Por Gabriele Ribichini, managing director,
Dewesoft Srl, Italy

Los economizadores de energía eléctrica o de energía que pretenden optimizar la corriente eléctrica recibida por los consumidores industriales se comercializan y compran actualmente para reducir el consumo y reducir la factura de energía.

Pretendiendo ahorrar más del 10% de energía eléctrica, los fabricantes calculan el retorno de esta inversión bastante significativa en unos pocos años. Utilizando los módulos DAQ de alta velocidad SIRIUS de Dewesoft y el módulo de potencia DewesoftX con matemáticas simples, verifiqué estas afirmaciones.

Dewesoft Power Analyzer es el analizador de energía y calidad de energía de alta precisión más pequeño del mund

Introducción

Me intrigaron estos dispositivos y los increíbles beneficios prometidos. Mi curiosidad me impulsó a analizar los métodos de estimación de ahorro aplicables e investigar la realidad de estos ahorros. Con medidas de ejemplo, descubrí cómo pueden engañar a los clientes.

Hace algún tiempo me encontré con algunas tecnologías muy interesantes para mejorar la eficiencia energética de los sistemas industriales. Me gusta ser verde y me gustan las tecnologías que ayudan a solucionar ineficiencias y prevenir pérdidas de energía. Me interesaron mucho algunos de estos dispositivos ya que afirmaban generar un ahorro muy consistente.

En el sitio web de un productor encontré esta declaración:

REDUZCA SU FACTURA DE ELECTRICIDAD Y AUMENTE SU COMPETITIVIDAD.

El ahorro de energía es una fuente infinita de energía limpia que puede ayudar a cualquier empresa a reducir el desperdicio de energía y el costo de la factura de la luz. Además de las nuevas energías renovables, el ahorro energético es una de las mejores formas de luchar contra el cambio climático y la contaminación.

Al estar en el campo de la medición de precisión, me fascinó bastante esta afirmación, especialmente el término "fuente infinita". Decidí investigar más y ver cuánto ahorro de energía podría generar realmente una tecnología tan innovadora en una planta industrial existente.

Hablando con un par de productores de economizadores, me di cuenta de que diferentes soluciones están certificadas para lograr rendimientos muy diferentes, desde casi cero hasta el 10% o más en el ahorro promedio. Mi propia idea es que básicamente estos sistemas pueden ahorrar solo una parte de la energía desperdiciada.

La energía desperdiciada significa básicamente pérdidas en la conducción debido a la potencia reactiva. En las plantas industriales modernas, la presencia de cargas no lineales genera una potencia reactiva de distorsión no despreciable que aumenta la potencia reactiva total (Q) - ver figura 1.

Wasted electrical power: Losses in conduction due to reactive powerFigura 1 - Energía eléctrica desperdiciada: Pérdidas de conducción por energía reactiva

Economizadores de energía

Un economizador de energía es básicamente un filtro, activo o pasivo, que cambia la forma de onda de la corriente para reducir la potencia reactiva total y, por lo tanto, las pérdidas de potencia. Un fabricante describe el producto de esta manera:

... un filtro inductivo pasivo con funciones híbridas, dado por su capacidad para inyectar en el flujo de potencia algunos vectores electromagnéticos en oposición de fase, utilizando parte de la potencia derivada del flujo de energía entrante y provocando así una caída de tensión proporcional al nivel de filtrado seleccionado . La inductancia no es constante, pero cambia dinámicamente su valor de impedancia de filtro, adaptándose a la absorción de potencia de la red eléctrica y maximizando así su efectividad.

Es un dispositivo puramente electrotécnico. Algo así como una combinación de un transformador variable y un filtro que actúa de acuerdo con un algoritmo dedicado para optimizar la Calidad de la Energía, y así generar ahorros de energía.

Electrical power economizer
Economizador de energía eléctrica

La Calidad de la Energía es una combinación de perfil de voltaje, perfil de frecuencia, contenido de armónicos y confiabilidad del suministro de energía. Es el grado en que la fuente de alimentación se acerca al caso ideal de suministro estable, ininterrumpido, sin distorsión y sin perturbaciones.

El dispositivo se puede ver desde el punto de vista de la optimización de voltaje, aunque es más un optimizador de calidad de energía que un simple optimizador de voltaje, ya que también actúan sobre las formas de onda de la corriente.

Básicamente, al optimizar la calidad de la energía, estos productos sirven para generar energía y ahorros de costos. En este escenario, los consumidores se benefician de la mejora de la calidad de la energía y el retorno de la inversión debido al ahorro de energía.

Partiendo de esta línea de pensamiento dudaba muchísimo del ahorro medio superior al 10% que ganaría la planta industrial. Al ahorrar solo una parte de la energía desperdiciada, significaría que la planta, en realidad, tendría pérdidas de energía promedio mucho mayores al 10%.

Analizando un poco más, me quedó claro que calcular los ahorros no es en absoluto un asunto trivial. Los productores con los que contacté tenían enfoques más diferentes para estas mediciones y estimaciones.

Varias preguntas me vinieron a la mente, y decidí realizar algunas mediciones en este campo en un intento por aclarar mis dudas.

Me había interesado que el productor reclamara un ahorro superior al 10%. Como profesional de la medición, tuve la oportunidad de instalar el analizador de calidad de energía Dewesoft en una muestra de este producto para medir los parámetros que describen la desviación del voltaje de su forma de onda sinusoidal ideal a una determinada frecuencia.

El analizador de calidad de energía Dewesoft basado en el software DewesoftX y los sistemas de adquisición de datos SIRIUS HS (High Speed) puede medir todos los parámetros de calidad de energía de acuerdo con IEC 61000-4-30 Clase A.

Dewesoft power quality analyzerAnalizador de calidad de energía Dewesoft R1DB con amplificadores tipo SIRIUS-HS

Estimación de ahorros

Sí, el ahorro no se puede calcular, solo se puede estimar.

El problema de calcular el ahorro está ligado a la dificultad de mantener la carga conectada suficientemente constante. Para tener los hechos, se debe conocer el consumo de energía de un sistema con y sin el economizador en un momento dado específico. La diferencia entre los dos es el ahorro real. Sin embargo, se comprende fácilmente que es imposible conocer simultáneamente el consumo del mismo sistema con y sin economizador.

Hablando con los fabricantes de economizadores, aprendí sobre un par de enfoques diferentes para estimar el ahorro total. Uno muy simple que requiere medidores de potencia de alto rendimiento y uno más simple que desafortunadamente trae una incertidumbre de medición muy alta.

La estimación de ahorro en energía instantánea

Un economizador que encontré en el mercado incorporaba un interruptor de derivación trifásico de alta potencia, lo que significa que el dispositivo se puede omitir por poco menos de 20 ms.

Suponiendo que la carga no cambia en un período de tiempo tan corto, el sistema de medición podría calcular el ahorro en función de los valores de potencia medidos antes y después de accionar el interruptor de derivación.

Teniendo la carga constante, una variación en el consumo de energía solo podría acreditarse al efecto economizador.

Este es un enfoque bastante simple que se basa en dos condiciones estrictas:

De todos modos, la mayoría de los economizadores no incluyen un interruptor de derivación de este tipo; no se pueden omitir en absoluto. Este tipo de economizador siempre está ENCENDIDO y simula la función de derivación al generar los mismos voltajes medidos en la red (con algunas tolerancias).

La transición ON-OFF (y viceversa) requiere de 20 a 30 segundos por lo que es imposible considerar la carga como constante. En este caso, una variación en la potencia medida podría estar relacionada con la variación de la carga y / o el efecto economizador, y no hay forma de distinguir entre los dos.

La estimación de ahorro en el consumo de energía a largo plazo

La determinación del ahorro de energía requiere tanto una medición precisa como una metodología replicable, conocida como protocolo de medición y verificación. En este caso, el fabricante del economizador utiliza el Protocolo internacional de medición y verificación del rendimiento (IPMVP). El protocolo define términos estándar y sugiere las mejores prácticas para cuantificar los resultados de las inversiones en eficiencia energética.

IPMVP ofrece cuatro opciones para determinar los ahorros (A, B, C y D). Para este tipo de aparatos industriales, el método más adecuado parece ser el descrito por la Opción C, ya que: 

Los ahorros se determinan midiendo el uso de energía en toda la instalación o en el nivel de [...] subinstalación donde se espera que el ECM afecte a todos los equipos de una instalación.

Entonces, los fabricantes basan sus estimaciones de ahorro en dos contadores de energía utilizados para mediciones de 3 días, el período determinado a partir del resultado de un procedimiento de calibración de algoritmo.

Básicamente, el procedimiento de calibración verifica que en funcionamiento normal dos contadores tendrán el mismo valor de energía total después de un período de tiempo, sin el economizador. El período de conmutación se puede ajustar y se puede aplicar una prueba más larga. Esto garantiza que una diferencia en los valores de Eon y Eoff se pueda atribuir solo a la actividad del economizador y no a la variación de la carga.

Durante esta prueba, el economizador está alternando entre el estado de ENCENDIDO y APAGADO con intervalos predefinidos, establecidos en 15 minutos, también según el resultado del procedimiento de calibración del algoritmo. Un contador de energía suma todo el consumo de energía durante todos los períodos en los que el economizador estaba en ON, el otro cuando estaba en OFF. La diferencia entre las energías totales medidas por los dos contadores se utiliza luego para estimar el ahorro total después del período de 3 días.

Este es un enfoque más complejo, pero se puede aplicar a cualquier economizador y no requiere necesariamente sistemas de medición de alta gama como Dewesoft. Dos contadores de energía simples y de bajo costo harán el trabajo.

Prueba con mediciones

Configuración de medición

El sistema que tuve la oportunidad de analizar mostró un ahorro promedio de alrededor del 11%; este economizador no incluye el interruptor de derivación, por lo que se implementó el protocolo IPMVP para estimar el ahorro en una medición de energía a largo plazo.

Aunque para medir la energía consumida basta con instalar contadores de energía antes del economizador, decidí instalar dos analizadores de energía Dewesoft, uno antes y otro después del economizador. Quería obtener la mayor cantidad de información posible para ver si el economizador finalmente está engañando al usuario con la estimación de ahorro, y cómo, ¡o para demostrar que tal economizador está realmente funcionando!

Para lograr esto, utilicé dos dispositivos de adquisición de datos de alta velocidad SIRIUS, el primero midiendo voltajes y corrientes en la red y el segundo midiendo después del economizador. Obviamente, los dos estaban perfectamente sincronizados y calculaban todos los parámetros de potencia.

Dos módulos DAQ de alta velocidad Dewesoft SIRIUS: uno que mide voltajes y corrientes de la red y otro que mide después del economizador. 

El economizador estaba proporcionando dos relés de contacto seco activados respectivamente cuando el estado del economizador estaba APAGADO y ENCENDIDO. El estado de los relés de contactos secos fue leído por dos canales de entrada de BT aislados que tienen una fuente de alimentación programable integrada.

La potencia y la energía fueron calculadas por el módulo de potencia DewesoftX. Con matemáticas simples, pude totalizar la energía para los períodos de ENCENDIDO y APAGADO por separado de acuerdo con el protocolo estándar IPMVP.

Dewesoft X measurement and analysis screenPantalla de medición que muestra mediciones y armónicos dentro del software de adquisición de datos Dewesoft X

Mediciones

Estos sistemas se dejaron durante tres días monitoreando todos los parámetros de energía mientras que el economizador se dejó en modo TEST alternando entre el estado de ENCENDIDO y APAGADO cada 15 minutos.

DS-FLEX-3000-35-HS current transducers installed at input and output of the economizerTransductores de corriente DS-FLEX-3000-35-HS instalados en la entrada y salida del economizador

Se realizaron mediciones similares en paralelo mediante el sistema de control integrado del economizador que muestra los resultados en una pantalla.

Después de tres días el economizador mostraba EOn 11.738,6 kWh y EOff 12.528,2 kWh que suma un ahorro de energía eléctrica del 6,3%. Tanto el sistema economizador integrado como nuestros sistemas Dewesoft estaban midiendo resultados comparables.

Display of the embedded power economizer measurement systemVisualización del sistema de medición del economizador de energía integrado.

Esto ya fue una sorpresa para mí. El sistema siempre mostró un ahorro promedio de más del 10% durante los últimos 3-4 meses. Esto se redujo al 6,3% mientras probaba el sistema con un analizador de potencia de alto rendimiento.

Resultados

Analizando los datos adquiridos encontré unos resultados muy interesantes. Teniendo un historial de tiempo completo, pude generar un gráfico de los datos de energía requeridos durante los períodos de encendido y apagado.

Energy from OFF periods in green, energy from ON periods in pinkLa energía de los períodos de APAGADO en verde, la energía de los períodos de ENCENDIDO en rosa.

Este gráfico muestra claramente que en algunos períodos cuando el economizador estaba en estado ON, la energía solicitada se midió cerca de cero.

Luego amplié una sección más pequeña de este mismo gráfico para analizar el gráfico de energía de los voltajes de entrada y salida del economizador y la energía total medida de la red.

The energy graphs the voltages - phase 1 grid in green and phase 1 economizer outputLa energía representa gráficamente los voltajes: la red de la fase 1 en verde y la salida del economizador de la fase 1 en rojo. En la parte inferior, la energía total medida de la red.

Resultó que la salida de voltaje del economizador cambia regularmente mientras que la energía total de la red aumenta casi constantemente.

No hay ninguna razón obvia por la que la energía medida en esos períodos deba ser cercana a cero. Excepto, eso es si el relé del economizador se activó incorrectamente o se leyó mal. Esta suposición se confirmó claramente analizando el tiempo de conmutación.

Switching time dataLos datos de tiempo de conmutación muestran múltiples activaciones irregulares.

El tiempo de conmutación indica múltiples activaciones: activaciones falsas que no siguen el comportamiento del economizador indicado. Y, por supuesto, llevar el consumo de energía del período ON a CERO reduce los valores del totalizador Eon y finalmente aumenta el cálculo de ahorro.

Teniendo toda la señal en el dominio del tiempo, el  Analizador de Potencia de Dewesoft pudo reconstruir los tiempos de cálculo correctos a pesar de las operaciones incorrectas del relé y luego el ahorro ya reducido del 6,3% se redujo a un ahorro estimado del 1,8%.

Me sorprende que este simple truco, o comportamiento no deseado, haya podido engañar al medidor de energía de terceros. Pero afortunadamente no los medidores de potencia Dewesoft. Gracias a la capacidad de las matemáticas offline permiten cualquier tipo de recálculo a partir de las señales del registrador.

Cualquier administrador de energía con un analizador de calidad de energía estándar o medidores de energía habrían medido un 6,3%. Solo un sistema de adquisición de datos de alto rendimiento con capacidades de medición de potencia como Dewesoft podría detectar este mal funcionamiento o truco del economizador.

Al observar los datos, se nota un comportamiento extraño adicional del dispositivo economizador.

Comparison of the phase 1 voltages from the grid and the emulation from the economizer outputComparación de las tensiones de la fase 1 de la red (verde) y la emulación de la salida del economizador (rojo).

El economizador no integra interruptor de bypass y para emular el estado OFF debe generar la tensión que se recibe de la red.

Comparando los voltajes de la fase 1 de la red y de la salida del economizador, es evidente que durante los estados de apagado el voltaje siempre está un poco por encima del de la red (+ 2,5V). En presencia de cargas lineales sensibles a variaciones de voltaje un voltaje, el aumento está asociado con un aumento de potencia y energía.

En otras palabras, esto podría ser un mecanismo deliberado para aumentar los valores del totalizador Eoff y, por lo tanto, aumentar artificial y falsamente el cálculo de ahorro.

Además, analizando los historiales de tiempo de las señales tuve la posibilidad de obtener datos tanto en modo de prueba como en funcionamiento normal. Parece que el sistema utiliza un algoritmo diferente en modo de prueba al de operación normal, aplicando diferentes niveles de voltaje. Sospecho que también este comportamiento podría diseñarse para aumentar artificialmente los resultados de ahorro.

Conclusión

Desafortunadamente, no pude encontrar la fuente infinita de energía limpia en este dispositivo. El economizador que se vendió para lograr un ahorro promedio del 10,5% - con un 8,5% garantizado por contrato - estuvo lejos de cumplir. La pantalla mostró un 6,3% pero en realidad, solo proporcionó un 1,8% de ahorro para reducirse aún más descontando los múltiples trucos de voltaje encontrados al analizar las señales.

Me doy cuenta claramente de que los analizadores PQ estándar o los totalizadores de energía simples utilizados para implementar el protocolo IPMVP para la estimación del ahorro pueden ser fácilmente desviados por el comportamiento del economizador y confirmarán el ahorro incorrecto del 6,3%.

También confirmé que los consumidores deben ser críticos y cuestionar a los fabricantes que ofrecen grandes ahorros. Es muy difícil demostrar que están engañando sin un analizador de potencia de alta gama. Pero tenga en cuenta que solo se ahorra una pequeña parte de las pérdidas.

Documentación

International Performance Measurement & Verification Protocol: Concepts and Options for Determining Energy and Water Savings. IPMVP, 2002.