tierra, desviándolo del equipo a proteger.
Si estas protecciones no cuentan con una buena conexión a tierra, nunca podrá ser
desviado el impulso y recaerá directamente sobre el equipo.
72
Los dispositivos de descarga de gas protegen de una manera muy efectiva, al presentar un
punto de descarga con muy baja impedancia al ser rebasado su valor de protección.
Los varistores disipan por sí mismos potencias muy altas al limitar este voltaje, la energía
no resulta muy alta al integrarla en periodos pequeños de tiempo.
Los dispositivos de descarga de gas soportan corrientes de mucho mayor valor.
Otra opción es filtrar con un arreglo inductor-capacitor, pero recordamos que el capacitor es
susceptible a daños por el alto voltaje, aunque sea momentáneo al presentarse
perforaciones en el dieléctrico que lo constituye.
Es importante que el equipo electrónico cuente con filtros supresores en la entrada de
alimentación.
Sin embargo, estas protecciones en muchos casos son insuficientes e incluso destruidas
durante los eventos.
Las solución más efectiva, aunque puede ser la más cara, consiste en instalar una línea de
alimentación especial, regulada y sostenida por una fuente ininterrumpible, de preferencia
del tipo ON-LINE.
Este tipo de fuente garantizará una alimentación adecuada para el equipo electrónico y se
le conectará una protección adecuada y robusta a un solo punto, bien aterrizado.
No se considera una solución tan buena el colocar pequeñas fuentes por todos los puntos
de carga, ya que esto no protege contra inducciones en la línea ni efectos parecidos.
Muchas ocasiones las fuentes de estos eventos transitorios están dentro de la misma
instalación y el instalar estas fuentes sin separar las alimentaciones no es una solución
total, puede ayudar parcialmente, pero la acción completa es la instalación de una
alimentación de voltaje separada y regulada, libre de inducciones, eventos transitorios y
problemas.
Instalar un alimentación “especial” puede parecer muy costosa, pero cuando se analiza el
ahorro factible al no parar la línea de alimentación por pequeñas fallas o por fallas en los
equipos electrónicos, se puede considerar ua solución factible y rentable.
De acuerdo al estudio de presencia de microinterrupciones y transitorios, se puede evaluar
el tiempo de amortización.
73
En pocas palabras, si los problemas por la existencia de microinterrupciones, transitorios y
otros fenómenos, se pueden corroborar con la operación continua de un registrador y
correlacionar a las fallas de los equipos y se tiene coincidencia, será posible evaluar el
costo de estos eventos.
Con estos datos, es posible estimar el numero de horas perdidas y calcular el tiempo de
amortización de un proyecto de tal magnitud contra el beneficio de reducción de horas
muertas en producción.
Además después de realizar ese proyecto, se puede simular que fallas hubiera habido y
calcular en cuanto tiempo se amortiza la instalación de la fuente ininiterrumpible y la
instalación de las protecciones.
En ocasiones con problemas severos estas medidas se han tomado y se tiene la
experiencia de haber detenido los problemas eléctricos en un porcentaje muy alto.
Hubo un caso en particular, que de tener de 15 a 20 fallas por día en el sistema de
adquisición de datos (en un sistema de administración de despachos de combustibles de
una estación de servicio) a una o dos fallas por mes. Esto significa una reducción de 500 a
1.
La reducción en problemas fácilmente permitió recuperar el costo del estudio y las acciones
llevadas a cabo.
Metodología de evaluación de costos por baja calidad de energía eléctrica.
Lo primero que es indispensable para llevar a cabo esta evaluación es contar con un
registrador de manera continua que sea capaz de llevar una bitácora continua de eventos
eléctricos.
Se debe después de tener esta información, observar y registrar los paros y problemas en
la producción y hacer una correlación de fechas y horas.
El evento de retraso en la producción se considera terminado cuando el nivel se recupera
totalmente (o a un porcentaje alto, 80 ó 90 %).
Ese tiempo de recuperación se evalúa en costo de horas de operación y se obtiene el costo
debido al evento capturado.
74
Una demanda a la compañía suministradora es poco factible, pero una evaluación de
costos por baja calidad es muy importante para poder tomar decisiones con respecto a los
proyectos de mejora de la calidad de la energía.
75
Reducción de pérdidas en distribución:
Un proyecto de corrección de factor de potencia
Introducción
La mejor manera de explicar las acciones a seguir en un proyecto de administración de
energía es con un ejemplo.
Se plantea desde su inicio un proyecto de mejora de factor de potencia, partiendo de sus
implicaciones económicas, posteriormente los aspectos técnicos y por último los aspectos
financieros.
Secuencia del proyecto comúnmente llevada
La primera razón por la que se busca la corrección del factor de potencia es por aparecer
como multa en el recibo de cobro de energía eléctrica.
El departamento de contabilidad emite un llamado a evitar una “multa”. Si en lugar de
“multa” o “cargo por bajo factor de potencia” dijera “costo de energía reactiva” o algo
semejante, es muy posible que pasara desapercibido.
Es común caer en el siguiente error: los costos de las materias primas no son analizados
por expertos en la materia. Es decir, el costo de la energía se liquida por el departamento
de contabilidad sin haber entendido realmente las razones de este cobro.
El costo de la energía eléctrica debe ser estudiado de la misma forma que se busca el
menor precio en las otras materias primas, involucrando al departamento de compras,
producción y en muchos casos a ingeniería también.
Una vez que ha sido actuada la alarma de “costo extra” o “multa”, se procede a consultar a
compras o a mantenimiento sobre el concepto.
El departamento de mantenimiento, que normalmente está a cargo de algún ingeniero, ya
sea eléctrico, mecánico o una combinación de las dos, procede a llamar al proveedor de
material eléctrico par solucionar el problema.
El proveedor de capacitores buscará la manera de vender el mayor número de éstos e
instalarlos de la manera más sencilla.
76
En muchas ocasiones (no conviene corregir el factor de potencia arriba de 0.92 ó 0.93 por
cuestiones económicas), el proveedor buscará corregir hasta 0.95 o más, para poder
vender mayor número de elementos capacitivos.
Otro punto es que el proveedor buscará instalar todos los capacitores juntos y lo más
cercano al transformador de alimentación, o peor aún, en la línea de alto voltaje de la
entrada o de distribución.
Una vez llevada a cabo la instalación de los capacitores, el proveedor “solucionó” el
problema (la multa desaparece) y él vendió e instaló capacitores por una cantidad
razonable de dinero.
Existen varios problemas técnicos que no quedaron solucionados:
1. El cálculo de los capacitores se lleva a cabo con base en mediciones promediadas en
todo el mes, mostradas en el recibo de energía eléctrica. Este es un procedimiento habitual,
incluso es un servicio que en ocasiones presta el personal de la compañía suministradora.
2. Este cálculo no toma en cuenta el perfil de energía reactiva a compensar, es decir si
los capacitores quedan continuamente conectados en la subestación, cuando la planta
disminuya su producción, existe el riesgo de SOBRECOMPENSAR el factor de potencia.
3. No se corrige el problema de exceso de corriente reactiva en el interior de la planta,
solo se solucionó su cobro por parte de la compañía suministradora.
4. No se realizó un análisis del valor óptimo de compensación del factor de potencia
inicial, pudiendo ser una solución más cara en material que el valor realmente necesario.
5. No se analizó si los capacitores y su combinación de valores es realmente la más
conveniente. Se pueden buscar los valores más comerciales, que tengan menor precio por
KVAr de compensación que simplemente acumular el valor necesario por medio de una
suma de valores.
6. Se desconocen los resultados del proyecto y la relación costo – beneficio del mismo.
7. El proveedor en muchas ocasiones no mide el estado de los bancos de capacitores
instalados, los cuales pueden tener problemas de desbalanceo o de estar en pleno proceso
de degradación.
77
8. Puede existir algún problema de resonancia de los bancos de capacitores en
presencia de distorsión armónica fuerte. Estos efectos pueden llegar a presentar casos tan
graves como explosiones de los capacitores de tremenda fuerza; al realizar el estudio se
comprueba el contenido armónico y se verifica que sea muy poco probable este problema,
o en caso contrario, se tomarán las medidas correspondientes.
Por último: se lleva a cabo el proyecto y se olvida, nunca se verificó su éxito, recuperación
económica o resultados reales.
La antes descrita es la secuencia más común de un proyecto de este tipo.
Secuencia del proyecto llevado desde el punto de vista de administración de energía.
En este caso se analizará el procedimiento a seguir de este proyecto desde el punto de
vista de administración de energía.
• Primer paso: se detecta el exceso de costo de energía en una reunión de análisis de
costos.
• Segundo paso: se involucra al personal adecuado para este proyecto.
• Tercer paso: en caso de no tener equipo de medición requerido para este análisis (un
analizador de redes trifásico con capacidad de registro programable y un amperímetro de
gancho), se sugiere contratar personal especializado que cuente con él. El costo de este
estudio se verá perfectamente soportado por sus resultados.
• Cuarto paso: Con los resultados del estudio, se puede analizar detalladamente el
punto de compensación más adecuado, calcular su recuperación económica y efectuar un
estudio de valor presente de los costos de energía y del proyecto. En estos beneficios se
podrán observar indirectos tales como mejoría en la regulación, disminución de pérdidas
internas y disminución de sobre - voltajes en periodos de bajo consumo de energía (tales
como días de descanso). Estos beneficios pueden redundar en disminución de fallas de
equipo de cómputo y telefonía; además de proporcionar información importante actualizada
de los consumos de la planta.
• Los tiempos de amortización y utilidades del proyecto son tratados en un capítulo
previo.
78
De esta manera se tiene un control completo de los costos, los beneficios económicos y
técnicos, la recuperación de la inversión desde el punto de vista financiero y la capacidad
de demostrar que el proyecto ha sido exitoso (inclusive con utilidades).
Comparación entre ambas secuencias
En ambos casos el objetivo inicial de corregir el factor de potencia bajo se llevó a cabo,
pero los resultados después de un año son totalmente diferentes:
En el primer caso nadie recuerda el proyecto y no se puede evaluar su grado de éxito.
En el segundo caso, se puede demostrar su éxito económico e inclusive mejoras técnicas.
Se demostró que un proyecto de administración de energía es rentable y que conviene
invertir las “utilidades” para proyectos de este tipo subsecuentes.
La diferencia en ambos casos es muy grande, va del olvido a poder demostrar el éxito y
contar con apoyo para seguir la línea de administración de energía.
Resultados prácticos de llevar el proyecto ordenadamente desde el punto de vista de
administración de energía
Las ventajas de basar el procedimiento técnico de corrección de factor de potencia en un
estudio llevado a cabo seriamente por un consultor diferente al proveedor de material
eléctrico son:
1. La corrección del factor de potencia se lleva a cabo desde el origen del problema, ya
que un estudio correctamente ejecutado encontrará los puntos óptimos de compensación.
Es importante mencionar que la compensación del factor de potencia se lleva a cabo desde
el punto de instalación de los capacitores hasta la compañía suministradora, es decir, la
única forma de compensar totalmente es colocar los capacitores en paralelo a cada una de
las cargas. Esta solución no siempre es práctica desde el punto de vista técnico y
económico, pero se debe llegar a un compromiso en el que las cargas se agrupan y
manejan por bloques.
2. Se disminuirán las caídas de voltaje en los circuitos alimentadores, debido a la
reducción de energía reactivo en ellos. Esta es una de las razones por las cuales se cobra
la multa; haber solucionado el problema a la compañía suministradora no significa que el
valor de la multa no afecte indirectamente el costo de la energía en la instalación.
79
3. Resolver los problemas factibles de sobre - voltajes y obtener información sobre los
perfiles de consumo y demanda es de suma utilidad, ya que estos datos pueden redundar
en prevenciones de alto costo para la planta, no solo por el valor de las reparaciones, sino
por evitar el tiempo de paro por problemas eléctricos.
Es común que las fallas de equipo electrónico sensible a la calidad de la energía ocurra en
días de descanso, ya que una sobrecompensación tiende a provocar sobrevoltajes cuando
la carga es baja. Los equipos que normalmente se encuentran conectados de manera
permanente son los equipos de cómputo y telecomunicaciones, que resultan ser los más
sensibles a una mala calidad de la energía.
4. La información que se obtiene de estas mediciones es útil para proyectos
subsecuentes de administración de energía, permite encontrar problemas en el suministro
de energía y tener un conocimiento más profundo de la planta.
Como resultado lateral de un proyecto de este tipo es el conocimiento real del estado
eléctrico de la instalación.
5. Si se presentan modificaciones en la planta y el valor del factor de potencia vuelve a
bajar por incremento de carga, se tiene la documentación adecuada para corregir
exclusivamente el área en cuestión y justificar la reducción de factor de potencia,
permitiendo solicitar fondos necesarios para volver a corregirlo.
6. Evita que haya malas interpretaciones por parte de la dirección, al efectuar
expansiones y volver a sufrir una reducción en el factor de potencia.
Aspectos técnicos
Los aspectos técnicos de llevar a cabo la compensación ordenadamente no se cubrirán en
este capítulo, ya que el enfoque es básicamente sobre administración de energía.
Sin embargo es importante mencionar las consecuencias técnicas de no llevar a cabo un
estudio serio inicial sobre los aspectos eléctricos de la planta.
1. En algunas ocasiones (más bien raras, pero sí ha ocurrido) se han encontrado errores
de importancia entre las mediciones llevadas a cabo por la compañía suministradora y por
el equipo instalado para este estudio. Como es obvio, las diferencias de medición siempre
han sido a favor de la compañía suministradora.
80
Se han hecho reclamaciones con la documentación correspondiente y se han tramitado
devoluciones.
Además, se ha podido valuar el índice de utilización de los transformadores y revisado el
estado de las protecciones termomagnéticas.
2. Se han detectado problemas que no eran evidentes al llevar a cabo la instalación del
equipo, tales como conexiones flojas o puntos calientes.
Aspectos económicos
El costo de un estudio normalmente se recupera al momento de hacer la adquisición e
instalación de los capacitores de compensación.
Los estudios gratuitos no existen, el proveedor de material eléctrico que ofrece el estudio
de manera “gratuita”, lo cobra en la venta e instalación de los capacitores.
Además del hecho de no generar un reporte de tipo imparcial y si llega a encontrar un
problema eléctrico, se reservará la oportunidad y manera de decirlo para su conveniencia.
Esto es un hecho, nadie trabaja gratis.
El contar con un estudio hecho ya sea por el departamento de mantenimiento de la
empresa o por un consultor externo, (contratado expresamente para eso) que garantice los
resultados y se responsabilice de verificar la calidad de la operación de montar los
capacitores de acuerdo a sus especificaciones, resulta muy conveniente.
Además el consultor podrá ayudar a evaluar los aspectos económicos de recuperación de
inversión y dar una imagen lo más realista posible.
Reporte de resultados y seguimiento
Los resultados de este proyecto deben ser interpretados muy cuidadosamente, la
corrección del factor de potencia se hace por medio de comparar antes y después de las
acciones realizadas.
El cálculo de estas diferencias permite calcular si el proyecto fue redituable y cumplió los
objetivos calculados en los tiempos correctos.
Para llevar a cabo estos cálculos, se sigue la siguiente metodología:
81
1. Se observa el factor de potencia en la factura (después de realizar los cambios) y se
contabiliza la energía reactiva (KVArh).
2. De acuerdo con el procedimiento (si es posible instalar un medidor de horas) de
operación, se encuentra el número de horas que cada banco ha estado operativo en el
mes. De esta manera se conoce la cantidad de energía reactiva (KVArh - capacitivos)
generada por cada uno de los bancos.
Se calculan los KVArh, multiplicando el valor de cada uno de los bancos (KVAr) recién
instalados por el número de horas correspondiente a su operación mensual.
3. Se calcula el factor de potencia agregando el valor correspondiente a los bancos y
sus horas de operación al valor registrado en el recibo y se calcula el factor de potencia de
esa manera.
4. Se calcula el costo del factor de potencia con el valor de KVArh obtenido por esa
suma.
5. Se calcula la diferencia de costos y esa será la disminución de costos por el proyecto
de corrección de factor de potencia.
Normalmente la recuperación de la inversión de un proyecto para corregir factor de
potencia es del orden de seis meses, cuando se corrige a 0.93, si se corrige a valores
mayores, el tiempo puede prolongarse hasta más de un año.
Es razonable considerar como “utilidad del proyecto” un periodo de por lo menos seis
meses más y después se podrá considerar como el valor real de operación.
El proceso de medición, comparación de factor de potencia y cálculo de diferenciales de
costo se dejará de hacer una vez que el proyecto se considere cerrado, es decir después
de haber terminado de rendir sus utilidades (aproximadamente seis meses después de
haber recuperado la inversión inicial).
Es importante llevar a cabo el cálculo de la parte económica a valor presente, es decir,
aplicar el interés compuesto con la inflación a cada mes, además de aplicar las tarifas
actuales de energía eléctrica.
El hecho de seguir este procedimiento de documentación permite demostrar la rentabilidad
del proyecto, es decir, se amortiza y después produce hasta utilidad. El manejo de estos
dos parámetros (recuperación de inversión) y utilidad satisface ampliamente a los
82
departamentos de dirección y finanzas, ya que ven la inversión en los términos que
acostumbran y no se pierden tratando de entender términos eléctricos.
Además el método de cálculo es muy confiable y se puede sostener ante personas de
carácter totalmente técnico, financiero o administrativo.
Se cita este proyecto, por ser típicamente el primer paso a seguir en cualquier
ordenamiento de administración de energía.
83
Reducción de pérdidas en distribución:
Localización y análisis de pérdidas en alimentadores
Introducción
En el caso de contar con circuitos alimentadores es muy importante que lleven a cabo su
trabajo con eficiencia.
El cálculo de pérdidas por transmisión debe incluir el hecho de la influencia del efecto piel
“skin effect” que aumenta con el diámetro del conductor, análisis de potencia disipada por
transmisión, análisis de efectos de reactancia inductiva en calibres superiores a 4/0, cálculo
de estas pérdidas reflejadas directamente a costos de facturación.
También se requiere llevar a cabo un análisis de recuperación de la inversión por cambio
de calibres de cables y re-enrutado de los mismos. En este análisis se calcula el costo de
las pérdidas que se pueden evitar contra el costo de las modificaciones a realizar en el
proyecto.
Las mejoras en la calidad de energía al reducir pérdidas, son un resultado indirecto y difícil
cuantificar, ya que la mejora en regulación de voltaje es significativa. Una mejor regulación
de voltaje trae como consecuencia una mayor resistencia a generación de armónicas de
voltaje en presencia de armónicas de corriente.
La reducción de pérdidas en horas de no-operación de los equipos por falla puede llegar a
ser muy importante, especialmente en equipos electrónicos sensibles y sistemas de
iluminación con balastros electrónicos.
Se analiza el compromiso económico de la compensación distribuida del factor de potencia
en una instalación eléctrica.
La distribución de capacitores tiene grandes beneficios al disminuir las corrientes
circulantes por los cables alimentadores, pero también debe tomarse en cuenta que debido
a la característica de la impedancia de los capacitores (1/ c), su impedancia disminuye a
altas frecuencias, siendo favorable para la circulación de corrientes armónicas.
Todos estos puntos se verán en el transcurso del capítulo.
84
Pérdidas en alimentadores
Las pérdidas en los circuitos alimentadores obedecen a tres factores principales:
• Efecto Joule, resultado de la relación I2R, que está directamente en relación de la sección
transversal con la corriente circulante elevada al cuadrado.
• Efecto piel “Skin Effect”, relacionado con el comportamiento de los conductores a
diferentes frecuencias. Este efecto llega a ser muy importante en sistemas con distorsión
armónica de corriente alta y calibres superiores a 4/0.
• Reactancia inductiva como función de la frecuencia. Este efecto se presenta al existir
distorsión armónica en las corrientes circulantes por los cables, sucede de manera
semejante al efecto piel “skin effect”.
El primer punto, cálculo de potencia disipada en los alimentadores por efecto Joule, es
relativamente conocido. Los criterios de selección de calibres se manejan desde el punto
de vista de ampacidad o caída de voltaje, pero raras ocasiones se analiza desde el punto
de vista de pérdidas energéticas y su costo de operación.
Para hacer este cálculo se procede de la siguiente manera:
Se calcula la corriente circulante máxima de la instalación, se toma el peor caso, que puede
ser cuando la corriente tiene forma de onda cuadrada, es decir, se tiene la presencia de la
corriente fundamental y las armónicas impares en relación 1/n de amplitud, donde n es el
múltiplo de la armónica en cuestión.
Es factible conocer el valor de la resistencia por metro de cable y por lo tanto su valor en
ohms/metro, al contar con estos datos se analiza la potencia disipada por unidad de
longitud (metros).
Para el caso de corriente con forma de onda cuadrada (el peor de los casos para cargas no
lineales electrónicas).
Este valor de KW, se multiplica por el número de horas de operación de la instalación al
mes y se obtiene el costo en energía por metro de cable alimentador. También se
considera el costo de la demanda por mes de operación.
Al lograr los valores unitarios de disipación de energía por metro, es posible cuantificar de
acuerdo al número de metros de cableado las pérdidas mensuales por transmisión.
85
De la comparación de los diferentes calibres involucrados y sus costos de operación y
adquisición se podrá generar la opción más adecuada desde el punto de vista de valor de
la inversión.
En el segundo punto se lleva a cabo el mismo procedimiento, pero se incluye el efecto de
disminución de sección transversal de conducción por efecto de la frecuencia.
Nuevamente, si en la instalación se colocarán equipos electrónicos altamente generadores
de armónicas de corriente (variadores de velocidad, rectificadores y otros equipos
electrónicos de potencia), se supone el peor de los casos que es el de una forma de onda
cuadrada de corriente.
El tercer punto sigue la misma línea del anterior y se recomienda el mismo procedimiento.
Es importante mencionar que en este capítulo se analiza el peor caso, una corriente con
forma de onda cuadrada.
En el caso de instalaciones existentes se recomienda llevar a cabo mediciones de formas
de onda y tomar los peores casos con un "“extra" para evitar que cualquier carga nueva o
sobrecarga desvíe los resultados buscados.
Los cálculos convencionales no analizan el costo de una opción de mayor calibre del
obtenido por los criterios de ampacidad y regulación de voltaje.
Diferencias en la calidad de la energía al seleccionar la mejor opción de cables
alimentadores.
Al contar con una menor resistencia, un menor efecto piel “skin effect” y una menor
reactancia inductiva, la calidad del voltaje en las cargas será mayor, se presentará una
menor distorsión de la señal de voltaje.
Es importante recordar que la distorsión de voltaje es el resultado de la suma de un voltaje
senoidal (partiendo del hecho que el voltaje recibido lo es) y una señal no senoidal de
corriente provocando una caída de voltaje a través de la impedancia de la línea de
distribución.
Si el valor de esta impedancia se disminuye, la deformación del voltaje en el punto final
disminuye, es decir, se cuenta con una línea de distribución más robusta.
86
Figura 10.1. Gráficas de deformación de voltaje por efecto de una corriente no
senoidal con una impedancia de transmisión.
Voltaje y Corriente
-400
-300
-200
-100
0
100
200
300
400
1 27 53 79 105 131 157 183 209 235 261 287 313 339
Este Vcarga corresponde a una línea de transmisión con impedancia de 0.025 ohms (adecuado para el criterio de caída de 3% de voltaje).
Vmax = 306.5 V
Pérdidas = 1.308 KW
Este Vcarga corresponde a una línea de transmisión con impedancia de 0.1 ohms.
Vmax = 291.97 V
Pérdidas = 5.418 KW
Este Vcarga corresponde a una línea de transmisión con impedancia de 0.25 ohms
Vmax = 267.29 V
Pérdidas = 12.398 KW
V carga
-400
-300
-200
-100
0
100
200
300
400
1 25 49 73 97 121 145 169 193 217 241 265 289 313 337 361
V carga
-400
-300
-200
-100
0
100
200
300
400
1 25 49 73 97 121 145 169 193 217 241 265 289 313 337 361
V carga
-300
-200
-100
0
100
200
300
1 25 49 73 97 121 145 169 193 217 241 265 289 313 337 361
Voltaje y corriente medidos en el punto de alimentación.
V = 311.12 Seno (120 π t)
I = (V/1Ω)Seno(120πt+25π/180)
Cos φ = 0.90 => 25 grados
Nótese la distorsión de la corriente cerca del cruce por cero.
87
Es muy común que las cargas no lineales (típicamente equipos de electrónica de potencia)
como los variadores de frecuencia de gran tamaño generan una corriente con un alto nivel
de distorsión al conectarse a una fuente de voltaje senoidal con impedancia cero, pero si
esta impedancia no es tan baja, la distorsión de la corriente provoca una suma no senoidal
a la forma de onda de voltaje, provocando a su vez que el voltaje entregado en la carga se
distorsione y a su vez la corriente tendrá una mayor riqueza armónica.
En que punto se detiene este efecto, no es posible saberlo, depende de cada caso, pero
puede tener resultados tan dañinos como la mala operación del equipo o incluso su daño
permanente, con las consecuencias imaginables por paro de procesos.
En la figura 10.1 se incluye una gráfica mostrando el efecto de adicionar a un voltaje
senoidal, una señal de voltaje resultante de la caída provocada por una señal de corriente
con forma de onda cuadrada en una impedancia que es variable con la frecuencia (por el
efecto piel).
Es realmente interesante observar la deformación causada en el voltaje. Si esto se vuelve
un efecto degenerativo, el voltaje puede terminar con un espectro armónico excesivo y
dañar a la carga que alimenta como consecuencia de las armónicas que ella misma
genera.
Es evidente que si el circuito electrónico cuenta con sistemas de detección de cruce por
cero de
voltaje ( como en el caso de rectificadores controlados ), se empezarán a tener fallas de
operación.
Es evidente la degradación de la forma de onda del voltaje de alimentación y por lo tanto
como consecuencia la operación del equipo.
Hay dos aspectos muy interesantes a tratar en las gráficas presentadas en la figura 10.1,
las pérdidas en una instalación con una corriente de 400 Amps aproximadamente por fase
en un cable alimentador a 440 Vca, son de 1.308 KW por fase (cumpliendo el criterio de
caída del 3% de potencial en el extremo de la carga).
Si se considera una operación de 24 horas, 6 días por semana el costo de las pérdidas
generadas es de 1.3 KW de demanda y 748 KWh por mes (aproximadamente $800.00 al
mes a precios de Enero 2001 para la región NE de México), en el segundo y tercer caso,
las pérdidas serán de aproximadamente $3,200 y $7,000 por mes de operación por cada
fase.
88
Si se considera una instalación trifásica con vida útil de 30 años, el costo de las pérdidas a
valor presente será de $864,000 y en el segundo y tercer caso de $3,456,000 y de
$7,560,000.
Es evidente que el costo de contar con un cableado adecuado, además de una menor
distorsión en la alimentación de las cargas (la distorsión ya resulta evidente en la tercera
gráfica), conviene a la larga.
Distribución de capacitores para compensación del factor de potencia
Como ya se pudo observar, el exceso de corriente circulante se paga muy caro en cuanto a
pérdidas y factible distorsión de la señal de alimentación, que redunda en una mala
operación e incluso daño de los equipos.
La solución convencional de conectar la compensación de los capacitores en la
subestación, permite corregir el cobro por bajo factor de potencia en la factura de energía
eléctrica, pero no corrige nada en el interior de la instalación.
La razón exacta de los capacitores es la de proporcionar la corriente reactiva que requieren
las cargas inductivas. Si el capacitor se conecta en paralelo con la carga las trayectorias de
alimentación de la corriente reactiva a la carga se vuelven lo más corto posible y por lo
tanto las pérdidas por transmisión se minimizan.
Otro punto importante es que una red compensada puntualmente es más robusta y tiene la
capacidad de responder a una necesidad transitoria de corriente de manera más rápida.
La impedancia de los capacitores disminuye conforme aumenta la frecuencia, por lo que el
concentrarlos en una parte de la instalación favorece la presencia de componentes de alta
frecuencia, mientras que al estar localizados cerca de las cargas y distribuidos este efecto
es más difícil de observar.
La instalación correcta de los bancos de capacitores requiere de una inversión más alta que
el concentrarlos a todos en la subestación principal, pero se observará una marcada
mejoría en cuanto a regulación de voltaje y comportamiento transitorio de los voltajes de
alimentación.
Un error muy común es colocar un banco automático de capacitores en la conexión de bajo
voltaje del transformador, ya sea de la subestación principal o de subestaciones internas.
89
Esa solución adolece de corregir el problema hacia fuera de la instalación, pero no desde
su origen.
Esta forma de corregir el factor de potencia es la preferida por los proveedores de equipo
eléctrico, por el alto costo y los aparentes buenos resultados que presenta.
Este es un caso exacto de la inconveniencia de ponerse en manos del proveedor de
servicios, ya que él verá por sus ventas y no por el correcto comportamiento de la
instalación.
Las pérdidas son directamente proporcionales al cuadrado de la corriente circulante, de
manera que mejorar el factor de potencia en un cable alimentador redituará de manera
cuadrática, es decir, una reducción de un 10% en la corriente resulta en una reducción del
21% de las pérdidas.
Si la compensación del factor de potencia no se hace de manera puntual esas pérdidas se
absorben dentro de la instalación, a pesar de contar con un factor de potencia global
aceptable.
Conclusiones
Es evidente que existen grandes beneficios de una selección correcta de los cables
alimentadores:
1. Disminución de pérdidas por transmisión. Tomando un cálculo de vida útil de la
instalación de 30 años, se puede calcular la conveniencia de seleccionar cable
“sobredimensionado”.
2. En presencia de armónicas se debe tomar en cuenta que el efecto piel “skin
effect”, puede llegar a hacer más conveniente colocar cables dos paralelos que uno de gran
sección transversal.
3. La distorsión del voltaje en la carga cuando se presentan componentes armónicas
de corriente aumenta de manera importante al tener un cable alimentador pequeño.
4. Una manera importante de reducir pérdidas y distorsión de voltaje en la carga es
compensando de manera puntual el factor de potencia, se reduce la corriente y se da una
mayor robustez a la instalación eléctrica.
90
5. Al tener una menor distorsión, la operación de los sistemas eléctricos (motores de
inducción, por ejemplo) y electrónicos operarán con menor número de fallas y mayor
eficiencia.
6. En caso de una eventualidad como un corto circuito, la instalación es más robusta
a accidentes y las posibilidades de catástrofes disminuye.
Los arranques de los motores de inducción son más seguros y fuertes, disminuyendo el
consumo de energía por arranque, corriente pico y vibraciones en la flecha y carga al
arranque.
91
Reducción de pérdidas en distribución:Criterios de selección de calibre de conductor en instalaciones afectadas por armónicas.
Introducción
Como es bien conocido, una forma de onda no senoidal, puede ser representada como una
suma de señales senoidales de frecuencia múltiplo de la original. Se conoce como análisis
de Fourier el método que permite conocer los valores de estas corrientes de frecuencia
múltiplo de la original (es decir, componente fundamental y armónicas) (Ref. 1) Los análisis
se llevaron a cabo para el caso de la frecuencia de alimentación de 60 hz.
Existe un efecto conocido como “Efecto Piel” (Skin effect) por medio del cual se explica que
un conductor varía su sección transversal de conducción de acuerdo con la frecuencia.
(Ref. 2). Según este efecto, la carga eléctrica ocupa una sección transversal de acuerdo a
la frecuencia en que oscila, es decir, la diferencia entre las densidades de corriente de las
distintas zonas de una sección transversal se hace más pronunciada.
Mientras mayor sea la frecuencia, menor densidad de flujo ocupa el centro del conductor.
Esto se expresa por la siguiente ecuación:
Jx = Jrber mx + jbei mx
ber mr + jbei mr(1)
Donde:
Jx = densidad de flujo a una distancia x del centro del conductor
Jr = densidad de flujo para el radio total del conductor
ber mx = componente real de la expansión bessel de mx
bei mx = componente imaginaria de la expansión bessel de mx
ber mr = componente real de la expansión bessel de mr
bei mr = componente imaginaria de la expansión bessel de mr
j = - 1
92
m =µωρ
(2)
Donde
ω = velocidad angular de la corriente en rad/s
µ = permeabilidad del conductor
ρ = resistividad del material
x = distancia al centro del
conductor en metros
r = radio externo del conductor en
metros
Figura 11.1. Dibujo de sección transversal del conductor
La magnitud e importancia del efecto piel no solamente se incrementa con la frecuencia,
sino también con el calibre y forma física del conductor, pero es independiente de la
magnitud de la corriente.
En pocas palabras, para mayor frecuencia, menor sección transversal de conducción, por lo
tanto mayor resistividad por unidad de longitud para las mismas características físicas.
Como la corriente presente en un conductor puede ser representada como la suma de una
serie de corrientes senoidales de diferentes frecuencias, las pérdidas ocasionadas por
efecto Joule totales serán iguales a la suma de las pérdidas ocasionadas por cada una de
las componentes. Como referencia para fundamentar este método de cálculo nos basamos
en el teorema de superposición.
93
De esta manera, se evalúa la resistencia por metro en cada una de las frecuencias
armónicas de la fundamental de 60 hz y se obtiene un valor de resistencia por metro para
ellas, posteriormente se procede a obtener la disipación por unidad de longitud para cada
valor de las corrientes armónicas y se calcula la resistencia equivalente para esa disipación.
De este análisis se podrá ver el incremento de “resistencia aparente” en el conductor.
Una vez calculada la disipación total de potencia se encuentra el valor del calibre del
conductor más adecuado para dicha disipación
El incremento de calibre será diferente para cada contenido armónico diferente de la
corriente, ya que la variación de sección transversal depende de la frecuencia y las
pérdidas dependen de la relación entre magnitudes de la fundamental y sus armónicas.
Este artículo pretende pasar de la solución común, que consiste en decir que se suba un 10
ó 20% la sección transversal del conductor en presencia de armónicas a realmente
encontrar un valor con un grado aceptable de certidumbre sobre las medidas a tomar en
cuanto a la presencia de corrientes armónicas en una determinada instalación eléctrica.
Para estos cálculos se tomaron los datos de los conductores a 20 grados Celsius en
corriente directa y se recalcularon a 75 y 90 grados Celsius. Esta es una primera
aproximación y se considera bastante aceptable para una idea clara del fenómeno.
Metodología de análisis
Se procede a obtener de las tablas de los fabricantes de conductores sobre dimensiones y
características del cable desnudo de cobre. Vale la pena mencionar que la ampacidad
(máxima capacidad de conducción de corriente), depende más del aislamiento que de las
características de cable en sí.
Con estas tablas se obtienen los valores nominales (según el fabricante “Conductores
Monterrey”) de resistencia a frecuencia 0 hz (corriente directa) y 20 grados Celsius.
94
El valor de resistencia a 75 y 90 grados Celsius es calculado con el criterio:
R2 =++
R
t T
t T12
1
(3)
Donde
R2 = resistencia a la temperatura “t2”
R1 = resistencia a 20 grados Celsius
t1 = 20 grados Celsius (293.5 0K)
t2 = temperatura en grados Celsius a la cual se quiere calcular R2
T = temperatura absoluta
Cálculo de pérdidas a diferentes frecuencias
El caso más drástico en cuanto a contenido armónico es el de una onda cuadrada cuyas
armónicas tienen una relación de magnitud “1/n” para la “n” armónica, es decir 1 para la
fundamental, 1/3 para la armónica 3 y así en adelante. La onda cuadrada simétrica no
contiene componentes pares. Los valores se calcularon hasta la armónica 25 (1500 hz).
En la siguiente tabla se relaciona “mr” y “k”
mr = 15.84 10-4×µr
cd
f
R(4)
mr = producto del radio en metros por el valor m calculado en la ecuación 2
µr = permeabilidad relativa del cobre = 1
f = frecuencia de la corriente en Hertz
Rcd = resistencia en Ohms a frecuencia cero (corriente directa)
En ambiente industrial, se considera suficiente el analizar hasta la armónica número 25
(con una frecuencia de 1,500 hz), ya que valores de más de 1500 hz no se consideran
importantes por tener un valor normalmente muy bajo.
Para lograr el cálculo de esta tabla, se utilizó la siguiente metodología:
95
1) Se calculó un valor mr = 15.84 10-4×µr
cd
f
Rpara diferentes frecuencias y
valores de Rcd , a 75 y 90 grados Celsius, para cable estañado y sin estañar, y los calibres
del 16 AWG a 1000 kcm.
Todas estas operaciones arrojaron una tabla de gran tamaño y un enorme número de
valores, a continuación se presenta una pequeña parte de dicha tabla, para efectos
demostrativos, reduciéndola a solo los casos de 75 grados Celsius, armónicas pares y caso
de cable sin estañar.
Calibre
R (20 gC)
R (20 gC)
R a 75 gC
mr(60 hz)
mr (180 hz)
mr (300 hz)
mr (420 hz)
Mr (540 hz)
mr (660 hz)
mr (780 hz)
mr (900 hz)
mr(1020 hz)
mr(1140 hz)
mr(1260 hz)
mr(1380hz)
mr(1500hz)
AWG,kcm
ohm/km ohm/m 75 ohm/m ohm/m ohm/m ohm/m ohm/m ohm/m ohm/m ohm/m ohm/m ohm/m ohm/m ohm/m ohm/m
16 13.4000 0.01340 0.01630 0.09612 0.16648 0.21492 0.25430 0.28835 0.31878 0.34655 0.37225 0.39629 0.41896 0.44046 0.46095 0.4805814 8.4000 0.00840 0.01022 0.12140 0.21026 0.27145 0.32118 0.36419 0.40263 0.43770 0.47017 0.50053 0.52915 0.55631 0.58220 0.6069812 5.3200 0.00532 0.00647 0.15254 0.26421 0.34109 0.40359 0.45763 0.50592 0.55000 0.59079 0.62895 0.66491 0.69903 0.73156 0.7627110 3.3400 0.00334 0.00406 0.19252 0.33345 0.43048 0.50935 0.57755 0.63851 0.69413 0.74562 0.79377 0.83917 0.88223 0.92328 0.96259
8 2.1000 0.00210 0.00255 0.24279 0.42053 0.54290 0.64237 0.72838 0.80525 0.87540 0.94033 1.00106 1.05831 1.11261 1.16439 1.213966 1.3200 0.00132 0.00161 0.30624 0.53042 0.68477 0.81023 0.91871 1.01567 1.10415 1.18605 1.26265 1.33486 1.40335 1.46866 1.531184 0.8310 0.00083 0.00101 0.38596 0.66850 0.86304 1.02116 1.15788 1.28009 1.39160 1.49482 1.59136 1.68237 1.76870 1.85101 1.929812 0.5230 0.00052 0.00064 0.48651 0.84266 1.08787 1.28719 1.45954 1.61358 1.75414 1.88425 2.00594 2.12066 2.22948 2.33323 2.43256
1/0 0.3290 0.00033 0.00040 0.61340 1.06245 1.37161 1.62291 1.84021 2.03443 2.21166 2.37570 2.52913 2.67376 2.81097 2.94178 3.067022/0 0.2610 0.00026 0.00032 0.68869 1.19285 1.53996 1.82210 2.06607 2.28413 2.48311 2.66729 2.83954 3.00193 3.15598 3.30284 3.443453/0 0.2070 0.00021 0.00025 0.77332 1.33943 1.72920 2.04601 2.31996 2.56481 2.78824 2.99506 3.18848 3.37082 3.54380 3.70871 3.866604/0 0.1640 0.00016 0.00020 0.86881 1.50481 1.94271 2.29864 2.60642 2.88150 3.13252 3.36487 3.58218 3.78703 3.98137 4.16664 4.34403
250 0.1390 0.00014 0.00017 0.94371 1.63455 2.11019 2.49681 2.83112 3.12992 3.40258 3.65496 3.89100 4.11352 4.32461 4.52586 4.71853300 0.1160 0.00012 0.00014 1.03304 1.78927 2.30994 2.73316 3.09911 3.42619 3.72466 4.00093 4.25932 4.50290 4.73396 4.95427 5.16518350 0.0991 0.00010 0.00012 1.11765 1.93583 2.49915 2.95704 3.35296 3.70684 4.02976 4.32866 4.60821 4.87174 5.12174 5.36008 5.58827400 0.0868 0.00009 0.00011 1.19422 2.06845 2.67036 3.15961 3.58266 3.96078 4.30582 4.62520 4.92390 5.20549 5.47261 5.72728 5.97110500 0.0694 0.00007 0.00008 1.33556 2.31326 2.98641 3.53357 4.00669 4.42956 4.81544 5.17262 5.50667 5.82159 6.12032 6.40514 6.67782600 0.0578 0.00006 0.00007 1.46346 2.53478 3.27239 3.87195 4.39038 4.85374 5.27658 5.66795 6.03399 6.37907 6.70641 7.01850 7.31729750 0.0463 0.00005 0.00006 1.63514 2.83214 3.65628 4.32616 4.90541 5.42313 5.89557 6.33285 6.74184 7.12739 7.49313 7.84184 8.17568
1000 0.0347 0.00003 0.00004 1.88877 3.27145 4.22342 4.99722 5.66632 6.26435 6.81007 7.31518 7.78761 8.23297 8.65544 9.05823 9.44386
Figura 11.2. Tabla 1: Cálculo de mr para diferentes calibres y frecuencias armónicas
impares hasta el valor 25 (1500 hz) a 75 grados Celsius y cable sin estañar.
2) Los resultados de esta tabla se corren a través de los valores expresados en otra tabla, a
través de una rutina de interpolación lineal.
Se toma el valor de mr de la tabla 1 y por medio de una rutina de interpolación, basada en
los valores de la tabla 2, se encuentra el valor de “K” que corresponde y se genera la tabla
3.
Estos cálculos fueron efectuados por medio de Excell y se diseñó una rutina de
interpolación lineal en Visual Basic que se utilizó como función.
96
Tabla de Efecto Piel (Skin Effect)mr k mr k mr K mr K0 1 2.9 1.28644 6.6 2.60313 17 6.268170.1 1 3 1.31809 6.8 2.67312 18 6.621290.2 1.00001 3.1 1.35102 7 2.74319 19 6.974460.3 1.00004 3.2 1.38504 7.2 2.81334 20 7.327670.4 1.00013 3.3 1.41999 7.4 2.88355 21 7.680910.5 1.00032 3.4 1.4557 7.6 2.9538 22 8.034180.6 1.00067 3.5 1.49202 7.8 3.02411 23 8.387480.7 1.00124 3.6 1.52879 8 3.09445 24 8.740790.8 1.00212 3.7 1.56587 8.2 3.1648 25 9.094120.9 1.0034 3.8 1.60314 8.4 2.23518 26 9.447481 1.00519 3.9 1.64051 8.6 3.30577 28 10.154221.1 1.00758 4 1.67787 8.8 3.37597 30 10.861011.2 1.01071 4.1 1.71516 9 3.44368 32 11.567851.3 1.0147 4.2 1.75233 9.2 3.5168 34 12.274711.4 1.01969 4.3 1.78933 9.4 3.58723 36 12.98161.5 1.02582 4.4 1.82614 9.6 3.65766 38 13.688851.6 1.03323 4.5 1.86275 9.8 3.72812 40 14.395451.7 1.04205 4.6 1.89914 10 3.79857 42 15.10241.8 1.0524 4.7 1.93533 10.5 3.97477 44 15.809361.9 1.0644 4.8 1.97131 11 4.151 46 16.516342 1.07816 4.9 2.0071 11.5 4.32727 48 17.223332.1 1.09375 5 2.04272 12 4.50358 50 17.930322.2 1.11126 5.2 2.11353 12.5 4.67993 60 21.465412.3 1.18069 5.4 2.18389 13 4.85631 70 25.000632.4 1.15207 5.6 2.25393 13.5 5.03272 80 28.535932.5 1.17538 5.8 2.3238 14 5.20915 90 32.071272.6 1.20056 6 2.39359 14.5 5.3856 100 35.606662.7 1.22753 6.2 2.46338 15 5.562082.8 1.2562 6.4 2.53321 16 5.91509
Figura 11.3. Tabla 2: Valores de mr y K según efecto “Skin”
97
3) Se interpolan la tabla 1 por los valores de la tabla 2 y se obtiene la tabla 3, donde ya se
puede conseguir el valor de la resistencia de cada calibre a cada frecuencia.
Obteniéndose la tabla siguiente, que permite tener el valor de la resistencia aparente por
cada valor de frecuencia.
Temp.Aislamiento
Sin Estañar
R Sin estañar
R (60 hz) R (180 hz) R (300 hz) R (420 hz) R (540 hz) R (660 hz) R (780 hz) R (900 hz) R (1020 hz) R (1140 hz) R (1260 hz) R (1380 hz) R (1500 hz)
Cal. 75 ohm/m ohm/m ohm/m ohm/m ohm/m ohm/m ohm/m ohm/m ohm/m ohm/m ohm/m ohm/m ohm/m
16 0.01629587 0.01629587 0.01629598 0.01629611 0.01629630 0.01629647 0.01629680 0.01629721 0.01629759 0.01629794 0.01629858 0.01629924 0.01629988 0.01630049
14 0.01021532 0.01021535 0.01021546 0.01021565 0.01021593 0.01021632 0.01021670 0.01021738 0.01021801 0.01021861 0.01021964 0.01022061 0.01022153 0.01022257
12 0.00646971 0.00646974 0.00646990 0.00647020 0.00647059 0.00647125 0.00647191 0.00647291 0.00647383 0.00647511 0.00647643 0.00647769 0.00647952 0.00648130
10 0.00406181 0.00406185 0.00406209 0.00406257 0.00406324 0.00406421 0.00406542 0.00406671 0.00406847 0.00407020 0.00407245 0.00407469 0.00407731 0.00408017
8 0.00255383 0.00255389 0.00255426 0.00255503 0.00255616 0.00255764 0.00255942 0.00256171 0.00256436 0.00256715 0.00257064 0.00257420 0.00257834 0.00258261
6 0.00160527 0.00160534 0.00160595 0.00160712 0.00160888 0.00161126 0.00161420 0.00161764 0.00162176 0.00162647 0.00163165 0.00163720 0.00164363 0.00165042
4 0.00101059 0.00101071 0.00101166 0.00101355 0.00101634 0.00102008 0.00102464 0.00103006 0.00103636 0.00104352 0.00105151 0.00106027 0.00106973 0.00107981
2 0.00063603 0.00063621 0.00063772 0.00064066 0.00064505 0.00065087 0.00065792 0.00066633 0.00067578 0.00068633 0.00069795 0.00071981 0.00074490 0.00073757
1/0 0.00040010 0.00040040 0.00040277 0.00040741 0.00041420 0.00042300 0.00043352 0.00044785 0.00046373 0.00047320 0.00048830 0.00050393 0.00052000 0.00053620
2/0 0.00031740 0.00031778 0.00032073 0.00032654 0.00033488 0.00034548 0.00037126 0.00037182 0.00038682 0.00040252 0.00041857 0.00043486 0.00045103 0.00046706
3/0 0.00025173 0.00025221 0.00025593 0.00026308 0.00027322 0.00029578 0.00029999 0.00031538 0.00033142 0.00034768 0.00036383 0.00037965 0.00039500 0.00040983
4/0 0.00019944 0.00020004 0.00020466 0.00021346 0.00023529 0.00023979 0.00025545 0.00027166 0.00028783 0.00030360 0.00031877 0.00033325 0.00034702 0.00036010
250 0.00016904 0.00016975 0.00017517 0.00018519 0.00019856 0.00021394 0.00023010 0.00024623 0.00026187 0.00027674 0.00029078 0.00030400 0.00031647 0.00032827
300 0.00014107 0.00014191 0.00014830 0.00016616 0.00017451 0.00019055 0.00020670 0.00022219 0.00023674 0.00025030 0.00026292 0.00027474 0.00028587 0.00029641
350 0.00012052 0.00012150 0.00012887 0.00014163 0.00015721 0.00017341 0.00018902 0.00020355 0.00021692 0.00022924 0.00024067 0.00025138 0.00026150 0.00027114
400 0.00010556 0.00010667 0.00011494 0.00012873 0.00014475 0.00016070 0.00017557 0.00018910 0.00020143 0.00021276 0.00022330 0.00023321 0.00024261 0.00025160
500 0.00008440 0.00008579 0.00009933 0.00011088 0.00012697 0.00014182 0.00015504 0.00016684 0.00017756 0.00018747 0.00019676 0.00020556 0.00021395 0.00022200
600 0.00007029 0.00007195 0.00008323 0.00009913 0.00011458 0.00012811 0.00013992 0.00015046 0.00016010 0.00016908 0.00017755 0.00018559 0.00019328 0.00020065
750 0.00005631 0.00005835 0.00007128 0.00008725 0.00010129 0.00011312 0.00012342 0.00013272 0.00014131 0.00014937 0.00015697 0.00016420 0.00017110 0.00017772
1000 0.00004220 0.00004486 0.00005950 0.00007431 0.00008616 0.00009609 0.00010490 0.00011295 0.00012043 0.00012743 0.00013404 0.00014032 0.00014630 0.00015203
Figura 11.4.Tabla 3: Resistencias aparentes para cada calibre de cable a diferentes frecuencias.
Cálculo de pérdidas para una forma de onda cuadrada
El caso más drástico (práctico y real) de distorsión es el de la onda cuadrada de corriente,
para este caso la amplitud de la fundamental y las armónicas, es (normalizada a la
magnitud de la fundamental y solo las impares):
An =1
n(4)
Donde
n = número de armónica
A = amplitud absoluta (no el valor rms)
98
Tomando este caso como el peor factible, se puede calcular el incremento más drástico
para el calibre de cable.
De acuerdo con la tabla 3, el incremento para esta proporción de magnitudes de las
armónicas es para los cables de calibres grandes.
En las siguientes 6 tablas de valores, se calcula la disipación para un metro de longitud de
cable conductor, para diferentes calibres.
Por lo tanto, el peor caso de incremento de disipación de potencia por presencia de
armónicas para el cálculo de incremento de calibre es de un 21 %.
Ya que la potencia es una expresión relacionada al cuadrado de la corriente y la resistencia
del cable, para compensar ese aumento de disipación de potencia en un 21 %, el aumento
en el área de la sección transversal del conductor en la misma cantidad.
Sin embargo, se recomienda llevar a cabo el análisis para cada caso en particular y no
generalizar.
En este ejemplo, se muestra el impacto real de la distorsión armónica en corriente, su
impacto en el aumento de pérdidas y en la necesidad de aumentar los calibres de los
cables de la instalación.
Primero:
Cálculo de pérdidas por unidad de longitud para diferentes casos, se calcula la pérdida
ocasionada para un cierto calibre por cada una de las corrientes de las armónicas.
Se calcula la pérdida total por la suma de las pérdidas parciales (esto se basa en el
teorema de superposición).
La relación entre el valor de las pérdidas ocasionadas por la fundamental y la suma del total
da una relación de aumento de pérdidas.
Dado que las pérdidas son por efecto Joule (P=I2R), esta relación indica en forma inversa la
resistencia que debe tener el calibre adecuado para los niveles originales de pérdidas, es
decir, indica la proporción en que la sección transversal debe ser incrementada.
Con este valor y por medio de una tabla de calibres de cable, es factible encontrar el
conductor adecuado para este caso.
99
Se recomienda repetir los cálculos con el nuevo valor y verificar.
Se incluyen unas tablas de ejemplos realizados para mayor claridad de este procedimiento.
Disipación por metro 4/0 Disipación por metro 350kcm
Armónica Valor Valor de R Disipación Armónica Valor Valor de R Disipaciónrms rms
1 1 0.00020968 0.0002097 1 1 0.00012729 0.00012732 23 0.3333 0.00021412 2.379E-05 3 0.3333 0.00013435 1.493E-054 45 0.2 0.00022251 8.9E-06 5 0.2 0.00014677 5.871E-066 67 0.1429 0.00023889 4.875E-06 7 0.1429 0.00016209 3.308E-068 89 0.1111 0.00024818 3.064E-06 9 0.1111 0.0001783 2.201E-0610 1011 0.0909 0.00026357 2.178E-06 11 0.0909 0.00019412 1.604E-0612 1213 0.0769 0.0002797 1.655E-06 13 0.0769 0.00020897 1.237E-0614 1415 0.0667 0.00029592 1.315E-06 15 0.0667 0.0002227 9.898E-0716 1617 0.0588 0.00031187 1.079E-06 17 0.0588 0.00023539 8.145E-0718 1819 0.0526 0.00032732 9.067E-07 19 0.0526 0.00024717 6.847E-0720 2021 0.0476 0.00034213 7.758E-07 21 0.0476 0.0002582 5.855E-0722 2223 0.0435 0.00035625 6.734E-07 23 0.0435 0.0002686 5.078E-0724 2425 0.04 0.00036971 5.915E-07 25 0.04 0.0002785 4.456E-07
Disipación total = 0.0002595 Disipación total = 0.0001605
Rel dis. Total a 60 hz = 1.2375328 Rel dis. Total a 60 hz = 1.2606361
Figura 11.5. Tablas 4 y 5: Análisis de disipación de potencia para calibres 4/0 y 350 kcm
100
Disipación por metro 500kcm Disipación por metro 12 AWG
Armónica Valor Valor de R Disipación Armónica Valor Valor de R Disipaciónrms rms
1 1 0.00008981 0.00008981 1 1 0.00678329 0.00678332 23 0.3333 0.00010197 0.00001133 3 0.3333 0.00678345 0.00075374 45 0.2 0.0001143 4.572E-06 5 0.2 0.00678374 0.00027136 67 0.1429 0.00013045 2.6622E-06 7 0.1429 0.00678411 0.00013858 89 0.1111 0.0001456 1.7975E-06 9 0.1111 0.00678475 8.376E-0510 1011 0.0909 0.00015918 1.3155E-06 11 0.0909 0.00678536 5.608E-0512 1213 0.0769 0.00017134 1.0138E-06 13 0.0769 0.00678631 4.016E-0514 1415 0.0667 0.00018238 8.1058E-07 15 0.0667 0.00678726 3.017E-0516 1617 0.0588 0.00019256 6.663E-07 17 0.0588 0.00678836 2.349E-0518 1819 0.0526 0.00020209 5.5981E-07 19 0.0526 0.00678971 1.881E-0520 2021 0.0476 0.0002111 4.7868E-07 21 0.0476 0.006791 1.54E-0522 2223 0.0435 0.00021969 4.1529E-07 23 0.0435 0.00679254 1.284E-0524 2425 0.04 0.00022792 3.6467E-07 25 0.04 0.00679435 1.087E-05
Disipación total = 0.0001158 Disipación total = 0.0082384
Rel dis. Total a 60 hz = 1.28934963 Rel dis. Total a 60 hz = 1.2145104
Figura 11.6. Tablas 6 y 7: Análisis de disipación de potencia para calibres 500 kcm y 12 AWG
101
Disipación por metro 100kcm Disipación por metro 1000kcm
Armónica Valor Valor de R Disipación Armónica Valor Valor de R Disipaciónrms rms
1 1 0.0000468 0.0000468 1 1 0.00004486 0.000044862 23 0.3333 0.0000612 0.0000068 3 0.3333 0.0000595 6.6111E-064 45 0.2 0.00007629 3.0516E-06 5 0.2 0.00007431 2.9724E-066 67 0.1429 0.00008849 1.8059E-06 7 0.1429 0.00008616 1.7584E-068 89 0.1111 0.0000987 1.2185E-06 9 0.1111 0.00009609 1.1863E-0610 1011 0.0909 0.00010772 8.9025E-07 11 0.0909 0.0001049 8.6694E-0712 1213 0.0769 0.00011596 6.8615E-07 13 0.0769 0.00011295 6.6834E-0714 1415 0.0667 0.00012361 5.4938E-07 15 0.0667 0.00012043 5.3524E-0716 1617 0.0588 0.00013077 4.5249E-07 17 0.0588 0.00012743 4.4093E-0718 1819 0.0526 0.00013754 3.81E-07 19 0.0526 0.00013404 3.713E-0720 2021 0.0476 0.00014396 3.2644E-07 21 0.0476 0.00014032 3.1819E-0722 2223 0.0435 0.00015009 2.8372E-07 23 0.0435 0.0001463 2.7656E-0724 2425 0.04 0.00015596 2.4954E-07 25 0.04 0.00015203 2.4325E-07
Disipación total = 6.3495E-05 Disipación total = 6.1109E-05
Rel dis. Total a 60 hz = 1.35673087 Rel dis. Total a 60 hz = 1.36221432
Figura 11.7. Tablas 8 y 9: Análisis de disipación de potencia para calibres 100 y 1000 kcm
102
Conclusiones
Este capítulo pretende dar una idea aproximada, pero basada en cálculos, de cuales son
las acciones a tomar cuando se presenta un contenido armónico en la corriente de
alimentación de una carga o una instalación completa.
Es posible además observar la recuperación de las características originales por medio de
la instalación de un calibre mayor de cable alimentador, además de contar con una mejor
operación del sistema. Vale la pena comentar que el equipo electrónico es especialmente
sensible a las armónicas de voltaje de alimentación, de manera que la mejora por ese solo
punto, puede convenir el incremento de calibre.
No está dentro del alcance de este artículo el cálculo de la deformación del voltaje de
alimentación por motivos de la corriente con contenido armónico.
En las tablas comparativas de disipación de acuerdo al calibre y los contenidos armónicos
se observa lo siguiente:
1) La única manera de disminuir la disipación extra por las componentes armónicas
es a través del incremento de sección transversal del conductor. En este artículo se
presenta el caso de la onda cuadrada de corriente y se compara contra una senoidal pura.
La diferencia en las pérdidas se debe a que la onda cuadrada contiene mayor número de
componentes y cada una provoca disipación por sí misma.
Al tener la onda cuadrada mayor número de componentes en el espectro de frecuencia, sus
pérdidas son mayores que las de una señal senoidal pura de la misma amplitud. La relación
de pérdidas entre una señal senoidal y una señal cuadrada es de aproximadamente 21.44
% más en la cuadrada, esto sin tomar en cuenta el efecto skin.
En los cálculos efectuados se encontró que el incremento de la resistencia puede llegar a
ser de hasta 8 % para calibres de 500kcm, solo por el efecto Skin. En el caso del conductor
de 1000kcm, este aumento por efecto skin es del 14%.
En los calibres pequeños, como el calibre 12 AWG, estas variaciones adicionales son de
tan solo 0.01 %, por lo que resulta evidente que el efecto skin introduce una variación de
mínima importancia. Es evidente cómo en calibres pequeños el efecto skin es mucho
menos significativo.
2) El incremento de resistencia por efecto skin favorece la distorsión del voltaje en el
extremo del conductor al aumentar su resistencia. La única manera de reducir este impacto
103
es por medio del incremento de sección transversal, esta solución mejora tanto la
regulación de voltaje como la disminución de distorsión de voltaje.
Vale la pena aclarar el siguiente punto, al incrementar el calibre disminuye de manera
absoluta su resistencia, pero el beneficio no es el que se podría esperar, ya que a mayores
áreas transversales de conducción el efecto skin es mayor. Es decir, el cambio a un calibre
superior no acarrea un beneficio directamente proporcional al incremento de área, el
beneficio se ve mermado por una mayor influencia del efecto skin.
Mientras que en un calibre 500 kcm el efecto skin merma 9%, en un calibre 1000 kcm la
merma es del 14 %. En este momento se debe evaluar la conveniencia de utilizar cableado
paralelo en lugar de incremento de sección transversal.
Adicional a la disipación extra por las componentes armónicas, la resistencia del conductor
varía de acuerdo con la frecuencia, lo que significa que la disipación aumenta a mayores
frecuencias. La disipación, considerando un caso ideal en el que el efecto skin no existiera,
se incrementa en un 21 %, en calibres como 500kcm, este valor puede subir a 29 o 30 %,
por lo que el 8 ó 9 % extra se debe al efecto skin.
104
105
Reducción de pérdidas en distribución:Localización y análisis de pérdidas en transformadores
Introducción
Uno de los puntos de generación de pérdidas en la distribución de energía eléctrica son los
transformadores.
En condiciones adecuadas un transformador es capaz de transferir la potencia eléctrica de
un embobinado al otro con eficiencias de hasta 99.5 % (este valor es válido a índices de
utilización del 70 al 95%).
Esta cifra parecería muy alta y satisfactoria, pero el punto a tratar es que una cifra menor a
esta en ciertas condiciones no solamente no es satisfactoria, puede traer como
consecuencias la destrucción del transformador.
La ineficiencia de un transformador se convierte directamente en calor y un 1% de un
transformador de 5 MVA de capacidad puede representar 50 KW de disipación, más que
suficiente para destruir un equipo que no se encuentre bien ventilado.
Solucionar el problema del calentamiento aumentando el sistema de enfriamiento,
soluciona el efecto y no la causa del problema.
Además, esta ineficiencia representa un porcentaje directo del consumo de la instalación o
la sección de la instalación y un 1% ó un 0.5% representa un costo muy alto que puede y
debe ser evitado.
Análisis de la eficiencia de los transformadores en condiciones reales de operación.
Este análisis resulta de efectuar una operación sencilla en concepto pero muchas veces
difícil de llevar a cabo en la práctica.
Los tres tipos de pérdidas que se presentan en los transformadores son:
1. Pérdidas sin carga o pérdidas en el núcleo (operación en vacío).
2. Pérdidas con carga o pérdidas en el cobre (Efecto Joule).
3. Pérdidas en el tanque.
106
La medición es tan sencilla como medir la potencia eléctrica en sus componentes activa y
reactiva en ambos lados del transformador (primario y secundario), hacer la relación entre
ellas y determinar la eficiencia.
La dificultad sobre viene cuando se analiza que un 0.1 % de diferencia entre dos
mediciones puede representar un problema serio. Los transformadores de corriente y
potencial utilizados para medición, en muy raras ocasiones tendrán una exactitud capaz de
distinguir una diferencia tan pequeña como un 0.1%.
Se debe entender la exactitud como el valor más cercano, que da el medidor, al valor real
o verdadero.
La precisión en instrumentación eléctrica se entiende como la repetibilidad de las
mediciones, es decir, si un instrumento me da la misma lectura varias veces, quiere decir
que es muy preciso.
Los sensores de corriente y potencial difícilmente tienen una linealidad y precisión
adecuada para distinguir esos valores.
El equipo portátil de medición no tiene la precisión requerida y los equipos de tablero de
precisión convencional tampoco.
Existe una posibilidad de nivel alto de complejidad y es colocar adquisidores de datos y
correr rutinas adquisición de señales y linealización, éstos son equipos de un alto costo y
operación bastante compleja.
No se considera una solución factible por su alto costo y complicada operación.
¿Cómo es factible entonces determinar la eficiencia de un transformador?
La medición se hace por varios métodos indirectos, se obtiene el perfil de temperatura, se
mide el consumo cuando la carga se encuentra prácticamente desconectada en periodos
de descanso de la planta, para determinar las pérdidas en el núcleo (por magnetización), se
siguen curvas características de transformadores proporcionadas por los fabricantes, se
analiza el contenido armónico de la corriente y el voltaje.
El parámetro más indicativo de las pérdidas en un transformador es el perfil de la
temperatura de su aceite, ya que está relacionado directamente a las pérdidas en cobre y
hierro del mismo. La medición debe llevarse a cabo de manera diferencial, es decir, lo
importante es la diferencia de temperatura entre el aceite y el ambiente.
107
Índice de utilización.
Existe una relación directa entre la eficiencia y el índice de utilización de un transformador.
Se puede decir que a grandes rasgos, el punto más alto de eficiencia está entre una
utilización del 70 al 90 % de su capacidad nominal. Ver figura 12.1.
Hay otro punto muy importante que es el hecho relacionado a la potencia aparente liberada
por el transformador.
La disipación en el núcleo depende de la frecuencia de la corriente circulante, de la misma
forma que las pérdidas por efecto Joule en los embobinados.
Sintetizando:
“El transformador es un máquina simple de corriente alterna cuyas pérdidas y disipación
están relacionadas directamente con la potencia aparente liberada, no con la potencia real”.
De ahí la gran importancia de compensar el factor de potencia desde la carga, no en el
tablero principal.
La metodología de cálculo de las pérdidas por efecto Joule en un sistema trifásico es la
siguiente
Pérdidas = 3 X (I por fase)2 X (Resistencia de los embobinados)
De manera que es factible ver como un factor de potencia pobre, eleva la corriente de línea
o total
de manera importante para una misma potencia activa (KW) entregada en la carga, pero
las pérdidas en los cables alimentadores y los embobinados del transformador aumentan
en relación cuadrática.
Esta es la verdadera razón de multar un bajo factor de potencia por parte de la compañía
suministradora de energía eléctrica.
Solucionar el problema hacia fuera de la instalación evita la multa, pero el costo real del
bajo factor de potencia sigue estando hacia adentro de la instalación si no es corregido
desde su origen.
108
Las pérdidas sin carga o del núcleo surgen de las laminaciones de que está hecho el
núcleo del transformador, son energía consumida debido a las corrientes de eddy y por
histerésis, éstas son afectadas por las armónicas en relación a la distorsión de voltaje y no
a la distorsión de corriente.
Las pérdidas sin carga debido a las armónicas son comúnmente despreciables. Son
constantes para un valor dado de voltaje y están relacionadas directamente con los valores
de volt/vuelta de alambre del embobinado primario del transformador.
La calidad del transformador está directamente relacionada con las propiedades
magnéticas del núcleo y el número de vueltas de los embobinados primarios del mismo.
Estas pérdidas se comportarán de manera constante para cualquier valor del índice de
utilización del transformador.
Por último, las pérdidas por saturación del núcleo, el valor de ellas depende directamente
de la curva de histéresis del material magnético utilizado en el núcleo del transformador.
Que tan lejos se haya diseñado el 100% de carga con respecto a la “rodilla” de la curva
determinará su eficiencia de conversión de potencia. Un transformador de alta calidad,
podrá llegar al 100% de su carga y mantener las pérdidas por debajo de un nivel seguro
(menor a un 0.5%), mientras que un transformador de un comportamiento poco aceptable
presentará ya pérdidas por saturación a índices de utilización de 100 % o un poco menores.
Por eso es tan importante medir el comportamiento del transformador conectado
directamente a su carga, la suma de las pérdidas tienen un efecto de calentamiento del
mismo y este calentamiento, afecta el comportamiento magnético del núcleo y aumenta la
resistividad de los embobinados primario y secundario, creando un efecto degenerativo que
puede llegar a aumentar las pérdidas y degradar aceleradamente el transformador.
Existen núcleos de materiales tales como el acero amorfo, que pueden representar
pérdidas inferiores a los núcleos laminados de acero al silicio. La disminución de pérdidas
es muy importante, ya que si el núcleo de acero al silicio de un transformador de 315 KW
disipa 700 W, el de acero amorfo puede presentar solo 315 W (datos obtenidos de la
referencia 1).
Comportamiento real del transformador con la carga en la planta.
109
Es muy difícil poder analizar las pérdidas por cada una de las causas por separado, de
manera que el camino a seguir es analizar el comportamiento del transformador de manera
real dentro de la instalación.
1. Se analiza el transformador con carga cero y se mide la diferencial de la
temperatura entre el ambiente y su aceite.
2. Con esos datos se calcula la resistencia térmica del gabinete en grados Celsius /
KW.
3. De esta manera al saber la elevación de la temperatura se podrá aproximar el valor
de las pérdidas en KW.
4. Al obtener un perfil de temperatura, se relaciona directamente con las pérdidas y es
posible aproximar un cálculo de las pérdidas del transformador.
Esta aproximación permitirá conocer las pérdidas en el transformador de una manera
mucho más precisa que por mediciones eléctricas, por el problema de la precisión en los
sistemas de medición de parámetros eléctricos.
Es curioso que este método sea el más adecuado, pero las razones ya fueron expuestas.
En mediciones realizadas, el método de diferencial de temperatura arroja resultados mucho
más aproximados y realistas
Comportamiento en casos de sobrecompensación del factor de potencia.
La sobrecompensación del factor de potencia tiene varios problemas serios:
1. Tendencia a provocar sobrevoltajes.
2. Existe la corriente reactiva, aunque no sea inductiva.
3. La impedancia de un capacitor disminuye con la frecuencia, por lo cual, la corriente
aumenta de acuerdo a la armónica de voltaje presente.
4. Después de una interrupción de voltaje, en la reconexión se tendrá un pico de
corriente mayor de lo correspondiente a la carga instalada. La carga de los
capacitores en el arranque simultáneo puede ser fuerte para el transformador.
110
La sobrecompensación de factor de potencia no sólo adolece de el exceso de corriente (en
parte reactiva) de su equivalente en factor de potencia inductivo, sino además de favorecer
la presencia de sobrevoltajes e inestabilidad.
El factor de potencia capacitivo en muchas ocasiones se presenta cuando se retira la carga
y se dejan los bancos de compensación operativos.
Este error es muy común y las pérdidas por estas acciones pueden acumularse y no ser
tomadas en cuenta, pero al final del mes cuestan y no tienen razón de ser.
Es importante recordar que el transformador tiene pérdidas por la corriente circulante, no
por la potencia real entregada.
Es muy común el encontrar transformadores tibios o calientes por la corriente reactiva, en
periodos de descanso de la planta, sólo por la corriente provocada por los bancos de
capacitores.
Es importante recordar que el transformador entrega la potencia en forma aparente (KVA) y
las pérdidas son consecuencia de esa entrega.
Un bajo factor de potencia (ya sea capacitivo o inductivo), genera un comportamiento muy
poco eficiente por parte del transformador.
Calentamiento por armónicas, efecto piel en los embobinados, aumento de las pérdidas por
armónicas en el núcleo.
La existencia de corrientes armónicas afecta profundamente el comportamiento de un
transformador.
Los dos principales puntos donde las pérdidas se incrementan en presencia de armónicas
son:
1. Pérdidas en el núcleo por efecto de las corrientes de remolino (eddy currents).
2. Pérdidas por efecto piel (skin effect) en los embobinados del primario y secundario
del transformador.
Para reducir la primera, la única solución es mejorar el comportamiento magnético del
material con que está construido el núcleo.
111
Las pérdidas por corrientes de eddy, son debidas a la inducción electromagnética que se
crea en las laminaciones del núcleo. La única manera de reducirlas es aumentando la
resistencia eléctrica de las laminaciones, es por esta razón que dichas laminaciones son
muy delgadas.
También, existen pérdidas por corrientes de eddy en los embobinados, debidas a la
inducción electromagnética.
En el caso de presentar saturación en el núcleo las pérdidas se elevan considerablemente,
por eso es importante que nunca se llegue factores de utilización mayores de la unidad.
Existen posibilidades interesantes al respecto, tales como el uso de núcleos de acero
amorfo en lugar de acero al silicio.
Las pérdidas en el núcleo pueden ser de hasta 80 % menos en los núcleos de acero
amorfo.
Las pérdidas en cobre son mucho más altas que las debidas a las propiedades del núcleo a
60 hz. Como valor aproximado la relación entre ambas es de 5 veces las del cobre sobre
las del hierro (núcleo).
Existe un parámetro que se utiliza para calcular el impacto de las corrientes armónicas en
un transformador. Se conoce como el factor K.
Vale la pena recalcar que las pérdidas por presencia de armónicas en los transformadores
no son posibles de eliminar o reducir, simplemente las acciones que se pueden llevar a
cabo consisten en dimensionar el transformador con un factor de escala para evitar su
sobrecalentamiento, pero las pérdidas seguirán existiendo.
Factor K
El factor K es una escala utilizada para “proteger” la selección de un transformador cuando
se tienen corrientes con contenido armónico debidas a no – linealidades en la carga. Este
valor es usado para determinar cuanta corriente armónica puede un transformador manejar
sin exceder su máximo nivel de temperatura.
Otra manera de expresarlo sería, como la habilidad que tiene el transformador para
contrarrestar el calor adicional generado por las corrientes armónicas.
112
La definición exacta del factor K es el reflejo del incremento en las pérdidas por corrientes
de remolino en el núcleo (eddy currents).
No existe forma de disminuír estas pérdidas, los transformadores con factor K son capaces
de manejarlas, pero no de eliminarlas.
Existen dos métodos de cálculo del factor K, uno de ellos, el usado en EUA (registrado por
UL), que es un método simplificado, basado únicamente en la proporción de las armónicas
de corriente a la fundamental y el método utilizado en Europa, definido básicamente en
Inglaterra.
A continuación se dará una explicación del método utilizado en EEUU y registrado por UL
(Underwriters Laboratories).
Cálculo del factor K (aproximación seguida en los EUA, por UL)
hmax
Ptotales = PEC(1)Σ (I hh)2
h=1
Donde PEC(1) = Pérdidas totales por corrientes de remolino a 60 hz
h= número de armónica
IN= corriente de la armónica h
Esta ecuación se expresa como:
Ptotales = Pérdidas a 60 hz X K
Por lo tanto, el factor K es un reflejo o escalamiento de las pérdidas por corrientes de
remolino (eddy currents) a frecuencia fundamental al valor real provocado por las corrientes
con contenido armónico.
Este valor permite seleccionar un transformador más robusto y de menor impedancia. En
ciertos casos, una menor impedancia puede resultar en impulsos de corriente más
marcados, agravando el problema de armónicas en lugar de solucionarlo.
113
Los transformadores con factor K con una impedancia muy alta pueden distorsionar la
energía y añadir armónicas a el sistema.
Si existe saturación en el núcleo, se producirá una severa distorsión armónica. Las
pérdidas se elevan considerablemente en estas condiciones, pero ese tema escapa del
alcance de este capítulo.
El factor K de escalamiento permite seleccionar un transformador para soportar la
presencia de armónicas de corriente.
Vale la pena mencionar algo importante: con la conexión en delta en el secundario del
transformador, las armónicas de voltaje múltiplos de 3 se cancelan, pero las corrientes
(corrientes armónicas múltiplo de tres) de dichas armónicas quedan operando dentro del
transformador, por lo que, para el cálculo de pérdidas deben ser tomadas en cuenta.
En los datos de compra a un fabricante se especifican los valores de K = 1, 4, 9, 13, 20, 30,
40 y 50.
El factor K = 1 se usa solamente para cargas lineales.
Los valores comerciales más comunes son 4, 9, 13 y 20. Siendo los valores de 30, 40 y 50
menos comunes y de mucho mayor precio.
Entre más grande es el valor de K, significa que más armónicas están presentes.
Sin embargo, un valor de K = 13 es suficiente en la mayoría de las aplicaciones.
Las cargas cercanas al 100% de carga lineal o más de 75% de THD deben de tener un
valor de
K = 20.
Uno de los problemas que nos encontramos es el siguiente: ¿Cuál es el rango de
frecuencias que deberían ser incluidas en el cálculo del valor de K?, algunos incluyen en
sus cálculos hasta la armónica 15, otros hasta la 25 e incluso otros hasta la 50.
Para una misma carga, cada uno de estos cálculos produce diferentes valores de K en
forma importante.
Basados en la experiencia de normas norteamericanas, parece razonable limitar los
cálculos del valor de K hasta la corriente armónica 25.
114
Eficiencia esperada en un transformador
¿ Cuál es el valor esperado de eficiencia en un transformador?
Un transformador de un poco más de 100 KVA debe tener eficiencias arriba del 98 % y
para transformadores de 1 MVA en adelante las eficiencias deben ser aproximadamente de
99 % o superiores.
Estas eficiencias parecen ser muy altas, pero en realidad no lo son, hay que recordar que
TODA la energía de la instalación está pasando por ahí.
Hablar de una diferencia de 0.5 % en eficiencia puede representar una cantidad fuerte de
dinero a lo largo de 10 años, además de una cantidad considerable de energía que puede
calentar y degradar el transformador.
Precisamente en aspectos como estos reside la diferencia entre administración y ahorro de
energía.
Desde el punto de vista del ahorro una eficiencia del 99% o superior es aceptable. Desde el
punto de vista de la administración, este es un costo que se debe analizar y puede ser
reducido.
Estos valores de eficiencia son a plena carga, cuando un transformador tiene un factor de
utilización más bajo, esta eficiencia se decrementa hasta llegar a valores muy bajos de un
70 u 80 %.
Ya que los valores de pérdidas de los núcleos tienen un componente constante debido a la
corriente de magnetización del núcleo y las pérdidas variables debido a la corriente de la
carga.
Si la carga es pequeña el valor de la corriente de magnetización sube porcentualmente,
arrojando valores de eficiencia bajos.
En la figura 12.1 se puede observar una curva descriptiva de la eficiencia contra el valor del
factor de utilización del transformador.
Se puede comprobar que la máxima eficiencia se presenta alrededor del 75%, ya que
superando ese valor el calor se empieza a manifestar en un incremento de pérdidas por
115
origen magnético y eléctrico (elevación de la resistividad al superar los 40 grados Celsius
en el gabinete del transformador).
Existe otra razón muy importante para calcular la carga nominal de los transformadores
alrededor del 75%: contar con un margen muy útil para eventuales sobre cargas o para
casos de cargas abruptas de capacitores o cargas capacitivas.
Estos detalles se aprecian en la figura 12.1.
El factor de utilización se define como la relación en potencia aparente nominal del
transformador contra la potencia aparente de la carga conectada.
Es importante resaltar la utilidad de efectuar mediciones con equipo que pueda capturar
transitorios de corriente.
Existen casos en que los arranques de motores u otro tipo de carga transitoria que si se
vuelve muy frecuente puede elevar la potencia disipada en el transformador y como
consecuencia, las pérdidas en el núcleo y los embobinados.
Figura 12.1. Curva de eficiencia de un transformador de acuerdo a su factor de
utilización.
116
Este error es muy común de encontrar y puede resultar no solamente en baja eficiencia en
el transformador, sino además en problemas eléctricos.
Otro error muy común es no considerar el factor de potencia en ese cálculo de índice de
carga.
Como conclusiones se puede resumir:
• Que el valor nominal de carga (en KVA´s) del transformador debe ser de alrededor de
75%, para lograr la máxima eficiencia de operación.
• El voltaje de alimentación no debe rebasar el 2% por encima del valor nominal, ya que las
pérdidas por magnetización se elevan en forma directa con el voltaje.
• En caso de que el voltaje esté por debajo del nominal, el ajuste por medio de las
derivaciones trae como consecuencia un aumento en la corriente, aumentando las pérdidas
por efecto Joule y por corrientes de remolino en el núcleo.
• Que el contar con un factor de utilización del 75 % da un margen adecuado para tolerar.
Es decir la compensación distribuida del factor de potencia demuestra su efectividad al
reducir lo más posible la potencia aparente (KVAs).
• En caso de contar con varios transformadores en una instalación y sea posible distribuir la
carga entre ellos para acercarse lo más posible a un factor de utilización de 75%, la
eficiencia del transformador será alta, el calentamiento y la degradación mínimos.
La eficiencia y la vida útil del transformador están directamente relacionadas, ya que las
pérdidas equivalen a elevación de temperatura y esto repercute en una degradación
acelerada del transformador.
El monitoreo de las pérdidas se lleva a cabo por medio de la temperatura diferencial del
ambiente al gabinete del transformador.
117
Reducción de pérdidas en conversión:Localización y análisis de pérdidas en motores
Introducción
Aproximadamente el 70 % del consumo de energía eléctrica a nivel industrial se realiza en
motores.
De ahí la importancia de disminuir este aspecto del consumo de energía eléctrica. Disminuir
el consumo de energía eléctrica en un 5 ó 10 % en este aspecto equivale a un 50 ó 100 %
de un proyecto de iluminación o de cambio de cables alimentadores en toda la planta.
En muchas ocasiones el optimizar el uso de los motores requiere de poco gasto y en otras
ocasiones el cambio reditúa en un año de operación o menos.
Un incremento de eficiencia en un motor eléctrico de un 5 ó 10 % es realizable y en
motores de 20 hp (15 KW) o más, con un número de horas de operación superior a 5,000
horas anuales es un proyecto redituable.
Previo a este capítulo, se trató sobre la importancia de este punto, pero aquí se analizará la
metodología de análisis de eficiencia de los motores de CA en especial, que son los de
mayor utilización.
Descripción de las diferencias entre un motor de alta eficiencia y un motor convencional de
inducción de corriente alterna.
Un motor de inducción de alta eficiencia no es más que un motor de inducción mejor
diseñado y construido, es decir, opera bajo exactamente los mismos principios que los
motores de especificaciones convencionales.
Su compromiso de costo y comportamiento es diferente, utiliza mejores materiales
magnéticos, más cobre (mayor sección transversal en los conductores), mejor enfriamiento,
menor entrehierro, mejores rodamientos, pero ningún cambio tecnológico que haga la
diferencia entre ellos.
Un motor de alta eficiencia usado en un ambiente inadecuado se comportará como un
motor de eficiencia estándar.
Es importante por lo tanto reconocer las características de un motor de alta eficiencia:
118
• Menores pérdidas por efecto Joule. Este es el renglón más importante de pérdidas en un
motor de inducción, puede fácilmente llegar al 50 ó 70 % del total de pérdidas. Los motores
de alta eficiencia están construidos con un alambre de mayor sección transversal que sus
equivalentes en potencia y voltaje de eficiencia estándar.
• Mejor ventilación, dado que la resistividad del cobre aumenta con la temperatura, una
mejor ventilación ayuda a mantener baja la resistividad y por lo tanto las pérdidas. Un motor
de alta eficiencia tiene un mejor diseño térmico en cuanto a las vías de enfriamiento y un
mejor sistema de propulsión de aire para enfriarlo.
• Mejor material magnético, es decir un material con menores pérdidas por magnetización
para la misma cantidad de volts / vuelta en los embobinados. Esta razón de volts / vuelta
está directamente relacionada con las pérdidas por magnetización.
• Una menor distancia entre rotor y estator (entrehierro), ya que la dispersión del campo se
debe mantener lo más pequeño posible. El entrehierro es el lugar donde la potencia entre
estator y rotor es transmitida, por lo tanto, mientras menor sea esta distancia, menor es la
dispersión del campo y mejor la transmisión de potencia al rotor. En este punto intervienen
problemas mecánicos de alineación entre las tapas y en los rodamientos.
Por lo tanto un motor que ha sido desarmado fuera de fábrica, ya no tendrá una alineación
adecuada.
• El material del rotor es seleccionado con mayor cuidado y su simetría es un punto muy
cuidadosamente realizado. El balanceo mecánico y eléctrico es llevado a cabo de manera
sumamente exacta.
Haciendo una comparación burda, el motor de alta eficiencia es como el motor de un auto
de carreras, opera bajo el mismo principio que un auto de calle, pero con un desempeño
superior. Obviamente su costo es superior.
119
Descripción de las condiciones ideales de operación de un motor de inducción para
obtener la mayor eficiencia posible
Las condiciones ideales de operación de cualquier motor de inducción son:
• Voltaje trifásico balanceado:
El balanceo de voltaje debe estar dentro de un rango del +/- 1%. Un desbalanceo mayor
provocará caídas en la eficiencia de aproximadamente el doble, es decir un desbalanceo de
3%, puede provocar una caída del 5 a 6% en la eficiencia de operación del motor.
• Impedancia de la línea de alimentación baja:
El arranque de un motor puede hacer que se requiera de una gran corriente (la corriente de
rotor bloqueado puede llegar a ser hasta 6 veces la nominal).
Si el motor tiene un número alto de arranques y paros, se disipará una gran cantidad de
potencia en estos eventos.
Un arranque adecuado permitirá una menor disipación de potencia que uno en que el
voltaje se caiga por debajo del 5 % del valor nominal.
En este punto se puede observar la gran importancia de la compensación puntual de factor
de potencia, ya que la corriente de arranque es altamente reactiva, el contar con un
capacitor instalado lo más cerca posible del motor le dará una buena capacidad de
respuesta a la instalación y un buen comportamiento al motor.
La medición del factor de potencia en el arranque se conoce como “factor de potencia
transitorio" y en muy raras ocasiones es tomado en cuenta cuando se lleva a cabo una
compensación global del factor de potencia.
• Porcentaje de utilización:
Este parámetro es definido por el parámetro conocido como factor de utilización.
Este parámetro se obtiene de dividir la potencia mecánica obtenida en la flecha del motor
contra la potencia nominal del motor.
120
Un motor desarrolla su máxima eficiencia cuando se encuentra cargado cerca del 100% de
su capacidad nominal, es decir, que en gran cantidad de ocasiones los motores se
encuentran subutilizados,
Es posible obtener datos que nos relacionen el motor, la potencia, y la eficiencia en la que
están operando.
Esta base de datos se puede consultar en Internet y es libre de costo, aunque requiere de
registrarse al hacer la solicitud de información al respecto.
El programa proporcionado en este portal permite comparar precios, desempeños,
eficiencias y modelo de motores de eficiencia estándar, alta eficiencia y los llamados
“premium”.
Dentro de los datos que arroja esta base de datos es la eficiencia y el factor de potencia
medido para cada uno de los modelos y marcas disponibles en el mercado, tomando en
cuenta su voltaje de alimentación, potencia, velocidad, operación (sellado, abierto, contra
explosión), clasificación NEMA A,B,C ó D, presenta sus precios de lista y permite llevar a
cabo comparaciones.
El programa está equipado con un sistema de cálculo de amortización, pero
desgraciadamente éste no corresponde al sistema de facturación en nuestro país.
• Estabilidad del proceso:
Resulta sumamente difícil calcular el porcentaje de carga en procesos cuya carga es
cambiante durante el mismo o que depende de circunstancias fuera de control de la
empresa. En estos casos no es muy aconsejable la sustitución de motores por equipo de
alta eficiencia.
Un motor de alta eficiencia está diseñado para una operación estable y un comportamiento
con carga variable puede arrojar que los resultados de la sustitución sean menores o
incluso nulos.
Análisis de la eficiencia de motores eléctricos en la operación de los procesos.
Determinación de las potencias ideales de operación y el costo de no contemplarlas
Como ya se expresó, el cálculo de la eficiencia de un motor se basa en la relación de la
potencia mecánica entre la potencia eléctrica (esto es, en pocas palabras, la relación entre
121
la potencia de salida y la potencia de entrada al sistema, siendo la diferencia entre ambas
las pérdidas de tipo térmico ocurridas dentro del motor).
La potencia eléctrica consumida debe ser medida por medio de un wattmetro trifásico que
sea capaz de leer la potencia real, reactiva y aparente (KW, KVAr y KVA), aunque el motor
es por definición un sistema balanceado, se recomienda hacer las mediciones de manera
trifásica para evitar errores de cálculo o problemas en la manera de tomar los datos.
La potencia mecánica existen varios métodos de leerla, la primera es desmontar el motor
en cuestión y caracterizarlo en un laboratorio, obtener su curva de comportamiento entre
potencia eléctrica y mecánica, para que por medio de las mediciones eléctricas se conozca
su salida de potencia mecánica.
Figura 13.1. Cálculo indirecto del par en un motor de inducción.
Esta solución es impráctica, cara y no conviene llevarla a cabo, por lo que se utilizan otras
por medición indirecta. La medición indirecta es mucho más práctica, se basa en la lectura
de la velocidad angular del motor.
Y por medio de una aproximación numérica, a partir de los valores nominales del motor y el
conocimiento que un motor de inducción tiene par nulo a velocidad síncrona.
Estos dos puntos definen una recta de operación que relaciona par y velocidad.
122
Análisis del viejo mito “si el motor está sobrado, dura más”, el cual puede ser cierto, pero el
costo de la baja eficiencia del motor no justifica su utilización desde un análisis de costos
de energía.
Motor: Inducción, trifásico, 220 VCA, 1740 rpm
Potencia nominal: 25hp
Evaluación:
Potencia en Velocidad % de par Potencia Eficiencia Horas de uso Costo aproximado
KW consumida rpm nominal mecánica al año de energía por año
(medida) (calculada) (Dic01, NE, HM)*
10.21 1,775 42% 7.93 77.64% 6,000 $25,085.97
Sustituyendo por un motor
Motor Ge Premium de 15 hp, 220 VCA, 1740 rpm, η nominal = 0.9
Para calcular costos con el motor nuevo: %
Potencia en Velocidad % de par Potencia Eficiencia Horas de uso Costo aproximado
KW teórica rpm ** nominal mecánica al año de energía por año
η nominal =0.9 (calculada)
8.89 1,758 70.00% 7.91 89.03% 6,000 $21,840.00
Diferencial de costo al año * Diciembre del 2001, zona NE, Tarifa HM
$3,245.97 ** Se igualan las potencias mecánicas y se recalculan las rpm
Figura 13.2. Comparación de costos entre un motor de eficiencia convencional
sobredimensionado y uno de alta eficiencia correctamente especificado.
123
La figura 13.1 muestra un ejemplo de esta aproximación. Es válida solo en el caso de
motores que no han sido abiertos, reparados o reacondicionados. Una vez conocido el par
y la velocidad de operación, se conoce la potencia mecánica por la multiplicación de los
mismos.
La potencia mecánica indicará la relación de porcentaje de utilización y la eficiencia en que
está operando. La relación de ambas potencias indica la eficiencia en que opera el motor
eléctrico en cuestión.
Estos datos permiten conocer las condiciones exactas de operación del motor. Las
mediciones deben llevarse a cabo con un registrador que permita conocer además la
estabilidad del proceso en periodos largos. Es importante no llevar a cabo mediciones
puntuales, sino obtención de perfiles. Existe un viejo mito en la industria en México que es
instalar motores sobrados para que duren más.
Curiosamente, desde el punto de vista de energía, esta acción puede ser cierta pero no
conveniente desde el punto de vista económico.
Un motor operando con un bajo porcentaje de utilización a lo largo de 10 años, puede
costar varias veces su precio en energía. En pocas palabras a lo largo de su vida útil ese
motor ha salido más caro que si hubiera sido reemplazado.
Para demostrar esta idea se utilizarán datos obtenidos del programa Motor Master versión
3, los cálculos se muestran en la figura 13.2.
Cálculo metódico de eficiencias como indicador de necesidad de servicio
El cálculo de eficiencias también se puede usar como un indicador de la necesidad de
servicio.
Cuando un motor empieza a aumentar sus pérdidas (por razones mecánicas o eléctricas),
su eficiencia baja, su temperatura sube, el desgaste aumenta, es decir la presencia de una
menor eficiencia indica que la potencia disipada en forma de pérdidas por calor, aumenta.
Esta potencia disipada extra al valor de diseño degradará al motor y acelerará el final de su
vida útil.
Estas mediciones permitirán llevar un registro continuo de la operación de la planta y será
posible
124
La eficiencia a obtener de un motor de inducción con el uso de un variador de frecuencia
La eficiencia de un motor de inducción está relacionada con su porcentaje de carga a la
frecuencia de diseño, que en caso de México es 60 hz.
Sin embargo la eficiencia de estos motores está relacionada con el “deslizamiento” del
motor.
El deslizamiento se define como la diferencia entre la velocidad síncrona con la velocidad
de operación, dividiendo esta resta por la velocidad síncrona.
La corriente consumida por el motor es una constante del mismo y está directamente
relacionada al par que produce.
Sintetizando, un variador de frecuencia permite disminuir la potencia entregada a un motor
de inducción, sin reducir su eficiencia, de manera que, solo se entregará la potencia
necesaria para su operación.
Existen tres casos en que el control de un motor de inducción por un variador de frecuencia
se vuelven casos interesantes:
1. Cargas de par constante
2. Cargas de velocidad constante
3. Cargas de potencia constante
Los casos de control a velocidad constante y par variable son típicamente bombeo y
ventilación centrífugos, en los que el volumen desplazado es directamente relacionado a la
velocidad.
Si se requiere controlar par constante a velocidad variable, se tienen por ejemplo grúas y
malacates, mezcladores de líquidos viscosos.
Por último el caso más complejo es el de potencia constante, utilizado en máquinas
herramienta, compresores y bobinadores.
Es importante recordar que a diferencia de un motor de CD, el motor de inducción no tiene
la capacidad de sobrepasar su par máximo de operación, es decir, el motor de CD puede
“disparar” su par a bajas velocidades por arriba de su par normal de operación.
125
El motor de inducción manejado por un variador de velocidad nunca deberá sobrepasar su
par máximo.
En el caso de operar a potencia constante, la selección del motor se deberá hacer por par
máximo y por potencia nominal.
Se debe aclarar que un variador permite utilizar un motor de inducción en una fracción de
su potencia nominal, pero nunca se tendrá una potencia superior a la nominal, ni aún de
manera momentánea.
Al disminuir la velocidad y mantener el par constante la potencia se disminuye, de manera
que un motor de 5 hp a la mitad de la velocidad no será capaz de entregar más de 2.5 hp,
pero su par se mantendrá constante.
Este caso es muy usual en sistemas de bombeo o extracción de aire que se desea variar el
volumen y mantener la presión.
Al variar la frecuencia, se varía la velocidad síncrona, pero no la diferencia entre esta y la
velocidad operativa.
Esto es conocido como el deslizamiento y un deslizamiento alto (valor nominal de diseño)
permite operar al motor en su punto de mayor eficiencia.
Es decir si la velocidad síncrona es de 1800 rpm y la velcidad nominal es de 1740, el
deslizamiento es de 60 rpm, a esta diferencial de velocidades se presenta el par nominal y
la mayor eficiencia del motor.
En el caso de reducir la frecuencia a la mitad, las características de par nominal y
diferencial de velocidad serán:
Velocidad nominal = 900 rpm
Diferencial nominal = 60 rpm
Par nominal = par nominal de placa.
La velocidad de mayor eficiencia será de 840 rpm.
La potencia del motor será la mitad de la nominal, al ser el resultado de multiplicar el par
por la velocidad.
126
Si a 1800 rpm el motor es de 50 hp, a la mitad de la velocidad será de 25 hp, pero su par
será el mismo.
Este mismo comportamiento se puede tener hasta llegar a 60 rpm de velocidad síncrona
(aproximadamente 1 hz de frecuencia) y entonces la velocidad de giro será de 0 rpm, es
decir se tendrá el par nominal a velocidad 0 rpm. Este modo de operación es de especial
interés para grúas y sistemas que pueden mantener una carga estática.
Lograr estas operaciones era antes terreno exclusivo de los motores de CD, en los cuales
utilizar el par a velocidad 0 rpm es bastante convencional en los controles de cuatro
cuadrantes.
Los motores de inducción también son capaces de hacerlo ahora, con la ventaja de una
mayor eficiencia y menor mantenimiento.
Un punto pocas veces tratado en forma seria es que los motores de inducción y de
corriente alterna en general se diseñan para una velocidad específica y se les coloca un
sistema de enfriamiento para esa velocidad de operación; cuando se coloca un variador y el
motor conduce la misma corriente por sus embobinados, disipando la potencia nominal por
efecto Joule, pero con una ventilación menor, puede presentar problemas de calentamiento
serios.
Esto lleva a considerar un sistema de enfriamiento forzado para casos en que el motor
operará a velocidades menores de la nominal por periodos largos y con requerimientos de
par nominales.
La siguiente pregunta ¿ cuando se considera conveniente instalar un variador de velocidad
en un motor de inducción para lograr mejora en su eficiencia de conversión?
Se deben cubrir estos puntos:
1. El motor opera sobre cargas variables o controlables en un rango limitado de
variación.
Esto quiere decir que el objetivo del variador será obtener la misma salida de par en
la flecha, pero con una menor potencia de entrada, dando como consecuencia una
mejora en la eficiencia, esta mejora no será mayor de unos cuantos puntos
porcentuales (no más de 15%).
127
Figura 13.3. Gráficas de par - velocidad de un motor de inducción al ser alimentado
con un variador de frecuencia
Es posible alcanzar la eficiencia nominal del motor por este medio. Por ejemplo, si
la eficiencia máxima es de 95%, será el objetivo a lograr.
2. En el caso de operación a par constante, el rango de variación de velocidades es
amplio y por ejemplo en el caso de par constante a velocidad cero, la eficiencia
será cero.
Para esta aplicación, el ahorro de energía se calculará contra el consumo un motor
de CD. En este caso el factor más importante no es el ahorro de energía sino los
ahorros en mantenimiento y las condiciones de operación.
La respuesta a esta pregunta vendrá de la comparación entre lo que se consume
actualmente y el objetivo a lograr en cuanto a eficiencia.
La justificación desde el punto de vista de ahorro de energía eléctrica puede venir
de la sustitución de sistemas que en lugar de variar la potencia de entrada del
motor, constreñían la carga (por ejemplo para controlar flujos de aire en sistemas
de ventilación o enfriamiento, se usan medios de estrangulamiento de los
conductos, que efectivamente reducen el flujo, pero a base de cargar en exceso el
motor del impulsor y consumir más energía).
El variador de frecuencia en muy pocos casos es válido desde el punto de vista de
ahorro de energía, pero observando desde el punto de vista de eficiencia global del
128
proceso y mejora en la calidad del producto, será otro enfoque totalmente diferente
(nuevamente la diferencia entre ahorro y administración).
Cálculo de la amortización de la inversión de acuerdo a las condiciones de uso
¿ Cómo calcular la amortización del costo de instalar un variador de velocidad en un motor
de inducción?
La respuesta es la siguiente:
La diferencial de eficiencia, multiplicada por el número de horas de operación, por el
consumo actual, dará como resultado el ahorro en energía.
La diferencial de eficiencia multiplicada por la potencia nominal del motor dará como
resultado el ahorro en demanda.
El costo de la instalación del variador dividido entre el de ambas diferenciales proyectado a
un mes, dará como resultado el número de meses en que la inversión se recupera.
En casos que la ineficiencia actual sea muy alta, se podrá amortizar, pero normalmente hay
varias opciones alternativas.
Aspectos como el de mantenimiento son difíciles de evaluar, pero deberá buscarse la
manera de aproximar su valor para llegar a tomar la decisión correcta.
Conclusiones
Como pudo observarse, no es fácil proceder en un proyecto de sustitución de motores por
equipo de alta eficiencia, ya sean motores o variadores de velocidad.
Es muy común pensar en la instalación de variadores de velocidad para ahorra de energía
(no administración) pero esa alternativa debe observarse con mucho cuidado, tanto por la
recuperación de la inversión como las consecuencias eléctricas (como la inyección de
armónicas en la red de alimentación) y mecánicas (como los sistemas auxiliares de
enfriamiento forzado) que se puedan llegar a presentar.
129
Reducción de pérdidas en conversión:
Proyecto de sustitución de motores eléctricos porequipo de alta eficiencia
Introducción
El consumo de energía eléctrica en la industria, se reparte aproximadamente de la
siguiente forma: 70% en motores eléctricos, 20% en iluminación y 10% en servicios.
De manera que los proyectos de ahorro de energía eléctrica que tengan que ver con
motores eléctricos, atacarán el principal segmento de consumo. Es común encontrar
programas de sustitución de motores eléctricos por equipo de alta eficiencia, aquí viene la
pregunta ¿qué tan bien documentados están estos proyectos?
En este artículo se plantea desde su inicio un proyecto de sustitución de motores eléctricos,
sus implicaciones económicas y posteriormente los aspectos técnicos.
Definición de un motor de alta eficiencia.
Un motor eléctrico de alta eficiencia es en pocas palabras un motor eléctrico hecho con
valores más críticos en cuanto a la parte mecánica y mejores elementos y más cantidad de
cobre en los embobinados, mejores materiales magnéticos y separación entre rotor y
estator más pequeña.
Pero es importante mencionar que un motor de alta eficiencia no lleva en sí cambios de
tecnología, es solo un motor eléctrico que cumple compromisos de precio y comportamiento
más altos que un motor convencional.
La alineación entre los soportes del rotor es más alta, los rodamientos de mayor calidad, la
separación entre rotor y estator es menor, el material tiene mejores características
magnéticas y mayor cantidad de cobre, en sección transversal (menor resistencia y por lo
mismo menos pérdidas) y mayor número de vueltas en los embobinados, reduciendo la
corriente de magnetización.
Secuencia del proyecto comúnmente llevada
La primera acción que normalmente se lleva a cabo es calcular la cantidad de horas que
opera cada motor, después se evalúa si tiene un índice de carga adecuado (entre 70 y 95
%) y a partir de esos datos se decide su sustitución.
130
En pocas ocasiones se analiza el comportamiento de los puntos alimentadores de energía,
su comportamiento transitorio y sus perfiles de voltaje a lo largo de la operación de varios
días.
Problemas tales como voltajes fuera del rango de los valores nominales o desbalance de
fases pueden hacer comportar al motor de alta eficiencia como un motor convencional o de
manera aún menos eficiente.
Secuencia del proyecto llevado desde el punto de vista de administración de energía.
En este caso se analizará el procedimiento a seguir de este proyecto desde el punto de
vista de administración de energía.
Primer paso: se localizan los motores mayores de cierta potencia, por ejemplo 10 hp., se
genera un listado de ellos y se anota el número de horas de utilización al año de cada uno.
Segundo paso: se involucra al personal adecuado para este proyecto. Se les explica el
concepto de deslizamiento y las razones por las cuales un motor de mayor potencia a lo
necesario con respecto a la carga se vuelve ineficiente, presentando un bajo factor de
potencia y una conversión de energía eléctrica a mecánica baja.
Tercer paso: en caso de no tener equipo de medición requerido para este análisis (un
analizador de redes trifásico con capacidad de registro programable y un tacómetro), se
sugiere contratar personal especializado que cuente con él. El costo de este estudio se
verá perfectamente justificado por sus resultados.
Cuarto paso: con los resultados del estudio, se puede analizar detalladamente cuales son
los motores que resultan más rentables para su sustitución, las medidas a realizar antes de
comenzar con las compras de este equipo y los resultados que se pueden esperar.
Quinto paso: Se puede convenir que el costo se recupere en un determinado periodo de
tiempo y se considere como “utilidad” del proyecto otro periodo de igual duración.
De esta manera se tiene un control completo de los costos, los beneficios económicos y
técnicos, la recuperación de la inversión desde el punto de vista financiero y la capacidad
de demostrar que el proyecto ha sido exitoso (inclusive con utilidades).
Pasos a seguir en un estudio de eficiencia de motores.
131
Antes de hacer cualquier otra cosa, se debe comprobar la manera como operan los
alimentadores de los motores eléctricos.
Hay cinco puntos muy importantes a comprobar:
• Regulación en caso de arranque.
• Perfil de corriente y voltaje durante el arranque.
• Perfil de voltaje, corriente y factor de potencia a lo largo de un ciclo completo de
operación.
• Balance entre fases.
• Contenido armónico.
El primer y segundo puntos influyen de manera muy importante al permitir un arranque
rápido y eficiente. Esta operación es especialmente importante si el motor tiene arranques y
paros continuos.
Un arranque sólido es eficiente, mientras que uno lento y trabajoso, hace disipar gran
cantidad de energía en el motor.
Un arranque nunca debe tardar más de 10 segundos, si lo hace se puede consultar las
normas al respecto de NEMA. Para documentar las condiciones en que ocurre.
Las características del perfil de operación de par-velocidad de un motor eléctrico están
dadas en cuatro tipos diferentes, establecidas por la asociación NEMA (National Electrical
Manufacturers Association) y éstas son los tipos A, B, C y D. Es muy importante conocer el
tipo de carga para la selección adecuada del motor que la maneje
El pico de corriente a rotor bloqueado y sus características de aceleración y par varían de
acuerdo a esta clasificación.
El tercer punto mostrará el perfil de voltaje, si este perfil es muy variante, la eficiencia del
motor será pobre. Las especificaciones de eficiencia se hacen para el voltaje nominal (+/- 2
ó 3 %), si el voltaje disminuye en 10 %, la eficiencia del motor lo hará en por lo menos ese
valor. Normalmente la reducción de eficiencia es mayor.
El voltaje bajo “aplana” la curva par - velocidad del motor, aumentando el deslizamiento,
perdiendo par máximo y velocidad, esto provoca un aumento de la corriente por requerir de
un par mayor. En el caso de voltaje alto, la corriente de magnetización aumenta y las
pérdidas en el núcleo aumentan.
132
Mientras esta condición no se corrija, no hay objeto en cambiar los motores, es mucho más
rentable adecuar los alimentadores y la red de distribución interna de la planta para evitar
este problema. Sustituir motores sin arreglar este problema, no solo no dará resultado; el
motor de alta eficiencia opera con márgenes más justos, de manera que fuera de sus
rangos nominales, es posible que su comportamiento sea más deficiente que un motor
convencional.
El cuarto punto tiene un aspecto muy semejante al anterior (regulación de voltaje), un
desbalance puede afectar la eficiencia de operación de la misma manera que un voltaje
disminuido o excesivo. El desbalance genera lo que podría resultar en un par pulsante que
además afecta a los sistemas mecánicos.
Como quinto punto, el contenido armónico, puede afectar por la generación de un par
pulsante (principalmente por la 5ª y 7ª armónicas), que pueden llegar a provocar daños
eléctricos y/o mecánicos.
En caso de estar presente un grado elevado de distorsión armónica, este problema es de
dimensiones elevadas y requiere ser resuelto con mucho mayor prioridad que la sustitución
de motores.
El estudio de los circuitos alimentadores de los motores en la instalación, arrojará
información completa sobre estos aspectos, dando la posibilidad de presentar opciones de
corrección eléctrica o sustitución de motores.
Estas opciones se analizarán desde el punto de vista económico y financiero.
Es muy importante no tomar a la ligera este estudio, ya que sin él los resultados pueden no
solamente ser bajos, podrían llegar a ser negativos.
Selección de motores a sustituir
Para hacer la selección de los motores de factible sustitución, se genera una tabla como la
expresada en la figura 14.1
El punto más crítico para medir es la eficiencia, ya que para medir la potencia eléctrica se
requiere del analizador de redes, pero la medición de la carga mecánica requiere de un
procedimiento y cálculos para evaluarlo “in situ”, es decir sin desmontar el motor y llevarlo a
un electrodinamómetro.
Los parámetros económicos serán tratados posteriormente.
133
Se aconseja hacer una tabla de datos del motor, que arroje la potencia, eficiencia actual y
esperada, horas de uso al año, permita hacer un estimado de ahorro y calcular sus
alcances en periodos horarios de base intermedio y punta.
La equivalencia de parámetros eléctricos a económicos se lleva a cabo evaluando, de
acuerdo a los calendarios de la compañía suministradora, el número de horas en periodo
base al año, de periodo intermedio y de periodo punta. Con estos datos se calculará la
reducción de costos
Figura 14.1. Generación de la ficha de reporte del motor a sustituir.
Esta tabla expresa el voltaje, su variación, el balance de fases, su variación, el índice de
carga (% de la potencia nominal a la que se utiliza), potencia nominal, eficiencia (potencia
mecánica / potencia eléctrica), potencia objetivo a lograr con el cambio de motor, diferencia
de eficiencia a obtener (objetivo) y diferencia de consumo y demanda eléctricas, además de
evaluar estos parámetros tomando en cuenta las tarifas horarias,
Análisis económico de recuperación de inversión.
Reporte de características
Datos actuales:
Localización: Motor molino 4Potencia: 150 hpPromedio de Voltaje: 445 VCADesviación Estándar +/- 7 VCAPromedio balanceo de fases: 5.2 VCADesviación Estándar 3.4 VCAEficiencia medida: 85%Horas de operación al año:
base 3,200intermedio 4,100punta 1,040
Objetivos de sustitución por motor AE (anual):
Eficiencia objetivo: 95%Ahorro de KW: 15 KWAhorro en periodos:
base 48,000 KWhintermedio 61,500 KWhpunta 15,600 KWh
Ahorro en demanda facturable: 15 KW
134
Este análisis consiste en convertir mes a mes los parámetros eléctricos ahorrados en su
equivalente económico.
Para convertir los datos eléctricos en económicos cuando se elaboran los objetivos y
metas, se analiza el costo de la energía, se proyecta suponiendo el mismo perfil del año
pasado, mes por mes y se calcula el ahorro proporcionado por cada motor por hora de
operación en cada uno de los periodos (base, intermedio y punta), calculando también la
reducción factible de la demanda para cada periodo. Estos datos se proyectan mes a mes
durante una año, así como el valor presente de la inversión se aumenta de acuerdo
con la inflación o el incremento de índice de precios al fabricante.
Cuando el proyecto esté ya en operación, estos datos se van sustituyendo por valores
reales sacados de los indicadores económicos y de esa manera se actualiza.
En el caso de sustitución de motores no es fácil aproximar un tiempo de recuperación de la
inversión, pero normalmente se ha observado desde 6 u 8 meses hasta 24 a 30 meses.
La otra gran ventaja de este proyecto es que quedan motores “sobrantes” en buen estado
para instalarlos en otros puntos que no justifiquen una sustitución.
Figura 14.2. Tabla comparativa de resultados económicos por un proyecto desustitución de un motor eléctrico.
Cálculo de ahorros
Base: $0.32Intermedio: $0.39Punta: $1.20Demanda: $63.40Costo de energía HM, NE, Dic 2000
Ahorros con base en la figura 1
Base: $15,216.00Intermedio: $23,806.66Punta: $18,789.28Demanda: $11,412.00
Ahorro $69,213.94
Costo de sustitución:
Motor: USD $ 5,500.00Instalación: USD$ 400.00
Tiempo de recuperación:10 meses aprox.
135
Si los motores existentes en otros puntos diferentes al de sustitución están excedidos, el
colocar un motor más adecuado puede subir su eficiencia sin tener otro gasto que el de
desmontar y colocar el motor de dimensiones adecuadas.
Estas “ganancias” adicionales también pueden ser contabilizadas y permiten justificar más
rápidamente la recuperación de la inversión.
Como en el caso anterior de la corrección del factor de potencia, los movimientos, estudios
e instalaciones sirven para actualizar, revisar y documentar el estado actual de las
instalaciones y en muchos casos se descubren anomalías importantes que podrían
redundar en fallas de operación e inclusive paros de secciones de la planta productiva.
Conclusiones
Como se puede observar las conclusiones de este artículo resultan bastante sencillas. Se
requiere documentar de manera adecuada y ordenada.
El método presentado aquí no se puede decir que sea el mejor, pero es ordenado y ya en
cada caso se le agregarán o eliminarán algunas secciones.
Este método también puede servir de base para otro modelo, lo importante es partir del
orden para llegar a entender y presentar los proyectos.
Existe una filosofía útil para explicar los resultados: debe poder ser expresado en una hoja
carta para poder ser visto de golpe.
Para comenzar el proyecto hay dos puntos importantes:
• Existen una serie de comprobaciones a efectuar antes de llevar a cabo la sustitución de
motores eléctricos.
Estos puntos fueron ya explicados anteriormente y se trata de tener el voltaje en valor
nominal, bien balanceado y con un alimentador capaz de proveer un arranque seguro y
rápido.
En resumen, para pensar en buscar motores de alta eficiencia, primero se debe estar
seguro que las condiciones de alimentación y cálculo de la potencia del mismo son
correctas.
136
• Una vez que esos puntos sean corregidos el estudio consiste en hacer una “ficha” como la
que se presentó aquí para cada motor que se estudie su sustitución, ya sea por uno de alta
eficiencia o por el motor que fue sustituido y es posible obtener mejor rendimiento de él en
otro punto de la planta.
Un punto clave para la sustitución es el número de horas de operación y muy importante el
número de horas de operación en periodo punta.
Esta operación puede darse en el caso de equipo que se maneja por horario y su operación
sea principalmente en periodo punta.
Vale la pena recordar que el KWh de periodo punta vale 3.5 veces lo que el de periodo
base, es decir. Las 4 horas de punta entre semana pueden valer más que las 6 de periodo
base de entre semana y las horas base de sábado y domingo juntas.
El análisis horario es de gran importancia y no es válido promediar horas de base,
intermedio y punta, lo cual es una práctica muy común.
Una vez llevado a cabo el proyecto esta “ficha” se irá actualizando una vez por mes para
documentar.
Sin estos datos de manera presentados no solo correcta, sino directamente, en forma
sencilla y entendible, el éxito del proyecto es muy factible, de otra forma los resultados se
pierden en el conjunto y pasan a olvidarse o peor aún a quedar en el descrédito, siendo que
pudieron ser presentados como éxitos.
En este caso de operaciones de sustitución de motores, existen muchas combinaciones
factibles, como es la de aprovechar el haber sustituido un motor convencional por uno de
alta eficiencia, pero el motor desmontado, puede colocarse en el lugar de otro cuya carga
sea más adecuada al valor de éste.
Es decir, el instalar un motor convencional con un porcentaje de carga alto es también una
manera de obtener un incremento en la eficiencia de operación.
Hay un punto que no se mencionó en el artículo: UN MOTOR REEMBOBINADO NO ES
CAPAZ DE DESARROLLAR UNA EFICIENCIA ACEPTABLE.
137
Cuando un motor se daña y es reembobinado, el calentamiento sufrido, los métodos de
remoción del alambre quemado, la alteración de las características magnéticas de los
materiales y el posible desbalanceo de las fases hace que no sea eficiente en su operación.
Las reparaciones de motores eléctricos quemados son convenientes desde el punto de
vista económico solo a corto plazo, siendo poco redituables a mediano y largo plazo.
Una regla a seguir es que un motor eléctrico reparado no debe ser utilizado más de 500 ó
1,000 horas al año. De utilizarse más tiempo al año, no conviene desde el punto de vista
económico.
Ese motor costará más en energía que su costo de sustitución. Un motor reparado, puede
llegar a tener eficiencias reducidas en un 10 a 15%, con un tiempo de operación de varios
miles de horas por año, el costo en KWh desperdiciados en forma de calor, pueden costar
más que un motor nuevo de ese tamaño y tipo.
Los motores reparados deben ser marcados de forma evidente para evitar que por error se
instalen en puntos de largo tiempo de utilización al año.
En el ejemplo presentado, una diferencia de eficiencia de 10% permite amortizar la
sustitución del mismo por uno de alta eficiencia.
Vale la pena comentar que un motor eléctrico de inducción de alta eficiencia, no es más
que la misma tecnología que los motores convencionales, pero realizado con mayor calibre
de alambre, mejor relación de volts / vuelta, mejor calidad de materiales magnéticos, un
entrehierro menor y baleros de mayor calidad.
No hay cambio tecnológico en su realización, solo es un motor eléctrico con un compromiso
precio a desempeño diferente.
Un motor de alta eficiencia es rentable solo si su tiempo de operación rebasa 3,000 horas al
año y su carga es del 80 % de su valor nominal como mínimo a grandes rasgos.
Para cada decisión de sustitución de motor se debe hacer un estudio que involucre calidad
de suministro, condiciones de carga, tiempo de trabajo al año y condiciones de operación,
de manera que se tengan datos confiables.
Sintetizando:
Un motor de alta eficiencia es un motor mejor construido y mejor aprovechado.
138
El colocar un motor de alta eficiencia y no cargarlo a un nivel adecuado no da ningún
resultado importante.
Es más un motor de alta eficiencia fuera del rango de 80% o más de factor de utilización se
comporta prácticamente igual a uno de eficiencia estándar.
Como una última posibilidad, en caso de no contar con motores de alta eficiencia a la
mano, se puede buscar la rotación de motores existentes para que su factor de utilización
sea el más alto posible, aunque sean todos del tipo eficiencia estándar.
139
Reducción de pérdidas en conversión:
Localización y análisis de pérdidas en luminarias
Introducción
La modernización de las industrias, comercios y oficinas, trae como consecuencia el
cambio de necesidades y la búsqueda de una mejor utilización de los recursos energéticos,
generando a su vez la necesidad de plantear un cambio en la instalación de alumbrado.
La sustitución de las luminarias existentes por equipo de mayor eficiencia, es con la
finalidad de lograr una mejor utilización de sus características y una reducción del consumo
de energía eléctrica.
Previo a efectuar un cambio de las luminarias, se debe tomar en consideración factores tan
diversos como son cantidad y calidad de la luz, así como características eléctricas (factor
de potencia, armónicos, sensibilidad a transitorios) y mecánicas (solidez, facilidad de
instalar, desmontar, dar mantenimiento, etc.)
La tendencia de los ingenieros y arquitectos es distribuir luminarias a espacios iguales para
dar un alumbrado uniforme o general. En muchos casos esta no es una solución adecuada,
ya que se desperdicia iluminación en lugares que no se necesita.
De acuerdo con las necesidades se deben definir áreas de alumbrado especial cuando se
requiera y áreas de alumbrado general para las otras superficies.
Se recomienda analizar antes de proceder a sustituir.
Análisis de necesidades y soluciones para mejorar la eficiencia en la iluminación.
Una luminaria de alta eficiencia es aquella que da una intensidad y flujo luminoso igual con
menor consumo de energía que la tecnología disponible en el momento en que
originalmente se hizo la instalación.
En muchas ocasiones el aumento de eficiencia se logra a costa de la calidad de luz. Un
ejemplo de esto es la sustitución de lámparas con menor rendimiento de color (vapor de
sodio) pero mayor eficiencia (lúmenes / Watt) con respecto al consumo de energía.
En lugares tales como los estacionamientos y áreas de servicios el color puede no ser
importante, pero en otros lugares puede ser de suma importancia.
140
El estudio de necesidades actuales debe contemplar todos estos aspectos.
Sintetizando estos aspectos se tiene:
• Importancia de la apariencia del color
• Confort visual
• Reducción de consumo de energía eléctrica
• Adaptación de las luminarias a las posiciones de trabajo
• Control de alumbrado para aprovechar la luz solar.
Desde el punto de vista del factor de potencia, debe tomarse en cuenta que las luminarias
más modernas y las que cuentan con balastro electrónico, tienen un factor de potencia
cercano a la unidad y son especialmente sensibles a la presencia de voltajes armónicos y
transitorios.
Cuando se sustituyen luminarias que requerían corregir el factor de potencia con
capacitores externos, por luminarias con factor de potencia unitario, debe analizarse la
situación, ya que en el caso de existir una sobrecompensación de factor de potencia de tipo
capacitiva, los sobrevoltajes y la posible presencia de armónicos pueden provocar la falla
acelerada de estas luminarias.
Todo el posible ahorro en el gasto de energía se vería disminuido por la reparación y / o
sustitución de luminarias con fallas.
Es importante mencionar que en el caso de estas luminarias que han fallado, el problema
podría estar en la instalación y no siempre se pueden reclamar por validez de la garantía.
Pasos a seguir en un proyecto de sustitución de luminarias
La primera acción a seguir es el análisis de la situación y necesidades actuales, la
verificación del estado de la instalación y mediciones de factor de potencia y presencia de
armónicas.
El segundo paso es comparar entre las diferentes opciones de sustitución, Se debe ser
sumamente cuidadoso con la posible generación de corrientes armónicas y el factor de
potencia de las balastras electrónicas.
Como tercer paso, se procede a diseñar o rediseñar con las nuevas luminarias y comprobar
los puntos que requieren modificaciones eléctricas.
141
Por último se procede a sustituir las luminarias de acuerdo al diseño obtenido.
Se debe tener siempre en cuenta que ante nada está la calidad de la luz y los niveles
requeridos para cada aplicación.
El trato económico y financiero es el mismo que se ha dado a los otros proyectos de
corrección de factor de potencia y sustitución de motores por equipo de alta eficiencia.
Problemas tales como voltajes fuera del rango de los valores nominales pueden afectar el
comportamiento y eficiencia de las luminarias. Los balastros electrónicos son
especialmente adaptables a variaciones de voltaje, pero son muy sensibles a la presencia
de transitorios.
Dado que la iluminación consta de cargas monofásicas, debe siempre de procurarse una
conexión equilibrada para no provocar problemas en la instalación.
Secuencia del proyecto llevado desde el punto de vista de administración de energía.
El análisis desde el punto de vista de administración de energía, requiere los siguientes
pasos:
Primer paso: se analizan los requerimientos de iluminación de acuerdo a las aplicaciones
actuales. Se consulta con los usuarios de la planta para verificar necesidades.
Segundo paso: se analizan las características de las luminarias existentes, como son
ópticas, mecánicas, eléctricas y estéticas.
Tercer paso: en caso de no tener equipo de medición requerido para este análisis (un
analizador de redes trifásico con capacidad de registro programable, un medidor de flujo
luminoso), se sugiere contratar personal especializado que cuente con él. El costo de este
estudio se verá perfectamente justificado por sus resultados.
Cuarto paso: Como resultado de este estudio se conocerá el estado real de la instalación
de alumbrado y de sus capacitores de compensación de factor de potencia (cuando los
haya). Con base en estos datos, se hace la proyección de consumo de energía y se
calculará la diferencia de consumo de energía y demanda en cada uno de los tres periodos,
base, intermedio y punta. De ahí se obtendrá una diferencia de costo proyectada con
precios actuales y duplicando la tendencia de precios que se considere adecuada..
Quinto paso: Se puede convenir que el costo se recupere en un determinado periodo de
tiempo y se considere como “utilidad” del proyecto otro periodo de igual duración.
142
En muchos casos es conveniente hacer las sustituciones en pasos para hacer
comparaciones, ya que ciertos efectos como la suma de corrientes armónicas y el factor de
potencia no es fácil de evaluar a pequeña escala. En estos proyectos se debe ser
sumamente cauto, ya que la energía eléctrica alimenta también a los equipo sensibles y los
resultados podrían ser catastróficos si no se toman precauciones.
Es muy conveniente tomar mediciones en las diferentes etapas de montaje, con lo cual se
busca evitar un impacto no previsto en la calidad de la energía, provocando presencia de
armónicas, sobrecompensación de factor de potencia o algún otro problema.
Con este procedimiento se tiene un control completo de los datos de costos, los beneficios
económicos y técnicos, la recuperación de la inversión desde el punto de vista financiero y
la capacidad de demostrar que el proyecto ha sido exitoso (inclusive con utilidades).
Figura 15.1. Tabla de datos a obtener para evaluar la factibilidad de sustitución por equipo más adecuado o de mayor eficiencia para iluminación.
Reporte de características CLAVE DE IDENTIFICACION
Datos actuales:
Localización: Nave principalPotencia: 250 WattsPromedio de Voltaje: 220 VCADesviación Estándar +/- 7 VCAAcabado del bulbo: Fosforado (20,500 lúmenes)Patrón de dispersión: Haz abiertoLumenes / Watt: 82Horas de operación al año:
base 3,200intermedio 4,100punta 1,040
Objetivos de sustitución por luminaria (anual):
Características de iluminación: Mejora calidad de color y nivel de iluminación
Ahorro de KW: 0.15Ahorro anual en periodos:
Base 480 KWhIntermedio 615 KWhPunta 156KWh
Ahorro en demanda facturable: 0.15 KW
143
Análisis de factibilidad para el aprovechamiento de la luz natural.
Resulta ilógico que en muchas naves industriales y comerciales sea necesario iluminar los
interiores durante el día, se desperdicia la luz de mayor calidad disponible y libre de costo.
En los últimos años se ha “redescubierto” el uso de la luz solar, en locales comerciales e
industriales, se han instalado láminas acrílicas translúcidas en lugar de las existentes de
acero o asbesto.
Como es lógico al utilizar estas láminas translúcidas se debe agregar un sistema de
encendido de las luminarias internas cuando los niveles de iluminación sean inferiores al
requerido.
Las desventajas del uso de este aprovechamiento son dos principalmente:
1) Mantenimiento de la limpieza en la superficie exterior para garantizar la
transparencia.
Se requiere también de un programa de revisión y sustitución de las láminas translúcidas
cuando se lleguen a degradar y oscurecer.
2) Absorción de la radiación infrarroja, lo cual puede aumentar la temperatura interna
de la instalación. En este punto se debe ser cuidadoso para evitar que el incremento de
temperatura no eleve el consumo de energía por arriba del ahorro obtenido en iluminación.
Cabe mencionar que la extracción del calor de un local es un proceso que consume gran
cantidad de energía eléctrica.
Para decidir sobre la opción de colocar láminas translúcidas, se debe hacer un estudio
térmico previo que despeje las dudas a este respecto.
• En caso de ser posible, recorrer el horario de trabajo de la instalación para poder
aprovechar la luz solar de la manera más eficiente posible.
Vale la pena decir que en acciones como éstas, el corrimiento de horario estacional (horario
de verano) representa una posibilidad de ahorro.
Recomendaciones
144
Después de considerar estos aspectos, generalmente esta solución es altamente atractiva
y se debe recordar que la luz solar posee el nivel más alto en cuanto a calidad de color que
se podría obtener.
Es muy importante no tomar a la ligera este estudio, ya que sin él los resultados pueden no
solamente ser bajos, podrían llegar a ser negativos.
El objetivo de este proyecto es el de administrar energía y reducir costos, pero también se
debe buscar el mejorar la calidad de la iluminación.
Por este motivo se recomienda llenar un reporte de características.
Figura 15.2. Comparación económica para cálculo de recuperación de la inversión.
Selección de luminarias a sustituir
En esta tabla es factible concentrar la información de manera ágil y rápida de ver.
El resultado neto de esta tabla es la diferencia de energía y demanda eléctricas que se
obtendrán después de la sustitución.
Cálculo de ahorros
Costos de Energía:Base: $0.32Intermedio: $0.39Punta: $1.20Demanda: $63.40Costo de energía HM, NE, Diciembre 2000
Ahorros con base en la tabla 1
Base: $153.60Intermedio: $239.85Punta: $187.20Demanda: $152.16
Ahorro $732.81
Costo de sustitución:
Luminario: $2,000.00Instalación: $200.00
Tiempo de recuperación:
36 meses
145
La equivalencia de parámetros eléctricos a económicos se lleva a cabo evaluando, de
acuerdo a los periodos estacionales de la compañía suministradora, el número de horas en
periodo base al año, de periodo intermedio y de periodo punta.
Un punto a tomarse en cuenta es el nivel de ruido provocado por los sistemas de
iluminación, las condiciones ambientales como temperatura, humedad, corrosión y
ambientes peligrosos.
Con estos datos se calculará la reducción de costos por conceptos de energía base,
intermedia y punta y sus respectivas demandas máximas.
Análisis económico de recuperación de inversión.
Este análisis consiste en convertir mes a mes los parámetros eléctricos ahorrados en su
equivalente económico.
Para convertir los datos eléctricos en económicos cuando se elaboran los objetivos y
metas, se analiza el costo de la energía, se proyecta suponiendo el mismo perfil del año
pasado, mes por mes y se calcula el ahorro proporcionado por cada metro de
superficie por hora de operación en cada uno de los periodos (base, intermedio y punta),
calculando también la reducción factible de la demanda para cada periodo.
La razón de hacerlo por metro es que las luminarias pueden tener diferentes patrones de
iluminación y al sustituirlas puede reducirse el número de ellas. Lo importante es cumplir
con el área de iluminación a un nivel más adecuado a las necesidades.
Estos datos se proyectan mes a mes durante una año, así como el valor presente de la
inversión se aumenta de acuerdo con la inflación o el incremento de índice de precios al
fabricante.
Cuando el proyecto esté ya en operación, estos datos se van sustituyendo por valores
reales sacados de los indicadores económicos y de esa manera se actualiza.
En el caso de sustitución de luminarias no es fácil aproximar un tiempo de recuperación de
la inversión, pero normalmente se ha observado desde 8, 10 y hasta 12 meses.
146
Como en el caso anterior de la corrección del factor de potencia, los movimientos, estudios
e instalaciones sirven para actualizar, revisar y documentar el estado actual de las
instalaciones y en muchos casos se descubren anomalías importantes que podrían
redundar en un mejor mantenimiento de la instalación.
La figura 15.2 muestra un valor de recuperación de 36 meses, pero los valores de
adquisición e instalación dados aquí son estimados y se pueden abatir por medio de
volumen de compra.
Conclusiones
Como se puede observar las conclusiones de este artículo resultan bastante sencillas: Es
necesario documentar las acciones de modernización y adaptación a nuevas necesidades
de manera adecuada y ordenada.
El método presentado aquí no se puede decir que sea el mejor, pero es ordenado y ya en
cada caso se le agregarán o eliminarán algunas alternativas que variarán de acuerdo con
las características específicas de cada instalación.
Este procedimiento también puede servir de base para otro modelo, lo más importante es
partir del orden para llegar a entender y presentar los proyectos.
Un punto que no debe olvidarse:
Estos proyectos deben presentarse de manera que se vean como negocio, por eso se les
da un tiempo de recuperación de la inversión, un beneficio en cuanto al servicio obtenido de
ellos y un tiempo que representa obtención de utilidades.
Existe una filosofía útil para explicar los resultados: debe poder ser expresado en una hoja
carta para poder ser visto de golpe.
Para comenzar el proyecto hay dos puntos importantes:
• Existen una serie de comprobaciones y estudios a efectuar antes de llevar a cabo la
sustitución de las luminarias, no se aconseja hacerlo directamente sin analizar antes.
Los aspectos que se deben analizar son varios: el económico (disminución de costo de la
energía eléctrica), mantenimiento (disminución de costos de sustitución de lámparas y un
alargamiento de la vida útil de las mismas), posible mejora en el servicio (eso puede
representar un incremento en la productividad, las ventas y cualquier otro aspecto
relacionado con la iluminación).
147
• Una vez que esos puntos se hayan corregido el estudio consiste en elaborar una “ficha”
como la que se presentó aquí para cada luminaria que se estudie su sustitución, ya sea por
uno de alta eficiencia o de menor potencia, por ser la más indicada. En muchos casos se
ahorra simplemente colocando la luminaria de la potencia adecuada.
• Un punto clave para la sustitución es el número de horas de operación y muy importante
el número de horas de operación en periodo punta.
Esta operación puede darse en el caso de equipo que se maneja por horario y su operación
sea principalmente en periodo punta.
Vale la pena recordar que el KWh de periodo punta vale 3.5 veces lo que el de periodo
base, es decir. Las 4 horas de punta entre semana pueden valer más que las 6 de periodo
base de entre semana y las horas base de sábado y domingo juntas.
El análisis horario es de gran importancia y no es factible promediar horas de base,
intermedio y punta, lo cual es una práctica muy común.
Una vez llevado a cabo el proyecto esta “ficha” se irá actualizando una vez por mes para
documentar.
Con estos datos obtenidos y presentados de manera correcta, en forma sencilla y
entendible, el éxito del proyecto es factible, de otra forma los resultados se pierden en el
conjunto y pasan a olvidarse o peor aún a quedar en el descrédito, siendo que pudieron ser
presentados como éxitos.
De ahí la gran importancia de la elaboración de estas fichas técnico – económicas.
La elaboración y mantenimiento de estas fichas hacen la diferencia entre los conceptos de
ahorro y administración de energía.
Los datos recabados en ellas permiten evaluar el costo de este servicio a la planta y la
distribución del mismo a cada uno de los procesos productivos o administrativos que se
llevan a cabo.
También será fácil analizar la sustitución por otros sistemas más modernos cuando estos
estén disponibles.
148
149
Control de la demanda máxima:Planteamiento del proyecto
Introducción
Cuando se habla de administración de energía, uno de los puntos obligados a tratar es el
de control de demanda.
Controlar la demanda máxima no reduce el consumo de energía, reduce su costo al gastar
la energía de forma más ordenada, mejorando el factor de carga.
El control de demanda consiste en un equipo de monitoreo continuo de consumo y por
medio de mediciones de consumo predice la demanda máxima que se tendrá al final del
subintervalo de medición y es capaz de tomar acciones correctivas para evitar que el valor
de demanda máxima programada sea rebasado.
Este control entrará en funciones unas cuantas veces al mes, pero por medio de ese
control, se puede reducir el costo de energía de manera importante.
Descripción del proyecto
El proyecto de control de demanda consiste en un análisis detallado de los perfiles de
consumo de energía de la planta, un análisis detallado de las actividades y metodología de
operación y un ordenamiento de estas actividades para un consumo más “parejo” de la
energía.
El proyecto consiste en hacer un ordenamiento de las actividades, el concepto es claro: la
demanda se abate por un ordenamiento del consumo, especialmente en periodo punta.
Como un modo de refuerzo de este ordenamiento, se recomienda la instalación de un
equipo de monitoreo continuo, con la capacidad de predecir cuando se vaya a rebasar el
valor máximo esperado de la demanda.
Este control no debe ser “una camisa de fuerza”, que sujete al sistema, su misión es evitar
en unas cuantas ocasiones al mes que por coincidencia de varios factores se vaya a
rebasar el tope de demanda.
En caso de que estas coincidencias se vuelvan muy comunes, se deben revisar los
procedimientos o los objetivos a lograr.
150
El proyecto de control de demanda consta de tres partes:
• Planteamiento
• Ejecución
• Seguimiento de resultados
El planteamiento consiste de un estudio cuidadoso y detallado de los perfiles de consumo,
obtenidos por subintervalo (5 minutos) de por lo menos los últimos 3 meses.
Para obtener estos datos, existen dos opciones, la primera es obtenerlos de la compañía
suministradora (ellos retienen estos registros para cualquier aclaración) y la segunda es
montar un equipo de adquisición capaz de registrar la potencia consumida por toda la
instalación, ya sea midiendo los pulsos del medidor de la compañía suministradora (es la
forma más exacta) o por medio de un adquisidor de parámetros eléctricos y su conexión por
medio de transformadores de corriente y potencial.
El método de pulsos es el más exacto, ya que además se sincroniza por medio de un pulso
para que las mediciones de los intervalos de 5 minutos sean coincidentes.
Una vez obtenida la información por cualquiera de los tres métodos, se analiza
cuidadosamente con los departamentos de proyectos, producción y energía (o
mantenimiento) para determinar las razones de las puntas de consumo, la frecuencia y los
procedimientos a seguir para eliminarlos.
Es importante entonces comprometerse a encontrar puntos de ajuste para ordenar la
producción (cargas que pueden reducirse en periodo punta, cargas que pueden
desplazarse a periodos base o intermedio, pero siempre sin afectar la producción).
Una vez que se lleva a cabo este análisis, se procede a analizar por medio de simuladores
de facturación, el impacto económico que estas medidas representan sobre la facturación
total de energía eléctrica.
Los proyectos de control de demanda, como rango normal, tienen una reducción de costos
de aproximadamente 3 a 5% de la facturación total.
Es muy importante mantener este número en mente, ya que quien ofrezca reducir el costo
en valores superiores al 10%, normalmente estará poniendo “una camisa de fuerza” al
proceso productivo y habrá un demérito importante en la producción.
Para llevar a cabo el seguimiento de resultados, se recomienda seguir el procedimiento de
“índice de desempeño”, que se trató anteriormente.
151
Los proyectos de control de demanda en muy pocas ocasiones darán un resultado
espectacular en cuanto a porcentajes de reducción (normalmente menos del 10% y en la
mayoría de los casos entre 3 y 5%), pero permiten un ordenamiento que a la larga redituará
en una mejor operación de toda la planta.
Análisis de información
Para llevar a cabo un proyecto de este tipo se debe comenzar por el análisis de la
información de consumo de energía.
Existen varios puntos importantes para tomar en cuenta:
1. Costo de la energía relativo al costo de las otras materias primas.
2. Costo total de la energía con respecto al costo total de fabricación.
3. Porcentaje del costo de la demanda máxima en el total del costo de la energía
eléctrica.
4. Análisis de las facturas de energía eléctrica con los datos de cuando menos doce
meses de anterioridad.
5. Análisis detallado de los perfiles de demanda mostrados en subintervalos de 5
minutos de los últimos tres meses por lo menos. Esta información se puede obtener
de dos formas diferentes, una es por medio de la compañía suministradora de
energía eléctrica, que debe suministrar esa información bajo solicitud expresa del
cliente y la otra es por medio del montaje de equipo de medición propio, que puede
sincronizarse a las salidas de pulsos de los medidores de energía que se utilizan
por parte de la compañía suministradora.
6. En estos casos es muy importante correlacionar la información de producción con
consumo y obtener los índices de costo de energía contra producción y demanda
máxima contra producción. Además en los últimos meses obtener esa relación día
por día.
7. Con esa información a la mano se analizan los meses y días que han presentado
una menor relación de demanda máxima contra producción y menor costo de
energía contra producción.
8. Los valores óptimos de costo de energía y demanda contra producción serán las
metas iniciales a lograr, ya que será imposible que se argumente que no se pueden
lograr por parte del departamento de producción. Estas serán las metas inmediatas
a lograr con el proyecto de administración de energía.
9. Posteriormente se deben generar las metas a mediano plazo, las cuales se deben
probar primero por simulación en hoja de cálculo, después por análisis conjunto con
el personal de mantenimiento y producción y finalmente en un pequeño control
152
“piloto”. Para estas pruebas es indispensable contar con equipo de medición propio
ya instalado.
10. El siguiente punto es analizar que tanta energía y demanda se pueden desplazar
del periodo punta hacia los periodos base e intermedio, es decir, procesos que
tengan inercia térmica o mecánica, o cuente con capacidad de almacenamiento
(cisternas o plantas de tratamiento de aguas negras). Estos desplazamientos se
llevan a cabo por cambio de procedimientos, control horario u otros métodos
capaces de manejar el proceso.
Los pasos 1 a 8 se pueden realizar de manera totalmente previa al proyecto, es decir, antes
de cualquier montaje o gasto en equipo de medición y control.
Corresponden exclusivamente a lo que se conoce como trabajo previo o de investigación.
Metodología para plantear los objetivos
El planteamiento de objetivos se basa en una realidad muy importante:
Nunca se pida algo que no se haya obtenido antes.
Esto quiere decir lo siguiente, si en el análisis de los perfiles, por alguna razón ya se obtuvo
que durante todo un día la demanda máxima no se rebasara de cierto nivel, se analizan las
condiciones y se tratará de reproducir en forma controlada.
Siempre habrá “un día ideal” que se pueda reproducir y que además es fácil contestar el
“no se puede” con el “ya se hizo una vez, se puede volver a lograr”.
Utilizando un simulador de facturación, se colocan los valores objetivo y se obtiene la
diferencial de costo.
Esta diferencial se proyecta para saber el tiempo de amortización y hacer los análisis
financieros.
Hasta el momento el análisis del proyecto se puede haber realizado sin haber gastado en
equipo (en el caso de obtener los perfiles de la compañía suministradora).
Esta proyección se debe generar con cierta reserva, es decir, el caso optimista, el caso
medio y el caso pesimista, de acuerdo a la factibilidad de repetición de las condiciones
propuestas.
153
Estos análisis deben ser hechos de manera conjunta entre los diferentes departamentos
involucrados.
Potenciales de ahorro
El siguiente punto a determinar, una vez que se definió el objetivo desde el punto de vista
eléctrico de control de demanda y desplazamiento de energía punta hacia energía base o
intermedia.
En este momento entra en juego el uso de simuladores de facturación, para poder
determinar los alcances en la reducción del costo de la energía.
Con base en las experiencias tenidas, los proyectos de este tipo muy rara vez ofrecen más
del 10% de disminución de costo y la mayoría de las veces es alrededor del 5%.
Sin embargo, se debe ser realista y estar consciente que forzar al proyecto a obtener
números mayores puede resultar en un fracaso al afectar los procesos productivos de la
planta.
Conforme a estos objetivos se plantean los potenciales de ahorro en tres niveles diferentes:
• Potenciales de ahorro altamente factibles
• Potenciales de ahorro de grado de dificultad bajo
• Potenciales de ahorro de grado de dificultad alto
En el primer caso, se supone que las cosas salen en su peor posibilidad, es decir, se
considera el peor de los casos, lo cual es poco probable pero nunca debe de dejar de
tomarse en cuenta esa posibilidad.
El segundo caso es el más probable, en el cual, algunas de las medidas resultan de forma
ideal, algunas superan las expectativas y otras quedan por debajo de lo esperado.
Este es el caso más común y normalmente llega a ocurrir. Este caso normalmente se
puede corregir, pero debe ser monitoreado cuidadosamente.
El tercer y último caso es el ideal, al cual se llegará después de cierto tiempo de trabajo y
con un cuidado continuo y correcciones de las acciones y los detalles.
Para pasar del caso 2 al caso 3, se requiere de mediciones continuas, revisión de algunos
puntos de apoyo y algunas otras medidas correctivas.
154
Pero este cambio se hará sobre la instalación, puesta en marcha y desarrollo de los
primeros meses del proyecto.
Verificación de los potenciales de ahorro
Esta operación se hará repetidamente con ayuda de los simuladores de facturación, para
cada uno de los tres casos previamente expuestos.
En el caso 2, se deben hacer diferentes simulaciones considerando alternancias entre las
diferentes posibilidades.
Después de hacer este trabajo totalmente teórico, se debe proceder a llevar a cabo
pruebas controladas para comprobar la factibilidad y realidad de cada una de las medidas
que se incluyen en este caso, por ejemplo, la desconexión del equipo de aire
acondicionado después de las 18:00. Se debe verificar que ya no haya personal o en caso
de permanecer, comprobar la inercia térmica del edificio y asegurar que la temperatura se
mantenga el tiempo necesario par no causar incomodidad. Otro detalle a observar es si
conviene arrancar el aire acondicionado antes de empezar el periodo horario intermedio,
para que el posible pico de demanda impacte sobre la hora base y no la intermedia.
Con respecto a este ejemplo es posible que convenga un arranque escalonado desde las
4:00 AM, para evitar el pico de demanda. Es importante estar consciente que de todas
maneras el trabajo por extraer una unidad térmica, requiere de una cierta energía y ese es
un hecho imposible de cambiar. Lo que se está haciendo es simplemente gastar energía
barata.
El mismo ejemplo es válido para el nivel de agua en una cisterna. Conviene hacer una
prueba para verificar que es posible aguantar el periodo punta de 4 horas sin bombeo de
pozo profundo. Esta medida se puede probar durante una semana, buscando el consumo
normal o incluso un poco alto de agua para comprobación de las peores condiciones
factibles.
Estas medidas deben poder ser controladas manualmente para casos de emergencia.
En estos casos es precisamente que el control automático podrá avisar o controlar otras
cargas.
Estos deben ser casos de emergencia y no deben ocurrir en más de una ocasión o dos al
mes.
155
Los resultados de estas pruebas probarán su posibilidad de ahorro, así como el hecho de
no tener impacto sobre el proceso productivo, o en caso de tenerlo que sea mínimo. Si el
impacto es grande, la medida debe ser desechada.
Planeación para arranque de operaciones
Un punto muy importante es que con toda la información recabada se hagan las
proyecciones de amortización y los análisis financieros.
Como parte del planteamiento, se debe generar una secuencia de montaje y adquisición de
equipo para monitorear, controlar y un sistema administrativo que permita dar resultados al
minuto y no tener que esperar a que llegue la factura de energía eléctrica para comprobar
la operación.
Esta secuencia es:
1. Analizar los perfiles de costos de energía y referirlos a costos de producción y
costos de ventas.
2. Reflejar la factible reducción de costos en un análisis de materias primas, tomando
la energía como tal y obteniendo los porcentajes factibles de reducción de costos y
a su vez convertir esta reducción en un incremento equivalente de las ventas.
3. Adquisición de equipo de monitoreo y trámites necesarios para la conexión a las
salidas de pulsos del medidor de la compañía suministradora.
4. Disposición de una estación de trabajo asignada exclusivamente a llevar el
monitoreo.
5. Asignación de un responsable del equipo de medición.
6. Formación de un equipo de trabajo interdisciplinario para el análisis de los
resultados. En el arranque del proyecto (incluso antes de arrancar) estos análisis
(que se pueden hacer en forma rudimentaria 4 veces al día) tomando lecturas del
medidor, deberán hacerse prácticamente diario. El fallar en esta actividad puede
representar un error importante en el planteamiento del proyecto.
156
Impacto de las medidas en el proceso productivo
El impacto de estas medidas de administración de energía debe discutirse con un grupo
interdisciplinario de toda la planta. Inclusive este grupo puede contar también con asesores
externos.
Las medidas se deben estudiar primero de forma teórica, plantear su importancia
económica y desarrollar una serie de pruebas que permitan su operación.
Por ejemplo el caso del equipo de aire acondicionado y la cisterna.
Se deben generar protocolos de prueba capaces de comprobar toda s las situaciones
posibles y verificar las medidas con equipo de medición de temperatura, iluminación,
humedad y cualquier otro parámetro ambiental. En el caso de la cisterna se deben
considerara los niveles máximos de consumo y en el caso necesario, poder controlar
manualmente para que en caso de emergencia, se pueda actuar manualmente.
El objetivo de estas discusiones, análisis y simulaciones es dar plena confianza a la gente
del equipo de producción que las medidas no afectarán su trabajo y que son realmente
necesarias, ya que la época en que el principal objetivo era la producción ya terminó.
Actualmente el objetivo es la productividad, no la producción. La productividad incluye el
concepto de desempeño, el cual fue tratado anteriormente y relaciona producción, precios
de energéticos, tiempo de fabricación, número de rechazos y calidad con que se termina el
producto.
Actualmente se busca la productividad y el desempeño, no la producción.
• Presentar los resultados de manera que el área de dirección y el departamento de
finanzas los entienda, es decir, sin términos de ingeniería y con datos de costos y
amortizaciones.
• Ser realista con los resultados y caer en cuenta que si existe un momento adecuado para
arrancar o detener el proyecto es éste. A partir de este punto, el proyecto tendrá un costo
real y por ende, detenerlo generará pérdidas.
Generación de la ruta crítica del proyecto
El proyecto de control de demanda, de la misma forma que un proyecto de producción tiene
lo que se conoce como “ruta crítica” en su ejecución.
157
Se plantea el tiempo y la secuencia de cada evento que lo conforma, la seriación de los
mismos y los puntos críticos que pueden provocar retrasos.
La secuencia aproximada sería:
• Adquisición del equipo de monitoreo
• Trámite de conexión al equipo de la compañía suministradora (comúnmente este punto es
despreciado y provoca retrasos importantes en los proyectos)
• Elaboración de los estudios de amortización
• Instalación del equipo de monitoreo y verificación de los datos esperados antes de
operar. Este punto es muy importante, ya que dará un patrón de referencia para el “antes” y
“después” del proyecto.
• Instalación de la estación de trabajo, de la persona dedicada a su operación y del grupo
de trabajo que analizará los resultados.
• Montaje y verificación del sistema de monitoreo.
• Montaje de los sistemas de control de cargas
• Pruebas y ensayos de los equipos, los algoritmos de control y la generación de reportes.
• Operación del equipo en control manual (lazo abierto).
• Simulación de condiciones críticas para comprobar la operación correcta del control de
demanda.
• Comportamiento eléctrico esperado del sistema
• Comportamiento económico esperado del sistema
• Comportamiento de la producción con la operación del equipo.
• Resultados esperados y la
Toda esta documentación debe prepararse para el arranque del proyecto y tenerla lista
como fundamento teórico, de ingeniería y financiero.
A pesar de no haber adquirido equipo, el costo de esta etapa del proyecto puede ser alto
por la cantidad de mano de obra de ingeniería involucrada.
La documentación hace la diferencia entre un proyecto sólido y un proyecto llevado a cabo
de manera poco seria.
Presentación de objetivos y metas a cumplir
Debe plantearse un método de presentación de resultados que sea dinámico y adaptable,
que esté perfectamente definido desde antes de empezar el proyecto.
158
Presentar los resultados por medio de condensados de información puede resultar muy
apropiado. Estos condensados deben ocupar cuando más una hoja carta para el texto y
otra hoja para las gráficas.
Por último, se debe incluir una sección de “desviaciones y problemas”, ya que es importante
suponer desde el principio que no se tendrá un desarrollo libre de problemas.
Existen muchos proyectos exitosos que dan sabor a derrota, simplemente por no saber
presentar sus resultados.
Los objetivos y metas deben ser tomados con reserva y nunca esperar los mejores
posibles.
Una vez que todo esta documentación quede preparada y lista, se puede considerar el
arranque del proyecto.
Conforme se desarrolle su instalación y posteriormente su seguimiento, se tendrá que ir
documentando contra la planeación en reportes periódicos.
Como se calcula la amortización del proyecto
Existen varias opciones para el cálculo de la amortización de un proyecto de este tipo.
La más comúnmente adoptada es el análisis de inversiones a valor presente y valor futuro,
es decir, calcular por medio de una potencia el efecto repetido de la inflación mensual sobre
la inversión inicial y de ahí descontar el potencial de ahorro que no sea el ideal ni el peor
caso, sino ya el resultado de las simulaciones y pruebas llevadas a cabo.
En este procedimiento se descarta un hecho altamente importante, que es el incremento de
precio de los energéticos por encima de los niveles inflacionarios en todo el mundo.
Esta tendencia se puede analizar a lo largo de los últimos años y se podrá observar que
existe una diferencia porcentual importante entre el incremento de los costos de
energéticos contra el incremento inflacionario.
Además este incremento se va acentuando cada vez más y se observa que para mediano
plazo continuará.
A largo plazo es difícil predecirlo, pero no es creíble que esta tendencia disminuya o se
revierta.
159
Esa diferencia da un bono extra al proyecto para plantearlo como negocio, ya que
normalmente las proyecciones se hacen con porcentajes y valores de ahorro actuales, por
que es muy aventurado suponer valores de precios a futuros en energéticos.
Esa es la diferencia que los países industrializados han acumulado a lo largo de los años
contra los países en desarrollo que contamos con recursos energéticos. Ese impredecible,
pero constante incremento del valor de los energéticos se ha ido acumulando lentamente
hasta convertirse en un margen importante en el manejo de costos de fabricación en
Europa, Asia y otros países.
Esa ventaja cada vez es mayor y en muchas ocasiones nos preguntamos como
alcanzarlos, la respuesta es empezando en este momento, es no dejando pasar más
tiempo.
Si un proyecto de administración de energía no se reditúa en dos años en este lustro,
posiblemente lo haga en el siguiente, pero quien invirtió entonces ya evolucionó y
actualmente está en la siguiente generación de administración de energía.
Parece que los costos altos de energía en lugar de haber sido obstáculos para Europa y
Japón, se volvieron ventajas al haber desarrollado una disciplina de administración de
energía que los volvió más eficientes.
Parece curioso que para analizar costos el método más aconsejado es el de proyectar los
resultados a valor presente, por que en el futuro el costo de los combustibles parece
elevarse y los análisis de costos se quedan cortos.
A posteriori se ha visto que los proyectos relacionados con los energéticos se amortizan en
un tiempo siempre menor al calculado por seguir estos reglas diferentes a las de la inflación
a nivel nacional y mundial.
Posteriormente se genera una tabla, como la que se presenta y posteriormente durante la
instalación y desarrollo del proyecto se irán sustituyendo las proyecciones por las
mediciones reales.
Este historial se conserva como parte de la documentación del proyecto y permite llevar a
cabo proyecciones mas acertadas en el futuro.
Es importante notar que en la tabla se calcula cada paso con base en el anterior, para que
los ajustes se hagan mes por mes y proyecten de la manera que se había calculado.
160
El auxilio visual es también muy importante. Se presentan varios ejemplos de las tablas
comparativas y las gráficas en esta página.
Conclusiones
Las conclusiones de este artículo son sencillas, se presentan los requisitos para el correcto
planteamiento de un proyecto de administración de energía, un proyecto que no reducirá el
consumo de energía, pero si su costo al impactar directamente en la forma y el horario en
que esta es consumida.
En pocas palabras, se comprará de la manera en que resulte más barata y cuando resulte
más barata.
La relación costo por consumo total de energía (total de KWh dividido entre total del costo)
de la instalación se reducirá, es decir, es como si la compañía suministradora de energía
hubiera bajado sus precios.
Como resultado del monitoreo continuo, se establecerá un método de mejora que
desembocará en un mayor control y posteriormente los objetivos y metas a lograr por este
medio de control de demanda se podrán ir volviendo más estrictas.
Hay que recordar que este es el inicio de la administración de la energía y su evolución
podrá llegar tan lejos como se quiera.
Es importante mantener esto en la visión a largo plazo, este es realmente un proyecto de
administración de energía, no de ahorro. La administración de la energía evoluciona en
forma continua, el ahorro no.
El siguiente paso a las actividades descrita en este artículo es llevar a cabo la instalación
del equipo y la ejecución del proyecto.
Esos detalles se expondrán en el siguiente capítulo.
161
Control de la demanda máxima:Realización del proyecto
Introducción
Una vez que se tomó la decisión de comenzar el proyecto, se requiere de una
metodología completa para llevarlo a cabo.
Esta metodología incluye la manera como tomar mediciones, capacitación al personal,
como generar reportes de avance y comparar los objetivos logrados con los esperados
en el planteamiento del proyecto.
Es poco probable reportar resultados satisfactorios desde el principio, pero es factible
marcar los cambios de tendencias y comenzar con un cambio de actitud por parte de los
operarios, ingenieros, personal de mantenimiento y grupos de ingeniería.
Un punto muy importante en el momento de comenzar el proyecto es la manera como se
formará el equipo (o comité) de especialistas encargados de la administración de
energía.
El montaje y prueba del equipo de medición y control es importante y la forma de
reportar las pruebas a los mismos.
Realización del proyecto
El proyecto se lleva a cabo en una secuencia ordenada:
1. Instalación del equipo de medición. Prueba del mismo.
2. Instalación del equipo de control. Prueba del mismo y pruebas manuales de la lógica
de control.
3. Arranque piloto y documentación del mismo.
4. Reporte de resultados preliminares.
5. Correcciones sobre las rutinas de operación.
Dentro del primer punto la secuencia es:
1. Montar los equipos de medición (ya sea total o distribuida) y verificarlos localmente,
no tratar de efectuar todo, la instalación, las comunicaciones y el reporte automático
de una sola vez.
162
2. Contar con bases de datos que permitan comprobar los valores adquiridos en cada
punto de medición. Para llevar a cabo esta acción se requiere en muchas ocasiones
de equipo portátil de medición. Es natural una desviación de 1 ó 2 % sobre las
lecturas, ya que la precisión depende de medios analógicos y transformadores de
corriente que tienen imperfecciones. El único valor que debe ser exacto al 100% es
el de medición por medio de las salidas de pulsos de los medidores de la compañía
suministradora.
3. Analizar por lo menos dos o tres días de resultados, antes de validar este paso y
proceder a las pruebas de comunicaciones entre los medidores y la estación de
trabajo.
4. El siguiente punto es la comprobación de los algoritmos de registro y cálculo de
facturación en tiempo real. Se debe contar con una base de datos recabada y
comprobada con los datos adquiridos antes del arranque del proyecto.
5. Cuando se haya enlazado todo el sistema (medición, comunicación, facturación y
generación de reportes), se procede a instalar el equipo de control.
6. El equipo de control se deberá probar en vacío, es decir, sin actuar ningún control
real para estar seguro que no haya errores de comunicación entre la estación de
trabajo y los actuadores. Se corren rutinas de actuación manual desde la consola de
trabajo y se comprueba la operación sin fallas, primero con la planta en un día de
descanso y después con operación rutinaria.
7. El siguiente paso es probar los algoritmos de control de demanda en lo que se
conoce como “lazo abierto”, es decir actuando los controles en vacío y verificando
por medio de un registro que su actuación no sea excesivamente frecuente.
8. Posteriormente se lleva a cabo la acción manual de los controles bajo la indicación
del equipo automático, siempre sujeto al criterio del operador.
9. Es conveniente documentar completamente todos estos pasos. A pesar de lo
complicado que se ve, este proceso de arranque se podrá llevar a cabo en una
semana o semana y media a partir de contar con los equipos necesarios instalados
adecuadamente.
10. El último paso consiste en cerrar el lazo de control y llevar una documentación
completa sobre el proceso para obtener resultados confiables.
163
11. Como es obvio, nunca se obtendrán los resultados “perfectos” a la primera, es decir
se deben llevar a cabo correcciones.
12. Estas correcciones deben documentarse totalmente, con el objeto de poder estar
seguros de las acciones llevadas a cabo.
13. Cada paso del 10 en adelante debe llevarse a cabo con revisiones por parte del
grupo encargado del proyecto. Las revisiones para determinar que no hubo impacto
sobre la producción o que ésta es tal como se había previsto en el planteamiento del
proyecto deben ser ejecutadas periódicamente.
14. Los resultados se deben monitorear durante un mes completo para obtener las
primeras conclusiones.
15. Debe haber juntas periódicas de revisión de resultados y ajustes sobre lo que se
obtenga.
Es muy importante conservar la mentalidad que estos proyectos no reportan éxitos en un
solo día y que al involucrar diferentes personas y procesos los ajustes son frecuentes y
continuos.
Si además agregamos el cambio de condiciones de producción, se llega al concepto
básico de todos estos artículos:
LA ENERGIA NO SE AHORRA, SE ADMINISTRA, AL IGUAL QUE TODOS LOS
DEMÁS COMPONENTES DEL PROCESO PRODUCTIVO.
Este proyecto busca como principal objetivo el uso ordenado de la energía, lo cual
redunda en un mejor factor de carga y una reducción de costo de la energía eléctrica.
Utilización del método de medición por tres subintervalos continuos para medición de
demanda máxima
El uso de la medición de demanda máxima por medio de promedio deslizante de tres
subintervalos de promediación es muy conveniente para controlar la demanda máxima
medida o facturable.
164
El proceso utilizado por CFE o CLyF consiste en promediar el consumo durante
subintervalos de 5 minutos de duración y posteriormente por medio de un algoritmo de
rolado o ventana deslizante los tres subintervalos contiguos cuyo promedio sea el mayor.
Este método de medición tiene la gran ventaja de amortiguar los arranques de motores
que duran solo unos cuantos segundos y otros procesos.
Para sacarle ventaja a este método de medición se obtiene el valor máximo del
subintervalo que empieza basándose en los valores de los dos subintervalos anteriores.
Es decir:
(sub1 + sub2 + sub3)/3 = límite
de donde si conocemos el valor máximo de límite:
sub3 = límite * 3 - sub1 – sub2
O sea que con base en las dos mediciones anteriores es posible conocer el valor
máximo del subintervalo actual.
De esta manera se conoce el valor máximo al cual se puede llegar sin rebasar el objetivo
de demanda máxima.
Este método requiere que el equipo de adquisición de datos y que hará el control de la
demanda se encuentre en sincronía con el equipo de medición de la compañía
suministradora.
Para esto se utiliza una salida de contacto seco del equipo de la compañía
suministradora que se cierra por uno o dos segundos cada vez que se completa un
subintervalo de medición.
El equipo de medición de la compañía suministradora, cuenta aparte con dos salidas
también de pulsos, que indica una cierta cantidad de energía activa y reactiva
consumida, cuando la cantidad programada se completa estos contactos generan un
pulso.
165
El equipo de control de demanda debe leer estos pulsos e interpretarlos para obtener los
valores de KWh y KVArh acumulados durante los intervalos anteriores y conocer en
forma dinámica el promedio de consumo del intervalo actual.
Esta información acumulada sirve para calcular los parámetros de facturación utilizados
para el cálculo de la facturación.
Un registrador debe ser capaz de distinguir la programación de periodos horarios, días
de la semana y características exactas de la facturación.
Por eso es que los equipos de control de demanda normalmente van unidos a un
sistema de facturación en tiempo real y reporte de facturación automático.
Descripción de los dos tipos de algoritmos de control:
Limitativo y Predictivo
Una vez que se tiene la información precisa de los dos subintervalos anteriores, se
puede proyectar el valor adecuado del subintervalo actual.
Existen dos tipos de controles de demanda, el limitativo y el predictivo, siendo el
segundo más adecuado, pero a su vez, más complicado que el primero.
Dentro del control predictivo existen dos métodos, sumamente efectivos ambos.
El control limitativo consiste en simplemente marcar un tope de consumo, que al ser
rebasado, indica o comanda la desconexión de cargas de acuerdo con un plan
previamente programado de prioridades de desconexión.
Este algoritmo puede ser tan completo como se quiera en cuanto a las cargas, horarios y
métodos de desconexión.
La limitación absoluta tiene el problema de no considerar la energía de reserva, es decir,
solo considera un límite máximo.
Este límite no es adecuado para proceso que requieren de una demanda alta por
periodos cortos (por ejemplo, hornos de arco y otras funciones de ese tipo).
En cambio, los algoritmos predictivos tienen la capacidad de avisar que el proceso está
tomando una gran cantidad de energía, que si se sigue con esa tendencia, se rebasará
la demanda máxima programada y que se deben tomar acciones.
166
Los algoritmos varían en detalles de un equipo a otro, pero en general son parecidos. En
algunos casos se tiene un retraso de 60 a 90 segundos desde el comienzo del
subintervalo para comenzar a ejercer el control de demanda.
Existen dos tipos de control predictivo:
• Por bandas de tolerancia
Es más claramente explicado en las gráficas de la figura 16.1, pero lo que hace es trazar
una recta ideal y una o dos rectas de tolerancia, que al ser cruzadas generan avisos de
desconexión de cargas.
Este método es muy adecuado para el cálculo del valor exacto de las cargas a
desconectar y es muy certero en cuanto a la detección del momento adecuado para
desconectar.
En este caso se grafica la energía consumida por subintervalo contra tiempo y el valor
máximo de esta energía a la izquierda corresponde a la demanda máxima disponible
para ese subintervalo.
Figura 16.1. Control de demanda máxima por bandas de tolerancia
167
• Por tendencia (derivada)
Esta técnica consiste en tomar las dos últimas mediciones y con base en ellas, trazar
una recta y proyectarla hasta el final del subintervalo. Si esta proyección sobrepasa el
límite de demanda máxima, debe actuarse desconectando cargas, si no lo hace, no se
tienen problemas de sobrepaso.
Este método debe tomarse con cuidado, ya que es de muy rápida respuesta, pero por lo
mismo, un evento de corta duración podría provocar detecciones indebidas.
En este caso la gráfica es de demanda instantánea contra tiempo, a diferencia del primer
método que es de energía acumulada contra tiempo.
Figura 16.2. Control de demanda máxima por análisis de tendencia
Ambos métodos son capaces de calcular el monto de la carga a desconectar, las
acciones pueden ser muy variadas y depende del grado de complejidad o potencia de
decisión que se le dé al sistema.
Con los medios actuales de control por “buses” tipo “modbus” ,“super data highway” o
incluso “ethernet” es factible controlar variadores de velocidad, desconectar cargas, dar
tiempos de reconexión en diferentes puntos.
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
7000
8000
9000
10000
1 7
13
19
25
31
37
43
49
55
61
67
73
79
85Decenas de segundos
KW
168
En muchas ocasiones también se utiliza control remoto de cargas por medios
inalámbricos, ya que en los proyectos de control de demanda gran parte del costo son
los cableados de los actuadores.
Si se cuenta con un equipo de sensado de consumo conectado directamente a las
salidas de pulsos del equipo de medición de la compañía suministradora, que se
encuentre comunicado por algún "bus"”industrial de control, se puede colocar la estación
de trabajo sobre ese mismo “bus” en cualquier localidad de la planta y controlar por
medio de actuadores (PLC´s y variadores de frecuencia) en cualquier punto de la
instalación.
Este sistema se conoce como un control distribuido de demanda máxima.
Si además se incluye medición en puntos internos de la planta, se podrá efectuar un
sistema de facturación distribuida de la planta y un control con gran capacidad de
decisión de conexión y desconexión de cargas.
El grado de complejidad está ligado a las expectativas que se tengan del sistema y el
costo que se pueda amortizar del mismo.
Conclusiones
Es muy importante llegar a definir adecuadamente lo más indicado para cada caso.
La gran ventaja de basarse en PLC´s (controladores lógicos programables) o
controladores industriales interconectados a un “bus” de comunicaciones es la
flexibilidad del sistema y el hecho de poder hacerlo crecer en partes e irlo modificando
sobre la marcha.
La estación remota se basa en algún paquete de “software” de aplicación industrial que
se conecte al “bus” utilizado en la planta.
El costo de estos equipos varía ampliamente de acuerdo con los alcances y
características extras que se desea obtener de ellos.
Una posibilidad interesante que se puede conseguir es ligar este sistema de control a un
sistema de facturación distribuida y redondear todo en un sistema de análisis de
consumo de energía y control de demanda.
169
Ese sistema permitiría la administración integral de energía eléctrica y puede ser de gran
utilidad para manejo administrativo y reducción de costos de la energía eléctrica.
La gran ventaja de un sistema “abierto” como el que se propone es la de ser flexible y
poder adaptarse a las necesidades de manera rápida y sin perder su esencia.
170
171
Control de la demanda máxima:Control de demanda máxima por medio de soporte porgeneración propia de energía.
Introducción
El control de la demanda máxima es una medida poco buscada en las instalaciones
comerciales e industriales, por creer que este método de administración de energía
puede detener o por lo menos crear dificultades en la operación.
En gran parte de las instalaciones se cuenta con plantas generadoras de emergencia
para casos de interrupción de energía eléctrica.
Resulta muy atractivo el uso de estas plantas para control de demanda en periodos de
alto costo de la energía (periodo punta), pero el costo de generación de energía por
medios propios puede resultar más caros por unidad de KWh que en periodo base.
Este análisis es realizado para poder conocer realmente la conveniencia de aplicar estas
medidas.
También se calcula el número de veces que el control actuaría contra una gráfica real de
demanda de la instalación y como calcular el punto de equilibrio entre costo de
realización, puntos de calibración para la entrada de la planta generadora auxiliar y
desgaste por número de arranques al mes.
Posibilidades de reducir costos de la demanda sin sacrificar la operación de la planta
Este es el primer aspecto a tratar en el planteamiento de una solución como la que se
propone.
• Calcular es el factor de carga en el periodo punta.
• Analizar una gráfica de todo un mes y se identifiquen la magnitud de los picos de
demanda.
• Revisar la situación concerniente a la capacidad de la planta de emergencia y las
cargas que podría alimentar durante su actuación.
172
• Análisis del ahorro factible por energía y demanda contra el costo de generación por
consumo de combustible Diesel e incremento de mantenimiento de la planta de
emergencia.
• Obtención de resultados de la realización del proyecto.
Metodología de medición de energía y demanda en tarifas horarias
Como se ha cubierto anteriormente, la demanda máxima se calcula por tres
subintervalos sucesivos de cinco minutos cada uno promediados.
El costo de la energía se calcula de acuerdo con el consumo en KWh de acuerdo a sus
precios en los diferentes horarios.
En condiciones comunes el costo del KWh de horario pico es hasta res veces el valor de
la misma cantidad de energía en horario base.
Un punto que debe quedar claro es que es muy poco probable que el costo de la energía
en periodo base generada localmente en un motor Diesel sea más bajo que el generado
por la compañía suministradora.
Figura 18.1. Muestra de la tabla de análisis de costos con y sin control de
demanda.
Facturación
Con Control de demanda
Control horario 2,000 KW
Control de demanda 13,000 KW Sin Control de demanda
Costo por semana por mes Costo por semana por mes
Energía base: $ 114,751 $ 491,789 Energía base: $ 114,751 $ 491,789
Energía intermedia: $ 271,994 $ 1,165,688 Energíaintermedia: $ 262,238 $ 1,123,877
Energía punta: $ 168,215 $ 720,919 Energía punta: $ 196,796 $ 843,413
Demanda: $ 608,809 $ 608,809 Demanda: $ 687,869 $ 687,869
Total: $ 1,163,768 $ 2,987,206 Total: $ 1,261,654 $ 3,146,948
Totales Energía
KWhb KWhi KWhi ccd KWhp KWhp ccd
507994 103263 1071053 275475 235466
KWb KWi KWi ccd KWp KWp ccd
14645 14472 14407 14666 12594
KVarh FP KWf KWf ccd
517572
0.9414 14666 12981
173
Sin embargo es factible que ese no sea el caso de la energía en horario pico.
La verdadera ventaja en disminución de costo en energía viene en los estímulos
otorgados que buscan reducir la demanda en periodos punta.
Para consultar las tarifas eléctricas se recomienda acceder en internet el portal
localizado en http://www.cfe.gob.mx en la sección “conoce tu Tarifa”.
Los de talles de facturación varían de estado a estado de la República Mexicana y cada
caso es diferente. En los estados fronterizos del norte resulta más conveniente este tipo
de proyectos al ser más elevados los costos del KW de demanda máxima medida que en
el centro del país.
Análisis del perfil de demanda existente en la instalación con el objetivo de optimizar del
punto de corte y la frecuencia de control de demanda
Para analizar el perfil de demanda de la instalación, se requiere instalar equipo de
medición y obtener información detallada por lo menos un mes para poder comenzar el
análisis a fondo.
Se requiere plasmar la información en un programa de hoja de cálculo, tal como Excel,
Lotus o cualquier otra hoja de cálculo para llevar a cabo este análisis.
En la figura 18.1 se incluye una parte de una de estas hojas que se utilizó para llevar a
cabo un estudio de cálculo de demanda máxima.
Estas hojas de cálculo deben a su vez incluir la metodología de cálculo de costos de
energía eléctrica.
De esta manera se hace la comparación contra un nivel determinado de control de
demanda, se analiza cuantas veces entraría en un mes típico el generador auxiliar.
Y se puede aproximar el dato de la cantidad de energía que este generador producirá al
mes.
El costo de esta energía debe ser evaluado con cuidado, ya que se debe incluir el costo
del combustible y el costo de mantenimiento por hora.
174
Al hacer la comparación de costos con y sin generación auxiliar en periodos de rebase
de demanda máxima y calcular el costo de generación en el sistema auxiliar de soporte,
se tendrá un indicativo cercano a la realidad que permitirá el planteamiento financiero del
proyecto.
Cálculo de los valores máximos del subintervalo de medición actual con base en los dos
anteriores
Por lo cual el valor del subintervalo presente se calcula basándose en los valores de
demanda medida en los intervalos anteriores.
IP = 3 * VDM – IA – IAA
IP = Intervalo presente
VDM= Valor de demanda máxima
IA = Intervalo anterior
IAA = Intervalo previo al anterior
De esta manera es factible conocer el valor máximo a lograr en este subintervalo.
Al comenzar el intervalo presente, ya se conoce el valor máximo de demanda que puede
llegar a tener sin exceder el valor programado.
Durante el transcurso de este intervalo se ejecuta un programa de análisis que calcula la
energía disponible por utilizar y calcula si la tendencia actual de consumo rebasará el
nivel máximo programado.
Las acciones a seguir no deben efectuarse durante los primeros 30 segundos del
subintervalo, ya que aún no son suficientes los datos recabados.
Después de los primeros 30 segundos, se decide el nivel de acciones a seguir.
Normalmente se toman acciones en tres niveles:
1. Aviso
2. Acción
3. Emergencia
175
El aviso es una llamada de atención, que indica que existe la posibilidad de rebasar la
demanda programada.
La acción indica que debe operarse algún dispositivo tal como una planta de emergencia
o algún sistema de alimentación auxiliar que permita reducir la demanda en forma
rápida.
Es importante hacer resaltar el hecho que el costo del KWh generado de esta forma es
muy alto y puede ser aproximadamente del valor del que cobra la compañía
suministradora.
El ahorro real de este procedimiento está en la reducción de la demanda facturable.
Si a pesar de la utilización del generador auxiliar, la demanda no cambia su tendencia
presente, se debe pasar a la situación de aviso de emergencia.
Este aviso indica que es necesaria la desconexión de carga hasta el final del
subintervalo de medición.
En un proyecto debidamente estructurado y planteado el aviso de emergencia para
desconexión de carga, no debe llegar nunca a aparecer.
El algoritmo de análisis y decisión del momento de arranque del generador auxiliar utiliza
procedimientos de tipo “predictivo” y por “análisis de tendencias”, de tal manera que se
toman las acciones antes de terminar el tercer subintervalo de promediación.
La acción debe ser sumamente certera en su ejecución, una operación en falso
desacredita el sistema y éste pronto será controlado en forma manual y eventualmente
caerá en desuso.
Uso de algoritmos predictivos para decidir el arranque de dispositivos auxiliares de
generación
El algoritmo predictivo tiene la característica de analizar el comportamiento actual y “ver”
la posibilidad de rebasar la meta de demanda máxima.
Para entender este algoritmo es necesario primero entender como se mide la demanda
máxima.
176
A pesar de que la demanda es una unidad de potencia (KW), se mide como energía
integrada en un periodo de tiempo. En México ese periodo es de 5 minutos, la medición
de la demanda facturable se hace por medio de encontrar el valor más alto de tres
subintervalos sucesivos de medición.
El algoritmo consiste en trazar una línea que indica el consumo de energía que daría un
valor indicado como demanda máxima.
Arriba de esta línea, trazan dos líneas más, una con un valor ligeramente superior
(puede ser 5%) y otra con un valor mayor (puede ser 10%).
En el capítulo anterior se trató sobre los dos tipos de control predictivo utilizado para
control de demanda.
Las intersecciones indican los momentos de operación para las acciones de control de
demanda, ya sean de desconexión de cargas o de arranque de la planta de emergencia.
El tiempo de duración de esta acción se controla para evitar arranques y paros de tiempo
demasiado corto, normalmente se aprovecha la entrada de la planta para cubrir el
subintervalo actual y el siguiente. Estas acciones deben ser poco frecuentes, pero ser
sumamente precisas en su ejecución. Los algoritmos predicrivos, permiten una
operación certera y con un grado de error muy pequeño.
Figura 18.2. Detalle de medición de energía en el subintervalo y las rectas de
comparación para control de demanda.
Intersección con nivel 3
Intersección con nivel 2
Intersección con nivel 1
177
El algoritmo de tipo predictivo por integración de energía y con bandas de tolerancia, que
se propone aquí (con ligeras modificaciones se utilizó en industria minera) y resultó muy
certero en su operación.
En este algoritmo se deben definir los valores de las bandas de tolerancia con base en
los tiempos de actuación de las cargas a desconectar y el margen de seguridad o punto
de intersección de estas rectas al final del subintervalo se hace sobre la magnitud
objetivo de la demanda.
Uso de plantas de emergencia para reducir el pico de demanda
Cuando es detectada la posibilidad de rebasar la demanda máxima, existen dos
mecanismos a seguir:
1. Desconectar carga conectada de acuerdo con un programa de secuencias y
prioridades que puede resultar complejo.
2. Obtener energía de una fuente auxiliar, que en este caso puede ser la planta
de emergencia existente en casi todas las instalaciones eléctricas de cierto tamaño.
En algunos tipos de industria, la primera opción es requerida y puede resultar muy
conveniente, por ejemplo controlar procesos de poco impacto a la línea de producción de
la planta (bombeo de aguas y otros servicios).
Para el caso de instalaciones comerciales la segunda opción parece ser más adecuada,
ya que es imprescindible la atención al público.
Casos tales como los de tiendas departamentales, restaurantes, hoteles y en general
instalaciones de atención al público cuentan con una planta de emergencia.
Si se utiliza este recurso para controlar la demanda máxima, el costo del proyecto es de
solo el sistema de medición y análisis de tendencias y control de demanda.
Aquí debe quedar claro que este sistema solo reducirá el costo de la demanda
facturable.
El costo de la energía debe ser calculado de acuerdo a la planta de emergencia.
178
No es de sorprender que el costo de la energía generada por la planta se aproxime o
rebase el costo de la energía en periodo punta.
La disminución de costos real de esta solución viene en el abatimiento de la demanda en
periodo punta.
De acuerdo con las fórmulas de cálculo de demanda facturable, el impacto de la
disminución de ésta en periodo punta puede ser de hasta un 80% en la disminución total
del costo en este concepto.
Los datos exactos varían de región en región del país, teniendo en general mejores
resultados en la zona norte del país.
Es decir el valor facturable depende del valor de la demanda en periodo punta y la
diferencia entre demandas de intermedio y base contra el valor punta, multiplicados por
los factores de reducción intermedia y base (referirse al capítulo 21 para mayores
datos).
Control de demanda horario por acción de la planta de emergencia
Otra manera más completa aún es la de operar de forma ininterrumpida la planta de
emergencia de manera continua durante todo el periodo punta. El ahorro es mayor, ya
que también se disminuye el concepto de energía de punta y de demanda máxima
Figura 18.3. Perfil de demanda de un día completo convencional y con control de
demanda horario
0
4000
6000
10000
12000
16000
0:0
0
1:5
5
3:5
0
5:4
5
7:4
0
9:3
5
11
:30
13
:25
15
:20
17
:15
19
:10
21
:05
23
:00
Hora del día
KW KW rol
KW rol ccd
179
Consecuencias de este método de control de demanda en la operación de plantas de
emergencia
El control de demanda llevado a cabo de esta manera, tiene como todo, sus ángulos a
favor y en contra.
Resumiendo estos aspectos:
1. Controla la demanda sin interrumpir la operación de cargas.
2. Permite tomar medidas mixtas de desconexión de cargas y arranque de la
planta.
3. Aumenta el número de horas de utilización de la planta de emergencia.
4. Se debe encontrar el punto de equilibrio entre el nivel de control de demanda y
el número de arranques de la planta de emergencia por mes.
5. Se requiere instrumentar la medición del nivel de combustible en la planta y
posiblemente aumentar la capacidad de almacenamiento del tanque de
combustible.
6. Es necesario llevar un control preciso de la disminución de costo de energía
eléctrica por concepto de demanda facturable.
7. El costo asociado al mantenimiento de la planta y el incremento de consumo
de combustible deben ser evaluados cuidadosamente, para el cálculo del punto
de equilibrio.
A muy grandes rasgos, el costo de la demanda facturable es un 25 a 40 % del total del
costo de la energía eléctrica.
La reducción de la demanda facturable puede llegar a ser de un 5 a un 20% con este
método.
Obteniendo totales absolutos, el objetivo de ahorro por este método de control deberá
ser de alrededor de un 2.5% como mínimo hasta un 10%.
Los tiempos de amortización de un proyecto de este tipo deben de ser entre 4 y 12
meses. Una de las grandes ventajas a obtener será la cuantificación detallada de los
costos de energía y su desglose por los diferentes componentes que la componen.
180
Cálculos de ahorro real, tomando en cuenta el costo de operación extra de la planta de
emergencia
El ahorro real no es fácil de evaluar, ya que cada mes es diferente, pero como una
aproximación a primer nivel, se contabiliza las ocasiones que entró en operación la
planta, la disminución en kwh punta por esta razón y la disminución de la demanda en
ese periodo de facturación.
Los costos de operación de la planta o generador auxiliar deberán ser evaluados
cuidadosamente.
El costo de generación de energía en plantas de emergencia es alto, muy posiblemente
mayor que el costo de energía base o incluso intermedia; el ahorro de este tipo de
acciones se refleja en la disminución de la demanda máxima medida en periodo punta.
De los primeros periodos de facturación, se podrá decidir si conviene extender la
operación de este método de control a periodos intermedio o aún base.
Se debe recordar que la relación de desempeño contra disminución de costos varía en
estos periodos y requiere de mayor número de arranques para una disminución
económica de menor valor.
Todos estos aspectos serán evidentes cuando se lleve a cabo la revisión del desempeño
y el punto de equilibrio en la operación.
181
Control de la demanda máxima:Seguimiento de los resultados
Introducción
Una vez llevada a cabo la selección e instalación del equipo, el siguiente problema es el
documentar de manera adecuada el comportamiento de la planta y el provecho que se
obtiene de su utilización.
Una vez que se llega a este punto comienza el siguiente problema: como demostrar que
se cumplen las expectativas que se tenían y que se debe hacer para lograrlas y mejor
aún superarlas.
Una problema es proyectar la amortización del proyecto y otra diferente es ir verificando
su desempeño y corregir sobre la marcha las diferentes desviaciones que pueda tener.
Metodología para cálculos de diferenciales de costo
El cálculo de los diferenciales de costo es bastante complicado, ya que en muy pocos
casos las condiciones de producción, insumos y condiciones circundantes (incluso
climáticas) permanecerán estáticas.
Todas estas condiciones crean un entorno que afectará de forma poco predecible el
consumo de la energía eléctrica.
Por lo tanto, el cálculo de los costos de energía comparativos (con y sin el proyecto de
administración de energía se hacen difíciles).
La herramienta básica para lograr estos cálculos es basarse en índices y perfiles de
relaciones de producción a demanda, a energía y a la mayor cantidad de circunstancias
posible.
Mientras más información se pueda referenciar más completo será el estudio y mejores
bases tendrá.
182
Índices y Perfiles
Los índices y perfiles más importantes son:
• Indice de KWh/producción
• Indice de KW/producción
• Indice de KWh/retrabajo
• Perfil de KWh/producción, día por día en los últimos meses, tratando de enumerar
todos los factores externos en cada caso.
• Perfil de KW/producción, día por día, tratando de especificar todos los factores externos
en cada caso.
• Perfil de KW/retrabajo, día por día, tratando de enlistar y describir todos los factores
externos en cada caso.
Con estos indicadores, se trata de proyectar el costo de la energía sin el equipo de
control de demanda y obtener el diferencial de costos.
Para lograr esto se requiere de un programa simulador y ahora se utilizará al contrario de
cómo se ha utilizado anteriormente en la planeación, es decir, ahora lo que se haría es
analizar cuando entró el control de demanda (los registradores llevan esos datos en
memoria) y se analizaría cual hubiera sido el valor de la demanda. Los desplazamientos
de energía punta a intermedia es más fácil de analizar y se basaría en los resultados de
la comparación entre antes y después del proyecto.
Las mediciones de la energía siempre deben indexarse a los perfiles de producción y de
los factores que pueden afectar los consumos y demandas de energía eléctrica.
En pocas palabras, el mismo sistema de simulación que ese usó para calcular la
rentabilidad del proyecto, se utilizará ahora para calcular cual sería el costo de la energía
eléctrica sin el equipo de control de demanda.
Los cálculos ahora se deben hacer con el historial de antes del proyecto de control de
demanda y proyectar los resultados actuales sin controlar la demanda.
Un sistema de control de demanda debe memorizar el momento en que ejecutó el
control de las cargas, de manera que, al generar el reporte se analizan los datos
suponiendo que ese control no se ejerció.
183
Los controles de demanda horarios (temporizdores) se analizan suponiendo que las
cargas conectados a ellos se encuentran siempre encendidas y en resumen se tratan de
reproducir los efectos de encontrarse siempre conectadas.
De toda esta serie de suposiciones con bases en los historiales de consumo se puede
calcular de manera aproximada cual sería el costo de la energía sin el equipo de control
de demanda operando.
Los resultados esperados muy difícilmente se podrán obtener, pero un resultado cercano
será de gran utilidad.
184
185
La administración de la energía:Proyectos de segunda generación
Introducción
Después del primer proyecto, sigue la pregunta ¿ahora que hacer?.
Si los resultados obtenidos en el primer proyecto de administración de energía son
favorables, los pasos subsecuentes serán más sencillos.
El camino para comenzar y terminar un proyecto de este tipo nunca son iguales, algunos
surgen como oportunidades, otros como necesidades urgentes.
Lo que es un argumento importante para comenzar los siguientes proyectos es proponer
que parte de las disminuciones de costo se inviertan en nuevos proyectos, por esa razón
estos se llaman “de segunda generación”.
Este proceso ya ha pasado en algunos países desde hace varios años, al grado que
ellos se encuentran en proyectos de sexta o séptima generación.
Las primeras generaciones obtienen grandes resultados, mientras que las siguientes
generaciones son más conservadoras en cuanto a sus resultados.
Sin embargo, la experiencia adquirida en cuanto a determinación de objetivos por lograr
y las metas a cumplir para ellos permite plantear de manera más firme.
Además el aspecto de credibilidad de este tipo de proyectos es sólido y su aprobación
por parte de la gerencia es más factible que con el o los primeros proyectos.
Índice de desempeño como guía
Contar con los resultados correctamente documentados, permite presentar el índice de
desempeño que se está obteniendo.
Este índice no podrá ser incrementado de una forma indefinida por un solo proyecto, de
manera que se debe llegar a la decisión de cuando dejar de mejorar algo y hacer el
planteamiento de cambiarlo de raíz con un nuevo proyecto.
Por lo tanto, este índice, indicará cuanto ha cambiado y si su variación es
proporcionalmente alta (mayor de un 10 o 15%), es recomendable en plantear la
administración de energía de nuevo.
186
En el caso de los cambios espectaculares, es más común que terminen como fracasos
que como éxitos espectaculares. Por eso es recomendable ser conservador y cuando un
índice de desempeño rebase el 10 ó 15%, vale la pena reiniciar en 1.000 con el siguiente
proyecto.
Proyectos de segunda generación
Los dos tipos de proyecto planteados anteriormente (y otros diferentes, tales como
iluminación), tienen un tiempo de respuesta bastante predecible y de relativo corto plazo.
Estos proyectos se llevaron a cabo y empiezan a producir resultados e inclusive
utilidades.
En este momento se plantean los proyectos de segunda generación, los cuales se basan
en los resultados e inclusive invierten las utilidades de los primeros; estos proyectos ya
no son tan obvios y tan generales, son más personalizados de acuerdo a los procesos
de producción de la planta.
Uno de los puntos clave de estos proyectos es que el consumo de energía de la planta
se vuelva más ordenado, para abatir la demanda máxima.
El planteamiento de esta segunda generación, da tiempos de recuperación más largos,
pero sus alcances involucran de manera más completa a los departamentos de
producción e ingeniería.
Los primeros proyectos involucran normalmente al departamento de mantenimiento
(servicios generales), así como al departamento eléctrico.
Un proyecto que puede resultar interesante para la segunda generación es el control en
tiempo real de la demanda máxima.
Otros proyectos involucran cambios en los procesos productivos, modificaciones de las
secuencias de producción o “sincronización” de los mismos para evitar coincidencias en
los picos de demanda individuales de cada proyecto, pero sin hacerlo por medición, sino
por estados de producción.
Todo esto puede redundar en un mejor comportamiento de la instalación eléctrica.
187
En ningún momento se habla en estos proyectos de reducir la cantidad de KWh por
producto, en estos proyectos se maneja el control de la demanda máxima (como
resultado obvio de esto, es el mejoramiento del factor de carga).1
Los proyectos de segunda generación tendrán aceptación si los resultados de los
primeros fueron satisfactorios y se encuentran bien documentados.
Requerimientos para los proyectos de segunda generación
Para realizar el planteamiento de estos proyectos, se requiere de una cooperación
estrecha entre el personal de la planta.
Es muy importante conocer a fondo el comportamiento eléctrico (consumo y demanda)
de cada parte de la producción y poder generar tablas de prioridades de cargas que
pueden ser desplazadas en el tiempo y que pueden ser desconectadas por periodos
cortos debido a su “inercia”, ya sea térmica o mecánica.
Un ejemplo vivo de esto es el manejo de las bombas de pozo profundo, que pueden ser
controladas de acuerdo a la demanda, ya que la “inercia” de contar con un depósito de
suficiente tamaño permite ese manejo.
Otro caso no tan obvio es el control de los compresores, ya que su “inercia” es menor
con respecto al tiempo, pero aún así es posible controlarlo.
También se requiere de una capacidad de simulación de los efectos y resultados de
ejercer el control de tiempos.
En estos proyectos normalmente el personal de producción se opone a los cambios,
pero es importante romper el lema “producir al precio que sea” y sustituirlo por el lema
“producir a precio y calidad competitivos”.
Los proyectos de control de demanda por medición en tiempo real del perfil de energía y
por control de producción representan poner el orden en la manera de consumir la
energía (aquí el término de ahorro de energía es inoperante, ya que la cantidad de KWh
por producto no variará, solo la manera de consumirlos).
1 Factor de carga = demanda promedio / demanda máxima
188
Control de demanda máxima
Como se dijo anteriormente existen dos formas de llevar a cabo esta manera de reducir
Control de demanda máxima por monitoreo continuo de consumo en
real.
2. Control de demanda por sincronización de cargas en producción.
El primero consiste en colocar un sistema de medición que “lea” la medición de energía y
el consumo sobrepasará el valor máximo permitido de la demanda y desconecta cargas
de acuerdo con criterios de valor y horarios pre
opciones de desconexión más adecuadas. Estos sistemas cuentan con un control
predictivo, que analiza tendencia y toma acciones antes de que sea d
ha actuado y se pueda verificar su efectividad. Dado que su actuación es esporádica la
documentación debe ser muy completa para soportar desde el punto d
su recuperación.
En todos los países altamente industrializados estos sistemas operan sobre la planta
productiva para reducir costos, la actuación de ellos debe ser muy esporádica y no
ádica, se refiere a operaciones una
o dos veces al mes, para evitar coincidencias, pero de ningún modo para poner topes
operación simultánea de cargas de tamaño importante que pudieran disparar la
cargas a controlar y los tiempos a realizar el control variarán. Para el planteamiento de
este proyecto se requiere d
fuertemente involucrada.
189
Para plantear los objetivos a lograr, se requiere de una concienzuda simulación y
conocimiento de la planta completa.
El uso de ambos métodos de control es válido y se pueden usar de manera simultánea,
pero se recomienda plantearlos como proyectos independientes para poder calcular las
disminuciones de costo de cada uno por separado para cuestiones de documentación.
Reducción de energía
Otro método de reducción de costos energéticos es influir directamente en el consumo
de energía en el proceso de producción.
Esta opción requiere de optimizar el proceso de producción, esto se logra en muchos
casos al realizar importantes modificaciones de procedimientos, adquisición de
maquinaria más eficiente para la producción y en algunos casos cambios radicales en
los procesos de producción.
Estos proyectos por lo general involucran costos muy altos y los tiempos de recuperación
son largos, pero provocan la evolución de la planta.
Un cambio de este nivel involucra plantear de nuevo la planeación de producción,
análisis de costos, obras de instalación de aspecto civil, mecánico y eléctrico.
Plazos de recuperación en proyectos de segunda generación
Como se comentó anteriormente, los plazos de recuperación de la inversión en estos
proyectos pueden variar de seis a dieciocho o veinticuatro meses, pero sus resultados
son sumamente sólidos.
Cuando se tiene los resultados espectaculares de eficiencia por compañías de los países
altamente industrializados, se deben básicamente a proyectos de este tipo, de los
llamados “de segunda generación”, este nombre incluye a los de 2ª, 3ª, 4ª y demás
generaciones.
Estado actual de la administración de energía en México
En nuestro caso (México) solo unas cuantas compañías están entrando en proyectos de
segunda generación, la mayoría de las que han hecho algo de administración de energía
lo han hecho en forma desordenada, con poca o nula documentación y solo en algunos
casos se cuenta con información sólida de resultados.
190
El principal problema que padece la administración de energía en México es la falta de
orden y documentación.
Pocos lugares han desarrollado una metodología adecuada de documentación, la
mayoría de los esfuerzos se pierden habiendo tenido éxito económico y técnico.
Esto se debe principalmente a la falta de comunicación entre directivos e ingenieros.
Cada uno habla su propio idioma y no es capaz de entender al otro.
El objetivo de estos artículos es romper ese vicio presentando opciones de información
de los ingenieros hacia la dirección de la empresa.
Conclusiones
Las conclusiones de este artículo son que la administración de energía apenas comienza
en nuestro país y ha comenzado de una forma muy desordenada y poco documentada.
Es importante recordar que lo más importante de un proyecto es la documentación que
se genere y la forma en que se genere.
Las experiencias que se puedan capitalizar de esta documentación serán los resultados
reales de estos proyectos.
Los conceptos de facturación distribuida, administración no ahorro, manejo del proyecto
y otros conceptos expresados contribuyen a realmente facilitar la tarea de administración
de la energía y lo que es más importante la presentación de resultados.
El objetivo de estos primeros ocho artículos sobre administración de energía eléctrica es
romper esa falta de orden y documentación.
El enfoque dado en este material ha sido poco técnico con el objeto de ser fácilmente
legible por casi cualquier tipo de público, especialmente de tipo directivo, que no se
encuentra involucrado con las cuestiones técnicas y eléctricas.
Los artículos subsecuentes presentarán mucho mayor contenido técnico sobre estos
proyectos, enfocándose a cálculos de resultados eléctricos, más no a metodología de
presentación de resultados económicos ni a presentaciones para justificar la
amortización de la inversión.
191
La administración de la energía:Como convertir los parámetros eléctricos en costos. (Interpretación de la facturación de energía eléctrica)
Introducción
Para poder llevar a cabo la administración de la energía se requiere conocer
exactamente la manera como se genera la factura de energía eléctrica por parte de la
compañía suministradora.
Curiosamente en México tenemos que los procedimientos de facturación de energía son
sumamente complejos. Para calcular el costo de un mes de energía eléctrica en nivel
industrial (tarifa horaria), requerimos de por lo menos 7 parámetros diferentes de
facturación.
Para el cálculo de la demanda facturable se requiere conocer del valor de por lo menos
dos constantes (FRI y FRB) que varían de acuerdo a la tarifa y región.
Además de contar con una variación constante en el costo de los costos de KWh en sus
tres periodos horarios y el KW de demanda facturable.
Por otro lado, los periodos horarios cambian hasta cuatro veces sus bandas de tiempo y
dependen de la región geográfica en que se encuentre el consumidor.
En regiones como Baja California, existe además el periodo semipunta.
Todo esto hace que sea complejo el método de facturación. Como auxilio para poder
entender y simular se utilizan hojas de cálculo de programas como Excell.
Análisis de la facturación
Para analizar la facturación, primero se separa el proceso en dos partes:
1) Adquisición de los datos (constantes y precios) para la facturación.
2) Metodología de medición de la energía y la demanda.
El proceso de adquisición no es tan complejo como parece, solamente se debe seguir un
orden exacto.
Lo primero a determinar son las bandas horarias que corresponden co
correspondiente a CFE. El sitio es: http://www.cfe.gob.mx/gercom/ tarif100/tar-om.shtml.
En este sitio se debe primero localizar la tarifa en que se encuentra el usuario (OM, HM,
HS, HSL, HT ó HTL), de acuerdo con el voltaje de alimentación y su demanda
contratada.
Para:
1,000 V a 34,500 V con menos de 100 KW de demanda: Tarifa OM (media tensión)
1,000 V a 34,500 V con más de 100 KW de demanda: Tarifa HM (media tensión)
35,000 V a 120,000: Tarifa HS o bajo solicitud expresa del usuario: Tarifa HSL (alta
tensión nivel subtransmisión)
Más de 120,000: Tarifa HT o bajo solicitud expresa del usuario: Tarifa HTL (alta tensión
nivel transmisión)
Después de localizar la tarifa, se selecciona el cuadro correspondiente y se especifica la
tarifa que se desea.
En ese punto se explica la facturación y se dan los detalles técnicos sobre las bandas
horarias, los cambios estacionales (cambios con el calendario, dos o cuatro veces por
año), los valore de las constantes FRI (factor de reducción intermedio), FRB (factor de
reducción base), costos de KWh (base intermedio y punta) y costo del KW de demanda
facturable.
La metodología de medición es sencilla, pero cuenta con algunos puntos finos que
deben aclararse:
Los equipos medidores (más bien registradores), contabilizan la energía cada 5 minutos,
con esta medición, se acumula la energía en el periodo correspondiente (base,
intermedio o punta).
Además esta medición de energía, multiplicada por 12, indica el promedio de demanda
de ese intervalo. Se corre un promedio entre las tres mediciones contiguas desde el
193
principio del mes hasta el final y se encuentra el promedio más alto para cada periodo.
Este es le valor de demanda máxima asignada a base, intermedio y punta.
Este sistema de medición se conoce como medición de promedio deslizante o de
demanda rolada.
Los valores obtenidos de energía acumulada a lo largo del periodo de medición
(típicamente un mes) permiten calcular la facturación de acuerdo con las fórmulas y
constantes obtenidas en la página de Internet de CFE.
Razones por las cuales la facturación está estructurada de la manera actual
Es muy importante entender ante todo lo que se persigue con la metodología de
facturación que se tiene.
Los diferentes costos de energía por horario corresponden con la demanda que a nivel
nacional se tiene, en el periodo base, la subutilización de la planta productora de energía
es importante y se busca que parte de la energía que se consume en otros periodos se
consuma en este. Procesos como llenado de cisternas, almacenamiento de agua en
tanques elevados y otros procesos que se puedan hacer a esa hora a menor costo que a
cualquier otro periodo.
El procedimiento para hacerlo es sencillo, que el KWh sea barato y convenga hacerlo.
El costo del KWh intermedio es el costo “real” de producción, es decir, corresponde al
costo de producción bajo condiciones normales. El costo del KWh es cercano al de base,
aunque un poco más alto (alrededor de un 15 a 20%).
El costo del KWh de punta es muy alto, ya que es cuando se presentan las condiciones
críticas de demanda en nivel nacional. En este horario, es común que tengan que
operarse plantas de generación de “emergencia” y sus costos de operación y
amortización son sumamente altos.
En este periodo es cuando se pueden presentar emergencias que requieren utilizar las
tarifas I15 e I30 de los grandes consumidores nacionales (solo en Tarifas HS, HSL, HT y
HTL).
La generación de energía en este periodo es crítica y cara. La manera de desalentar a
los usuarios a consumirla es subir el precio, el cual puede ser hasta 4 a 5 veces el del
KWh de base.
194
Figura 21.1. Ejemplo de facturación de energía eléctrica del mes de Diciembre 2000
para tarifa HS, zona NE.
Costos (Diciembre 2000, zona NE) tarifa HS
Precio KWh base $0.31640Precio KWh intermedio $0.37170Precio KWh punta $1.41550
Precio KW facturable $43.81000
Mediciones (ejemplo)
Datos adquiridos:
KWh base 1,676,126KWh intermedio 1,124,053KWh punta 768,577Total energía: 3,568,756
KW base 9,578KW intermedio 11,241KW punta 12,810
KW facturables 12,810
KVArh 1,427,502Factor de potencia 0.928476717
Cálculo de facturación:
Costo KWh base $530,326.16Costo KWh intermedio $417,810.57Costo KWh punta $1,087,920.52Total energía: $2,036,057.26
Costo demanda $561,189.19
Cargo/bonificación por fp -$15,611.65
Total sin IVA $2,581,634.79IVA $387,245.22TOTAL $2,968,880.01
195
Estos puntos son relativos al valor del precio del KWh de base, intermedio y punta.
Con respecto a las demandas de los mismo periodos se busca reducir lo más posible la
demanda de punta, por lo cual se premiará al usuario que tenga un valor de demanda
máxima de intermedio y base mayor que el de punta.
Los descuentos por estas diferencias son controlados por los valores de los factores FRI
y FRB.
Nuevamente, el objetivo de esta medida es estimular al usuario a reducir su demanda
máxima en el periodo crítico de punta.
El cobro por bajo factor de potencia ya fue explicado en un artículo anterior, pero
corresponde a una subutilización de los transformadores, un exceso de corriente
circulante en las líneas de transmisión, posibilidad de sobrecarga de las protecciones y
otros problemas generados por el exceso de corriente circulante debido a un bajo factor
de potencia.
Una vez que se entienden las razones por las cuales la facturación tiene la estructura
actual, será más fácil tomar acciones para “sacarle provecho” y reducir los costos de la
energía eléctrica.
Estas acciones están dirigidas a reducir costos, es decir “comprar” la energía eléctrica
cuando o como sea más barata, no a reducir ni el consumo.
Comparación de costos por día
La facturación del mes puede ser observada en la figura 21.1, la cual es proporcionada
por la compañía suministradora.
Esta “factura” también puede ser elaborada dentro de la planta por el sistema de análisis
de costos.
Lo más interesante es poder elaborar esta misma factura por día, tal como lo expresa la
figura 21.2. Hay que recordar que el costo de la demanda no es acumulativo, el de la
energía, sí. La demanda se selecciona solo la mayor del mes.
196
Llevar a cabo el ejercicio de conocer el costo diario de la energía permite conocer a
fondo el comportamiento de la planta y la obtención de costos de producción por
unidades y por días independientes.
Precisamente este es el concepto de evaluación que hace la diferencia del ahorro y la
administración de la energía eléctrica.
En el ahorro de energía este tipo de cálculos nunca son llevados a cabo, mientras que
en la administración de la energía debe ser un trabajo de todos y cada uno de los días.
La comprensión de cómo y cuanta energía es consumida durante el mes permitirá
manejar los costos de energía por mes, obtener los costos de la misma por unidad de
producción.
En la tabla de la figura 21.2 se comparan los costos en dos tarifas diferentes (HM y HS).
La tarifa HM es nivel media tensión (menos de 34.5 KV y la HS es más de 35KV y menos
de 220 KV.
Como es obvio, el costo de una subestación de media tensión es mucho menor que uno
de nivel subtransmisión, pero la diferencia en costos de energía permite amortizar el
cambio de nivel HM a HS en ciertas ocasiones.
Para este cálculo de amortización por cambio de nivel de voltaje de entrada debe
hacerse un estudio comparativo y calcular las diferenciales de costo en ambos casos.
La siguiente tarifa HT, es a voltajes mayores de 220 KV y no es común que esté
disponible.
Con respecto a las demandas de los mismo periodos se busca reducir lo más posible la
demanda de punta, por lo cual se premiará al usuario que tenga un valor de demanda
máxima de intermedio y base mayor que el de punta.
de consumo que presenta la instalación, pero podría reportar ahorros sustanciales sobre
la Tarifa HS. Sus condiciones eléctricas son iguales y solo se requiere de solicitar el
cambio de contrato.
Las tarifas tipo “L”, tanto HSL y HTL están diseñadas para favorecer el control de
demanda en periodos punta y no se recomienda cambiar a ellas si no se cuenta con un
verdadero plan de administración de energía.
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Figura 21.2. Cálculo de costos de energía eléctrica por día
Analizador de facturación de energía eléctrica
Fecha = 30-Dic-2000
Hora KWh KVArh KW (rolada)
. . . .
. . . .15:00 146 50 1,74615:05 149 48 1,79515:10 134 49 1,71615:15 142 52 1,73815:20 148 45 1,74415:25 150 51 1,761
. . . .
. . . .
. . . .
Tarifa = HM Tarifa HS
Costo KWh base = $0.32 Costo KWh base = $0.32
Costo KWh intermedio = $0.39 Costo KWh intermedio = $0.37Costo KWh punta = $1.20 Costo KWh punta = $1.42Costo KW facturable = $63.40 Costo KW facturable = $43.81Factor de potencia = 0.9112 Factor de potencia = 0.9112
Datos acumulados del día:
KWh base = 8,640KWh intermedio = 19,008KWh punta = 6,336
KW base = 15,126KW intermedio = 17,920KW punta = 18,830
KVARh = 14,477
Tarifa HM Tarifa HS
Costo de energía = $ 119,106 Costo de energía = $125,721 Costo de demanda = $1,193,822 Costo de demanda = $824,942 Bonificación = $ 647 Bonificación = $ 683 Total = $1,313,575 Total = $ 951,346
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Metodología para reducir costos de energía eléctrica por medio de cambio de tarifa o de
cambios en el procedimiento de producción
El procedimiento necesario para reducir el costo de energía por medio de la facturación
es:
1. Comprobar que la energía y demanda correspondan a mediciones reales.
2. Una vez que se haya verificado que la medición de energía es correcta, se
deberá comprobar el reloj del equipo de medición. En muchas ocasiones tiene
desplazamientos de hasta 15 minutos sobre la hora astronómica.
3. Con los datos acumulados de energía y demanda, correr simulaciones de
costos con las tarifas posibles en las cuales se puede operar. Se podrán
obtener costos alternativos sin modificar para nada la operación de la planta.
4. Con los datos recabados, hacer pequeñas variaciones de desplazamiento de
energía de punta a base o intermedia, además ejercer un control de demanda
aunque sea horario sobre el periodo punta (por medio de relojes impedir la
operación de determinadas cargas en periodo punta).
5. Calcular las diferencias de costo entre las diferentes opciones de las tarifas.
6. Decidir entre la opción más viable y tomar datos durante todo el mes,
simulando diario la tarifa alternativa, para estar seguro que no es solo
coincidencia de un solo día la factibilidad de ahorro.
7. Verificar con la compañía suministradora las condiciones en que el cambio de
tarifa o de contrato se llevará a cabo.
8. En el caso de buscar la disminución de costo por modificación del proceso de
producción, se recomienda llevar a cabo los cambios y posteriormente
monitorear de manera continua, para asegurar que las acciones realmente den
el resultado esperado.
9. Para llevar a cabo este monitoreo se requiere de un analizador de redes
portátil o de un equipo registrador de parámetros eléctricos fijo, de tipo de
tablero.
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Uso de los simuladores de facturación
Los simuladores de facturación son herramientas que permiten analizar las diferentes
opciones de tarifas, modificaciones de procedimientos de operación y decisiones con
respecto a los costos de energía eléctrica.
Los datos pueden alimentarse de diferentes formas, desde los datos adquiridos cada
cinco minutos hasta por medio de los parámetros de facturación de energía y demanda
de base, intermedio y punta.
Estas herramientas se hacen en hoja de cálculo, tipo Excell o equivalentes.
Existen algunas de estas herramientas con capacidad gráfica que permiten observar de
una manera rápida las consecuencias de controlar demanda, referirlas a costos de
energía y demanda.
Incluso en el caso de tener que cambiar de bandas horarias al estudiar cambios de tarifa
de HM a HS, por ejemplo, estas herramientas son capaces de llevar a cabo los cálculos
y presentarlo de acuerdo a parámetros económicos.
Resultados económicos proyectados por medio de los simuladores de facturación
Los resultados económicos proyectados por estos simuladores son la base para las
decisiones tales como cambio de tarifa HM a HS o HSL, cambio de tarifa HS a HSL,
modificación de procedimientos de producción o instalación de equipos para control de
demanda máxima.
De la misma forma el uso de tarifas I15 e I30, tarifas interrumpibles (solo válidas para
tarifas HS, HSL, HT y HTL con más de 20 MW de demanda contratada), debe ser
estudiado con cuidado. Estas tarifas dan descuentos importantes con la obligación de
disminuir la demanda hasta una vez al mes no más de diez veces al año.
La simulación permite tener certeza en los objetivos planteados, la posibilidad de cumplir
las metas en los tiempos y estar seguro de los compromisos a los que se puede llegar.
Además permite revisar, en el caso de los proyectos ya realizados, el desempeño que se
está logrando y además la capacidad de modificaciones para mejorar las posibilidades
de optimización en la administración de la energía eléctrica.
200
En pocas palabras, las diferencias entre un proyecto de ahorro de energía y uno de
administración de energía consisten en la planeación y el análisis que se realiza en gran
parte en estas herramientas.
Conclusiones
Las conclusiones de este artículo son sencillas: ante el problema de la complejidad de
facturación, se tiene una solución, el uso de los simuladores de facturación.
La simulación es la herramienta más poderosa para la planeación en el caso de los
proyectos de administración de energía, es más, esta es la diferencia básica con los
proyectos de ahorro de energía.
201
Bibliografía
1) Análisis de sistemas eléctricos de potencia,
Stevenson, William D, McGraw Hill, México 1970
2) Pérdidas adicionales en los conductores de grandes intensidades por los
efectos pelicular y de proximidad
Duchuzaux,A..Cuaderno técnico n 83, Schneider Electric,1997
3) Fundamentos de máquinas eléctricas
Cogdell, John R., Prentice Hall, 1999
4) Modern Power Electronics and AC Drives
Bimal K. Bose, Prentice Hall, 2002
5) Sitio de Internet de CFE (Comisión Federal de Electricidad)
http://www.cfe.gob.mx
6) Sitio de Internet de CONAE (Comisión Nacional para el Ahorro de Energía)
http://www.conae.gob.mx
7) Curso: Ahorro de Energía, Pérdidas Eléctricas y Tarifas Eléctricas
Hernández Sáenz, José Federico
Calderón Girón, Luis Rodolfo
Curso impartido por INININ SA de CV. Diciembre 1995