La gestión de la carga eléctrica en la industria como herramienta para reducir costes

El estudio de los picos de consumo energético no se han estudiado suficientemente en los proyectos industriales. Ello genera normalmente instalaciones que deben estar sobredimensionadas para absorber los picos de potencia, que además suelen coincidir con los periodos del día en los que la energía es más cara. Hablamos en este artículo de las estrategias que podemos emplear para optimizar el consumo energético en la industria de procesos y disminuir así los picos de consumo.

El coste total del suministro de energía eléctrica está compuesto por los costes de producir, transportar, distribuir y repartir la electricidad a los clientes. Estos cambios incluyen en particular: salarios, costes de combustibles, mantenimiento, depreciación, costes de capital, tasas y retorno de la inversión. Es importante abordar la gestión de la carga en la industria como una herramienta para reducir costes. Hablamos en general, sin centrarnos en ningún país concreto, pero para aplicaciones específicas deberemos revisar cómo se aplican individualmente las tarifas.

Para hacernos una idea de cómo la gestión de la carga puede reducir los costes y por tanto el precio, es importante considerar los siguientes hechos:

• La producción de duración corta de energía eléctrica para cumplir demanda pico es cara, ya que requiere una planta que pueda reaccionar rápidamente a los modelos de la demanda cambiantes.
• Una planta operada para cumplir la demanda pico contribuye a un alto coste de energía marginal consumida en periodos pico.

Gestión de la carga eléctrica

La gestión de la carga eléctrica (Electric Load Management o LM) puede definirse como las acciones llevadas a cabo para cambiar el perfil de carga con el objetivo de conseguir una carga pico del sistema total reducidos. El objetivo es que la carga del sistema total sea lo más uniforme posible.

Si un cliente puede reducir la demanda coincidiendo con la demanda pico del sistema y reduce el requerimiento de la capacidad de la red, entonces el cliente reduce las cargas totales de la electricidad ahorrando costes al suministrador, distribuidor y productor.

Algunos ejemplos de gestión de carga que pueden considerarse en un escenario industrial son los siguientes:

• Planificación de la producción: Planificar los procesos productivos para evitar que las cargas se conecten simultáneamente a la red. Pueden reorganizarse los turnos o automatizar los procesos para prevenir la entrada en funcionamiento de los equipos que consumen más energía de forma simultánea.
• Almacenamiento de energía: Instalar dispositivos de almacenaje de frío o calor de forma que estas necesidades se cubran antes de entrar en los momento de consumo pico.
• Eficiencia energética: Introducir medidas de eficiencia energética específicamente enfocadas en el momento de consumo pico y así reducir los KVA.
• Corrección del factor de potencia: Si no se actúa sobre el factor de potencia es muy probable que el transformador trabaje un 10 % por encima de la demanda real en kW.

La aplicación de estas medidas requiere inversión, que normalmente deberá financiarse, pero se recuperará en un corto espacio de tiempo.

En la práctica, varias combinaciones de medidas se gestión y combinación de carga son posibles, incluyendo medidas de eficiencia energética, corrección del factor de potencia, planificación parcial y combinación con almacenamiento de energía. El cliente tendría que cubrir los costes de cada medida y financiar la inversión de capital en un número de años, compensado por el ahorro en los costes de compra de la energía.

Las cargas industriales y su control

Para beneficiarse de unos mejores precios de la electricidad es necesario comprender los siguientes pasos:

• Comprender cómo la curva de carga industrial afecta a la industria, medida la demanda en el punto de conexión a la red de distribución.
• Identificar los receptores finales más convenientes para las prácticas de gestión de carga.
• Determinar que configuración es necesaria para limitar la máxima energía que puede pedirse a la red y también como demorar el consumo eléctrico hasta conseguir periodos económicamente más favorables.

Análisis de la curva de carga

El examen de la curva de carga diaria es el primer paso hacia la implementación de la gestión de carga. Tal análisis puede incluir las siguientes actividades:

• Definición de los objetivos de la curva de carga, dependiendo de los mecanismos de precio. En las industrias puede ser deseable reducir la carga durante el periodo pico para incrementar el consumo fuera del pico. Bajo sistemas de tarifa particulares, puede ser altamente prioritario reducir el pico de la factoría.
• Controlando la cuenta de electricidad mensual pueden determinarse las oportunidades de gestión de la carga y en que periodos.
• Análisis de factibilidad de la gestión de la carga. Esto debe asegurarnos que no existen cargas que no conozcamos, el impacto en la calidad y cantidad de la producción, presentación de la integridad de los equipos, e interacciones mutuas con otras instalaciones.
• Análisis de operaciones controlables que, por el valor y tiempo de su consumo, pueden ser retenidas como los mayores contribuyentes a la carga total a controlar.
• Definición de la estrategia de gestión de carga que resulta en una curva de carga tan próxima como sea posible al objetivo deseado sin comprometer rendimientos y capacidades.
• Consultar a los fabricantes sobre la disponibilidad de sistemas LM compatibles.

Ejemplo

Como ejemplo pensemos en una factoría pequeña con las siguientes potencias:

• Horno: 30 kw.
• Procesos permanentes: 75 kw.
• Calentamiento del espacio: 55 kw.
• Ventilación: 2 kw.
• Iluminación: 24 kw.
• Almacenamiento de agua caliente: 18 kw.

La diversidad natural de los procesos de la factoría hace que con estas potencias se alcance un pico de 170 kw a las 11 de la mañana.

En el ejemplo el agua caliente se produce por la noche, lo cual es una contribución importante a la diversidad. En una industria como esta pueden darse coincidencias de operaciones como el horno funcionando a la vez que el calentamiento del espacio. Sin embargo, la inercia térmica que es típica en el calentamiento del suelo, permite la interrupción del suministro durante un periodo de tiempo sin causar ningún disconfort al usuario. Es fácil automatizar el sistema de forma que se desconecte el calentamiento del suelo temporalmente cuando el horno esté operando. El periodo de retorno de la inversión en estos dispositivos suele ser próximo a un año.

Cargas eléctricas controlables

La efectividad de las medidas de gestión de carga depende del grado en el que es posible incrementar, decrementar o reprogramar las cargas. La identificación de las cargas que pueden ser gestionadas y hasta qué extensión es una operación fundamental que será realizada antes de la implementación de cualquier programa de gestión de carga.

Cargas térmicas y de refrigeración

Ejemplos de cargas térmicas eléctricas incluyen hornos (arco, inducción, resistencia, etc.), calderas y calentadores de agua, calentadores del espacio, enfriadores y acondicionadores de aire. Una característica de tales aplicaciones es que el equipo puede usualmente operar dentro de una banda alrededor de una temperatura preseleccionada. Esto hace posible interrumpir o activar el suministro cuando sea posible con un impacto limitado en el rendimiento.

Cargas de ciclo fijo.

Las cargas de ciclo fijo trabajan de acuerdo con una secuencia constante de operaciones preseleccionada. Ejemplos podemos encontrarlos en el tratamiento térmico de metales y en la industria alimentaria para cocinar, cocido, esterilización, etc. Si estas cargas se interrumpen, pueden o no pueden comenzar el ciclo desde el punto de interrupción. Esto dependerá de la duración de la interrupción y del tipo de proceso implicado. Los tratamientos térmicos, por ejemplo, no producirán metales con las características requeridas si no se procede de acuerdo con la secuencia planificada de calentamiento y enfriamiento. Otros procesos como el secado son menos sensibles a las interrupciones.

Métodos de control

Los métodos de control se dividen en tres opciones:

• Un cambio en comportamiento: Es fácil y requiere una baja inversión pues normalmente se consigue con el entrenamiento de los operarios.
• Programación: La programación del consumo eléctrico es más eficiente pero demanda más inversión. El propósito es reducir cualquier consumo indebido (por ejemplo, ventilación cuando el personal no está presente) y también moviendo el consumo de electricidad de periodos cuando el consumo es más caro a periodos en que es más barato.
• Desconexión: La desconexión de los aparatos eléctricos durante las horas pico para mantener máxima energía bajo un umbral prefijado.

Sistemas de almacenaje

El almacenamiento de energía permite un cambio en el consumo a periodos fuera del pico sin impactar en la operación del proceso productivo. Es por tanto posible en parte anticipar su consumo. Esto puede alcanzarse por sistemas que implican el uso de baterías o, si se requiere energía térmica, calentando un medio tal como agua, aire o aceite, en un depósito de almacenamiento.

Las aplicaciones más comunes son las relacionadas con el almacenamiento de energía térmica (tanto calor como frío). El almacenamiento directo a través de baterías es menos popular debido al coste y las dificultades de optimizar el ciclo de carga/descarga.

Algunos ejemplos de sistemas de almacenamiento de energía térmica son los siguientes:

• El agua caliente se almacena fácilmente en depósitos y se calienta durante la noche usando una resistencia eléctrica. El calentamiento de grandes volúmenes es rentable, y tanques tan grandes como con 100 o 200 m3 operan en sectores industriales muy diferentes, en particular en la industria agroalimentaria.
• El almacenamiento de agua en una torre o recipiente a presión reduce el consumo de las bombas durante las horas pico (y origina una mejor seguridad en caso de incendio).
• Las enfriadoras de agua o hielo para propósitos de proceso o aire acondicionado pueden también ser almacenadas en tanques para reducir costes, incrementar la seguridad en operación y facilitar el mantenimiento.
• El aire de alta presión o tanques de aceite pueden también ser instalados por las mismas razones. El aire comprimido y el aceite bajo presión se usa en muy diferentes industrias para válvulas, herramientas de moldeado, etc.
• El calentamiento del suelo por medio de resistencias integradas en el hormigón hacen posible que el suelo de los edificios almacene energía térmica por la noche y la caliente durante las horas de trabajo.
• Las baterías cargadas por la noche suministran electricidad a bajo coste a las carretillas elevadoras durante el día.
• La instalación de condensadores para mejorar el factor de potencia es un método adicional de gestión de la carga, tanto las pérdidas por efecto Joule como los costes se reducen utilizando este sistema. Se recomiendan especialmente los condensadores controlados automáticamente.

Generación local de electricidad

Donde los costes de la electricidad durante los periodos pico penalizan el consumo, la generación local de electricidad es una solución que puede ser económica. No obstante, estos proyectos deben estudiarse profundamente, ya que las restricciones por inversión y operación son a menudo profundas.

Cambio en tecnología

Un cambio de tecnología puede producir una reducción del consumo y la demanda. Algunos ejemplos son sustituir iluminación, sustituir compresores recíprocos por de tornillo, usar variadores de velocidad, etc.

Controladores de demanda

El control de las cargas se realiza por medio de dispositivos que optimizan la reducción de energía o desconectan de la red siguiendo unos límites preestablecidos.

Industrias sensibles a estos proyectos

Algunas industrias que pueden beneficiarse de este tipo de proyectos son la metalmecánica, electrolisis, gas, cemento, mezclado de hormigón, mármol, piedra, plantas de refrigeración, industrias de fabricación del plástico.

Bibliografía: Electric Load Management in Industry. Leonardo Energy. January 2009