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

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

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

Red Eléctrica (Generación, transmisión y distribución)

Red Eléctrica (Generación, transmisión y distribución) Planta generadora Eficiencia=95% Sistema de Transmisión 69 kv 115-400 kv 13.2-20 kv 13.8 kv Subestación Distribución 13.8 kv Sistema de distribución Eficiencia=90% Usuarios industriales 220-440 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

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

Sistema Eléctrico Mexicano

Capacidad instalada (40,340 MW)

Desarrollo de la capacidad instalada

Sistema de transmisión

Tasas de crecimiento anual

Ventas y costo promedio por tarifa

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

Cargo por Consumo de Energía 7300 7200 P(kW) 7100 7000 6900 6800 6700 0:05 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

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 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 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 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24

Cargo por demanda máxima 7300 DB DI DP P(kW) 7200 7100 7000 6900 6800 6700 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 + 0.3 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

Cálculo de la demanda facturable

Cálculo de la demanda facturable t(min) kw 0:00 100 0:01 100 0:02 200 Intervalo de 5 minutos 0:03 200 kw-min manda media(kw) 0:04 200 800 160 0:05 350 0:06 350 0:07 350 0:08 500 0:09 500 2050 410 0:10 600 0:11 600 0:12 350 Int. Dem(15m) 0:13 350 0:14 350 2250 450 340.00 0:15 250 0:16 250 0:17 200 0:18 200 0:19 200 1100 220 360.00 0:20 200 0:21 200 0:22 300 0:23 400 0:24 350 1450 290 320.00 0:25 500 0:26 500 0:27 500 0:28 600 0:29 600 2700 540 350.00 P(kW) 700 600 500 400 300 200 100 0 360 350 340 320 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 5 10 15 20 25 30 t(min)

Factor de Potencia 7250 7200 kw-hr 4100 kvar-hr 7150 4000 P(kW) 7100 7050 7000 6950 6900 Q(kVAR) 3900 3800 3700 3600 6850 6800 0:05 tiempo 3500 3400 0:05 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

Ejemplo Recibo CFE

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

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

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

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

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%.

Efecto de reducir el consumo y la demanda en horario punta BASE PUNTA 1600 1400 1200 1000 800 600 400 200 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 Escenario 1 - Original INTERMEDIO Escenario 2 50% de la de demanda original Escenario 3 0 % de la demanda original

Efecto de reducir el consumo y la demanda en horario punta

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

Caso de Estudio 1: Autoabastecimiento parcial en horario punta Perfil de demanda cargas 1200 1000 800 600 400 200 0 0:00 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

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

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%

Ahorro por reducción de consumo en horario punta Empresa manufacturera

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 : $5,000.00 mensuales Beneficio Total = $51,000 + $5,000.00 = $ 56,000 mensuales Inversión (Filtros de armónicas) = $ 500,0000 Tiempo de retorno de inversión = 9 meses

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

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

III Sistemas de Medición de Energía Eléctrica

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

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

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

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

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

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

Captura de formas de onda EGADE

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

Sistema de Monitoreo ITESM

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

Procesamiento de la información (Facturación) Base de Datos Sistema P(kW) DB DI DP 7300 7200 7100 7000 6900 HB HI HP HI 6800 6700 0:05 tiempo Perfiles Energía Consumida(kW-hr) Base Intermedio Punta Total 03/01/00 144597.6 367088.4 73332 585018 03/02/00 146221.2 369421.2 73656 589298.4 03/03/00 145004.4 374673.6 75384 595062 03/04/00 172476 420933.6 0 593409.6 03/05/00 172476 420933.6 0 593409.6 03/06/00 150213.6 384346.8 76708.8 611269.2 Demandas(kW) 03/01/00 Base Intermedio Punta 03/02/00 24321.6 25228.8 24667.2 03/03/00 24667.2 25315.2 25056 03/04/00 24624 26438.4 25574.4 03/05/00 25099.2 25142.4 0 03/06/00 25099.2 25142.4 0 Resúmen diario de consumos y demandas por horario Horario kw-h $/kw-h $ Base 923,860.80 $ 0.26857 $ 248,121.30 Intermedi 2,544,451.20 $ 0.30195 $ 768,297.04 Punta 370,828.80 $ 0.84940 $ 314,981.98 TOTAL 3,839,140.80 $ 1,331,400.32 Horario kw $/kw $ Base 24,969.6 - Intermedi 25,660.8 - Punta 25,617.6 - Facturable 25,621.9 $ 55.767 $ 1,428,857.61 kvar-hr fp CFP $fp 1670346 0.92-0.463% $ (12,770.17) SUBTOTAL $ 2,747,487.76 IVA $ 412,123.16 TOTAL $ 3,159,610.93 Facturación por planta y/o línea de producción

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

Penalización/Bonificación por factor de potencia

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

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 = 5 2000 kva Z=10%, X/R = 5 2465 A 1850 A 1750 HP, fp=0.75(-), Eficiencia = 8 5% ST = 2050 > 2000! Pérdidas media tensión 3 * ( 8 6 ) 2 * 1.27 = 2 8.8 kw ST= 1540 < 2000 Pérdidas media tensión 3 * ( 6 4 ) 2 * 1.27 = 15.6 kw DV(%) =( 1350/2000) * 10 =6.75 %

Beneficios de la correción de factor de potencia Reducción de pérdidas 80 A % P = 100 1 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

Referencias [1] http://www.conae.gob.mx [2] http://www.cre.gob.mx [3] http://www.cfe.gob.mx [4] http://www.watthourmeters.com [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