Administración de la Demanda Eléctrica, Medición de Energía y Corrección del Factor de Potencia

Transcripción

1 Administración de la Demanda Eléctrica, Medición de Energía y Corrección del Factor de Potencia Ing. Jesús A. Baez Moreno jesus.baez@itesm.mx Departamento de Ing. Eléctrica/Centro de Estudios de Energía Monterrey, NL Agosto, 2003

2 AGENDA I) Sistema Eléctrico Mexicano II ) Esquema de Facturación CFE (Tarifa HM) y oportunidades de reducción en la facturación III) Sistemas de Medición de energía Eléctrica IV) Corrección de factor de potencia

3 Red Eléctrica (Generación, transmisión y distribución)

4 Red Eléctrica (Generación, transmisión y distribución) Planta generadora Eficiencia=95% Sistema de Transmisión 69 kv kv kv 13.8 kv Subestación Distribución 13.8 kv Sistema de distribución Eficiencia=90% Usuarios industriales V Usuarios comerciales e industriales Niveles de voltaje comunes:127,220v,440v,600v,2.3kv, 4.16kV, 13.8kV 34.5 kv, 69 kv, 115 kv, 230kV, 400 kv

5 Ventajas de CA sobre CD Con corriente alterna es posible cambiar los niveles de voltaje(de manera económica) para transmitir grandes cantidades de energía de manera eficiente Transformador Elevador Pα I 2 R Generador 1 V 1 I V2 I 2 Sistema de Transmisión Disminución de corriente: Menor calibre de Conductores y Reducción de pérdidas Transformador Reductor Sist. Distribución V 1 I 1 V2 I 2 Usuario Final

6 Sistema Eléctrico Mexicano

7 Capacidad instalada (40,340 MW)

8 Desarrollo de la capacidad instalada

9 Sistema de transmisión

10 Tasas de crecimiento anual

11 Ventas y costo promedio por tarifa

12 Facturación de Energía Eléctrica (CFE) Cargo por Energía(CE) Cargo por Demanda(CD) + Subtotal(CE+CD) Bonificación o Recargo por Factor de Potencia(CFP) +/- Subtotal 15%IVA + Importe Total $120,000 $400,000 Energía Demanda FP $1,200,000

13 Cargo por Consumo de Energía P(kW) :05 HB HI HP HI kwh B kwh I kwh P kwh I tiempo kwh [ $ ] + kwh [ $ ] kwh [ ] CE($) = KWh I + $ B B P >> $ I $ B $ > $, $,$ : Costo unitario($/ kwh)en horarios base,intermedio y punta B B I, kwhi, kwhp P :Consumos de energìa en horarios I P P base,intermedio y punta

14 Distribución de horarios tarifa HM en la región de Noreste TARIFA H-M (REGION NORESTE) Primer Domingo de Abril al sábado anterior al ùltimo domingo de Octubre LUNES MARTES MIERCOLES JUEVES VIERNES BASE INTERMEDIO PUNTA SABADO DOMINGO TARIFA H-M (REGION NORESTE) Último Domingo de Octubre al sàbado anterior al sàbado anterior al primer domingo de Abril LUNES MARTES MIERCOLES JUEVES VIERNES BASE INTERMEDIO PUNTA SABADO DOMINGO

15 Cargo por demanda máxima 7300 DB DI DP P(kW) HB HI HP HI 0:05 tiempo DF = DP + FRI { máx( DI DP,0) } + FRB{ máx( DB DIP,0) } Tarifa HM Zona Noreste DI > DP > DB => DF= 0.7 DP DI (HM) DP > DI > DB = >DF= DP La demanda que se presenta durante el horario punta es la que impacta en mayor medida la demanda facturable

16 Cálculo de la demanda facturable

17 Cálculo de la demanda facturable t(min) kw 0: : : Intervalo de 5 minutos 0: kw-min manda media(kw) 0: : : : : : : : : Int. Dem(15m) 0: : : : : : : : : : : : : : : : : P(kW) Perfil de Demanda(Real) 0:00 0:05 0:10 0:15 0:20 0:25 tiempo (minutos) P(kW) Perfil de Demanda(Facturación)) 90 kw-h 85 kw-h 87.5 kw-h 80 kw-h t(min)

18 Factor de Potencia kw-hr 4100 kvar-hr P(kW) Q(kVAR) :05 tiempo :05 tiempo f p = kwhr [ kwhr] 2 + [ kvarhr ] 2 C arg o = ( CE + CD)* % Recargo Bonif. = ( CE + CD) *% Bonif. 0.9 % Rec. = 60 1 ; fp < 0.9 fp 0.9 % Bonif. = 25 1 ; fp > 0.9 fp

19 Ejemplo Recibo CFE

20 Posibilidades de reducción de la facturación Redistribución de consumos (Reducción de consumo en horario punta) Control de demanda Autoabastecimiento Corrección de factor de potencia

21 Impacto de reducir el consumo de energía en horario punta La energía tiene un costo diferente a lo largo del día, siendo mayor en horario punta. El costo promedio por kwh se ve sensiblemente afectado por el consumo en este horario

22 Control de demanda (1) Control de Demanda: Controlar el valor de la demanda máxima y/o el instante en que esta ocurre de manera manual o automática mediante la desconexión de cargas que no interfieran con la producción El controlar la demanda mediante una reducción de la demanda máxima mejora el factor de carga. D A1 FC = media = kwh = Dmáx D FC $ máx kw hr [ t] A 1+ A 2 P(kW) Desconexión de cargas cuando la demanda se aproxima al límite establecido Dmáx. Límite No hay desconexión ni reconexión de cargas de manera programada cuando la demanda se encuentra dentro de la banda muerta Reconexión de cargas cuando la demanda cae por debajo de la banda muerta t

23 Efecto me mejorar el factor de carga en el costo por kw-hr

24 Efecto de reducir el consumo y la demanda en horario punta Tarifa HM, Zona Noreste, Enero 2002 Caso 1, Caso Original, sin ningún tipo de control, la demanda promedio es de 1,000 kw en base intermedio y punta, con un factor de carga de 80% en cada horario. Caso 2, Se aplica control sobre la demanda en horario punta para reducirla a un 50% de la demanda original con un factor de carga del 100%, el factor de carga en los horarios base e intermedio continua en 80%. Caso 3, Se aplica control sobre la demanda en horario punta para reducirla esta demanda un valor de 0. El factor de carga en los horarios base e intermedio continua en 80%.

25 Efecto de reducir el consumo y la demanda en horario punta BASE PUNTA Escenario 1 - Original INTERMEDIO Escenario 2 50% de la de demanda original Escenario 3 0 % de la demanda original

26 Efecto de reducir el consumo y la demanda en horario punta

27 Autoabastecimiento en horario punta CFE Controlador de SIncronización Cargas críticas Generador de Emergencia

28 Caso de Estudio 1: Autoabastecimiento parcial en horario punta Perfil de demanda cargas :00 2:00 4:00 6:00 8:00 10:00 12:00 14:00 16:00 18:00 20:00 22:00 0:00 P(kW) P'(kW) Perfil de demanda (CFE) Con generador operando Ahorro (Demanda) = 0.7 * 500 * 75 $/kw = $26,250 Ahorro (Consumo) = 500 kw (90 hrs) * (1.4 $/kwh 1.2 $/kwh) = $9,000 Ahorro Mensual = $35,250

29 Caso 2: Ahorro por cambio de tarifa en empresa fabricante de chasis de automoviles Ahorro por corrección de fp

30 Caso 3: Determinación del potencial de Ahorro Distribución de cargos (energía y demanda) por horario Demanda Punta 21% Demanda Base 0% Demanda Intermedia 0% Energía Punta 28% Energía Base 9% El 49% de la factura es debido al consumo y la demanda en horario punta y solamente el 12.5% de las horas del mes corresponden a este horario Energía Intermedia 42%

31 Ahorro por reducción de consumo en horario punta Empresa manufacturera

32 Caso 4:Ejemplo de corrección de factor de potencia en Planta Industrial Antes de corregir fp (fp = 0.70), Penalización = 17.0% Cargo por energía y demanda = $300,000 Cargo por bajo factor de potencia = $51,000 Corrigiendo fp a 0.96(-) Bonificación por factor de potencia : $5, mensuales Beneficio Total = $51,000 + $5, = $ 56,000 mensuales Inversión (Filtros de armónicas) = $ 500,0000 Tiempo de retorno de inversión = 9 meses

33 Determinación del potencial de Ahorro Información histórica (Recibos CFE) Centro de Estudios de Energía Potencial Ahorro Información sobre Equipo instalado Generadores de emergencia, motores, transformadores capacitores

34 Conclusiones Es posible reducir de manera significativa la facturación tomando algunas de las siguientes acciones. Algunas de estas acciones requieren de inversiones con un tiempo de retorno de inversión relativamente corto a) Reducción del consumo de energía en horario punta b) Control de la demanda principalmente en horario punta (mejorando el factor de carga en este horario) c) Reducción del consumo de energía mediante el uso de equipo de mayor eficiencia d) Corrección del factor de potencia

35 III Sistemas de Medición de Energía Eléctrica

36 Aplicaciones del sistema de medición de energía Identificar áreas de oportunidad para reducir la facturación tales como: o Disminución de demanda/consumo de energía en horario punta o Corrección de factor de potencia o Cambio de tarifa Identificar los equipos o procesos que impactan en mayor medida el consumo y la demanda. Una vez identificados estos equipos, evaluar la posibilidad de programar la operación de estos de tal manera que su impacto en la facturación sea menor. Detectar y corregir problemas tales como la disminución del factor de potencia, y determinar si esta disminución es debida a un aumento de carga y/o a la desconexión o degradamiento de los bancos de capacitores. La oportuna detección y corrección de este problema evita multas por bajo factor de potencia. Verificar de manera inmediata si se están llevando a cabo las acciones acciones de control propuestas para disminuír la facturación y evaluar la efectividad de èstas Contar con información paralela a la de la compañía suministradora

37 Componentes del sistema de medición Acometida CFE kw hr α NP kvar hr α NQ NP,NQ: Número de pulsos registrados en las salidas de energía real y reactiva Medidor CFE (salida de pulsos) Relevador de Aislamiento kw-hr kvar-hr Sincronización Sistema de Medición

38 Medición en subestaciones (sistema distribuído) Señales de corriente (TC's) Señales de voltaje Cable de comunicación CFE Generador de emergencia Iluminación Contactos Medidor 1 Aire acondicionado Medidor 2 Piso 1 Piso 2 Piso 3 Piso 4 Piso 5 Piso 1 Piso 2 Piso 3 Piso 4 Piso 5

39 Medición en tableros de distribución a b c n TC Medidor ACEE-3F4W SUBPANEL TC TC A B C Registrador de datos N 1 POLO Carga monofásica Medidor 1F2W Medidor 3F3W Carga trifásica G 2 POLOS 3 POLOS

40 Beneficios de contar con sistema distribuído de medición Distribuír costos por línea de producción (facturación interna) Calcular Indices energéticos (Unidad de producción / kw-h) y compararlos con los niveles recomendados Identificar los grupos de cargas que contribuyen en mayor medida a la demanda máxima y/o al bajo factor de potencia y tomar acciones encaminadas a mejorar esta situación Determinar la eficiencia con que se utiliza la energía eléctrica en la planta Detectar Problemas relacionados con la regulación y el desbalance de voltaje Establecer el nivel de carga de los transformadores y alimentadores Determinar la cantidad de kvar neecesarios para la corrección óptima del factor de potencia Detectar procesos en los que se tiene una subutilización de motores Identificar procesos en los cuales la utilización de motores de alta eficiencia y/o de variadores de velocidad representarían un ahorro significativo de energía Determinar el estado de los bancos de capacitores

41 Sistema de Monitoreo de energía EGADE CFE CM2350 CM2350 CM2350 Generador de Emergencia Intranet ITESM Planta Física Campus Monterrey

42 Captura de formas de onda EGADE

43 Monitoreo Acometidas ITESM Campus Mty (en proceso) CFE 500 CFE 505 IBERDROLA Medidor CFE Medidor CFE Medidor IBERDROLA TC/TP Salida de Pulsos TC/TP Salida de Pulsos TC/TP Salida de Pulsos Power Measurement PM7500 Power Measurement PM7500 Power Measurement PM7500 Base de datos ION ITESM Campus Monterrey

44 Sistema de Monitoreo ITESM

45 Sistema de medición a nivel sistema Computadora Campus Mty Base de Datos Campus 1 Campus 2 Intranet Campus 3

46 Procesamiento de la información (Facturación) Base de Datos Sistema P(kW) DB DI DP HB HI HP HI :05 tiempo Perfiles Energía Consumida(kW-hr) Base Intermedio Punta Total 03/01/ /02/ /03/ /04/ /05/ /06/ Demandas(kW) 03/01/00 Base Intermedio Punta 03/02/ /03/ /04/ /05/ /06/ Resúmen diario de consumos y demandas por horario Horario kw-h $/kw-h $ Base 923, $ $ 248, Intermedi 2,544, $ $ 768, Punta 370, $ $ 314, TOTAL 3,839, $ 1,331, Horario kw $/kw $ Base 24, Intermedi 25, Punta 25, Facturable 25,621.9 $ $ 1,428, kvar-hr fp CFP $fp % $ (12,770.17) SUBTOTAL $ 2,747, IVA $ 412, TOTAL $ 3,159, Facturación por planta y/o línea de producción

47 IV) Corrección de Factor de Potencia Al corregir el factor de potencia se logran los siguientes beneficios: Se disminuye el importe de la factura Se recupera capacidad instalada en transformadores, alimentadores e interruptores Se disminuyen las pérdidas I 2 R Se disminuye la caída de voltaje

48 Penalización/Bonificación por factor de potencia

49 Corrección de factor de potencia La corrección de factor de potencia puede llevarse a cabo con capacitores o filtros El tiempo de recuperación de la inversión es de normalmente de 4 a 10 meses dependiendo de los siguientes factores: Factor de potencia original y factor de potencia deseado Uso de bancos de capacitores o filtros de armónicas Bancos fijos o automáticos (depende del factor de carga) Filtro de armónicas ITM Reactor Capacitor

50 Beneficios de la correción de factor de potencia CFE 13.8 kv, MVA SC = 50, X/R=3 CFE 13.8 kv, MVA SC = 50, X/R=3 86 A 64 A 2000 kva Z=10%, X/R = kva Z=10%, X/R = A 1850 A 1750 HP, fp=0.75(-), Eficiencia = 8 5% ST = 2050 > 2000! Pérdidas media tensión 3 * ( 8 6 ) 2 * 1.27 = kw ST= 1540 < 2000 Pérdidas media tensión 3 * ( 6 4 ) 2 * 1.27 = 15.6 kw DV(%) =( 1350/2000) * 10 =6.75 %

51 Beneficios de la correción de factor de potencia Reducción de pérdidas 80 A % P = fp fp' 2 55 A 0.2 Ω A 440V M 0.2Ω A 440V M 50 HP Eff=90% Banco de capacitores 50 HP Eff=90% factor de potencia =0.69 Corriente ~ 80 A Pérdidas en cable 3840 Watts factor de potencia =1.0 Corriente ~ 55 A Pérdidas en cable 1815 Watts

52 Referencias [1] [2] [3] [4] [4] Fascículo de Administración y control de demanda FIDE [5] Curso Interactivo Administración de demanda y compensación del factor de potencia [5]Elementos Básicos de un diagnóstico energético orientado a la aplicación de un programa de ahorro de energía FIDE [6]The Dranetz Field Handbook of Electrical Energy Management DRANETZ, 1992