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INTRODUCCIÓN
La evaluación de la eficiencia energética permite establecer los indicadores de desempeño (IDEn) y plantear soluciones óptimas desde el punto de vista técnico-económico, lo cual, aporta al desarrollo sostenible con un impacto positivo en el cuidado del medio ambiente [1].
De acuerdo a [2], [3], las industrias lecheras que poseen una mejor eficiencia disponen de menores costos por electricidad y reducción de las huellas ambientales, conjuntamente con la mejora de la productividad, rentabilidad de los sistemas agrícolas. Los resultados indicaron un ahorro del 23% al 35% de energía mediante la aplicación de auditorías energéticas, junto a la utilización de más fuentes renovables como la implementación de paneles fotovoltaicos [2], [3].
Al mejorar los índices de gestión el consumo de energía disminuirá, esto resulta beneficioso para el propietario de la finca “La Cordillera”, debido a la necesidad de hacer un uso racional de la electricidad mediante medidas positivas que permitan reducir los impactos ambientales y egresos de dinero sin afectar la calidad del producto [4].
Durante la producción lechera se requieren equipos como motores, electrobombas autocebantes, tanque de enfriamiento, bomba de leche, cuyo proceso representa el 96,54% del uso de electricidad anual, a fin de facilitar la recolección y calidad del lácteo. Los operadores de leche tienen la necesidad de hacer uso eficiente de la energía eléctrica para mejorar su rentabilidad, pero carecen de estudios, asesoría o una correcta planificación [2]. Por ende, si las instalaciones de la industria no están en óptimas condiciones, resulta un excesivo consumo energético lo que causa el incremento de los egresos de dinero [3].
Actualmente, la finca presenta el transformador cercano a su cargabilidad máxima debido a las cargas inductivas que provocan un bajo factor de potencia, tiene instalaciones eléctricas con caídas de voltaje, inexistencia del diagrama unifilar, ausencia de mantenimientos preventivos a luminarias, protecciones sobredimensionadas, conductores sin cargas conectadas y empalmes inadecuados, pues, ante la presencia de cortocircuitos los equipos sufren daños, esto produce gastos de reparación o sustitución innecesaria.
Por otra parte, el establo no dispone del estudio lumínico que garantice niveles de iluminación adecuados (Tabla 7) para el desarrollo de la actividad láctea, confort visual, y primordialmente, seguridad industrial como salud ocupacional del personal técnico. Por tanto, resulta importante realizar una evaluación de eficiencia energética con la finalidad de mejorar los indicadores IDEn.
El presente documento es constituido de la siguiente manera. Primero, se visualiza la auditoría energética mediante la utilización del analizador de redes Fluke 435 Serie II, pinza amperimétrica Fluke 376 FC como del luxómetro Digi-Sense 20250-00, con el objetivo de proponer acciones orientadas a la mejora de los indicadores de desempeño IDEn, las cuales fueron evaluadas técnica-económicamente. Finalmente, el artículo contiene las conclusiones y recomendaciones.
METODOLOGÍA
Proceso para la auditoría energética
El proceso de la auditoría energética conforme a la norma ISO 50002 consta de las etapas mostradas en la Fig. 1 [5].
Obtención de parámetros eléctricos mediante el analizador de redes
El método para seleccionar del analizador de redes y obtener los datos se visualiza en la Fig. 2.
Selección del analizador de redes
En conformidad con la norma IEC 61000-4-30 la clase A tiene mayor precisión en las mediciones, por tanto, se elige el analizador de redes Fluke 435 serie II para obtener datos con mayor exactitud y verificar el cumplimiento de las normativas, pues además el equipo cuenta con el certificado de calibración [6], [7], [8].
Configuración e instalación del equipo
Las mediciones promedio de voltaje, potencias, factor de potencia y armónicos de la finca "La Cordillera", fueron registradas cada 5 minutos mediante el analizador de redes Fluke 435 series II durante un período comprendido entre el 27/03/2021 al 02/04/2021, conforme al proceso establecido en la Regulación No. ARCERNNR 002/20 que menciona un lapso de evaluación no inferior a 7 días continuos [9].
Procedimiento para la medición de la iluminación
La metodología empleada para la medición de la iluminación se muestra en la Fig. 3.
Selección del luxómetro
Con la finalidad de seleccionar el luxómetro adecuado según los requerimientos del estudio, se considera como parámetros mínimos el rango de medición entre 0,5 hasta 500 lux, una resolución mejor o igual a 0,1 lux, precisión superior o equivalente al 5% [10], [11].
Conforme a lo mencionado anteriormente, se elige el luxómetro Digi-Sense 20250-00 por cumplir con las características, lo cual, garantiza un error mínimo durante la toma de datos de la iluminancia junto a una alta resolución de 0,01 lux [10], [11].
Metodología para la calidad de energía eléctrica
Nivel de voltaje
La calidad del nivel de voltaje se determina con la ecuación (1) [9].
donde ∆Vk es la variación del voltaje de suministro con respecto al nominal en el punto k (%), Vk el voltaje de suministro en el punto k, establecido como la media de las mediciones registradas (por lo menos cada 3 segundos) durante un período de 10 minutos (V) y VN el voltaje nominal en el punto k (V) [9].
En la Tabla 1 se visualiza el rango aceptable de acuerdo al nivel de voltaje [9].
Distorsión armónica de voltaje
La Tabla 2 muestra los porcentajes límites de distorsión armónica total e individual de voltaje en el punto de acoplamiento común (PCC) [9], [12].
Distorsión armónica de corriente
Los porcentajes límites de distorsión armónica individual (h) y de demanda total (TDD) de corriente se visualiza en la Tabla 3 [9], [12].
AUDITORÍA ENERGÉTICA
Ubicación geográfica
La presente investigación se realiza en la finca “La Cordillera” situada en la principal 101 (Fig. 4), zona rural el Pongo de la parroquia de Alóag, Cantón Mejía, Provincia de Pichincha [13].
Comportamiento de la energía y producción en la finca “La Cordillera”
Fue necesario identificar el portador energético representativo y evaluar el comportamiento del consumo eléctrico con respecto a la producción lechera mediante la adquisición de información durante un año. Debido a que el propietario de la finca desea reducir los egresos de dinero sin perjudicar la calidad del producto, se procede a analizar económicamente los gastos en energía.
De acuerdo a la Fig. 5, durante el período abril 2020 - marzo 2021 el egreso de dinero por pago de energía eléctrica representa el 88,09%, debido a lo cual, la investigación se enfocó en el consumo de electricidad.
La Fig. 6 visualiza el crecimiento del consumo de electricidad durante el 2018 - 2020, entre este período se incrementó la demanda energética en un 34,24%, debido al aumento de la producción lechera conjuntamente con el uso eléctrico inadecuado.
El coeficiente R2 de 0,9628 (Fig. 7) indica la existencia de una relación entre la variable dependiente (consumo de electricidad) e independiente (producción lechera) en el período agosto 2020 - julio 2021, sin embargo, se presentan pérdidas de energía no asociadas de 126,16 kW∙h/mes, equivalentes al 15,39% de la demanda energética media (819,75 kW∙h/mes) debido a la ineficiencia del sistema eléctrico.
Calidad de energía eléctrica
Para la obtención de los parámetros eléctricos se utilizó el analizador de redes Fluke 435-II, conectado en el tablero principal de la acometida durante 7 días continuos con registro de muestras cada 5 minutos [9].
Análisis de los niveles de voltaje
Con la finalidad de analizar los niveles de voltaje se considera los nominales, fase - fase (240 V) y fase - neutro (120 V). La finca “La Cordillera” al ser suministrada en baja tensión, no debe sobrepasar el ±8,00% para tener un rango aceptable de variación [9].
Las Figs. 8 y 9, muestran que las variaciones de voltaje tanto de fase - fase como fase - neutro máximas existentes el día sábado a las 22:00 h, se encuentran dentro del rango tolerable del ± 8% con respecto a los nominales, además no existe sobrevoltajes (1,10 - 1,20 p.u) o subvoltajes (0,80 - 0,90 p.u) [14].
Factor de potencia
La finca tiene un factor de potencia promedio de 0,76 durante las horas de consumo (véase Fig. 10), donde los días martes y jueves a las 15:00 registran un FP de 0,60 a causa del motor eléctrico, que conforme al ARCERNNR está por debajo del límite de 0,92 [15].
Demanda eléctrica
De acuerdo a la Fig. 11, durante las 6:00 del día viernes es apreciada una demanda aparente máxima de 9,05 kVA equivalentes al 90,50% de la potencia nominal del transformador, lo cual ante futuros incrementos de carga se requerirá uno de mayor capacidad.
La mayor productividad láctea se produjo el día viernes, donde fue registrada una demanda máxima de 7,13 kW a las 6:00, que en un intervalo de cinco minutos existió una potencia media de 7,59 kW durante las 05:45.
Según la Fig. 13, existe una potencia reactiva máxima de 5,69 kVAr el día sábado a las 16:00, que durante un intervalo de cinco minutos se registró 5,81 kVAr a las 15:45.
Distorsión armónica de voltaje
Distorsión armónica individual
Dado que la industria láctea es alimentada en bajo voltaje y el punto de medición fue efectuado a 240 V, los armónicos individuales de tensión deben estar por debajo del 5,00% [9].
Los valores de la Fig. 14 visualizan una leve presencia de los armónicos homopolares múltiplos de tres, sin embargo, su comportamiento no sobrepasa el límite establecido por la regulación.
Distorsión armónica total (THD)
Mediante los datos registrados por el analizador de energía se obtiene los porcentajes del THD detallados a continuación, mismos que deben ser inferiores al 8,00%.
El THD promedio máximo de las fases es del 2,53%, el cual resulta inferior al límite de la regulación.
Distorsión armónica de corriente
Distorsión armónica individual
Para determinar los límites de distorsión armónica, debe obtenerse la relación ISC/IL, por tanto, en primera instancia se calcula la corriente nominal monofásica mediante la ecuación 2 [16].
donde In es la corriente nominal monofásica (A), ST la potencia aparente del transformador (kVA) y Vn el voltaje nominal entre fases (V).
Luego es necesario determinar la corriente de cortocircuito con la expresión 3 [16].
donde XT p.u es la reactancia del transformador en por unidad (p.u). La relación ISC/IL se visualiza en la siguiente tabla:
Los valores adquiridos muestran que la relación ISC/IL está en el rango 20 < 50, por ende, el límite resulta del 7,00% para los armónicos (h) comprendidos de 3 ≤ h < 11 y 3,50% correspondientes a 11 ≤ h < 17 [9], [12].
De acuerdo a la Fig. 15, el sistema eléctrico de la finca contiene una leve presencia del tercer armónico, característico en cargas monofásicas, no obstante, cumplen los límites establecidos por la regulación.
Distorsión de demanda total (TDD)
Según la relación ISC/IL adquirida en la Tabla 5, el límite de la distorsión de demanda total corresponde al 8,00% [9], [12].
La TDD promedio máximo de las fases resulta del 4,64% la cual están por debajo del 8,00% establecido.
Flicker
Acorde a la regulación 002/20 se procede analizar la perturbación rápida de voltaje de corta duración (Pst) cuyo valor no debe exceder la unidad [9].
Durante el funcionamiento de la industria láctea existe un promedio máximo de 0,84 presentado el día viernes a las 5 am. En períodos de cinco minutos existen datos cercanos a 1 ocasionados por el arranque de las máquinas eléctricas. El análisis muestra que los valores cumplen el límite (véase Fig. 16).
Estado actual del sistema de iluminación
La Tabla 7 presenta los niveles mínimos de iluminación que se deben cumplir por área de trabajo conforme a lo estipulado en las normativas NTE INEN 1 154 e INEN 2248, Decreto Ejecutivo 2393 y prEN 12464-1 [17], [18], [19], [20].
Variación en las mediciones de iluminación
Conforme la Fig. 17, las mediciones de iluminación efectuadas en el patio de espera durante 5 días presentan una variación de -2,26% a 0,75%, rango que se encuentra dentro del límite de precisión del equipo de medición de ± 3% [10], [11].
En la sala de ordeño (véase Fig. 18) las mediciones de los niveles de iluminación presentan una variación de -1,12% a 1,96%, rango que se encuentra dentro del límite de precisión del luxómetro.
La iluminancia del cuarto de frío presenta una variación de -1,52% a 2,39%, misma que se encuentra dentro del límite de precisión del luxómetro de ± 3%.
Respecto a las mediciones de iluminación llevadas a cabo en la bodega de balanceado presentan una variación de -0,73% a 0,61%, rango que se encuentra dentro del límite de ± 3%.
Figura 20: Comportamiento de la variación porcentual e iluminación promedio de la bodega de balanceado
El rango de la variación porcentual para la presente área de trabajo se sitúa entre -2,47% y 2,30%, resultados que están dentro del límite de precisión de ± 3%.
La variación porcentual del cuarto de máquinas se encuentra entre -0,94% y 1,25%, mismo que cumple con el límite de precisión de ± 3%.
Evaluación de los niveles de iluminación
Cumplimiento de los niveles de iluminación según normativa
Los niveles de iluminación de las áreas de trabajo no cumplen con los valores mínimos de iluminancia establecidos en el marco normativo, producto de la inadecuada altura de montaje, distribución de las lámparas, tipo de tecnología e inexistencia de mantenimiento preventivo.
Representatividad de la simulación efectuada en DIALux evo
Para determinar la representatividad de la simulación se emplea como nivel de confianza 95% con un margen de error del ± 5%.
La Fig. 24 muestra la semejanza existente entre la iluminación promedio real con respecto a la obtenida mediante DIALux evo, donde presenta un error máximo del 1,58% en la bodega de balanceado sin superar el límite establecido del 5%.
Simulación del sistema eléctrico actual
Con los datos obtenidos de la auditoría energética se realizó el diagrama unifilar de la finca “La Cordillera” en el software ETAP, donde el análisis de calidad de energía permitió reflejar el comportamiento de la demanda energética durante el flujo de carga, para simular el sistema actual.
La Tabla 8 y Fig. 26 visualizan los resultados del flujo de carga máxima, que tiene relación con los valores del día viernes a las 6:00 obtenidos en el tablero general del medidor (PCC).
Referente a la caída de voltaje existente hasta la electrobomba 2 es del 7,55%, valor que está por encima del límite del 5%, por otra parte, iluminación excede el 3% [21], [22].
ANÁLISIS DE RESULTADOS
Sistema de iluminación LED con control de presencia
Distribución de luminarias
Se empleó un total de 15 luminarias LED para el diseño del sistema de iluminación (véase Fig. 27), con una eficiencia luminosa desde 118 lm/W hasta 141,5 lm/W, temperatura de color (CCT) de 4.000 K e índice de reproducción cromática (CRI) de 70 a 84.
Criterios primordiales de la calidad lumínica
La iluminación promedio conforme la Fig. 28 cumple los límites establecidos producto del adecuado diseño del ambiente visual, así, se garantiza la seguridad laboral, como el confort visual. En tal sentido las actividades laborales son llevadas a cabo de manera eficaz.
Para que el deslumbramiento exterior e interior sean considerados adecuados deben ser iguales o inferiores al criterio de aceptación establecido por área laboral, lo cual, se evidencia en la Fig. 30.
La distribución de los niveles de iluminación por cada área de trabajo es uniformemente adecuada, al ser el índice de uniformidad indicado en la Fig. 31 superior al criterio de aceptación.
Consumo energético
Sistema de iluminación actual
Actualmente, el consumo energético del sistema de iluminación de la industria láctea se sitúa en 340,27 kW∙h al año, donde, el cuarto de máquinas con el 58,78% representa la participación mayoritaria por disponer de tecnología incandescente junto al amplio tiempo de utilización (ver Fig. 32).
Sistema de iluminación LED con control de presencia
La energía consumida por el sistema de iluminación propuesto corresponde a 215,67 kW∙h/año, donde, el patio de espera con el 67,23% representa la participación mayoritaria al requerir de mayor capacidad instalada para cumplir los criterios primordiales de la calidad lumínica.
Ahorro energético
Al considerar el consumo total del sistema de iluminación actual como propuesto de 340,27 kW∙h/año y 215,67 kW∙h/año respectivamente, se alcanza un ahorro de 124,60 kW∙h/año.
Es decir, la utilización de equipos de control basados en sensores de presencia junto a la tecnología LED permite alcanzar un ahorro energético al año del 36,62%.
4.1.4 Eficiencia energética
Pérdidas máximas de potencia aceptadas en el balasto reactor
Actualmente, el patio de espera emplea tecnología de vapor de sodio a alta presión de 70 W para su iluminación, por lo tanto, las pérdidas máximas aceptadas en el balasto reactor corresponden a 11 W y su potencia nominal total sería 81 W [23].
Valor de eficiencia energética de la instalación (VEEI)
El valor de eficiencia energética de la instalación se determina mediante la ecuación 4 [24], [25], [26], [27].
donde, P es la potencia total instalada en lámparas más equipos auxiliares (W), S la superficie iluminada (m2) y Em la iluminancia media horizontal mantenida (lx) [24].
Conforme la Fig. 34, el sistema de iluminación LED con control de presencia presenta mejor eficiencia energética respecto al estado actual, excepto por el patio de espera donde el VEEI tras la mejora es superior, lo cual, sucede al requerir una mayor potencia instalada en lámparas.
Según la Fig. 35, el sistema de iluminación LED mediante sensores de presencia cumple los límites establecidos del VEEI, inclusive en espacios exteriores como el estacionamiento su valor es inferior al criterio de aceptación (3,50 W/m2∙lx < 5 W/m2∙lx).
Corrección del factor de potencia
El análisis de calidad de energía permitió conocer que la industria láctea tiene un bajo factor de potencia por las cargas inductivas. Para el dimensionamiento del banco de capacitores se considera el comportamiento de la demanda promedio semanal a igual del FP en horas de funcionamiento, cuyo FP deseado es de 0,95 (Tabla 9) [28].
La Tabla 10 al igual que la Fig. 36 visualizan los resultados del flujo de carga máxima con la compensación reactiva y nuevo sistema lumínico donde opera el capacitor fijo accionado por contactor de 4 kVAr (valor comercial).
De acuerdo a los resultados, el factor de potencia es del 97,27% lo cual demuestra la inexistencia de inyección reactiva a la red. Además, la caída de voltaje existente hasta la electrobomba 2 del 4,69% está por debajo del límite del 5%, y la iluminación no excede el 3%.
El uso ineficiente de la energía originó una cargabilidad del 90,50% en el transformador, donde existió 7,13 kW y 5,58 kVAr el día viernes a las 6:00. A través de las mejoras, la potencia aparente es de 7,09 kVA lo que representa una disminución del 21,66%.
Replanteo del contrato de suministro eléctrico
La finca actualmente está dentro de la categoría residencial de bajo voltaje, por lo cual, la propuesta considera un cambio de contrato a BV comercial sin demanda.
El estudio permitió conocer la potencia máxima de la finca, de tal manera que la demanda declarada es de 7,59 kW, la cual resulta menor a 12 kW para ser abastecida por la empresa distribuida en el punto de entrega a bajo voltaje [15], [29].
De acuerdo al uso energético y a las características de la carga puede aplicarse a la tarifa de bajo voltaje comercial sin demanda, pues como requisito la potencia máxima debe ser inferior a 10 kW [15], [29].
Para cuantificar el ahorro monetario es considerado el consumo energético de agosto 2020 - julio 2021, cuya facturación actual es de 1.160,69 USD, mientras que la esperada de 940,25 USD, lo cual brinda un ahorro anual de 220,44 USD.
Disminución de pérdidas eléctricas
4.4.1 Pérdidas de potencia
Los resultados de la simulación en ETAP permitieron determinar que las pérdidas de potencia reducidas (PRd) son de 0,21 kW.
4.4.2 Pérdidas de energía
Las pérdidas de energía reducidas (Ep) resultaron de 242,214 kW∙h/año que mediante el pliego tarifario y ecuación 5, se calcula el ahorro económico debido a su disminución. Al replantear el contrato de suministro eléctrico a comercial sin demanda, es considerado el valor de 0,104 USD/kW∙h por reducir la energía eléctrica en el consumo mayor a 300 kW∙h [15].
donde MAp es el monto anual ahorrado por pérdidas [USD] y CE el costo de la energía [USD/kW∙h].
Validación técnica-económica
Para determinar la rentabilidad de la inversión se utiliza las herramientas financieras denominadas Valor Presente Neto (VPN), Tasa Interna de Retorno (TIR), Factor de Recuperación de Capital (FRC), Relación Beneficio/Costo (B/C) y el Período de Recuperación (PR) [30], [31], [32], [33].
Según el Banco Central del Ecuador la tasa pasiva referencial por plazo de 361 y más, es del 7,48% (dato referenciado el 06 de octubre del 2021) misma que será utilizada como el COK anual [34].
Para estimar la vida útil de los condensadores (Vut), se toma en cuenta las 10.000 h de operación que brindan los capacitores y un uso diario estimado de 5 horas, por lo cual:
La Tabla 11 muestra de manera resumida los ahorros energéticos y económicos, los egresos anuales e inversión total requerida, donde VP1 representa al sistema de iluminación LED con control de presencia, VP2 es la compensación reactiva, VP3 el replanteo del contrato de suministro eléctrico.
El análisis financiero considera un plazo de 10 años debido a que la vida útil de las lámparas LED ronda los 23 años, pero debe tomarse en cuenta la reinversión de los condensadores ($ 82,34) cada 6 años.
Al tener un VAN positivo y TIR mayor al COK, el proyecto resulta rentable, ya que por cada dólar invertido existe una ganancia neta de 4 centavos, donde la inversión total es recuperada en 9 años, 5 meses, 17,04 días.
Indicadores de desempeño energético con propuestas de mejora
Las diferentes propuestas analizadas en la presente investigación permitieron mejorar los indicadores IDEn actuales, cuyo factor de emisión de CO2 es de 0,1917 kg CO2/kW∙h para proyectos de eficiencia energética [35]. A continuación, se visualiza el desempeño energético:
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
Al emplear 15 lámparas LED de eficiencia luminosa entre 118 lm/W - 141,5 lm/W, el sistema de iluminación mediante control de presencia cumple los criterios primordiales de la calidad lumínica con un ahorro energético anual de 124,60 kW∙h, pese a iluminar adicionalmente el estacionamiento y la bodega de alimentos.
La corrección del factor de potencia mediante compensación fija accionada por contactor y el sistema de iluminación LED con control de presencia, implicó la disminución de la cargabilidad del transformador monofásico en un 21,66%.
Con un costo de la energía según el pliego tarifario de 0,104 USD/kW∙h, se alcanza anualmente el ahorro monetario de 25,19 USD por concepto de la disminución de las pérdidas energéticas equivalentes a 242,214 kW∙h/año.
Los indicadores de desempeño IDEn como el consumo eléctrico presentaron una mejora de 9.837 kW∙h/año a 9.470 kW∙h/año, consecuentemente, el gasto de energía por litro de leche producido disminuyó de 0,0537 kW∙h/L a 0,0517 kW∙h/L y las emisiones de gases de efecto invernadero evitadas fueron de 70,318 kg CO2/año.
Se recomienda evaluar a largo plazo la factibilidad del dimensionamiento de un sistema solar térmico o fotovoltaico en la finca “La Cordillera”, con la finalidad de sustituir el uso del GLP y alimentar las bombas autocebantes mediante energía renovable.
