Control de la demanda eléctrica Información básica Junio 2001

Contenido 1. Antecedentes (SEN) 2. Tarifas horarias 3. Alternativas de ahorro 4. Metodología Conae 5. Asistencia Técnica

1. Antecedentes A. Sistema Eléctrico Nacional (SEN) Áreas, estructura y comportamiento B. Programas de DSM Razones, objetivos y tipos

A. Sistema Eléctrico Nacional (SEN) En las últimas décadas, el SEN ha evolucionado a un ritmo acelerado En 1960 la capacidad instalada de generación en México era de 3,021 MW , alimentado por sistemas eléctricos independientes entre sí

Evolución del SEN (1) Utilización de mayores tensiones de transmisión (230 y 400 kV) Interconexión de sistemas Desarrollo de grandes proyectos hidroeléctricos y termoeléctricos

Evolución del SEN (2) Aprovechamiento de la energía geotérmica, la energía nuclear, el carbón y la energía eólica Se ha incorporado el uso de tarifas con diferenciación horaria como instrumento para administrar la demanda eléctrica.

Áreas del Sistema Eléctrico Nacional El SEN se divide en nueve áreas: 1.- Noroeste 2.- Norte 3.- Noreste 4.- Occidental 5.- Central 6.- Oriental 7.- Peninsular 8.- Baja California 9.- Baja California Sur Las siete primeras se encuentran interconectadas entre sí y forman el Sistema Interconectado Nacional (SIN)

Áreas del SEN: Planeación de capacidad

Observaciones del SEN (1) Las dos áreas de la península de Baja California, permanecen como sistemas independientes El sistema eléctrico de Baja California tiene interconexiones con la red eléctrica de EUA para importar y exportar

Observaciones del SEN (2) Esto le ha permitido a la CFE, realizar transacciones internacionales de energía con varias compañías eléctricas de EUA y recibir apoyo en situaciones de emergencia Para 1999 el SEN tenía una capacidad de generación de 35,667 MW y 425,408 km de líneas de transmisión en niveles de tensión de 2.4 a 400 kV

Principales centrales de generación

Capacidad efectiva por área en (MW) diciembre de 1999 Estructura del SEN por tipo de generación Capacidad efectiva por área en (MW) diciembre de 1999

Capacidad efectiva al 31-dic-99

Generación bruta de electricidad en 1999

Regionalización tarifaria Baja California Norte Noreste Noroeste Baja California Sur Peninsular Sur Central

Demanda en periodo punta: SEN

Demandas punta: Región norte del país

B. Programas de DSM (Administración del lado de la Demanda) Fenómeno que se presenta en el contexto del ahorro de energía a nivel mundial Para las suministradoras, es más barato invertir en modificar los consumos de los usuarios que en construir nuevas plantas de generación La DSM es una actividad plenamente desarrollada en EUA

Razones para la DSM (1) La DSM se originó fundamentalmente como resultados de los incrementos en los costos de generación eléctrica durante el “shock” petrolero de 1973 Impactos en los costos de generación Aumento del precio del petróleo (principal costo de operación) Aumento del costo del capital (principal costo de inversión)

Razones para la DSM (2) Estos incrementos de costos fueron reflejados en las tarifas que se cobran por el servicio Las preocupaciones ambientales se convirtieron en una razón complementaria para justificar la DSM

Razones para la DSM (3) Las empresas eléctricas tienen condiciones únicas para ayudar a usuarios a mejorar la eficiencia en su uso de la electricidad: Conocen quienes son los usuarios Conocen sus hábitos de consumo Se comunican con ellos por lo menos una vez al mes

Objetivos de los programas de DSM Eficiencia energética Reducción de picos de demanda Desplazamiento de picos Llenado de “valles”

Tipos de programas de DSM Información Instalación directa Incentivos económicos Tarifas alternativas

Tipos de programas de DSM: Información Folletos Maneras de ahorrar energía Auditorias energéticas

Programas de DSM: Instalación Equipos eficientes en el uso de la electricidad Hacer uso de las tecnologías existentes que contribuyan al ahorro de energía

Programas de DSM: Incentivos económicos Subsidios a compra de equipos de alta eficiencia Bonificaciones a fabricantes y distribuidores de estos equipos y/o préstamos de bajo interés

Programas de DSM: Tarifas alternativas Las tarifas alternativas más comúnmente aplicadas en programas de DSM son las tarifas horarias

2. Tarifas horarias Funciones de las tarifas Señal de las tarifas horarias Costos marginales Tarifa HM

Tarifas horarias CFE diseña tarifas horarias que dan señales económicas claras a los usuarios (principalmente industriales) para hacer un uso más racional de la electricidad Las tarifas horarias reflejan los costos que para la CFE representa el proveer electricidad en horas pico (que es la hora en la cual CFE tiene que tener el mayor número de plantas en operación)

Funciones de las tarifas Función Financiera Generación de recursos para sufragar costos totales y ampliaciones futuras Función Económica Señal de costo marginal para influir en el perfil de la demanda, y promover la eficiencia económica Función Productiva-Social Decisiones del Gobierno Federal Mecanismo Económico-Redistributivo Subsidios a usuarios de menores recursos y/o sectores productivos

Señal de las tarifas horarias El consumo de energía en las horas base es más económico que en el periodo punta El pago por concepto de energía en el periodo punta es mayor debido a que CFE tiene que operar sus equipos más caros para el suministro de energía en este periodo

Costos marginales de capacidad generación turbogás . sistema adaptado redes transmisión subtransmisión distribución . costo incremental promedio . de largo plazo

marginales de suministro Uso de costos marginales de suministro La tarificación de la energía eléctrica basada en los costos marginales de largo plazo del sistema eléctrico, da una señal económica a la clientela que favorece la eficiencia económica global Costos Marginales de Capacidad Costos Marginales de Energía Reconocen diferencias horarias, regionales y estacionales

Diseño de las tarifas costos marginales cargos tarifarios energía capacidad cargos tarifarios energía demanda

Tarifa HM (horaria media tensión) Aplicación: Esta tarifa se aplicará a los servicios que se destine la energía a cualquier uso, suministrados en media tensión, con demanda de 100 kW o más.

Tendencia de la Tarifa HM Con el transcurso del tiempo, va incorporando a un mayor número de usuarios: noviembre de 1991: 1000 kW noviembre de 1996: 500 kW diciembre de 1997 : 300 kW diciembre de 1998: 100 kW

Conceptos de facturación Demanda eléctrica por periodos Consumo de energía por periodos Demanda facturable Factor de carga Periodos base, intermedio y punta

Demanda eléctrica por periodos Es la demanda máxima medida para cada uno de los periodos Demanda base (DB) Demanda intermedia (DI) Demanda punta (DP)

Consumo de energía por periodos Es el consumo de energía medido en cada uno de los periodos Consumo base (CB) Consumo intermedia (CI) Consumo punta (CP)

DF = DP + FRI max(DI - DP,0) + FRB max(DB - DPI,0) Demanda facturable Definida por la relación de demandas en los diferentes periodos; fórmula: DF = DP + FRI max(DI - DP,0) + FRB max(DB - DPI,0) DPI es la demanda máxima de los periodos punta e intermedio FRI y FRB son factores de reducción que dependen de la tarifa y región

¿Qué pasa sí? DB < DP > DI Datos: DP = 1,000 Región: Central DI = 800 FRI: 0.300 DB = 600 FRB: 0.150 DF = DP + FRI max(DI - DP,0) + FRB max(DB - DPI,0) DF = 1,000 + FRI (- 1,000, 0) + FRB (- 1,000, 0) DF = 1,000 es decir, DF = DP

¿Qué pasa sí? DB < DI > DP Datos: DP = 800 Región: Central DI = 1,000 FRI: 0.300 DB = 600 FRB: 0.150 DF = DP + FRI max(DI - DP,0) + FRB max(DB - DPI,0) DF = 800 + 0.300 max(1,000 - 800, 0) + 0.150 max(600 - 1,000, 0) DF = 800 + 0.300 (200) + 0.150 (0) DF = 800 + 60 = 860 es decir, DF > DP, pero DF < DI

¿Qué pasa sí? DI<DB>DP y DI<DP Datos: DP = 800 Región: Central DI = 600 FRI: 0.300 DB = 1,000 FRB: 0.150 DF = DP + FRI max(DI - DP,0) + FRB max(DB - DPI,0) DF = 800 + 0.300 max(600 - 800, 0) + 0.150 max(1000 - 800, 0) DF = 800 + 0.300 (0) + 0.150 (200) DF = 800 + 0 + 30 = 830 es decir, DF > DP, pero DF < DB

¿Qué pasa sí? DI<DB>DP y DI>DP Datos: DP = 600 Región: Central DI = 800 FRI: 0.300 DB = 1000 FRB: 0.150 DF = DP + FRI max(DI - DP,0) + FRB max(DB - DPI,0) DF = 600 + 0.300 max(800 - 600, 0) + 0.150 max(1000 - 800, 0) DF = 600 + 0.300 (200) + 0.150 (200) DF = 600 + 60 + 30 = 690 es decir, DF > DP, pero DF < DB Nota: La DF es menor que en cualquiera de los casos anteriores

Factor de Carga (F.C.) Indicador de la forma en que se usa la energía eléctrica en una instalación Se puede interpretar como una medida de aprovechamiento de la energía consumida con relación a la demanda máxima

Fórmulas del F.C. = = Consumo de energía (kWh/m) x 100 [%] Demanda máxima (kW) x periodo (h/m) = x 100 [%] Demanda media (kW) Demanda máxima (kW) = x 100 [%]

Efectos al incrementar el F.C. Se busca reducir la facturación eléctrica, para lo cual trataremos de disminuir principalmente DP Al aumentar el F.C. se obtiene una reducción en el precio unitario de la energía. factor de carga cent / kWh

Periodos tarifarios (1) Ejemplo: Tarifa HM, Región Noroeste Del 16 de mayo, al sábado anterior al último domingo de octubre

Periodos tarifarios (2) Del último domingo de octubre al 15 de mayo

Tarifa HM: Cuotas aplicables (may/01)

Factores de reducción: FRI.- Factor de reducción en el periodo intermedio FRB.- Factor de reducción en el periodo base

Principales cargos en la facturación Cargo por demanda facturable Cargo por consumo Bonificación por alto factor de potencia o cargo por bajo factor de potencia, según sea el caso Derecho de alumbrado público (DAP) Impuesto (IVA)

3. Alternativas de ahorro a) Administración de la energía Medidas operacionales Medidas tecnológicas Normas de eficiencia b) Control de la demanda Alternativas tecnológicas Sistemas de control

a) Administración de la energía Son todas aquellas medidas que permiten optimizar el uso de la energía, mejorando (o sin afectar) la operación el proceso o el confort de la instalación La aplicación de estas medidas permiten reducir el consumo de energía, pero no siempre la demanda eléctrica

Ejemplo: Admón. de la energía

Sistema de iluminación (1) Medidas operacionales Apagado de luces cuando no se requieran Seccionamiento de circuitos / apagadores Adecuar niveles de iluminación Uso de tragaluces Limpieza de luminarios Pintar interiores con colores claros Nota: Consultar medidas operacionales, indicadas el el Programa de Ahorro de Energía en Inmuebles de la Administración pública Federal, página Conae en Internet

Sistema de iluminación (2) Medidas tecnológicas Equipo eficiente Lámparas compactas fluorescentes y T8 Balastros electrónicos Reflectores especulares Controles automáticos Sensores de presencia Sensores de luz, etc. Nota: Consultar Módulo de iluminación (página Conae en Internet)

Sistema de iluminación (3) Normas aplicables NOM-007-ENER-1995 Eficiencia energética para sistemas de alumbrado en edificios no residenciales NOM-013-ENER-1996 Eficiencia energética para sistemas de alumbrado en vialidades y exteriores de edificios NOM-017-ENER-1997 Lámparas fluorescentes compactas de uso residencial Nota: Consultar normas de niveles de iluminación, NOM-025-STPS-1994 y el Handbook IESNA, capítulo 11 (once)

Sistema de fuerza: motores (1) Medidas operacionales Equipos Evitar equipos sobredimensionados Conexiones Revisar empalmes y aprietes Operación Evitar que operen en vacío Evitar fugas (bombas y compresores) Checar niveles de aceite Mantenimiento (limpieza)

Sistema de fuerza: motores (2) Medidas tecnológicas Equipos Motores de alta eficiencia Controles Variadores de velocidad (bombas y ventiladores) Sensores de operación (presión, nivel, etc.) Operación Corregir el factor de potencia Bandas dentadas (transmisión) Aceites especiales

Sistema de fuerza: motores (3) Normas aplicables NOM-001-ENER-1995 Eficiencia energética de bombas verticales NOM-006-ENER-1995 Eficiencia energética electromecánica en sistemas de bombeo para pozo profundo NOM-010-ENER-1996 Eficiencia energética de bombas sumergibles NOM-014-ENER-1996 Eficiencia energética de motores monofásicos NOM-016-ENER-1997 Eficiencia energética de motores trifásicos

Sistema de aire acondicionado (1) Medidas operacionales Diseño Ubicación correcta del termostato Aislamiento de ductos y tuberías Controles Ajuste de la temperatura de confort (set point) Operación Eliminar fugas de aire Limpiar filtros de aire Mantenimiento continuo

Sistema de aire acondicionado (2) Medidas tecnológicas Envolvente Aislamiento térmico (techos y paredes) Cubrir cristales con películas reflejantes Ventanas doble cristal Equipos Compresores de alta eficiencia Operación de chillers en etapas Sistemas Distribución de aire variable Economizador de aire

Sistema de aire acondicionado (3) Normas aplicables NOM-073-SCFI-1994 Eficiencia energética en acondicionadores tipo cuarto NOM-009-ENER-1995 Eficiencia energética en aislamientos térmicos industriales NOM-011-ENER-1996 Eficiencia energética de acondicionadores de aire tipo central

b) Control de la demanda Son aquellas medidas que tienden a limitar los niveles de demanda máxima facturable, en razón de los precios tarifarios La aplicación de estas medidas permiten reducir la demanda eléctrica facturable, pero no siempre el consumo de energía

Establecer límites de demanda máxima

Traslado de cargas (1) Operar equipos en horarios dónde la energía sea más económica Horario base e intermedio Evitar operar cargas no necesarias en el proceso Anuncios publicitarios Bombas para almacenamiento de agua Establecer niveles de demanda máxima y mínima

Traslado de cargas (2) Evitar o trasladar cargas del periodo punta al intermedio

Incremento del factor de carga Se pretende aprovechar la energía consumida con relación a la demanda máxima Se busca reducir la facturación eléctrica Disminuir principalmente DP Al aumentar el F.C. se obtiene una reducción en el precio unitario de la energía

Incremento del factor de carga Al incrementar el F.C., evitamos picos excesivos de demanda

¿Cómo se puede incrementar el F.C.? (1) 1. Aumentando el consumo de energía Se mantiene constante la demanda Observaciones Los equipos deben operar más horas El costo por kWh disminuye, sin embargo, La facturación aumenta Demanda (kW) x periodo (h/m) x F.C. = = [kWh] Consumo

¿Cómo se puede incrementar el F.C.? (2) 2. Disminuyendo la demanda eléctrica Se mantiene constante el consumo de energía Observaciones Se pueden establecer los niveles de demanda máxima (control de la demanda) El costo por kWh disminuye, y La facturación eléctrica también disminuye Consumo de energía (kWh/m) periodo (h/m) x F.C. = = [kW] Demanda

Métodos para limitar la demanda b.1) Alternativas tecnológicas Termoalmacenaje Autoabastecimiento Cogeneración b.2) Sistemas de control Control manual Control automático

b.1) Alternativas tecnológicas (1) Termoalmacenaje Es la práctica de utilizar un Chiller o una planta de refrigeración para fabricar y almacenar hielo fuera de las horas de demanda punta, para proveer parcial o totalmente los requerimientos de enfriamiento en las horas de demanda pico Se aplica en una amplia gama de sistemas de aire acondicionado y de enfriamiento para procesos industriales

Almacenaje parcial

Almacenaje total

b.1) Alternativas tecnológicas (2) Autoabastecimiento Es la generación de energía eléctrica para las satisfacciones de las necesidades propias Los generadores podrán destinar toda o parte de su producción

b.1) Alternativas tecnológicas (3) Cogeneración La producción de energía eléctrica conjuntamente con vapor u otro tipo de energía térmica secundaria, o ambas. La producción directa o indirecta de energía eléctrica a partir de energía térmica no aprovechada en los procesos de que se trate, o La producción directa o indirecta de energía eléctrica utilizando combustibles producidos en los procesos de que se trate

Cogeneración vs. Generación de energía eléctrica convencional

Sistemas de Cogeneración A) TURBINA DE VAPOR B) TURBINA DE GAS C) CICLO COMBINADO D) MOTOR ALTERNATIVO E.T E. E COMB G.V R.C

b.2) Sistemas de control Control manual Control automático Controles de encendido y apagado Control automático Controles programables Sistemas de control inteligente

Control manual Se realiza con los propios equipos de arranque/paro (inversión cero) La secuencia de paro la realiza el propio personal (acciones momentáneas) No se cuenta con monitoreo de la demanda (incertidumbre de beneficios)

Control automático (1) Controles programables Sistema modular que actúa sobre una señal, que temporalmente desconecta cargas eléctricas predeterminadas Manejan niveles de prioridad para distintos horarios y fechas

Control automático (2) Sistemas de control inteligente Sistema que integra a un conjunto de módulos Provee el control sobre procesos para que sean seguros, confiables, precisos y eficientes, lo cual es posible monitoreando y controlando los sistemas mecánicos y eléctricos Pueden incorporarse otras opciones, como señales de falla de equipos, niveles de confort por horario y clima exterior, etc.

Sistema de control inteligente

Estrategias de Control Tiempos y horarios Horarios calendario Días festivos Ciclos de carga Monitoreo de la demanda Límite de demanda

Programación del controlador Definir el punto de referencia sobre el cual se basarán sus funciones El punto de referencia se determina conjuntamente con el personal de producción, mantenimiento e ingeniería Durante la operación del sistema se establecen los rangos de ajuste (arriba y abajo), dependiendo de las cargas seleccionadas y la flexibilidad del proceso

Operación del controlador

Métodos de operación de un controlador Método de carga instantánea Método de la demanda acumulada Proyección de la curva de demanda

Método de carga instantánea La potencia demandada se mide continuamente y se compara con el punto de referencia Se recomienda en instalaciones con régimen de operación continua El nivel de operación normal esta muy cerca del punto de referencia superior preseleccionado Desventaja: cada vez que entra alguna nueva carga, el controlador actúa poniendo fuera alguna otra carga

Método de carga instantánea

Método de la demanda acumulada Esta basada en la relación de la demanda acumulada y los límites de alta y baja demanda permisible Por lo tanto, las líneas de referencia (superior e inferior) no son horizontales, sino inclinadas La línea de referencia superior corresponde a la demanda acumulada máxima permisible en un momento dado

Método de la demanda acumulada

Proyección de la demanda Predicción del valor de la demanda en un tiempo t+1 de manera que el controlador se anticipa al momento de rebasar el punto de referencia Al tomar acciones anticipadas, se asegura prácticamente que en ningún momento se rebase el límite superior de referencia Se recomienda en instalaciones donde las características del proceso presentan variaciones continuas en el nivel de demanda

Proyección de la demanda

4. Metodología Conae para el control de la demanda Aspectos relevantes Objetivos Campo de aplicación Actividades para realizar un estudio Requerimientos de uso Análisis de información Potenciales de ahorro Informe final

Aspectos relevantes Se plantea como una alternativa de ahorro, en sistemas ya eficientes Se requiere de un alto conocimiento del proceso productivo y su capacidad de flexibilidad Demanda un mayor conocimiento sobre los consumos horarios, particulares y totales (mediciones) Conocimiento claro sobre costos de producción, energía y su balance

Objetivos Determinar los potenciales de ahorro al aplicar medidas de control, manual o automático, que modifiquen los patrones de consumo y/o demanda eléctrica en periodo punta Estimar los posibles potenciales de ahorro al aplicar medidas de administración de la energía, a través de índices energéticos

Campo de aplicación Empresas con suministro de energía en tarifa (H-M) Empresas que tengan la factibilidad de modificar sus patrones de consumo y/o demanda eléctrica, o bien controlar la operación de cargas en periodo punta, por lo menos 15 minutos

Actividades para realizar un estudio Actividades del Usuario Realizar el levantamiento de datos Capturar la información, y Enviar la información vía e-mail a la Conae Actividades de la Conae Analizar la información proporcionada por el Usuario Estimar los potenciales de ahorro Elaborar y entregar al Usuario un informe final

Requerimientos de uso Una computadora, requisitos mínimos: Procesador 486 5 MB de memoria libre en disco duro (máximo) 16 MB de memoria en Ram Windows 95 Conexión a Internet Correo electrónico (e-mail)

Análisis de información Facturaciones eléctricas Producción mensual Censo de cargas que operan actualmente en periodo punta y que pueden ser desconectadas Nota: La precisión de los resultados dependerá de la veracidad de la información

Potenciales de ahorro Ahorro por administración de la energía Índices energéticos Ahorro por control de la demanda Desconexión parcial de cargas eléctricas en periodo punta

Índices energéticos Relación entre la producción y consumo de energía eléctrica en un mismo periodo Comparación histórica durante 1 año (mínimo) Determina rangos de eficiencia (máximos y mínimos) Permite establecer metas de eficiencia Detecta fallas en la operación o información

Gráfica de índices energéticos

Ejemplo 3. Tabla de datos @ Índice energético de máxima eficiencia, utilizado como valor de referencia (línea de referencia) A Ahorros en consumo de energía calculados a partir de la diferencia entre el índice energético actual y el índice de máxima eficiencia, multiplicada por la producción del mes correspondiente

Potenciales de ahorro Administración de la energía B Ahorro económico calculado con el costo unitario anual de la energía

Potenciales de ahorro Control de la demanda eléctrica

Potenciales de ahorro Control de la demanda eléctrica

Potenciales de ahorro Control de la demanda eléctrica

Informe final estudio control demanda I. Resumen ejecutivo II. Estudio de control de la demanda eléctrica Situación actual de la empresa Ahorro por administración de la energía Ahorro por control de la demanda III. Anexos Consideraciones del estudio

5. Asistencia técnica Unidades de Enlace para la Eficiencia Energética (U3E) Puertos de atención Página de Conae en Internet Correo electrónico

Unidades de Enlace para la Eficiencia Energética Baja California Sinaloa Coahuila Jalisco Chihuahua Nuevo León Veracruz Puebla Yucatán Tamaulipas Las U3E están establecidas por convenio con cámaras y asociaciones de industriales locales y operan para dar servicio de asistencia técnica a los miembros de las mismas. Estado de México Aguascalientes Querétaro Valle de México

Página de Conae en Internet http://www.conae.gob.mx Directorio de consultores y fabricantes Precios de la energía Correo electrónico inm@conae.gob.mx cde@conae.gob.mx