12 abril 2011

El coste de la energía eléctrica de mala calidad



La calidad de la energía eléctrica es muy importante tanto para el funcionamiento de los equipos como por los costes adicionales que conlleva una energía eléctrica de baja calidad. El primer paso para comprender la naturaleza de los problemas es comprender cómo cada uno influye en la actividad comercial. En este nuevo artículo sobre la energía eléctrica en condiciones difíciles vamos a explicar los efectos de los defectos y los costes que supone su aparición.

El alcance de estos problemas es enorme en el mundo, incluso en países desarrollados. En la Unión Europea se estima que los problemas de calidad de la energía suponen un coste anual de 10.000 millones de euros.

Distorsión de armónicos

La distorsión de armónicos, causada por cargas no lineales en el sistema de suministro eléctrico, dan como resultado corrientes en el sistema que son de una magnitud más alta que lo esperado y contienen componentes de frecuencia de armónicos. Estas corrientes no pueden medirse adecuadamente por los medidores convencionales comunmente usados por los técnicos de instalación y mantenimiento, alcanzándose niveles de corriente que son seriamente desestimados y a veces son tan altos como del 40 %. Este error en magnitud solamente puede resultar en circuitos que se instalan con conductores demasiado pequeños. Incluso si la corriente está dentro de la capacidad de los dispositivos de protección contra sobrecorriente, los conductores trabajan a temperaturas más altas y derrochan energía - típicamente el 2 -3 % de la carga.

Los componentes de frecuencia de armónicos causan grndes pérdidas por corrientes parásitas en los transformadores porque tales pérdidas son proporcionales al cuadrado de la frecuencia. Debido a que las pérdidas son más altas, la temperatura del transformador es más elevada y la vida útil se acorta. La vida útil baja mucho incluso en transformadores moderadamente cargados.

El efecto económico de los armónicos esa acortar la vida de los equipos, una eficiencia energética reducida y una susceptibilidad a disparos intempestivos. El coste de los disparos intempestivos, como cualquier otra escasez no planificada, puede ser muy significativa. El acortamiento en la vida útil de los equipos es muy cara. Equipos tales como los transformadores se espera duren 30 o 40 años y si se tienen que reemplazar a los 7 y 10 años puede tener serias consecuencias financieras. El coste para conseguir evitarlo es relativamente pequeño, requiriendo sólo buenas prácticas de instalación y selección de equipo apropiado. La instalación de cables que tengan dos veces el tamaño del mínimo calculado reduce las pérdidas y los costes de operación con un pequeño incremento en el coste inicial.

Apagones

Los apagones son el problema de calidad de la energía más básico, durando desde varios segundo hasta, en los casos más extremos, meses.

La protección contra fallo total de energía requiere dos tipos de acciones. La instalación debe diseñarse para eliminar puntos únicos de fallo, o al menos aquellos identificados en una evaluación del riesgo. Seguidamente deben identificarse las necesidades de suministro de energía de apoyo. Las técnicas requeridas para protegerse frente a los apagones no son particularmente difíciles ni costosas.

Las industrias grandes intensivas en consumo energético requieren un segundo suministro de una sección diferente de la red de forma que sea improbable que un fallo afecte a ambos suministros. También puede ser viable el suministro en la propia planta, sobre todo cuando el coste de un fallo potencial puede ser elevado. El papel, por ejemplo, se fabrica en un proceso continuo que requiere velocidades controladas con precisión en cientos de rollos en una máquina que puede tener un tamaño de 500 m. Cualquier fallo en el suministro de energía, incluso una caída de tensión, causará pérdidas de sincronización, y parará el proceso. Todo el papel y la pulpa procesados debe limpiarse de la máquina y áreas circundantes antes de volver a arrancar; esto puede llevar muchas horas. Aparte de las pérdidas de producción, el derroche de materias primas y fuerza laboral, es muy importante que puedan incumplirse los plazos al cliente.

Para industrias más pequeñas con requerimientos de potencia más pequeños puede ser viable tener generación "in situ" que maneje los equipos esenciales durante apagones y reduzca los picos de demanda. Esto es mucho más barato, pero debe juzgarse el riesgo de fallo. Debe recordarse que un generador en standby tarda algún tiempo en arrancar, así que debe utilizarse un dispositivo tal como un UPS para las cargas sensibles. Un UPS tiene capacidad limitada y es importante que se usen sólo para soportar las cargas esenciales, tales como servidores de redes de computadoras y estaciones de trabajo críticos.

Dips o sags

Una reducción de pequeña duración en la magnitud de la raíz cuadrática media del voltaje de alimentación que dura de una fracción de segundos a varias segundos. Dips se describen en términos de duración y voltaje retenido, es decir, el porcentaje de voltaje de alimentación que queda durante el evento. Nótese que una pérdida completa pero muy corta de alimentación se llama interrupción pero frecuentemente es referida como dip.

Muchos dips son causados por fallos en la red de alimentación con la severidad del dip dependiendo de la posición relativa del generador, fallos y puntos de medición. No hay estadísticas oficiales sobre la severidad y distribución de los dips de voltaje, pero si datos de varios estudios individuales. Un estudio, llevado a cabo por un generador mayor, midió las perturbacioens de voltaje en 12 sitios con demanda entre 5 y 30 MVA. En un periodo de diez meses se registraron 858 perturbaciones, 42 de las cuales dieron como resultado interrupciones y pérdidas financieras. Aunque los 12 sitios fueron operaciones de fabricación de baja tecnología y con bajo valor añadido a los productos las pérdidas financieras totalizaban 600.000 euros (un promedio de 14.300 euros por evento). Claramente las plantas que fabrican productos de alto valor añadido y que requieren procesos de fabricación multietapa, tales como las de semiconductores, se enfrentarían a pérdidas mucho más altas.

Estos costes son enormes para eventos que parecen triviales ya que duran menos de un segundo. El problema es que que la respuesta de elementos individuales tales como los equipos de procesado de datos, o los variadores de motor de velocidad variable no están definidos ante los dips de voltaje, y el comportamiento de un sistema es imposible de predecir o controlar. Para procesos continuos, tales como la fabricación de papel, el efecto de un dip es tan serio como un apagón completo, con los mismos costes de limpieza, pérdidas de materia prima y pérdidas de producción. Para operaciones basadas en computadores el tiempo de re-arranque de un gran número de estaciones de trabajo y recuperación de transacciones pendientes y documentos sin salvar puede suponer varias horas. La industria de semiconductores es particularmente vulnerable porque las obleas requieren dos docenas o así de etapas de fabricación para ser completadas en variaos días. Si una oblea se echa a perder al final del proceso todo el valor del trabajo se pierde. La tasa de desarrollo en los semiconductores es ahora demasiado rápida, la competencai tan y tensa y loc ciclos de vida de producto tan cortos que la pérdida de producto es una preocupación mayor no solamente para los suministradores sino también para los clientes.

A continuación mostramos algunos de los costes que estos problemas suponen por evento en varios tipos de industria:
  • En producción de semiconductores el coste es de 3.800.000 euros.
  • En negocios financieros el coste es de 6.000.000 por hora.
  • En centros de computación el coste es de 750.000 euros.
  • En centros de telecomunicaciones el coste es de 30.000 euros por minuto.
  • En el sector del acero el coste es de 350.000 euros.
  • En la industria del vidrio el costes es de 250.000 euros.
En suministros de energía ininterrumpible on-line, en el que la potencia de la carga se genera desde una batería de almacenamiento constantemente cargada desde la alimentación, obtenemos inmunidad a dips.

Transitorios

Los transitorios son perturbaciones de voltaje de muy corta duración (hasta unos pocos milisegundos) pero alta magnitud (hasta varios miles de voltios) con un tiempo de elevación muy rápido. La mayoría de los transitorios proceden de los efectos de la caída de rayos o la conmutación de cargas pesadas o reactivas. Debido a las altas frecuencias implicadas están considerablemente atenuadas cuando se propagan a través de la red de forma que estén cerca del punto de interés. Los dispositivos de protección en la red aseguran que los transitorios se mantienen dentro de unos niveles y la mayor parte de los problemas se deben a que la fuente de transitorios está cerca o dentro de la instalación.

El daño que resulta de los transitorios puede ser instantáneo, y tales como fallos catastróficos de aparatos eléctricos, o la corrupción de datos dentro de los computardores o en el cableado de la red, o puede ser progresivo con cada evento haciendo un poco de daño al material de aislamiento hasta que ocurren fallos catastróficos.

La protección es relativamente barata. El requerimiento básico es que la instalación del sistema de puesta a tierra esté diseñado para tener una baja impedancia sobre una banda de frecuencia ancha, con una buena conexión de baja impedancia al sistema de electrodo de tierra.

Bibliografía: Power Quality Application Guide. Copper Development Association
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