ENERGÉTICO EN SISTEMAS INDUSTRIALES MEDIANTE LA TECNICA CVR (CONSERVATION VOLTAGE REDUCTION) Fecha: Mayo de 2019 Documento: GE-INSSMN-ELE-07-CVR-0519 REV 0 Hoja: 1 de 28 GE-INSSMN-ELE-07-CVR-0519 INESSMAN ANÁLISIS DE VIABILIDAD DE IMPLEMENTAR PROYECTOS DE AHORRO ENERGÉTICOO EN SISTEMAS INDUSTRIALES MEDIANTE LA TECNICA CVR (CONSERVATION VOLTAGE REDUCTION) BOGOTA D.C., MAYO DE 2019
ENERGÉTICO EN SISTEMAS INDUSTRIALES MEDIANTE LA TECNICA CVR (CONSERVATION VOLTAGE REDUCTION) Fecha: Mayo de 2019 Documento: GE-INSSMN-ELE-07-CVR-0519 REV 0 Hoja: 3 de 28 GE-INSSMN-ELE-07-CVR-0519 ÍNDICE DE FIGURAS Pág. Figura.1 Perfil de carga empleado en la simulación//////.....////////.///..9 Figura.2 Sistema eléctrico simplificado para análisis de carga individual................................... 10 Figura.3 Sistema eléctrico simplificado para análisis de varias cargas..////////.//10 Figura.4 Simulación tensión barraje BT, carga del sistema grandes motores eléctricos//////////////////////////..////////.//12 Figura.5 Simulación consumo de potencia carga del sistema grandes motores eléctricos///////////////////////////////////./.13 Figura.6 Simulación tensión barraje BT, carga del sistema pequeños motores eléctricos//. 14 Figura.7 Simulación consumo de potencia carga del sistema pequeños motores eléctricos/. 14 Figura.8 Simulación tensión barraje BT, carga del sistema aires acondicionados////// 15 Figura.9 Simulación consumo de potencia carga del sistema aires acondicionados//..//16 Figura.10 Simulación tensión barraje BT, carga del sistema iluminación incandescente//.... 17 Figura.11 Simulación consumo de potencia carga del sistema iluminación incandescente/... 17 Figura.12 Simulación tensión barraje BT, carga del sistema iluminación fluorescente convencional ////////////.////.////////////////.//.18 Figura.13 Simulación consumo de potencia carga del sistema iluminación fluorescente convencional ////////////.////./////////////././///19 Figura.14 Simulación tensión barraje BT, iluminación fluorescente compacta///..//./.. 20 Figura.15 Simulación consumo de potencia carga del sistema, iluminación fluorescente compacta////////////////////////////////////. 20 Figura.16 Simulación tensión barraje BT, cargas combinadas (grandes motores eléctricos, aires acondicionados, iluminación fluorescente convencional)/.////////.///////21 Figura.17 Simulación tensión barraje BT, cargas combinadas (grandes motores eléctricos, aires acondicionados, iluminación fluorescente convencional)/.////////.///////22 Figura.18 Simulación tensión barraje BT, cargas combinadas (pequeños motores eléctricos, aires acondicionados, iluminación fluorescente compacta)/.////////.//////23 Figura.19 Simulación tensión barraje BT, cargas combinadas (pequeños motores eléctricos, aires acondicionados, iluminación fluorescente compacta)////////.///////. 23 Figura.20 Curva par motor vs deslizamiento//////.....////////.///.,//..25 Figura 21 Esquema variador de velocidad//////.....////////.//////...25
ENERGÉTICO EN SISTEMAS INDUSTRIALES MEDIANTE LA TECNICA CVR (CONSERVATION VOLTAGE REDUCTION) Fecha: Mayo de 2019 Documento: GE-INSSMN-ELE-07-CVR-0519 REV 0 Hoja: 5 de 28 GE-INSSMN-ELE-07-CVR-0519 ANÁLISIS DE VIABILIDAD DE IMPLEMENTAR PROYECTOS DE AHORRO ENERGÉTICOO EN SISTEMAS INDUSTRIALES MEDIANTE LA TECNICA CVR (CONSERVATION VOLTAGE REDUCTION) 1. OBJETO Determinar de manera objetiva la viabilidad al aplicar la técnica CVR (Conservation Voltage Reduction) en sistemas eléctricos de potencia de tipo industrial como una alternativa eficaz para obtener ahorros energéticos sin degradar la capacidad productiva de los mismos. 2. JUSTIFICACIÓN ELSPEC ha requerido a sus agentes, entre otros a INESSMAN para que promocionen la línea EQUALIZER como una alternativa para ahorrar energía en la industria. Algunos de los clientes que han sido contactados bajo este argumento solicitan información más amplia acerca de la manera en la que la compensación reactiva realmente puede lograr una mejora en cuanto a reducción de consumo y de costos de energía, pero la información comercial disponible no resulta ser suficiente ni adecuada para mostrar los beneficios indicados de una manera convincente. Por otra parte, la evaluación del potencial de ahorro se convierte en una suerte de caja negra, debido a que la mecánica que se ha establecido hasta ahora es la siguiente: a) Motivar a los clientes potenciales acerca de las bondades de implementar un proyecto de compensación dinámica con el fin de lograr una reducción representativa en la facturación de energía eléctrica. Para el efecto se plantea la posibilidad de adelantar mediciones en forma gratuita con el fin de estimar el potencial que, según la literatura y presentaciones suministradas para el efecto por parte de ELSPEC, puede alcanzar entre el 8 y el 10 % (en las presentaciones se habla de valores del 8 % y se muestran gráficas con valores del 10 %) b) Tomar un registro de alta resolución empleando equipos tales como el G4500 o sus semejantes de la familia G4K de ELSPEC o el PUREBB, también de ELSPEC. c) Enviar los resultados del mismo a la Casa Matriz de ELSPEC para el procesamiento de dicho registro con la consecuente generación de un reporte en el que se estima un potencial de ahorro de energía. d) Seleccionar un equipo de la gama de fabricación de ELSPEC o definición de un sistema especial, si a través del análisis realizado por la Casa Matriz se determina que ello es requerido, con la consecuente preparación de la propuesta comercial para el cliente. e) Plantear un esquema de amortización de la propuesta con base en el ahorro estimado según las tarifas de energía del operador de red respectivo (para este efecto se toma
ENERGÉTICO EN SISTEMAS INDUSTRIALES MEDIANTE LA TECNICA CVR (CONSERVATION VOLTAGE REDUCTION) Fecha: Mayo de 2019 Documento: GE-INSSMN-ELE-07-CVR-0519 REV 0 Hoja: 6 de 28 GE-INSSMN-ELE-07-CVR-0519 como base el basado en el potencial calculado con el fin de justificar el ROI del Proyecto). f) Una vez suministrado el sistema efectuar mediciones en condiciones similares a las iniciales con el fin de validar los resultados de la implementación según el estimado de la Fábrica. Esta mecánica tiene los siguientes inconvenientes: a) La literatura disponible para efectos de la promoción comercial plantea una posibilidad que genera expectativas importantes al Cliente (ahorros que, según se indica, eventualmente pueden llegar al orden cercano al 10 %), pero su contenido no da claridad con respecto a los fundamentos físicos que sustentan la efectividad de la solución para lograr una reducción en la demanda de energía. Así contrariamente a casos como el de la aplicación de la compensación dinámica de reactivos en procesos de soldadura de punto, en el que se puede justificar plenamente la influencia de la tensión en la calidad de la junta con base en el hecho de que existe una relación cuadrática entre la energía disponible para fusión y la tensión de alimentación, para la potencial aplicación de compensación dinámica para ahorro de energía mediante la reducción de la tensión de operación no hay claridad acerca de cómo se logra el efecto deseado, salvo la percepción intuitiva de que a menor tensión, hay una menor entrega de potencia a la carga. b) El agente, quien en últimas es el responsable de asesorar al cliente para determinar si la solución es aplicable o no y que también es el responsable de promover la marca y de defender la reputación de la misma, pierde completamente la conexión con el proceso de ingeniería del proyecto y por esa vía se reduce a ser un simple gestor que no tiene claridad de un proceso sobre el que ha adquirido una responsabilidad. c) Dado que el estimado de ahorro se hace a través de una aplicación desarrollada por ELSPEC a la que no tienen acceso ni sus propios agentes, no hay una trazabilidad del proceso de estimación de ahorros ni se puede hacer ninguna validación al respecto. Dicha trazabilidad sería deseable en la medida en que en la etapa de negociación las diferentes instancias en la compañía cliente suelen solicitar aclaraciones que necesariamente deben ser resueltas de manera rápida y contundente para evitar comprometer la viabilidad del Proyecto. d) Debido a que el agente adquiere un compromiso con el cliente en cuanto a lograr una reducción en el consumo de energía de su red eléctrica sin entrar a comprometer el desempeño de la misma, hay una responsabilidad sobre un resultado y ello puede determinar situaciones en las que el agente pueda ser llamado a responder de alguna manera si los ahorros no son los esperados (de hecho algunos clientes hablan de la posibilidad de pagar mensualmente la solución con el dinero ahorrado). ELSPEC ha planteado la posibilidad de manejar el tema como una suerte de “try-buy” (o más bien“si no te satisface lo devuelves”) pero en realidad no se conoce un esquema preciso para el manejo de este tipo de situaciones, de modo que el agente tiene un riesgo muy alto de
ENERGÉTICO EN SISTEMAS INDUSTRIALES MEDIANTE LA TECNICA CVR (CONSERVATION VOLTAGE REDUCTION) Fecha: Mayo de 2019 Documento: GE-INSSMN-ELE-07-CVR-0519 REV 0 Hoja: 7 de 28 GE-INSSMN-ELE-07-CVR-0519 quedar en medio de una situación incómoda y onerosa para él si el cliente genera un cuestionamiento acerca de la efectividad de la solución y decide que no está dispuesto a comprar el equipo porque no satisface las expectativas de ahorro que se le generaron. La situación descrita anteriormente justifica de manera plena el desarrollo de una metodología de análisis que permita que el agente de manera individual y sin que necesariamente medie el apoyo de la Fábrica (ELSPEC) pueda analizar la viabilidad de un proyecto de CVR y establecer las dimensiones de la solución de compensación dinámica (RTPFC) más adecuada para el efecto, de manera que tenga un mayor control sobre el proyecto en el que se encuentra involucrado y, a la vez, pueda defender con mayor facilidad su posición ante el cliente. 3. GLOSARIO Y/O DEFINICIONES Energía: Capacidad que tiene la materia de producir trabajo en forma de movimiento, luz, calor. Par Motor: Es el momento de fuerza que ejerce sobre el eje de transmisión de potencia o, dicho de otro modo, la tendencia de una fuerza para girar un objeto alrededor de un eje, punto de apoyo o de pivote. Potencia: Es la capacidad de trabajo por unidad de tiempo. Velocidad Angular: La magnitud que caracteriza la rapidez con la que varía el Angulo de barrido por la línea que une la partícula que gira con el centro de rotación ∆E%: Porcentaje cambio de energía. ∆V%: Porcentaje reducción de tensión. CVR: Conservation Voltage Reduction 4. HIPOTESIS El concepto de CVR puede aplicarse de manera indistinta a sistemas residenciales e industriales para obtener reducciones en los valores pico de demanda y, lo más importante, para reducir el consumo de energía activa. 5. PRINCIPIO DE OPERACIÓN El concepto de CVR en la práctica consiste en operar el sistema de transmisión o distribución de energía en la franja inferior de la banda de tolerancias de tensión, de modo que se tiene un voltaje promedio ligeramente menor al nominal con el propósito de reducir la potencia aportada por la red a las cargas del sistema (ello bajo la premisa de que la relación tensión corriente tiene un comportamiento aproximadamente lineal si no para la totalidad, al menos para un porcentaje significativo del total de las cargas).
ENERGÉTICO EN SISTEMAS INDUSTRIALES MEDIANTE LA TECNICA CVR (CONSERVATION VOLTAGE REDUCTION) Fecha: Mayo de 2019 Documento: GE-INSSMN-ELE-07-CVR-0519 REV 0 Hoja: 8 de 28 GE-INSSMN-ELE-07-CVR-0519 En la práctica, las estadísticas indican que con la aplicación de la técnica de reducción de tensión en sistemas de distribución se consiguen ahorros de energía entre el 1 y el 4% dependiendo de la reducción de la tensión de consigna (la cual se ubica entre el 97% y el 98 % cuando se aplica la técnica de CVR). La relación entre el ahorro de potencia activa y la disminución de tensión es el factor CVR, el cual corresponde a la sensibilidad de carga a voltaje en un dispositivo eléctrico; esto es definido mediante la expresión CVR = ∆ % ∆ % E.c.1 Al analizar el consumo de una bombilla incandescente se ilustra fácilmente el concepto del CVR. La bombilla incandescente es básicamente una resistencia y debido a ello la potencia entregada por ella varía con el cuadrado de la tensión. Por lo tanto al disminuir su voltaje de alimentación la energía consumida disminuirá en un proporción cuadrática de modo que una reducción de tan solo un 1% en la tensión deriva en una reducción del 2% en la energía total consumida por el dispositivo. En realidad, las bombillas incandescentes no son resistencias perfectas, porque la resistencia de la bombilla cambia a medida que la bombilla se calienta y en la práctica, a través de experimentos de laboratorio, se ha establecido que el factor CVR para una bombilla incandescente es alrededor de 1.5 debido a este efecto. El concepto del factor CVR es importante ya que este determina, según la naturaleza de los equipos de una instalación, cuál es el posible impacto en la demanda de potencia como consecuencia de la reducción en el voltaje de alimentación. 6. CONSIDERACIONES PREVIAS • Se considera dentro del análisis el sistema eléctrico correspondiente a una planta industrial, el cual es alimentado en la mayoría de los casos por un transformador con cambiador de tomas sin carga (no existe la posibilidad de ajustar la tensión en forma automática). • El método de cálculo desarrollado por INESSMAN se estructuró sobre el Sotfware NEPLAN y se basa en estimar el consumo de potencia de un sistema determinado, empleando el modelo exponencial para las cargas: P = P ∝ Q = Q ∝ ≥ 0 E.c.2 Esta metodología puede ser implementada empleando otras opciones de software desarrolladas para adelantar análisis de flujo de carga tales como IPSEO, SPARD, ETAP, DIGSILENT, etc • Para que los resultados de una simulación sean confiables necesariamente se debe tener en cuenta la estructura interna del sistema al menos en cuanto a la forma en la que se distribuyen las cargas por tipo (iluminación incandescente, iluminación fluorescente, sistemas de aire acondicionado, motores de inducción, etc). Para sistemas complejos con
ENERGÉTICO EN SISTEMAS INDUSTRIALES MEDIANTE LA TECNICA CVR (CONSERVATION VOLTAGE REDUCTION) Fecha: Mayo de 2019 Documento: GE-INSSMN-ELE-07-CVR-0519 REV 0 Hoja: 9 de 28 GE-INSSMN-ELE-07-CVR-0519 múltiples niveles la simulación podría llegar a requerir el mismo nivel de detalle necesario para efectuar cálculos de flujo de carga para ingeniería básica. • Los exponentes de las expresiones anteriores varían de acuerdo con el tipo de carga de manera que permitan un modelamiento aproximado del comportamiento real. Los valores típicos de este modelo son mostrados en la tabla 1. Tabla 1. Valores típicos de parámetros, modelo exponencial. Componente De Carga ∝ ∝ Resistencia Para Calentamiento De Ambiente 2.00 0.00 Bomba Del Sistema De Calentamiento 0.20 2.50 Bomba De Aire Acondicionado 0.20 2.50 Aire Acondicionado Central 0.20 2.20 Aire Acondicionado Para Dormitorios 0.20 2.50 Calentador De Agua 2.00 0.00 Refrigerador 0.80 2.50 Lava Platos 1.80 3.50 Lava Ropas 0.08 1.60 Seca Ropas 2.00 3.30 Lámpara Incandescente 1.54 0.00 Lámpara Fluorescente Convencional 2.07 3.21 Lámpara Fluorescente Compacta 0.95-1.03 0.31-0.46 Pequeños Motores Industriales 0.10 0.60 Grandes Motores Industriales 0.06 0.50 Bomba De Agua Para Irrigación 1.40 1.40 • Las cargas fueron simuladas incluyendo un perfil de carga variable durante un periodo equivalente a un día. Ello con el fin de aproximar el comportamiento fluctuante generado durante la operación normal de un proceso industrial.
ENERGÉTICO EN SISTEMAS INDUSTRIALES MEDIANTE LA TECNICA CVR (CONSERVATION VOLTAGE REDUCTION) Fecha: Mayo de 2019 Documento: GE-INSSMN-ELE-07-CVR-0519 REV 0 Hoja: 10 de 28 GE-INSSMN-ELE-07-CVR-0519 Figura 1. Perfil de carga empleado en la simulación • Con el fin de determinar el efecto en la reducción de la tensión, se realiza un análisis sobre diferentes tipos de carga tomando como base el siguiente diagrama unifilar. Figura 2. Sistema eléctrico simplificado para análisis de carga individual • Para analizar el comportamiento de diferentes tipos de cargas operando de manera simultánea se agregan cargas (ver figura 3) sobre el sistema eléctrico presentado en la figura 2.
ENERGÉTICO EN SISTEMAS INDUSTRIALES MEDIANTE LA TECNICA CVR (CONSERVATION VOLTAGE REDUCTION) Fecha: Mayo de 2019 Documento: GE-INSSMN-ELE-07-CVR-0519 REV 0 Hoja: 11 de 28 GE-INSSMN-ELE-07-CVR-0519 Figura 3. Sistema eléctrico simplificado para análisis de varias cargas • En sistemas industriales se recomienda que la caída de tensión en los alimentadores sea de 3% a 5%. 7. MÉTODO ANALIZADO El concepto de la reducción de tensión (CVR) consiste en principio reducir la demanda eléctrica y reducir el consumo de energía en tiempo real, disminuyendo la tensión en los nodos principales de distribución de cargas a un valor aceptable desde el punto de vista de continuidad de servicio de la carga. Para un sistema correspondiente a una planta industrial, esta disminución es realizada a través del cambiador de tomas en el transformador principal (el cual típicamente no opera bajo carga); debido a que la tensión disminuye se debe incluir un control de tensión mediante potencia reactiva (Volt-Var), el cual es mostrado en los diagramas unifilares de las figuras 2 y 3 modelado como un banco de condensadores con pasos variables. La dificultad para calcular el factor CVR radica en la complejidad de las cargas del sistema a analizar y el proceso que se tiene. Con base en lo anterior se planteó los siguientes pasos para determinar el factor CVR: i. Reducción del tap del transformador principal. ii. Operación del banco de compensación capacitivo para mantener la tensión dentro del valor esperado (entre 3% y 5%). iii. Estimación de consumos y tensiones antes de la modificación en el tap. iv. Estimación de consumos y tensiones después de la modificación en el tap. v. Estimación del factor CVR con los consumos antes y después de la reducción del tap.
ENERGÉTICO EN SISTEMAS INDUSTRIALES MEDIANTE LA TECNICA CVR (CONSERVATION VOLTAGE REDUCTION) Fecha: Mayo de 2019 Documento: GE-INSSMN-ELE-07-CVR-0519 REV 0 Hoja: 12 de 28 GE-INSSMN-ELE-07-CVR-0519 8. CASOS DE ESTUDIO 8.1. Sistema eléctrico con cargas de tipo grandes motores eléctricos Con base en el diagrama unifilar de la figura 2, se considera que la carga instalada consiste en grandes motores. Los valores obtenidos una vez es realizado la reducción de tensión descrita en la sección anterior son mostrados a continuación. Tabla 2. Resultados simulación carga grandes motores eléctricos Carga: grandes motores eléctricos Voltaje Prom Antes [V] 472.3 Voltaje Prom Después [V] 455.84 Reducción Tensión [V] 16.46 Tensión inicial [V] 472.3 Tensión final [V] 455.84 Reducción De Tensión ∆V% 3.49 Consumo inicial [kW] 853.14 Consumo final [kW] 851.34 Reducción Consumo Potencia [kW] 1.8 Reducción Consumo Potencia ∆P% 0.21 Factor CVR 0.06 El comportamiento en el tiempo para la tensión y potencia activa, de acuerdo con las consideraciones de simulación, se muestra en las figuras 4 y 5.
ENERGÉTICO EN SISTEMAS INDUSTRIALES MEDIANTE LA TECNICA CVR (CONSERVATION VOLTAGE REDUCTION) Fecha: Mayo de 2019 Documento: GE-INSSMN-ELE-07-CVR-0519 REV 0 Hoja: 13 de 28 GE-INSSMN-ELE-07-CVR-0519 Figura 4. Simulación tensión barraje BT, carga del sistema grandes motores eléctricos Figura 5. Simulación consumo de potencia carga del sistema grandes motores eléctricos Con base en los resultados encontrados, se observa que no hay un valor significativo en el factor de CVR y la reducción de potencia es de 0.2%.
ENERGÉTICO EN SISTEMAS INDUSTRIALES MEDIANTE LA TECNICA CVR (CONSERVATION VOLTAGE REDUCTION) Fecha: Mayo de 2019 Documento: GE-INSSMN-ELE-07-CVR-0519 REV 0 Hoja: 14 de 28 GE-INSSMN-ELE-07-CVR-0519 8.2. Sistema eléctrico con cargas de tipo pequeños motores eléctricos Con base en el diagrama unifilar de la figura 2, se considera que la carga instalada consiste en pequeños motores de baja tensión. Los valores obtenidos una vez es realizado la reducción de tensión descrita en la sección anterior son mostrados a continuación. Tabla 3. Resultados simulación carga pequeños motores eléctricos Carga pequeños Motores Eléctricos Voltaje Prom Antes [V] 472.3 Voltaje Prom Después [V] 455.88 Reducción Tensión [V] 16.42 Reducción De Tensión ∆V% 3.48 Consumo Antes [kW] 855.45 Consumo Después [kW] 852.03 Reducción Consumo Potencia [kW] 3.42 Reducción Consumo Potencia ∆P% 0.40 Factor CVR 0.12 Figura 6. Simulación tensión barraje BT, carga del sistema pequeños motores eléctricos
ENERGÉTICO EN SISTEMAS INDUSTRIALES MEDIANTE LA TECNICA CVR (CONSERVATION VOLTAGE REDUCTION) Fecha: Mayo de 2019 Documento: GE-INSSMN-ELE-07-CVR-0519 REV 0 Hoja: 15 de 28 GE-INSSMN-ELE-07-CVR-0519 Figura 7. Simulación consumo de potencia carga del sistema pequeños motores eléctricos Con base en los resultados encontrados, se observa que no hay un valor significativo en el factor de CVR y la reducción de potencia es de 0.4% 8.3. Sistema eléctrico con cargas tipo aire acondicionado Se considera que la carga instalada en el sistema eléctrico de la figura 2, consiste en aires acondicionado. Los valores obtenidos una vez es realizado la reducción de tensión son presentados a continuación. Las figuras 8 y 9 ilustran el comportamiento de las variables de tensión y potencia activa durante el periodo de tiempo simulado. Tabla 4. Resultados simulación carga aires acondicionados Carga aires acondicionados Voltaje Prom inicial [V] 472.5 Voltaje Prom final [V] 456.1 Reducción Tensión [V] 16.4 Reducción De Tensión ∆V% 3.47 Consumo inicial [kW] 851.22 Consumo final [kW] 845.3 Reducción Consumo Potencia [kW] 5.92 Reducción Consumo Potencia ∆P% 0.70 Factor CVR 0.2
ENERGÉTICO EN SISTEMAS INDUSTRIALES MEDIANTE LA TECNICA CVR (CONSERVATION VOLTAGE REDUCTION) Fecha: Mayo de 2019 Documento: GE-INSSMN-ELE-07-CVR-0519 REV 0 Hoja: 16 de 28 GE-INSSMN-ELE-07-CVR-0519 Figura 8. Simulación tensión barraje BT, carga del sistema aires acondicionados Figura 9. Simulación consumo de potencia carga del sistema aires acondicionados
ENERGÉTICO EN SISTEMAS INDUSTRIALES MEDIANTE LA TECNICA CVR (CONSERVATION VOLTAGE REDUCTION) Fecha: Mayo de 2019 Documento: GE-INSSMN-ELE-07-CVR-0519 REV 0 Hoja: 17 de 28 GE-INSSMN-ELE-07-CVR-0519 8.4. Sistema eléctrico con cargas tipo iluminación incandescente La carga instalada en el sistema eléctrico de la figura 2, consiste en iluminación incandescente; los valores obtenidos una vez es realizado la reducción de tensión son presentados a continuación. Tabla 5. Resultados simulación carga iluminación incandescente Carga iluminación incandescente Voltaje Prom inicial [V] 472.23 Voltaje Prom final [V] 455.79 Reducción Tensión [V] 16.44 Reducción De Tensión ∆V% 3.48 Consumo inicial [kW] 832.39 Consumo final [kW] 788.51 Reducción Consumo Potencia [kW] 43.88 Reducción Consumo Potencia ∆P% 5.27 Factor CVR 1.52 Las figuras 10 y 11 ilustran el comportamiento de las variables de tensión y potencia activa durante el periodo de tiempo simulado. Figura 10. Simulación tensión barraje BT, carga del sistema iluminación incandescente
ENERGÉTICO EN SISTEMAS INDUSTRIALES MEDIANTE LA TECNICA CVR (CONSERVATION VOLTAGE REDUCTION) Fecha: Mayo de 2019 Documento: GE-INSSMN-ELE-07-CVR-0519 REV 0 Hoja: 18 de 28 GE-INSSMN-ELE-07-CVR-0519 Figura 11. Simulación consumo de potencia carga del sistema iluminación incandescente En este escenario de simulación se observa una disminución de 44 kW y un factor CVR de 1.5 lo cual implica un ahorro significativo para este tipo de carga. 8.5. Sistema eléctrico con cargas tipo iluminación fluorescente convencional Para las cargas de iluminación de tipo fluorescente convencional se obtienen los siguientes valores al realizar la reducción de tensión son presentados a continuación. Tabla 6. Resultados simulación carga iluminación fluorescente convencional Carga iluminación fluorescente convencional Voltaje Prom inicial [V] 472.60 Voltaje Prom final [V] 456.14 Reducción Tensión [V] 16.46 Reducción De Tensión ∆V% 3.48 Consumo inicial [kW] 826.35 Consumo final [kW] 768.37 Reducción Consumo Potencia [kW] 57.98 Reducción Consumo Potencia ∆P% 7.02 Factor CVR 2.00
ENERGÉTICO EN SISTEMAS INDUSTRIALES MEDIANTE LA TECNICA CVR (CONSERVATION VOLTAGE REDUCTION) Fecha: Mayo de 2019 Documento: GE-INSSMN-ELE-07-CVR-0519 REV 0 Hoja: 19 de 28 GE-INSSMN-ELE-07-CVR-0519 Figura 12. Simulación tensión barraje BT, iluminación fluorescente convencional. Figura 13. Simulación consumo de potencia carga del sistema iluminación fluorescente convencional Al igual que el escenario anterior, se observa una disminución de potencia activa y un factor CVR considerable para este tipo de carga.
ENERGÉTICO EN SISTEMAS INDUSTRIALES MEDIANTE LA TECNICA CVR (CONSERVATION VOLTAGE REDUCTION) Fecha: Mayo de 2019 Documento: GE-INSSMN-ELE-07-CVR-0519 REV 0 Hoja: 20 de 28 GE-INSSMN-ELE-07-CVR-0519 8.6. Sistema eléctrico con cargas tipo iluminación fluorescente compacta Para las cargas de iluminación de tipo fluorescente compacta se obtienen los siguientes valores al realizar la reducción de tensión son presentados a continuación. Tabla 7. Resultados simulación carga iluminación fluorescente compacta Cargas Iluminación Fluorescentes Compacta Voltaje Prom Antes [V] 472.30 Voltaje Prom Después [V] 455.85 Reducción Tensión [V] 16.45 Reducción De Tensión ∆V% 3.48 Consumo Antes [kW] 843.44 Consumo Después [kW] 813.08 Reducción Consumo Potencia [kW] 30.36 Reducción Consumo Potencia ∆P% 3.60 Factor CVR 1.04 Figura 14. Simulación tensión barraje BT, iluminación fluorescente compacta
ENERGÉTICO EN SISTEMAS INDUSTRIALES MEDIANTE LA TECNICA CVR (CONSERVATION VOLTAGE REDUCTION) Fecha: Mayo de 2019 Documento: GE-INSSMN-ELE-07-CVR-0519 REV 0 Hoja: 21 de 28 GE-INSSMN-ELE-07-CVR-0519 Figura 15. Simulación consumo de potencia carga del sistema iluminación fluorescente compacta 8.7. Sistema eléctrico con diversos tipos de cargas (grandes motores eléctricos, aires acondicionados, iluminación fluorescente convencional) El escenario contempla la operación simultánea de diferentes tipos de cargas: grandes motores eléctricos, iluminación fluorescente convencional y aires acondicionados, siendo estas tres las cargas típicas dentro de un sistema industrial. Con base en lo anterior se obtienen los siguientes valores al realizar la reducción de tensión. Tabla 8. Resultados simulación cargas combinadas (grandes motores eléctricos, aires acondicionados e iluminación fluorescente convencional) Sistema Con Cargas Combinadas Carga Motores Eléctricos [kW] 600 Cargas Aire Acondicionado [kW] 200 Carga Iluminación Fluorescente [kW] 200 Voltaje Prom Antes [V] 483.18 Voltaje Prom Después [V] 463.32 Reducción Tensión [V] 19.86 Reducción De Tensión ∆V% 4.11 Consumo Antes [kW] 1089.13 Consumo Después [kW] 1078.10 Reducción Consumo Potencia [kW] 11.03 Reducción Consumo Potencia ∆P% 1.01 Factor CVR 0.49
ENERGÉTICO EN SISTEMAS INDUSTRIALES MEDIANTE LA TECNICA CVR (CONSERVATION VOLTAGE REDUCTION) Fecha: Mayo de 2019 Documento: GE-INSSMN-ELE-07-CVR-0519 REV 0 Hoja: 22 de 28 GE-INSSMN-ELE-07-CVR-0519 Figura 16. Simulación tensión barraje BT, cargas combinadas (grandes motores eléctricos, aires acondicionados, iluminación fluorescente convencional) Figura 17. Simulación consumo de potencia cargas combinadas (grandes motores eléctricos, aires acondicionados, iluminación fluorescente convencional) 8.7. Sistema eléctrico con diversos tipos de cargas (pequeños motores eléctricos, aires acondicionados, iluminación fluorescente compacta) El escenario contempla la operación simultánea de diferentes tipos de cargas: pequeños motores eléctricos, iluminación fluorescente compacta y aires acondicionados, siendo estas tres las cargas típicas dentro de un sistema industrial. Con base en lo anterior se obtienen los siguientes valores al realizar la reducción de tensión.
ENERGÉTICO EN SISTEMAS INDUSTRIALES MEDIANTE LA TECNICA CVR (CONSERVATION VOLTAGE REDUCTION) Fecha: Mayo de 2019 Documento: GE-INSSMN-ELE-07-CVR-0519 REV 0 Hoja: 24 de 28 GE-INSSMN-ELE-07-CVR-0519 Figura 19. Simulación consumo de potencia cargas combinadas (pequeños motores eléctricos, aires acondicionados, iluminación fluorescente compacta) 9. DISCUSIÓN Al analizar los resultados obtenidos en las simulaciones realizadas para cada tipo de carga por separado se evidencia que en grandes motores eléctricos, pequeños motores eléctricos y aires acondicionados se consiguen ahorros en el consumo de apenas 0.21%, 0.40% y 0.70%, respectivamente, con factores CVR 0.06, 0.12 y 0.2, respectivamente. Para iluminación incandescente, fluorescente convencional y fluorescente compacta, la reducción de necesidades de potencia es de 5.27%, 7.02% y 3.60%, respectivamente, con factores CVR 1.52, 2 y 1.04, respectivamente. Lo anterior para una reducción de 3.5% en el nivel de tensión de consigna. En la simulación de un sistema con una combinación de cargas involucrando iluminación fluorescente convencional (60% grandes motores, 20% aire acondicionado, 20% iluminación Fluorescente Convencional) se evidencia que el ahorro en porcentaje del consumo es de 1.0%, con factor CVR 0.49, cuando se reduce la tensión de consigna en un 4.1%. En la simulación de un sistema con una combinación de cargas involucrando iluminación fluorescente compacta (60% pequeños motores, 20% aire acondicionado, 20% iluminación Fluorescente Compacta) se evidencia que el ahorro en porcentaje del consumo es de 0.5% con CVR 0.12, cuando se reduce un 4.1% la tensión. Es claro que, debido al tipo de cargas involucradas, a nivel de sistemas de distribución con usuarios de tipo residencial la reducción de tensión en un porcentaje pequeño disminuye el consumo de manera considerable y ello no genera inconvenientes en la medida en la que el tema de fondo es el confort y este no se ve afectado de manera perceptible (por ejemplo un usuario no va a reclamar por una variación en la intensidad luminosa que tan solo puede percibir, mas no medir o por la variación en la velocidad de operación de un electrodoméstico que involucra un motor universal). No obstante, también hay un grupo de cargas en las
ENERGÉTICO EN SISTEMAS INDUSTRIALES MEDIANTE LA TECNICA CVR (CONSERVATION VOLTAGE REDUCTION) Fecha: Mayo de 2019 Documento: GE-INSSMN-ELE-07-CVR-0519 REV 0 Hoja: 25 de 28 GE-INSSMN-ELE-07-CVR-0519 viviendas en las cuales no se consigue ahorro de energía al disminuir su tensión de alimentación como son los calentadores de agua eléctricos (ya que el consumo se establece de acuerdo al ajuste del agua que se programe), las lámparas fluorescentes o de tipo LED (por ser alimentadas por fuentes electrónicas que consumen aproximadamente la misma cantidad de energía independiente del voltaje de alimentación) y los equipos electrónicos de sonido, computación y televisión (también por ser alimentadas por fuentes electrónicas que consumen aproximadamente la misma cantidad de energía independiente del voltaje de alimentación). En las plantas industriales los factores CVR resultan ser muy inferiores a los encontrados en sistemas de distribución industriales. La razón para ello es en esencia el tipo de cargas que se involucran en cada caso. En el caso de los sistemas industriales el comportamiento de los motores ante las variaciones en la tensión resulta ser determinante (en la gran mayoría de lso sistemas industriales la masa de la demanda corresponde a motores de inducción en una proporción superior al 70 %). Dentro de un margen muy estrecho, la variación en la tensión de alimentación de un motor reduce la demanda de potencia en una proporción bastante baja y aumenta la velocidad de deslizamiento (disminución de la velocidad de rotación), también en una proporción baja (ver ecuaciones E.c.3 y E.c.4), pero en la práctica esto no es conveniente porque constituye una degradación en la operación del equipo (reducción de par y mayor posibilidad de atascamiento con la carga). De otro lado, la reducción en velocidad y en capacidad de responder a la carga puede involucrar tiempos de operación mayores, de modo que aunque la potencia requerida sea mayor, la energía total involucrada es aproximadamente la misma (caso del motor de una bomba de agua que alimenta un tanque de llenado: al disminuir su tensión el consumo de potencia de esta baja un pequeño porcentaje pero su velocidad disminuye al igual que su caudal y por ello el tiempo de llenado del tanque aumenta, lo que a la postre significa que el consumo total de energía es muy similar al caso de alimentación a tensión nominal). T = m ∗ ´ ∗ V1! 2π ∗ $% & ∗ ' R + ´ ) ! + Xcc!, E. c. 3 P=T.w E. c. 4 P: Potencia (watios) T: Par (N.m) w: Velocidad Angular(Rad/s)
ENERGÉTICO EN SISTEMAS INDUSTRIALES MEDIANTE LA TECNICA CVR (CONSERVATION VOLTAGE REDUCTION) Fecha: Mayo de 2019 Documento: GE-INSSMN-ELE-07-CVR-0519 REV 0 Hoja: 26 de 28 GE-INSSMN-ELE-07-CVR-0519 Figura 20. Curva par motor vs deslizamiento Cuando el motor se encuentra conectado a un variador de velocidad y se realiza una reducción de tensión a la entrada, dicha reducción no genera un beneficio en el consumo de potencia, ya que la salida de este alimenta el motor de inducción cuyo requerimiento energético mayoritariamente viene determinado por el par impuesto por la carga, perdidas mecánicas y la velocidad de giro la cual se programa y es, en efecto, la consigna el variador. Figura 21. Esquema variador de velocidad También existen procesos en los cuales hay control de lazo cerrado sobre variables como el caso de la temperatura de un horno en el cual así baje la tensión de alimentación el control electrónico actúa manteniendo la consigna de temperatura programada, de manera que el bache de proceso consuma la misma cantidad de potencia. Además hay inconvenientes de tipo técnico en la operación del sistema de potencia en el sector industrial cuando se reduce el nivel de tensión, entre los que se encuentran inestabilidad en algunos sistemas y el bloqueo de motores conectados en colas de circuito (esto sucede cuando se disminuye la tensión y el motor está conectado con una acometida larga y maneja un par alto en operación).
ENERGÉTICO EN SISTEMAS INDUSTRIALES MEDIANTE LA TECNICA CVR (CONSERVATION VOLTAGE REDUCTION) Fecha: Mayo de 2019 Documento: GE-INSSMN-ELE-07-CVR-0519 REV 0 Hoja: 27 de 28 GE-INSSMN-ELE-07-CVR-0519 10. CONCLUSIONES Los factores CVR estimados en las simulaciones son consistentes con la información contenida en la literatura disponible (ello para las categorías sobre las cuales hay datos específicos) y en esa medida se puede afirmar que tanto el uso de la herramienta computacional empleada como de la metodología presentada en este documento entrega resultados confiables en cuanto al efecto de la tensión de alimentación en la potencia entregada a las cargas de un sistema eléctrico. Los valores de ahorro del orden del 10 % sugeridos en la literatura facilitada por ELSPEC para fines de la promoción comercial de los equipos EQ como una solución de ahorro de energía no son alcanzables en la práctica en sistemas industriales y, de hecho, los niveles de ahorro pueden ser sensiblemente inferiores al 1% en sistemas en los cuales los motores eléctricos representan la gran mayoría de la carga instalada (es normal encontrar niveles por encima del 80 % de la potencia total instalada). Lo anterior hace muy complejo sustentar la viabilidad de justificar un proyecto de compensación dinámica bajo el argumento de que su operación redundará en ahorros de energía para el usuario. La promoción de la tecnología EQ bajo el argumento de que constituye una solución de ahorro de energía no es viable y compromete seriamente la credibilidad tanto del agente como de la marca ante el mercado. La tecnología de compensación dinámica tiene múltiples ventajas plenamente demostrables en lo concerniente a control de tensión, reducción de pérdidas en los sistemas de distribución, mejora en la cargabilidad de transformadores, mejora en la cargabilidad de equipos de generación local, control de armónicos, prevención de condiciones de resonancia paralela y control de consumo de reactivos de la red externa, entre otros y, en esa medida, no tiene sentido adelantar su promoción sobre un aspecto sobre el cual su efectividad es cuestionable. Es más razonable en cambio plantear el pequeño ahorro que se puede lograr eventualmente como un beneficio adicional a las múltiples ventajas que ofrece la tecnología. El campo de aplicación en lo concerniente a ahorro de energía por aplicación de la técnica CVR está restringido a sistemas de distribución y, en la medida en la que se empleen progresivamente tecnologías que incorporen regulación de estado sólido, (caso de luces LED y controles electrónicos asociados a electrodomésticos) los factores CVR tienden a ser menos favorables para este tipo de estrategia. En un análisis financiero de ahorro de energía en una planta no es suficiente tener en cuenta la diferencia en kWh, antes y después de instalar equipos para reducción de tensión, también se debe tener necesariamente en cuenta si al momento de tomar las medidas de consumo de potencia estas estaban operando a la misma capacidad de producción. La práctica regular para control de eficiencia energética en sistemas productivos es referir el consumo a las unidades producidas para tener un referente energético por unidad. Para operación bajo el esquema CVR, la tecnología de compensación dinámica podría ser empleada en sistemas de distribución de redes residenciales para tener un control efectivo de voltaje en aras de mantener la estabilidad del sistema de potencia (para prevenir potenciales colapsos por tensión). Esto puede resultar llamativo para las compañías de transmisión y
ENERGÉTICO EN SISTEMAS INDUSTRIALES MEDIANTE LA TECNICA CVR (CONSERVATION VOLTAGE REDUCTION) Fecha: Mayo de 2019 Documento: GE-INSSMN-ELE-07-CVR-0519 REV 0 Hoja: 28 de 28 GE-INSSMN-ELE-07-CVR-0519 distribución para mejorar la confiabilidad de sus redes en horas de alta demanda o en condiciones de restricción (por ejemplo racionamiento por baja en la capacidad de las fuentes de generación de energía, o contingencias que afecten la capacidad de transporte). No obstante para condiciones en las que no se halle comprometida la capacidad del sistema para operar de manera adecuada y estable, el ahorro forzoso impuesto por el esquema de operación CVR resulta ser contraproducente a las políticas comerciales de las compañías distribuidoras de energía ya que impacta directamente en el potencial de facturación a sus usuarios (salvo que haya limitaciones para atender la demanda, el interés de la compañía distribuidora es poder facturar la mayor cantidad de energía posible a sus usuarios). Para sistemas industriales con baja capacidad de cortocircuito (sistemas con alta impedancia) la reducción en la tensión de consigna implica una reducción en el márgen de seguridad operativo siendo más fácil alcanzar condiciones de bloqueo en motores de inducción localizados a distancias considerables de los tableros de alimentación. Considerando los resultados que presenta ELSPEC en cuanto a potenciales de ahorro de energía en los reportes que retorna a partir de los registros entregados por sus agentes, es altamente probable que el algoritmo de cálculo que ha venido empleando para el efecto se basa en calcular la impedancia para cada conjunto de valores registrados y, a partir de dicho valor, recalcular la potencia para el valor de tensión fijado como objetivo. El problema de este modelo es que se está dejando de lado el hecho de que por esa vía se está asumiendo implícitamente un comportamiento tensión corriente altamente lineal, cosa que es totalmente cuestionable cuando la masa de la carga está constituida de manera predominante por motores eléctricos y/o equipos de electrónica de potencia. 11. BIBLIOGRAFIA [1] Documento CREG 032 de 2012, “Propuesta de regulación de la calidad de la potencia en el sistema interconectado nacional”, 2012 [2] NRECA-DOE Smart GridDemonstration Project “Costs and Benefits of ConservationVoltage ReductionCVRWarrantsCarefulExamination”,2013http://www.nreca.coop/wpcontent/uploads/201 4/01/NRECA_DOE_Costs_ Benefits_of_CVR_b.pdf [3] William H. Kersting. "DistributionSystemModeling and Analysis". New MexicostateUniversity. CRC Press ISBN 0-8493-0812-7 [4] PrabhaKundur, PowerSystemStability and Control.: McGraw-Hill Inc,1993. [5] Greg Shirek, "EvaluatingConservationVoltageReductionwithWindmil," Milsoft Inc., 2011. [6] Comisión De Integración Energética Regional. V Congreso CIER de la Energía 2017 “Energía sostenible para todos en el entorno de una sociedad inteligente” Medellín, Colombia;28 de noviembre de 2017 [7] Maquinas Eléctricas Quinta Edicion. Jesus Fraile Mora
SiteGround - Reliable hosting with speed, security, and support you can count on.
prog893
tokuty
sudoakiy
nttcom
camiha
odashi
pfn
namiki64
yamanoku
occhi
codmoninc
koukihosaka
reverentgeek
jnunemaker
irinanazarova
inesmontani
keavy
maggiecrowley
tammyeverts
frankvandijk
productmarketing
mlcsv
vanstee
3n
