Administración de la Demanda Eléctrica, Medición de Energía y Corrección del Factor de Potencia
Ing. Jesús A. Baez Moreno
[email protected]
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) 69 kV
Planta generadora Eficiencia=95% Sistema de Transmisión
115 - 400 kV Subestación Distribución
13.2 - 20 kV 13.8 kV
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 2
Pα I R
Transformador Elevador Generador
V 1 ↓ I1 ↑
V2 ↑ I 2 ↓
Sistema de Transmisión
Disminución de corriente: Menor calibre de Conductores y Reducción de pérdidas Transformador Reductor Sist. Distribución
V 1 ↑ I1 ↓
V2 ↓ I2 ↑
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
__________
$120,000 $400,000 $1,200,000 Energía Demanda
15%IVA + Importe Total
_________ ________
FP
Cargo por Consumo de Energía 7300
P(kW)
7200 7100 7000 HB
HI
HP
HI
kWHP
kWH I
6900 6800
kWHB
kWH I
6700 0:05
tiempo
CE($) = KWh [$ ]+ kWhI [$ ]+ kWh [$ B
B
$ >> $ > $ P
I
I
P
P
]
B
kWhB , kWhI , kWhP : Consumos de energìa en horarios base, intermedio y punta
$ B , $ I ,$ P : Costo unitario ($ / kWh )en horarios 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 BASE JUEVES
INTERMEDIO PUNTA
VIERNES 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 BASE JUEVES
INTERMEDIO PUNTA
VIERNES SABADO DOMINGO 0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
22
24
Cargo por demanda máxima DI DP
DB
7300
P(kW)
7200 7100 7000 6900
HB
HI
HP
HI
6800 6700 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 kW
0:00 0:01 0:02 0:03 0:04 0:05 0:06 0:07 0:08 0:09 0:10 0:11 0:12 0:13 0:14 0:15 0:16 0:17 0:18 0:19 0:20 0:21 0:22 0:23 0:24 0:25 0:26 0:27 0:28 0:29
100 100 200 200 200 350 350 350 500 500 600 600 350 350 350 250 250 200 200 200 200 200 300 400 350 500 500 500 600 600
Perfil de Demanda(Real) 700 600
Intervalo de 5 minutos kW-min Demanda media(kW) 800 160
500 P(kW)
t(min)
400 300 200 100 0
2050
410
0:00
0:05
0:10
0:15
0:20
0:25
tiempo (minutos)
Int. Dem(15m) 2250
450
340.00
P(kW) Perfil de Demanda(Facturación)) 1100
220
360.00
90 kW-h
360 350 340
87.5 kW-h
85 kW-h
80 kW-h 1450
290
320.00
2700
540
350.00
320
5
10
15
20
25
30
t(min)
Factor de Potencia kW-hr
kVAR-hr 7250
4100
7200 7150
4000 3900
7050
Q(kVAR)
P(kW)
7100
7000 6950 6900
3800 3700 3600
6850
3500
6800
3400
0:05
0:05
tiempo
f p=
tiempo
C arg o = (CE + CD ) * % Re c arg o
kWhr
[kWhr]2 + [kVARhr ]2 0 .9
% Re c. = 60
− 1; fp < 0.9
0 .9 ; fp > 0.9 fp
fp
% Bonif . = 25 1 −
Bonif . = (CE + CD ) * % Bonif .
Ejemplo Recibo CFE
Posibilidades de reducción de la facturación ØRedistribución de consumos (Reducción de consumo en horario punta) ØControl de demanda ØAutoabastecimiento ØCorrección 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.
A1 Dmedia kWh FC = = = Dmáx Dmáx [∆ t ] A 1+ A 2 P(kW)
Desconexión de cargas cuando la demanda se aproxima al límite establecido
No hay desconexión ni reconexión de cargas de manera programada cuando la demanda se encuentra dentro de la banda muerta
FC ↑ ⇒
$ ↓ kW − hr
Dmáx. Límite
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 Escenario 2 – 50% de la de demanda original Escenario 3 – 0 % de la demanda original
INTERMEDIO
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
P(kW)
14:00
16:00
P'(kW)
18:00
20:00
22:00
0:00
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 Base 0% Demanda Intermedia 0% Demanda Punta 21%
Energía Punta 28% 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 Base 9%
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)
Potencial Ahorro Centro de Estudios de Energía
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 kW-hr
Medidor CFE (salida de pulsos)
Relevador de Aislamiento
kVAR-hr Sincronización
Sistema de Medición
Medición en subestaciones (sistema distribuído) CFE Señales de corriente (TC's) Generador de emergencia
Señales de voltaje Cable de comunicación
Iluminación Contactos
Piso 1 P i s o 2
Medidor 1
P i s o 3 Piso 4
Piso 5
Aire acondicionado
P i s o 1 Piso 2
Medidor 2
Piso 3 Piso 4
Piso 5
Medición en tableros de distribución a
b
c
n
Medidor ACEE-3F4W
TC TC TC
SUBPANEL
A
B
Registrador de datos
C
N 1 POLO
Carga monofásica
Medidor 3F3W
Medidor 1F2W 2 POLOS
G
3 POLOS
Carga trifásica
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 505
CFE 500
Medidor CFE
IBERDROLA
Medidor IBERDROLA
Medidor CFE
TC/TP
TC/TP Salida de Pulsos Power Measurement PM7500
TC/TP Salida de Pulsos Power Measurement PM7500
Salida de Pulsos 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
Campus 3
Intranet
Procesamiento de la información (Facturación)
Base de Datos Sistema
Energía Consumida(kW-hr) DB
DI
DP
03/01/00 03/02/00 03/03/00 03/04/00 03/05/00 03/06/00
7300
P(kW)
7200 7100 7000 6900
HB
HI
HP
6800 6700 0:05
tiempo
Perfiles
HI
Base Intermedio Punta Total 144597.6 367088.4 73332 585018 146221.2 369421.2 73656 589298.4 145004.4 374673.6 75384 595062 172476 420933.6 0 593409.6 172476 420933.6 0 593409.6 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 Base 923,860.80 Intermedio 2,544,451.20 Punta 370,828.80 TOTAL 3,839,140.80
Horario kW Base Intermedio Punta Facturable
kVAR-hr 1670346
$/kW-h $ 0.26857 $ 0.30195 $ 0.84940
$/kW 24,969.6 25,660.8 25,617.6 25,621.9 $
fp 0.92
$ $ 248,121.30 $ 768,297.04 $ 314,981.98 $ 1,331,400.32
$ 55.767 $ 1,428,857.61
CFP -0.463% $
SUBTOTAL IVA
$ 2,747,487.76 $ 412,123.16
TOTAL
$ 3,159,610.93
$fp (12,770.17)
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 I2R •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
2000 kVA Z=10%, X/R = 5
64 A 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
%∆P =100 1− fp fp' 80 A 0.2 Ω
A
2
55 A A
0.2Ω
440V
440V
M
M 50 HP Eff=90%
factor de potencia =0.69 Corriente ~ 80 A Pérdidas en cable 3840 Watts
Banco de capacitores
50 HP Eff=90%
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