Desperdicio energético del que no estaba enterado. ¿Le interesa?

07-13-2013 | Controles
Los análisis de vibración miden la frecuencia e intensidad de las vibraciones provocadas por el desgaste, desalineación, soltura y otros problemas mecánicos.
Use la característica de medición de potencia unificada y la calculadora de pérdidas de energía en los nuevos analizadores de calidad eléctrica Fluke 430 de la serie II para determinar cuánta energía se ve afectada por el desequilibrio de armónicos y carga.

En 2005, la mayoría de las instalaciones recibieron su factura mensual de servicio eléctrico y la tomaron como un gasto estándar de sus negocios. Cuando el petróleo superó los USD 100 por barril, las actitudes cambiaron prácticamente de la noche a la mañana, lo que generó un gran interés en los acondicionamientos conscientes sobre el uso de la energía que antes no hubieran sido rentables. Aún así, cuando los costos de energía se redujeron, las actitudes y prácticas no se revirtieron del todo. Los Estados Unidos aún trataban intensamente en salir una recesión. La competencia global para ofrecer productos y servicios había crecido incluso de manera más intensa. Las instalaciones estadounidenses habían encontrado una nueva fuente potencial de margen y rentabilidad en forma de su factura mensual de energía, y no la estaban compartiendo.

Al mismo tiempo, las empresas de servicios públicos en Estados Unidos iniciaron campañas de servicio al cliente enfocadas a ayudar a que las instalaciones usaran de mejor manera la energía que consumían. ¿Por qué una empresa de servicio público desearía ayudar a que los clientes rebajen su factura? Porque la capacidad es limitada. Dado el marco regulador, el periodo de tiempo del proyecto y el costo completo para construir nuevas instalaciones generadoras de energía, las empresas de servicios públicos tienen un interés particular en extender el alcance de sus capacidades existentes de generación. Para seguir añadiendo nuevos clientes a la red, se debe optimizar la práctica del cliente existente. Los desastres en plataformas petrolíferas y catástrofes nucleares solo han servido para recalcar qué tan limitadas son las opciones.

En los últimos cuatro años, las empresas de servicios eléctricos han capacitado a la mayoría de las instalaciones de medio rango para que comprendan de mejor manera su estado mensual y dichas instalaciones posiblemente han realizado una auditoría básica de energía para determinar cuánta energía mensual consumen varias funciones operativas. Muchas instalaciones han identificado un "fruto al alcance", disponible para su cosecha: en otras palabras, el consumo de energía que puede reducirse sin alguna inversión importante. Algunos ejemplos comunes incluyen: apagado del equipo y sistemas durante la noche, en lugar de mantenerlos encendidos; mejora de los sistemas de iluminación y cargas grandes, como cambiar enfriadores por modelos de alta eficiencia; aprovechamiento de subsidios gubernamentales para la eficiencia energética; reparación de fugas en líneas de aire comprimido e incorporación de controles para ajustar la salida del equipo mecánico según los requisitos de rendimiento.

Evaluación del IEEE

En paralelo con estos desarrollos, el ente normativo IEEE (Instituto de Ingeniería Eléctrica y Electrónica) de los estándares de calidad de la energía inició una evaluación del trabajo académico necesaria para segmentar y cuantificar de manera más precisa el consumo de energía en sistemas eléctricos trifásicos. Dicha evaluación inició hace más de una década. Desde hace varios años se sabía que habían brechas en el modelo matemático que subyace a los cálculos clásicos de medición de energía trifásica. En particular, no se consideraban los efectos de la potencia reactiva, armónicos y desequilibrio de carga en los métodos clásicos usados en la mayoría de los procesos de supervisión de consumo y de la calidad de la energía.

Ya en ese momento determinado, la distorsión armónica y el desequilibrio de carga se tomaban como imperfecciones en la pureza de la energía que generaban problemas de rendimiento en el equipo y, en el caso del factor de potencia, reducían la utilidad de la potencia distribuida. La cuantificación de la cantidad de potencia que se volvía inusable nunca se había tomado en cuenta. Los armónicos y el desequilibrio eran preocupaciones para la solución de problemas, pero no problemas del consumo de energía. Es decir, hasta que la energía se convirtió en un producto premium.

¿Por qué es importante cuánta potencia es afectada por los armónicos y el desequilibrio de carga? Porque la hemos generado y pagado, pero no podemos usarla.

Si 100 kilovatios entran a una instalación y una porción de estos se vuelve inusable debido a una baja calidad de energía, la instalación paga por 100 kW, pero solo se podrán usar 100 kW menos la porción perdida. Si la porción perdida pudiera cuantificarse y multiplicarse mediante la lista de tarifas del servicio público, entonces podría quedar más claro si la cantidad de porción perdida fue lo suficientemente cara como para ameritar la solución de los problemas en la calidad de la energía.

El resultado de los esfuerzos del IEEE fue una nueva norma, IEEE 1459-2000, que se dirigía en cierto modo a habilitar el cálculo de porción perdida debido a la calidad de la energía, pero en un marco muy académico. "Aún perdida" fue una clara definición de la cantidad física de desperdicio de energía. Poco después de que se emitiera la nueva norma, dos profesores de la Universidad Politécnica de Valencia en España decidieron desarrollar los cálculos matemáticos necesarios para cuantificar el desperdicio de energía causado por problemas de armónicos y desequilibrio.

Primero, los profesores Vincente Leon y Joaquín Montañana desarrollaron métodos matemáticos basándose en las recomendaciones de la norma IEEE 1459-2000 que definió las fuentes de desperdicios específicos. Posteriormente, desarrollaron un instrumento de medición con un sistema informático que calculaba lo que describieron como Potencia unificada.

Su método de medición innovador de Potencia unificada tomó los mejores aspectos de las recomendaciones en la norma IEEE 1459 y calculó los efectos de desperdicio de energía de la potencia reactiva, los armónicos y el desequilibrio en el sistema eléctrico.

Fluke conoció el método innovador y se acercó a los profesores para establecer una asociación. Juntos, los ingenieros de Fluke y los profesores convirtieron la ciencia de un instrumento académico en una característica de medición de Potencia unificada y en una Calculadora de pérdidas de energía, ahora disponibles en un analizador manual portátil de la calidad de la energía. Ambas partes tienen derechos de las patentes y sobre distintos aspectos de la nueva capacidad.

¿Qué es la Potencia unificada?

El sistema de medición de la Potencia unificada expresa las mediciones de la potencia y la energía que cuantifican directamente el desperdicio de energía en los sistemas eléctricos mediante una combinación de métodos clásicos, la norma IEEE 1459-2010 y cálculos matemáticos de la Universidad Politécnica de Valencia. La Potencia unificada mide los armónicos y el desperdicio por desequilibrio en kilovatios. Tomando en cuenta el costo de cada kilovatio/hora, es posible calcular el costo del desperdicio de energía en una semana, un mes o un año.

¿Cómo es que los armónicos desperdician la energía?

Uno de los efectos más reconocidos de los armónicos en los sistemas eléctricos es el exceso de calor que crean en los conductores que los transportan. Muchos estudios han mostrado la necesidad de incrementar el tamaño de los conductores neutros en los sistemas de energía para compensar la corriente elevada transmitida en el neutro del armónico 3º y sus múltiplos. También existen casos documentados de transformadores que se sobrecalientan debido a la presencia de armónicos. Este calor es una forma de consumo no intencional de energía. Con este nuevo método de cálculo, es posible cuantificar la cantidad de desperdicio en vatios, en vez del calentamiento.

¿Por qué el desequilibrio de carga desperdicia la energía?

En el caso de los motores trifásicos, el desequilibrio degrada el rendimiento de la unidad y reduce la vida útil. El desequilibrio de tensión en las terminales del estator del motor genera un desequilibrio de corriente de la fase fuera de proporción con respecto al mismo desequilibrio de tensión. Las corrientes desequilibradas, a su vez, conducen a pulsaciones en el par de torsión, vibración aumentada y estrés mecánico, incremento de pérdidas y sobrecalentamiento del motor. Cada uno de estos efectos consumen energía, que ahora es cuantificable en vatios.

Potencia unificada de prueba en campo: ¿cuánto desperdicio se produce?

Los profesores Leon y Montañana realizaron múltiples estudios de campo para confirmar sus hipótesis sobre el vínculo entre los problemas con la calidad de la energía y el efecto en el desperdicio energético. Cuando Fluke se unió a esta asociación, el equipo llevó a cabo más estudios para comprobar si la nueva capacidad se podría volver usable para las personas que no son profesionales de gama alta en ingeniería eléctrica.

Dos estudios que cabe destacar se llevaron a cabo en unparque industrial y en una planta de manufactura automotriz.

El parque industrial recibe suministro de una cooperativa eléctrica local. Es un parque industrial combinado con una variedad de necesidades eléctricas. Algunos de los clientes del parque tuvieron cargas inductivas significativas y la empresa de servicio público ya había elegido instalar una corrección de factor de potencia para reducir los efectos del factor de potencia deficiente.

Sin embargo, cuando se conectó el dispositivo de Potencia unificada de los profesores, este mostró pérdidas significativas de potencia reactiva en el secundario del transformador de potencia en el parque. Las pérdidas se generaron mayormente durante la noche, cuando las cargas inductivas no estaban activadas, pero sí lo estaban los capacitores de corrección del factor de potencia. Las pérdidas de energía se midieron a 353.6 kWh por día (en promedio), y multiplicado por la lista de tarifas de la empresa de servicio público, daba como resultado a USD 14 000 por año. Con esta información a la mano, la empresa de servicio público y el director del parque industrial diseñaron una solución que involucraba relés con control de tiempo que desconectaban el banco de capacitores durante la noche. Tiempo de recuperación: menos de un año.

También se diseñó un estudio para una planta automotriz de gran capacidad. Se analizaron seis áreas distintas de la planta y se identificaron varias causas de desperdicio energético en toda la planta, incluida la potencia reactiva proveniente de lámparas de descarga y transformadores ineficientes ligeramente cargados. El desperdicio total ascendió a USD 50 000 por año. Mediante la instalación de la corrección de factor de potencia en las lámparas de descarga y la racionalización de la distribución de transformadores, y al usar un transformador de alta eficiencia en lugar de cinco transformadores ineficientes ligeramente cargados, la planta pudo obtener ahorros de energía significativos.

Por lo tanto, la energía sustancial se desperdicia realmente debido a los armónicos y el desequilibrio. ¿Qué puede hacer al respecto?

Para tratar los armónicos y el desequilibrio, generalmente se requiere del apoyo del personal y de un ingeniero eléctrico o electricistas por contrato. La solución de los armónicos involucra el uso de alguna clase de equipo de mitigación o el cambio del tipo de equipo electrónico que está en funcionamiento. La solución del desequilibrio requiere de la redistribución de cargas, la instalación de equipo para la compensación de desequilibrio o algunas veces incrementar toda la capacidad del sistema de distribución eléctrica.

Con la nueva capacidad de Potencia unificada, calcular los costos de la mano de obra y el equipo necesarios para reducir los armónicos y el desequilibrio, en comparación con la cantidad de energía desperdiciada, es una ecuación de retorno de inversión relativamente sencilla.

Tenga en mente que instalar un filtro de armónicos también mejorará toda la calidad de la energía mediante el incremento de la confiabilidad, eficiencia y vida útil de todo el equipo, y la disminución de la inactividad.

Era de costumbre que no podía arreglarse lo que no se podía ver. Recientemente, el dicho pudo haber sido que no se podría arreglar lo que no se pudiera justificar. Ahora, ver es creer, y la corrección es sencilla.

Una versión de este artículo apareció recientemente en Maintenance Technology.