EVALUACIÓN DE EFICIENCIA ENERGÉTICA EN UN
CONJUNTO RESIDENCIAL CON LA ENTRADA MASIVA
DE VEHÍCULOS ELÉCTRICOS
SANDRA MILENA ARIAS ZORRO
EDWIN GERMÁN SUÁREZ FERRO
UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS FACULTAD DE INGENIERÍA
PROYECTO CURRICULAR INGENIERÍA ELÉCTRICA GRUPO DE COMPATIBILIDAD E INTERFERENCIA ELECTROMAGNÉTICA
(GCEM) BOGOTÁ D.C.
2016
EVALUACIÓN DE EFICIENCIA ENERGÉTICA EN UN
CONJUNTO RESIDENCIAL CON LA ENTRADA MASIVA
DE VEHÍCULOS ELÉCTRICOS
SANDRA MILENA ARIAS ZORRO EDWIN GERMÁN SUÁREZ FERRO
Trabajo de grado presentado como requisito para optar al título de: INGENIERO ELÉCTRICO
DIRECTOR: Francisco Santamaria Piedrahita I.E., M.Sc, Ph.D
Línea de Investigación: Vehículos Eléctricos
Grupo de Investigación:
Grupo de Compatibilidad e Interferencia Electromagnética (GCEM-UD)
UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS FACULTAD DE INGENIERÍA
PROYECTO CURRICULAR INGENIERÍA ELÉCTRICA BOGOTÁ D.C.
2016
DEDICATORIAS
A Dios principalmente por brindarnos la oportunidad de cumplir esta
meta y culminar nuestra etapa académica. A nuestros padres por
su apoyo incondicional en todo el proceso, por su amor y consejos
y por brindarnos siempre una palabra de aliento. A nuestros
hermanos por su comprensión y compañía en este camino y demás
personas que hicieron parte de este sueño.
“Mira que te mando que te esfuerces y seas valiente;
no temas ni desmayes, porque Jehová tu Dios estará
contigo en dondequiera que vayas.” Josué 1:9
AGRADECIMIENTOS
A nuestro director, el ingeniero Francisco Santamaría por poner a
disposición de este proyecto su tiempo y conocimientos,
guiándonos y enseñándonos con excelencia en todo el proceso. A
los demás profesores que nos brindaron sus conocimientos en cada
una de las asignaturas de la carrera.
RESUMEN
El proyecto contemplado realiza un estudio en el marco de eficiencia energética, a
través de indicadores que permiten analizar su comportamiento. Para realizar la
selección de los indicadores, se lleva a cabo un procedimiento que permite
identificar cuáles de ellos generan más impacto frente al consumo de energía
eléctrica, incremento en costos y emisiones de gases contaminantes, al hacer el
análisis en el sector residencial.
A continuación, se establece un caso de estudio identificando el estado actual de
un conjunto residencial, y estableciendo escenarios de entrada de vehículos
eléctricos e incluyendo un modelo probabilístico para el porcentaje de carga de las
baterías.
Tras este proceso, se identifican los problemas presentes en el conjunto residencial
a partir de la evaluación de los indicadores, y se procede a elaborar un plan de
acción en función del aumento de la eficiencia energética.
ACRÓNIMOS Y SIGLAS
Abreviatura Término
AEMA Agencia Europea de Medio Ambiente
CO2 Dióxido de carbono
EE Eficiencia Energética
FNCE Fuentes no convencionales de energía
GEI Gases de efecto invernadero
ICLEI Local Governments for Sustainability
IDAE Instituto para la Diversificación y Ahorro de la Energía
IEA International Energy Agency (Agencia Internacional de Energía)
IEC Comisión Electrotécnica Internacional
IE International Efficiency (Para motores de corriente alterna y baja
potencia)
IE2 Eficiencia Alta
IE3 Eficiencia Premium
MMA Ministerio de Medio Ambiente Español
OECD Organisation for Economic Co-operation and Development
PROURE Programa de Uso Racional y Eficiente de la Energía
RETIE Reglamento Técnico de Instalaciones Eléctricas
RETIQ Reglamento Técnico de Etiquetado
URE Uso Racional de la Energía
VE Vehículos Eléctricos
CONTENIDO
CAPITULO 1 _____________________________________________________ 1
INTRODUCCIÓN __________________________________________________ 1
1.1 Objetivos ______________________________________________________________ 4
Objetivo general ________________________________________________________ 4
Objetivos específicos _____________________________________________________ 4
1.2 Estructura del trabajo de grado _____________________________________________ 4
CAPITULO 2 _____________________________________________________ 5
EFICIENCIA ENERGÉTICA E INDICADORES ___________________________ 5
2.1 Eficiencia energética _____________________________________________________ 5
2.2 Indicadores de eficiencia energética _________________________________________ 7
Indicadores ambientales __________________________________________________ 8
Indicadores Económicos __________________________________________________ 9
Indicadores Técnicos _____________________________________________________ 9
2.3 Selección de indicadores _________________________________________________ 10
Criterios de selección considerados ________________________________________ 11
Condiciones para la selección de los indicadores _____________________________ 12
Análisis y selección _____________________________________________________ 13
2.4 Formulación de indicadores de eficiencia energética ___________________________ 18
Formulación indicadores eje técnico ________________________________________ 19
Formulación indicadores eje ambiental ______________________________________ 20
Formulación indicadores eje económico _____________________________________ 22
2.5 Conclusiones del capítulo ________________________________________________ 23
CAPITULO 3 ____________________________________________________ 25
CASO DE ESTUDIO Y ESCENARIOS DE ENTRADA DE VE ______________ 25
3.1 Caso de estudio ________________________________________________________ 25
Datos conjunto residencial _______________________________________________ 25
Protocolo de mediciones _________________________________________________ 25
Síntesis de la información ________________________________________________ 27
3.2 Vehículos eléctricos _____________________________________________________ 32
Recarga del VE ________________________________________________________ 32
Descripción del modelo de VE ____________________________________________ 33
3.3 Escenarios de entrada de Vehículos Eléctricos _______________________________ 35
Modelo probabilístico para la demanda del VE _______________________________ 35
Recarga de las baterías _________________________________________________ 39
Resultados del modelo implementado ______________________________________ 41
3.4 Conclusiones del capítulo ________________________________________________ 45
CAPITULO 4 ____________________________________________________ 47
EVALUACIÓN DE LA EFICIENCIA ENERGÉTICA ______________________ 47
4.1 Descripción del procedimiento ____________________________________________ 47
4.2 Evaluación de la eficiencia energética para el eje técnico _______________________ 48
Indicador ECU _________________________________________________________ 48
Indicador ECAT ________________________________________________________ 49
Indicador CEPVE ______________________________________________________ 50
4.3 Evaluación de eficiencia energética para el eje ambiental _______________________ 51
Indicador ECOU _______________________________________________________ 51
Indicador DEVE ________________________________________________________ 52
4.4 Evaluación de la eficiencia energética para el eje económico ____________________ 55
Indicador CEAT ________________________________________________________ 55
Reducción de costos en gasolina por el cambio de vehículo convencional a VE. _____ 56
4.5 Conclusión del capítulo __________________________________________________ 58
CAPITULO 5 ____________________________________________________ 60
PLAN DE MEJORA DE LA EFICIENCIA ENERGÉTICA __________________ 60
5.1 Planes de mejora ______________________________________________________ 60
Programas de concientización y buenas prácticas para el ahorro de energía ________ 63
Sustitución tecnológica __________________________________________________ 65
5.2 Ejecución de planes de mejora ____________________________________________ 66
Procedimiento _________________________________________________________ 69
Caso 1: Para un usuario que sustituya la lavadora, la nevera, ducha eléctrica y 80% de
luminarias por iluminación led. ____________________________________________________ 71
5.3 Evaluación de la eficiencia energética implementando planes de mejora ___________ 77
Evaluación eje técnico con planes de mejora _________________________________ 77
Evaluación eje ambiental con planes de mejora _______________________________ 79
Evaluación eje económico con planes de mejora ______________________________ 80
5.4 Conclusiones del capítulo ________________________________________________ 80
CONCLUSIONES ________________________________________________ 83
REFERENCIAS __________________________________________________ 85
ANEXO A ________________________________________________________ I
CARACTERÍSTICAS TÉCNICAS PQA 824 _____________________________ I
ANEXO B _______________________________________________________ III
RESULTADOS DE INDICADORES CON PLANES DE MEJORA ___________ III
ANEXO C ________________________________________________________ V
EVENTO _________________________________________________________ V
PUBLICACIÓN ____________________________________________________ V
ANEXO D _______________________________________________________ VI
TRABAJOS FUTUROS ____________________________________________ VI
~ I ~
ÍNDICE DE TABLAS
TABLA 2-1 ANÁLISIS PARA SELECCIÓN INDICADORES EJE TÉCNICO __________________________________________ 14
TABLA 2-2 ANÁLISIS PARA SELECCIÓN INDICADORES EJE AMBIENTAL ________________________________________ 16
TABLA 2-3 ANÁLISIS PARA SELECCIÓN INDICADORES EJE ECONÓMICO ________________________________________ 18
TABLA 2-4 DOCUMENTACIÓN INDICADORES. ADAPTADA DE [35] __________________________________________ 19
TABLA 2-5 FICHA INDICADOR ENERGÍA CONSUMIDA POR USUARIO _________________________________________ 19
TABLA 2-6 FICHA INDICADOR ENERGÍA CONSUMIDA POR PORCENTAJE DE ENTRADA DE VE _________________________ 20
TABLA 2-7 FICHA INDICADOR ENERGÍA CONSUMIDA POR ÁREA TOTAL _______________________________________ 20
TABLA 2-8 FACTOR DE EMISIÓN [30, 38, 39] _______________________________________________________ 21
TABLA 2-9 FICHA INDICADOR EMISIONES DE CO2 POR USUARIO ___________________________________________ 21
TABLA 2-10 FICHA INDICADOR DISMINUCIÓN DE CO2 POR PORCENTAJE DE ENTRADA DE VE. ________________________ 22
TABLA 2-11 FICHA INDICADOR COSTOS DE ENERGÍA POR ÁREA TOTAL. _______________________________________ 22
TABLA 3-1 PASOS PARA DETERMINAR EL CASO BASE POR USUARIO. _________________________________________ 28
TABLA 3-2 PASOS PARA DETERMINAR EL CONSUMO DE LAS ZONAS COMUNES.__________________________________ 30
TABLA 3-3 POTENCIA PROMEDIO ZONAS COMUNES POR FRANJAS HORARIAS. __________________________________ 30
TABLA 3-4 NIVELES DE RECARGA DE VE. ADAPTADA DE [43]. ____________________________________________ 33
TABLA 3-5 CARACTERÍSTICAS VEHÍCULO ELÉCTRICO I-MIEV MITSUBISHI. TOMADA DE [43, 52] _____________________ 34
TABLA 3-6 PARÁMETROS DE LA BATERÍA DEL VEHÍCULO ELÉCTRICO I-MIEV DE MITSUBISHI. ADAPTADA DE [42, 50] _______ 35
TABLA 4-1 RESULTADOS INDICADOR ECU __________________________________________________________ 48
TABLA 4-2 RESULTADOS INDICADOR ECAT _________________________________________________________ 49
TABLA 4-3 RESULTADOS INDICADOR CEPVE ________________________________________________________ 50
TABLA 4-4 RESULTADOS INDICADOR ECOU ________________________________________________________ 51
TABLA 4-5 RESULTADOS EMISIONES DE CO2 DE VEHÍCULOS CONVENCIONALES Y DE RECARGA DE VE, PARA CADA ESCENARIO __ 54
TABLA 4-6 RESULTADOS INDICADOR DEVE _________________________________________________________ 54
TABLA 4-7 RESULTADOS INDICADOR CEAT _________________________________________________________ 55
TABLA 4-8 COSTOS EN GASOLINA POR VEHÍCULO CONVENCIONAL EN CADA ESCENARIO ____________________________ 56
TABLA 4-9 COSTOS POR RECARGA DE CADA VE ______________________________________________________ 57
TABLA 4-10 AHORRO EN COMPRA DE COMBUSTIBLE POR CADA PORCENTAJE DE ENTRADA DE VE. ____________________ 57
TABLA 4-11 TIEMPO DE RETORNO DE LA INVERSIÓN SI SE REALIZA CAMBIO DE VEHÍCULO. __________________________ 58
TABLA 5-1 ELECTRODOMÉSTICOS SUSTITUCIÓN TECNOLÓGICA ____________________________________________ 69
TABLA 5-2 RESUMEN RESULTADOS DE PLANES DE MEJORA PARA CASO 1 _____________________________________ 74
TABLA 5-3 RESUMEN RESULTADOS DE LOS CASOS 2 AL 5 ________________________________________________ 76
~ II ~
ÍNDICE DE FIGURAS
FIGURA 2-1 ALGUNAS VENTAJAS DE LA EFICIENCIA ENERGÉTICA. ADAPTADA DE [27] _______________________________ 7
FIGURA 2-2 CARACTERÍSTICAS DE UN INDICADOR PARA QUE SEA EFICIENTE Y CONFIABLE. ADAPTADA DE [30] ______________ 8
FIGURA 2-3 INDICADORES PRESELECCIONADOS. _______________________________________________________ 10
FIGURA 2-4 CRITERIOS BÁSICOS PARA LA SELECCIÓN DE INDICADORES ________________________________________ 11
FIGURA 2-5 CRITERIOS PROPIOS DE SELECCIÓN DE INDICADORES ____________________________________________ 12
FIGURA 2-6 ESTRUCTURA PROPUESTA PARA SELECCIÓN DE INDICADORES POR MEDIO DE LOS CRITERIOS BÁSICOS Y PROPIOS. ___ 12
FIGURA 2-7 DIAGRAMA DE FLUJO PARA SELECCIÓN DE INDICADORES _________________________________________ 13
FIGURA 2-8 INDICADORES SELECCIONADOS PARA EL EJE TÉCNICO. ___________________________________________ 15
FIGURA 2-9 INDICADORES SELECCIONADOS PARA EL EJE AMBIENTAL. _________________________________________ 17
FIGURA 2-10 INDICADORES SELECCIONADOS _________________________________________________________ 18
FIGURA 3-1 CONFIGURACIÓN ANALIZADOR DE RED PQA824, PARA MODO MONOFÁSICO Y MODO TRIFÁSICO. ____________ 26
FIGURA 3-2 CURVA DEL CASO BASE POR USUARIO _____________________________________________________ 28
FIGURA 3-3 RESUMEN DEL PROCESO PARA DETERMINAR EL CASO BASE DEL CONJUNTO ____________________________ 31
FIGURA 3-4 CASO BASE DEL CONJUNTO RESIDENCIAL ___________________________________________________ 31
FIGURA 3-5 FACTORES NECESARIOS PARA LA GENERACIÓN DEL MODELO PROBABILÍSTICO PARA LA DEMANDA DEL VE [50]. ____ 36
FIGURA 3-6 MODELO PROBABILÍSTICO PARA LA DEMANDA DEL VE, ADAPTADA DE [42] ____________________________ 37
FIGURA 3-7 DISTRIBUCIÓN HORARIA DE LOS VIAJES DE REGRESO A CASA PARA LOS VEHÍCULOS PARTICULARES, TOMADA DE [42,
56]. _______________________________________________________________________________ 38
FIGURA 3-8 EJEMPLOS DE CURVAS DE CARGA PARA CADA PORCENTAJE DE ENTRADA DE VE AL CONJUNTO RESIDENCIAL. ______ 38
FIGURA 3-9 CURVA DE CONSUMO DE POTENCIA, CON UNA DESCARGA DEL 85% Y UNA VELOCIDAD DE CARGA DE 0.2C _______ 40
FIGURA 3-10 CURVAS DE POTENCIA DE LAS 100 SIMULACIONES PARA EL 30% DE ENTRADA DE VE ____________________ 41
FIGURA 3-11 DISPERSIÓN DE DATOS DE LA ENERGÍA A PARTIR DE LAS SIMULACIONES Y ENERGÍA PROMEDIO. ______________ 42
FIGURA 3-12 CURVAS DE POTENCIA DE LAS 100 SIMULACIONES PARA EL 50% DE ENTRADA DE VE ____________________ 43
FIGURA 3-13 DISPERSIÓN DE DATOS DE LA ENERGÍA A PARTIR DE LAS SIMULACIONES Y ENERGÍA PROMEDIO. ______________ 43
FIGURA 3-14 CURVAS DE POTENCIA DE LAS 100 SIMULACIONES PARA EL 70% DE ENTRADA DE VE ____________________ 44
FIGURA 3-15 DISPERSIÓN DE DATOS DE LA ENERGÍA A PARTIR DE LAS SIMULACIONES Y ENERGÍA PROMEDIO. ______________ 44
FIGURA 4-1 PROCESO EVALUACIÓN DE INDICADORES ___________________________________________________ 47
FIGURA 4-2 RESULTADOS GRÁFICOS INDICADOR ECU ___________________________________________________ 48
FIGURA 4-3 RESULTADOS GRÁFICOS INDICADOR ECAT __________________________________________________ 49
FIGURA 4-4 RESULTADOS GRÁFICOS INDICADOR CEPVE _________________________________________________ 50
FIGURA 4-5 RESULTADOS GRÁFICOS INDICADOR ECOU _________________________________________________ 51
FIGURA 4-6 MARCAS Y MODELOS MÁS VENDIDOS EN COLOMBIA [62] _______________________________________ 52
FIGURA 4-7 RESULTADOS GRÁFICOS INDICADOR DEVE __________________________________________________ 54
~ III ~
FIGURA 4-8 RESULTADOS GRÁFICOS INDICADOR CEAT, EN MILES DE PESOS Y MILLONES DE PESOS, RESPECTIVAMENTE. ______ 55
FIGURA 5-1 ESCALA DE ETIQUETADO ENERGÉTICO, ADAPTADA DE [68, 70]. ___________________________________ 61
FIGURA 5-2 BUENAS PRÁCTICAS PARA EL AHORRO DE ENERGÍA [67, 73] _____________________________________ 64
FIGURA 5-3 ETIQUETA DE EQUIPOS Y ELECTRODOMÉSTICOS, TOMADA DE [70]. _________________________________ 65
FIGURA 5-4 ELECTRODOMÉSTICOS MÁS COMUNES, DETERMINADOS POR LAS ENCUESTAS __________________________ 67
FIGURA 5-5 ETIQUETA EE PARA CAMBIO DE LAVADORA _________________________________________________ 68
FIGURA 5-6 ETIQUETA DE EE PARA CAMBIO DE NEVERA ________________________________________________ 69
FIGURA 5-7 CONSUMO DE ENERGÍA DEBIDO A CARGAS RESIDENCIALES CON SUSTITUCIÓN DE ELECTRODOMÉSTICOS _________ 72
FIGURA 5-8 ELECTRODOMÉSTICOS QUE NO SON SUSTITUIDOS Y SU CONSUMO DE ENERGÍA _________________________ 73
FIGURA 5-9 RESULTADOS INDICADOR ECU CON PLANES DE MEJORA. ________________________________________ 78
FIGURA 5-10 RESULTADOS INDICADOR ECAT _______________________________________________________ 78
FIGURA 5-11 RESULTADOS PARA EL EJE AMBIENTAL ___________________________________________________ 79
FIGURA 5-12 RESULTADOS EJE ECONÓMICO ________________________________________________________ 80
1
CAPITULO 1
INTRODUCCIÓN
La creciente preocupación por el uso de combustibles fósiles y el impacto negativo
que estos generan en el medio ambiente, la dilapidación de energía y la seguridad
del servicio, han forzado a los gobiernos, comunidades científicas y académicas, y
demás organizaciones a generar nuevas estrategias para contrarrestar estos
efectos [1].
No es una opción seguir involucrando las centrales térmicas ya que producen gran
cantidad de emisiones de CO2 [2]; tampoco las grandes centrales hidroeléctricas,
debido al impacto social y ambiental que causan, ya que se involucra la desaparición
de fauna, flora y grandes extensiones de los ecosistemas, además de
desplazamiento de comunidades [3]. En este sentido, como estrategias se propone
la eficiencia energética (EE), ya que ésta presenta beneficios económicos y
ambientales, además de la facilidad para disponer de ella [1], y el uso intensivo de
tecnología limpia, que es considerado uno de los mecanismos de gran importancia
para la disminución de gases contaminantes que van a la atmosfera [4].
Uno de los sectores más influyentes para acrecentar esta preocupación es el de
transporte, debido al uso desmedido de recursos no renovables y al aumento de las
emisiones de CO2. Según la Agencia internacional de Energía (IEA, International
Energy Agency), en 2014, las emisiones de los países que conforman la OECD, un
total de 32 países, entre los que se encuentran los más desarrollados, determinaron
que los gases de efecto invernadero (GEI) que se atribuyen al transporte alcanzaron
el 29 % de las emisiones [5]. Bajo ésta tendencia, se pronostica que éstas lleguen
al 40 % en el año 2035 [6]. Por tal motivo, es común escuchar acerca del cambio de
motores de combustión por motores eléctricos y de alta eficiencia de los tipos IE2 e
IE3 como parte de la solución [7, 8], los cuales están llamados a reemplazar
2
gradualmente los vehículos convencionales por Vehículos Eléctricos (VE) e
Híbridos que no generen emisiones de CO2 directamente [7].
Países como España [9, 10], Alemania, Países bajos, Suecia, Italia, entre otros [11],
han presentado grandes avances en la investigación y desarrollo de un nuevo
modelo de energía en el que se involucran energías renovables, modelos para la
carga de VE, gestión y eficiencia energética, con base en la mejora de los sistemas
actuales e implementación de nuevas tecnologías [12]. Todo con el fin de ayudar a
disminuir los índices de emisiones contaminantes a la atmósfera y el consumo
masivo de combustibles fósiles [12].
En Colombia, se están promoviendo leyes que permiten la llegada de nuevas
tecnologías de tipo no convencional, tanto para el sector de transporte como para
la generación de energía eléctrica [13, 14]; además de Programas para Uso
Racional y Eficiente de la Energía (PROURE) que permiten el ingreso del concepto
de eficiencia energética (EE) en el sector eléctrico nacional.
Colombia también ha sufrido los efectos del cambio climático; se han presentado
fenómenos cruciales que han desencadenado crisis energéticas: una de gran
magnitud en el año 1992, la cual fue causada por el fenómeno del niño que ocasionó
sequias en las hidroeléctricas del país [15]. En dicha ocasión, el gobierno decidió
como plan de contingencia implementar el racionamiento de energía [15, 16, 17].
Así mismo, hacer cambios de los horarios laborales para cambiar los patrones de
consumo y obtener un ahorro energético [16]. De otro lado, durante los años 2015
y 2016 se presentó de nuevo el fenómeno del niño, el cual ocasionó que en el año
2016 se crearan planes de acción como incentivos económicos en las facturas de
energía y multas por consumo excesivo de energía, además de fuertes campañas
educativas a través de medios de comunicación. Todo esto, con el fin de que los
sectores residencial, comercial e industrial, alcanzaran una meta de ahorro
energético nacional del 5% [18].
Casos como los expuestos muestran la importancia de los diferentes estudios
realizados en temas de ahorro y EE [19], ingreso e implementación de nuevas
3
tecnologías y energías renovables [20], impactos en el sistema eléctrico con la
entrada de nuevas tecnologías incluyendo los VE [21, 22], implementación de
indicadores [23], entre otros. Todo esto con el fin de potenciar el ahorro en todos los
sectores de consumo de energía eléctrica para evitar nuevas emergencias.
Los resultados de estos estudios previos son la base para el desarrollo de
soluciones específicas que permitan la incorporación de Fuentes No
Convencionales de Energía (FNCE) y VE, sin afectar la operación, calidad y
confiabilidad del sistema de distribución.
Por otra parte, es necesario estudiar los efectos, positivos y negativos, que la
incorporación de estas tecnologías puede tener en la EE de los sistemas eléctricos
a nivel de distribución y a nivel de los usuarios finales. Por tales razones, el sector
residencial se convierte en fuente principal de estudio, puesto que se estima un
aumento progresivo de la carga, teniendo en cuenta los distintos escenarios para la
llegada del VE [21], afectando ciertos parámetros del sistema definidos a través de
indicadores comúnmente utilizados en usos finales, dando la posibilidad de
observar el comportamiento y establecer acciones que permitan mejorar los índices
de eficiencia.
Es así como esta investigación aborda un caso de estudio en un conjunto residencial
de la ciudad de Bogotá con diferentes escenarios de entrada de VE, con el fin de
determinar el efecto causado en los indicadores de eficiencia energética y así
establecer un plan de acción para contrarrestar efectos negativos que se
encontraron en el estudio.
4
1.1 Objetivos
Objetivo general
Evaluar el efecto de la entrada de Vehículos Eléctricos (VE) sobre los indicadores
de eficiencia energética en un conjunto residencial.
Objetivos específicos
Determinar los indicadores de eficiencia energética necesarios para el caso
de estudio, que permitan identificar potenciales de mejora en el sistema.
Establecer los casos de estudio y escenarios de entrada de los vehículos
eléctricos, implementando el modelo de carga lenta.
Realizar la evaluación de la eficiencia energética por medio de los
indicadores determinados, tanto en la etapa inicial, como para el ingreso de
los vehículos eléctricos en un conjunto residencial.
Proponer un plan para la mejora de la eficiencia energética del conjunto
residencial bajo estudio y conjuntos de condiciones similares.
1.2 Estructura del trabajo de grado
Este trabajo de grado se desarrolla en 5 capítulos. En el Capítulo 1 se introduce el
tema, se plantea el problema de eficiencia energética y el impacto que tendrá la
entrada masiva de vehículos eléctricos en el sistema de distribución, y se establecen
los objetivos. En el Capítulo 2 se presentan los conceptos de eficiencia energética
e indicadores de eficiencia energética, se establecen los criterios de selección de
los indicadores y se realiza la selección de los mismos. En el Capítulo 3 se presenta
el caso de estudio seleccionado y los escenarios de entrada de los vehículos
eléctricos. En el Capítulo 4 se evalúan los indicadores seleccionados por cada eje
para el caso base y cada uno de los escenarios de entrada de VE. En el Capítulo 5
se presenta un plan de mejora de la eficiencia energética, y finalmente, se presentan
las conclusiones.
5
CAPITULO 2
EFICIENCIA ENERGÉTICA E INDICADORES
En este capítulo se describen los conceptos teóricos acerca de los indicadores de
eficiencia energética (EE); para qué sirven y por qué son importantes para el
presente estudio. Además, se determinan cuáles indicadores son los más
trascendentales en la temática expuesta en este proyecto, de acuerdo a ejes
fundamentales como son ambiental, técnico, económico, y se presenta la
formulación de los mismos.
Para comprender qué es un indicador de EE y el porqué de la importancia del
mismo, es necesario conocer qué es la EE. Es así, como desde varias perspectivas
se dan definiciones del término, dando a conocer que la EE abarca una gran
cantidad de sectores y campos de acción.
2.1 Eficiencia energética
La ley 697 de 2001, en su artículo 3, define la EE como [24]:
“La relación entre la energía aprovechada y la energía total utilizada
en cualquier proceso de la cadena energética, dentro del marco del
desarrollo sostenible, respetando la normatividad vigente sobre
medio ambiente y los recursos naturales renovables”
La ley 697, fue la primera en Colombia en dar la importancia necesaria a la EE y
fomentar el uso racional y eficiente de la energía, dando así un gran paso para la
promoción de nuevas alternativas energéticas.
Otra ley en Colombia que involucra el concepto de EE es la ley 1715 del 2014, la
cual describe [25]:
6
“La relación entre la energía aprovechada y la total utilizada en
cualquier proceso de la cadena energética, buscando ser
maximizada a través de buenas prácticas de reconversión
tecnológica o sustitución de combustibles. A través de la eficiencia
energética se busca obtener el mayor provecho de la energía, bien
sea a partir del uso de una forma primaria de energía o durante
cualquier actividad de producción, transformación, transporte,
distribución y consumo de las diferentes formas de energía, dentro
del marco del desarrollo sostenible y respetando la normatividad
vigente sobre el ambiente y los recursos naturales renovables”
También se pueden encontrar otros términos más específicos de acuerdo al sector
al que se relaciona. Por ejemplo, para el sector residencial la definición de EE
implica mantener el confort con menor uso de energía eléctrica o aumentarlo con la
misma cantidad consumida [1]. Desde el punto de vista económico y ambiental se
puede asociar la EE a un grupo de acciones que se realizan tanto de parte de la
oferta como de la demanda, sin sacrificar la producción ni el bienestar y permitiendo
mejoras en la seguridad de suministro, logrando así ahorros tanto del consumo de
energía como en la economía en general. Paralelamente se logran reducciones en
las emisiones de gases de efecto invernadero [26].
La EE debería ser catalogada como el recurso más importante que se dispone para
un seguro abastecimiento energético en un país. Esto debido a los beneficios que
ésta representa en la reducción de consumos e intensidad energética [26]. Es
importante destacar que en América Latina este recurso se está desaprovechando,
ya que son pocos los países que tienen programas de eficiencia a largo plazo,
además de la baja incorporación de tecnologías eficientes en los sectores transporte
y residencial [26].
En resumen, la Figura 2-1 describe algunas ventajas de la EE [27].
7
Figura 2-1 Algunas ventajas de la eficiencia energética. Adaptada de [27]
2.2 Indicadores de eficiencia energética
Los indicadores de EE son los instrumentos fundamentales para realizar una
evaluación detallada de los consumos de energía de un elemento o proceso con
respecto a otro [1]. Están definidos como mediciones cuantitativas de condiciones
ya determinadas, con los cuales se facilita la comprensión de una realidad o de un
fenómeno, así como las variaciones del comportamiento que éste pueda tener en el
tiempo [28].
Se consideran como diversos valores estadísticos, que unidos pueden proporcionar
una indicación. Los indicadores pueden considerarse como un valor absoluto o
como coeficientes u otros valores compuestos [28]. Como ejemplo de valor
absoluto, se tiene el consumo total de energía en un conjunto residencial. De otro
lado, la mayor parte de indicadores de tiempo se refieren a las relaciones de valores
compuestos, por ejemplo, el consumo de energía por cada recarga de VE [28].
EFICIENCIA ENERGÉTICA
Competitividad global
Genera más Ahorro de
energía y dinero
Menor desperdicio de
energía
Cumplimiento de metas
ambientales
Menos contaminación
8
Para que un indicador pueda influir en la toma de decisiones, debe permitir
establecer un nivel de referencia o punto de partida de un determinado problema,
por lo cual es necesario que cuente con las siguientes características [29, 30]:
Figura 2-2 Características de un indicador para que sea eficiente y confiable. Adaptada de [30]
Se han clasificado los indicadores para este caso de estudio en tres categorías
“Ambientales, económicos y técnicos”. Por cada categoría se han seleccionado los
indicadores de mayor relevancia en el ámbito de uso final en los hogares, con lo
cual se busca una evaluación confiable y con criterio.
Indicadores ambientales
Por medio de estos, se pretende determinar la incidencia de un sistema ya sea como
elemento total o como elementos desagregados, sobre el aporte de emisiones de
gases contaminantes a la atmosfera que favorecen el calentamiento global, así
como la destrucción de la capa de ozono. Algunas características de los indicadores
ambientales son [31]:
CARACTERÍSTICAS DEL INDICADOR
Relevante EntendibleTransparente y verificable
Basado en información confiable y específica
Debe medir
cambios de una
condición a través del tiempo
Ser instrumentos para alcanzar
mejores resultados
Mostrar de cerca los resultados de
iniciativas o acciones
Propiedades
9
Medidas o cálculos directos: Es la información básica necesaria, por ejemplo,
la cantidad de CO2 emitida.
Medidas o cálculos relativos: Son comparaciones o relaciones entre los datos
de dos o más parámetros diferentes, por ejemplo, la cantidad de CO2 emitida
por unidad de VE.
Indexados: Son los datos o la información convertida en unidades o alguna
forma que permita relacionar dicha información con un patrón o línea base
determinada, por ejemplo, las emisiones de CO2 en el año en curso
expresados como porcentaje de emisiones de CO2 de un año base.
Agregados: Información descriptiva, del mismo tipo, teniendo en cuenta
diferentes fuentes, expresada en un valor combinado. Por ejemplo, el total
de CO2 emitido por la manufactura de algún producto en un año, determinado
por la suma total de las emisiones de CO2 generadas por cada industria que
realiza el mismo producto.
Ponderados: Son los datos descriptivos aplicando un factor de relación con
la importancia de los mismos.
Indicadores Económicos
Permite cuantificar el comportamiento de los agentes económicos y de las diferentes
relaciones que se establecen entre ellos. Además, informa de la evolución histórica
de alguna actividad económica, teniendo en cuenta tasas de variación para
comprender una tendencia en el tiempo [32].
En cuanto al sector energético, éstos deben representar la madurez de un país o un
lugar en ahorro y EE [33]. Los indicadores económicos determinan variaciones en
los costos de la energía, con los cuales se pueden estimar proyecciones que
permitan generar nuevas estrategias de consumo. Dichas proyecciones dejarán en
evidencia si hay reducción o no en el consumo de energía eléctrica [33].
Indicadores Técnicos
La EE provee de alternativas que son fácilmente aplicables; sin embargo, hay
ocasiones en que no basta solo con gestionar el uso de la energía a partir de
10
incentivos para el ahorro. Por tal razón se involucran las nuevas tecnologías,
diseñadas con estándares de calidad mucho más rigurosos. Éstas cuentan con
propiedades como son: mayor confiabilidad, mejor eficiencia, elaboración con
nuevos compuestos, y demás características. De tal manera que van a alterar las
mediciones de ciertos parámetros técnicos, que a su vez producen variaciones en
indicadores de este tipo; como por ejemplo la potencia consumida por el elemento,
energía total consumida, cantidad de lúmenes por kW consumido [1].
2.3 Selección de indicadores
El principal objetivo del estudio es la creación de indicadores de EE, para ser
aplicados en la evaluación del sistema eléctrico de un conjunto residencial con
diferentes escenarios de entrada de VE. Por lo cual, a partir de una búsqueda
profunda en la literatura científica, se propone un listado de indicadores, los cuales
serán evaluados por etapas para poder realizar la selección definitiva de los
indicadores empleados en este estudio (ver Figura 2-3).
Figura 2-3 Indicadores preseleccionados.
Emisiones de CO2
por área total
Emisiones de CO2
por persona
Disminución de CO2 por VE
Energía consumida por
área total
Energía consumida por
persona
Energía consumida por VE
Costos de energía por área total
Costo de energía por persona
Costos por recarga del VE
TÉCNICOS ECONÓMICOS
AMBIENTALES
11
Es importante destacar que la lista de indicadores no está cerrada definitivamente,
sino que, en consonancia con el primer objetivo del proyecto, se puede dar la
necesidad de ampliar, modificar o eliminar indicadores a medida que avanza la
investigación [34].
Criterios de selección considerados
Para la selección de indicadores se destacan dos tipos de criterios, los cuales son:
Criterios básicos [34] y criterios propios.
Los criterios básicos o comunes para la selección de indicadores se fundamentan
en la investigación de la agencia de I’Habitatge de Catalunya, quienes estudiaron
criterios establecidos por diferentes agencias como: Local Governments for
Sustainability (ICLEI), Organisation for Economic Co-operation and Development
(OECD), la Diputación de Barcelona, la Agencia Europea de Medio Ambiente
(AEMA) y el Ministerio de Medio Ambiente Español (MMA) [34].
De acuerdo a lo anterior, los criterios comunes para la selección de indicadores son
[34]:
Figura 2-4 Criterios básicos para la selección de indicadores
Por otra parte, se definen los criterios propios de acuerdo a las características de
este proyecto, tal como se observa en la Figura 2-5. Un criterio adicional establecido
para este proyecto, es la necesidad de tener al menos un indicador para cada uno
de los ejes fundamentales (Ambiental, técnico y económico).
Se debe fundamentar en
conocimiento científico, con información de
calidad.
Válidos, fiables
Debe proveer la máxima cantidad de información de
manera clara.
Pertinente hace referencia a que el indicador sí cumple
con un objetivo.
Comprensibles pertinentes
Debe proveer información destacada, importante.
Relevantes
Debe permitir decidir con
precisión sobre qué puntos hay mayor incidencia
Selectivos Debe contarse con los
recursos para poder realizar la medición
del indicador
Factibles
12
Figura 2-5 Criterios propios de selección de indicadores
Condiciones para la selección de los indicadores
En la Figura 2-6 se explican las condiciones para la selección de indicadores. Los
indicadores deben ajustarse perfectamente a todas las características de los
criterios básicos [34], ya que son los mínimos requerimientos exigidos. No obstante,
con respecto a los criterios propios, un indicador no necesariamente puede y/o debe
cumplir con todos los requisitos ya que puede medir una variable sin tener en cuenta
las demás.
Figura 2-6 Estructura propuesta para selección de indicadores por medio de los criterios básicos y propios.
Técn
ico
Tener en cuenta cada una de las áreas de consumo eléctrico del conjunto
Técn
ico
Que permita analizar el total del consumo del conjunto
Técn
ico
Analizar el consumo a nivel de usuario.
Técn
ico Determinar
el consumo asociado a la conexión de los VE al sistema eléctrico del conjunto
Am
bie
nta
l
Análisis a nivel de usuario con respecto a las emisiones de CO2.
Am
bie
nta
l
Medir las emisiones de CO2 por porcentaje de ingreso de VE
Eco
nóm
ico
Debe permitir un análisis total de costos generados a partir del consumo de energía
Básicos
CR
ITE
RIO
S
CONDICIONES PARA SELECCIÓN DE INDICADORES
Propios
• Válidos o fiables• Comprensibles • Pertinentes• Relevantes• Selectivos• Factibles
De acuerdo a los ejes:
• Técnico• Económico• Ambiental
Todos los criterios
UN
IND
ICA
DO
R D
EB
E
CU
MP
LIR
Al menos un criterio
13
Por ejemplo, el indicador de consumo de energía por VE mide exclusivamente el
consumo de energía por VE y no puede medir el consumo de energía por persona.
Por lo tanto, de ser necesario se deben buscar varios indicadores de tal manera que
se cumpla la necesidad del proyecto.
Análisis y selección
En esta sección se presenta el análisis y resultados de la selección de los
indicadores finales, con respecto a los indicadores preseleccionados (Figura 2-3).
El análisis y estructura para la selección de indicadores se puede observar en el
diagrama de flujo de la Figura 2-7.
Figura 2-7 Diagrama de flujo para selección de indicadores
Selección de
indicadores
Indicadores
preseleccionados
¿Cumplen con los
criterios comunes de selección de
indicadores y aunque sea un criterio propio
del proyecto?
¿Se puede
descartar?
Modificar indicador de
acuerdo a los criterios Básicos y Propios
Indicador
Seleccionado
Eliminar Indicador ya
que no se requiere
Fin del Proceso
Si
No
No
Si
14
2.3.3.1 Análisis eje técnico
De acuerdo a la Tabla 2-1, es necesario reemplazar los indicadores de Consumo
de energía por persona y consumo de energía por VE, ya que no cumplen con todos
los criterios básicos y con ninguno de los propios.
Tabla 2-1 Análisis para selección indicadores eje técnico
Los indicadores no cumplen los criterios por las siguientes razones:
Para el indicador de consumo de energía por persona:
No es válido pues un análisis por persona no sería objetivo, ya que en cada
apartamento varía el número de personas, los horarios de permanencia y
hábitos de consumo, lo cual implica que la información obtenida no sea
exacta, así mismo no es selectivo porque no brinda información suficiente
para tomar decisiones, ni factible por la dificultad de medir el consumo
energético por persona.
El indicador no tiene en cuenta cada una de las áreas de consumo eléctrico
del conjunto, ni permite analizarlo en su totalidad. Además, por medio de
éste no se puede medir el consumo asociado a la conexión de los VE al
sistema eléctrico del conjunto.
Para el indicador de consumo de energía por VE:
15
No es pertinente porque un solo VE no daría la posibilidad de obtener el
consumo general, ya que se pueden presentar distintos niveles de recarga,
adicionalmente se requiere estudiar el consumo total de la recarga de todos
los VE, lo cual implicaría realizar doble trabajo.
El indicador no tiene en cuenta cada una de las áreas de consumo eléctrico
del conjunto, ni permite analizar el total del consumo del conjunto, tampoco
medir el consumo por usuario.
Se plantean los siguientes indicadores que cumplen con todos los criterios:
Se reemplaza el indicador de consumo de energía por persona, por el
indicador de consumo de energía por usuario, entiéndase por usuario: cada
unidad de residencia. De esta manera se cumple con todos los criterios
comunes y además cumple con el criterio de analizar el consumo a nivel de
usuario.
Para reemplazar el indicador de consumo de energía por VE, es necesario
obtener un indicador de consumo por porcentaje de entrada de VE, con lo
cual se obtiene una información más pertinente, además se tendrán datos
más exactos del consumo de los VE, en el sistema eléctrico del conjunto y
cumpliría con todos los criterios comunes de selección.
Figura 2-8 Indicadores seleccionados para el eje técnico.
2.3.3.2 Análisis eje ambiental
De acuerdo a la Tabla 2-2, ningún indicador cumple con los criterios necesarios, por
lo cual se requiere reemplazar todos o algunos de los indicadores de tal manera que
se satisfagan todos los criterios básicos y los dos criterios propios.
Indicadores Eje Técnico
Energía consumida por
área total
Energía consumida por
usuario
Energía consumida por porcentaje de entrada de VE
16
Tabla 2-2 Análisis para selección indicadores eje ambiental
Los indicadores no cumplen los criterios por las siguientes razones:
Para el indicador de emisiones de CO2 por persona:
No es válido ya que un análisis por persona no es objetivo, no es factible
por la dificultad de medir por cada persona su consumo energético y por
ende sus emisiones de CO2.
No mide las emisiones de CO2 de los VE.
Para el indicador de disminución de emisiones de CO2 por VE
No es pertinente porque la disminución de emisiones de CO2 por VE no
determina la totalidad de disminución de emisiones en el parqueadero.
No facilita un análisis por cada usuario con respecto a las emisiones de CO2,
además por referirse a un solo VE no puede determinar la disminución de
emisiones en cada porcentaje de entrada de VE.
Para el indicador de emisiones de CO2 por área total:
No permite un análisis por usuario, ni un análisis de emisiones de CO2, pues
este indicador va enfocado a determinar las emisiones totales en el conjunto
y no por cada área.
17
Para el eje ambiental, se puede eliminar el indicador de emisiones de CO2 por área
total. Esto se debe a que los dos criterios propios se pueden satisfacer con el
reemplazo de los indicadores: Disminución de emisiones de CO2 por VE y
Emisiones de CO2 por persona.
Para reemplazar el indicador de emisiones de CO2 por persona, se estima necesario
un indicador de emisiones de CO2 por usuario, de esta manera se cumple con todos
los criterios básicos y además permite el análisis a nivel de usuario, ya que por
usuario se pueden hacer mediciones exactas, lo cual es factible y valido.
Por otra parte, para reemplazar el indicador de disminución de emisiones de CO2
por VE, se sugiere un indicador de disminución de emisiones de CO2 por porcentaje
de entrada de VE, así el indicador sería pertinente ya que se ajusta a las
necesidades del proyecto y cumple con el criterio propio que hace falta por
satisfacer.
Para el eje ambiental, se seleccionan los indicadores de la Figura 2-9.
Figura 2-9 Indicadores seleccionados para el eje ambiental.
2.3.3.3 Análisis eje económico
De acuerdo a la Tabla 2-3, solo es necesario un indicador, el de Costos de energía
por área total, ya que cubre todos los criterios básicos y el único criterio propio del
proyecto, por lo cual se descartan los otros dos indicadores.
Indicadores Eje Ambiental
Emisiones de CO2 por usuario
Disminución de emisiones de CO2
por porcentaje de entrada de VE
18
Tabla 2-3 Análisis para selección indicadores eje económico
En resumen, los indicadores de eficiencia energética seleccionados son:
Figura 2-10 Indicadores seleccionados
2.4 Formulación de indicadores de eficiencia energética
Una vez seleccionados los indicadores de eficiencia energética, se requiere realizar
la formulación con base en la documentación para cada uno de ellos.
Para documentar el indicador, se definen principalmente los elementos que
configuran el indicador [35]. Con base en lo anterior, se destacan los elementos de
documentación más importantes para este estudio.
Emisiones de CO2 por usuario
Disminución de emisiones de CO2
por porcentaje de entrada de VE
Energía consumida por
área total
Energía consumida por usuario
Energía consumida por porcentaje de
entrada de VE
Costos de energía por área total
TÉCNICOS
ECONÓMICOS
AMBIENTALES
19
DOCUMENTACIÓN DEFINICIÓN
Nombre del
indicador Es la expresión verbal y precisa que identifica el indicador.
Sigla Término abreviado para representar al indicador.
Objetivo Propósito que se persigue con la medición del indicador,
finalidad del indicador.
Unidad de medida Es en la que se mide el indicador, por ejemplo: kWh, pesos ($).
Fórmula Expresión matemática mediante la cual se calcula el indicador.
Variables Descripción de cada variable de la fórmula.
Tabla 2-4 Documentación indicadores. Adaptada de [35]
Formulación indicadores eje técnico
En el eje técnico se tienen tres indicadores seleccionados, los cuales brindan la
información suficiente y necesaria para este estudio.
El indicador de energía consumida por usuario se formula y documenta como se
muestra en la Tabla 2-5.
ENERGÍA CONSUMIDA POR USUARIO
Nombre del
indicador Energía consumida por usuario
Sigla ECU
Objetivo Medir la energía consumida por cada apartamento y así
determinar e implementar planes de mejora si es necesario
Unidad kWh/día
Fórmula
𝐸𝐶𝑈 =∑𝑃𝑗
𝑛
𝑗=1
(2-1)
Pj = Potencia consumida para cada hora
n = horas del día
Tabla 2-5 Ficha indicador energía consumida por usuario
El indicador de consumo de energía por porcentaje de entrada de VE, se formula y
documenta como se muestra en la Tabla 2-6.
20
ENERGÍA CONSUMIDA POR PORCENTAJE DE ENTRADA DE VE
Nombre del
indicador Energía consumida por porcentaje de entrada de VE
Sigla CEPVE
Objetivo Medir el consumo de energía en los parqueaderos del conjunto
residencial.
Unidad kWh/día
Fórmula
𝐶𝐸𝑃𝑉𝐸 = ∑𝑃𝑉𝐸ℎ
𝑛
ℎ=1
(2-2)
PVEh = Potencia consumida por porcentaje de entrada de VEs para cada hora n = horas del día
Tabla 2-6 Ficha indicador energía consumida por porcentaje de entrada de VE
El indicador de energía consumida por área total, formula y documenta como se
muestra en la Tabla 2-7.
ENERGÍA CONSUMIDA POR ÁREA TOTAL
Nombre del indicador Energía consumida por área total
Sigla ECAT
Objetivo
Medir la energía consumida en todo el conjunto
residencial teniendo en cuenta cada una de las áreas de
consumo.
Unidad kWh/día
Fórmula
𝐸𝐶𝐴𝑇 =∑𝐴𝑖
𝑛
𝑖=1
(2-3)
𝐴𝑖 = 𝐶𝑜𝑛𝑠𝑢𝑚𝑜 𝑑𝑒 𝑒𝑛𝑒𝑟𝑔í𝑎 𝑝𝑜𝑟 𝑐𝑎𝑑𝑎 á𝑟𝑒𝑎
𝑛 = 𝑇𝑜𝑡𝑎𝑙 𝑑𝑒 á𝑟𝑒𝑎𝑠 𝑑𝑒𝑙 𝑐𝑜𝑛𝑗𝑢𝑛𝑡𝑜
Tabla 2-7 Ficha indicador energía consumida por área total
Formulación indicadores eje ambiental
Para el eje ambiental fueron seleccionados dos indicadores, con los cuales se
puede realizar el estudio de manera suficiente.
Para los indicadores de este eje, es necesario involucrar factores de emisión de
acuerdo al sector estudiado [36]. El factor de emisión es una herramienta que
permite estimar la cantidad de emisiones de un determinado contaminante. Varía
21
con el tipo de combustible y con la actividad en la que se aplique su proceso de
combustión [37].
El factor de emisión necesario para el presente estudio es:
DATO VALOR
Factor de emisión de CO2 a partir de la
energía eléctrica 0,199 kgCO2/kWh
Tabla 2-8 Factor de emisión [30, 38, 39]
El valor de la Tabla 2-8 fue tomado de la UPME y su aplicación web FECOC 2016
(Calculadora de emisiones) [39], ya que tiene los datos más actualizados de los
factores de emisión de CO2 para Colombia.
La formulación y documentación para el indicador de emisiones de CO2 por usuario
se presenta de la Tabla 2-9:
EMISIONES DE CO2 POR USUARIO
Nombre del indicador Emisiones de CO2 por usuario
Sigla ECOU
Objetivo Determinar las emisiones de CO2 por usuario.
Unidad KgCO2eq
Fórmula
𝐸𝐶𝑂𝑈 = 𝐸𝐶𝑈 ∗ 𝐹𝐸 (2-4)
𝐸𝐶𝑈 = 𝐸𝑛𝑒𝑟𝑔í𝑎 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑢𝑚𝑖𝑑𝑎 𝑝𝑜𝑟 𝑢𝑠𝑢𝑎𝑟𝑖𝑜
𝐹𝐸 = 𝐹𝑎𝑐𝑡𝑜𝑟 𝑑𝑒 𝑒𝑚𝑖𝑠𝑖ó𝑛 𝑎 𝑝𝑎𝑟𝑡𝑖𝑟 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑒𝑛𝑒𝑟𝑔í𝑎 𝑒𝑙é𝑐𝑡𝑟𝑖𝑐𝑎
Tabla 2-9 Ficha indicador emisiones de CO2 por usuario
La Tabla 2-10 presenta la documentación para el indicador de disminución de CO2
por VE.
22
DISMINUCIÓN DE CO2 POR PORCENTAJE DE ENTRADA DE VE
Nombre del indicador Disminución de CO2 por porcentaje de entrada de VE
Sigla DEVE
Objetivo Determinar la reducción de emisiones de CO2 con el cambio de
tecnología de Vehículo convencional a vehículo eléctrico.
Unidad KgCO2eq
Fórmula
𝐷𝐸𝑉𝐸 = 𝐸𝑚𝑖𝑠𝑖𝑜𝑛𝑒𝑠 𝐶𝑂2 % 𝑉𝑐𝑜𝑛𝑣
− 𝐸𝑚𝑖𝑠𝑖𝑜𝑛𝑒𝑠 𝐶𝑂2 %𝑉𝐸
(2-5)
𝐸𝑚𝑖𝑠𝑖𝑜𝑛𝑒𝑠 𝐶𝑂2 %𝑉𝑐𝑜𝑛𝑣 = 𝐸𝑚𝑖𝑠𝑖𝑜𝑛𝑒𝑠 𝑝𝑜𝑟 𝑝𝑜𝑟𝑐𝑒𝑛𝑡𝑎𝑗𝑒 𝑑𝑒 𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎 𝑉𝑐𝑜𝑛𝑣𝑒𝑛𝑐𝑖𝑜𝑛𝑎𝑙
𝐸𝑚𝑖𝑠𝑖𝑜𝑛𝑒𝑠 𝐶𝑂2 %𝑉𝐸 = 𝐸𝑚𝑖𝑠𝑖𝑜𝑛𝑒𝑠 𝑝𝑜𝑟 𝑝𝑜𝑟𝑐𝑒𝑛𝑡𝑎𝑗𝑒 𝑑𝑒 𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎 𝑉𝐸
Tabla 2-10 Ficha indicador disminución de CO2 por porcentaje de entrada de VE.
Formulación indicadores eje económico
Para el eje económico, de acuerdo a la Figura 2-10 Indicadores seleccionados
Figura 2-10, se seleccionó solamente el indicador de costos de energía por área
total.
Para determinar el valor de este indicador, es necesario utilizar el indicador de
energía consumida por área total, véase Tabla 2-7. Además, es indispensable tener
el costo actualizado de energía por kWh para el sector residencial, el cual se puede
obtener de [40] (ver Tabla 2-11).
COSTOS DE ENERGÍA POR ÁREA TOTAL
Nombre del indicador Costos de Energía por Área Total Sigla CEAT
Objetivo Determinar los costos resultantes por cada escenario y plan de acción que se lleve a cabo en el marco de la investigación para todo el conjunto.
Unidad Peso Colombiano (COP)
Fórmula
𝐶𝐸𝐴𝑇 = 𝐸𝐶𝐴𝑇 ∗ 𝑐𝑜𝑠𝑡𝑜 𝑑𝑒 𝑘𝑊ℎ (2-6)
𝐸𝐶𝐴𝑇: 𝐼𝑛𝑑𝑖𝑐𝑎𝑑𝑜𝑟 𝑑𝑒 𝑒𝑛𝑒𝑟𝑔í𝑎 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑢𝑚𝑖𝑑𝑎 𝑝𝑜𝑟 á𝑟𝑒𝑎 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 𝐶𝑜𝑠𝑡𝑜 𝑑𝑒 𝑘𝑊ℎ:𝐷𝑒 𝑎𝑐𝑢𝑒𝑟𝑑𝑜 𝑎 𝑙𝑎 𝑡𝑎𝑟𝑖𝑓𝑎 𝑎𝑐𝑡𝑢𝑎𝑙𝑖𝑧𝑎𝑑𝑎 𝑑𝑒 [40]
Tabla 2-11 Ficha indicador Costos de energía por área total.
23
2.5 Conclusiones del capítulo
Con la metodología propuesta para la selección de indicadores fue posible
determinar que algunos de ellos no estaban acorde a la necesidad del estudio, por
tanto, se hizo necesario replantear los indicadores con el fin de que éstos aportaran
información adecuada a los criterios establecidos para cada eje de investigación.
Además, para cada uno de los indicadores seleccionados (Figura 2-10), se
determinó la ecuación con la cual serán evaluados y se realizaron las respectivas
fichas técnicas, en las cuales se muestra la información más importante para cada
indicador.
25
CAPITULO 3
CASO DE ESTUDIO Y ESCENARIOS DE ENTRADA DE
VE
En este capítulo se exponen los diferentes escenarios para la evaluación de la EE,
comenzando por el caso base, el cual se obtiene a partir de datos reales de
consumo de viviendas en estrato cuatro. Las mediciones son modeladas de tal
forma que permiten visualizar la curva de consumo promedio por apartamento en
un periodo de una semana. Posteriormente, se utiliza un modelo probabilístico que
determina el nivel de recarga de las baterías para cada uno de los escenarios de
entrada de los VE permitiendo establecer curvas de carga diarias para cada
escenario.
3.1 Caso de estudio
Datos conjunto residencial
El conjunto residencial ubicado en la ciudad de Bogotá, localidad de Teusaquillo, se
detalla a continuación con el fin de mostrar la información básica de los aspectos
generales y características eléctricas. La construcción está compuesta por cuatro
edificios de apartamentos, cada edificio consta de cinco pisos, y cada piso de cuatro
apartamentos. Además, está conformado por una zona de parqueaderos, un cuarto
de bombas y una subestación eléctrica [41].
Dentro de las características eléctricas del conjunto residencial se tiene como base
un transformador de 300 kVA de 11400/208/120 V, con conexión DY5 [41].
Protocolo de mediciones
Para obtener los datos de consumo requeridos se emplea el analizador de red de
marca HT y referencia PQA824, del cual se pueden observar sus características
técnicas en el ANEXO A.
26
Se utiliza una configuración monofásica para los apartamentos monofásicos, y una
configuración 4 Hilos para la medición en el transformador y en apartamentos
trifásicos.
En cuanto a la medición de corriente, se dispone de una pinza con toroidal flexible
(FLEX) y una configuración para el fondo de escala de las pinzas de 300 A. En la
Figura 3-1 se observa la configuración del analizador.
Figura 3-1 Configuración analizador de red PQA824, para modo monofásico y modo trifásico.
Se establecen los siguientes parámetros para que la medición se ajuste a las
exigencias de esta investigación:
Parámetros eléctricos: son los parámetros más importantes de la medición,
ya que por medio de estos se obtienen los datos con los cuales se realizará
el estudio de EE. Entre ellos se encuentran: potencias, tensión, corriente,
factor de potencia, energía. Se configuró el equipo para tomar datos cada
dos minutos.
Para realizar la evaluación de EE se ha seleccionado el valor de potencia
activa promedio, debido a que con éste se obtienen los valores de consumo
de energía durante el día.
Medición en transformador: se tomaron los datos medidos para el proyecto
de grado titulado “Análisis y evaluación de los criterios para el diseño de un
sistema de protección interno contra rayos” [41], ya que, para este estudio se
27
realizó la medición en los bornes del transformador del conjunto durante un
periodo de cuatro días.
Medición en apartamentos: Para estas mediciones fue posible acceder a
diferentes apartamentos estrato 4. Las mediciones se realizaron en un
periodo de una semana por cada apartamento y en total se midieron 18
apartamentos.
Síntesis de la información
Una vez realizadas las mediciones y teniendo en cuenta la descripción de los
protocolos, se procede a organizar los datos obtenidos para conseguir la
información necesaria que representa el caso base del estudio, entre la que se
encuentra:
Potencia promedio consumida por cada usuario para cada hora.
Potencia promedio consumida por las zonas comunes para cada hora.
Potencia promedio consumida por el total del conjunto para cada hora.
3.1.3.1 Potencia promedio consumida por cada usuario
Para determinar el caso base por usuario, se siguen los pasos establecidos en la
Tabla 3-1, en la cual se detalla cada paso y las respectivas ecuaciones utilizadas
en el proceso.
Pasos Ecuaciones
Paso 1:
Hallar potencia media
por hora para cada
apartamento.
𝑃𝐴𝑉𝑎𝑝𝑡𝑜_ℎ =∑ 𝑃𝐴𝑉𝑚𝑑𝑚=1
𝑑
(3-1)
Donde:
𝑷𝑨𝑽𝒂𝒑𝒕𝒐_𝒉= Potencia promedio para cada apartamento por cada hora.
h= Hora [1-24].
𝑷𝑨𝑽= Valor medido de la potencia promedio.
m= Número de la medición en el rango de una hora determinada para cada
apartamento. Ejemplo: Para h=1, m= Número medición (1 [1:00 am], 2
[1:02 am], 3 [1:04 am],…, 30 [1:58 am]).
d= 30 (Total de datos medidos para cada hora por cada apartamento).
28
Paso 2:
Hallar promedio de
potencia de todos los
apartamentos para
cada día de la semana.
𝑃𝐴𝑉𝑑í𝑎_𝑠 =∑ (𝑃𝐴𝑉𝑎𝑝𝑡𝑜_ℎ)𝑎,𝑠𝑛𝑎=1
𝑛
(3-2)
Donde:
𝑷𝑨𝑽𝒅í𝒂= Potencia promedio de todos los apartamentos al día, para cada
hora.
s= Día de la semana [lunes-domingo].
𝑷𝑨𝑽𝒂𝒑𝒕𝒐_𝒉= Potencia media por hora para cada apartamento. Resultado de
la ecuación (3-1).
h= Hora [1-24].
a= Número de apartamento.
n=Total de apartamentos.
Paso 3:
Hallar promedio de
potencia de todos los
días de la semana.
𝑃𝐴𝑉_𝑇𝑜𝑡𝑎𝑙 =∑ 𝑷𝑨𝑽𝒅í𝒂_𝒔𝑡𝑠=1
𝑡
(3-3)
Donde:
𝑷𝑨𝑽_𝑻𝒐𝒕𝒂𝒍= Potencia promedio de todos los apartamentos, para cada hora y
de todos los días de la semana.
𝑷𝑨𝑽𝒅í𝒂= Potencia promedio de todos los apartamentos al día, para cada
hora.
s= Día de la semana.
t= 7 (Total de días de la semana).
Tabla 3-1 Pasos para determinar el caso base por usuario.
Los pasos de la Tabla 3-1, dan como resultado la potencia promedio por hora para
un usuario, la cual se observa en la curva de la Figura 3-2.
Figura 3-2 Curva del caso base por usuario
108
359 375
050
100150200250300350400
12 a
.m
1 a
.m
2 a
.m
3 a
.m
4 a
.m
5 a
.m
6 a
.m
7 a
.m
8 a
.m
9 a
.m
10 a
.m
11 a
.m
12 p
.m
1 p
.m
2 p
.m
3 p
.m
4 p
.m
5 p
.m
6 p
.m
7 p
.m
8 p
.m
9 p
.m
10 p
.m
11 p
.m
Po
ten
cia
[W
]
Hora
29
De la Figura 3-2, se puede concluir que, en promedio, un usuario en el conjunto
consume el máximo de potencia en horas pico (5:00 y 20:00), superando los 350
W, mientras que el mínimo consumo se encuentra entre 1:00 y 3:00 con un
promedio por debajo de los 150 W; además, se mantiene un consumo promedio de
aproximadamente 221 W en las horas valle (9:00 a 16:00).
3.1.3.2 Potencia promedio consumida por las zonas comunes
Es necesario determinar la potencia consumida por las zonas comunes, ya que es
una de las áreas del conjunto residencial que consume energía eléctrica y por tal
motivo se debe tener en cuenta para la evaluación de los indicadores.
Como no fue posible medir solamente el consumo de energía de las zonas comunes
del conjunto, el proceso utilizado para determinar la información de las mismas
requiere de los datos de las mediciones en los bornes del transformador y de la
potencia promedio consumida por el total de usuarios del conjunto. Este proceso se
detalla en la Tabla 3-2.
Pasos Ecuaciones
Paso 1:
Hallar potencia media
por hora del total del
conjunto, de todos los
días.
𝑃𝐴𝑉𝑐𝑜𝑛𝑗_ℎ,𝑠 =
∑ (∑ 𝑃𝐴𝑉𝑚𝑑𝑚=1
𝑑)𝑛
𝑠=1
𝑛
(3-4)
Dónde:
𝑷𝑨𝑽𝒄𝒐𝒏𝒋_𝒉_𝒔= Potencia promedio total del conjunto por hora.
h= Hora [1-24].
s= Día medido
n= 4 (total de días medidos)
𝑷𝑨𝑽= Valor medido de la potencia promedio. Dato proporcionado por el
analizador de red (PQA).
m= Número de la medición en el rango de una hora determinada. Ejemplo:
Para h=1, m= Número de medición (1 [1:00 am], 2 [1:02 am], 3 [1:04
am],…, 30 [1:58 am]).
d= 30 (Total de datos medidos para cada de hora).
Paso 2:
Hallar potencias
promedio de las zonas
𝑃𝐴𝑉𝑧𝑜𝑛𝑎𝑠_𝑐𝑜𝑚𝑢𝑛𝑒𝑠 = 𝑃𝐴𝑉𝐶𝑜𝑛𝑗𝑢𝑛𝑡𝑜−(𝑃𝐴𝑉𝑢𝑠𝑢𝑎𝑟𝑖𝑜 ∗ 𝑛) (3-5)
Dónde:
30
comunes para cada
hora del día.
𝑷𝑨𝑽𝒛𝒐𝒏𝒂𝒔_𝒄𝒐𝒎𝒖𝒏𝒆𝒔= Potencia promedio de las zonas comunes para cada hora
de día.
𝑷𝑨𝑽𝑪𝒐𝒏𝒋𝒖𝒏𝒕𝒐= Potencia promedio del total del conjunto para cada hora del día.
Es el resultado de la ecuación (3-4).
𝑷𝑨𝑽𝒖𝒔𝒖𝒂𝒓𝒊𝒐= Potencia promedio por usuario para cada hora del día.
(Obtenida a partir del procedimiento de la Tabla 3-1)
n= 80 (Número total de apartamentos del conjunto residencial).
Tabla 3-2 Pasos para determinar el consumo de las zonas comunes.
A partir del paso 2 de la Tabla 3-2, se obtiene la potencia promedio para cada hora
de las zonas comunes. De ésta manera, se determinó que el comportamiento de la
potencia promedio para las zonas comunes es constante por franjas horarias. En
este sentido, se seleccionaron las franjas horarias con la potencia promedio
calculada para cada una de ellas, como se observa en la Tabla 3-3.
Franjas horarias
Potencia promedio total
zonas comunes [kW]
11 p. m. - 3 a. m. 6,5
4 a. m. - 7 a. m. 8,8
8 a. m. - 12 p. m. 7,9
1 p. m. - 5 p. m. 8,8
6 p. m. - 10 p. m. 9,6
Tabla 3-3 Potencia promedio zonas comunes por franjas horarias.
3.1.3.3 Potencia promedio consumida por el total del conjunto
Una vez definido el caso base por usuario y la potencia promedio de las zonas
comunes, ésta información se organiza para obtener la potencia promedio total
consumida por el conjunto residencial. En la Figura 3-3 se muestra en resumen el
procedimiento que se llevó a cabo para determinar el caso base del conjunto
residencial.
Al realizar el procedimiento de la Figura 3-3, se obtiene la curva promedio total de
la Figura 3-4, la cual en este estudio es empleada como caso base del conjunto
31
residencial. De esta curva se concluye que presenta el mismo comportamiento de
los usuarios, debido a que éstos son los que más consumo de energía tienen. Las
zonas comunes, a pesar de que consumen potencia en valores de kW, influyen en
la amplitud de la curva de carga, pero no afectan significativamente su
comportamiento.
Figura 3-3 Resumen del proceso para determinar el caso base del conjunto
Figura 3-4 Caso base del conjunto residencial
Potencia media
apartamento 1
MEDICIONES
Potencia media
apartamento 2 …Potencia media
apartamento n
Promedio de Potencia
media de todos los apartamentos por hora
Promedio de Potencia
media para cada día de la semana
Se calcula:
Promedio de Potencia
media de todos los días de la semana
Extraer de los datos obtenidos la potencia media:
Se multiplica por
el total de apartamentos
Potencia promedio por
franjas horarias
Potencia media de
las zonas comunes
6,5
8,87,9
8,89,6
0,0
2,0
4,0
6,0
8,0
10,0
12,0
11 p.m. - 3 a.m. 4 a. m. - 7 a. m. 8 a.m. - 12 p.m. 1 p.m. - 5 p.m. 6 p.m. - 10 p.m.
Po
te
ncia
[k
W]
Franjas horarias
0
5
10
15
20
25
30
35
12 a
.m
1 a
.m
2 a
.m
3 a
.m
4 a
.m
5 a
.m
6 a
.m
7 a
.m
8 a
.m
9 a
.m
10 a
.m
11 a
.m
12 p
.m
1 p
.m
2 p
.m
3 p
.m
4 p
.m
5 p
.m
6 p
.m
7 p
.m
8 p
.m
9 p
.m
10 p
.m
11 p
.m
Po
ten
cia
[k
W]
Horas
05
1015202530354045
12 a
.m
1 a
.m
2 a
.m
3 a
.m
4 a
.m
5 a
.m
6 a
.m
7 a
.m
8 a
.m
9 a
.m
10 a
.m
11 a
.m
12 p
.m
1 p
.m
2 p
.m
3 p
.m
4 p
.m
5 p
.m
6 p
.m
7 p
.m
8 p
.m
9 p
.m
10 p
.m
11 p
.m
Po
ten
cia
[k
W]
Horas
05
1015202530354045
12 a
.m
1 a
.m
2 a
.m
3 a
.m
4 a
.m
5 a
.m
6 a
.m
7 a
.m
8 a
.m
9 a
.m
10 a
.m
11 a
.m
12 p
.m
1 p
.m
2 p
.m
3 p
.m
4 p
.m
5 p
.m
6 p
.m
7 p
.m
8 p
.m
9 p
.m
10 p
.m
11 p
.m
Po
ten
cia
[k
W]
Horas
32
3.2 Vehículos eléctricos
Los VE son dispositivos de tracción eléctrica, es decir, son impulsados por un motor
eléctrico que tiene asociada una batería recargable para extraer la energía de ésta
[42]. Se han creado diferentes tipos de vehículos de propulsión eléctrica teniendo
en cuenta las fuentes de energía que requieren para su funcionamiento, entre estos
se encuentran los vehículos solares, con volantes de inercia, con celdas de
combustible, con catenaria, y con baterías [42]. Para la investigación se emplean
únicamente los vehículos de propulsión directa con baterías y entre éstos, los
Vehículos Eléctricos Enchufables (PEV).
En Bogotá D.C, la movilidad eléctrica ha sido una meta establecida para lograr
reducción de los niveles de contaminación que producen los vehículos
convencionales [43]. Es así como la alcaldía de Bogotá D.C, prescribe el decreto
677 de 2011 "Por medio del cual se adoptan medidas para incentivar el uso del
vehículo eléctrico en el Distrito Capital, se autoriza una operación piloto y se dictan
otras disposiciones” [44]. A partir del decreto, en 2012 se lanza el primer plan piloto
con taxis eléctricos, actualmente 43 de ellos se encuentran en circulación [45].
Dichos taxis, han rodado más de 3’000.000 km y han reflejado un ahorro del 52%
en el consumo energético, comparado con el consumo de combustibles fósiles [45].
De la misma manera, desde el sector privado, el operador de red de la ciudad de
Bogotá, tiene a cargo 16 VE modelo i-MIEV de Mitsubishi que prestan servicio de
transporte al personal de la empresa [46]. Con ésta flota de carros, lograron durante
el primer año de operación, un ahorro de $16.000.000 COP en compra de
combustible [46].
Recarga del VE
El Reglamento Técnico de Instalaciones Eléctricas (RETIE) en el artículo 20 sección
20.7, define y establece 4 modos de carga para la recarga de VE en el territorio
nacional, de acuerdo a lo establecido por la norma IEC 61851 [43, 47]. En la Tabla
3-4 se presentan los diferentes tipos recarga de VE y los diferentes niveles de la
misma.
33
Tabla 3-4 Niveles de recarga de VE. Adaptada de [43].
Algunos autores sugieren que no es fácil implementar sistemas de carga rápida en
conjuntos residenciales, debido a los costos de inversión que se generarían a partir
de la construcción de la infraestructura necesaria por la gran cantidad de energía
requerida [48].
Teniendo en cuenta estos problemas se concluye que la mejor opción para recarga
de VE en el sector residencial es el Nivel 1, el cual es comúnmente llamado "sistema
de carga lenta”, debido a que a este nivel de tensión se suministran potencias bajas,
lo que implica costos de inversión relativamente bajos, aunque por su baja potencia
los tiempos de carga son prolongados [49].
Descripción del modelo de VE
En este estudio no es indispensable utilizar diferentes modelos de VE, ya que el
objetivo del mismo es evaluar la EE, por lo cual se determinó que es suficiente
emplear la curva de carga de un tipo de VE y determinar de qué manera éste afecta
los indicadores previamente establecidos. Por tanto, se utiliza el modelo i-MIEV de
Mitsubishi, pues cuenta con precedentes de estudios realizados [42, 43, 50],
incluyendo los estudios actuales del operador de red de la ciudad de Bogotá [51];
CARGA LENTA CARGA LENTA CARGA
SEMIRAPIDA CARGA RÁPIDA
Tipo: AC Tensión: <250 [V]
o 480 [V] (3) Corriente: 16 [A] Tiempos de Carga: Prolongados (Horas) Potencia Max: 3,7-11 [kW]
Tipo: AC Tensión: 250 [V] o
480 [V] (3) Corriente: 32 [A] Tiempos de Carga: Prolongados (Horas) Potencia Max: 8 [kW]
Tipo: AC Tensión: 250 [V] o
480 [V] (3) Corriente: 70 [A] o
63 [A] (3) Tiempos de Carga: Algunos Minutos Potencia Max:17,5 [kW]
Tipo: DC Tensión: 125- 375 [V] Corriente: 400 [A] Tiempos de Carga: Segundos Potencia Max: 50-150 [kW]
34
sin embargo, la metodología e indicadores propuestos se pueden adaptar a
cualquier tipo de vehículo. El modelo i-MIEV presenta las características de la Tabla
3-5.
MITSUBISHI MODELO I-MIEV
Motor
Motor Síncrono de imán
Permanente Y51
Par Máx. (nm) 196
Potencia Máx. (kW) 49
Tipo de Propulsión Tracción trasera
Prestaciones
Velocidad Max. (km/h) 130
0 a 100 km/h, Vehículo Base
(s)
15,9
Batería de Tracción
Tipo de Batería Ion-Litio
Capacidad (kWh) 16
Tensión Nominal (V) 330
de 0% a 100% Cerca de 7 h
Potencia/Corriente Máx.
consumida en la red 230 V
Monofásica en carga
estándar
3 kW / 16 A
Carga Estándar (A) 16
Modo de Recarga
Recarga Convencional
(CA 230 V monofásico) 10A
Carga Rápida
8 Horas Aproximadamente
30 minutos
Aproximadamente
Consumo Consumo Normalizado
(Wh/Km)
125
Tabla 3-5 Características vehículo eléctrico i-MIEV Mitsubishi. Tomada de [43, 52]
Los diferentes estudios realizados con el VE i-MIEV de la Tabla 3-5 y otros modelos
diferentes, sostienen que éstos prototipos son los más comunes en el mercado.
Para el VE en mención, se obtienen las características eléctricas de la batería en la
Tabla 3-6 [42, 50].
35
PARÁMETROS DE LA BATERÍA DEL VE MODELO i-MIEV MITSUBISHI
Capacidades [𝒌𝑾𝒉] 10 − 20
𝑸𝒃𝒂𝒕 [𝑨𝒉] 50
𝑸𝒃𝒂𝒕 [𝒌𝑾𝒉] 16
𝑽𝒃𝒂𝒕 [𝑽] 330
𝑹𝒊𝒏𝒕 [𝛀] 0,484
𝑨 [𝑽] 52,8
𝑩 [𝑨𝒉−𝟏] 0,085
𝑲 [𝑽] 2,628
𝑬𝟎 [𝑽] 343,63
Tabla 3-6 Parámetros de la batería del vehículo eléctrico i-MIEV de Mitsubishi. Adaptada de [42, 50]
3.3 Escenarios de entrada de Vehículos Eléctricos
Para realizar un análisis de la energía consumida por la entrada masiva de VE, se
requiere establecer porcentajes de penetración de los mismos al conjunto
residencial. Dichos porcentajes corresponden a los escenarios de entrada de VE,
los cuales se evalúan para determinar la EE con la variación de la cantidad de VE
que serán recargados en un mismo día.
En estudios previos se ha evaluado el efecto del porcentaje de penetración de los
VE en la curva de carga de un sistema de distribución [42, 53, 54] y en la curva de
carga de un conjunto residencial [55]. A partir de los resultados de estos estudios,
se plantea que los porcentajes de entrada de VE seleccionados para este estudio
son del 30%, 50% y 70%.
De acuerdo a esta consideración, se procede a realizar y ejecutar el modelo
probabilístico de la recarga de VE propuesto en [42, 50].
Modelo probabilístico para la demanda del VE
En Barcelona, fue diseñado e implementado un modelo probabilístico del consumo
de los VE en la red de distribución, para así evaluar junto con la demanda nacional,
el ingreso de los VE a la ciudad [50]. Este modelo también se adaptó en la ciudad
de Bogotá D.C, para analizar el impacto que los VE tendrían en las redes eléctricas
de la ciudad y realizar una gestión en tiempo real de la recarga de VE con las
características de la movilidad ciudadana de Bogotá [42].
36
Para ésta investigación, se utiliza el modelo descrito anteriormente [42, 50] para
realizar el modelo de consumo de los VE que ingresan al conjunto residencial en
estudio. De acuerdo a Martínez (Barcelona) [50], Mendoza y Quintero (Bogotá) [42],
en el modelo se requieren los factores de la Figura 3-5.
Figura 3-5 Factores necesarios para la generación del modelo probabilístico para la demanda del VE [50].
Cuando se ejecuta el modelo con las cargas de los VE, los consumos derivados de
la conexión de éstos deben distribuirse en la cantidad de nodos (cargadores
instalados en el conjunto residencial) de la forma en que lo establecen las variables
aleatorias que lo componen. El estudio se lleva a cabo en un día, por lo cual también
requiere de modelar el consumo para cada hora del día [50].
Como no hay datos históricos del consumo de VE, el modelo probabilístico que
representa el consumo de los VE en el conjunto se calcula a través de unas
variables de entrada y mediante el método de Montecarlo [50]. Las variables de
entrada requeridas son:
Distribución del VE a lo largo de los nodos de la red
Hora de conexión del VE
Movilidad ciudadana
Determina cuándo y dónde se inicia la recarga de un vehículo.
Características técnicas de los
VE
Determina los parámetros de las
baterías a recargar.
Cantidad de VE
Afecta directamente al número de baterías que será necesario recargar simultáneamente.
37
Característica de carga de la batería
Energía consumida por el VE previamente a la conexión
Dicho procedimiento pasa por dos grandes etapas:
Generación del número de conexiones de VE que tiene lugar para cada hora
y cada nodo, (construcción del modelo probabilístico)
Determinación del modelo eléctrico para la recarga de las baterías.
El proceso para llegar a la demanda de energía de los VE (resultado final del
esquema de la Figura 3-6), se compone de la generación de una cantidad de VE
para cada hora (distribución de viajes en cada hora), asignándoles una energía
consumida para cada uno, teniendo en cuenta las distancias recorridas en cada
desplazamiento [54].
Figura 3-6 Modelo probabilístico para la demanda del VE, adaptada de [42]
Generación del número de conexiones de VE que tiene lugar para cada hora y cada
nodo
Distancias recorridas en cada desplazamiento
Distribución de viajes en cada hora
Porcentaje de VE que realizan una cantidad de
desplazamientosModelo variable aleatoria
Función de probabilidad Energía consumida
Número de conexiones generadas en cada hora
Determinación del modelo eléctrico para la recarga de las baterías
Capacidad batería: 16 kWh
Modelo eléctrico de recarga de las baterías
Demanda de energía del VE
38
Sin embargo, el VE tiene una curva de consumo dependiente de las características
de la batería, cantidad de desplazamientos y kilómetros recorridos. Esta información
se puede conseguir mediante los patrones de movilidad de la ciudad [56], y
partiendo de la hipótesis de que el comportamiento de los viajes de los usuarios del
conjunto residencial, mantendrá la misma forma, pero no el mismo número de viajes
que la curva de movilidad para la ciudad de Bogotá [42].
Figura 3-7 Distribución horaria de los viajes de regreso a casa para los vehículos particulares, tomada de [42, 56].
De ésta manera se establece la curva de carga de un conjunto de VE, de acuerdo
a cada porcentaje de entrada. Un ejemplo de cada porcentaje se observa en la
Figura 3-8, en el cual, se realiza una simulación de cada porcentaje.
Figura 3-8 Ejemplos de curvas de carga para cada porcentaje de entrada de VE al conjunto residencial.
0
10
20
30
40
50
1 2 3 4 5 6 7 8 9 101112131415161718192021222324
PO
TE
NC
IA [
kW
]
HORA
CURVAS DE CARGA DIFERENTES PORCENTAJES DE
ENTRADA DE VE
30%
50%
70%
39
Este modelo permite que las condiciones de carga, así como la demanda de
potencia requerida por la red varíen aleatoriamente, siguiendo una distribución de
probabilidad de la energía requerida por la batería. En este sentido, es importante
destacar que cada simulación realizada en un mismo porcentaje de entrada, genera
una curva de carga distinta.
Recarga de las baterías
3.3.2.1 Características de carga y descarga de las baterías
La capacidad o cantidad de energía que puede almacenar la batería, es un
parámetro que determina la distancia que un VE puede recorrer hasta su descarga
y representa el flujo de corriente que puede mantener la batería durante una hora
[42, 57]. Ésta se representa mediante un índice denotado con la letra C, que
proporciona la capacidad de una batería al descargarse a una determinada
velocidad. Sus unidades son [A-h] [42].
De acuerdo a [42, 50], las baterías pueden verse afectadas por la disminución
abrupta de su tensión después de pasar por un determinado valor al descargarse,
lo cual afecta la energía almacenada en la batería expresada en [Wh] y dada por su
capacidad [Ah] y su tensión [V]. Por lo anterior, existen métodos de carga para que
la vida útil de la batería no sea afectada en cada recarga: Tensión constante,
corriente constante y combinación de tensión y corriente constante [42, 50]. Para el
desarrollo del modelo propuesto por [42, 50], se utiliza el método combinado de
tensión y corriente constante. La efectividad de este método depende de la
estimación del estado de carga de la batería (SoC), que establece un porcentaje de
la capacidad que posee la batería con respecto a su capacidad nominal, con el fin
de controlar la tensión y la corriente bajo la condición de carga actual de la batería
[42].
3.3.2.2 Modelo eléctrico para la recarga de las baterías
El modelo eléctrico comúnmente usado para describir el comportamiento de la carga
y descarga de las baterías es el de Shepherd, el cual se encuentra incluido en las
librerías de Matlab/Simulink [42, 58]. A partir de este modelo, Tremblay propone
40
algunas modificaciones, y lo adapta a los VE [59]. El modelo de Tremblay se toma
como referencia para describir el comportamiento de la recarga de la batería en [42,
50]. El comportamiento de la tensión interna y corriente de carga de la batería se
describe en las Ecuaciones (3-6) y (3-7), respectivamente [42, 50].
𝐸 =
{
𝐸0 − 0.7K
𝑄𝑏𝑎𝑡
𝑖𝑡 + 0.1 (𝑄𝑏𝑎𝑡𝑄0100)
+ 𝐴𝑒[−𝐵((𝑄𝑏𝑎𝑡
𝑄0100
)+𝑖𝑡)−0.7𝐵𝑄𝑏𝑎𝑡]𝑠𝑖 [
𝑖𝑡 + 𝑄0𝑄𝑏𝑎𝑡
] < 0.7
𝐸0 − K + A 𝑠𝑖 [𝑖𝑡 + 𝑄0𝑄𝑏𝑎𝑡
] ≥ 0.7
(3-6)
𝐼𝑐𝑎𝑟𝑔𝑎 =
{
(𝑉𝑐𝑎𝑟𝑔𝑎 ∗ 𝑄𝑏𝑎𝑡)𝑒
(𝐸∗𝑄𝑏𝑎𝑡∗𝑉𝑐𝑎𝑟𝑔𝑎
0.3∗𝑄𝑏𝑎𝑡)∗(−𝑡+
0.7𝑉𝑐𝑎𝑟𝑔𝑎
−𝑄0
𝑉𝑐𝑎𝑟𝑔𝑎∗100)𝑠𝑖 [
𝑖𝑡 + 𝑄0𝑄𝑏𝑎𝑡
] > 0.7
𝑉𝑐𝑎𝑟𝑔𝑎 ∗ 𝑄𝑏𝑎𝑡 𝑠𝑖 [𝑖𝑡 + 𝑄0𝑄𝑏𝑎𝑡
] ≤ 0.7
(3-7)
De acuerdo con el modelo anterior, las características de la batería del VE i-MIEV
(Tabla 3-6) y el procedimiento descrito en [42] y [50], se obtiene la curva de carga
de la batería. La Figura 3-9 presenta un ejemplo con una descarga del 85% y una
velocidad de carga de 0.2C.
Figura 3-9 Curva de consumo de potencia, con una descarga del 85% y una velocidad de carga de 0.2C
41
Resultados del modelo implementado
De acuerdo a lo descrito en las secciones 3.3.1 y 3.3.2, se obtienen las curvas de
carga por cada escenario de entrada de VE que se presentan a continuación. Cabe
destacar que para cada escenario se ejecutaron 100 simulaciones, con el fin de
analizar los cambios en consumo de energía por cada simulación. A partir de esto
se obtuvo que para cada escenario la variación de los datos es mínima; sin
embargo, para establecer esta variación se empleó el coeficiente de variación, el
cual mide la dispersión relativa de un conjunto de datos, es decir, es el indicador del
grado de aproximación de los datos, de acuerdo a la ecuación (3-8) [60].
𝐶𝑉 = (𝜎
𝜇) ∗ 100% (3-8)
Dónde: CV es el coeficiente de variación, es la desviación estándar y es la media
aritmética.
3.3.3.1 Escenario del 30% de entrada de VE
Con las 100 simulaciones realizadas, en la Figura 3-10 se presentan las curvas de
potencia de las simulaciones y en rojo se presenta la curva de potencia base para
este escenario.
Figura 3-10 Curvas de potencia de las 100 simulaciones para el 30% de entrada de VE
0
5
10
15
20
1 2 3 4 5 6 7 8 9 101112131415161718192021222324
PO
TE
NC
IA
[k
W]
HORAS
CURVAS DE POTENCIA 30% DE ENTRADA VE
42
Para este escenario, se cuenta con un total de 24 vehículos, y la Figura 3-10
muestra la curva promedio de la recarga de los VE. En este caso se observa que la
mayor cantidad de VE llegan a recargarse al conjunto residencial a la hora pico
(20:00), por lo que a esa hora se presenta el valor máximo de potencia consumida
(15 kW).
En la Figura 3-11 se presenta la dispersión de la energía consumida de acuerdo a
las simulaciones realizadas, de lo cual se obtiene la energía promedio para este
escenario de 148,5 kWh/día, y se presenta un coeficiente de variación de los datos
de 3%.
Figura 3-11 Dispersión de datos de la energía a partir de las simulaciones y energía promedio.
3.3.3.2 Escenario del 50% de entrada de VE
Para este escenario, la Figura 3-12 presenta las curvas de potencia de las
simulaciones. Para este escenario, se cuenta con un total de 40 vehículos, que se
cargan de acuerdo al comportamiento observado en la curva base (curva en rojo)
de la Figura 3-12. En este caso la potencia consumida alcanza su nivel máximo a
las 20:00 horas, llegando a 25 kW.
135
140
145
150
155
160
165
1 10 19 28 37 46 55 64 73 82 91 100
EN
ER
GÍA
[k
Wh
]
SIMULACIONES
43
Figura 3-12 Curvas de potencia de las 100 simulaciones para el 50% de entrada de VE
En la Figura 3-13 se presenta la dispersión de la energía consumida de acuerdo a
las simulaciones realizadas, de lo cual se obtiene la energía promedio para este
escenario de 260,2 kWh/día, y se presenta un coeficiente de variación de los datos
de 2%.
Figura 3-13 Dispersión de datos de la energía a partir de las simulaciones y energía promedio.
3.3.3.3 Escenario del 70% de entrada de VE
Para este caso, se cuenta con un total de 56 vehículos, y la Figura 3-14 muestra las
curvas de carga de las simulaciones y la curva promedio de la recarga de los VE
0
5
10
15
20
25
30
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24
PO
TE
NC
IA [
kW
]
HORAS
CURVAS DE POTENCIA 50% DE ENTRADA VE
240
245
250
255
260
265
270
275
280
1 10 19 28 37 46 55 64 73 82 91 100
EN
ER
GÍA
[k
Wh
]
SIMULACIONES
44
(curva roja). Nuevamente la potencia máxima se presenta a las 20:00 horas,
llegando a 37 kW.
Figura 3-14 Curvas de potencia de las 100 simulaciones para el 70% de entrada de VE
En la Figura 3-15 se presenta la dispersión de la energía consumida de acuerdo a
las simulaciones realizadas, de lo cual se obtiene la energía promedio para este
escenario de 357,3 kWh/día, y se presenta un coeficiente de variación de los datos
de 1%.
Figura 3-15 Dispersión de datos de la energía a partir de las simulaciones y energía promedio.
0
10
20
30
40
50
1 2 3 4 5 6 7 8 9 101112131415161718192021222324
PO
TE
NC
IA [
kW
]
HORAS
CURVAS DE POTENCIA 70% DE ENTRADA VE
345
350
355
360
365
370
1 10 19 28 37 46 55 64 73 82 91 100
EN
ER
GÍA
[k
Wh
]
SIMULACIONES
45
Las curvas obtenidas mediante el modelo probabilístico de la sección 3.3.1,
representan los tres escenarios de entrada de VE, en las cuales se ve un elevado
consumo de potencia en horas pico, llegando a sus valores máximos en el periodo
comprendido entre las 18:00 y 22:00. Así mismo se puede determinar, que el
coeficiente de variación es bajo en todos los escenarios.
3.4 Conclusiones del capítulo
Para un estudio de EE, se requiere de información confiable, por lo cual se necesita
de un equipo apropiado para realizar las mediciones y su vez tener claros los
parámetros que se ajusten a las necesidades de la investigación.
Es posible determinar el caso base para la evaluación de indicadores, a partir de
mediciones reales, las cuales al ser procesadas establecen las curvas de potencia
promedio para cada una de las áreas del conjunto residencial.
El modelo probabilístico para la entrada de VE, permite generar distintas curvas de
carga en cada uno de los escenarios. Sin embargo, para la evaluación de EE se
requiere particularmente el consumo de energía al día. Es así que, al realizar
distintas simulaciones para el mismo escenario, se pudo concluir que la variación
en el consumo de energía fue mínima, de acuerdo al coeficiente de variación
calculado en cada escenario.
47
CAPITULO 4
EVALUACIÓN DE LA EFICIENCIA ENERGÉTICA
En este capítulo se realiza la evaluación de la eficiencia energética, contando con
los indicadores seleccionados y los escenarios determinados anteriormente. Se
analiza cada indicador y se describe cuál es su comportamiento.
4.1 Descripción del procedimiento
En la sección 3.1, fue posible obtener información real por medio de mediciones
hechas con un analizador de red a diferentes apartamentos, con lo cual se pudo
determinar el caso base en un conjunto residencial típico de estrato 4. Por otra parte,
se pudieron determinar las curvas de potencia para cada escenario de entrada de
VE. Sin embargo, ésta información por sí sola no permite llegar a una conclusión,
por tanto, se requiere de un proceso que permita observar el panorama de los
escenarios para cada eje fundamental: ambiental, técnico y económico.
Este proceso se lleva a cabo mediante la evaluación de indicadores de EE. Para
realizar dicha evaluación se presenta el orden señalado en la Figura 4-1, la cual
indica que es necesario principalmente evaluar los indicadores técnicos, ya que la
información brindada por éstos representa el inicio de la evaluación de los demás
indicadores.
Figura 4-1 Proceso evaluación de indicadores
ECU, ECAT, CEPVE
ECOU, DEVE
CEAT
48
4.2 Evaluación de la eficiencia energética para el eje técnico
Indicador ECU
Para este indicador, los resultados se presentan en la Tabla 4-1 y su representación
gráfica en la Figura 4-2.
ESCENARIOS ECU
[kWh/día]
Caso base 5,85
Escenario 30% 7,71
Escenario 50% 9,11
Escenario 70% 10,32
Tabla 4-1 Resultados indicador ECU
Figura 4-2 Resultados gráficos indicador ECU
La tendencia observada indica que la energía consumida por cada usuario es lineal
respecto al ingreso de los VE, teniendo en cuenta que, a mayor porcentaje de
ingreso, mayor va a ser el consumo promedio de energía.
Con respecto al caso base, la variación de consumo de energía para cada escenario
es de 32%, 56% y 76%, respectivamente.
0
2
4
6
8
10
12
14
Caso Base Escenario30%
Escenario50%
Escenario70%
En
erg
ía [
kW
h/d
ía]
Escenarios
49
Indicador ECAT
Los resultados del análisis de este indicador se observan en la Tabla 4-2 y en la
Figura 4-3.
ESCENARIOS ECAT
[kWh/día]
Caso base 667,41
Escenario 30% 815,92
Escenario 50% 927,58
Escenario 70% 1024,76
Tabla 4-2 Resultados Indicador ECAT
Figura 4-3 Resultados gráficos indicador ECAT
El comportamiento del indicador ECAT es similar al indicador ECU, debido a que
son los usuarios quienes consumen la mayor cantidad de energía en el conjunto y
la entrada de VE produce un aumento de la energía en forma lineal para cada
escenario.
Para el caso base, la energía consumida al día es de 667,41 kWh, mientras que
para los escenarios de 30%, 50% y 70% de penetración de los VE la energía
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
Caso Base Escenario30%
Escenario50%
Escenario70%
En
erg
ía [
kW
h/d
ía]
Escenarios
50
consumida es 815,92 kWh, 927,58 kWh y 1024,76 kWh, respectivamente. Esto
representa una variación en el consumo de energía del 22%, 39% y 54%.
Esto quiere decir que, con la entrada de VE al conjunto residencial, los indicadores
de EE de consumo energético se ven afectados, por lo cual es necesario adoptar
planes de acción que permitan una disminución del consumo de energía en alguna
de las partes implicadas o varias de ellas.
Indicador CEPVE
Este indicador determina únicamente el consumo de energía de los porcentajes de
entrada de VE, como se observa en la Tabla 4-3 y la Figura 4-4.
ESCENARIOS CEPVE
[kWh/día]
Caso base 0,00
Escenario 30% 148,51
Escenario 50% 260,17
Escenario 70% 357,34
Tabla 4-3 Resultados indicador CEPVE
Figura 4-4 Resultados gráficos indicador CEPVE
0
50
100
150
200
250
300
350
400
Caso Base Escenario30%
Escenario50%
Escenario70%
En
erg
ía [
kW
h/d
ía]
Escenarios
51
Para este indicador, la energía consumida aumenta proporcionalmente a medida
que crece el porcentaje de entrada de VE. El caso base no presenta energía
consumida debido a que para este escenario no se supone ingreso de VE.
4.3 Evaluación de eficiencia energética para el eje ambiental
Indicador ECOU
Para este indicador, los resultados se encuentran en la Tabla 4-4 y la Figura 4-5.
ESCENARIOS ECOU
[kgCO2eq/día]
Caso Base 1,2
Escenario 30% 1,5
Escenario 50% 1,8
Escenario 70% 2,1
Tabla 4-4 Resultados indicador ECOU
Figura 4-5 Resultados gráficos indicador ECOU
Debido a que la información para este indicador es tomada del consumo de energía
para cada escenario, resultante del indicador ECU, el indicador ECOU presenta el
mismo comportamiento lineal con respecto al nivel de penetración de los VE que
0
1
1
2
2
3
Caso Base Escenario30%
Escenario50%
Escenario70%
Em
isio
ne
s
[kg
CO
2e
q/d
ía]
Escenarios
52
ingresan al conjunto. Esto quiere decir que al aumentar la entrada de VE se afecta
el medio ambiente, en proporción al consumo de energía que los VE demandan. Sin
embargo, teniendo en cuenta que la entrada de VE sustituye los vehículos
convencionales, los cuales presentan emisiones de CO2 por galón consumido de
8,81 kgCO2eq [39, 61], se observa claramente que las emisiones por la recarga de
los VE son mínimas, tal como se observa en el siguiente numeral.
Indicador DEVE
Este indicador obtiene resultados claros acerca de la conveniencia ambiental del
cambio de vehículos convencionales a VE. Para analizar los resultados, se
determinaron las marcas de vehículos convencionales más influyentes en el
mercado colombiano, los cuales se presentan en la Figura 4-6 [62].
Figura 4-6 Marcas y modelos más vendidos en Colombia [62]
La base de datos de coches que tiene el IDAE (Instituto para la Diversificación y
Ahorro de la Energía) suministra la información de emisiones de CO2 por cada
kilómetro recorrido de cada vehículo [63]. Con esta información se calculó el
promedio de las emisiones de CO2 por cada kilómetro recorrido de todos los
vehículos investigados, obteniendo que un vehículo convencional a gasolina,
produce en promedio 0,12 kgCO2/km.
A continuación, se calculan las emisiones de CO2 de los vehículos convencionales
a gasolina para cada escenario. Para esto se necesita de la siguiente información:
Chevrolet Sail
Renault Sandero
Chevrolet Spark GT
Renault Logan
Ford Fiesta
Chevrolet Spark
Mazda 3Nissan March
Kia Picanto
Kia Rio Spice
53
Consumo normalizado por VE, I-MIEV de Mitsubishi: 0,125 kWh/km.
Promedio de emisiones de CO2 de los vehículos convencionales a gasolina:
0,12 KgCO2eq/km.
Energía total consumida para cada porcentaje (CEPVE) [kWh/día].
Para determinar el total de kilómetros recorridos en un día, para cada escenario, se
utiliza la ecuación (4-1).
𝑇𝑜𝑡𝑎𝑙 𝑘𝑚 =𝐶𝐸𝑃𝑉𝐸 [
𝑘𝑊ℎ𝑑í𝑎
]
0,125 [𝑘𝑊ℎ𝑘𝑚
]
(4-1)
Donde, Total km es el total de kilómetros al día para cada escenario, CEPVE es el
resultado del indicador de consumo de energía por porcentaje de entrada de VE.
Teniendo el total de kilómetros recorridos por los vehículos en un día, para cada
escenario, se procede a calcular las emisiones de CO2 al día de los vehículos
convencionales a gasolina, con la ecuación (4-2).
𝐸𝑚𝑖𝑠𝑖𝑜𝑛𝑒𝑠 𝑑𝑒 𝐶𝑂2 𝑎𝑙 𝑑í𝑎 𝑉𝑐𝑜𝑛𝑣 = 𝑇𝑜𝑡𝑎𝑙 𝑘𝑚 [𝑘𝑚
𝑑í𝑎] ∗ 0,12 [
𝑘𝑔𝐶𝑂2𝑒𝑞
𝑘𝑚]
(4-2)
Obteniendo el equivalente de emisiones de CO2 al día, para cada escenario de
penetración, de los vehículos convencionales. Adicionalmente, se calculan las
emisiones de CO2 debidas a la recarga de los VE en cada escenario de entrada,
para lo cual se requiere de la siguiente información, y la ecuación (4-3):
Factor emisión de energía eléctrica: 0,1990 kgCO2eq/kWh
Energía total consumida en la recarga de cada porcentaje de entrada de VE
[kWh/día].
𝐸𝑚𝑖𝑠𝑖𝑜𝑛𝑒𝑠 𝑑𝑒 𝐶𝑂2 𝑎𝑙 𝑑í𝑎 𝑉𝐸 = 𝐶𝐸𝑃𝑉𝐸 [𝑘𝑊ℎ
𝑑í𝑎] ∗ 0,1990 [
𝑘𝑔𝐶𝑂2𝑒𝑞
𝑘𝑚]
(4-3)
A partir del procedimiento anteriormente mencionado se obtiene la Tabla 4-5.
54
Escenarios
Kilómetros recorridos por
todos los vehículos convencionales
[km/día]
Emisiones de CO2 del total de vehículos
convencionales
[kgCO2eq/día]
Emisiones CO2 por porcentaje de entrada
de VE
[kgCO2eq/día]
30% 1188,1 142,6 29,6
50% 2081,4 249,8 51,8
70% 2858,7 343,0 71,1
Tabla 4-5 Resultados emisiones de CO2 de vehículos convencionales y de recarga de VE, para cada escenario
De la Tabla 4-5, se obtiene la información para calcular indicador DEVE, y sus
resultados se observan en la Tabla 4-6 y en la Figura 4-7.
ESCENARIOS DEVE [KgCO2eq/día]
Caso Base 0
Escenario 30% 113
Escenario 50% 198
Escenario 70% 272
Tabla 4-6 Resultados indicador DEVE
Figura 4-7 Resultados gráficos indicador DEVE
0
50
100
150
200
250
300
Caso Base Escenario30%
Escenario50%
Escenario70%
Em
isio
ne
s
[kg
CO
2e
q/d
ía]
Escenarios
55
Con este indicador se demuestra el beneficio ambiental debido al cambio de un
vehículo convencional por otro eléctrico, pues en cualquiera de los tres escenarios
se reducen más de 100 kgCO2eq diariamente, aumentando el beneficio ambiental
a medida que aumenta el porcentaje de VE.
4.4 Evaluación de la eficiencia energética para el eje
económico
Indicador CEAT
Los resultados de este indicador determinan los costos por consumo de energía,
como se observa en la Tabla 4-7 y en la Figura 4-8.
El precio del kWh corresponde al mes de septiembre de 2016, el cual es de $ 444,5
COP para el sector residencial estrato 4 [40].
ESCENARIOS CEAT [$ COP/día]
CEAT [$ COP/mes]
Caso Base $296.632 $8.898.965
Escenario 30% $362.639 $10.879.168
Escenario 50% $412.266 $12.367.968
Escenario 70% $455.454 $13.663.620
Tabla 4-7 Resultados indicador CEAT
Figura 4-8 Resultados gráficos indicador CEAT, en miles de pesos y millones de pesos, respectivamente.
$-
$100
$200
$300
$400
$500
Caso Base Escenario30%
Escenario50%
Escenario70%
Co
sto
s d
e e
ne
rgía
[Mil
es C
OP
/d
ía]
Escenarios
$-
$2
$4
$6
$8
$10
$12
$14
$16
Caso Base Escenario30%
Escenario50%
Escenario70%
Co
sto
s d
e e
ne
rgía
[Mil
lon
es C
OP
/m
es]
Escenarios
56
Como se puede observar, lo que paga el conjunto, incluyendo la energía consumida
por cada apartamento, la energía consumida con la recarga del VE y las zonas
comunes, aumenta con respecto al caso base de la misma manera en que aumentó
el indicador ECAT.
Reducción de costos en gasolina por el cambio de vehículo
convencional a VE.
Para realizar el cálculo de la reducción de costos en gasolina, se requiere de la
siguiente información:
Promedio de kilómetros recorridos por cada galón de gasolina en ciudad: De
acuerdo a [64], un vehículo de motor de combustión interna consume en 100
Km recorridos aproximadamente 1,8 galones de gasolina (dato orientativo
medio del mercado de coches). Por lo tanto, de acuerdo a ésta información,
un vehículo promedio recorre 55,5 Km/galón.
Precio de gasolina para mes de septiembre de 2016 (teniendo en cuenta que
para los cálculos de costos de energía se utiliza también el precio de energía
para el mes de septiembre de 2016): $7.934 COP [65].
En la Tabla 4-5, se determina la cantidad de kilómetros recorridos por el total de
vehículos en cada escenario, lo cual se divide en el promedio de consumo de
gasolina (55,5 Km/galón), para obtener los galones de gasolina consumidos por
cada escenario (30%, 50%, 70%).
Escenarios Galones totales al día
Costos en gasolina [$ COP/día]
Galones por
vehículo al día
Costos en gasolina por vehículo convencional [$
COP/día]
30% 21 $169.845 0,9 $7.077
50% 38 $297.542 0,9 $7.439
70% 52 $408.672 0,9 $7.298
Tabla 4-8 Costos en gasolina por vehículo convencional en cada escenario
57
El promedio general de costos en consumo de gasolina por usuario es de $7.271
COP/día.
Por otra parte, se requiere determinar los costos por la recarga de los VE, lo cual se
presenta en la Tabla 4-9.
Escenarios Costos por recarga de cada VE
[$ COP/día]
30% $ 2.750
50% $ 2.891
70% $ 2.836
Tabla 4-9 Costos por recarga de cada VE
Por lo cual, en promedio, el costo por la recarga de cada VE es de $2.826 COP/día.
El ahorro económico por cambio de tecnología de un vehículo convencional a VE al
día es de: $ 4.445 COP/día.
Para cada porcentaje de entrada de VE, el ahorro en compra de combustible se
encuentra en la Tabla 4-10.
Escenarios Ahorro en combustible total al día
[$ COP/día]
Porcentaje de ahorro [%]
30% $106.688 63%
50% $177.813 60%
70% $248.938 61%
Tabla 4-10 Ahorro en compra de combustible por cada porcentaje de entrada de VE.
Este análisis se da en un escenario ideal, sin tener en cuenta la inversión inicial
ocasionada por la compra del VE.
Teniendo en cuenta lo anterior, también se realizan los cálculos en los cuales se
incorpora el costo de VE, para poder evaluar en un escenario más realista si existe
en realidad ahorro económico al realizar este tipo de sustitución tecnológica.
Para llevar a cabo este procedimiento se debe tener en cuenta la siguiente
información:
58
El precio del VE iMiev de Mitsubishi modelo 2016 es de $ 98’750.460 COP
[66].
El precio del VE convencional equivalente
El ahorro en costos de combustible obtenido anteriormente de $ 4.445 COP
al día, que equivale a un ahorro anual de $1’622.425 COP.
A partir de esta información se tiene que, si el usuario compra el VE realizando la
inversión total, se presenta un tiempo de retorno de la inversión de 61 años.
Sin embargo, al realizar la sustitución de tecnología de vehículo convencional a VE,
se encuentra que si se hace la venta del vehículo convencional con el fin de
disminuir la inversión inicial por la compra del VE se llega a los datos presentados
en la Tabla 4-11.
Marca del Vehículo
Precio Vehículo
Convencional
precio de VE Imiev
Mitsubishi Diferencia
Ahorro Económico por cambio
de tecnología al
año
Tiempo de retorno de
la inversión en años
Chevrolet Sail $37.230.000 $98.750.460 $ 61.520.460 $ 1.622.425 38
Chevrolet Spark $32.900.000 $98.750.460 $ 65.850.460 $1.622.425 41
Chevrolet Spark GT $30.700.000 $98.750.460 $ 68.050.460 $1.622.425 42
Ford Fiesta $52.990.000 $98.750.460 $ 45.760.460 $1.622.425 28
Kea Picanto $31.900.000 $98.750.460 $ 66.850.460 $1.622.425 41
Kia Rio Spice $39.700.000 $98.750.460 $ 59.050.460 $1.622.425 36
Mazda 3 $51.000.000 $98.750.460 $ 47.750.460 $1.622.425 29
Nissan March $28.300.000 $98.750.460 $ 70.450.460 $1.622.425 43
Renault Logan $29.900.000 $98.750.460 $ 68.850.460 $1.622.425 42
Renault Sandero $42.990.000 $98.750.460 $ 55.760.460 $1.622.425 34
Tabla 4-11 Tiempo de retorno de la inversión si se realiza cambio de vehículo.
4.5 Conclusión del capítulo
Los diferentes indicadores analizados tienen una tendencia lineal. Por tal razón, es
necesario implementar planes de ahorro energético y de EE, para contrarrestar los
efectos negativos que ejerce la entrada de VE sobre los indicadores y potenciar más
59
los efectos positivos, como lo es la disminución de emisiones contaminantes y la
disminución en costos de combustible.
60
CAPITULO 5
PLAN DE MEJORA DE LA EFICIENCIA ENERGÉTICA
En este capítulo se evalúan posibles soluciones relacionadas con mejoras en la EE
y se analizan los resultados por medio de los indicadores previamente establecidos,
los cuales varían al realizar un plan de mejora. Esta parte del estudio se ha basado
en la normatividad vigente y en proyectos que tienen características similares, para
así poder llegar a la solución más adecuada.
5.1 Planes de mejora
Un plan de mejora de la eficiencia energética consiste en fomentar el ahorro de
energía y mejorar la EE, satisfaciendo la demanda energética de cada usuario [67],
permitiendo así mismo la disminución de emisiones de gases contaminantes a la
atmosfera con respecto al consumo energético [68].
En Colombia, programas como el PROURE, se orientan principalmente a la mejora
de la eficiencia energética del país, por cada sector de consumo, en función de la
identificación de potenciales y metas de ahorro energético y participación de
diferentes tecnologías más eficientes [13].
Es así como el PROURE y la ley 1715 de 2014, incentivan al gobierno a expedir el
Reglamento Técnico de Etiquetado (RETIQ), con el fin de establecer medidas para
fomentar el Uso Racional de la Energía (URE) en productos que usan energía
eléctrica y gas combustible, mediante el establecimiento y uso obligatorio de
etiquetas que informan el desempeño de los equipos con respecto a su consumo
energético [13, 14, 69].
De acuerdo al RETIQ, el etiquetado de equipos de uso final previene prácticas que
puedan inducir al error a los consumidores, brindando oportunamente la información
suficiente del desempeño energético de los equipos de uso final de energía que
61
pretenden adquirir. Además, de ésta manera se garantiza a nivel general el
abastecimiento energético mediante el uso de equipos que apliquen el URE [69].
Complementariamente, se impulsa la utilización de tecnología eficiente, orientando
la preferencia de los usuarios hacia la compra de equipos de mejor desempeño
energético, incrementando la oferta y demanda de equipos eficientes [69].
El etiquetado de los equipos de uso final contiene una escala tanto de colores como
de porcentajes de consumo energético, clasificada por letras desde la A hasta la G,
la cual se observa en la Figura 5-1 [67, 69, 70].
Figura 5-1 Escala de etiquetado energético, adaptada de [68, 70].
Al año 2015, el potencial de ahorro de energía eléctrica estimado por la UPME
para el sector residencial fue de 10,6% y la meta de ahorro de energía de 8,7%.
La UPME realizó la proyección de esta meta a 6 años, igualmente, este plan de
acción tiene visión al 2025. Para lograr dicha meta, se crearon programas
estratégicos prioritarios y líneas de acción por cada programa [13]. Los
Clase A (Los más eficientes): consumo de energía inferior al 55% del consumo medio de los aparatos tradicionales.
Clase B: gastan entre el 55% y el 75% de consumo medio.
Clase C: gastan entre el 75% y el 90% de consumo medio.
Clase D: gastan entre el 90% y el 100% de consumo medio.
Clase E: gastan entre el 100% y el 110% de consumo medio.
Clase F: gastan entre el 110% y el 125% de consumo medio.
Clase G (Los menos eficientes): gastan más del 125% de consumo medio.
62
programas realizados por la UPME más representativos para el presente estudio
y denominados como sustitución de tecnología, son los siguientes [13]:
Sustitución de luminarias
Uso eficiente de energía en equipos de refrigeración y aire acondicionado
doméstico
Hornillas eficientes
Así mismo, en la Universidad Distrital Francisco José de Caldas se han realizado
estudios acerca del uso racional y eficiente de la energía en edificios públicos en
Colombia [19], implementación de indicadores energéticos en centros educativos
[23], evaluación de indicadores de EE en edificios residenciales con entrada de VE
y planes de mejora de la EE para los usuarios [55], y estudios de proyección de la
demanda de energía basada en los hábitos del consumo en el sector residencial
[71]. Otros estudios particulares presentan el análisis de la EE en los hogares a
través de indicadores [72].
Los resultados de estos estudios previos, permiten visualizar soluciones efectivas
para promover el ahorro energético y aumentar la EE. Conforme a estos resultados,
para lograr ahorro de energía es fundamental que el usuario adopte conciencia con
respecto a sus hábitos de consumo [68, 72, 71]. En el mismo orden, mejorar la EE
implica reducir la cantidad de energía necesaria para satisfacer las necesidades del
usuario, sin que esto afecte su calidad de vida. Para ello, a nivel de usuario
residencial, lo más apropiado es sustituir equipos poco eficientes, por nuevos que
garanticen las mismas prestaciones, consumiendo menos energía eléctrica [68].
Para realizar el plan de mejora más adecuado, se combinan las dos soluciones
mencionadas anteriormente. Esto debido a que la energía consumida depende de
la potencia (electrodomésticos) y las horas de uso (hábitos de consumo) [67]. Por
lo tanto, son complementarias pues de nada sirve disminuir la potencia por medio
de la sustitución de equipos, si los hábitos de consumo son desmedidos permitiendo
malgastar energía [68].
63
Programas de concientización y buenas prácticas para el ahorro
de energía
Los programas de concientización no requieren de una inversión a nivel de usuario,
pues el recurso utilizado para éste son las buenas prácticas para el ahorro de
energía. En este plan, el ahorro depende de si el usuario acata las recomendaciones
realizadas.
En [71] se analizan diferentes escenarios de hábitos de consumo y se determina la
energía que se puede reducir con diferentes prácticas de ahorro energético. Por
ejemplo, reducir un 10% el consumo del grupo de dispositivos de iluminación entre
las 5:00 - 7:00 y las 18:00 - 21:00, da como resultado una disminución de energía
consumida del 2,99% respecto al escenario base.
Realizando prácticas como la anteriormente mencionada, y otras más, se reduce el
consumo energético sin necesidad de realizar una inversión elevada. Por otra parte,
de acuerdo a [72], en hogares estudiados y medidos antes y después de incentivar
a los usuarios a realizar buenas prácticas de ahorro energético, se obtuvo un ahorro
aproximado de energía eléctrica de 1 kWh/día [72].
Para realizar este plan, se cuenta con diferentes consejos sencillos de buenas
prácticas los cuales se presentan en la Figura 5-2 [67, 73].
64
Figura 5-2 Buenas prácticas para el ahorro de energía [67, 73]
• Apague los bombillos de las habitaciones cuando se queden vacías.
• Aproveche al máximo la luz natural.
• Dejar colores claros en las paredes.
• Limpiar periódicamente las lámparas y luminarias para aumentar la luminosidad
Iluminación
• Evite abrir varias veces la puerta de la nevera sin necesidad.
• Evite introducir alimentos calientes a la nevera.
• Mantenga en óptimas condiciones el caucho de la puerta de la nevera.
• En Bogotá, el termostato de la nevera debe estar preferiblemente en nivel 3 para mantener una temperatura estable sin consumir más energía de la necesaria.
• Utilice la lavadora en su capacidad completa.
Equipos de refrigeración y de
lavado
• Al cocinar tape las ollas para no desperdiciar calor ni energía.
• Utilice el calor residual de la plancha para planchar la última prenda.
• Reúna siempre la mayor cantidad de ropa para plancharla de una sola vez.
• Utilice el calor residual de la sanduchera.
Equipos de calor
• Evite dejar el cargador del celular y del computador conectado sin utilizarlo.
• Si no requiere el computador apague el monitor.
• Evite dejar encendidos equipos como televisores sin usarlos.
• Si sale por varios días puede desconectar los aparatos que no requieran un uso continuo de energía.
Otros electrodomésticos
65
Sustitución tecnológica
La sustitución de la tecnología en electrodomésticos, pretende conseguir mejoras
en la EE para los usuarios, sin disminuir su confort, permitiendo a los usuarios
reducir sus consumos energéticos y así los costos en la factura de energía [19].
Este plan de mejora de la EE, requiere de una inversión por parte del usuario, quien
debe asumir los costos iniciales y esperar el retorno de la inversión realizada en un
periodo de tiempo determinado. Al realizar la sustitución de tecnología, hay factores
que pueden influir en las decisiones del usuario como:
Valor total de la inversión inicial que está dispuesto a realizar.
Tiempo de retorno de la inversión.
Como se mencionó antes, se deben tener presente las etiquetas de EE de los
equipos de uso final de energía, para lo cual se muestra en la Figura 5-3 la etiqueta
que algunos electrodomésticos deben tener para que el usuario tome la decisión de
compra y sustitución.
Figura 5-3 Etiqueta de equipos y electrodomésticos, tomada de [70].
66
5.2 Ejecución de planes de mejora
En el proyecto de grado “Evaluación de demanda de energía eléctrica según hábitos
de consumo actuales en la ciudad de Bogotá” [74], del grupo de investigación
GESETIC de la Universidad Distrital Francisco José de Caldas, se realizaron
encuestas que permiten evidenciar los electrodomésticos que tienen los hogares y
la cantidad de los mismos. En la presente investigación se emplea la información
de cantidad de electrodomésticos por hogar para las encuestas realizadas en
estrato 4, que son 41.
Además, en el proyecto de grado titulado “Análisis y evaluación de los criterios para
el diseño de un sistema de protección interno contra rayos” [41], del grupo de
investigación GCEM de la Universidad Distrital Francisco José de Caldas, se
realizaron 14 encuestas a diferentes usuarios del conjunto residencial bajo estudio,
de las cuales se obtiene también información de los electrodomésticos más
utilizados por cada usuario.
Una vez agrupada la información de las dos encuestas, se obtiene el promedio de
los electrodomésticos más utilizados por hogar (Figura 5-4). Es importante señalar
que esta gráfica no representa la cantidad de electrodomésticos presentes en cada
hogar, sino, de acuerdo a la percepción de los usuarios, la distribución de
electrodomésticos en cuanto a su uso en el hogar.
Con respecto a los datos obtenidos, se evalúan las cargas que más afectan la EE
[55], teniendo en cuenta que algunas de éstas se pueden sustituir por
electrodomésticos más eficientes, de acuerdo al etiquetado energético [69, 71] o por
gasodomésticos.
67
Figura 5-4 Electrodomésticos más comunes, determinados por las encuestas
Se tiene en cuenta además que de acuerdo a las encuestas de [41] y [74] para
estrato 4:
Todos los hogares tienen nevera.
El 98% de los hogares tiene lavadora.
El 22% de los hogares tiene ducha eléctrica, el 51% tiene calentador a gas y
el 11% no tiene ningún tipo de calentador de agua.
El 5% de hogares utilizan aún luminarias incandescentes, el 20% utiliza entre
luminarias incandescentes y fluorescentes compactas, el 21% utiliza
iluminación led, y el 54% utiliza luminarias fluorescentes compactas.
Para lograr una sustitución objetiva, se presentan los siguientes casos, basados en
la información recolectada.
Caso 1: Para un usuario que sustituya la lavadora, la nevera, ducha eléctrica
y 80% de luminarias por iluminación led.
Bombillas 44%
Televisores 9%
Lavadora 3%
Nevera 3%
Plancha 3%
Ducha eléctrica 3%Computador 9%
Celulares
(Cargadores)9%
Secador Cab 3%
Plancha
cabello 3%
Microondas 3%
Licuadora 3%
Sanduchera 3%
Aspiradora 3%
Otros 18%
68
Caso 2: 20% de los hogares del conjunto reemplazan sus neveras por unas
más eficientes.
Caso 3: 20% de los hogares reemplazan las lavadoras por lavadoras más
eficientes.
Caso 4: El 22% de los hogares reemplaza la ducha eléctrica por calentador
a gas.
Caso 5: El 79% de los hogares reemplazan 100% de las luminarias por
luminarias led. Este porcentaje se determina a través de la suma de los
hogares mencionados anteriormente que utilizan otro tipo de iluminación.
Las cargas que se proyectan para la sustitución son:
ELECTRODOMÉSTICOS SUSTITUCIÓN TECNOLÓGICA
Lavadora:
Cambiar el electrodoméstico actual por
una lavadora con EE clase A, la cual, de
acuerdo a su etiqueta de EE consume en
14 ciclos de uso aproximadamente 12
kWh/mes, equivalente a 0,4 kWh/día.
Costo: $744.000 COP.
Figura 5-5 Etiqueta EE para cambio de lavadora
69
Nevera:
Se cambia el electrodoméstico actual por
una nevera clase A, la cual, de acuerdo
a la etiqueta de EE consume
aproximadamente 14,8 kWh/mes,
equivalente a 0,493 kWh/día en
promedio.
Costo: $729.900 COP
Figura 5-6 Etiqueta de EE para cambio de nevera
Ducha eléctrica:
Se cambia la ducha eléctrica por un calentador a gas, el cual no tiene consumo
de energía eléctrica.
Costo: $499.900 COP
Luminarias:
Teniendo en cuenta que se busca aumentar la eficiencia energética, se realiza un
cambio de luminarias a tecnología led comerciales en Colombia, se utilizan varias
luminarias led, con diferentes potencias y costos.
Tabla 5-1 Electrodomésticos sustitución tecnológica
Las demás cargas no sufren ningún cambio tecnológico.
Procedimiento
Para el caso 1, como se describió anteriormente se realizan los tres planes de
mejora. Para el plan de buenas prácticas se utiliza la referencia [72] de ahorro
energético en un día por la implementación de este plan. A partir de ello, se obtiene
el porcentaje de ahorro energético y el ahorro económico. Para el plan de sustitución
de tecnología se determinan por medio de las ecuaciones (5-1), (5-2) y (5-3) los
resultados. Para el plan combinado se realiza la suma del ahorro de las buenas
70
prácticas y del ahorro de la sustitución tecnológica y se determinan los demás
valores por medio de las ecuaciones (5-2) y (5-3).
Para los casos 2 al 5, los cuales hacen alusión a todo el conjunto, se realiza
solamente el plan de sustitución tecnológica de acuerdo a los criterios establecidos
en cada caso. Primero se define el ahorro energético, económico y tiempos de
retorno de la inversión por usuario que realice cada caso y luego se realiza el cálculo
para cada porcentaje de usuarios del conjunto que ejecute el plan, determinando a
nivel de área total el porcentaje de ahorro energético.
Para determinar de manera más real los resultados, se utilizan diferentes marcas
de cada tipo de electrodoméstico con diferentes potencias. Cada vez que se realice
un ejercicio, se obtendrán valores diferentes debido a la variación en los
electrodomésticos de forma aleatoria dentro del algoritmo.
5.2.1.1 Calculo de ahorro de energía y costos
Para realizar el reemplazo de la nevera y la lavadora, las cuales están dentro de los
equipos etiquetados de acuerdo al RETIQ [69], se tiene en cuenta el consumo de
energía representado en kWh/mes, kWh/día o kWh/año. Estos valores se toman
como referencia para realizar el estudio [75]. Para calcular el ahorro energético total
debido al cambio de tecnología, se utiliza la ecuación (5-1).
𝐴ℎ𝑜𝑟𝑟𝑜 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑢𝑚𝑜 𝑑𝑒 𝑒𝑛𝑒𝑟𝑔í𝑎 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 = (𝐸𝐶𝑈) − (𝐸𝑆𝑇) (5-1)
Dónde:
Ahorro consumo de energía total: Representa el ahorro alcanzado debido a
la estrategia de sustitución tecnológica.
ECU: Indicador energía consumida por usuario al día (sección 2.4.1).
EST: Energía consumida con la estrategia de sustitución de tecnología
implementada para cada escenario de sustitución tecnológica anteriormente
mencionado.
71
Teniendo en cuenta lo anterior, para determinar el ahorro económico total se
presenta la ecuación (5-2).
𝐴ℎ𝑜𝑟𝑟𝑜 𝑒𝑐𝑜𝑛ó𝑚𝑖𝑐𝑜 = 𝐴ℎ𝑜𝑟𝑟𝑜 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑢𝑚𝑜 𝑑𝑒 𝑒𝑛𝑒𝑟𝑔í𝑎 ∗ 𝑃𝑟𝑒𝑐𝑖𝑜 𝑘𝑊ℎ (5-2)
Para determinar el tiempo de retorno de la inversión del usuario se utilizan los
precios de cada electrodoméstico y el ahorro económico en consumo de energía de
la siguiente manera, ecuación (5-3):
𝑇𝑖𝑒𝑚𝑝𝑜 𝑟𝑒𝑡𝑜𝑟𝑛𝑜 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑖𝑛𝑣𝑒𝑟𝑠𝑖ó𝑛 = (𝑃𝑇𝐸
𝐴𝐶𝐸)
(5-3)
Dónde:
Tiempo retorno de la inversión: es el tiempo en años requerido para que el
usuario recupere el valor de su inversión inicial y comience a generar
ganancias.
PTE: Precio total de los electrodomésticos adquiridos.
ACE: Ahorro en costos del consumo de energía al año.
Caso 1: Para un usuario que sustituya la lavadora, la nevera, ducha
eléctrica y 80% de luminarias por iluminación led.
Buenas prácticas
De acuerdo con el ahorro energético alcanzado en [72] de 1 kWh/día, si cada
usuario del conjunto residencial implementara las buenas prácticas energéticas de
la Figura 5-2, y sin realizar sustitución tecnológica, consumiría al día en promedio
4,85 kWh/día con un ahorro de 17% de energía.
Sustitución tecnológica
Este ejercicio se realiza teniendo en cuenta diferentes marcas de cada
electrodoméstico, con diferentes potencias; por lo cual, los resultados a
continuación mostrados representan una simulación. Es importante conocer que
72
cada vez que se corra el ejercicio, los valores van a cambiar de acuerdo al cambio
de los electrodomésticos.
En la Figura 5-7 se observan los electrodomésticos sustituidos, que representan un
consumo total de 1,11 kWh/día.
Figura 5-7 Consumo de energía debido a cargas residenciales con sustitución de electrodomésticos
La energía total al día por usuario con la estrategia de mejora debe sumar los
electrodomésticos sustituidos y las cargas que no fueron sustituidas. En la Figura
5-8 se observan los consumos de las cargas no sustituidas [55], a partir de la cual
se establece que su consumo energético al día es de 2,9 kWh.
En total, con la estrategia de sustitución tecnológica para un usuario, se obtiene que
la energía consumida al día por un usuario promedio es de 4,01 kWh/día.
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
Nevera Lavadora 80%luminarias
led
Calentadorgas
Co
nsu
mo
de e
nerg
ía
[kW
h/d
ía]
Electrodomésticos con sustitución tecnológica
73
Figura 5-8 Electrodomésticos que no son sustituidos y su consumo de energía
Para determinar el ahorro energético con la estrategia de sustitución tecnológica
para un usuario, se utiliza la ecuación (5-1) y el indicador ECU (Energía consumida
por usuario) como caso base, ya que en éste se presenta la energía consumida por
usuario sin la entrada de VE. Bajo estas condiciones se obtiene un ahorro
energético de 1,84 kWh/día, lo cual representa un porcentaje de ahorro de energía
del 31%.
El ahorro económico obtenido por el cambio de tecnología se realiza con la ecuación
(5-2), obteniendo un ahorro de $ 819,21 COP al día. En consecuencia, el ahorro en
cada mes es de $ 24.576,2 COP.
Para determinar el retorno de la inversión se tiene en cuenta el precio de cada
electrodoméstico sustituido, el ahorro de costos por cada mes y se realiza la
operación de la ecuación (5-3), lo cual da como resultado un tiempo de retorno de
7 años y 7 meses. Una vez cumplido este periodo, el usuario obtiene ganancias
económicas en función del ahorro por mes.
00,10,20,30,40,50,60,7
Co
nsu
mo
de e
nerg
ía [
kW
h/d
ía]
Electrodomésticos no sustituidos
74
Combinación de los dos planes
Para realizar el plan de mejora más adecuado, es necesario combinar la sustitución
tecnológica y las buenas prácticas, de lo cual resulta un ahorro en energía
consumida de 2,84 kWh/día aproximadamente y un porcentaje de ahorro de hasta
el 49% con respecto al caso base.
El ahorro económico diario, combinando los dos planes, es de $1.262 COP,
equivalente a un ahorro al mes de $37.867 COP. El tiempo de retorno de la inversión
en la sustitución tecnológica es de 4 años y 11 meses aproximadamente, realizando
la combinación de ambos planes de mejora.
La Tabla 5-2 muestra un resumen de los resultados principales para el caso 1.
PLANES DE MEJORA CASO 1
Buenas prácticas
Ahorro energético [kWh/día] 1
Porcentaje de ahorro [%] 17%
Ahorro económico al mes [$ COP/mes] $ 13.334
Sustitución tecnológica
Ahorro energético [kWh/día] 1,84
Porcentaje de ahorro [%] 31%
Ahorro económico mes [$ COP/mes] $ 24.576
Tiempo retorno de la inversión años 7 años 7 meses
Plan combinado
Ahorro energético [kWh/día] 2,84
Porcentaje de ahorro [%] 49%
Ahorro económico mes [$ COP/mes] $ 37.867
Tiempo retorno de la inversión años 4 años 11 meses
Tabla 5-2 Resumen resultados de planes de mejora para caso 1
5.2.2.1 Caso 2: 20% de los hogares reemplazan sus neveras por unas más
eficientes.
Para este caso, se tiene en cuenta que el 20% de los hogares del conjunto realizan
un cambio de sus neveras por unas más eficientes. Por lo cual, se debe determinar
primero el ahorro energético por usuario, el cual es de 0,37 kWh/día con un
porcentaje de ahorro del 6,27%.
75
El ahorro económico es de $163 COP/día, equivalente a $4.889 COP/mes, lo cual
indica que el tiempo de retorno de la inversión para este caso es de 12 años 6 meses
por usuario.
Si el 20% de usuarios deciden cambiar su nevera, el ahorro energético a nivel del
conjunto residencial, es decir teniendo en cuenta todas las áreas del mismo es de
0,88%.
5.2.2.2 Caso 3: 20% de los hogares reemplazan las lavadoras por lavadoras
más eficientes.
El 20% de los hogares del conjunto decide reemplazar las lavadoras por unas más
eficientes, de lo cual se obtienen los siguientes resultados:
A nivel de usuario, el ahorro energético es de 0,415 kWh/día, equivalente al 7,10%
respecto al caso base.
El ahorro económico que se obtiene a partir de este cambio es de $ 185 COP/día,
equivalente a $ 5.540 COP/mes, con un tiempo de retorno de la inversión de 11
años y 3 meses para cada usuario.
Teniendo un 20% de usuarios que decidan realizar sustitución de lavadora, con
respecto al total del conjunto residencial en su caso base, se obtiene un ahorro de
energía de 1%.
5.2.2.3 Caso 4: El 22% de los hogares reemplaza la ducha eléctrica por
calentador a gas.
Para este caso, el ahorro en consumo de energía es de 0,87 kWh/día con un
porcentaje de ahorro de 14,87%.
Se obtiene con este cambio un ahorro económico de $ 387 COP/día, y $ 11.607
COP/mes, lo cual equivale a un tiempo de retorno de la inversión de 3 años y 8
meses.
76
5.2.2.4 Caso 5: El 79% de los hogares reemplazan 100% de las luminarias
por luminarias led.
Para un usuario que reemplace las luminarias, se obtiene un ahorro de energía de
0,48 kWh/día con un porcentaje de ahorro energético de 8,34%.
Se establece además un ahorro económico de $ 217 COP/día, equivalente a $
6.506,7 COP/mes, y un tiempo de retorno de la inversión de 2 años y 2 meses.
En resumen, la Tabla 5-3 muestra los resultados de los casos 2 al 5 con respecto al
caso base.
Casos Ahorro energía
[kWh/día]
Porcentaje de ahorro
[%]
Ahorro económico al
mes [$ COP/mes]
Tiempo de retorno de
la inversión
Porcentaje de ahorro por
área total [%]
Caso 2
0,37 6,27% $4.889 12 años 6
meses 0,89%
Caso 3
0,415 7,10% $5.540 11 años 3
meses 0,99%
Caso 4
0,87 14,87% $11.607 3 años 8 meses
2,29%
Caso 5
0,48 8,34% $6.506,70 2 años 2 meses
4,55%
Tabla 5-3 Resumen resultados de los casos 2 al 5
De acuerdo a los resultados de la Tabla 5-3 se puede concluir que la mejor opción
en cuanto a sustitución tecnológica para un usuario es la del caso 5: reemplazo de
luminarias por led, debido a que es el segundo mayor porcentaje de ahorro y
además tiene tiempos de recuperación de la inversión más favorables con respecto
a los demás casos. Para el área total, el caso 5 representa el mayor ahorro con un
4,55%, teniendo en cuenta que un 79% de los usuarios realicen cambio de
iluminación.
77
5.3 Evaluación de la eficiencia energética implementando
planes de mejora
En esta sección se evalúan los indicadores de EE afectados por los planes de
mejora, así: sustitución tecnológica, buenas prácticas de ahorro de energía, y la
combinación de los mismos.
Para ello se realiza el mismo procedimiento del CAPITULO 4, pero se sintetizan los
resultados en una tabla comparativa, teniendo presente la primera evaluación
realizada sin planes de mejora.
Evaluación eje técnico con planes de mejora
Para este eje se tienen tres indicadores, de los cuales el indicador CEPVE
(Consumo de energía por porcentaje de entrada de VE) no se ve afectado al
implementar los planes de mejora, por lo cual para este procedimiento se descarta
el CEPVE.
En las Tabla B. 1 y Tabla B. 2 del ANEXO B, se detalla la variación de los resultados
al implementar planes de mejora para los usuarios.
Para el indicador ECU, se evaluaron los 5 casos teniendo como caso base 5,85
kWh/día sin plan de mejora, a partir del cual se obtiene el mayor ahorro en el plan
combinado del caso 1 con un porcentaje de 49%. Sin embargo, el caso 1 es un caso
extremo en el cual el usuario hace reemplazo de cuatro diferentes tecnologías de
electrodomésticos, por lo cual es un resultado poco realista. Así, el siguiente
resultado es el obtenido en el caso 4, con un porcentaje de ahorro de 14,87% por
usuario que decida cambiar una ducha eléctrica por calentador a gas. Con respecto
a los escenarios de entrada de VE aumentan o disminuyen linealmente de acuerdo
a su respectivo caso base como se observa en la Figura 5-9.
78
Figura 5-9 Resultados indicador ECU con planes de mejora.
Para el indicador ECAT, se obtuvieron los resultados totales de acuerdo a cada caso
implementado, desde el caso 2 al 5, y teniendo en cada caso el porcentaje de
usuarios que realizan el cambio. En la Figura 5-10 se observa el resultado de este
indicador.
Figura 5-10 Resultados indicador ECAT
0
2
4
6
8
10
12
En
erg
ía [
kW
h/d
ía]
Casos
Caso Base Escenario 30% Escenario 50% Escenario 70%
0
200
400
600
800
1000
1200
Caso 2 Caso 3 Caso 4 Caso 5
En
erg
ía [
kW
h/d
ía]
Casos
Caso Base Escenario 30% Escenario 50% Escenario 70%
79
Se observa que el caso 5 obtiene el mayor ahorro en consumo de energía con un
porcentaje de 4,55%, teniendo en cuenta que es mayor el porcentaje de usuarios
que pueden realizar este cambio, además que es el cambio más económico.
Evaluación eje ambiental con planes de mejora
Para el caso del eje ambiental, de los dos indicadores seleccionados, solamente el
ECOU es útil para analizar los planes de mejora y sus implicaciones ambientales.
En la Tabla B. 3 del ANEXO B se muestra el indicador ECOU y los respectivos
resultados sin y con los planes de mejora implementados.
De acuerdo a la Figura 5-11 se determina que realizar cualquier plan de mejora de
los propuestos disminuye las emisiones de CO2; sin embargo, la combinación de
planes de mejora permite menores emisiones por energía consumida.
Figura 5-11 Resultados para el eje ambiental
80
Evaluación eje económico con planes de mejora
En la Tabla B. 4 del ANEXO B se observa los costos asociados al conjunto total,
implementando los planes de mejora de los casos 2 al 5.
Figura 5-12 Resultados eje económico
Al igual que en el indicador ECAT, el eje económico se ve más beneficiado con el
plan de mejora del caso 5, debido a que una gran cantidad de usuarios (79%)
cambian sus luminarias por luminarias led y además es el más económico y
representa tiempos de retorno de la inversión más bajos por usuario.
5.4 Conclusiones del capítulo
Para una mayor EE, se requiere no solo de la sustitución tecnológica, también de
buenas prácticas del ahorro de energía ya que de las horas de uso de cada equipo
depende también el consumo de energía eléctrica del mismo.
El plan combinado para la mejora de la EE resulta ser beneficioso tanto para evitar
un mal uso de la energía, como para mejorar la eficiencia de los electrodomésticos
y a su vez disminuir las emisiones de CO2 por consumo de energía eléctrica y los
costos por energía consumida.
$-
$2
$4
$6
$8
$10
$12
$14
Caso 2 Caso 3 Caso 4 Caso 5
CEA
T
[Millo
ne
s d
e $
CO
P/m
es]
Casos
Caso Base Escenario 30% Escenario 50% Escenario 70%
81
Además del plan combinado del caso 1, otro importante cambio que se realiza y
brinda resultados positivos por usuario es implementar sustitución de duchas
eléctricas por calentador de gas, lo cual disminuye el consumo de energía eléctrica
de cada usuario que realice el plan.
A nivel de área total, el mejor plan que se puede realizar es el de cambio de
luminarias, ya que resulta más económico para los usuarios. Además, un 79% de
usuarios aún no tienen iluminación led de acuerdo a las encuestas, por lo que se ve
un potencial de ahorro importante.
83
CONCLUSIONES
Los indicadores de EE deben ser seleccionados a partir de unos criterios
mínimos, ya que es por medio de ellos que se puede medir el comportamiento de
una variable en un periodo determinado. Estos indicadores son útiles ya que por
medio de su comportamiento se pueden tomar acciones que permitan mejorar el
rendimiento para cada eje fundamental.
La evaluación energética a partir de la recolección de datos con mediciones
permitió evidenciar la curva de carga para el conjunto residencial y así establecer
un caso base, en el cual el promedio de energía consumida al día por cada usuario
es de 5,85 kWh.
Es necesario adoptar procesos probabilísticos para determinar la demanda de
energía que es requerida para cada escenario de penetración de los VE, ya que no
hay datos históricos acerca de la demanda energética de VE en el país.
El eje técnico indica que con la entrada masiva de VE se afecta drásticamente
el consumo de energía habitual de cada usuario y así mismo del conjunto residencial
en general, a pesar de que las zonas comunes no varían.
Del eje ambiental se obtiene para el indicador ECOU que a mayor ingreso de
VE mayores son las emisiones de CO2 con respecto al caso base, pero con respecto
al cambio de tecnología realizado de vehículos convencionales a VE si se obtienen
diferencias positivas en las emisiones de CO2.
El segundo indicador ambiental (DEVE), determina cuánto se disminuirían las
emisiones de CO2 al cambiar de tecnología en el transporte privado de usuarios de
un conjunto residencial, demostrando que es altamente beneficioso para el medio
ambiente dicho cambio. Los valores de emisiones disminuidas sobrepasan los 100
kgCO2 al día, y se reducen en función del porcentaje de penetración de VE.
El indicador económico (CEAT) varía con respecto a la variación de la energía
consumida por área total de manera lineal, obteniendo a mayor porcentaje de
84
entrada de VE mayores costos en el consumo de energías. Sin embargo, cada
usuario que cambie un vehículo convencional por un VE puede obtener grandes
beneficios económicos por ahorro en consumo de combustible, logrando ahorrar
aproximadamente $ 4.445 COP/día, además que por área total a mayor porcentaje
de entrada de VE mayor es el ahorro en consumo de combustible.
Para realizar la sustitución tecnológica es importante conocer la inversión
requerida y el tiempo de retorno de la inversión. Un factor negativo es que los
tiempos de retorno de la inversión pueden ser bastante grandes, impidiendo al
usuario generar ganancias por su plan de mejora a corto plazo e influyendo en la
toma de decisiones por parte del usuario.
85
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[70] Ministerio de Minas y Energía, «Etiquetado energético Colombia,» Bogotá,
2016.
[71] A. Vega, F. Santamaria y E. Rivas, «Energy demand projection based on
consumption habits in the residential sector,» 2016.
[72] Y. Kumar y A. Needroo, «Anlaysis of energy performance of households using
energy performance indicators- A case study in Mauritius,» IEEE Conference
Publications, pp. 1-5, 2013.
[73] Enertotal, «Enertotal, Buenas prácticas para el ahorro de energía,» Enertotal,
[En línea]. Available: http://www.enertotalesp.com/. [Último acceso: 10 2016].
[74] J. Lozano y W. Guzmán, «Evaluación de demanda de energía eléctrica según
hábitos de consumo actuales en la ciudad de Bogotá,» Gesetic, Bogotá, 2016.
[75] Unidad de planeación minero energética, «Normalización y etiquetado de
eficiencia energética en Colombia,» Bogotá, 2015.
[76] HT Italia, «Manual de instrucciones PQA400-PQA823-PQA824,» HT, Italia,
2013.
I
ANEXO A
CARACTERÍSTICAS TÉCNICAS PQA 824
Las características técnicas del PQA 824 son tomadas de [76].
Figura A. 1 PQA 824
Característica Escala Precisión Resolución Impedancia de
entrada
Tensión TRMS CA/CC fase-
neutro fase-tierra sistemas
monofásico/trifásico
0.0 ÷ 600V ± (0.5% de
lectura + 2
dígitos)
0.1V 10MΩ
Tensión TRMS CA/CC fase-
fase sistema trifásico
0.0 ÷ 1000V ± (0.5% de
lectura + 2
dígitos)
0.1V 10MΩ
Tabla A. 1 Especificaciones técnicas de mediciones de tensión.
II
Característica Escala Precisión
tensión
Precisión
tiempo
Resolución
Tensión Tiempo
Anomalías de tensión
fase-neutro-
monofásico/ trifásico
0.0 ÷
600V
± (1% de
lectura + 2
dígitos)
± 10ms 0.2V 10ms
Anomalías de tensión
– fase-fase sistema
trifásico sin neutro
0.0 ÷
1000V
± (1% de
lectura + 2
dígitos)
± 10ms 0.2V 10ms
Tabla A. 2 Especificaciones técnicas de anomalías de tensión.
Parámetro [W, VAr, VA]
Fondo Escala Pinza FE Escala
[W, VAr, VA] Precisión
Resolución [W, VAr, VA]
Potencia Activa
Potencia Reactiva Potencia Aparente
FE ≤ 1 A
0.0 – 999.9 1.000–9.999k
±(1.0%lect+6dgt)
0.1 0.001k
1A< FE ≤ 10 A
0.000 – 9.999k 10.00 – 99.99k
0.001k 0.01k
10A< FE ≤ 100 A
0.0 – 99.99k 100.0 – 999.9k
0.01k 0.1k
100A< FE ≤ 3000 A
0.0 – 999.9k 1.000 – 9.999M
0.1k 0.001M
Tabla A. 3 Especificaciones técnicas de mediciones de potencia.
Parámetro [Wh,VArh,VAh]
Fondo Escala Pinza FE
Escala [Wh, VArh, VAh]
Precisión
Resolución [Wh,VArh, VAh]
Energía Activa Energía Reactiva Energía
Aparente
FE ≤ 1 A
1.0 – 999.9 1.000–9.999k
±(1.0%lect+6dgt)
0.1 0.001k
1A< FE ≤ 10 A
0.000 – 9.999k 10.00 – 99.99k
0.001k 0.01k
10A< FE ≤ 100 A
1.0 – 99.99k 100.0 – 999.9k
0.01k 0.1k
100A< FE ≤ 3000 A
1.0 – 999.9k 1.000 – 9.999M
0.1k 0.001M
Tabla A. 4 Especificaciones técnicas de mediciones de energía.
III
ANEXO B
RESULTADOS DE INDICADORES CON PLANES DE
MEJORA
Para el caso 1 en el eje técnico.
Tabla B. 1 Resultados indicador ECU en el caso 1
Para casos 2, 3, 4 y 5 del eje técnico
Tabla B. 2 Resultados eje técnico para casos 2, 3, 4 y 5.
EscenariosSin plan
de mejora
Buenas
prácticasSustitución
Plan
combinado
Caso Base 5,85 4,85 4,01 3,01
Escenario 30% 7,71 6,71 5,87 4,87
Escenario 50% 9,11 8,11 7,27 6,27
Escenario 70% 10,32 9,32 8,48 7,48
CASO 1
ECU [kWh/día]
Escenarios Caso 2 Caso 3 Caso 4 Caso 5
Caso Base 5,48 5,44 4,98 5,37
Escenario 30% 7,34 7,29 6,84 7,23
Escenario 50% 8,74 8,69 8,24 8,63
Escenario 70% 9,95 9,90 9,45 9,84
Caso Base 661,49 660,77 652,10 637,08
Escenario 30% 810,00 809,28 800,61 785,59
Escenario 50% 921,66 920,94 912,27 897,25
Escenario 70% 1018,84 1018,12 1009,44 994,42
ECU [kWh/día]
ECAT [kWh/día]
IV
Para eje ambiental
Tabla B. 3 Resultados indicador eje ambiental afectado con el plan de mejora
Para eje económico
Tabla B. 4 Resultados indicador eje económico
Buenas
prácticas
Sustitución
de
tecnología
Plan
combinado
Caso Base 1,2 0,97 0,8 0,6 1,1 1,1 1,0 1,1
Escenario 30% 1,5 1,34 1,2 1,0 1,5 1,5 1,4 1,4
Escenario 50% 1,8 1,61 1,4 1,2 1,7 1,7 1,6 1,7
Escenario 70% 2,1 1,85 1,7 1,5 2,0 2,0 1,9 2,0
CON PLAN DE MEJORA
INDICADORESSIN PLAN
DE MEJORACASO 2 CASO 3 CASO 4 CASO 5
ECOU
[KgCO2eq/día]
Escenarios Caso 2 Caso 3 Caso 4 Caso 5
Caso Base 8.820.003$ 8.810.402$ 8.694.774$ 8.494.452$
Escenario 30% 10.800.199$ 10.790.599$ 10.674.971$ 10.474.648$
Escenario 50% 12.288.995$ 12.279.395$ 12.163.767$ 11.963.444$
Escenario 70% 13.584.642$ 13.575.042$ 13.459.414$ 13.259.092$
CEAT
[$COP/mes]
V
ANEXO C
EVENTO
Participación en 3er seminario de Movilidad Eléctrica de la Universidad Distrital
Francisco José de Caldas. (noviembre 2016)
PUBLICACIÓN
A. Quevedo, E. Suárez, S. Arias, F. Santamaría y J. Alarcon, «Assessment of energy
efficiency indicators on a residential building with plug in electrical vehicles and
energy plans for users,» IEEE Conference Publications, pp. 881-886, 2015.
VI
ANEXO D
TRABAJOS FUTUROS
Realizar la evaluación de la eficiencia energética, implementando modelos
de gestión de recarga del VE.
Extender el estudio de eficiencia energética a centros de recarga,
electrolineras, centros comerciales, entre otros.
Determinar nuevos indicadores que permitan la evaluación de la eficiencia
energética en un sistema de distribución con diferentes puntos de conexión
a la red.
Realizar una investigación extendida de los indicadores ambientales ECOU
y DEVE, presentando, por ejemplo: comparaciones de resultados con
respecto a otros sectores que emiten GEI, como es el agropecuario,
industrial, entre otros.
Proponer un protocolo mediante el cual se explique detalladamente la
importancia de las buenas prácticas y realizar un estudio en la ciudad de
Bogotá con mediciones iniciales en los usuarios, luego proponiendo el
protocolo de buenas prácticas a los usuarios por medio de programas de
concientización y midiendo de nuevo la energía consumida por los usuarios
para determinar su variación.
Realizar un estudio basado en mediciones reales de sustitución de luminarias
fluorescentes compactas por led.
Implementar dentro de los planes de mejora en un conjunto residencial la
entrada de energías renovables, evaluando la eficiencia energética para este
caso.