MEDICION DE ENERGIA ELECTRICA Y TIPIFICACION DE USOS FINALES ENEL SECTOR DOMESTICO.

Francisco Garcia Juarez, Martin Roberto Maqueda Zamora Uso de Energfa Electrica, Instituto de Investigaciones Electricas

Resumen

En este trabajo se exponen las ventajas de usar equipos de medicion modernos que permiten la desagregacion de curvas de carga de los usuarios domesticos utilizando un solo equipo de medicion, se presentan algunas muestras de las mediciones que se han obtenido durante mediciones realizadas a diversos usuarios domesticos. Tambien, se mencionan algunas otras tecnologfas complementarias de reciente desarrollo que ayudan en la aplicacion de medidas de eficiencia energetica en los diversos sectores, el uso de estos equipos sirve de soporte para medir la efectividad de los programas de ahorro de energfa y de administracion de la demanda que se desean implementar. El objetivo de este articulo es demostrar el uso de los equipos de medicion modernos para la tipificacion y medicion de usos finales en el sector domestico, y presentar las ventajas de usar estos equipos en los estudios de eficiencia energetica

Introduccion

En el area de administracion de la demanda, ahorro de energfa y eficiencia energetica, ya que la medicion es el elemento mas importante para validar las medidas o programas de este tipo.

La medicion de la energfa electrica se inicio en la decada 1880 y hasta la decada de 1990 se produjeron y usaron equipos de medicion electromecanicos; a partir de 1990 se desarrollaron los medidores electronicos, ademas, con el avance de las tecnologfas para manejo de datos se ha dado un gran potencial de aplicacion a los medidores electronicos.

En los diversos sectores consumidores de energfa electrica, el sector industrial es el que tiene el mayor consumo, seguido del sector domestico y despues estan los sectores de servicios publicos y comercial. En cuanto a numero de usuarios, el sector domestico es el que cuenta con el mayor numero, como se muestra en la figura 1, razon por la que su estudio y analisis tiene una gran importancia. Al enfocar los esfuerzos hacia el sector domestico se estan atendiendo problemas sociales y economicos; debido a la gran cantidad de usuarios, las medidas son masivas y tienen efectos perceptibles en terminos de ahorro de energfa electrica.

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Figura 1consumos/sector y usuarios/sector

El sector domestico tiene un gran numero de usuarios a nivel nacional, ademas, es el que evoluciona rapidamente de acuerdo con el ingreso al mercado nacional de productos electrodomesticos extranjeros, aunado al ingreso per capita de este sector. Esta comprobado que el nivel de consumo de energfa electrica en un hogar refleja el nivel de ingreso economico que tiene, en Mexico la tasa de crecimiento del consumo de energfa electrica en el sector domestico desde 1984 a 2000 fue de 6.43% y la tasa de crecimiento de usuarios fue de 4.35 % respectivamente, como se observa en la figura 2.

40,000

35,000

USUARIOSCONSUMO

|30,000

Q 15,000

10,000

-G84 1985 -G86 1987 1988 1989 1990 #91 1992 #93 1994 #95 1996 1997 #98 1999 2000

ANOS

Figura 2 - Usuarios y consumo del sector domestico 1984-2000

Equipos de medicion

Con los medidores electromagneticos, normalmente solo se hacen mediciones de consumo de energfa en base a un mecanismo de rotacion movido por la induccion de corriente que circula por un electroiman.

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En cambio, con los medidores electronicos multifuncion en base a la medicion de corriente y tension mediante transform adores de corriente y de potencial, y con la transformacion de estas dos senales de analogicas a digitales, aunado al uso de un microcontrolador, permite determiner los valores de potencia active, potencia aparente, potencia reactive, factor de potencia, y parametros de calidad de la energfa electrics como armonicos en tension y corriente, y otras funciones adicionales que pueden observarse en tiempo real en el medidor o que pueden almacenarse en memoria no volatil como parte del propio equipo, para posteriormente hacer el analisis relative a las mediciones de las cargas seleccionadas.

Los medidores de estado solido pueden ser divididos en dos categories: medidores electronicos con microcontroladores, que utilizan una pantalla de cristal Ifquido; y medidores electronicos con un contador mecanico que muestra la cantidad de energfa consumida. Recientemente estos equipos de medicion se estan integrando a sistemas de administracion de energfa, aunque estos sistemas son de mayor utilidad en el sector comercial e industrial, no dejan de ester fuera del alcance en el sector domestico.

En la figure 3 se muestra como serfa la medicion de varies electrodomesticos con varies equipos multifuncion y/o loggers. En donde se puede observer que se colocan los equipos de medicion en los principals electrodomesticos de una case habitacion. Es posible que en algunos cases sea necesario realizar modificaciones a la instalacion electrics para poder medir el equipo deseado. Con este tipo de medicion los resultados obtenidos estaran lo mas cercano a los dates reales ya que se obtendra un gran percentage de la participacion de los equipos de uso final en el consume total.

Figura 3. Instalacion de loggers y equipos para monitoreo en una casa habitacion.

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Esta forma de aplicacion de los equipos de medicion no es la mas rentable, ya que es necesario instalar mucho equipo de medicion, obtener la informacion, realizar el procesamiento, per lo que sera necesario invertir demasiado tiempo para obtener los resultados deseados. Otra de las desventajas es que se interrumpe la privacidad del usuario, durante la instalacion, al realizar la lectura y revision de los equipos y al quitarlos.

Con el avance de la tecnologfa en las diferentes areas de la ingenierfa, actualmente existen equipos de medicion que presentan ventajas tecnologicas, como es el desagregar las curvas de uso de energfa de equipos conectados en las instalaciones electricas1, la descomposicion de curvas de demanda de los equipos se hace mediante un algoritmo que identified los patrones de arranque de los mismos. El equipo tambien contiene el software necesario que permite que el procesamiento se realice automaticamente y entrega una interfaz facil y practica de utilizer.

Con el uso de equipos de medicion que permiten la descomposicion de curvas de demanda se reduce considerablemente los costos de programas de medicion, al reducir el numero de equipos, y el tiempo del procesamiento de la informacion. Tambien se tiene la ventaja de que no se interrumpe la privacidad del usuario y su manejo es mas rapido y flexible, ver figure 4.

Usuarj^ Base del

Medidjor de campo inteligente

Medidor convencional

Estacion Maestra & Estacidn de Analisis residente en la

Llnea telefonica

Centro de trahaio

Figura 4. Instalacion de equipo de medicion automatizado en una casa habitation

En este documento solo se trataran las cargas que utilicen una o dos fases de alimentation.

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Estos equipos de medicion perm item el acceso de diferentes formas, puede ser directamente a traves de un panel de cristal Ifquido, por puerto serial, punta optica, MODEM y senales de radio.

En el siguiente ejemplo se ilustran los resultados obtenidos de un equipo de medicion utilizado para desagregar cargas electricas instaladas en una casa habitacion a partir de su instalacion en la acometida del usuario.

Censo de cargas

El censo de cargas sirve para conocer las cargas conectadas en la instalacion electrica, con la ayuda del propietario de la casa se puede conocer la operacion de los equipos en los diferentes dfas en que se realize la medicion, mediante el use de una bitacora, auxiliando de esta manera al analisis de cargas.

Por ejemplo el censo de equipos conectados a la instalacion electrica de una casa son:

Lavadora de ropa, Secadora de ropa, Lavavajillas, Exprimidor de jugos, Licuadora, Moline de cafe, Batidora, Homo de microondas, Refrigerador, Congelador, Cafetera, Plancha, Maquina de coser, Television, Taladro, Caladora, Lijadora, Cepillo, Triturador, Aspiradora, Cobija electrica, lam paras de diversos tipos y tamanos, Aire Acondicionado, Bomba de agua, Videograbadora, Radio, Grabadora.

Al obtener las curvas de consume de los diferentes electrodomesticos, se pueden establecer las diferentes medidas de ahorro, ya que se detectara facilmente cuando un equipo no esta operando correctamente y su consume es demasiado alto, afectando el consume total del usuario.

A continuacion se muestran las curvas de diferentes electrodomesticos.

Figura 5. Grafica de consume de un aire acondicionado ineficiente (izq.) y de unoeficiente (der.) vs temperatura.

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En estas dos graficas se muestra como trabaja un aire acondicionado eficiente, Mega mas rapido a una temperatura minima y despues reduce su consume al empezar un nuevo ciclo; en cambio, un equipo de AA ineficiente nunca reduce su consume, ni presenta un comportamiento cfclico, per lo que su consume se mantiene constante y per lo tanto es mayor.

Tiempo Tiempo

Figura 6. Grafica de un refrigerador ineficiente (izq.) y de uno eficiente (der.).

En cuanto a los equipos instalados es importante resaltar que el refrigerador presenta un comportamiento cfclico. En la primera grafica se muestra como trabaja un refrigerador ineficiente, ya que en ciertos periodos del dfa no Mega a presenter un ciclo constante, ocasionando un consume mayor. En la segunda grafica se presenta el comportamiento de un refrigerador eficiente, el cual presenta un ciclo constante, que requiere un consume menor de energfa electrics.

=lwh =

= = = V

004

/ \

12:00 18:00 00:00 06:00

Tiempo

Figura 7. Grafica de un ventilador de techo(izq.) y de una cafetera electrica(der.)

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Figura 8. Grafica de un enfriador(izq.) y de un frigobar (der.)

For ejemplo, como resultado de mediciones realizadas a un grupo de 30 usuarios en el sector domestico de una region calida de la Republica Mexicana, los equipos de uso final que mas consumen energfa electrica, son: aire acondicionado, refrigerador y ventilador, estos representan un 41 % del consume total, como se muestra en la figura 9:

59% Residual

5% Ventilador

16% Refrigerador

20% Aire acondicionado

Figura 9. Principales usos finales en region calida.

Con los dates anteriores y considerando que la iluminacion consume en promedio en la Republica Mexicana el 43% de la energfa electrica en los hogares, estamos hablando de que conocemos como se esta gastando el 84% del consume de energfa electrica en esta region especffica. En cambio para una casa habitacion del centre del pafs se establece un consume diferente, se pudo determiner con precision a traves de la medicion el 43 % del consume de energfa electrica que corresponde a congelador, refrigerador, plancha; considerando el consume de iluminacion promedio en la Republica Mexicana, se puede determiner que conocemos el 86% del consume total para el sector domestico de esta region, ver figura 10.

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Comparando estos dos escenarios se puede observar el diferente patron de consume de energfa electrica de acuerdo al equipamiento.

0.55% 4.34%

56.20%20.60%

18.18%

0.13%

□ Plancha ■ Lavatrastes □ Refrigerador□ Congelador ■ Carga-1 □ Residual

Figura 10. Principales usos finales en la region central de Mexico.

GRAFICA DE DEMANDA1.000

Plancha

Refrigerador

Carga-1Carga-3

0 900Lavatrastes

Congelador

Carga-2

0 800

0.700

0 600

0.500

0.400

0 300

0 200

0.100

0 000

Figura 11.- Curva de demanda desagregada obtenida con un solo equipo demedicion

Potencial de aplicacion de la medicion de energia electrica

Las nuevas tecnologfas en medidores proporcionan a las compamas electricas la integracion en un solo medidor para mediciones de electricidad, agua y gas, ademas de la recoleccion remota de dates, facilitando la lectura automatica y el acceso remote a traves de redes y acceso a traves de Internet. Esto ha generado

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sistemas de Informacion de cobro sobre las mediciones, qua presentan patrones de consume e informacion del cliente con dates mas precises y en algunos cases en tiempo real, ademas proporcionan informacion historica sobre las perdidas de energfa y fallas en el sistema.

Las tecnologfas de comunicacion de mayor use para el envfo de dates son la radio frecuencia, PLC (Power Line Carrier) y telefonos celulares. En los pafses en vfas de desarrollo la tecnologfa mas utilizada es la comunicacion con PLC, donde la infraestructura necesaria para desarrollar este tipo de tecnologfa es minima debido a su bajo costo.

Con el crecimiento y desarrollo del acceso a la informacion y automatization de las mediciones, se reduce el costo, se incrementa la eficiencia y mejora el conocimiento de los usuarios per parte de las empresas suministradoras de electricidad.

Comunicacion por radio

Figura 12.- Diversas formas de transmision de dates en equipos de medicion.

La importancia de obtener dates de energfa a traves de mediciones mas precisas, y el acceso en tiempo real a los dates, esta acelerando la aceptacion de la tecnologfa de medidores digitales, con esta nueva generation de medidores se ofrece alta precision para los servicios de administration de energfa en plantas de

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proceso, fabricas y otras aplicaciones del sector comercial, industrial y publico (tambien es aplicable al sector domestico), ofreciendo soluciones adicionales de medicion de energfa y monitoreo de la calidad y la confiabilidad de la energfa electrica.

Conclusiones

Las mediciones nos sirven de referencia para saber cual es la forma de uso de energfa y demanda para diferentes usos finales en el sector domestico y evaluar los potenciales de ahorro, lo que permite enfocar los futuros programas de ahorro de energfa electrica, mediante normas de eficiencia energetica, programas de administracion del lado de la demanda asf como las fuentes de incentivos para sustitucion de equipos que presenten beneficios favorables a las empresas electricas; los usos finales que mas consumen energfa electrica en el sector domestico son los equipos de aire acondicionado y los refrigeradores, aunado a que un alto porcentaje de estos no operan adecuadamente y su consumo se ve incrementado significativamente.

Un punto a resaltar dentro de los programas de medicion, es el uso de equipos de medicion que entregan la informacion de multiples usos finales del sector domestico sin necesidad de realizar instalaciones de muchos registradores de energfa en la casa de los usuarios, y tambien nos facilitan el tiempo de procesamiento, ya que el software integrado a los equipos, ahorra mucho tiempo al disminuir la informacion procesada y entregarla de una manera amigable y que puede ser exportada a hojas de calculo para facilitar su analisis.

Por ultimo, los beneficios que genera el uso de nuevas tecnologfas para las empresas electricas son enormes, permite monitorear los consumos y demandas con mayor precision, asf como el tiempo de uso, datos de voltaje y corriente en tiempo real, temperatura, y estado actual del medidor, asf como, actualizacion automatica de las tarifas electricas.

Bibliografia

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