Rumbos tecnológicos
Universidad Tecnológica Nacional - Facultad Regional Avellaneda - Secretaría de Ciencia, Tecnología y Posgrado

CARACTERIZACIÓN DE CURVAS DE DEMANDA DE USUARIOS RESIDENCIALES DE TIPO CONVENCIONAL Y ELECTROINTENSIVO Y SU IMPACTO EN LA CURVA DE CARGA DE UNA RED DE DISTRIBUCIÓN TÍPICA

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Rumbos Tecnológicos 12 • Noviembre 2020 – Octubre 2021

Fecha de Recepción: 30 de junio de 2020 • Fecha de Aceptación: 31 de agosto de 2020

Marcos M. Cea*, Ulises Manassero, Rodrigo Furlani, Javier Acosta, Irene Steinmann

Universidad Tecnológica Nacional, Facultad Regional Santa Fe, Centro de Investigación en ingeniería Eléctrica y Sistemas Energéticos (CIESE), Lavaise 610, Santa Fe (CP 3000), Santa Fe, Argentina.

*Autor a quien se debe dirigir la correspondencia. Correo electrónico: marcos.cea@live.com.ar

 

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Resumen

En el presente trabajo se analiza la conversión de usuarios residenciales convencionales en usuarios electrointensivos; evaluando su impacto en términos de potencia y consumo de energía tanto en la instalación eléctrica del usuario, como en una red eléctrica de distribución primaria de media tensión típica de la ciudad de Santa Fe.
Para ello, se plantea elaborar perfiles de carga de usuarios residenciales convencionales y electrointensivos, en función a los hábitos cotidianos de una familia tipo y el equipamiento eléctrico existente en la instalación de una vivienda.
Posteriormente, se analiza el impacto de los perfiles de carga de cada tipo de usuario para dos escenarios típicos de invierno y verano, cuantificando su influencia en el consumo de energía en las franjas horarias de demanda.
Los resultados indican que la conversión a electrointensivos de los usuarios residenciales impacta de forma significativa tanto en el crecimiento de la potencia media operada en todos los distribuidores analizados, así como también la generación de nuevos picos de potencia en el sistema. Por otro lado, el usuario experimenta importantes incrementos de consumo de energía en períodos donde la energía es más costosa, con la consecuente modificación de sus instalaciones internas debido las crecientes intensidades de corrientes.

Palabras Claves: Equipos gasodomésticos, Usuarios electrointensivos, Perfiles de carga, Potencia media, Nivel de carga.

 

Abstract

In the present work, the conversion of conventional residential users into electrointensive users is analyzed; evaluating its impact in terms of power and energy consumption both in the user’s electrical installation and in a typical medium-voltage primary distribution electrical network in the city of Santa Fe.
For this, it is proposed to prepare load profiles of conventional and electrointensive residential users, based on the daily habits of a typical family and the electrical equipment existing in the installation of a home.
Subsequently, the impact of the load profiles of each type of user for two typical winter and summer scenarios is analyzed, quantifying their influence on energy consumption in the demand time slots.
The results indicate that the conversion to electro-intensive of residential users has a significant impact on both the growth of the average power operated in all the distributors analyzed, as well as the generation of new power peaks in the system. On the other hand, the user experiences significant increases in energy consumption in periods when energy is more expensive, with the consequent modification of its internal facilities due to increasing current intensities.

Key-words: Gas appliances, Electro-intensive users, Load profiles, Average power, Load level.

 

INTRODUCCIÓN

Hace más de una década que la edificación en altura ha ido tomando lugar en todo el territorio argentino, concentrando una gran cantidad de usuarios residenciales con acceso tanto a gas natural como a la energía eléctrica para satisfacer el funcionamiento de los distintos equipos domésticos que hacen a la convivencia y el confort del ser humano. Con el correr de los años, las redes eléctricas y de gas natural se han expandido conforme el usuario o grupo de usuarios se alejaban de las infraestructuras principales de gas natural y de las líneas eléctricas. Sin embargo, hoy día, la expansión de las redes de transporte y distribución de gas natural se encuentran restringidas, en contraste, las redes eléctricas se han expandido y ampliado ante el incremento de usuarios. En el caso del gas natural, su retroceso en la participación del consumo final del usuario residencial se explica por la falta de infraestructura para abastecer nuevas demandas, dado las dificultades presentadas por la empresa de distribución de gas natural ante la disposición de la factibilidad de servicio, las dificultades constructivas en las proyecciones de las obras y sus altos costos de instalación, llevando esto al reemplazo de equipamiento a gas por electrodomésticos en hogares para satisfacer necesidades básicas. Tales concentraciones de usuarios residenciales con mayor equipamiento eléctrico promueven el establecimiento de zonas con altas densidades de demanda eléctrica generando estrés en las redes de distribución eléctrica no diseñadas para tal fin y la consecuente pérdida de calidad de suministro eléctrico.
Desde el punto de vista económico, construir un edificio electrointensivo es asequible, ya que las obras de gas se reducen, así como los materiales empleados, la seguridad que deben otorgar tales instalaciones. Además, los proyectos civiles resultan mucho más sencillos ya que los equipos eléctricos poseen mayor flexibilidad para ser ubicados en diferentes lugares de las unidades habitacionales ante la ausencia de limitaciones de seguridad que exige una instalación de gas natural. Sin embargo, el gasto de energía es más costoso para el propietario, debido a que se requieren grandes consumos energéticos para suplir las prestaciones de confort presentadas por los equipos gasodomésticos.
El 16 de mayo de 2017, el Ministerio de Energía y Minería de la Nación emitió la resolución conjunta 1-E/2017 la cual establece una bonificación en el Precio Estacional Sancionado y en el Precio Mayorista de la energía para determinados usuarios. El alcance de la resolución involucra a aquellos usuarios con potencia igual o mayor de 300 kW, los cuales se diferencian en Usuario Electrointensivo y Usuarios Ultra-Electrointensivo. Dentro de la nueva resolución, se infiere que, en el corto o mediano plazo, los usuarios residenciales cuyas necesidades energéticas sean abastecidas exclusivamente con energía eléctrica cobrarán mayor importancia ante la red eléctrica, estableciéndose nuevas reglamentaciones e incentivos para descongestionar la red eléctrica y dar sostén a los gastos provenientes del consumo de energía eléctrica.
En este marco se plantea, elaborar perfiles de carga de usuarios residenciales convencionales (URC) y usuarios residenciales electrointensivos (URE), en función a los hábitos cotidianos de una familia tipo y el equipamiento eléctrico existente en la instalación de una vivienda. Además, analizar el impacto de los perfiles de carga de cada tipo de usuario para dos escenarios típicos de invierno y verano, cuantificando su influencia en el consumo de energía en las franjas horarias de demanda en una red de distribución primaria de 13,2 kV de tipo urbana, característica de una zona de alta densidad de consumo.

 

DESARROLLO

La metodología propuesta para evaluar el impacto de la inserción de URE en un subsistema de media tensión (MT), consiste en estudiar una red urbana de 13,2 kV típica de la ciudad de Santa Fe con topología radial.
Para ello, se sigue la secuencia de actividades que se describe a continuación:
• Se modelan cuatro distribuidores de 13,2 kV, cuyas potencias totales de consumo son repartidas en subestaciones transformadoras (SET).
• A través de un listado de electrodomésticos, se seleccionan los equipos que influyen en la confección de URCy URE.
• Una vez caracterizadas las curvas de potencias unitarias de cada usuario, se construye cada distribuidor con un perfil de carga correspondiente a un día hábil típico de invierno y verano, donde los mismos se determinan a través de algoritmos auxiliares utilizando el software Matlab. Luego se estudian y contrastan los perfiles de carga de los 4 distribuidores existentes con las curvas de potencias unitarias modeladas.
• Finalmente se analiza el impacto sobre la red de MT, para lo cual se evalúan indicadores a nivel usuario y red de los perfiles de carga de URE y se contrastan contra perfiles decarga de URC.

Modelado de equipos electrodomésticos para reemplazo de gasodomésticos
A partir de información de la potencia eléctrica y consumos energéticos de electrodomésticos se realiza una selección de aquellos capaces de sustituir en forma más eficientes al equipamiento gasodoméstico. La información específica de los electrodomésticos se obtiene de manuales de usuario, fichas técnicas o medición en caso de no contar con información de los consumos energéticos medios. Para aquellos electrodomésticos que no posee identificación técnica, las curvas de consumo energético se obtienen de la tabla “Consumos promedio por artefactos” (ENRE, 2019).

Placas de cocción
El desarrollo de las cocinas eléctricas en sus diferentes variantes se impone poco a poco dentro del mercado gracias a sus ventajas caloríficas y limpieza, brindando mayor seguridad, presentando un aspecto más atractivo para la sociedad moderna.
En la Figura 1 se muestra una comparación de los rendimientos térmicos para diferentes tecnologías de placas de cocción, proporcionada por el equipo Bosch (2019).Se puede observar que la placa de inducción posee un rendimiento térmico mayor a las placas de gas convencionales (aproximadamente un 22%), además posee velocidades de cocción que duplica a una cocina eléctrica con placas de fundición.

En función de ello, se selecciona una placa de inducción Bosch de 80 [cm] de ancho, cuyo código de producto es PXV875DC1E. Las principales características técnicas son: potencia de conexión eléctrica: 7,4 kW; factor de potencia: 0,98; tensión: 220-240Vca; frecuencia: 50-60 Hz. En la Figura 2, se presentan las características de la cocina seleccionada para poder realizar su modelado.

Figura 1. Rendimiento térmico de diferentes tecnologías de placas de cocción.

Figura 1. Rendimiento térmico de diferentes tecnologías de placas de cocción.

Cada foco de inducción posee un total de 9 niveles de cocción más 1 nivel intermedio a ellos, haciendo un total de 17 niveles de cocción. Para los fines prácticos, se asume solo la utilización de la zona A de1,8 kW, en el caso de requerir usar solo una zona, y para casos de cocción simultánea, adicionalmente se utiliza la mitad de la zona de cocción Flex de 2,2 kW (zona D).
Los niveles de potencia de las zonas seleccionadas, se determina a partir de datos de ensayos efectuados por el fabricante, de acuerdo con Ia información técnica de Vitrocerámicas (2019).En los mismos se establece que 1 litro de agua cuya temperatura inicial es de 19°C es llevada a 85°C en 5’ 20” por una hornalla o foco de inducción de 1,8 kW, entonces, considerando una relación directa se determina que para una ración de agua de cuarto de litro (250 ml, equivalente a una taza) la potencia de cocción se reduce a 0,45 W. Luego, si se asume que la leche en su proceso de calentamiento posee las mismas propiedades térmicas que el agua para pequeñas raciones, le corresponde un nivel de 2,5, de acuerdo con la información brindada por el manual del usuario de la cocina de inducción (Bosch Electrodomésticos, 2019). De igual forma, una vez establecido uno de los niveles de potencia, se obtienen los restantes.
Para poder definir el régimen de trabajo de una cocina eléctrica de una vivienda tipo, se determinan los diferentes alimentos consumidos según hábitos alimenticios de mayor frecuencia. Se considera una ingesta óptima de calorías en función de un estudio realizado en la Universidad Complutense de Madrid (Carbajal, 2017). Además, se consideran determinados tipos de productos nutritivos y comidas en función de las recetas provistas tanto por el manual de placas de inducción Bosch como por el Informe de planes de alimentación de Argentina y guías alimentarias para la población argentina para un rango variable de energía entre 2000 y 3000 kCal (Ministerio de Salud, 2016).
Los cálculos del consumo energético de la cocina de inducción seleccionada, para las diferentes comidas durante el día, se determina a partir de las ecuaciones (1) y (2).

En la Tabla 1, se presentan los resultados obtenidos para las potencias adoptadas para realizar las curvas residenciales y su posterior simulación en el software Neplan.

Tabla 1.Características de cocción de alimentos determinados según la metodología desarrollada

Tabla 1. Características de cocción de alimentos determinados según la metodología desarrollada

Horno Eléctrico
Se seleccionó un horno eléctrico pirolítico BOSCH de 71 [Lts] (Bosch Electrodomésticos, 2019), cuya potencia eléctrica es de 3,6 [kW].
Debido a la falta de información de las potencias eléctricas de cada función de cocción, se adopta como potencia la de conexión provista en su ficha técnica. A los fines prácticos de la simulación horaria, solo se consideró que el uso de este electrodoméstico se produce en el horario de la cena, substituyendo a la cocina eléctrica de inducción, debido a que ambos demandan potencias similares en la cocción genérica de alimentos.

Termotanque eléctrico
Se seleccionó un termotanque eléctrico Energy Safe FD-80D RA WiFi de 80 Lts de capacidad y potencia de conexión de 1,5-3 kW.
Para determinar los tiempos de funcionamiento del termotanque eléctrico se utilizaron las ecuaciones (3), (4) y (5). Como temperatura genérica de set-point de interrupción (temperatura final) se seleccionó 60 °C y como temperatura de arranque para el escenario de invierno valores entre 9,8°C y 12,9°C y en aquellos escenarios de verano valores dentro del rango de 20,5°C a 24,1°C, estimados según la franja horaria.

 

Dónde:
Qi: Energía necesaria para elevar la temperatura del agua a la deseada.
Mi: Masa del agua a calentar disponible en el termotanque.
γ: Densidad del agua de grifo que entra al termotanque con contenido de sal igual a 3 g/lts.
Cespecifico_H2O: Calor especifico del agua igual a 4186 J/Kg.°C.
Ti: Temperatura inicial promedio a la que entra el agua al termotanque.
Tf: Temperatura final que adquiere el agua dentro del termotanque.
Peléctrica termotanque: Potencia eléctrica disponible para calefaccionar el volumen de agua – 3000 W.
∆temperatura: Diferencia de temperatura de entrada y salida del agua del termotanque en °C.
∆tiempo: Tiempo de calentamiento del agua en el interior del termotanque en s.

Acondicionador de aire
Dentro de la gama de acondicionadores de aire (AA), en el presenta trabajo se estudian aquellos de tipo Split frío/calor de tecnología ON/OFF e Inverter.
En los sistemas de aire acondicionado convencional (ON/OFF), el control de la temperatura se realiza con un termostato que actúa enviando una señal eléctrica a la unidad interior y exterior, apagando o encendiendo los equipos, y consecuentemente el compresor, dando como resultado picos de consumos eléctricos muy elevados ante el arranque del equipo, ver Figura 3 izquierda.
En cambio, en los sistemas inverter, un dispositivo electrónico regula el voltaje, la corriente y frecuencia de alimentación del motor. Estas magnitudes eléctricas ofician como “variables de entrada” del compresor, consiguiendo alterar las revoluciones de funcionamiento de este y en consecuencia el caudal de refrigerante que circula por el circuito entre las unidades exterior e interior del AA, adaptándose a las necesidades de carga a cada momento. Comparándolo con un sistema de AA estándar, la tecnología inverter permite ajustar el funcionamiento del compresor a la demanda de la carga, proporcionando mayor eficiencia y reduciendo las pérdidas, ver Figura 3 derecha. Entre sus ventajas se pueden mencionar, generación de menos ruido, mayor rapidez para alcanzar la temperatura deseada, mayor confort y estabilidad en la temperatura, ahorro energético, mayor vida útil (menos arranques y paradas) y menor mantenimiento. Entre sus desventajas se destaca el alto costo de la tecnología.
En el estudio de URC se considera AA ON/OFF por ser éstos los de mayor presencia en el mercado argentino. Se selecciona un AA Split tipo ON/OFF – Frio/Calor de 2300 Fg/Cal de 1,35 kW de potencia nominal en ambos regímenes. Se consideran tiempo de funcionamiento promedio de 10 hs al día (8 hs por la noche y 2 hs por la tarde) para ambos escenarios y un factor de utilización de 0,75.

Figura 3. Ahorro energético de un sistema Convencional vs Inverter.

Figura 3.  Ahorro energético de un sistema Convencional vs Inverter.

Perfiles de demanda de electrodomésticos
El modelado del lavarropas automático, lavavajillas y plancha se efectuó través de mediciones realizadas por Gargallo (2018). En este estudio se exponen las mediciones de potencia, energía y agua consumida para diferentes programas de funcionamiento de los equipos tanto con agua caliente como con agua fría, con o sin vapor (plancha). Los resultados de las mediciones realizadas sobre diferentes electrodomésticos se resumen Tabla 2.

Tabla 2. Resumen de mediciones de equipos electrodomésticos

Tabla 2. Resumen de mediciones de equipos electrodomésticos

En lo referente a heladeras, actualmente existen diferentes tipos de tecnologías de refrigeración, siendo las más comercializadas y utilizadas a través del tiempo las cíclicas, Frost, tradicionales o convencionales, No Frost y Neo Frost, presentando cada una de ellas diferentes prestaciones las cuales infieren directamente en el consumo energético del equipo (ver Tabla 2) y en el modo de conservación de los alimentos dentro de las mismas.

Determinación de usuarios residenciales por SETs
En primer lugar, se contabiliza el número de usuarios de baja tensión por SET en cada distribuidor de 13,2 kV seleccionado para el estudio. Debido a que la energía bimestral promedio por SET está distribuida en grandes y pequeños usuarios, y a su vez, este último en usuarios residenciales, comerciales e indefinidos (edificios gubernamentales y/o alumbrado público), se adopta una metodología para contabilizar la cantidad de consumidores de cada tipo, la cual posee una relación directa entre la energía promedio total consumida por usuario y la cantidad de consumidores por SET.

Los factores de simultaneidad de cada SET y la potencia máxima por usuario modelado se utilizan para determinar los perfiles de cargas en potencia de cada SET para la totalidad de los usuarios y los cuales son analizados en el software Neplan para la evaluación técnica de los distribuidores

Determinación de curvas para usuarios residenciales
Luego de obtener la cantidad de consumidores residenciales por SET y por distribuidor, los mismos se utilizan en conjunto con los perfiles eléctricos de potencias unitarias.
Se confeccionan las curvas de potencias unitarias correspondientes a los URC y URE para escenarios de invierno y verano. Dado que estas curvas son particulares para un usuario genérico, el estudio de su impacto en la red requiere considerar la simultaneidad de consumos similares correspondientes al resto de los usuarios. Para ello se implementa un algoritmo en el software Matlab que genera un conjunto de curvas residenciales basadas en las curvas previamente definidas, pero con leves variaciones en las potencias instantáneas y en los horarios de consumo. Ello permite contemplar las diferencias existentes entre las curvas de carga de cientos de usuarios del mismo tipo. Para las variaciones de potencia se consideran distribuciones normales de probabilidad, cuyo valor medio es el de la curvabase determinada y un desvío estándar proporcional a la demanda instantánea. Los desplazamientos en el tiempo de las curvas responden a variaciones aleatorias uniformes, con valores variables entre ±0,5 y ±2,5 hs. Dicho algoritmo se aplicó a cada una de las 28 SET de la red, en donde la cantidad de usuarios considerados para cada SET es variable entre 140 y 190 usuarios.
Junto con estos resultados, se obtienen los respectivos factores de simultaneidad para cada SET. Finalmente, la curva de demanda total resultante para cada SET (valor a usar en las simulaciones) resulta de la suma hora a hora de todas las curvas de carga definidas para cada SET.

Modelado de la de distribución de 13,2 kV tipo urbana residencial
Para modelar la red de distribución de 13,2 kV tipo urbana residencial se utiliza el software Neplan en su versión 5.3.51. En la Figura 4 se presenta el equivalente de la red bajo estudio. Se realizan distintas simulaciones de flujos de carga, para los escenarios de invierno y verano, con un paso de cálculo de 15 minutos, es decir, 96 simulaciones para un perfil de carga diario de cada SET.

Figura 4. Modelo de la red de distribución de 13,2 kV del CD 1ero de Mayo de la ciudad de Santa Fe.

Figura 4. Modelo de la red de distribución de 13,2 kV del CD 1ero de Mayo de la ciudad de Santa Fe.

En el análisis de impacto de los URE en la red de MT se adoptan los siguientes supuestos:
• La red está compuesta por un centro de distribución (CD), que alimenta 4 distribuidores. Cada uno abastece un conjunto de SET de 13,2/0,4 kV que varían de 2 a 13 por distribuidor. El CD se alimenta a su vez desde una Estación Transformadora 132/33/13,2 kV a partir de dos alimentadores conformados por ternas de cables subterráneos de 3x1x400 Al/XLPE.
• En todas las líneas aéreas de 13,2 kV se consideran las secciones de conductor y material de acuerdo con los tipos normalizados en la empresa distribuidora de energía local.
• Se adopta como límite de capacidad de transmisión de potencia de los distribuidores de MT al límite térmico-mecánico impuesto por sus conductores.
• El límite admisible de condiciones normales de operación de transformadores corresponde a la capacidad nominal de la máquina, impuesta por el fabricante según su diseño.
• Factor de potencia de las demandas igual a 0,85 inductivo

Evaluación de los perfiles de carga de los distribuidores del CD bajo estudio
Con la finalidad de evaluar el comportamiento de la demanda con la temperatura y poder contrastar los modelos de usuarios residenciales, se analizan los niveles de carga en cada distribuidor bajo estudio, los cuales se confeccionan a partir del registro de valores promedios horarios a lo largo del día.
Los meses seleccionados para el estudio y designados como invierno y verano, son mayo-junio-julio-agosto y diciembre-enero-febrero-marzo, respectivamente. A su vez, se analizan los promedios horarios de temperaturas medidas en las inmediaciones de los distribuidores, debido a su estrecha relación con los picos de demanda de usuarios residenciales.
En la Figura 5 se representan las curvas eléctricas en por unidad de intensidad de corriente para un día hábil y no hábil, correspondientes a escenarios de verano e invierno, para el distribuidor con mayor cargabilidad, denominado “Mendoza”. En ellas se puede observar el comportamiento de la demanda eléctrica con el aumento o disminución de la temperatura ambiente.

Figura 5. Perfil de carga diario del distribuidor Mendoza para escenario de verano e invierno.

Figura 5. Perfil de carga diario del distribuidor Mendoza para escenario de verano e invierno.

En la Figura 5, para el escenario de verano, se observa un crecimiento pronunciado de la demanda en el intervalo en que aumenta la temperatura ambiente, debido a que, los usuarios para satisfacer sus necesidades de confort térmico encienden ventiladores y AA de forma simultánea durante este período de tiempo. Luego, cuando la temperatura disminuye, la demanda eléctrica se reduce proporcionalmente. Algo similar ocurre en invierno, con la diferencia de que el aumento de la demanda energética se produce con la disminución de la temperatura, durante este período, un porcentaje de personas que no posee gas natural enciende sus acondicionadores de aire o estufas eléctricas con el fin de reestablecer el confort que poseía antes de la disminución de la temperatura.
Por otro lado, se puede apreciar que en ambas estaciones los días hábiles poseen un porcentaje mayor de consumo que los días no hábiles. Esto se debe a la concentración de equipos en funcionamiento en horarios de comercio y atención al público. Además, los hábitos de las personas los fines de semana no son los mismos que los días hábiles, dando como resultado una curva con picos de demanda menos pronunciados que los anteriores.

Periodos de demanda energética definidos para el estudio
Para el análisis se adoptan los tres períodos tarifarios de demanda energética cuya clasificación para el Mercado Eléctrico Mayorista (2002) es:

• Período de pico de demanda: de 18:00 a 23:00 hs
• Período de valle de demanda: de 23:00 a 05:00 hs
• Período de resto de demanda: de 05:00 a 18:00 hs

Las horas pico de demanda corresponde al período más probable donde las personas vuelven a sus hogares, consecuentemente, hay mayor actividad energética debido a la conexión de múltiples equipos como TV, AA, ventiladores en verano o estufas en inverno, entre otros.
A las horas de menor consumo se las denomina horas valle y se corresponden con las horas nocturnas, coincidiendo con la menor actividad de todos los sectores de consumo. Finalmente, las horas de resto de demanda es el período restante de consumo de energía que no está incluido en ninguno de los dos anteriores.

Indicadores definidos para evaluar los perfiles de carga
Los indicadores definidos para evaluar el impacto de URE sobre la red de MT son los que se listan a continuación:
• Factor de carga (FC): definido como la relación entre la demanda promedio en un intervalo de tiempo dado y la demanda máxima observada en el mismo intervalo. Permite evaluar, en términos de energía, el grado de aprovechamiento de un distribuidor.
• Factor de pico (FP) se define como la relación entre la demanda máxima para un determinado escenario de carga e intervalo de tiempo dado y la demanda máxima para un escenario de carga diferente del previo, observada en el mismo intervalo de tiempo.
• Cargabilidad: se define como la cantidad máxima de potencia eléctrica que se puede transmitir a través de una o varias líneas eléctricas, sin que se vean afectadas las condiciones operativas del sistema eléctrico de potencia.
• Rango de tensiones admisibles de operación: se adoptan limites admisibles establecidos en los procedimientos de CAMMESA (2012), el rango de tensión para una red de distribución primaria de 13,2 kV corresponde a ±7%.

RESULTADOS Y DISCUSIÓN

Construcción perfil de carga de usuario residencial electrointensivo
Para definir al URE es necesario conceptualizar al usuario URC. Este se caracteriza por una matriz de consumo final de energía diversificada, ya que utiliza la energía eléctrica y la proveniente del gas natural, donde las actividades principales que absorben la energía proveniente de la combustión del gas son la calefacción de ambientes y agua (termotanques y calefones) y la cocción de alimentos (cocina a gas), equipamiento denominado “gasodomésticos”. Por tanto, un URE es aquel cuyos equipos “gasodomésticos” empleados en las principales actividades energéticas son reemplazados por equipos eléctricos que cumplen las mismas funciones, en efecto, estufas a gas son reemplazadas por AA, termotanques a gas se reemplazan por termotanques eléctrico (TMT) y cocinas a gas por cocinas eléctricassumado a hornos eléctricos. Adicionalmente, el URE, ante el confort y las prestaciones, adquiere el uso de lavavajillas para el lavado en caliente de las vajillas y la estufa eléctrica a resistencias calefactoras, esta última es empleada debido a que pueden ser desplazadas fácilmente de una habitación a otra, además, actualmente adquirir un AA para cada habitación de la casa no es rentable, siendo el costo de adquisición deuna estufa casi 17 veces menor (comparación contra un AA Split ON/OFF).
En la Tabla 3 se muestran los equipos a ser empleados en el modelado de los URE. De acuerdo con la metodología desarrollada y selección de artefactos que reemplazan aquellos que utilizan gas como fuente primaria de energía, se determinan los perfiles de carga para los usuarios electrointensivos. Posteriormente, se determina el perfil de consumo de cada carga especial para un nivel de penetración energética media, en la Figura 6 se pueden observar los resultados obtenidos para cada uno de los electrodomésticos seleccionados.

Tabla 3. Electrodomésticos seleccionados para el estudio.

Tabla 3. Electrodomésticos seleccionados para el estudio.

 

Figura 6. Perfiles de carga diarios para electrodomésticos típicos de usuarios residenciales

Figura 6. Perfiles de carga diarios para electrodomésticos típicos de usuarios residenciales

Usuarios residenciales convencionales
En función de los electrodomésticos identificados para URC, se construyen los perfiles de carga de estos para los meses designados de invierno y verano. En la Figura 7 y Figura 8 se pueden observar las curvas de carga diaria para un usuario convencional en los escenarios de invierno y verano respectivamente, estas, se obtienen con un paso de cálculo de 15 minutos.

Figura 7. Modelo de curva eléctrica residencial para un usuario convencional en invierno.

Figura 7.  Modelo de curva eléctrica residencial para un usuario convencional en invierno.

En Figura 7, se observa que la calefacción y la cocción de alimentos se realizan a través de la utilización del gas natural como fuente de energía. La curva de consumo eléctrico para un URC presenta una forma definida principalmente por el arranque y parada de la heladera. Se perciben picos de potencia alrededor de las 10:00 hs, donde funcionan un pequeño número de electrodomésticos como el lavarropas y el TV, equipo de música, una PC o equipos similares. El pico restante acontece a las 18:45 hs con el encendido de la plancha eléctrica y la TV o algunos de los electrodomésticos ya mencionados o pequeños artefactos como la planchita de pelo y/o secador de cabellos, entre otros.

Figura 8. Modelo de curva eléctrica residencial para un usuario convencional en verano.

Figura 8.  Modelo de curva eléctrica residencial para un usuario convencional en verano.

Del perfil de carga de verano de un URC que se presenta en la Figura 8, se observa que la potencia absorbida es mayor por la noche y en las primeras horas de la tarde con respecto a los escenarios de invierno, debido al funcionamiento del AA en modo frío y la implementación de ventiladores de techo/pie en diferentes horarios no coincidentes con el AA.
Cabe resaltar que, en todos los casos analizaos se utilizan luminarias de tipo LED cuyo funcionamiento no solo estará regido por los hábitos de las personas, sino también por el amanecer y puesta de sol en los escenarios de invierno y verano, con sus horarios correspondientes. Por tanto, es de esperar que las luminarias sean eficientes y estén semiautomatizadas en su funcionamiento.

Usuarios residenciales electrointensivos
En función de los modelos de las cargas eléctricas especiales definidos, se construyen los perfil de carga correspondiente al escenario de invierno y de verano, ver Figura 9 y Figura 10 respectivamente. En esta parte del estudio se asume la conversión total de URC a URE.
En ambos escenarios, se aprecia un pico de carga en horas de la madrugada, aproximadamente entre las 3:00 hs y las 4:15 hs, debido al funcionamiento del termotanque eléctrico para calefaccionar agua. Además, se destaca su aporte a los picos que se producen entre las 9:00 y 10:00 hs, 16:00 y 17:00 hs y el pico nocturno que se da en el horario de 20:15 a 21:30 hs.
Por otro lado, las crestas que se producen en horarios del almuerzo y cena se deben al consumo de energía eléctrica en función del reemplazo de cocinas a gas por cocinas de inducción y hornos eléctricos, sumados a pequeños electrodomésticos de cocina, TV más decodificador, entre otros.

Figura 9. Modelo del perfil de carga para usuarios electrointensivos en invierno.

Figura 9. Modelo del perfil de carga para usuarios electrointensivos en invierno.

Figura 10. Modelo del perfil de carga para usuarios electrointensivo en verano.

Figura 10.  Modelo del perfil de carga para usuarios electrointensivo en verano.

Resultados conversión electrointensiva – Análisis a nivel usuario residencial
En función del conocimiento de los diferentes escenarios de demanda de energía eléctrica descriptos por la Figura 7, Figura 8, Figura 9 y Figura 10, se confecciona la Tabla 4 que muestra el desagregado de la energía total consumida por los URC y URE. Esta discriminación de energías para cada escenario en su totalidad, siendo el escenario matutino solo un fragmento del escenario de resto de energía, se realiza con el fin de observar en detalle el impacto de cada usuario en proporción a la energía absorbida durante un día.
Se destacan incrementos de 615% de demanda de energía en el escenario de invierno y aproximadamente 170% en el de verano. La diferencia entre escenarios se debe principalmente a que en los meses más fríos del año se utilizan estufas y AA en modo calor, durante mayor tiempo por parte de los usuarios para poder lograr el confort deseado, equipamiento que posee un consumo de energético mayor comparado con otros electrodomésticos.

Tabla 4. Características de consumo energético de la conversión de URC a URE

Tabla 4.  Características de consumo energético de la conversión de URC a URE

Los siguientes gráficos en anillo muestran la repartición de energía en los diferentes períodos de demanda, tanto en invierno como verano; la Figura 11 indica el porcentaje de energía resultante para URC y la Figura 12 para usuarios electrointensivos.

Figura 11. Reparto de energía en los diferentes escenarios de demanda para URC.

Figura 11.  Reparto de energía en los diferentes escenarios de demanda para URC.

Figura 12. Reparto de energía en los diferentes escenarios de demanda para URE.

Figura 12.  Reparto de energía en los diferentes escenarios de demanda para URE.

Comparando la Figura 11 y Figura 12 se puede observar que los URE, ante la ausencia de gas natural, y/o equipos que la utilicen, sufren un aumento de energía considerablemente mayor en el escenario de invierno, de forma tal que en los períodos de pico y resto la energía alcanza una multiplicidad de 5 veces con respecto a un URC y en el período de valle una multiplicidad de 15 distribuidos según los hábitos de las personas. Esto sucede debido a que las mismas apelan al recurso energético eléctrico con el uso de AA y estufas eléctricas para satisfacer las necesidades térmicas del día y al termotanque eléctrico para brindar el servicio de agua caliente sanitaria (ACS).
Por otro lado, en el escenario de verano, estos valores son menores en multiplicidad, no así en unidades de energía, dado que el URC posee en funcionamiento un AA y la energía absorbida por los ventiladores de techo/pie, utilizados donde no hay AA, es despreciable frente al consumo de estufas eléctricas.
En la Figura 13 se presenta la participación en el pico de consumo de los distintos electrodomésticos presentes en un hogar para URC, estimados en proporción a la energía absorbida en un día hábil de la semana.

Figura 13. Reparto del consumo energético de las diferentes cargas existentes para URC

Figura 13.  Reparto del consumo energético de las diferentes cargas existentes para URC.

Como la energía absorbida por los electrodomésticos no varía de un URC a un URE, un porcentaje de participación de la heladera que alcanza el 40 % para un URC, absorberá la misma energía que un URE con una participación de aproximadamente el 7%.
Los gráficos de la Figura 13, demuestran que para un URC, en época de invierno, el mayor porcentaje de participación corresponde a la heladera con un 40 %, seguidamente se encuentra la participación de “otros”, compuesto por el microondas, minicomponente y pequeños electrodomésticos tales como el secador de cabello, planchita de pelo, cafetera y licuadora, y en tercer lugar se encuentran la iluminación y equipos informáticos. De los dos primeros, la heladera es la que posee el primer lugar dado su consumo eléctrico intermitente de baja potencia durante toda su conexión a la red, mientras que “otros” representa potencias de consumo elevadas durante breves períodos de tiempo. En aspectos de potencia máxima, el pico en este escenario pertenece a la plancha eléctrica, cuyo porcentaje de participación responde al 6% para un uso durante la tarde de 15 minutos.
En lo que respecta al escenario de verano, para URC, la heladera pasa a tener el segundo puesto con un porcentaje de participación del 13%, mientras que el AA presenta el mayor consumo de energía (aproximadamente 70% de 26,51 kWh), siendo también el equipo que contribuye significativamente al pico de demanda en los períodos que esta encendido, con una magnitud total de 3,17 [kW]. Además, se le suma un 2% de participación del ventilador, cuyo equivalente térmico, la estufa eléctrica no está en invierno, ya que en esta ocasión se evaluó al usuario cuya calefacción la obtiene exclusivamente mediante gas natural.

En la Figura 14 se presenta la participación en el pico de consumo de los electrodomésticos presentes en un hogar para URE, estimados en proporción a la energía absorbida en un día hábil de la semana. De las gráficas se puede observar que, en el escenario de invierno, además de presentar un gran consumo eléctrico, se advierte que tanto el AA como el termotanque eléctrico representan el 34% y 32% de participación respectivamente, convirtiéndose en las demandas principales, que contribuyen a los picos del sistema en los diferentes horarios en que funcionan.

Figura 14. Reparto del consumo energético de las diferentes cargas existentes para URE

Figura 14. Reparto del consumo energético de las diferentes cargas existentes para URE

En cuanto a la placa de inducción y el lavavajillas, participan con un porcentaje del orden del 5 % con una energía promedio de 2,8 kWh, y si bien los equipos funcionan uno seguido al otro durante las principales comidas del día, aportan dos nuevos picos de potencia que el URCno poseía y ahora la red tendrá que suplir. Por otro lado, el lavavajillas posee características energéticas tales que resulta inevitable su funcionamiento a potencia máxima, independientemente del tipo de programa de operación utilizado (normal, ECO, intensivo, rápido) (Gargallo, 2018), dando como resultado solo el control indirecto por medio de la programación que ajuste el usuario con respecto al horario de funcionamiento del equipo, según las premisas de lograr el desplazamiento del escenario de pico al de valle de demanda.
En el escenario de verano, el URE presenta nuevos picos de potencia, con una fuerte disminución de consumo energético en la refrigeración, ya que sustituye la estufa eléctrica en invierno por el ventilador, y también un acortamiento del tiempo de funcionamiento del termotanque durante el día ya que las temperaturas de entrada del agua son superiores que, en invierno, constituyendo un ahorro de 8,50 kWh entre ambos escenarios.
En la Figura 15 y Figura 16 se observa el contraste de ambos tipos de usuarios residenciales, donde el termotanque es el agente intensificador de los picos en el perfil de carga, alcanzando valores próximos a 2 veces el pico base del sistema (3,04 kW, ver Figura 16) durante la madrugada y un 60% superior a las 20:30 hs en verano, y valores del orden de 2,6 veces (aproximadamente 2,30 kW) el valor base del URC en invierno en varias ocasiones durante el día.

Impactos sobre la red de distribución primaria – Análisis de la conversión de URC a URE
De las distintas simulaciones realizadas en el software Neplan, se determina que los alimentadores del CD provenientes del CD Santa Fe Oeste presentan niveles de cargabilidad similares debido a que poseen características técnicas idénticas, no llegando a sobrecargarse (50,6% de carga para el pico de demanda). Por otro lado, el distribuidor Mendoza es el que aporta casi la totalidad de carga de los alimentadores, en efecto, es el que mayor participación tiene en la totalidad de potencia a transmitir por estos, ya que es el que mayor número de usuarios posee conectado a través de las distintas SET que lo componen.

Figura 15. Comparación de demanda energética para URC y URE para un día hábil de la semana con inserción simultanea de equipos especiales en escenario invierno.

Figura 15. Comparación de demanda energética para URC y URE para un día hábil de la semana con inserción simultanea de equipos especiales en escenario invierno.

 

Figura 16. Comparación de demanda energética para URC y URE para un día hábil de la semana con inserción simultanea de equipos especiales en escenario verano.

Figura 16. Comparación de demanda energética para URC y URE para un día hábil de la semana con inserción simultanea de equipos especiales en escenario verano.

En la Figura 17 representan las contribuciones de los usuarios convencionales y electrointensivos para el distribuidor más sobrecargado de todos los analizados. Se advierte que de aquí en adelante se analiza específicamente las contribuciones de las distintas cargas especiales en este distribuidor, ya que en los otros su impacto es el mismo, pero con menor amplitud.
En ambos escenarios se visualiza que el perfil de carga se encuentra siempre por encima del perfil base del distribuidor, exceptuándose en el escenario de verano a las 6:15 hs (duración 15 minutos) y en invierno de 07:15 a 07:45 hs, donde los perfiles son sensiblemente semejantes, esto es debido a la casi nula utilización de cargas electrointensivas.
Para el escenario de verano, en la Figura 17, se visualizan dos picos pronunciados de consumo que coinciden con los funcionamientos del termotanque con el AA o la cocina de inducción, como el pico de corriente originado a las 20:30 hs de 184 A (65,7% de capacidad de línea) en el horario de la cena y el pico de corriente a las 03:15 hs, el cual produce un incremento de la cargabilidad de la línea al 84%, siendo esta la máxima registrada durante el día, dejando entrever la amplia diferencia de pico de corriente del distribuidor y su corriente media de operación. De esta manera se obtienen dos picos nocturnos debido especialmente al termotanque, el primero de 02:30 a 04:30 hs y el segundo en el horario de 19:00 a 21:30 hs.Se destacan incrementos en la cargabilidaddel distribuidor del orden del 17% en el horario del almuerzo y cena debido a la inserción de la cocina de inducción. En lo referente al lavavajillas presenta grandes aportes al pico de corriente en horario nocturno, con máximos incrementos de 24% respecto del URC en ambos escenarios, siendo el escenario de invierno el que se lleva la mayor porción con una cargabilidad total del orden del 71%.

Figura 17. Aporte de cargas eléctricas especiales en distribuidor Mendoza.

Figura 17.  Aporte de cargas eléctricas especiales en distribuidor Mendoza.

La inserción del AA ON/OFF en el escenario de invierno (uso en modo calor) presenta importantes incrementos en la cargabilidad del distribuidor por largos períodos de tiempo. En contraste con el escenario de verano, la influencia del termotanque en la red es superior en amplitud y extensión de funcionamiento, debido a que la temperatura del agua de entrada en el escenario de invierno es notablemente inferior con respecto al verano, incrementándose los tiempos de funcionamiento en los horarios de picos de potencia matutino y nocturno. Estos cambios en la operación generan que los equipos de los distintos usuarios se superpongan durante un tiempo mayor, dando como resultados picos con crestas superiores.
En la Figura 18 se representan las características técnicas en ambos escenarios, donde se destaca que en ellos hay dos distribuidores que poseen una cargabilidad superior al 50% admitido por los mismos, como regla general para tomar acción correctiva y evitar la disminución de la calidad del servicio y producto técnico de la red.

Figura 18. Cargabilidad y tensión mínima admisible para URC y URE para ambos escenarios.

Figura 18. Cargabilidad y tensión mínima admisible para URC y URE para ambos escenarios.

En la Figura 19 se presentan los factores de carga (FC) para ambos escenarios y en la Figura 20los factores de pico para URE. Se presentan aumentos en un rango que oscila entre 0% a 26%, tanto en el escenario de invierno como en el de verano con respecto a los FCpara URC, siendo el que presenta los mejores indicadores de FC y FP el distribuidor Crespo con un mayor aprovechamiento y una menor contribución a la corriente de pico del distribuidor en el escenario de verano, ver Figura 20. Asimismo, se observa un importante incremento de la potencia media del orden del 77% en cada distribuidor respecto a su potencia media base, en el escenario de invierno, y del orden del 46% en verano. Se advierte que el distribuidor Mendoza presenta los niveles más elevados de FP, lo que representa incrementos de la demanda de pico en un 400%, seguido por el distribuidor Tucumán con un aumento del 370% y los dos restantes con valores superiores al 300% en el escenario de invierno, mientras que en el escenario de verano los efectos son significativamente menores, siendo el de mayor aporte al pico del sistema el producido en el distribuidor Mendoza, 86% respecto a la máxima potencia para escenarios con URC.

Figura 19. Factores de carga para URC vs URE para ambos escenarios de demanda

Figura 19. Factores de carga para URC vs URE para ambos escenarios de demanda.

 

Figura 20. Factores de pico resultantes de la conversión de URC a URE.

Figura 20. Factores de pico resultantes de la conversión de URC a URE.

 

CONCLUSIONES

De los resultados de los estudios de sensibilidad ante la conversión de los URC a URE, se puede inferir en que, la inserción conjunta de las cargas especiales presenta un aumento considerable en la potencia media operada por la red, siendo el escenario de invierno el más crítico. En ambos escenarios se alcanzan niveles de sobrecargas en dos de los distribuidores, requiriéndose nuevas configuraciones de red, a fin de transferir demanda a los distribuidores adyacentes, y en caso de no ser posible, considerar nuevas obras de distribución que permitan incrementar la capacidad remanente del sistema a los fines de lograr el abastecimiento de la demanda adicional correspondiente a cargas eléctricas especiales que sustituyen equipos gasodomésticos.
En lo referente a indicadores de desempeño de operación de la red, tales como el FC y FP, es dable destacar que la inserción de cargas eléctricas especiales implica, en parte, una desmejora del sistema de distribución; presentando por un lado, en términos energéticos, un aumento del porcentaje de aprovechamiento de las instalaciones en ambos escenarios, dado que los FC son ligeramente superiores al que poseían los URC, debido al impacto de forma significativa en horarios donde antes no había tanta influencia de los electrodomésticos. Sin embargo, el FP se incrementó en valores superiores al 350%, llegando a valores máximos de 400% en invierno y del orden del 86% en verano, lo cual deja entrever que la mejora del FC implica que la potencia media creciera de forma proporcional al crecimiento de las demandas máximas del sistema, con lo cual, el notable incremento de las potencias máximas de operación de los distribuidores superan al beneficio del aprovechamiento de los mismos, ya que agotan prematuramente la capacidad remanente de la red y a su vez incrementan al límite térmico admisible los electroductos, dando como resultado incrementos notorios en las perdidas de energía en la red.
Si bien es posible la conversión de URC a URE, dependiendo de la situación socio económica de cada usuario, es de destacar que sin la implementación correcta de estrategias de gestión de la demanda tanto del lado usuario como de la red de distribución, no es asequible este cambio debido a las restricciones impuestas por las condiciones actuales de operación de los distribuidores.

REFERENCIAS

CARBAJAL AZCONDA A, (2017). Ingestas recomendadas de energía y nutrientes. Departamento de Nutrición, Facultad de Farmacia, Universidad Complutense de Madrid. España. Páginas 1-15.
Compañía Administradora del Mercado Mayorista Eléctrico S.A. [CAMMESA]. (2011). Anexo 27: Reglamentación aplicable a la prestación adicional de la función técnica de transporte de energía eléctrica firme en el mercado eléctrico mayorista. Ciudad Autónoma de Buenos Aires. Páginas 1-12.
Ente Nacional Regulador de la Electricidad [ENRE], (2019). “Consumo indicativo de algunos artefactos eléctricos”. Argentina. Disponible en: https://www.argentina.gob.ar/energia/ahorro-y-eficiencia-energetica/archivo/informacion-tecnica-de-interes/consumos-promedio-por-artefacto-orden-alfabetico. (Ultima fecha de acceso: 01/08/2019).
Información técnica de Vitrocerámicas, Bosch Electrodomésticos (2019) España. Disponible en: https://www.bosch-home.es/catalogo-electrodomesticos/cocina/placas/vitroceramicas. (Ultima fecha de acceso: 01/09/2019).
GARGALLO TATAY A, (2018). Medición y análisis del consumo energético de energía eléctrica en los receptores domésticos en condiciones reales de funcionamiento: Aplicación a una vivienda unifamiliar. Universidad Politécnica de Valencia. España. Páginas 1-100.
Manual del usuario Placa de Inducción 7400 W Bosch, Bosch Electrodomésticos (2019) España. Disponible en: https://www.bosch-home.es/catalogo-electrodomesticos/cocina/placas/induccion (Ultima fecha de acceso: 01/09/2019).
Mercado Eléctrico Mayorista (2002). Secretaría de Energía. Argentina
Ministerio de Energía y Minería y Ministerio de Producción. Presidencia de la Nación. (2017). Resolución Conjunta 1-E/2017. Argentina.
Ministerio de Salud, Presidencia de la Nación, (2016).“Guías alimentarias para la población argentina”. Buenos Aires, Argentina.

 

1 La celda izquierda representa tanto el nivel de potencia, potencia de foco y tiempo de funcionamiento para la zona A y la derecha para la zona Flex.
2 Potencia a ingresar a Neplan para efectuar simulación.

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