Todo Sobre Energía y Potencia

ENERGÍA

Energía Activa (kWh)

La energía activa es aquella que al ingresar a una instalación por los conductores de electricidad produce luz, calor y movimiento. Es la que calienta las resistencias de un horno, provee las fuerzas para mover motores, produce luz al atravesar el filamento de un foco incandescente, es decir produce trabajo.

La energía activa representa numéricamente la dedicación que tuvo una porción de las maquinas generadoras de electricidad hacia nuestra instalación durante una determinada cantidad de tiempo, o lo que es lo mismo, pero desde el punto de vista del Consumidor, el gasto resultante del uso de sus equipos eléctricos durante cierta cantidad de tiempo.

Componentes de la energía activa
Los componentes de la energía activa son los siguientes:

El primero es la potencia, cuyas unidades se miden en kilovatios (kW). De ahí que el consumo de energía sea proporcional a la potencia de los equipos, dato característico de cada uno de ellos.
El segundo componente es el tiempo, cuya unidad más usual es la hora (h). De ahí que el consumo de energía sea proporcional al tiempo de uso de los equipos, o sea kWh.

Ejemplo
Si se lee en la placa de un motor que su potencia es de 3 kW (P), y si mantenemos el motor funcionando 10 horas seguidas (t), el consumo de energía (E) será:

E = P x t = 3 kW x 10 h = 30 kWh

Importante
En la mayoría de los casos, los motores vienen especificados en HP o CV. En estos casos, sólo se debe multiplicar por un factor para calcular la potencia en kW del motor.
Por ejemplo para el caso de motores con datos en HP se multiplica por el factor 0.736, y para los que vienen en CV se multiplica por 0.746.

Unidad de medida
La unidad de medida de la energía activa se abrevia kWh, y se pronuncia kilovatio-hora. Es una unidad muy familiar para todos los consumidores.
Una expresión normal de un Consumidor en la Categoría Residencial, puede ser: “El mes pasado, nuestro consumo fue de 367 kWh”.
En la Categoría Industrial, donde se manejan magnitudes mayores, la misma podría ser: “Nuestro consumo de Energía Activa en la fábrica fue de 43.000 kWh durante el mes anterior”.

¿Cómo se mide?
Mediante el Medidor o Contador de energía activa (kWh), el mismo que es instalado en el Punto de Conexión (Caja o Panel) de cada Consumidor, sirviéndose de la línea de Baja Tensión (220 V) o de Media Tensión con Puesto de Transformación (10,5 ó 24,9 kV).

Energía Reactiva (kVARh)

Además de la energía activa, algunos de los equipos eléctricos también usan otro tipo de energía para funcionar satisfactoriamente. Este tipo de energía es llamada energía reactiva, y los equipos que la usan son los conformados internamente por bobinas o inducidos, es decir principalmente los motores y transformadores. No produce trabajo, pero es necesaria para producirlo.

¿Qué es?
Esta energía reactiva es la requerida para crear el campo magnético en las bobinas de motores, transformadores, balastos magnéticos, etc, tiene características diferentes a la energía activa que acabamos de ver. Ella como tal no produce luz, movimiento ni calor.
Magnitudes por fuera de las normas establecidas de energía reactiva producen sobre carga en la infraestructura del sistema eléctrico de las empresas prestadoras del servicio y del Consumidor, y sobre costos en la factura.

¿Cómo se mide?
Su consumo es determinado a través del medidor de energía reactiva, de características similares al medidor de energía activa o medidor electrónico.
Su unidad de medida se abrevia kVARh, y se pronuncia kilo-vares-hoara.
Se permite un consumo equivalente al 50% del total del consumo de energía activa en un periodo de facturación. Pero aquella porción que exceda numéricamente el 50% del total del consumo de energía activa, se cobra como penalización, debido a la inconveniencia de la utilización de esta energía, tanto para CRE Ltda, como empresa Distribuidora, como para el Consumidor.

La solución
Una de las principales características de la energía reactiva es que puede ser reducida por la misma instalación del Consumidor mediante la adecuación de los llamados banco de capacitores (medidos en kVARh).
Mediante la conexión o instalación de estos bancos realizados por un Ingeniero Electricista, el Consumidor produce o genera su propia energía reactiva sin extraerla ni sobrecargar las redes de la empresa prestadora del servicio.
La conexión de estos bancos de capacitores puede hacerse, generalmente, de dos formas diferentes, según la distribución de las cargas, al interior de la instalación:

Global
Al ubicar todo el bloque de capacitores en la subestación de entrada de la instalación, lo cual se facilita al estar todas las cargas concentradas y cercanas a la misma subestación.

Por grupos
Al ubicar los bloques de capacitores en forma de pequeños grupos que atienden cada una de las cargas específicas, generalmente dispersas en la instalación del Consumidor.

Usted puede evitar el cobro de Energía Reactiva si instala banco de Capacitores

Factor de Potencia

¿Qué es?
Es un indicador de consumo de la energía reactiva en la instalación en comparación con el consumo efectuado de la energía activa.

Ejemplo.
Una instalación industrial presenta en un mes 5000 kWh. de consumo de energía activa y 2000 kVARh de consumo de energía reactiva.
El Factor de Potencia de la instalación, simplemente, es un número que se halla en base a los consumos mencionados, si se aplica la siguiente formula:

                     KWh
  FP =  -------------------------------
             (kWh)2 + (kVARh)2

o bien,

                   kVARh
FP = cos ( arc tan --------------------------)
                     kWh
 

Reemplazando valores, tenemos

 5000
FP =----------------------------------------------- = 0,93
(5000)2 + (2000)2
 

o bien,

                            2000
FP = cos ( arc tan------------------ )
                            5000

FP = cos (21.8 o) = 0,93

Cómo varía?
Matemáticamente puede variar entre 1 y –1, pero en las instalaciones de los Consumidores varía prácticamente sólo entre 0 y 1.
Cuando el factor de potencia se acerca al valor 1 se dice que es un factor de potencia alto, lo cual es benéfico para la instalación.
Cuando el factor de potencia se aleja del valor 1, se dice que el factor de potencia es bajo, los cual deja de ser beneficioso para el Consumidor y su instalación.

¿Y para qué sirve este indicador?
El factor de potencia puede variar mes a mes debido a los cambios en los consumos de energía activa y de energía reactiva.
Lo más aconsejable para las instalaciones situadas dentro del área de Concesión de CRE, es mantener su consumo de energía reactiva desde las redes eléctricas de distribución, por debajo del 50% del consumo de energía activa durante el mes correspondiente, manteniendo así el Factor de Potencia por encima de 0,9.
Este valor lo proporciona CRE Ltda en la factura, penalizándose aquellos Factores de Potencia menores a 0,9, únicamente a Consumidores con una demanda mayor a 50 kW, dependiendo del nivel de tensión en el cual se establece la medición.

¿Cómo se penaliza un bajo factor de potencia?
Apliquemos para ello el siguiente ejemplo:
Una instalación industrial presenta, en un mes, un consumo total registrado de 597.730 kWh de energía activa, y 359.738 kVARh de energía reactiva.

Calculamos el Factor de Potencia:

                        359.738
FP = cos ( arc tan------------------------ )
                         597.730

FP = cos ( 34,5o ) = 0,86

El Factor de Potencia obtenido está por debajo de 0.9, debiéndose aplicar la penalización correspondiente.
Para obtener el valor a ser penalizado como Energía Activa (kWh), por Bajo Factor de Potencia (BFP), se aplica la siguiente fórmula:

                     0.9
BFP (kWh)= kWh(( ____________- 1 ) )

Factor de Potencia
calculado

Sustituyendo valores, tenemos:

                          0.9
BFP = 597.730 kWh ((__________ -1 ))
                             0.86

BFP = 27.801 kWh

El valor obtenido es adicionado al total de Energía Activa consumida, obteniéndose el total de kWh por facturarse:

Total kWh x facturar = ( 597.730 + 27.801 ) kWh

Total kWh x facturar = 625.531 kWh

La corrección del factor de potencia
Para mantener este indicador en un valor alto, por arriba de 0.9, mientras se consume la misma cantidad de energía reactiva, se recomienda la instalación de bancos de capacitores como se mencionó anteriormente. A este procedimiento se le denomina corrección del factor de potencia o compensación de reactivos.

Recuerde
El factor de potencia simplemente es un indicador hallado a partir de los consumos de energía activa y reactiva. Económica y técnicamente conviene mantenerlo en un valor superior a 0,9 para no tener que pagar innecesariamente costos adicionales por consumo de energía reactiva.



POTENCIA

Potencia activa

Es la capacidad que tiene un equipo o artefacto eléctrico para desarrollar trabajo. A mayor potencia, el equipo estará en capacidad de desarrollar más trabajo.
Veamos algunos ejemplos, donde cada uno se refiere a equipos del mismo tipo:
Un foco de 100 W ilumina más que uno de 50 W.
Una bomba de agua de 6 kW tiene más capacidad de bombear que una de 4 kW.
Una hornilla eléctrica de 1800 W provee más calor que otra de 1000 W.
La potencia es, entonces, un dato característico de cada equipo.
En el ejemplo anterior se usó la expresión “del mismo tipo”, debido a que hay tecnologías más eficientes que otras.

Eficiencia
Para explicar este término, vamos a citar un ejemplo común con artefactos eléctricos sencillos:

“Una lámpara fluorescente de 60 W ilumina mejor que un foco incandescente de 60 W”,

por lo tanto es más eficiente, vale decir, produce más iluminación por Vatio.
Por este motivo, todo equipo adquirido por el Consumidor debe ser elegido como el más eficiente en su género, balanceando esta exigencia con la contraparte “costo”.
Asimismo, en toda instalación eléctrica que requiera incorporar un Puesto de Transformación mediante un Proyecto Eléctrico, el Consumidor debe exigir a su Técnico Proyectista máxima seriedad en el cálculo de la potencia requerida, respetando las disposiciones técnicas de instalación, vigentes en CRE Ltda.

Unidades
La unidad de Potencia Activa es el Vatio (W), aunque generalmente son más utilizados sus múltiplos:
El Kilovatio (kW), igual a 1000 W.
El Megavatio (MW), igual a 1.000.000 W.
El Gigavatio (GW), igual a 1.000.000.000 W.
Los siguientes ejemplos nos dan una idea de las magnitudes de las potencias involucradas en diversas etapas de la producción y uso de la electricidad.
Un foco incandescente tiene 100 W.
Un compresor tiene 3 kW.
Las potencias de los equipos (motores, taladoras, etc.) de una fabrica suman 50 kW.
Una central hidroeléctrica puede tener capacidad hasta mas de 500 MW.

Carga instalada
Corresponde a la suma aritmética de las potencias de todos los equipos que existen en el interior de una instalación.
Esta carga instalada la describe el consumidor en su solicitud para el servicio de suministro de electricidad.

Demanda y Demanda Máxima (kW)

La demanda de una instalación corresponde simplemente a la suma aritmética de las potencias de todos los equipos que tiene funcionando simultáneamente.

Ejemplo
Una empresa tiene funcionando simultáneamente a las 17:00 h del 07 de enero del presente año los siguientes equipos eléctricos:
Carga total de iluminación de 10 kW.
Un compresor de 30 kW.
Dos motores con 50 kW.
Aire acondicionado de 15 kW.
Un horno de 7 kW.
La demanda que esta instalación le está cargando al Sistema Eléctrico de la empresa Distribuidora, en este caso CRE Ltda, el día 07 de enero a las 17:00 h, es simplemente la suma aritmética de las potencias mencionadas.
 

D = (10 + 30 + 50 + 15 + 7 ) kW = 112 kW

Por lo tanto, todas las instalaciones tienen cierta demanda en cualquier instante del tiempo.
Para el sistema de facturación de las empresas Distribuidoras en Bolivia, la más importante de todas las demandas, en una instalación, es la máxima ocurrida en el periodo de un mes y sostenida como mínimo durante 15 minutos.

¿Cómo se determina la demanda máxima?
El equipo encargado de esta labor es el denominado Medidor de Demanda Máxima, el cual registra la potencia demandada por la instalación, cada 15 minutos, de manera ininterrumpida.
Una vez efectuada la lectura mensual de la demanda máxima, el personal de la empresa distribuidora reajusta a cero el registro de demanda (actividad comúnmente conocida como “reseteo”), para iniciar un nuevo periodo de registro

¿Por qué se debe cobrar la demanda máxima?
La demanda máxima se cobra porque es necesario disponer de la infraestructura necesaria para poder satisfacerla en un momento determinado, a pesar de que esa infraestructura permanezca subutilizada el resto del tiempo.

Importante
La finalidad del cargo por Demanda máxima es obtener una compensación económica por la exigencia máxima, efectuada en la instalación al sistema eléctrico, la cual fue atendida satisfactoriamente en el momento en que se produjo.

Curva de Carga

Es la representación grafica de la forma en que el Consumidor, en un determinado intervalo de tiempo, hace uso de sus equipos eléctricos.
El intervalo de tiempo puede ser diario, mensual, anual o cualquier otro útil para el análisis.

Factor de carga (fc)
Es un indicador numérico importante acerca de la forma de uso de los equipos eléctricos en una instalación.
Este indicador provee de algunos elementos de juicio que ayudan a tomar decisiones sobre esa forma de uso a nivel de los procesos productivos.
El factor de carga especifica sobre un periodo diario, mensual, anual o cualquier otro útil para el análisis.
Factor de carga (fc) se define como la relación entre la demanda promedio del periodo y la demanda máxima en el mismo periodo, o sea:

        Demanda promedio
(fc) = -------------------------------
     Demanda máxima

Este factor indica el comportamiento de la demanda comparada con su pico máximo.
Lo más recomendable para las instalaciones es que su factor de carga esté lo más cercano al valor de 1, ya que demuestra una utilización constante de la carga. Pero si el factor de carga es menor que 1, se demuestra una utilización ineficiente de los equipos instalados. La ineficiencia es mayor en la medida que el factor de carga se acerca a cero (0).

¿Cómo hallar la demanda promedio?

               Energía consumida en el periodo
DP = -----------------------------------------
            Número de horas del periodo

Ejemplo
Para los propósitos de este ejemplo trataremos una Curva de Carga de una instalación sobre un periodo de un día típico, con muestreo horario del uso de los equipos eléctricos.

Los datos tomados del medidor y su gráfica asociada se presentan en la Figura 1.
Según las lecturas efectuadas al medidor de energía activa a las 00:00 h y a las 24:00 h, el consumo de energía fue igual a 1.505 kWh.

De la Curva de Carga de la Figura 1 se puede extraer bastante información útil:

Periodo de baja carga
El periodo de más baja carga va desde la medianoche hasta las 04:00 h y desde las 11:00 h hasta medianoche debido que sólo corresponde a iluminación de exteriores y de seguridad.

Ascenso y descenso
En la mañana la Curva asciende hasta alcanzar su pico máximo matutino igual a 120 kW, por aumento de la producción. A medio día decrece la utilización de la carga (hora de almuerzo) y vuelve a crecer a un pico máximo del día a las 15:00 h igual a 150 kW.









Picos y Valles
La curva de carga muestra una utilización muy desequilibrada de la carga instalada a través de las horas del día.
Seria deseable, por propósitos de eficiencia en la producción, que el uso fuera más constante, más equilibrado.
Los desequilibrios mencionados reciben el nombre de picos (las crestas) y valles (las depresiones).
Es entonces aconsejable llevar a cabo un programa de optimización del uso de la carga con propósito de disminuir los picos y rellenar los valles.

Desplazamiento de los procesos productivos
Una forma de optimizar el uso de la carga y obtener consecuentemente beneficios económicos es desplazar los procesos productivos mediante la implantación de nuevos horarios de trabajo o desplazamiento de los procesos productivos para los periodos de menor exigencia para el sistema eléctrico nacional.
El encargado de la instalación debe efectuar un profundo análisis comparativo, si la inclinación es implantar un nuevo horario de trabajo, por ejemplo, después de las 21:00 h, con los beneficios asociados en materia de electricidad y el incremento a nivel salarial y prestaciones a sus empleados.

Si efectúa un buen desplazamiento de los procesos productivos desde las puntas hacia los valles, principalmente mediante redistribución de las jornadas de trabajo o mejor planeamiento de la secuencia de los procesos productivos, se logran significativos beneficios económicos si el Consumidor está asociado a la modalidad de medición de energía activa y demanda.

Cálculo del factor de carga

En el caso de nuestro ejemplo, el factor de carga para el día considerado (día típico de la instalación) es:
 

1505 kWh
(fc) = ------------------- = 0,42
150 kW x 24 h

Este Factor de Carga es bajo. Es recomendable llevar a cabo acciones para tratar de reducir la demanda máxima de la instalación, con el consecuente aumento del indicador anterior.

Gestión de carga
Las acciones encaminadas a manejo adecuado de la Curva de Carga de una instalación con el fin de optimizar el uso de los equipos disponibles y por lo tanto el servicio de electricidad, se conocen con el nombre de Gestión de Carga.