Uso racional de la energía eléctrica a nivel industrial

En el presente trabajo se intentarán evidenciar deficiencias de las instalaciones eléctricas ousos inadecuados de equipos en la industria, que como consecuencia directa, generan unconsumo adicional de energía eléctrica, aparejando mayores costos asociados innecesariosy una sobredemanda que complica el abastecimiento normal, en momentos de máximoconsumo estacional.A modo de poder entender claramente el porque se generan los problemas que provocan lasobredemanda energética, se explicarán muy sucintamente algunos conceptos ligados altema, a saber:

1) Variables eléctricas. Concepto de potencia y energía eléctrica.2) Potencia reactiva. Factor de potencia.3) Interpretación de los ítems relevantes en una factura de energía eléctrica.

1) Variables eléctricas. Concepto de potencia y energía eléctrica.

1a) Variables de un circuito eléctrico.

Intensidad de corriente eléctrica: la corriente eléctrica es la sucesión de electrones de carganegativa que circulan por un conductor en la unidad de tiempo. Su unidad de medida es elamper (A).

Voltaje: Las cargas eléctricas en un circuito cerrado fluyen del polo negativo al polopositivo de la propia fuente de fuerza electromotriz (batería), la diferencia de cargas entrelos polos es el voltaje o diferencia de potencial. Su unidad de medida es el volt (V).

Carga o impedancia: es el elemento que absorbe la energía eléctrica que circula por elcircuito. La carga puede ser de naturaleza resistiva cuando el elemento a energizar es unaresistencia (ejemplo bombita de luz), puede ser capacitiva cuando la carga es un capacitor(capacitor de arranque de un motor monofásico), puede ser inductiva cuando se trata de unarrollamiento o bobina (bobina de electroválvula neumática), o puede estar constituida poruna combinación de ambas como lo son la mayoría de los casos de la vida real.En el caso de carga resistiva, la unidad de medida es el Ohm ()

El funcionamiento de un circuito eléctrico es siempre el mismo ya sea éste simple ocomplejo. El voltaje, tensión o diferencia de potencial (V) que suministra la fuente defuerza electromotriz (FEM) a un circuito se caracteriza por tener normalmente un valor fijo.En dependencia de la mayor o menor resistencia en ohm ( ) que encuentre el flujo decorriente de electrones al recorrer el circuito, así será su intensidad en ampere (A).Una vez que la corriente de electrones logra vencer la resistencia (R) que ofrece a su pasoel consumidor o carga conectada al circuito, retorna a la fuente de fuerza electromotriz porsu polo positivo. El flujo de corriente eléctrica o de electrones se mantendrá circulando porel circuito hasta tanto no se accione el interruptor que permite detenerlo.

1. Fuente de fuerza electromotriz (batería). 2. Carga o resistencia ( lámpara). 3. Flujo de la corriente< eléctrica. 4. Interruptor. 5. Fusible.

1b) Ley de Ohm.

La Ley de Ohm, postulada por el físico y matemático alemán Georg Simon Ohm, es una delas leyes fundamentales de la electrodinámica, estrechamente vinculada a los valores de lasunidades básicas presentes en cualquier circuito eléctrico como son:

1. Tensión o voltaje (E), en volt (V).2. Intensidad de la corriente (I), en ampere (A) o sus submúltipos.3. Resistencia (R) de la carga o consumidor conectado al circuito en ohm ( ), o sus

múltiplos.

Postulado de la ley de OHM

“El flujo de corriente en ampere que circula por un circuito eléctrico cerrado, esdirectamente proporcional a la tensión o voltaje aplicado, e inversamenteproporcional a la resistencia en ohm de la carga que tiene conectada”.

Desde el punto de vista matemático, este postulado se puede representar por medio de lasiguiente fórmula:

1c) Que son la energía y la potencia eléctrica.

Para entender qué es la potencia eléctrica es necesario conocer primeramente el conceptode “energía”, que no es más que la capacidad que tiene un mecanismo o dispositivoeléctrico cualquiera para realizar un trabajo.Cuando conectamos un equipo o consumidor eléctrico a un circuito alimentado por unafuente, como puede ser una batería, la energía eléctrica que suministra fluye por elconductor, permitiendo que, por ejemplo, una bombita de alumbrado, transforme esaenergía en luz y calor, o un motor pueda mover una maquinaria.De acuerdo con la definición de la física, “la energía ni se crea ni se destruye, setransforma”. En el caso de la energía eléctrica esa transformación se manifiesta en laobtención de luz, calor, frío, movimiento (en un motor), o en otro trabajo útil que realicecualquier dispositivo conectado a un circuito eléctrico cerrado.La energía utilizada para realizar un trabajo cualquiera, se mide en “joule” y se representacon la letra “J”.

Potencia es la velocidad a la que se consume la energía. Si la energía fuese un líquido, lapotencia sería los litros por segundo que vierte el depósito que lo contiene. La potencia semide en joule por segundo (J/seg) y se representa con la letra “P”.

Un J/seg equivale a 1 watt (W), por tanto, cuando se consume 1 joule de potencia en unsegundo, estamos gastando o consumiendo 1 watt de energía eléctrica.

La unidad de medida de la potencia eléctrica “P” es el “watt”, y se representa con la letra“W”.

La forma más simple de calcular la potencia que consume una carga activa o resistivaconectada a un circuito eléctrico es multiplicando el valor de la tensión en volt (V) aplicadapor el valor de la intensidad (I) de la corriente que lo recorre, expresada en ampere. Pararealizar ese cálculo matemático se utiliza la siguiente fórmula:

El resultado de esa operación matemática para un circuito eléctrico monofásico de corrientedirecta o de corriente alterna estará dado en watt (W). Por tanto, si sustituimos la “P” queidentifica la potencia por su equivalente, es decir, la “W” de watt, tenemos también que: P= W, por tanto,

Si observamos las fórmulas expuestas , veremos que el voltaje y la intensidad de lacorriente que fluye por un circuito eléctrico, son directamente proporcionales a la potencia,es decir, si uno de ellos aumenta o disminuye su valor, la potencia también aumenta odisminuye de forma proporcional. De ahí se deduce que, 1 watt (W) es igual a 1 amperede corriente ( I ) que fluye por un circuito, multiplicado por 1 volt (V) de tensión o voltajeaplicado, tal como se representa a continuación.

1 watt = 1 volt · 1 ampere

De acuerdo con esta fórmula, mientras mayor sea la potencia de un dispositivo o equipoeléctrico conectado a un circuito consumiendo energía eléctrica, mayor será la intensidadde corriente que fluye por dicho circuito, siempre y cuando el valor del voltaje o tensión semantenga constante.La unidad de consumo de energía de un dispositivo eléctrico se mide en watt-hora (vatio-hora), o en kilowatt-hora (kW-h) para medir miles de watt.

Normalmente las empresas que suministran energía eléctrica a la industria y el hogar, enlugar de facturar el consumo en watt-hora, lo hacen en kilowatt-hora (kW-h). Si, porejemplo, tenemos encendidas en nuestra casa dos lámparas de 500 watt durante una hora, elreloj registrador del consumo eléctrico registrará 1 kW-h consumido en ese período detiempo, que se sumará a la cifra del consumo anterior.Una bombilla de 40 W consume o gasta menos energía que otra de 100 W. Por eso,mientras más equipos conectemos a la red eléctrica, mayor será el consumo y más dinerohabrá que abonar después a la empresa de servicios a la que contratamos la prestación delsuministro de energía eléctricaEl consumo en watt (W) o kilowatt (kW) de cualquier carga, ya sea ésta una resistencia oun consumidor cualquiera de corriente conectado a un circuito eléctrico, como pudieran sermotores, calentadores, equipos de aire acondicionado, televisores u otro dispositivo similar,en la mayoría de los casos se puede conocer leyéndolo directamente en una placa metálicaubicada, generalmente, en la parte trasera de dichos equipos.

1d) Cuántos tipos de potencia eléctrica existen.

En líneas generales la potencia eléctrica se define como la capacidad que tiene un aparatoeléctrico para realizar un trabajo o la cantidad de trabajo que el mismo realiza en unidad detiempo. Su unidad de medida es el watt (W). Sus múltiplos más empleados son el kilowatt(kW) y el megawatt (MW), mientras el submúltiplo corresponde al miliwatt (mW).Sin embargo, en los equipos que funcionan con corriente alterna y basados en elelectromagnetismo, como los motores y los transformadores, por ejemplo, coexisten trestipos diferentes de potencia:

Potencia activaPotencia reactivaPotencia aparente

Triángulo de potencias que forman la potencia activa, la potencia reactiva y la potencia aparente.El coseno del ángulo que se aprecia entre la potencia aparente y la activa se denomina coseno de"fi" o "factor de potencia" y lo crea la potencia reactiva. A mayor potencia reactiva, mayor será eseángulo y menos eficiente será el equipo al que le corresponda.

La denominada “potencia activa” representa en realidad la “potencia útil”, o sea, laenergía que realmente se aprovecha cuando ponemos a funcionar un equipo eléctrico yrealiza un trabajo. Por ejemplo, la energía que entrega el eje de un motor cuando pone enmovimiento un mecanismo o maquinaria, la del calor que proporciona la resistencia de uncalentador eléctrico, la luz que proporciona una lámpara, etc.

Por otra parte, la “potencia activa” es realmente la “potencia contratada” en la empresaeléctrica y que nos llega a la casa, la fábrica, la oficina o cualquier otro lugar donde senecesite a través de la red de distribución de corriente alterna. La potencia consumida portodos los aparatos eléctricos que utilizamos normalmente, la registran los contadores omedidores de electricidad que instala dicha empresa para cobrar el total de la energíaeléctrica consumida cada mes.

La potencia reactiva es la que consumen los motores, transformadores y todos losdispositivos o aparatos eléctricos que poseen algún tipo de bobina o enrollado para crear uncampo electromagnético.La potencia aparente o potencia total es la suma de la potencia activa y la reactiva. Estasdos potencias representan la potencia que se toma de la red de distribución eléctrica, que esigual a toda la potencia que entregan los generadores en las plantas eléctricas. Estaspotencias se transmiten a través de las líneas o cables de distribución para hacerla llegarhasta los consumidores, es decir, hasta los hogares, fábricas, industrias, etc.

Potencia contratada y potencia demandada

Ya vimos que la “potencia contratada” (la que contratamos en la empresa eléctrica), es lapotencia activa, que debe coincidir o ser superior a la suma total de toda la carga enkilowatt (kW) instalada en una casa, fábrica, industria, empresa, etc. Ahora bien, la“potencia demandada” es la que realmente se consume, que puede ser menor, igual omayor que la contratada.

La foto superior muestra un metro contador analógico, que instala la< empresa eléctricacuando contratamos el servicio eléctrico y que podemos< encontrar todavía en muchoshogares para medir el consumo o gasto de< corriente en kilowatt-hora en que incurrimos.En la actualidad la mayoría de los nuevos metros contadores son electrónicos y elconsumo lo muestran en una pantalla digital o display.

Normalmente cuando la demanda o energía que consumimos durante un mes supera a laenergía que hemos contratado previamente en la empresa eléctrica, éstas penalizan alusuario con una multa o un cobro superior al costo de los kilowatt que se estipulan en elcontrato. Por tanto, la potencia demandada no debe superar nunca a la potencia contratada.

2) Potencia reactiva. Factor de potencia.

2a) Potencia reactiva.

Como se dijo en párrafos anteriores, la potencia reactiva es la consumen los motores,transformadores y todos los dispositivos o aparatos eléctricos que poseen algún tipo debobina o enrollado para crear un campo electromagnético. Esas bobinas o enrollados queforman parte del circuito eléctrico de esos aparatos o equipos constituyen cargas para elsistema eléctrico que consumen tanto potencia activa como potencia reactiva y de sueficiencia de trabajo depende el factor de potencia. Mientras más bajo sea el factor depotencia, mayor será la potencia reactiva consumida. Además, esta potencia reactiva noproduce ningún trabajo útil y perjudica la transmisión de la energía a través de las líneas dedistribución eléctrica. La unidad de medida de la potencia reactiva es el VAR y su múltiploes el kVAR (kilovolt-amper-reactivo).

Cuando conectamos una resistencia (R) o carga resistiva en un circuito de corriente alterna,el trabajo útil que genera dicha carga determinará la potencia activa que tendrá queproporcionar la fuente de fuerza electromotriz (FEM). La potencia activa se representa pormedio de la letra (P) y su unidad de medida es el watt (W).

La fórmula matemática para hallar la potencia activa que consume un equipo eléctricocualquiera cuando se encuentra conectado a un circuito monofásico de corriente alterna esla siguiente:

P = Potencia de consumo eléctrico, expresada en watt (W)I = Intensidad de la corriente que fluye por el circuito, en ampere (A)Cos = Valor del factor de potencia o coseno de “fi”

2b) Factor de potencia.

El llamado triángulo de potencias es la mejor forma de ver y comprender de forma gráficaqué es el factor de potencia o coseno de “fi” (Cos ) y su estrecha relación con losrestantes tipos de potencia presentes en un circuito eléctrico de corriente alterna.

Si el número que se obtiene como resultado de la operación matemática es un decimalmenor que “1” (como por ejemplo 0,95), dicho número representará el factor de potenciacorrespondiente al defasaje en grados existente entre la intensidad de la corriente eléctrica yla tensión o voltaje en el circuito de corriente alterna.Lo ideal sería que el resultado fuera siempre igual a “1”, pues así habría una mejoroptimización y aprovechamiento del consumo de energía eléctrica, o sea, habría menospérdida de energía no aprovechada y una mayor eficiencia de trabajo en los generadoresque producen esa energía.En los circuitos de resistencia activa, el factor de potencia siempre es “1”, pero en loscircuitos inductivos, como ocurre con los motores, transformadores de voltaje y la mayoríade los dispositivos o aparatos que trabajan con algún tipo de enrollado o bobina, el valor delfactor de potencia se muestra con una fracción decimal menor que “1” (como por ejemplo0,8). Por tanto, un motor de corriente alterna con un factor de potencia o Cos = 0,95 ,por ejemplo, será mucho más eficiente que otro que posea un Cos = 0,85El dato del factor de potencia de cada motor es un valor fijo, que aparece generalmenteindicado en una placa metálica pegada a su cuerpo o carcasa, donde se muestran tambiénotros datos de interés, como su tensión o voltaje de trabajo en volt (V), intensidad de la

corriente de trabajo en amper (A) y su consumo de energía eléctrica en watt (W) o kilowatt(kW).

Por el efecto contrario que producen en un circuito eléctrico los capacitores, provoca eladelantamiento de la sinusoide de intensidad de la corriente con relación a la sinusoide dela tensión o voltaje. Esto produce un efecto de desfasaje entre ambas magnitudes eléctricas,pero ahora en sentido inverso al desfasaje que provocan las cargas inductivas.

Por tanto, cuando en la red de suministro eléctrico de una industria existen muchos motoresy transformadores funcionando, y se quiere mejorar el factor de potencia, será necesarioemplear bancos de capacitores dentro de la propia industria, conectados directamente a lared principal. En algunas empresas grandes se pueden encontrar también motores decorriente alterna del tipo "sincrónicos" funcionando al vacío, es decir, sin carga, paramejorar también el factor de potencia.

Capacitores instalados en un circuito eléctrico de fuerza, con el fin de. mejorar el coseno de "fi" ofactor de potencia de una industria.

De esa forma los capacitores, aportan energía reactiva y de signo contrario a la consumidapor motores y transformadores. Así se tratará de que las potencias reactivas se resten,arrojando como resultado un triángulo con un coseno fi mínimo o lo que es lo mismo quedecir que el circuito presentará un factor de potencia se aproxime lo más posible a “1”.

3) Interpretación de los ítems relevantes en una factura de energía eléctrica.

Previo al análisis de los ítems relevantes que se consignan en las facturas de energíaeléctrica que envían las distribuidoras, es importante señalar que no todo consumidor recibeel mismo tipo de factura. Así es que en base al consumo contratado cuando se da de alta lainstalación, o en función a los incrementos de consumo registrados posteriormente al alta yen correspondencia a la posición fiscal del cliente, la tarifa y consecuente carga impositivaaplicada, pueden corresponder básicamente a tres categorías distintas, a saber:

T1 : tarifa para clientes particulares del tipo domiciliaria.

T2 : tarifa comercial (para comercios o industrias de bajo consumo).

T3 : tarifa industrial para grandes consumidores (industrias que superan el consumomensual de 50 KW.

Para cualquiera de los tres casos, la información consignada está dividida en dos partes,correspondiendo la parte izquierda de la factura a los datos de consumo y la derecha a losdatos de facturación.A medida que se pasa de tarifa 1 a la 3, aumentan los parámetros a considerar, las facturaspertenecientes a tarifa T1 son muy sencillas, mientras que el paso a la contratación demayor energía, obliga a pasar a tarifas mayores y consecuentemente la cantidad de datos deconsumo explicitados aumenta.A modo aclaratorio y con ánimo de poner en evidencia las variables de cada tarifa, se hadesarrollado el siguiente cuadro comparativo:

Acciones concretas a tomar para bajar el consumo en una industria

A continuación y yendo a un plano más concreto, se pondrán de manifiesto accionesconcretas que tiendan a la disminución de los costos de energía y del consumo en unaindustria. Las mismas pueden ser, entre otras:

1) Corregir el factor de potencia cuando se encuentre por fuera de los nivelesadmitidos, no penalizables.(ver cuadro tarifario).

2) Dimensionar correctamente la sección de cada cable conductor, afin de evitarpérdidas por calentamiento y caídas de tensión que obliquen a aumentar elconsumo, además de poner en riesgo las instalaciones. Para determinar la secciónadecuada, en base a los consumos y la corriente que circula, de tablas como la quese adjunta, se sacan las secciones necesarias.

Dado que la excesiva longitud de las líneas producen pérdida de tensión poraumento de resistencia, cuando se trate de tendidos muy largos, debe considerarse lacompensación de sección equivalente. (ver tabla)

3) Efectuar las los tendidos de cables de las instalaciones sin empalmes (tramoscontinuos de cables) o conectores diseñados especialmente a tal fin, de modo de noprovocar caídas de tensión que obliguen a aumentar la corriente circulante.

4) Plantear la iluminación de las plantas y lugares de trabajo con luminarias del tipoinductivas (tubos fluorescentes o lámparas de bajo consumo), eliminando lámparasincadescentes o dicroicas. En orden de optimización del consumo y la eficiencia desu poder lumínico, las luminarias pueden ordenarse como:

Tubos fluorescentes Lámparas de bajo consumo Lámparas de mercurio Lámparas de filamento Dicroicas

En el caso de los tubos fluorescentes, la utilización de balastros electrónicos enlugar de los electromecánicos, proporciona menor consumo de energía activa yreactiva.

5) Las luminarias deben estar interconectadas de forma tal de poder efectuar unaenergización de líneas alternadas, de forma de poder usar el total o un parcial deellas, según la necesidad.

6) Colocar y distribuir las luminarias lo más localizadamente posible sobre los puestosoperativos, de forma de dejar los espacios de circulación y depósitos, con laintensidad básica ligada a la seguridad.

7) Colocación de fotocélulas y detectores de presencia en lugares aislados, depósitos,patios y lugares comunes donde sólo la presencia de personas, justifique mantenerencendidas las luminarias.

8) Balancear la carga de las líneas de distribución interna (R, S, T), de manera queninguna esté sobreexigida, por lo visto en el punto 2.

9) Procurar sistemas de arranque para todos los motores del tipo estrella triángulo, queaumentan la energización de los campos en el momento de máxima demanda decupla de los mismos, acortando los tiempos de arranque y por ende el tiempo dedemanda de máxima energía.

10) Establecer instalaciones fijas para todo puesto operativo que demande energía,eliminando alargues con secciones y contactos defectuosos.

11) No utilizar equipos de aire acondicionados centrales para oficinas, sino equiposindividuales y setearlos a una temperatura no inferior de los 25°c.

12) Aprovechar al máximo la utilización de energía en horarios de valle y resto,teniendo mejor disponibilidad y menor costo de tarifa.