EVALUACIÓN DE EFICIENCIA ENERGÉTICA EN UN CONJUNTO...

EVALUACIÓN DE EFICIENCIA ENERGÉTICA EN UN

CONJUNTO RESIDENCIAL CON LA ENTRADA MASIVA

DE VEHÍCULOS ELÉCTRICOS

SANDRA MILENA ARIAS ZORRO

EDWIN GERMÁN SUÁREZ FERRO

UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS FACULTAD DE INGENIERÍA

PROYECTO CURRICULAR INGENIERÍA ELÉCTRICA GRUPO DE COMPATIBILIDAD E INTERFERENCIA ELECTROMAGNÉTICA

(GCEM) BOGOTÁ D.C.

2016

EVALUACIÓN DE EFICIENCIA ENERGÉTICA EN UN

CONJUNTO RESIDENCIAL CON LA ENTRADA MASIVA

DE VEHÍCULOS ELÉCTRICOS

SANDRA MILENA ARIAS ZORRO EDWIN GERMÁN SUÁREZ FERRO

Trabajo de grado presentado como requisito para optar al título de: INGENIERO ELÉCTRICO

DIRECTOR: Francisco Santamaria Piedrahita I.E., M.Sc, Ph.D

Línea de Investigación: Vehículos Eléctricos

Grupo de Investigación:

Grupo de Compatibilidad e Interferencia Electromagnética (GCEM-UD)

UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS FACULTAD DE INGENIERÍA

PROYECTO CURRICULAR INGENIERÍA ELÉCTRICA BOGOTÁ D.C.

2016

DEDICATORIAS

A Dios principalmente por brindarnos la oportunidad de cumplir esta

meta y culminar nuestra etapa académica. A nuestros padres por

su apoyo incondicional en todo el proceso, por su amor y consejos

y por brindarnos siempre una palabra de aliento. A nuestros

hermanos por su comprensión y compañía en este camino y demás

personas que hicieron parte de este sueño.

“Mira que te mando que te esfuerces y seas valiente;

no temas ni desmayes, porque Jehová tu Dios estará

contigo en dondequiera que vayas.” Josué 1:9

AGRADECIMIENTOS

A nuestro director, el ingeniero Francisco Santamaría por poner a

disposición de este proyecto su tiempo y conocimientos,

guiándonos y enseñándonos con excelencia en todo el proceso. A

los demás profesores que nos brindaron sus conocimientos en cada

una de las asignaturas de la carrera.

RESUMEN

El proyecto contemplado realiza un estudio en el marco de eficiencia energética, a

través de indicadores que permiten analizar su comportamiento. Para realizar la

selección de los indicadores, se lleva a cabo un procedimiento que permite

identificar cuáles de ellos generan más impacto frente al consumo de energía

eléctrica, incremento en costos y emisiones de gases contaminantes, al hacer el

análisis en el sector residencial.

A continuación, se establece un caso de estudio identificando el estado actual de

un conjunto residencial, y estableciendo escenarios de entrada de vehículos

eléctricos e incluyendo un modelo probabilístico para el porcentaje de carga de las

baterías.

Tras este proceso, se identifican los problemas presentes en el conjunto residencial

a partir de la evaluación de los indicadores, y se procede a elaborar un plan de

acción en función del aumento de la eficiencia energética.

ACRÓNIMOS Y SIGLAS

Abreviatura Término

AEMA Agencia Europea de Medio Ambiente

CO2 Dióxido de carbono

EE Eficiencia Energética

FNCE Fuentes no convencionales de energía

GEI Gases de efecto invernadero

ICLEI Local Governments for Sustainability

IDAE Instituto para la Diversificación y Ahorro de la Energía

IEA International Energy Agency (Agencia Internacional de Energía)

IEC Comisión Electrotécnica Internacional

IE International Efficiency (Para motores de corriente alterna y baja

potencia)

IE2 Eficiencia Alta

IE3 Eficiencia Premium

MMA Ministerio de Medio Ambiente Español

OECD Organisation for Economic Co-operation and Development

PROURE Programa de Uso Racional y Eficiente de la Energía

RETIE Reglamento Técnico de Instalaciones Eléctricas

RETIQ Reglamento Técnico de Etiquetado

URE Uso Racional de la Energía

VE Vehículos Eléctricos

CONTENIDO

CAPITULO 1 _____________________________________________________ 1

INTRODUCCIÓN __________________________________________________ 1

1.1 Objetivos ______________________________________________________________ 4

Objetivo general ________________________________________________________ 4

Objetivos específicos _____________________________________________________ 4

1.2 Estructura del trabajo de grado _____________________________________________ 4

CAPITULO 2 _____________________________________________________ 5

EFICIENCIA ENERGÉTICA E INDICADORES ___________________________ 5

2.1 Eficiencia energética _____________________________________________________ 5

2.2 Indicadores de eficiencia energética _________________________________________ 7

Indicadores ambientales __________________________________________________ 8

Indicadores Económicos __________________________________________________ 9

Indicadores Técnicos _____________________________________________________ 9

2.3 Selección de indicadores _________________________________________________ 10

Criterios de selección considerados ________________________________________ 11

Condiciones para la selección de los indicadores _____________________________ 12

Análisis y selección _____________________________________________________ 13

2.4 Formulación de indicadores de eficiencia energética ___________________________ 18

Formulación indicadores eje técnico ________________________________________ 19

Formulación indicadores eje ambiental ______________________________________ 20

Formulación indicadores eje económico _____________________________________ 22

2.5 Conclusiones del capítulo ________________________________________________ 23

CAPITULO 3 ____________________________________________________ 25

CASO DE ESTUDIO Y ESCENARIOS DE ENTRADA DE VE ______________ 25

3.1 Caso de estudio ________________________________________________________ 25

Datos conjunto residencial _______________________________________________ 25

Protocolo de mediciones _________________________________________________ 25

Síntesis de la información ________________________________________________ 27

3.2 Vehículos eléctricos _____________________________________________________ 32

Recarga del VE ________________________________________________________ 32

Descripción del modelo de VE ____________________________________________ 33

3.3 Escenarios de entrada de Vehículos Eléctricos _______________________________ 35

Modelo probabilístico para la demanda del VE _______________________________ 35

Recarga de las baterías _________________________________________________ 39

Resultados del modelo implementado ______________________________________ 41


CAPITULO 4 ____________________________________________________ 47

EVALUACIÓN DE LA EFICIENCIA ENERGÉTICA ______________________ 47

4.1 Descripción del procedimiento ____________________________________________ 47

4.2 Evaluación de la eficiencia energética para el eje técnico _______________________ 48

Indicador ECU _________________________________________________________ 48

Indicador ECAT ________________________________________________________ 49

Indicador CEPVE ______________________________________________________ 50

4.3 Evaluación de eficiencia energética para el eje ambiental _______________________ 51

Indicador ECOU _______________________________________________________ 51

Indicador DEVE ________________________________________________________ 52

4.4 Evaluación de la eficiencia energética para el eje económico ____________________ 55

Indicador CEAT ________________________________________________________ 55

Reducción de costos en gasolina por el cambio de vehículo convencional a VE. _____ 56

4.5 Conclusión del capítulo __________________________________________________ 58

CAPITULO 5 ____________________________________________________ 60

PLAN DE MEJORA DE LA EFICIENCIA ENERGÉTICA __________________ 60

5.1 Planes de mejora ______________________________________________________ 60

Programas de concientización y buenas prácticas para el ahorro de energía ________ 63

Sustitución tecnológica __________________________________________________ 65

5.2 Ejecución de planes de mejora ____________________________________________ 66

Procedimiento _________________________________________________________ 69

Caso 1: Para un usuario que sustituya la lavadora, la nevera, ducha eléctrica y 80% de

luminarias por iluminación led. ____________________________________________________ 71

5.3 Evaluación de la eficiencia energética implementando planes de mejora ___________ 77

Evaluación eje técnico con planes de mejora _________________________________ 77

Evaluación eje ambiental con planes de mejora _______________________________ 79

Evaluación eje económico con planes de mejora ______________________________ 80


CONCLUSIONES ________________________________________________ 83

REFERENCIAS __________________________________________________ 85

ANEXO A ________________________________________________________ I

CARACTERÍSTICAS TÉCNICAS PQA 824 _____________________________ I

ANEXO B _______________________________________________________ III

RESULTADOS DE INDICADORES CON PLANES DE MEJORA ___________ III

ANEXO C ________________________________________________________ V

EVENTO _________________________________________________________ V

PUBLICACIÓN ____________________________________________________ V

ANEXO D _______________________________________________________ VI

TRABAJOS FUTUROS ____________________________________________ VI

~ I ~

ÍNDICE DE TABLAS

TABLA 2-1 ANÁLISIS PARA SELECCIÓN INDICADORES EJE TÉCNICO __________________________________________ 14

TABLA 2-2 ANÁLISIS PARA SELECCIÓN INDICADORES EJE AMBIENTAL ________________________________________ 16

TABLA 2-3 ANÁLISIS PARA SELECCIÓN INDICADORES EJE ECONÓMICO ________________________________________ 18

TABLA 2-4 DOCUMENTACIÓN INDICADORES. ADAPTADA DE [35] __________________________________________ 19

TABLA 2-5 FICHA INDICADOR ENERGÍA CONSUMIDA POR USUARIO _________________________________________ 19

TABLA 2-6 FICHA INDICADOR ENERGÍA CONSUMIDA POR PORCENTAJE DE ENTRADA DE VE _________________________ 20

TABLA 2-7 FICHA INDICADOR ENERGÍA CONSUMIDA POR ÁREA TOTAL _______________________________________ 20

TABLA 2-8 FACTOR DE EMISIÓN [30, 38, 39] _______________________________________________________ 21

TABLA 2-9 FICHA INDICADOR EMISIONES DE CO2 POR USUARIO ___________________________________________ 21

TABLA 2-10 FICHA INDICADOR DISMINUCIÓN DE CO2 POR PORCENTAJE DE ENTRADA DE VE. ________________________ 22

TABLA 2-11 FICHA INDICADOR COSTOS DE ENERGÍA POR ÁREA TOTAL. _______________________________________ 22

TABLA 3-1 PASOS PARA DETERMINAR EL CASO BASE POR USUARIO. _________________________________________ 28

TABLA 3-2 PASOS PARA DETERMINAR EL CONSUMO DE LAS ZONAS COMUNES.__________________________________ 30

TABLA 3-3 POTENCIA PROMEDIO ZONAS COMUNES POR FRANJAS HORARIAS. __________________________________ 30

TABLA 3-4 NIVELES DE RECARGA DE VE. ADAPTADA DE [43]. ____________________________________________ 33

TABLA 3-5 CARACTERÍSTICAS VEHÍCULO ELÉCTRICO I-MIEV MITSUBISHI. TOMADA DE [43, 52] _____________________ 34

TABLA 3-6 PARÁMETROS DE LA BATERÍA DEL VEHÍCULO ELÉCTRICO I-MIEV DE MITSUBISHI. ADAPTADA DE [42, 50] _______ 35

TABLA 4-1 RESULTADOS INDICADOR ECU __________________________________________________________ 48

TABLA 4-2 RESULTADOS INDICADOR ECAT _________________________________________________________ 49

TABLA 4-3 RESULTADOS INDICADOR CEPVE ________________________________________________________ 50

TABLA 4-4 RESULTADOS INDICADOR ECOU ________________________________________________________ 51

TABLA 4-5 RESULTADOS EMISIONES DE CO2 DE VEHÍCULOS CONVENCIONALES Y DE RECARGA DE VE, PARA CADA ESCENARIO __ 54

TABLA 4-6 RESULTADOS INDICADOR DEVE _________________________________________________________ 54

TABLA 4-7 RESULTADOS INDICADOR CEAT _________________________________________________________ 55

TABLA 4-8 COSTOS EN GASOLINA POR VEHÍCULO CONVENCIONAL EN CADA ESCENARIO ____________________________ 56

TABLA 4-9 COSTOS POR RECARGA DE CADA VE ______________________________________________________ 57

TABLA 4-10 AHORRO EN COMPRA DE COMBUSTIBLE POR CADA PORCENTAJE DE ENTRADA DE VE. ____________________ 57

TABLA 4-11 TIEMPO DE RETORNO DE LA INVERSIÓN SI SE REALIZA CAMBIO DE VEHÍCULO. __________________________ 58

TABLA 5-1 ELECTRODOMÉSTICOS SUSTITUCIÓN TECNOLÓGICA ____________________________________________ 69

TABLA 5-2 RESUMEN RESULTADOS DE PLANES DE MEJORA PARA CASO 1 _____________________________________ 74

TABLA 5-3 RESUMEN RESULTADOS DE LOS CASOS 2 AL 5 ________________________________________________ 76

~ II ~

ÍNDICE DE FIGURAS

FIGURA 2-1 ALGUNAS VENTAJAS DE LA EFICIENCIA ENERGÉTICA. ADAPTADA DE [27] _______________________________ 7

FIGURA 2-2 CARACTERÍSTICAS DE UN INDICADOR PARA QUE SEA EFICIENTE Y CONFIABLE. ADAPTADA DE [30] ______________ 8

FIGURA 2-3 INDICADORES PRESELECCIONADOS. _______________________________________________________ 10

FIGURA 2-4 CRITERIOS BÁSICOS PARA LA SELECCIÓN DE INDICADORES ________________________________________ 11

FIGURA 2-5 CRITERIOS PROPIOS DE SELECCIÓN DE INDICADORES ____________________________________________ 12

FIGURA 2-6 ESTRUCTURA PROPUESTA PARA SELECCIÓN DE INDICADORES POR MEDIO DE LOS CRITERIOS BÁSICOS Y PROPIOS. ___ 12

FIGURA 2-7 DIAGRAMA DE FLUJO PARA SELECCIÓN DE INDICADORES _________________________________________ 13

FIGURA 2-8 INDICADORES SELECCIONADOS PARA EL EJE TÉCNICO. ___________________________________________ 15

FIGURA 2-9 INDICADORES SELECCIONADOS PARA EL EJE AMBIENTAL. _________________________________________ 17

FIGURA 2-10 INDICADORES SELECCIONADOS _________________________________________________________ 18

FIGURA 3-1 CONFIGURACIÓN ANALIZADOR DE RED PQA824, PARA MODO MONOFÁSICO Y MODO TRIFÁSICO. ____________ 26

FIGURA 3-2 CURVA DEL CASO BASE POR USUARIO _____________________________________________________ 28

FIGURA 3-3 RESUMEN DEL PROCESO PARA DETERMINAR EL CASO BASE DEL CONJUNTO ____________________________ 31

FIGURA 3-4 CASO BASE DEL CONJUNTO RESIDENCIAL ___________________________________________________ 31

FIGURA 3-5 FACTORES NECESARIOS PARA LA GENERACIÓN DEL MODELO PROBABILÍSTICO PARA LA DEMANDA DEL VE [50]. ____ 36

FIGURA 3-6 MODELO PROBABILÍSTICO PARA LA DEMANDA DEL VE, ADAPTADA DE [42] ____________________________ 37

FIGURA 3-7 DISTRIBUCIÓN HORARIA DE LOS VIAJES DE REGRESO A CASA PARA LOS VEHÍCULOS PARTICULARES, TOMADA DE [42,

56]. _______________________________________________________________________________ 38

FIGURA 3-8 EJEMPLOS DE CURVAS DE CARGA PARA CADA PORCENTAJE DE ENTRADA DE VE AL CONJUNTO RESIDENCIAL. ______ 38

FIGURA 3-9 CURVA DE CONSUMO DE POTENCIA, CON UNA DESCARGA DEL 85% Y UNA VELOCIDAD DE CARGA DE 0.2C _______ 40

FIGURA 3-10 CURVAS DE POTENCIA DE LAS 100 SIMULACIONES PARA EL 30% DE ENTRADA DE VE ____________________ 41

FIGURA 3-11 DISPERSIÓN DE DATOS DE LA ENERGÍA A PARTIR DE LAS SIMULACIONES Y ENERGÍA PROMEDIO. ______________ 42





FIGURA 4-1 PROCESO EVALUACIÓN DE INDICADORES ___________________________________________________ 47

FIGURA 4-2 RESULTADOS GRÁFICOS INDICADOR ECU ___________________________________________________ 48

FIGURA 4-3 RESULTADOS GRÁFICOS INDICADOR ECAT __________________________________________________ 49

FIGURA 4-4 RESULTADOS GRÁFICOS INDICADOR CEPVE _________________________________________________ 50

FIGURA 4-5 RESULTADOS GRÁFICOS INDICADOR ECOU _________________________________________________ 51

FIGURA 4-6 MARCAS Y MODELOS MÁS VENDIDOS EN COLOMBIA [62] _______________________________________ 52

FIGURA 4-7 RESULTADOS GRÁFICOS INDICADOR DEVE __________________________________________________ 54

~ III ~

FIGURA 4-8 RESULTADOS GRÁFICOS INDICADOR CEAT, EN MILES DE PESOS Y MILLONES DE PESOS, RESPECTIVAMENTE. ______ 55

FIGURA 5-1 ESCALA DE ETIQUETADO ENERGÉTICO, ADAPTADA DE [68, 70]. ___________________________________ 61

FIGURA 5-2 BUENAS PRÁCTICAS PARA EL AHORRO DE ENERGÍA [67, 73] _____________________________________ 64

FIGURA 5-3 ETIQUETA DE EQUIPOS Y ELECTRODOMÉSTICOS, TOMADA DE [70]. _________________________________ 65

FIGURA 5-4 ELECTRODOMÉSTICOS MÁS COMUNES, DETERMINADOS POR LAS ENCUESTAS __________________________ 67

FIGURA 5-5 ETIQUETA EE PARA CAMBIO DE LAVADORA _________________________________________________ 68

FIGURA 5-6 ETIQUETA DE EE PARA CAMBIO DE NEVERA ________________________________________________ 69

FIGURA 5-7 CONSUMO DE ENERGÍA DEBIDO A CARGAS RESIDENCIALES CON SUSTITUCIÓN DE ELECTRODOMÉSTICOS _________ 72

FIGURA 5-8 ELECTRODOMÉSTICOS QUE NO SON SUSTITUIDOS Y SU CONSUMO DE ENERGÍA _________________________ 73

FIGURA 5-9 RESULTADOS INDICADOR ECU CON PLANES DE MEJORA. ________________________________________ 78

FIGURA 5-10 RESULTADOS INDICADOR ECAT _______________________________________________________ 78

FIGURA 5-11 RESULTADOS PARA EL EJE AMBIENTAL ___________________________________________________ 79

FIGURA 5-12 RESULTADOS EJE ECONÓMICO ________________________________________________________ 80

1

CAPITULO 1

INTRODUCCIÓN

La creciente preocupación por el uso de combustibles fósiles y el impacto negativo

que estos generan en el medio ambiente, la dilapidación de energía y la seguridad

del servicio, han forzado a los gobiernos, comunidades científicas y académicas, y

demás organizaciones a generar nuevas estrategias para contrarrestar estos

efectos [1].

No es una opción seguir involucrando las centrales térmicas ya que producen gran

cantidad de emisiones de CO2 [2]; tampoco las grandes centrales hidroeléctricas,

debido al impacto social y ambiental que causan, ya que se involucra la desaparición

de fauna, flora y grandes extensiones de los ecosistemas, además de

desplazamiento de comunidades [3]. En este sentido, como estrategias se propone

la eficiencia energética (EE), ya que ésta presenta beneficios económicos y

ambientales, además de la facilidad para disponer de ella [1], y el uso intensivo de

tecnología limpia, que es considerado uno de los mecanismos de gran importancia

para la disminución de gases contaminantes que van a la atmosfera [4].

Uno de los sectores más influyentes para acrecentar esta preocupación es el de

transporte, debido al uso desmedido de recursos no renovables y al aumento de las

emisiones de CO2. Según la Agencia internacional de Energía (IEA, International

Energy Agency), en 2014, las emisiones de los países que conforman la OECD, un

total de 32 países, entre los que se encuentran los más desarrollados, determinaron

que los gases de efecto invernadero (GEI) que se atribuyen al transporte alcanzaron

el 29 % de las emisiones [5]. Bajo ésta tendencia, se pronostica que éstas lleguen

al 40 % en el año 2035 [6]. Por tal motivo, es común escuchar acerca del cambio de

motores de combustión por motores eléctricos y de alta eficiencia de los tipos IE2 e

IE3 como parte de la solución [7, 8], los cuales están llamados a reemplazar

2

gradualmente los vehículos convencionales por Vehículos Eléctricos (VE) e

Híbridos que no generen emisiones de CO2 directamente [7].

Países como España [9, 10], Alemania, Países bajos, Suecia, Italia, entre otros [11],

han presentado grandes avances en la investigación y desarrollo de un nuevo

modelo de energía en el que se involucran energías renovables, modelos para la

carga de VE, gestión y eficiencia energética, con base en la mejora de los sistemas

actuales e implementación de nuevas tecnologías [12]. Todo con el fin de ayudar a

disminuir los índices de emisiones contaminantes a la atmósfera y el consumo

masivo de combustibles fósiles [12].

En Colombia, se están promoviendo leyes que permiten la llegada de nuevas

tecnologías de tipo no convencional, tanto para el sector de transporte como para

la generación de energía eléctrica [13, 14]; además de Programas para Uso

Racional y Eficiente de la Energía (PROURE) que permiten el ingreso del concepto

de eficiencia energética (EE) en el sector eléctrico nacional.

Colombia también ha sufrido los efectos del cambio climático; se han presentado

fenómenos cruciales que han desencadenado crisis energéticas: una de gran

magnitud en el año 1992, la cual fue causada por el fenómeno del niño que ocasionó

sequias en las hidroeléctricas del país [15]. En dicha ocasión, el gobierno decidió

como plan de contingencia implementar el racionamiento de energía [15, 16, 17].

Así mismo, hacer cambios de los horarios laborales para cambiar los patrones de

consumo y obtener un ahorro energético [16]. De otro lado, durante los años 2015

y 2016 se presentó de nuevo el fenómeno del niño, el cual ocasionó que en el año

2016 se crearan planes de acción como incentivos económicos en las facturas de

energía y multas por consumo excesivo de energía, además de fuertes campañas

educativas a través de medios de comunicación. Todo esto, con el fin de que los

sectores residencial, comercial e industrial, alcanzaran una meta de ahorro

energético nacional del 5% [18].

Casos como los expuestos muestran la importancia de los diferentes estudios

realizados en temas de ahorro y EE [19], ingreso e implementación de nuevas

3

tecnologías y energías renovables [20], impactos en el sistema eléctrico con la

entrada de nuevas tecnologías incluyendo los VE [21, 22], implementación de

indicadores [23], entre otros. Todo esto con el fin de potenciar el ahorro en todos los

sectores de consumo de energía eléctrica para evitar nuevas emergencias.

Los resultados de estos estudios previos son la base para el desarrollo de

soluciones específicas que permitan la incorporación de Fuentes No

Convencionales de Energía (FNCE) y VE, sin afectar la operación, calidad y

confiabilidad del sistema de distribución.

Por otra parte, es necesario estudiar los efectos, positivos y negativos, que la

incorporación de estas tecnologías puede tener en la EE de los sistemas eléctricos

a nivel de distribución y a nivel de los usuarios finales. Por tales razones, el sector

residencial se convierte en fuente principal de estudio, puesto que se estima un

aumento progresivo de la carga, teniendo en cuenta los distintos escenarios para la

llegada del VE [21], afectando ciertos parámetros del sistema definidos a través de

indicadores comúnmente utilizados en usos finales, dando la posibilidad de

observar el comportamiento y establecer acciones que permitan mejorar los índices

de eficiencia.

Es así como esta investigación aborda un caso de estudio en un conjunto residencial

de la ciudad de Bogotá con diferentes escenarios de entrada de VE, con el fin de

determinar el efecto causado en los indicadores de eficiencia energética y así

establecer un plan de acción para contrarrestar efectos negativos que se

encontraron en el estudio.

4

1.1 Objetivos

Objetivo general

Evaluar el efecto de la entrada de Vehículos Eléctricos (VE) sobre los indicadores

de eficiencia energética en un conjunto residencial.

Objetivos específicos

Determinar los indicadores de eficiencia energética necesarios para el caso

de estudio, que permitan identificar potenciales de mejora en el sistema.

Establecer los casos de estudio y escenarios de entrada de los vehículos

eléctricos, implementando el modelo de carga lenta.

Realizar la evaluación de la eficiencia energética por medio de los

indicadores determinados, tanto en la etapa inicial, como para el ingreso de

los vehículos eléctricos en un conjunto residencial.

Proponer un plan para la mejora de la eficiencia energética del conjunto

residencial bajo estudio y conjuntos de condiciones similares.

1.2 Estructura del trabajo de grado

Este trabajo de grado se desarrolla en 5 capítulos. En el Capítulo 1 se introduce el

tema, se plantea el problema de eficiencia energética y el impacto que tendrá la

entrada masiva de vehículos eléctricos en el sistema de distribución, y se establecen

los objetivos. En el Capítulo 2 se presentan los conceptos de eficiencia energética

e indicadores de eficiencia energética, se establecen los criterios de selección de

los indicadores y se realiza la selección de los mismos. En el Capítulo 3 se presenta

el caso de estudio seleccionado y los escenarios de entrada de los vehículos

eléctricos. En el Capítulo 4 se evalúan los indicadores seleccionados por cada eje

para el caso base y cada uno de los escenarios de entrada de VE. En el Capítulo 5

se presenta un plan de mejora de la eficiencia energética, y finalmente, se presentan

las conclusiones.

5

CAPITULO 2

EFICIENCIA ENERGÉTICA E INDICADORES

En este capítulo se describen los conceptos teóricos acerca de los indicadores de

eficiencia energética (EE); para qué sirven y por qué son importantes para el

presente estudio. Además, se determinan cuáles indicadores son los más

trascendentales en la temática expuesta en este proyecto, de acuerdo a ejes

fundamentales como son ambiental, técnico, económico, y se presenta la

formulación de los mismos.

Para comprender qué es un indicador de EE y el porqué de la importancia del

mismo, es necesario conocer qué es la EE. Es así, como desde varias perspectivas

se dan definiciones del término, dando a conocer que la EE abarca una gran

cantidad de sectores y campos de acción.

2.1 Eficiencia energética

La ley 697 de 2001, en su artículo 3, define la EE como [24]:

“La relación entre la energía aprovechada y la energía total utilizada

en cualquier proceso de la cadena energética, dentro del marco del

desarrollo sostenible, respetando la normatividad vigente sobre

medio ambiente y los recursos naturales renovables”

La ley 697, fue la primera en Colombia en dar la importancia necesaria a la EE y

fomentar el uso racional y eficiente de la energía, dando así un gran paso para la

promoción de nuevas alternativas energéticas.

Otra ley en Colombia que involucra el concepto de EE es la ley 1715 del 2014, la

cual describe [25]:

6

“La relación entre la energía aprovechada y la total utilizada en

cualquier proceso de la cadena energética, buscando ser

maximizada a través de buenas prácticas de reconversión

tecnológica o sustitución de combustibles. A través de la eficiencia

energética se busca obtener el mayor provecho de la energía, bien

sea a partir del uso de una forma primaria de energía o durante

cualquier actividad de producción, transformación, transporte,

distribución y consumo de las diferentes formas de energía, dentro

del marco del desarrollo sostenible y respetando la normatividad

vigente sobre el ambiente y los recursos naturales renovables”

También se pueden encontrar otros términos más específicos de acuerdo al sector

al que se relaciona. Por ejemplo, para el sector residencial la definición de EE

implica mantener el confort con menor uso de energía eléctrica o aumentarlo con la

misma cantidad consumida [1]. Desde el punto de vista económico y ambiental se

puede asociar la EE a un grupo de acciones que se realizan tanto de parte de la

oferta como de la demanda, sin sacrificar la producción ni el bienestar y permitiendo

mejoras en la seguridad de suministro, logrando así ahorros tanto del consumo de

energía como en la economía en general. Paralelamente se logran reducciones en

las emisiones de gases de efecto invernadero [26].

La EE debería ser catalogada como el recurso más importante que se dispone para

un seguro abastecimiento energético en un país. Esto debido a los beneficios que

ésta representa en la reducción de consumos e intensidad energética [26]. Es

importante destacar que en América Latina este recurso se está desaprovechando,

ya que son pocos los países que tienen programas de eficiencia a largo plazo,

además de la baja incorporación de tecnologías eficientes en los sectores transporte

y residencial [26].

En resumen, la Figura 2-1 describe algunas ventajas de la EE [27].

7

Figura 2-1 Algunas ventajas de la eficiencia energética. Adaptada de [27]

2.2 Indicadores de eficiencia energética

Los indicadores de EE son los instrumentos fundamentales para realizar una

evaluación detallada de los consumos de energía de un elemento o proceso con

respecto a otro [1]. Están definidos como mediciones cuantitativas de condiciones

ya determinadas, con los cuales se facilita la comprensión de una realidad o de un

fenómeno, así como las variaciones del comportamiento que éste pueda tener en el

tiempo [28].

Se consideran como diversos valores estadísticos, que unidos pueden proporcionar

una indicación. Los indicadores pueden considerarse como un valor absoluto o

como coeficientes u otros valores compuestos [28]. Como ejemplo de valor

absoluto, se tiene el consumo total de energía en un conjunto residencial. De otro

lado, la mayor parte de indicadores de tiempo se refieren a las relaciones de valores

compuestos, por ejemplo, el consumo de energía por cada recarga de VE [28].

EFICIENCIA ENERGÉTICA

Competitividad global

Genera más Ahorro de

energía y dinero

Menor desperdicio de

energía

Cumplimiento de metas

ambientales

Menos contaminación

8

Para que un indicador pueda influir en la toma de decisiones, debe permitir

establecer un nivel de referencia o punto de partida de un determinado problema,

por lo cual es necesario que cuente con las siguientes características [29, 30]:

Figura 2-2 Características de un indicador para que sea eficiente y confiable. Adaptada de [30]

Se han clasificado los indicadores para este caso de estudio en tres categorías

“Ambientales, económicos y técnicos”. Por cada categoría se han seleccionado los

indicadores de mayor relevancia en el ámbito de uso final en los hogares, con lo

cual se busca una evaluación confiable y con criterio.

Indicadores ambientales

Por medio de estos, se pretende determinar la incidencia de un sistema ya sea como

elemento total o como elementos desagregados, sobre el aporte de emisiones de

gases contaminantes a la atmosfera que favorecen el calentamiento global, así

como la destrucción de la capa de ozono. Algunas características de los indicadores

ambientales son [31]:

CARACTERÍSTICAS DEL INDICADOR

Relevante EntendibleTransparente y verificable

Basado en información confiable y específica

Debe medir

cambios de una

condición a través del tiempo

Ser instrumentos para alcanzar

mejores resultados

Mostrar de cerca los resultados de

iniciativas o acciones

Propiedades

9

Medidas o cálculos directos: Es la información básica necesaria, por ejemplo,

la cantidad de CO2 emitida.

Medidas o cálculos relativos: Son comparaciones o relaciones entre los datos

de dos o más parámetros diferentes, por ejemplo, la cantidad de CO2 emitida

por unidad de VE.

Indexados: Son los datos o la información convertida en unidades o alguna

forma que permita relacionar dicha información con un patrón o línea base

determinada, por ejemplo, las emisiones de CO2 en el año en curso

expresados como porcentaje de emisiones de CO2 de un año base.

Agregados: Información descriptiva, del mismo tipo, teniendo en cuenta

diferentes fuentes, expresada en un valor combinado. Por ejemplo, el total

de CO2 emitido por la manufactura de algún producto en un año, determinado

por la suma total de las emisiones de CO2 generadas por cada industria que

realiza el mismo producto.

Ponderados: Son los datos descriptivos aplicando un factor de relación con

la importancia de los mismos.

Indicadores Económicos

Permite cuantificar el comportamiento de los agentes económicos y de las diferentes

relaciones que se establecen entre ellos. Además, informa de la evolución histórica

de alguna actividad económica, teniendo en cuenta tasas de variación para

comprender una tendencia en el tiempo [32].

En cuanto al sector energético, éstos deben representar la madurez de un país o un

lugar en ahorro y EE [33]. Los indicadores económicos determinan variaciones en

los costos de la energía, con los cuales se pueden estimar proyecciones que

permitan generar nuevas estrategias de consumo. Dichas proyecciones dejarán en

evidencia si hay reducción o no en el consumo de energía eléctrica [33].

Indicadores Técnicos

La EE provee de alternativas que son fácilmente aplicables; sin embargo, hay

ocasiones en que no basta solo con gestionar el uso de la energía a partir de

10

incentivos para el ahorro. Por tal razón se involucran las nuevas tecnologías,

diseñadas con estándares de calidad mucho más rigurosos. Éstas cuentan con

propiedades como son: mayor confiabilidad, mejor eficiencia, elaboración con

nuevos compuestos, y demás características. De tal manera que van a alterar las

mediciones de ciertos parámetros técnicos, que a su vez producen variaciones en

indicadores de este tipo; como por ejemplo la potencia consumida por el elemento,

energía total consumida, cantidad de lúmenes por kW consumido [1].

2.3 Selección de indicadores

El principal objetivo del estudio es la creación de indicadores de EE, para ser

aplicados en la evaluación del sistema eléctrico de un conjunto residencial con

diferentes escenarios de entrada de VE. Por lo cual, a partir de una búsqueda

profunda en la literatura científica, se propone un listado de indicadores, los cuales

serán evaluados por etapas para poder realizar la selección definitiva de los

indicadores empleados en este estudio (ver Figura 2-3).

Figura 2-3 Indicadores preseleccionados.

Emisiones de CO2

por área total

Emisiones de CO2

por persona

Disminución de CO2 por VE

Energía consumida por

área total


persona

Energía consumida por VE

Costos de energía por área total

Costo de energía por persona

Costos por recarga del VE

TÉCNICOS ECONÓMICOS

AMBIENTALES

11

Es importante destacar que la lista de indicadores no está cerrada definitivamente,

sino que, en consonancia con el primer objetivo del proyecto, se puede dar la

necesidad de ampliar, modificar o eliminar indicadores a medida que avanza la

investigación [34].

Criterios de selección considerados

Para la selección de indicadores se destacan dos tipos de criterios, los cuales son:

Criterios básicos [34] y criterios propios.

Los criterios básicos o comunes para la selección de indicadores se fundamentan

en la investigación de la agencia de I’Habitatge de Catalunya, quienes estudiaron

criterios establecidos por diferentes agencias como: Local Governments for

Sustainability (ICLEI), Organisation for Economic Co-operation and Development

(OECD), la Diputación de Barcelona, la Agencia Europea de Medio Ambiente

(AEMA) y el Ministerio de Medio Ambiente Español (MMA) [34].

De acuerdo a lo anterior, los criterios comunes para la selección de indicadores son

[34]:

Figura 2-4 Criterios básicos para la selección de indicadores

Por otra parte, se definen los criterios propios de acuerdo a las características de

este proyecto, tal como se observa en la Figura 2-5. Un criterio adicional establecido

para este proyecto, es la necesidad de tener al menos un indicador para cada uno

de los ejes fundamentales (Ambiental, técnico y económico).

Se debe fundamentar en

conocimiento científico, con información de

calidad.

Válidos, fiables

Debe proveer la máxima cantidad de información de

manera clara.

Pertinente hace referencia a que el indicador sí cumple

con un objetivo.

Comprensibles pertinentes

Debe proveer información destacada, importante.

Relevantes

Debe permitir decidir con

precisión sobre qué puntos hay mayor incidencia

Selectivos Debe contarse con los

recursos para poder realizar la medición

del indicador

Factibles

12

Figura 2-5 Criterios propios de selección de indicadores

Condiciones para la selección de los indicadores

En la Figura 2-6 se explican las condiciones para la selección de indicadores. Los

indicadores deben ajustarse perfectamente a todas las características de los

criterios básicos [34], ya que son los mínimos requerimientos exigidos. No obstante,

con respecto a los criterios propios, un indicador no necesariamente puede y/o debe

cumplir con todos los requisitos ya que puede medir una variable sin tener en cuenta

las demás.

Figura 2-6 Estructura propuesta para selección de indicadores por medio de los criterios básicos y propios.

Técn

ico

Tener en cuenta cada una de las áreas de consumo eléctrico del conjunto

Técn

ico

Que permita analizar el total del consumo del conjunto

Técn

ico

Analizar el consumo a nivel de usuario.

Técn

ico Determinar

el consumo asociado a la conexión de los VE al sistema eléctrico del conjunto

Am

bie

nta

l

Análisis a nivel de usuario con respecto a las emisiones de CO2.

Am

bie

nta

l

Medir las emisiones de CO2 por porcentaje de ingreso de VE

Eco

nóm

ico

Debe permitir un análisis total de costos generados a partir del consumo de energía

Básicos

CR

ITE

RIO

S

CONDICIONES PARA SELECCIÓN DE INDICADORES

Propios

• Válidos o fiables• Comprensibles • Pertinentes• Relevantes• Selectivos• Factibles

De acuerdo a los ejes:

• Técnico• Económico• Ambiental

Todos los criterios

UN

IND

ICA

DO

R D

EB

E

CU

MP

LIR

Al menos un criterio

13

Por ejemplo, el indicador de consumo de energía por VE mide exclusivamente el

consumo de energía por VE y no puede medir el consumo de energía por persona.

Por lo tanto, de ser necesario se deben buscar varios indicadores de tal manera que

se cumpla la necesidad del proyecto.

Análisis y selección

En esta sección se presenta el análisis y resultados de la selección de los

indicadores finales, con respecto a los indicadores preseleccionados (Figura 2-3).

El análisis y estructura para la selección de indicadores se puede observar en el

diagrama de flujo de la Figura 2-7.

Figura 2-7 Diagrama de flujo para selección de indicadores

Selección de

indicadores

Indicadores

preseleccionados

¿Cumplen con los

criterios comunes de selección de

indicadores y aunque sea un criterio propio

del proyecto?

¿Se puede

descartar?

Modificar indicador de

acuerdo a los criterios Básicos y Propios

Indicador

Seleccionado

Eliminar Indicador ya

que no se requiere

Fin del Proceso

Si

No

No

Si

14

2.3.3.1 Análisis eje técnico

De acuerdo a la Tabla 2-1, es necesario reemplazar los indicadores de Consumo

de energía por persona y consumo de energía por VE, ya que no cumplen con todos

los criterios básicos y con ninguno de los propios.

Tabla 2-1 Análisis para selección indicadores eje técnico

Los indicadores no cumplen los criterios por las siguientes razones:

Para el indicador de consumo de energía por persona:

No es válido pues un análisis por persona no sería objetivo, ya que en cada

apartamento varía el número de personas, los horarios de permanencia y

hábitos de consumo, lo cual implica que la información obtenida no sea

exacta, así mismo no es selectivo porque no brinda información suficiente

para tomar decisiones, ni factible por la dificultad de medir el consumo

energético por persona.

El indicador no tiene en cuenta cada una de las áreas de consumo eléctrico

del conjunto, ni permite analizarlo en su totalidad. Además, por medio de

éste no se puede medir el consumo asociado a la conexión de los VE al

sistema eléctrico del conjunto.

Para el indicador de consumo de energía por VE:

15

No es pertinente porque un solo VE no daría la posibilidad de obtener el

consumo general, ya que se pueden presentar distintos niveles de recarga,

adicionalmente se requiere estudiar el consumo total de la recarga de todos

los VE, lo cual implicaría realizar doble trabajo.

El indicador no tiene en cuenta cada una de las áreas de consumo eléctrico

del conjunto, ni permite analizar el total del consumo del conjunto, tampoco

medir el consumo por usuario.

Se plantean los siguientes indicadores que cumplen con todos los criterios:

Se reemplaza el indicador de consumo de energía por persona, por el

indicador de consumo de energía por usuario, entiéndase por usuario: cada

unidad de residencia. De esta manera se cumple con todos los criterios

comunes y además cumple con el criterio de analizar el consumo a nivel de

usuario.

Para reemplazar el indicador de consumo de energía por VE, es necesario

obtener un indicador de consumo por porcentaje de entrada de VE, con lo

cual se obtiene una información más pertinente, además se tendrán datos

más exactos del consumo de los VE, en el sistema eléctrico del conjunto y

cumpliría con todos los criterios comunes de selección.

Figura 2-8 Indicadores seleccionados para el eje técnico.

2.3.3.2 Análisis eje ambiental

De acuerdo a la Tabla 2-2, ningún indicador cumple con los criterios necesarios, por

lo cual se requiere reemplazar todos o algunos de los indicadores de tal manera que

se satisfagan todos los criterios básicos y los dos criterios propios.

Indicadores Eje Técnico


área total


usuario

Energía consumida por porcentaje de entrada de VE

16

Tabla 2-2 Análisis para selección indicadores eje ambiental

Los indicadores no cumplen los criterios por las siguientes razones:

Para el indicador de emisiones de CO2 por persona:

No es válido ya que un análisis por persona no es objetivo, no es factible

por la dificultad de medir por cada persona su consumo energético y por

ende sus emisiones de CO2.

No mide las emisiones de CO2 de los VE.

Para el indicador de disminución de emisiones de CO2 por VE

No es pertinente porque la disminución de emisiones de CO2 por VE no

determina la totalidad de disminución de emisiones en el parqueadero.

No facilita un análisis por cada usuario con respecto a las emisiones de CO2,

además por referirse a un solo VE no puede determinar la disminución de

emisiones en cada porcentaje de entrada de VE.

Para el indicador de emisiones de CO2 por área total:

No permite un análisis por usuario, ni un análisis de emisiones de CO2, pues

este indicador va enfocado a determinar las emisiones totales en el conjunto

y no por cada área.

17

Para el eje ambiental, se puede eliminar el indicador de emisiones de CO2 por área

total. Esto se debe a que los dos criterios propios se pueden satisfacer con el

reemplazo de los indicadores: Disminución de emisiones de CO2 por VE y

Emisiones de CO2 por persona.

Para reemplazar el indicador de emisiones de CO2 por persona, se estima necesario

un indicador de emisiones de CO2 por usuario, de esta manera se cumple con todos

los criterios básicos y además permite el análisis a nivel de usuario, ya que por

usuario se pueden hacer mediciones exactas, lo cual es factible y valido.

Por otra parte, para reemplazar el indicador de disminución de emisiones de CO2

por VE, se sugiere un indicador de disminución de emisiones de CO2 por porcentaje

de entrada de VE, así el indicador sería pertinente ya que se ajusta a las

necesidades del proyecto y cumple con el criterio propio que hace falta por

satisfacer.

Para el eje ambiental, se seleccionan los indicadores de la Figura 2-9.

Figura 2-9 Indicadores seleccionados para el eje ambiental.

2.3.3.3 Análisis eje económico

De acuerdo a la Tabla 2-3, solo es necesario un indicador, el de Costos de energía

por área total, ya que cubre todos los criterios básicos y el único criterio propio del

proyecto, por lo cual se descartan los otros dos indicadores.

Indicadores Eje Ambiental

Emisiones de CO2 por usuario

Disminución de emisiones de CO2

por porcentaje de entrada de VE

18

Tabla 2-3 Análisis para selección indicadores eje económico

En resumen, los indicadores de eficiencia energética seleccionados son:

Figura 2-10 Indicadores seleccionados

2.4 Formulación de indicadores de eficiencia energética

Una vez seleccionados los indicadores de eficiencia energética, se requiere realizar

la formulación con base en la documentación para cada uno de ellos.

Para documentar el indicador, se definen principalmente los elementos que

configuran el indicador [35]. Con base en lo anterior, se destacan los elementos de

documentación más importantes para este estudio.

Emisiones de CO2 por usuario

Disminución de emisiones de CO2

por porcentaje de entrada de VE


área total

Energía consumida por usuario

Energía consumida por porcentaje de

entrada de VE

Costos de energía por área total

TÉCNICOS

ECONÓMICOS

AMBIENTALES

19

DOCUMENTACIÓN DEFINICIÓN

Nombre del

indicador Es la expresión verbal y precisa que identifica el indicador.

Sigla Término abreviado para representar al indicador.

Objetivo Propósito que se persigue con la medición del indicador,

finalidad del indicador.

Unidad de medida Es en la que se mide el indicador, por ejemplo: kWh, pesos ($).

Fórmula Expresión matemática mediante la cual se calcula el indicador.

Variables Descripción de cada variable de la fórmula.

Tabla 2-4 Documentación indicadores. Adaptada de [35]

Formulación indicadores eje técnico

En el eje técnico se tienen tres indicadores seleccionados, los cuales brindan la

información suficiente y necesaria para este estudio.

El indicador de energía consumida por usuario se formula y documenta como se

muestra en la Tabla 2-5.

ENERGÍA CONSUMIDA POR USUARIO

Nombre del

indicador Energía consumida por usuario

Sigla ECU

Objetivo Medir la energía consumida por cada apartamento y así

determinar e implementar planes de mejora si es necesario

Unidad kWh/día

Fórmula

𝐸𝐶𝑈 =∑𝑃𝑗

𝑛

𝑗=1

(2-1)

Pj = Potencia consumida para cada hora

n = horas del día

Tabla 2-5 Ficha indicador energía consumida por usuario

El indicador de consumo de energía por porcentaje de entrada de VE, se formula y

documenta como se muestra en la Tabla 2-6.

20

ENERGÍA CONSUMIDA POR PORCENTAJE DE ENTRADA DE VE

Nombre del

indicador Energía consumida por porcentaje de entrada de VE

Sigla CEPVE

Objetivo Medir el consumo de energía en los parqueaderos del conjunto

residencial.

Unidad kWh/día

Fórmula

𝐶𝐸𝑃𝑉𝐸 = ∑𝑃𝑉𝐸ℎ

𝑛

ℎ=1

(2-2)

PVEh = Potencia consumida por porcentaje de entrada de VEs para cada hora n = horas del día

Tabla 2-6 Ficha indicador energía consumida por porcentaje de entrada de VE

El indicador de energía consumida por área total, formula y documenta como se

muestra en la Tabla 2-7.

ENERGÍA CONSUMIDA POR ÁREA TOTAL

Nombre del indicador Energía consumida por área total

Sigla ECAT

Objetivo

Medir la energía consumida en todo el conjunto

residencial teniendo en cuenta cada una de las áreas de

consumo.

Unidad kWh/día

Fórmula

𝐸𝐶𝐴𝑇 =∑𝐴𝑖

𝑛

𝑖=1

(2-3)

𝐴𝑖 = 𝐶𝑜𝑛𝑠𝑢𝑚𝑜 𝑑𝑒 𝑒𝑛𝑒𝑟𝑔í𝑎 𝑝𝑜𝑟 𝑐𝑎𝑑𝑎 á𝑟𝑒𝑎

𝑛 = 𝑇𝑜𝑡𝑎𝑙 𝑑𝑒 á𝑟𝑒𝑎𝑠 𝑑𝑒𝑙 𝑐𝑜𝑛𝑗𝑢𝑛𝑡𝑜

Tabla 2-7 Ficha indicador energía consumida por área total

Formulación indicadores eje ambiental

Para el eje ambiental fueron seleccionados dos indicadores, con los cuales se

puede realizar el estudio de manera suficiente.

Para los indicadores de este eje, es necesario involucrar factores de emisión de

acuerdo al sector estudiado [36]. El factor de emisión es una herramienta que

permite estimar la cantidad de emisiones de un determinado contaminante. Varía

21

con el tipo de combustible y con la actividad en la que se aplique su proceso de

combustión [37].

El factor de emisión necesario para el presente estudio es:

DATO VALOR

Factor de emisión de CO2 a partir de la

energía eléctrica 0,199 kgCO2/kWh

Tabla 2-8 Factor de emisión [30, 38, 39]

El valor de la Tabla 2-8 fue tomado de la UPME y su aplicación web FECOC 2016

(Calculadora de emisiones) [39], ya que tiene los datos más actualizados de los

factores de emisión de CO2 para Colombia.

La formulación y documentación para el indicador de emisiones de CO2 por usuario

se presenta de la Tabla 2-9:

EMISIONES DE CO2 POR USUARIO

Nombre del indicador Emisiones de CO2 por usuario

Sigla ECOU

Objetivo Determinar las emisiones de CO2 por usuario.

Unidad KgCO2eq

Fórmula

𝐸𝐶𝑂𝑈 = 𝐸𝐶𝑈 ∗ 𝐹𝐸 (2-4)

𝐸𝐶𝑈 = 𝐸𝑛𝑒𝑟𝑔í𝑎 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑢𝑚𝑖𝑑𝑎 𝑝𝑜𝑟 𝑢𝑠𝑢𝑎𝑟𝑖𝑜

𝐹𝐸 = 𝐹𝑎𝑐𝑡𝑜𝑟 𝑑𝑒 𝑒𝑚𝑖𝑠𝑖ó𝑛 𝑎 𝑝𝑎𝑟𝑡𝑖𝑟 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑒𝑛𝑒𝑟𝑔í𝑎 𝑒𝑙é𝑐𝑡𝑟𝑖𝑐𝑎

Tabla 2-9 Ficha indicador emisiones de CO2 por usuario

La Tabla 2-10 presenta la documentación para el indicador de disminución de CO2

por VE.

22

DISMINUCIÓN DE CO2 POR PORCENTAJE DE ENTRADA DE VE

Nombre del indicador Disminución de CO2 por porcentaje de entrada de VE

Sigla DEVE

Objetivo Determinar la reducción de emisiones de CO2 con el cambio de

tecnología de Vehículo convencional a vehículo eléctrico.

Unidad KgCO2eq

Fórmula

𝐷𝐸𝑉𝐸 = 𝐸𝑚𝑖𝑠𝑖𝑜𝑛𝑒𝑠 𝐶𝑂2 % 𝑉𝑐𝑜𝑛𝑣

− 𝐸𝑚𝑖𝑠𝑖𝑜𝑛𝑒𝑠 𝐶𝑂2 %𝑉𝐸

(2-5)

𝐸𝑚𝑖𝑠𝑖𝑜𝑛𝑒𝑠 𝐶𝑂2 %𝑉𝑐𝑜𝑛𝑣 = 𝐸𝑚𝑖𝑠𝑖𝑜𝑛𝑒𝑠 𝑝𝑜𝑟 𝑝𝑜𝑟𝑐𝑒𝑛𝑡𝑎𝑗𝑒 𝑑𝑒 𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎 𝑉𝑐𝑜𝑛𝑣𝑒𝑛𝑐𝑖𝑜𝑛𝑎𝑙

𝐸𝑚𝑖𝑠𝑖𝑜𝑛𝑒𝑠 𝐶𝑂2 %𝑉𝐸 = 𝐸𝑚𝑖𝑠𝑖𝑜𝑛𝑒𝑠 𝑝𝑜𝑟 𝑝𝑜𝑟𝑐𝑒𝑛𝑡𝑎𝑗𝑒 𝑑𝑒 𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎 𝑉𝐸

Tabla 2-10 Ficha indicador disminución de CO2 por porcentaje de entrada de VE.

Formulación indicadores eje económico

Para el eje económico, de acuerdo a la Figura 2-10 Indicadores seleccionados

Figura 2-10, se seleccionó solamente el indicador de costos de energía por área

total.

Para determinar el valor de este indicador, es necesario utilizar el indicador de

energía consumida por área total, véase Tabla 2-7. Además, es indispensable tener

el costo actualizado de energía por kWh para el sector residencial, el cual se puede

obtener de [40] (ver Tabla 2-11).

COSTOS DE ENERGÍA POR ÁREA TOTAL

Nombre del indicador Costos de Energía por Área Total Sigla CEAT

Objetivo Determinar los costos resultantes por cada escenario y plan de acción que se lleve a cabo en el marco de la investigación para todo el conjunto.

Unidad Peso Colombiano (COP)

Fórmula

𝐶𝐸𝐴𝑇 = 𝐸𝐶𝐴𝑇 ∗ 𝑐𝑜𝑠𝑡𝑜 𝑑𝑒 𝑘𝑊ℎ (2-6)

𝐸𝐶𝐴𝑇: 𝐼𝑛𝑑𝑖𝑐𝑎𝑑𝑜𝑟 𝑑𝑒 𝑒𝑛𝑒𝑟𝑔í𝑎 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑢𝑚𝑖𝑑𝑎 𝑝𝑜𝑟 á𝑟𝑒𝑎 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 𝐶𝑜𝑠𝑡𝑜 𝑑𝑒 𝑘𝑊ℎ:𝐷𝑒 𝑎𝑐𝑢𝑒𝑟𝑑𝑜 𝑎 𝑙𝑎 𝑡𝑎𝑟𝑖𝑓𝑎 𝑎𝑐𝑡𝑢𝑎𝑙𝑖𝑧𝑎𝑑𝑎 𝑑𝑒 [40]

Tabla 2-11 Ficha indicador Costos de energía por área total.

23

2.5 Conclusiones del capítulo

Con la metodología propuesta para la selección de indicadores fue posible

determinar que algunos de ellos no estaban acorde a la necesidad del estudio, por

tanto, se hizo necesario replantear los indicadores con el fin de que éstos aportaran

información adecuada a los criterios establecidos para cada eje de investigación.

Además, para cada uno de los indicadores seleccionados (Figura 2-10), se

determinó la ecuación con la cual serán evaluados y se realizaron las respectivas

fichas técnicas, en las cuales se muestra la información más importante para cada

indicador.

25

CAPITULO 3

CASO DE ESTUDIO Y ESCENARIOS DE ENTRADA DE

VE

En este capítulo se exponen los diferentes escenarios para la evaluación de la EE,

comenzando por el caso base, el cual se obtiene a partir de datos reales de

consumo de viviendas en estrato cuatro. Las mediciones son modeladas de tal

forma que permiten visualizar la curva de consumo promedio por apartamento en

un periodo de una semana. Posteriormente, se utiliza un modelo probabilístico que

determina el nivel de recarga de las baterías para cada uno de los escenarios de

entrada de los VE permitiendo establecer curvas de carga diarias para cada

escenario.

3.1 Caso de estudio

Datos conjunto residencial

El conjunto residencial ubicado en la ciudad de Bogotá, localidad de Teusaquillo, se

detalla a continuación con el fin de mostrar la información básica de los aspectos

generales y características eléctricas. La construcción está compuesta por cuatro

edificios de apartamentos, cada edificio consta de cinco pisos, y cada piso de cuatro

apartamentos. Además, está conformado por una zona de parqueaderos, un cuarto

de bombas y una subestación eléctrica [41].

Dentro de las características eléctricas del conjunto residencial se tiene como base

un transformador de 300 kVA de 11400/208/120 V, con conexión DY5 [41].

Protocolo de mediciones

Para obtener los datos de consumo requeridos se emplea el analizador de red de

marca HT y referencia PQA824, del cual se pueden observar sus características

técnicas en el ANEXO A.

26

Se utiliza una configuración monofásica para los apartamentos monofásicos, y una

configuración 4 Hilos para la medición en el transformador y en apartamentos

trifásicos.

En cuanto a la medición de corriente, se dispone de una pinza con toroidal flexible

(FLEX) y una configuración para el fondo de escala de las pinzas de 300 A. En la

Figura 3-1 se observa la configuración del analizador.

Figura 3-1 Configuración analizador de red PQA824, para modo monofásico y modo trifásico.

Se establecen los siguientes parámetros para que la medición se ajuste a las

exigencias de esta investigación:

Parámetros eléctricos: son los parámetros más importantes de la medición,

ya que por medio de estos se obtienen los datos con los cuales se realizará

el estudio de EE. Entre ellos se encuentran: potencias, tensión, corriente,

factor de potencia, energía. Se configuró el equipo para tomar datos cada

dos minutos.

Para realizar la evaluación de EE se ha seleccionado el valor de potencia

activa promedio, debido a que con éste se obtienen los valores de consumo

de energía durante el día.

Medición en transformador: se tomaron los datos medidos para el proyecto

de grado titulado “Análisis y evaluación de los criterios para el diseño de un

sistema de protección interno contra rayos” [41], ya que, para este estudio se

27

realizó la medición en los bornes del transformador del conjunto durante un

periodo de cuatro días.

Medición en apartamentos: Para estas mediciones fue posible acceder a

diferentes apartamentos estrato 4. Las mediciones se realizaron en un

periodo de una semana por cada apartamento y en total se midieron 18

apartamentos.

Síntesis de la información

Una vez realizadas las mediciones y teniendo en cuenta la descripción de los

protocolos, se procede a organizar los datos obtenidos para conseguir la

información necesaria que representa el caso base del estudio, entre la que se

encuentra:

Potencia promedio consumida por cada usuario para cada hora.

Potencia promedio consumida por las zonas comunes para cada hora.

Potencia promedio consumida por el total del conjunto para cada hora.

3.1.3.1 Potencia promedio consumida por cada usuario

Para determinar el caso base por usuario, se siguen los pasos establecidos en la

Tabla 3-1, en la cual se detalla cada paso y las respectivas ecuaciones utilizadas

en el proceso.

Pasos Ecuaciones

Paso 1:

Hallar potencia media

por hora para cada

apartamento.

𝑃𝐴𝑉𝑎𝑝𝑡𝑜_ℎ =∑ 𝑃𝐴𝑉𝑚𝑑𝑚=1

𝑑

(3-1)

Donde:

𝑷𝑨𝑽𝒂𝒑𝒕𝒐_𝒉= Potencia promedio para cada apartamento por cada hora.

h= Hora [1-24].

𝑷𝑨𝑽= Valor medido de la potencia promedio.

m= Número de la medición en el rango de una hora determinada para cada

apartamento. Ejemplo: Para h=1, m= Número medición (1 [1:00 am], 2

[1:02 am], 3 [1:04 am],…, 30 [1:58 am]).

d= 30 (Total de datos medidos para cada hora por cada apartamento).

28

Paso 2:

Hallar promedio de

potencia de todos los

apartamentos para

cada día de la semana.

𝑃𝐴𝑉𝑑í𝑎_𝑠 =∑ (𝑃𝐴𝑉𝑎𝑝𝑡𝑜_ℎ)𝑎,𝑠𝑛𝑎=1

𝑛

(3-2)

Donde:

𝑷𝑨𝑽𝒅í𝒂= Potencia promedio de todos los apartamentos al día, para cada

hora.

s= Día de la semana [lunes-domingo].

𝑷𝑨𝑽𝒂𝒑𝒕𝒐_𝒉= Potencia media por hora para cada apartamento. Resultado de

la ecuación (3-1).

h= Hora [1-24].

a= Número de apartamento.

n=Total de apartamentos.

Paso 3:

Hallar promedio de

potencia de todos los

días de la semana.

𝑃𝐴𝑉_𝑇𝑜𝑡𝑎𝑙 =∑ 𝑷𝑨𝑽𝒅í𝒂_𝒔𝑡𝑠=1

𝑡

(3-3)

Donde:

𝑷𝑨𝑽_𝑻𝒐𝒕𝒂𝒍= Potencia promedio de todos los apartamentos, para cada hora y

de todos los días de la semana.

𝑷𝑨𝑽𝒅í𝒂= Potencia promedio de todos los apartamentos al día, para cada

hora.

s= Día de la semana.

t= 7 (Total de días de la semana).

Tabla 3-1 Pasos para determinar el caso base por usuario.

Los pasos de la Tabla 3-1, dan como resultado la potencia promedio por hora para

un usuario, la cual se observa en la curva de la Figura 3-2.

Figura 3-2 Curva del caso base por usuario

108

359 375

050

100150200250300350400

12 a

.m

1 a

.m

2 a

.m

3 a

.m

4 a

.m

5 a

.m

6 a

.m

7 a

.m

8 a

.m

9 a

.m

10 a

.m

11 a

.m

12 p

.m

1 p

.m

2 p

.m

3 p

.m

4 p

.m

5 p

.m

6 p

.m

7 p

.m

8 p

.m

9 p

.m

10 p

.m

11 p

.m

Po

ten

cia

[W

]

Hora

29

De la Figura 3-2, se puede concluir que, en promedio, un usuario en el conjunto

consume el máximo de potencia en horas pico (5:00 y 20:00), superando los 350

W, mientras que el mínimo consumo se encuentra entre 1:00 y 3:00 con un

promedio por debajo de los 150 W; además, se mantiene un consumo promedio de

aproximadamente 221 W en las horas valle (9:00 a 16:00).

3.1.3.2 Potencia promedio consumida por las zonas comunes

Es necesario determinar la potencia consumida por las zonas comunes, ya que es

una de las áreas del conjunto residencial que consume energía eléctrica y por tal

motivo se debe tener en cuenta para la evaluación de los indicadores.

Como no fue posible medir solamente el consumo de energía de las zonas comunes

del conjunto, el proceso utilizado para determinar la información de las mismas

requiere de los datos de las mediciones en los bornes del transformador y de la

potencia promedio consumida por el total de usuarios del conjunto. Este proceso se

detalla en la Tabla 3-2.

Pasos Ecuaciones

Paso 1:

Hallar potencia media

por hora del total del

conjunto, de todos los

días.

𝑃𝐴𝑉𝑐𝑜𝑛𝑗_ℎ,𝑠 =

∑ (∑ 𝑃𝐴𝑉𝑚𝑑𝑚=1

𝑑)𝑛

𝑠=1

𝑛

(3-4)

Dónde:

𝑷𝑨𝑽𝒄𝒐𝒏𝒋_𝒉_𝒔= Potencia promedio total del conjunto por hora.

h= Hora [1-24].

s= Día medido

n= 4 (total de días medidos)

𝑷𝑨𝑽= Valor medido de la potencia promedio. Dato proporcionado por el

analizador de red (PQA).

m= Número de la medición en el rango de una hora determinada. Ejemplo:

Para h=1, m= Número de medición (1 [1:00 am], 2 [1:02 am], 3 [1:04

am],…, 30 [1:58 am]).

d= 30 (Total de datos medidos para cada de hora).

Paso 2:

Hallar potencias

promedio de las zonas

𝑃𝐴𝑉𝑧𝑜𝑛𝑎𝑠_𝑐𝑜𝑚𝑢𝑛𝑒𝑠 = 𝑃𝐴𝑉𝐶𝑜𝑛𝑗𝑢𝑛𝑡𝑜−(𝑃𝐴𝑉𝑢𝑠𝑢𝑎𝑟𝑖𝑜 ∗ 𝑛) (3-5)

Dónde:

30

comunes para cada

hora del día.

𝑷𝑨𝑽𝒛𝒐𝒏𝒂𝒔_𝒄𝒐𝒎𝒖𝒏𝒆𝒔= Potencia promedio de las zonas comunes para cada hora

de día.

𝑷𝑨𝑽𝑪𝒐𝒏𝒋𝒖𝒏𝒕𝒐= Potencia promedio del total del conjunto para cada hora del día.

Es el resultado de la ecuación (3-4).

𝑷𝑨𝑽𝒖𝒔𝒖𝒂𝒓𝒊𝒐= Potencia promedio por usuario para cada hora del día.

(Obtenida a partir del procedimiento de la Tabla 3-1)

n= 80 (Número total de apartamentos del conjunto residencial).

Tabla 3-2 Pasos para determinar el consumo de las zonas comunes.

A partir del paso 2 de la Tabla 3-2, se obtiene la potencia promedio para cada hora

de las zonas comunes. De ésta manera, se determinó que el comportamiento de la

potencia promedio para las zonas comunes es constante por franjas horarias. En

este sentido, se seleccionaron las franjas horarias con la potencia promedio

calculada para cada una de ellas, como se observa en la Tabla 3-3.

Franjas horarias

Potencia promedio total

zonas comunes [kW]

11 p. m. - 3 a. m. 6,5

4 a. m. - 7 a. m. 8,8

8 a. m. - 12 p. m. 7,9

1 p. m. - 5 p. m. 8,8

6 p. m. - 10 p. m. 9,6

Tabla 3-3 Potencia promedio zonas comunes por franjas horarias.

3.1.3.3 Potencia promedio consumida por el total del conjunto

Una vez definido el caso base por usuario y la potencia promedio de las zonas

comunes, ésta información se organiza para obtener la potencia promedio total

consumida por el conjunto residencial. En la Figura 3-3 se muestra en resumen el

procedimiento que se llevó a cabo para determinar el caso base del conjunto

residencial.

Al realizar el procedimiento de la Figura 3-3, se obtiene la curva promedio total de

la Figura 3-4, la cual en este estudio es empleada como caso base del conjunto

31

residencial. De esta curva se concluye que presenta el mismo comportamiento de

los usuarios, debido a que éstos son los que más consumo de energía tienen. Las

zonas comunes, a pesar de que consumen potencia en valores de kW, influyen en

la amplitud de la curva de carga, pero no afectan significativamente su

comportamiento.

Figura 3-3 Resumen del proceso para determinar el caso base del conjunto

Figura 3-4 Caso base del conjunto residencial

Potencia media

apartamento 1

MEDICIONES

Potencia media

apartamento 2 …Potencia media

apartamento n

Promedio de Potencia

media de todos los apartamentos por hora


media para cada día de la semana

Se calcula:


media de todos los días de la semana

Extraer de los datos obtenidos la potencia media:

Se multiplica por

el total de apartamentos

Potencia promedio por

franjas horarias

Potencia media de

las zonas comunes

6,5

8,87,9

8,89,6

0,0

2,0

4,0

6,0

8,0

10,0

12,0

11 p.m. - 3 a.m. 4 a. m. - 7 a. m. 8 a.m. - 12 p.m. 1 p.m. - 5 p.m. 6 p.m. - 10 p.m.

Po

te

ncia

[k

W]

Franjas horarias

0

5

10

15

20

25

30

35

12 a

.m

1 a

.m

2 a

.m

3 a

.m

4 a

.m

5 a

.m

6 a

.m

7 a

.m

8 a

.m

9 a

.m

10 a

.m

11 a

.m

12 p

.m

1 p

.m

2 p

.m

3 p

.m

4 p

.m

5 p

.m

6 p

.m

7 p

.m

8 p

.m

9 p

.m

10 p

.m

11 p

.m

Po

ten

cia

[k

W]

Horas

05

1015202530354045

12 a

.m

1 a

.m

2 a

.m

3 a

.m

4 a

.m

5 a

.m

6 a

.m

7 a

.m

8 a

.m

9 a

.m

10 a

.m

11 a

.m

12 p

.m

1 p

.m

2 p

.m

3 p

.m

4 p

.m

5 p

.m

6 p

.m

7 p

.m

8 p

.m

9 p

.m

10 p

.m

11 p

.m

Po

ten

cia

[k

W]

Horas

05

1015202530354045

12 a

.m

1 a

.m

2 a

.m

3 a

.m

4 a

.m

5 a

.m

6 a

.m

7 a

.m

8 a

.m

9 a

.m

10 a

.m

11 a

.m

12 p

.m

1 p

.m

2 p

.m

3 p

.m

4 p

.m

5 p

.m

6 p

.m

7 p

.m

8 p

.m

9 p

.m

10 p

.m

11 p

.m

Po

ten

cia

[k

W]

Horas

32

3.2 Vehículos eléctricos

Los VE son dispositivos de tracción eléctrica, es decir, son impulsados por un motor

eléctrico que tiene asociada una batería recargable para extraer la energía de ésta

[42]. Se han creado diferentes tipos de vehículos de propulsión eléctrica teniendo

en cuenta las fuentes de energía que requieren para su funcionamiento, entre estos

se encuentran los vehículos solares, con volantes de inercia, con celdas de

combustible, con catenaria, y con baterías [42]. Para la investigación se emplean

únicamente los vehículos de propulsión directa con baterías y entre éstos, los

Vehículos Eléctricos Enchufables (PEV).

En Bogotá D.C, la movilidad eléctrica ha sido una meta establecida para lograr

reducción de los niveles de contaminación que producen los vehículos

convencionales [43]. Es así como la alcaldía de Bogotá D.C, prescribe el decreto

677 de 2011 "Por medio del cual se adoptan medidas para incentivar el uso del

vehículo eléctrico en el Distrito Capital, se autoriza una operación piloto y se dictan

otras disposiciones” [44]. A partir del decreto, en 2012 se lanza el primer plan piloto

con taxis eléctricos, actualmente 43 de ellos se encuentran en circulación [45].

Dichos taxis, han rodado más de 3’000.000 km y han reflejado un ahorro del 52%

en el consumo energético, comparado con el consumo de combustibles fósiles [45].

De la misma manera, desde el sector privado, el operador de red de la ciudad de

Bogotá, tiene a cargo 16 VE modelo i-MIEV de Mitsubishi que prestan servicio de

transporte al personal de la empresa [46]. Con ésta flota de carros, lograron durante

el primer año de operación, un ahorro de $16.000.000 COP en compra de

combustible [46].

Recarga del VE

El Reglamento Técnico de Instalaciones Eléctricas (RETIE) en el artículo 20 sección

20.7, define y establece 4 modos de carga para la recarga de VE en el territorio

nacional, de acuerdo a lo establecido por la norma IEC 61851 [43, 47]. En la Tabla

3-4 se presentan los diferentes tipos recarga de VE y los diferentes niveles de la

misma.

33

Tabla 3-4 Niveles de recarga de VE. Adaptada de [43].

Algunos autores sugieren que no es fácil implementar sistemas de carga rápida en

conjuntos residenciales, debido a los costos de inversión que se generarían a partir

de la construcción de la infraestructura necesaria por la gran cantidad de energía

requerida [48].

Teniendo en cuenta estos problemas se concluye que la mejor opción para recarga

de VE en el sector residencial es el Nivel 1, el cual es comúnmente llamado "sistema

de carga lenta”, debido a que a este nivel de tensión se suministran potencias bajas,

lo que implica costos de inversión relativamente bajos, aunque por su baja potencia

los tiempos de carga son prolongados [49].

Descripción del modelo de VE

En este estudio no es indispensable utilizar diferentes modelos de VE, ya que el

objetivo del mismo es evaluar la EE, por lo cual se determinó que es suficiente

emplear la curva de carga de un tipo de VE y determinar de qué manera éste afecta

los indicadores previamente establecidos. Por tanto, se utiliza el modelo i-MIEV de

Mitsubishi, pues cuenta con precedentes de estudios realizados [42, 43, 50],

incluyendo los estudios actuales del operador de red de la ciudad de Bogotá [51];

CARGA LENTA CARGA LENTA CARGA

SEMIRAPIDA CARGA RÁPIDA

Tipo: AC Tensión: <250 [V]

o 480 [V] (3) Corriente: 16 [A] Tiempos de Carga: Prolongados (Horas) Potencia Max: 3,7-11 [kW]

Tipo: AC Tensión: 250 [V] o

480 [V] (3) Corriente: 32 [A] Tiempos de Carga: Prolongados (Horas) Potencia Max: 8 [kW]

Tipo: AC Tensión: 250 [V] o

480 [V] (3) Corriente: 70 [A] o

63 [A] (3) Tiempos de Carga: Algunos Minutos Potencia Max:17,5 [kW]

Tipo: DC Tensión: 125- 375 [V] Corriente: 400 [A] Tiempos de Carga: Segundos Potencia Max: 50-150 [kW]

34

sin embargo, la metodología e indicadores propuestos se pueden adaptar a

cualquier tipo de vehículo. El modelo i-MIEV presenta las características de la Tabla

3-5.

MITSUBISHI MODELO I-MIEV

Motor

Motor Síncrono de imán

Permanente Y51

Par Máx. (nm) 196

Potencia Máx. (kW) 49

Tipo de Propulsión Tracción trasera

Prestaciones

Velocidad Max. (km/h) 130

0 a 100 km/h, Vehículo Base

(s)

15,9

Batería de Tracción

Tipo de Batería Ion-Litio

Capacidad (kWh) 16

Tensión Nominal (V) 330

de 0% a 100% Cerca de 7 h

Potencia/Corriente Máx.

consumida en la red 230 V

Monofásica en carga

estándar

3 kW / 16 A

Carga Estándar (A) 16

Modo de Recarga

Recarga Convencional

(CA 230 V monofásico) 10A

Carga Rápida

8 Horas Aproximadamente

30 minutos

Aproximadamente

Consumo Consumo Normalizado

(Wh/Km)

125

Tabla 3-5 Características vehículo eléctrico i-MIEV Mitsubishi. Tomada de [43, 52]

Los diferentes estudios realizados con el VE i-MIEV de la Tabla 3-5 y otros modelos

diferentes, sostienen que éstos prototipos son los más comunes en el mercado.

Para el VE en mención, se obtienen las características eléctricas de la batería en la

Tabla 3-6 [42, 50].

35

PARÁMETROS DE LA BATERÍA DEL VE MODELO i-MIEV MITSUBISHI

Capacidades [𝒌𝑾𝒉] 10 − 20

𝑸𝒃𝒂𝒕 [𝑨𝒉] 50

𝑸𝒃𝒂𝒕 [𝒌𝑾𝒉] 16

𝑽𝒃𝒂𝒕 [𝑽] 330

𝑹𝒊𝒏𝒕 [𝛀] 0,484

𝑨 [𝑽] 52,8

𝑩 [𝑨𝒉−𝟏] 0,085

𝑲 [𝑽] 2,628

𝑬𝟎 [𝑽] 343,63

Tabla 3-6 Parámetros de la batería del vehículo eléctrico i-MIEV de Mitsubishi. Adaptada de [42, 50]

3.3 Escenarios de entrada de Vehículos Eléctricos

Para realizar un análisis de la energía consumida por la entrada masiva de VE, se

requiere establecer porcentajes de penetración de los mismos al conjunto

residencial. Dichos porcentajes corresponden a los escenarios de entrada de VE,

los cuales se evalúan para determinar la EE con la variación de la cantidad de VE

que serán recargados en un mismo día.

En estudios previos se ha evaluado el efecto del porcentaje de penetración de los

VE en la curva de carga de un sistema de distribución [42, 53, 54] y en la curva de

carga de un conjunto residencial [55]. A partir de los resultados de estos estudios,

se plantea que los porcentajes de entrada de VE seleccionados para este estudio

son del 30%, 50% y 70%.

De acuerdo a esta consideración, se procede a realizar y ejecutar el modelo

probabilístico de la recarga de VE propuesto en [42, 50].

Modelo probabilístico para la demanda del VE

En Barcelona, fue diseñado e implementado un modelo probabilístico del consumo

de los VE en la red de distribución, para así evaluar junto con la demanda nacional,

el ingreso de los VE a la ciudad [50]. Este modelo también se adaptó en la ciudad

de Bogotá D.C, para analizar el impacto que los VE tendrían en las redes eléctricas

de la ciudad y realizar una gestión en tiempo real de la recarga de VE con las

características de la movilidad ciudadana de Bogotá [42].

36

Para ésta investigación, se utiliza el modelo descrito anteriormente [42, 50] para

realizar el modelo de consumo de los VE que ingresan al conjunto residencial en

estudio. De acuerdo a Martínez (Barcelona) [50], Mendoza y Quintero (Bogotá) [42],

en el modelo se requieren los factores de la Figura 3-5.

Figura 3-5 Factores necesarios para la generación del modelo probabilístico para la demanda del VE [50].

Cuando se ejecuta el modelo con las cargas de los VE, los consumos derivados de

la conexión de éstos deben distribuirse en la cantidad de nodos (cargadores

instalados en el conjunto residencial) de la forma en que lo establecen las variables

aleatorias que lo componen. El estudio se lleva a cabo en un día, por lo cual también

requiere de modelar el consumo para cada hora del día [50].

Como no hay datos históricos del consumo de VE, el modelo probabilístico que

representa el consumo de los VE en el conjunto se calcula a través de unas

variables de entrada y mediante el método de Montecarlo [50]. Las variables de

entrada requeridas son:

Distribución del VE a lo largo de los nodos de la red

Hora de conexión del VE

Movilidad ciudadana

Determina cuándo y dónde se inicia la recarga de un vehículo.

Características técnicas de los

VE

Determina los parámetros de las

baterías a recargar.

Cantidad de VE

Afecta directamente al número de baterías que será necesario recargar simultáneamente.

37

Característica de carga de la batería

Energía consumida por el VE previamente a la conexión

Dicho procedimiento pasa por dos grandes etapas:

Generación del número de conexiones de VE que tiene lugar para cada hora

y cada nodo, (construcción del modelo probabilístico)

Determinación del modelo eléctrico para la recarga de las baterías.

El proceso para llegar a la demanda de energía de los VE (resultado final del

esquema de la Figura 3-6), se compone de la generación de una cantidad de VE

para cada hora (distribución de viajes en cada hora), asignándoles una energía

consumida para cada uno, teniendo en cuenta las distancias recorridas en cada

desplazamiento [54].

Figura 3-6 Modelo probabilístico para la demanda del VE, adaptada de [42]

Generación del número de conexiones de VE que tiene lugar para cada hora y cada

nodo

Distancias recorridas en cada desplazamiento

Distribución de viajes en cada hora

Porcentaje de VE que realizan una cantidad de

desplazamientosModelo variable aleatoria

Función de probabilidad Energía consumida

Número de conexiones generadas en cada hora

Determinación del modelo eléctrico para la recarga de las baterías

Capacidad batería: 16 kWh

Modelo eléctrico de recarga de las baterías

Demanda de energía del VE

38

Sin embargo, el VE tiene una curva de consumo dependiente de las características

de la batería, cantidad de desplazamientos y kilómetros recorridos. Esta información

se puede conseguir mediante los patrones de movilidad de la ciudad [56], y

partiendo de la hipótesis de que el comportamiento de los viajes de los usuarios del

conjunto residencial, mantendrá la misma forma, pero no el mismo número de viajes

que la curva de movilidad para la ciudad de Bogotá [42].

Figura 3-7 Distribución horaria de los viajes de regreso a casa para los vehículos particulares, tomada de [42, 56].

De ésta manera se establece la curva de carga de un conjunto de VE, de acuerdo

a cada porcentaje de entrada. Un ejemplo de cada porcentaje se observa en la

Figura 3-8, en el cual, se realiza una simulación de cada porcentaje.

Figura 3-8 Ejemplos de curvas de carga para cada porcentaje de entrada de VE al conjunto residencial.

0

10

20

30

40

50

1 2 3 4 5 6 7 8 9 101112131415161718192021222324

PO

TE

NC

IA [

kW

]

HORA

CURVAS DE CARGA DIFERENTES PORCENTAJES DE

ENTRADA DE VE

30%

50%

70%

39

Este modelo permite que las condiciones de carga, así como la demanda de

potencia requerida por la red varíen aleatoriamente, siguiendo una distribución de

probabilidad de la energía requerida por la batería. En este sentido, es importante

destacar que cada simulación realizada en un mismo porcentaje de entrada, genera

una curva de carga distinta.

Recarga de las baterías

3.3.2.1 Características de carga y descarga de las baterías

La capacidad o cantidad de energía que puede almacenar la batería, es un

parámetro que determina la distancia que un VE puede recorrer hasta su descarga

y representa el flujo de corriente que puede mantener la batería durante una hora

[42, 57]. Ésta se representa mediante un índice denotado con la letra C, que

proporciona la capacidad de una batería al descargarse a una determinada

velocidad. Sus unidades son [A-h] [42].

De acuerdo a [42, 50], las baterías pueden verse afectadas por la disminución

abrupta de su tensión después de pasar por un determinado valor al descargarse,

lo cual afecta la energía almacenada en la batería expresada en [Wh] y dada por su

capacidad [Ah] y su tensión [V]. Por lo anterior, existen métodos de carga para que

la vida útil de la batería no sea afectada en cada recarga: Tensión constante,

corriente constante y combinación de tensión y corriente constante [42, 50]. Para el

desarrollo del modelo propuesto por [42, 50], se utiliza el método combinado de

tensión y corriente constante. La efectividad de este método depende de la

estimación del estado de carga de la batería (SoC), que establece un porcentaje de

la capacidad que posee la batería con respecto a su capacidad nominal, con el fin

de controlar la tensión y la corriente bajo la condición de carga actual de la batería

[42].

3.3.2.2 Modelo eléctrico para la recarga de las baterías

El modelo eléctrico comúnmente usado para describir el comportamiento de la carga

y descarga de las baterías es el de Shepherd, el cual se encuentra incluido en las

librerías de Matlab/Simulink [42, 58]. A partir de este modelo, Tremblay propone

40

algunas modificaciones, y lo adapta a los VE [59]. El modelo de Tremblay se toma

como referencia para describir el comportamiento de la recarga de la batería en [42,

50]. El comportamiento de la tensión interna y corriente de carga de la batería se

describe en las Ecuaciones (3-6) y (3-7), respectivamente [42, 50].

𝐸 =

{

𝐸0 − 0.7K

𝑄𝑏𝑎𝑡

𝑖𝑡 + 0.1 (𝑄𝑏𝑎𝑡𝑄0100)

+ 𝐴𝑒[−𝐵((𝑄𝑏𝑎𝑡

𝑄0100

)+𝑖𝑡)−0.7𝐵𝑄𝑏𝑎𝑡]𝑠𝑖 [

𝑖𝑡 + 𝑄0𝑄𝑏𝑎𝑡

] < 0.7

𝐸0 − K + A 𝑠𝑖 [𝑖𝑡 + 𝑄0𝑄𝑏𝑎𝑡

] ≥ 0.7

(3-6)

𝐼𝑐𝑎𝑟𝑔𝑎 =

{

(𝑉𝑐𝑎𝑟𝑔𝑎 ∗ 𝑄𝑏𝑎𝑡)𝑒

(𝐸∗𝑄𝑏𝑎𝑡∗𝑉𝑐𝑎𝑟𝑔𝑎

0.3∗𝑄𝑏𝑎𝑡)∗(−𝑡+

0.7𝑉𝑐𝑎𝑟𝑔𝑎

−𝑄0

𝑉𝑐𝑎𝑟𝑔𝑎∗100)𝑠𝑖 [

𝑖𝑡 + 𝑄0𝑄𝑏𝑎𝑡

] > 0.7

𝑉𝑐𝑎𝑟𝑔𝑎 ∗ 𝑄𝑏𝑎𝑡 𝑠𝑖 [𝑖𝑡 + 𝑄0𝑄𝑏𝑎𝑡

] ≤ 0.7

(3-7)

De acuerdo con el modelo anterior, las características de la batería del VE i-MIEV

(Tabla 3-6) y el procedimiento descrito en [42] y [50], se obtiene la curva de carga

de la batería. La Figura 3-9 presenta un ejemplo con una descarga del 85% y una

velocidad de carga de 0.2C.

Figura 3-9 Curva de consumo de potencia, con una descarga del 85% y una velocidad de carga de 0.2C

41

Resultados del modelo implementado

De acuerdo a lo descrito en las secciones 3.3.1 y 3.3.2, se obtienen las curvas de

carga por cada escenario de entrada de VE que se presentan a continuación. Cabe

destacar que para cada escenario se ejecutaron 100 simulaciones, con el fin de

analizar los cambios en consumo de energía por cada simulación. A partir de esto

se obtuvo que para cada escenario la variación de los datos es mínima; sin

embargo, para establecer esta variación se empleó el coeficiente de variación, el

cual mide la dispersión relativa de un conjunto de datos, es decir, es el indicador del

grado de aproximación de los datos, de acuerdo a la ecuación (3-8) [60].

𝐶𝑉 = (𝜎

𝜇) ∗ 100% (3-8)

Dónde: CV es el coeficiente de variación, es la desviación estándar y es la media

aritmética.

3.3.3.1 Escenario del 30% de entrada de VE

Con las 100 simulaciones realizadas, en la Figura 3-10 se presentan las curvas de

potencia de las simulaciones y en rojo se presenta la curva de potencia base para

este escenario.

Figura 3-10 Curvas de potencia de las 100 simulaciones para el 30% de entrada de VE

0

5

10

15

20

1 2 3 4 5 6 7 8 9 101112131415161718192021222324

PO

TE

NC

IA

[k

W]

HORAS

CURVAS DE POTENCIA 30% DE ENTRADA VE

42

Para este escenario, se cuenta con un total de 24 vehículos, y la Figura 3-10

muestra la curva promedio de la recarga de los VE. En este caso se observa que la

mayor cantidad de VE llegan a recargarse al conjunto residencial a la hora pico

(20:00), por lo que a esa hora se presenta el valor máximo de potencia consumida

(15 kW).

En la Figura 3-11 se presenta la dispersión de la energía consumida de acuerdo a

las simulaciones realizadas, de lo cual se obtiene la energía promedio para este

escenario de 148,5 kWh/día, y se presenta un coeficiente de variación de los datos

de 3%.

Figura 3-11 Dispersión de datos de la energía a partir de las simulaciones y energía promedio.


Para este escenario, la Figura 3-12 presenta las curvas de potencia de las

simulaciones. Para este escenario, se cuenta con un total de 40 vehículos, que se

cargan de acuerdo al comportamiento observado en la curva base (curva en rojo)

de la Figura 3-12. En este caso la potencia consumida alcanza su nivel máximo a

las 20:00 horas, llegando a 25 kW.

135

140

145

150

155

160

165

1 10 19 28 37 46 55 64 73 82 91 100

EN

ER

GÍA

[k

Wh

]

SIMULACIONES

43





de 2%.



Para este caso, se cuenta con un total de 56 vehículos, y la Figura 3-14 muestra las

curvas de carga de las simulaciones y la curva promedio de la recarga de los VE

0

5

10

15

20

25

30

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24

PO

TE

NC

IA [

kW

]

HORAS


240

245

250

255

260

265

270

275

280

1 10 19 28 37 46 55 64 73 82 91 100

EN

ER

GÍA

[k

Wh

]

SIMULACIONES

44

(curva roja). Nuevamente la potencia máxima se presenta a las 20:00 horas,

llegando a 37 kW.





de 1%.


0

10

20

30

40

50

1 2 3 4 5 6 7 8 9 101112131415161718192021222324

PO

TE

NC

IA [

kW

]

HORAS


345

350

355

360

365

370

1 10 19 28 37 46 55 64 73 82 91 100

EN

ER

GÍA

[k

Wh

]

SIMULACIONES

45

Las curvas obtenidas mediante el modelo probabilístico de la sección 3.3.1,

representan los tres escenarios de entrada de VE, en las cuales se ve un elevado

consumo de potencia en horas pico, llegando a sus valores máximos en el periodo

comprendido entre las 18:00 y 22:00. Así mismo se puede determinar, que el

coeficiente de variación es bajo en todos los escenarios.


Para un estudio de EE, se requiere de información confiable, por lo cual se necesita

de un equipo apropiado para realizar las mediciones y su vez tener claros los

parámetros que se ajusten a las necesidades de la investigación.

Es posible determinar el caso base para la evaluación de indicadores, a partir de

mediciones reales, las cuales al ser procesadas establecen las curvas de potencia

promedio para cada una de las áreas del conjunto residencial.

El modelo probabilístico para la entrada de VE, permite generar distintas curvas de

carga en cada uno de los escenarios. Sin embargo, para la evaluación de EE se

requiere particularmente el consumo de energía al día. Es así que, al realizar

distintas simulaciones para el mismo escenario, se pudo concluir que la variación

en el consumo de energía fue mínima, de acuerdo al coeficiente de variación

calculado en cada escenario.

47

CAPITULO 4

EVALUACIÓN DE LA EFICIENCIA ENERGÉTICA

En este capítulo se realiza la evaluación de la eficiencia energética, contando con

los indicadores seleccionados y los escenarios determinados anteriormente. Se

analiza cada indicador y se describe cuál es su comportamiento.

4.1 Descripción del procedimiento

En la sección 3.1, fue posible obtener información real por medio de mediciones

hechas con un analizador de red a diferentes apartamentos, con lo cual se pudo

determinar el caso base en un conjunto residencial típico de estrato 4. Por otra parte,

se pudieron determinar las curvas de potencia para cada escenario de entrada de

VE. Sin embargo, ésta información por sí sola no permite llegar a una conclusión,

por tanto, se requiere de un proceso que permita observar el panorama de los

escenarios para cada eje fundamental: ambiental, técnico y económico.

Este proceso se lleva a cabo mediante la evaluación de indicadores de EE. Para

realizar dicha evaluación se presenta el orden señalado en la Figura 4-1, la cual

indica que es necesario principalmente evaluar los indicadores técnicos, ya que la

información brindada por éstos representa el inicio de la evaluación de los demás

indicadores.

Figura 4-1 Proceso evaluación de indicadores

ECU, ECAT, CEPVE

ECOU, DEVE

CEAT

48

4.2 Evaluación de la eficiencia energética para el eje técnico

Indicador ECU

Para este indicador, los resultados se presentan en la Tabla 4-1 y su representación

gráfica en la Figura 4-2.

ESCENARIOS ECU

[kWh/día]

Caso base 5,85

Escenario 30% 7,71

Escenario 50% 9,11

Escenario 70% 10,32

Tabla 4-1 Resultados indicador ECU

Figura 4-2 Resultados gráficos indicador ECU

La tendencia observada indica que la energía consumida por cada usuario es lineal

respecto al ingreso de los VE, teniendo en cuenta que, a mayor porcentaje de

ingreso, mayor va a ser el consumo promedio de energía.

Con respecto al caso base, la variación de consumo de energía para cada escenario

es de 32%, 56% y 76%, respectivamente.

0

2

4

6

8

10

12

14

Caso Base Escenario30%

Escenario50%

Escenario70%

En

erg

ía [

kW

h/d

ía]

Escenarios

49

Indicador ECAT

Los resultados del análisis de este indicador se observan en la Tabla 4-2 y en la

Figura 4-3.

ESCENARIOS ECAT

[kWh/día]

Caso base 667,41

Escenario 30% 815,92



Tabla 4-2 Resultados Indicador ECAT

Figura 4-3 Resultados gráficos indicador ECAT

El comportamiento del indicador ECAT es similar al indicador ECU, debido a que

son los usuarios quienes consumen la mayor cantidad de energía en el conjunto y

la entrada de VE produce un aumento de la energía en forma lineal para cada

escenario.

Para el caso base, la energía consumida al día es de 667,41 kWh, mientras que

para los escenarios de 30%, 50% y 70% de penetración de los VE la energía

0

200

400

600

800

1000

1200

1400


Escenario50%

Escenario70%

En

erg

ía [

kW

h/d

ía]

Escenarios

50

consumida es 815,92 kWh, 927,58 kWh y 1024,76 kWh, respectivamente. Esto

representa una variación en el consumo de energía del 22%, 39% y 54%.

Esto quiere decir que, con la entrada de VE al conjunto residencial, los indicadores

de EE de consumo energético se ven afectados, por lo cual es necesario adoptar

planes de acción que permitan una disminución del consumo de energía en alguna

de las partes implicadas o varias de ellas.

Indicador CEPVE

Este indicador determina únicamente el consumo de energía de los porcentajes de

entrada de VE, como se observa en la Tabla 4-3 y la Figura 4-4.

ESCENARIOS CEPVE

[kWh/día]

Caso base 0,00




Tabla 4-3 Resultados indicador CEPVE

Figura 4-4 Resultados gráficos indicador CEPVE

0

50

100

150

200

250

300

350

400


Escenario50%

Escenario70%

En

erg

ía [

kW

h/d

ía]

Escenarios

51

Para este indicador, la energía consumida aumenta proporcionalmente a medida

que crece el porcentaje de entrada de VE. El caso base no presenta energía

consumida debido a que para este escenario no se supone ingreso de VE.

4.3 Evaluación de eficiencia energética para el eje ambiental

Indicador ECOU

Para este indicador, los resultados se encuentran en la Tabla 4-4 y la Figura 4-5.

ESCENARIOS ECOU

[kgCO2eq/día]

Caso Base 1,2

Escenario 30% 1,5

Escenario 50% 1,8

Escenario 70% 2,1

Tabla 4-4 Resultados indicador ECOU

Figura 4-5 Resultados gráficos indicador ECOU

Debido a que la información para este indicador es tomada del consumo de energía

para cada escenario, resultante del indicador ECU, el indicador ECOU presenta el

mismo comportamiento lineal con respecto al nivel de penetración de los VE que

0

1

1

2

2

3


Escenario50%

Escenario70%

Em

isio

ne

s

[kg

CO

2e

q/d

ía]

Escenarios

52

ingresan al conjunto. Esto quiere decir que al aumentar la entrada de VE se afecta

el medio ambiente, en proporción al consumo de energía que los VE demandan. Sin

embargo, teniendo en cuenta que la entrada de VE sustituye los vehículos

convencionales, los cuales presentan emisiones de CO2 por galón consumido de

8,81 kgCO2eq [39, 61], se observa claramente que las emisiones por la recarga de

los VE son mínimas, tal como se observa en el siguiente numeral.

Indicador DEVE

Este indicador obtiene resultados claros acerca de la conveniencia ambiental del

cambio de vehículos convencionales a VE. Para analizar los resultados, se

determinaron las marcas de vehículos convencionales más influyentes en el

mercado colombiano, los cuales se presentan en la Figura 4-6 [62].

Figura 4-6 Marcas y modelos más vendidos en Colombia [62]

La base de datos de coches que tiene el IDAE (Instituto para la Diversificación y

Ahorro de la Energía) suministra la información de emisiones de CO2 por cada

kilómetro recorrido de cada vehículo [63]. Con esta información se calculó el

promedio de las emisiones de CO2 por cada kilómetro recorrido de todos los

vehículos investigados, obteniendo que un vehículo convencional a gasolina,

produce en promedio 0,12 kgCO2/km.

A continuación, se calculan las emisiones de CO2 de los vehículos convencionales

a gasolina para cada escenario. Para esto se necesita de la siguiente información:

Chevrolet Sail

Renault Sandero

Chevrolet Spark GT

Renault Logan

Ford Fiesta

Chevrolet Spark

Mazda 3Nissan March

Kia Picanto

Kia Rio Spice

53

Consumo normalizado por VE, I-MIEV de Mitsubishi: 0,125 kWh/km.

Promedio de emisiones de CO2 de los vehículos convencionales a gasolina:

0,12 KgCO2eq/km.

Energía total consumida para cada porcentaje (CEPVE) [kWh/día].

Para determinar el total de kilómetros recorridos en un día, para cada escenario, se

utiliza la ecuación (4-1).

𝑇𝑜𝑡𝑎𝑙 𝑘𝑚 =𝐶𝐸𝑃𝑉𝐸 [

𝑘𝑊ℎ𝑑í𝑎

]

0,125 [𝑘𝑊ℎ𝑘𝑚

]

(4-1)

Donde, Total km es el total de kilómetros al día para cada escenario, CEPVE es el

resultado del indicador de consumo de energía por porcentaje de entrada de VE.

Teniendo el total de kilómetros recorridos por los vehículos en un día, para cada

escenario, se procede a calcular las emisiones de CO2 al día de los vehículos

convencionales a gasolina, con la ecuación (4-2).

𝐸𝑚𝑖𝑠𝑖𝑜𝑛𝑒𝑠 𝑑𝑒 𝐶𝑂2 𝑎𝑙 𝑑í𝑎 𝑉𝑐𝑜𝑛𝑣 = 𝑇𝑜𝑡𝑎𝑙 𝑘𝑚 [𝑘𝑚

𝑑í𝑎] ∗ 0,12 [

𝑘𝑔𝐶𝑂2𝑒𝑞

𝑘𝑚]

(4-2)

Obteniendo el equivalente de emisiones de CO2 al día, para cada escenario de

penetración, de los vehículos convencionales. Adicionalmente, se calculan las

emisiones de CO2 debidas a la recarga de los VE en cada escenario de entrada,

para lo cual se requiere de la siguiente información, y la ecuación (4-3):

Factor emisión de energía eléctrica: 0,1990 kgCO2eq/kWh

Energía total consumida en la recarga de cada porcentaje de entrada de VE

[kWh/día].

𝐸𝑚𝑖𝑠𝑖𝑜𝑛𝑒𝑠 𝑑𝑒 𝐶𝑂2 𝑎𝑙 𝑑í𝑎 𝑉𝐸 = 𝐶𝐸𝑃𝑉𝐸 [𝑘𝑊ℎ

𝑑í𝑎] ∗ 0,1990 [

𝑘𝑔𝐶𝑂2𝑒𝑞

𝑘𝑚]

(4-3)

A partir del procedimiento anteriormente mencionado se obtiene la Tabla 4-5.

54

Escenarios

Kilómetros recorridos por

todos los vehículos convencionales

[km/día]

Emisiones de CO2 del total de vehículos

convencionales

[kgCO2eq/día]

Emisiones CO2 por porcentaje de entrada

de VE

[kgCO2eq/día]

30% 1188,1 142,6 29,6

50% 2081,4 249,8 51,8

70% 2858,7 343,0 71,1

Tabla 4-5 Resultados emisiones de CO2 de vehículos convencionales y de recarga de VE, para cada escenario

De la Tabla 4-5, se obtiene la información para calcular indicador DEVE, y sus

resultados se observan en la Tabla 4-6 y en la Figura 4-7.

ESCENARIOS DEVE [KgCO2eq/día]

Caso Base 0

Escenario 30% 113

Escenario 50% 198

Escenario 70% 272

Tabla 4-6 Resultados indicador DEVE

Figura 4-7 Resultados gráficos indicador DEVE

0

50

100

150

200

250

300


Escenario50%

Escenario70%

Em

isio

ne

s

[kg

CO

2e

q/d

ía]

Escenarios

55

Con este indicador se demuestra el beneficio ambiental debido al cambio de un

vehículo convencional por otro eléctrico, pues en cualquiera de los tres escenarios

se reducen más de 100 kgCO2eq diariamente, aumentando el beneficio ambiental

a medida que aumenta el porcentaje de VE.

4.4 Evaluación de la eficiencia energética para el eje

económico

Indicador CEAT

Los resultados de este indicador determinan los costos por consumo de energía,

como se observa en la Tabla 4-7 y en la Figura 4-8.

El precio del kWh corresponde al mes de septiembre de 2016, el cual es de $ 444,5

COP para el sector residencial estrato 4 [40].

ESCENARIOS CEAT [$ COP/día]

CEAT [$ COP/mes]

Caso Base $296.632 $8.898.965

Escenario 30% $362.639 $10.879.168

Escenario 50% $412.266 $12.367.968

Escenario 70% $455.454 $13.663.620

Tabla 4-7 Resultados indicador CEAT

Figura 4-8 Resultados gráficos indicador CEAT, en miles de pesos y millones de pesos, respectivamente.

$-

$100

$200

$300

$400

$500


Escenario50%

Escenario70%

Co

sto

s d

e e

ne

rgía

[Mil

es C

OP

/d

ía]

Escenarios

$-

$2

$4

$6

$8

$10

$12

$14

$16


Escenario50%

Escenario70%

Co

sto

s d

e e

ne

rgía

[Mil

lon

es C

OP

/m

es]

Escenarios

56

Como se puede observar, lo que paga el conjunto, incluyendo la energía consumida

por cada apartamento, la energía consumida con la recarga del VE y las zonas

comunes, aumenta con respecto al caso base de la misma manera en que aumentó

el indicador ECAT.

Reducción de costos en gasolina por el cambio de vehículo

convencional a VE.

Para realizar el cálculo de la reducción de costos en gasolina, se requiere de la

siguiente información:

Promedio de kilómetros recorridos por cada galón de gasolina en ciudad: De

acuerdo a [64], un vehículo de motor de combustión interna consume en 100

Km recorridos aproximadamente 1,8 galones de gasolina (dato orientativo

medio del mercado de coches). Por lo tanto, de acuerdo a ésta información,

un vehículo promedio recorre 55,5 Km/galón.

Precio de gasolina para mes de septiembre de 2016 (teniendo en cuenta que

para los cálculos de costos de energía se utiliza también el precio de energía

para el mes de septiembre de 2016): $7.934 COP [65].

En la Tabla 4-5, se determina la cantidad de kilómetros recorridos por el total de

vehículos en cada escenario, lo cual se divide en el promedio de consumo de

gasolina (55,5 Km/galón), para obtener los galones de gasolina consumidos por

cada escenario (30%, 50%, 70%).

Escenarios Galones totales al día

Costos en gasolina [$ COP/día]

Galones por

vehículo al día

Costos en gasolina por vehículo convencional [$

COP/día]

30% 21 $169.845 0,9 $7.077

50% 38 $297.542 0,9 $7.439

70% 52 $408.672 0,9 $7.298

Tabla 4-8 Costos en gasolina por vehículo convencional en cada escenario

57

El promedio general de costos en consumo de gasolina por usuario es de $7.271

COP/día.

Por otra parte, se requiere determinar los costos por la recarga de los VE, lo cual se

presenta en la Tabla 4-9.

Escenarios Costos por recarga de cada VE

[$ COP/día]

30% $ 2.750

50% $ 2.891

70% $ 2.836

Tabla 4-9 Costos por recarga de cada VE

Por lo cual, en promedio, el costo por la recarga de cada VE es de $2.826 COP/día.

El ahorro económico por cambio de tecnología de un vehículo convencional a VE al

día es de: $ 4.445 COP/día.

Para cada porcentaje de entrada de VE, el ahorro en compra de combustible se

encuentra en la Tabla 4-10.

Escenarios Ahorro en combustible total al día

[$ COP/día]

Porcentaje de ahorro [%]

30% $106.688 63%

50% $177.813 60%

70% $248.938 61%

Tabla 4-10 Ahorro en compra de combustible por cada porcentaje de entrada de VE.

Este análisis se da en un escenario ideal, sin tener en cuenta la inversión inicial

ocasionada por la compra del VE.

Teniendo en cuenta lo anterior, también se realizan los cálculos en los cuales se

incorpora el costo de VE, para poder evaluar en un escenario más realista si existe

en realidad ahorro económico al realizar este tipo de sustitución tecnológica.

Para llevar a cabo este procedimiento se debe tener en cuenta la siguiente

información:

58

El precio del VE iMiev de Mitsubishi modelo 2016 es de $ 98’750.460 COP

[66].

El precio del VE convencional equivalente

El ahorro en costos de combustible obtenido anteriormente de $ 4.445 COP

al día, que equivale a un ahorro anual de $1’622.425 COP.

A partir de esta información se tiene que, si el usuario compra el VE realizando la

inversión total, se presenta un tiempo de retorno de la inversión de 61 años.

Sin embargo, al realizar la sustitución de tecnología de vehículo convencional a VE,

se encuentra que si se hace la venta del vehículo convencional con el fin de

disminuir la inversión inicial por la compra del VE se llega a los datos presentados

en la Tabla 4-11.

Marca del Vehículo

Precio Vehículo

Convencional

precio de VE Imiev

Mitsubishi Diferencia

Ahorro Económico por cambio

de tecnología al

año

Tiempo de retorno de

la inversión en años

Chevrolet Sail $37.230.000 $98.750.460 $ 61.520.460 $ 1.622.425 38

Chevrolet Spark $32.900.000 $98.750.460 $ 65.850.460 $1.622.425 41

Chevrolet Spark GT $30.700.000 $98.750.460 $ 68.050.460 $1.622.425 42

Ford Fiesta $52.990.000 $98.750.460 $ 45.760.460 $1.622.425 28

Kea Picanto $31.900.000 $98.750.460 $ 66.850.460 $1.622.425 41

Kia Rio Spice $39.700.000 $98.750.460 $ 59.050.460 $1.622.425 36

Mazda 3 $51.000.000 $98.750.460 $ 47.750.460 $1.622.425 29

Nissan March $28.300.000 $98.750.460 $ 70.450.460 $1.622.425 43

Renault Logan $29.900.000 $98.750.460 $ 68.850.460 $1.622.425 42

Renault Sandero $42.990.000 $98.750.460 $ 55.760.460 $1.622.425 34

Tabla 4-11 Tiempo de retorno de la inversión si se realiza cambio de vehículo.

4.5 Conclusión del capítulo

Los diferentes indicadores analizados tienen una tendencia lineal. Por tal razón, es

necesario implementar planes de ahorro energético y de EE, para contrarrestar los

efectos negativos que ejerce la entrada de VE sobre los indicadores y potenciar más

59

los efectos positivos, como lo es la disminución de emisiones contaminantes y la

disminución en costos de combustible.

60

CAPITULO 5

PLAN DE MEJORA DE LA EFICIENCIA ENERGÉTICA

En este capítulo se evalúan posibles soluciones relacionadas con mejoras en la EE

y se analizan los resultados por medio de los indicadores previamente establecidos,

los cuales varían al realizar un plan de mejora. Esta parte del estudio se ha basado

en la normatividad vigente y en proyectos que tienen características similares, para

así poder llegar a la solución más adecuada.

5.1 Planes de mejora

Un plan de mejora de la eficiencia energética consiste en fomentar el ahorro de

energía y mejorar la EE, satisfaciendo la demanda energética de cada usuario [67],

permitiendo así mismo la disminución de emisiones de gases contaminantes a la

atmosfera con respecto al consumo energético [68].

En Colombia, programas como el PROURE, se orientan principalmente a la mejora

de la eficiencia energética del país, por cada sector de consumo, en función de la

identificación de potenciales y metas de ahorro energético y participación de

diferentes tecnologías más eficientes [13].

Es así como el PROURE y la ley 1715 de 2014, incentivan al gobierno a expedir el

Reglamento Técnico de Etiquetado (RETIQ), con el fin de establecer medidas para

fomentar el Uso Racional de la Energía (URE) en productos que usan energía

eléctrica y gas combustible, mediante el establecimiento y uso obligatorio de

etiquetas que informan el desempeño de los equipos con respecto a su consumo

energético [13, 14, 69].

De acuerdo al RETIQ, el etiquetado de equipos de uso final previene prácticas que

puedan inducir al error a los consumidores, brindando oportunamente la información

suficiente del desempeño energético de los equipos de uso final de energía que

61

pretenden adquirir. Además, de ésta manera se garantiza a nivel general el

abastecimiento energético mediante el uso de equipos que apliquen el URE [69].

Complementariamente, se impulsa la utilización de tecnología eficiente, orientando

la preferencia de los usuarios hacia la compra de equipos de mejor desempeño

energético, incrementando la oferta y demanda de equipos eficientes [69].

El etiquetado de los equipos de uso final contiene una escala tanto de colores como

de porcentajes de consumo energético, clasificada por letras desde la A hasta la G,

la cual se observa en la Figura 5-1 [67, 69, 70].

Figura 5-1 Escala de etiquetado energético, adaptada de [68, 70].

Al año 2015, el potencial de ahorro de energía eléctrica estimado por la UPME

para el sector residencial fue de 10,6% y la meta de ahorro de energía de 8,7%.

La UPME realizó la proyección de esta meta a 6 años, igualmente, este plan de

acción tiene visión al 2025. Para lograr dicha meta, se crearon programas

estratégicos prioritarios y líneas de acción por cada programa [13]. Los

Clase A (Los más eficientes): consumo de energía inferior al 55% del consumo medio de los aparatos tradicionales.

Clase B: gastan entre el 55% y el 75% de consumo medio.

Clase C: gastan entre el 75% y el 90% de consumo medio.

Clase D: gastan entre el 90% y el 100% de consumo medio.

Clase E: gastan entre el 100% y el 110% de consumo medio.

Clase F: gastan entre el 110% y el 125% de consumo medio.

Clase G (Los menos eficientes): gastan más del 125% de consumo medio.

62

programas realizados por la UPME más representativos para el presente estudio

y denominados como sustitución de tecnología, son los siguientes [13]:

Sustitución de luminarias

Uso eficiente de energía en equipos de refrigeración y aire acondicionado

doméstico

Hornillas eficientes

Así mismo, en la Universidad Distrital Francisco José de Caldas se han realizado

estudios acerca del uso racional y eficiente de la energía en edificios públicos en

Colombia [19], implementación de indicadores energéticos en centros educativos

[23], evaluación de indicadores de EE en edificios residenciales con entrada de VE

y planes de mejora de la EE para los usuarios [55], y estudios de proyección de la

demanda de energía basada en los hábitos del consumo en el sector residencial

[71]. Otros estudios particulares presentan el análisis de la EE en los hogares a

través de indicadores [72].

Los resultados de estos estudios previos, permiten visualizar soluciones efectivas

para promover el ahorro energético y aumentar la EE. Conforme a estos resultados,

para lograr ahorro de energía es fundamental que el usuario adopte conciencia con

respecto a sus hábitos de consumo [68, 72, 71]. En el mismo orden, mejorar la EE

implica reducir la cantidad de energía necesaria para satisfacer las necesidades del

usuario, sin que esto afecte su calidad de vida. Para ello, a nivel de usuario

residencial, lo más apropiado es sustituir equipos poco eficientes, por nuevos que

garanticen las mismas prestaciones, consumiendo menos energía eléctrica [68].

Para realizar el plan de mejora más adecuado, se combinan las dos soluciones

mencionadas anteriormente. Esto debido a que la energía consumida depende de

la potencia (electrodomésticos) y las horas de uso (hábitos de consumo) [67]. Por

lo tanto, son complementarias pues de nada sirve disminuir la potencia por medio

de la sustitución de equipos, si los hábitos de consumo son desmedidos permitiendo

malgastar energía [68].

63

Programas de concientización y buenas prácticas para el ahorro

de energía

Los programas de concientización no requieren de una inversión a nivel de usuario,

pues el recurso utilizado para éste son las buenas prácticas para el ahorro de

energía. En este plan, el ahorro depende de si el usuario acata las recomendaciones

realizadas.

En [71] se analizan diferentes escenarios de hábitos de consumo y se determina la

energía que se puede reducir con diferentes prácticas de ahorro energético. Por

ejemplo, reducir un 10% el consumo del grupo de dispositivos de iluminación entre

las 5:00 - 7:00 y las 18:00 - 21:00, da como resultado una disminución de energía

consumida del 2,99% respecto al escenario base.

Realizando prácticas como la anteriormente mencionada, y otras más, se reduce el

consumo energético sin necesidad de realizar una inversión elevada. Por otra parte,

de acuerdo a [72], en hogares estudiados y medidos antes y después de incentivar

a los usuarios a realizar buenas prácticas de ahorro energético, se obtuvo un ahorro

aproximado de energía eléctrica de 1 kWh/día [72].

Para realizar este plan, se cuenta con diferentes consejos sencillos de buenas

prácticas los cuales se presentan en la Figura 5-2 [67, 73].

64

Figura 5-2 Buenas prácticas para el ahorro de energía [67, 73]

• Apague los bombillos de las habitaciones cuando se queden vacías.

• Aproveche al máximo la luz natural.

• Dejar colores claros en las paredes.

• Limpiar periódicamente las lámparas y luminarias para aumentar la luminosidad

Iluminación

• Evite abrir varias veces la puerta de la nevera sin necesidad.

• Evite introducir alimentos calientes a la nevera.

• Mantenga en óptimas condiciones el caucho de la puerta de la nevera.

• En Bogotá, el termostato de la nevera debe estar preferiblemente en nivel 3 para mantener una temperatura estable sin consumir más energía de la necesaria.

• Utilice la lavadora en su capacidad completa.

Equipos de refrigeración y de

lavado

• Al cocinar tape las ollas para no desperdiciar calor ni energía.

• Utilice el calor residual de la plancha para planchar la última prenda.

• Reúna siempre la mayor cantidad de ropa para plancharla de una sola vez.

• Utilice el calor residual de la sanduchera.

Equipos de calor

• Evite dejar el cargador del celular y del computador conectado sin utilizarlo.

• Si no requiere el computador apague el monitor.

• Evite dejar encendidos equipos como televisores sin usarlos.

• Si sale por varios días puede desconectar los aparatos que no requieran un uso continuo de energía.

Otros electrodomésticos

65

Sustitución tecnológica

La sustitución de la tecnología en electrodomésticos, pretende conseguir mejoras

en la EE para los usuarios, sin disminuir su confort, permitiendo a los usuarios

reducir sus consumos energéticos y así los costos en la factura de energía [19].

Este plan de mejora de la EE, requiere de una inversión por parte del usuario, quien

debe asumir los costos iniciales y esperar el retorno de la inversión realizada en un

periodo de tiempo determinado. Al realizar la sustitución de tecnología, hay factores

que pueden influir en las decisiones del usuario como:

Valor total de la inversión inicial que está dispuesto a realizar.

Tiempo de retorno de la inversión.

Como se mencionó antes, se deben tener presente las etiquetas de EE de los

equipos de uso final de energía, para lo cual se muestra en la Figura 5-3 la etiqueta

que algunos electrodomésticos deben tener para que el usuario tome la decisión de

compra y sustitución.

Figura 5-3 Etiqueta de equipos y electrodomésticos, tomada de [70].

66

5.2 Ejecución de planes de mejora

En el proyecto de grado “Evaluación de demanda de energía eléctrica según hábitos

de consumo actuales en la ciudad de Bogotá” [74], del grupo de investigación

GESETIC de la Universidad Distrital Francisco José de Caldas, se realizaron

encuestas que permiten evidenciar los electrodomésticos que tienen los hogares y

la cantidad de los mismos. En la presente investigación se emplea la información

de cantidad de electrodomésticos por hogar para las encuestas realizadas en

estrato 4, que son 41.

Además, en el proyecto de grado titulado “Análisis y evaluación de los criterios para

el diseño de un sistema de protección interno contra rayos” [41], del grupo de

investigación GCEM de la Universidad Distrital Francisco José de Caldas, se

realizaron 14 encuestas a diferentes usuarios del conjunto residencial bajo estudio,

de las cuales se obtiene también información de los electrodomésticos más

utilizados por cada usuario.

Una vez agrupada la información de las dos encuestas, se obtiene el promedio de

los electrodomésticos más utilizados por hogar (Figura 5-4). Es importante señalar

que esta gráfica no representa la cantidad de electrodomésticos presentes en cada

hogar, sino, de acuerdo a la percepción de los usuarios, la distribución de

electrodomésticos en cuanto a su uso en el hogar.

Con respecto a los datos obtenidos, se evalúan las cargas que más afectan la EE

[55], teniendo en cuenta que algunas de éstas se pueden sustituir por

electrodomésticos más eficientes, de acuerdo al etiquetado energético [69, 71] o por

gasodomésticos.

67

Figura 5-4 Electrodomésticos más comunes, determinados por las encuestas

Se tiene en cuenta además que de acuerdo a las encuestas de [41] y [74] para

estrato 4:

Todos los hogares tienen nevera.

El 98% de los hogares tiene lavadora.

El 22% de los hogares tiene ducha eléctrica, el 51% tiene calentador a gas y

el 11% no tiene ningún tipo de calentador de agua.

El 5% de hogares utilizan aún luminarias incandescentes, el 20% utiliza entre

luminarias incandescentes y fluorescentes compactas, el 21% utiliza

iluminación led, y el 54% utiliza luminarias fluorescentes compactas.

Para lograr una sustitución objetiva, se presentan los siguientes casos, basados en

la información recolectada.

Caso 1: Para un usuario que sustituya la lavadora, la nevera, ducha eléctrica

y 80% de luminarias por iluminación led.

Bombillas 44%

Televisores 9%

Lavadora 3%

Nevera 3%

Plancha 3%

Ducha eléctrica 3%Computador 9%

Celulares

(Cargadores)9%

Secador Cab 3%

Plancha

cabello 3%

Microondas 3%

Licuadora 3%

Sanduchera 3%

Aspiradora 3%

Otros 18%

68

Caso 2: 20% de los hogares del conjunto reemplazan sus neveras por unas

más eficientes.

Caso 3: 20% de los hogares reemplazan las lavadoras por lavadoras más

eficientes.

Caso 4: El 22% de los hogares reemplaza la ducha eléctrica por calentador

a gas.

Caso 5: El 79% de los hogares reemplazan 100% de las luminarias por

luminarias led. Este porcentaje se determina a través de la suma de los

hogares mencionados anteriormente que utilizan otro tipo de iluminación.

Las cargas que se proyectan para la sustitución son:

ELECTRODOMÉSTICOS SUSTITUCIÓN TECNOLÓGICA

Lavadora:

Cambiar el electrodoméstico actual por

una lavadora con EE clase A, la cual, de

acuerdo a su etiqueta de EE consume en

14 ciclos de uso aproximadamente 12

kWh/mes, equivalente a 0,4 kWh/día.

Costo: $744.000 COP.

Figura 5-5 Etiqueta EE para cambio de lavadora

69

Nevera:

Se cambia el electrodoméstico actual por

una nevera clase A, la cual, de acuerdo

a la etiqueta de EE consume

aproximadamente 14,8 kWh/mes,

equivalente a 0,493 kWh/día en

promedio.

Costo: $729.900 COP

Figura 5-6 Etiqueta de EE para cambio de nevera

Ducha eléctrica:

Se cambia la ducha eléctrica por un calentador a gas, el cual no tiene consumo

de energía eléctrica.

Costo: $499.900 COP

Luminarias:

Teniendo en cuenta que se busca aumentar la eficiencia energética, se realiza un

cambio de luminarias a tecnología led comerciales en Colombia, se utilizan varias

luminarias led, con diferentes potencias y costos.

Tabla 5-1 Electrodomésticos sustitución tecnológica

Las demás cargas no sufren ningún cambio tecnológico.

Procedimiento

Para el caso 1, como se describió anteriormente se realizan los tres planes de

mejora. Para el plan de buenas prácticas se utiliza la referencia [72] de ahorro

energético en un día por la implementación de este plan. A partir de ello, se obtiene

el porcentaje de ahorro energético y el ahorro económico. Para el plan de sustitución

de tecnología se determinan por medio de las ecuaciones (5-1), (5-2) y (5-3) los

resultados. Para el plan combinado se realiza la suma del ahorro de las buenas

70

prácticas y del ahorro de la sustitución tecnológica y se determinan los demás

valores por medio de las ecuaciones (5-2) y (5-3).

Para los casos 2 al 5, los cuales hacen alusión a todo el conjunto, se realiza

solamente el plan de sustitución tecnológica de acuerdo a los criterios establecidos

en cada caso. Primero se define el ahorro energético, económico y tiempos de

retorno de la inversión por usuario que realice cada caso y luego se realiza el cálculo

para cada porcentaje de usuarios del conjunto que ejecute el plan, determinando a

nivel de área total el porcentaje de ahorro energético.

Para determinar de manera más real los resultados, se utilizan diferentes marcas

de cada tipo de electrodoméstico con diferentes potencias. Cada vez que se realice

un ejercicio, se obtendrán valores diferentes debido a la variación en los

electrodomésticos de forma aleatoria dentro del algoritmo.

5.2.1.1 Calculo de ahorro de energía y costos

Para realizar el reemplazo de la nevera y la lavadora, las cuales están dentro de los

equipos etiquetados de acuerdo al RETIQ [69], se tiene en cuenta el consumo de

energía representado en kWh/mes, kWh/día o kWh/año. Estos valores se toman

como referencia para realizar el estudio [75]. Para calcular el ahorro energético total

debido al cambio de tecnología, se utiliza la ecuación (5-1).

𝐴ℎ𝑜𝑟𝑟𝑜 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑢𝑚𝑜 𝑑𝑒 𝑒𝑛𝑒𝑟𝑔í𝑎 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 = (𝐸𝐶𝑈) − (𝐸𝑆𝑇) (5-1)

Dónde:

Ahorro consumo de energía total: Representa el ahorro alcanzado debido a

la estrategia de sustitución tecnológica.

ECU: Indicador energía consumida por usuario al día (sección 2.4.1).

EST: Energía consumida con la estrategia de sustitución de tecnología

implementada para cada escenario de sustitución tecnológica anteriormente

mencionado.

71

Teniendo en cuenta lo anterior, para determinar el ahorro económico total se

presenta la ecuación (5-2).

𝐴ℎ𝑜𝑟𝑟𝑜 𝑒𝑐𝑜𝑛ó𝑚𝑖𝑐𝑜 = 𝐴ℎ𝑜𝑟𝑟𝑜 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑢𝑚𝑜 𝑑𝑒 𝑒𝑛𝑒𝑟𝑔í𝑎 ∗ 𝑃𝑟𝑒𝑐𝑖𝑜 𝑘𝑊ℎ (5-2)

Para determinar el tiempo de retorno de la inversión del usuario se utilizan los

precios de cada electrodoméstico y el ahorro económico en consumo de energía de

la siguiente manera, ecuación (5-3):

𝑇𝑖𝑒𝑚𝑝𝑜 𝑟𝑒𝑡𝑜𝑟𝑛𝑜 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑖𝑛𝑣𝑒𝑟𝑠𝑖ó𝑛 = (𝑃𝑇𝐸

𝐴𝐶𝐸)

(5-3)

Dónde:

Tiempo retorno de la inversión: es el tiempo en años requerido para que el

usuario recupere el valor de su inversión inicial y comience a generar

ganancias.

PTE: Precio total de los electrodomésticos adquiridos.

ACE: Ahorro en costos del consumo de energía al año.

Caso 1: Para un usuario que sustituya la lavadora, la nevera, ducha

eléctrica y 80% de luminarias por iluminación led.

Buenas prácticas

De acuerdo con el ahorro energético alcanzado en [72] de 1 kWh/día, si cada

usuario del conjunto residencial implementara las buenas prácticas energéticas de

la Figura 5-2, y sin realizar sustitución tecnológica, consumiría al día en promedio

4,85 kWh/día con un ahorro de 17% de energía.


Este ejercicio se realiza teniendo en cuenta diferentes marcas de cada

electrodoméstico, con diferentes potencias; por lo cual, los resultados a

continuación mostrados representan una simulación. Es importante conocer que

72

cada vez que se corra el ejercicio, los valores van a cambiar de acuerdo al cambio

de los electrodomésticos.

En la Figura 5-7 se observan los electrodomésticos sustituidos, que representan un

consumo total de 1,11 kWh/día.

Figura 5-7 Consumo de energía debido a cargas residenciales con sustitución de electrodomésticos

La energía total al día por usuario con la estrategia de mejora debe sumar los

electrodomésticos sustituidos y las cargas que no fueron sustituidas. En la Figura

5-8 se observan los consumos de las cargas no sustituidas [55], a partir de la cual

se establece que su consumo energético al día es de 2,9 kWh.

En total, con la estrategia de sustitución tecnológica para un usuario, se obtiene que

la energía consumida al día por un usuario promedio es de 4,01 kWh/día.

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

Nevera Lavadora 80%luminarias

led

Calentadorgas

Co

nsu

mo

de e

nerg

ía

[kW

h/d

ía]

Electrodomésticos con sustitución tecnológica

73

Figura 5-8 Electrodomésticos que no son sustituidos y su consumo de energía

Para determinar el ahorro energético con la estrategia de sustitución tecnológica

para un usuario, se utiliza la ecuación (5-1) y el indicador ECU (Energía consumida

por usuario) como caso base, ya que en éste se presenta la energía consumida por

usuario sin la entrada de VE. Bajo estas condiciones se obtiene un ahorro

energético de 1,84 kWh/día, lo cual representa un porcentaje de ahorro de energía

del 31%.

El ahorro económico obtenido por el cambio de tecnología se realiza con la ecuación

(5-2), obteniendo un ahorro de $ 819,21 COP al día. En consecuencia, el ahorro en

cada mes es de $ 24.576,2 COP.

Para determinar el retorno de la inversión se tiene en cuenta el precio de cada

electrodoméstico sustituido, el ahorro de costos por cada mes y se realiza la

operación de la ecuación (5-3), lo cual da como resultado un tiempo de retorno de

7 años y 7 meses. Una vez cumplido este periodo, el usuario obtiene ganancias

económicas en función del ahorro por mes.

00,10,20,30,40,50,60,7

Co

nsu

mo

de e

nerg

ía [

kW

h/d

ía]

Electrodomésticos no sustituidos

74

Combinación de los dos planes

Para realizar el plan de mejora más adecuado, es necesario combinar la sustitución

tecnológica y las buenas prácticas, de lo cual resulta un ahorro en energía

consumida de 2,84 kWh/día aproximadamente y un porcentaje de ahorro de hasta

el 49% con respecto al caso base.

El ahorro económico diario, combinando los dos planes, es de $1.262 COP,

equivalente a un ahorro al mes de $37.867 COP. El tiempo de retorno de la inversión

en la sustitución tecnológica es de 4 años y 11 meses aproximadamente, realizando

la combinación de ambos planes de mejora.

La Tabla 5-2 muestra un resumen de los resultados principales para el caso 1.

PLANES DE MEJORA CASO 1

Buenas prácticas

Ahorro energético [kWh/día] 1

Porcentaje de ahorro [%] 17%

Ahorro económico al mes [$ COP/mes] $ 13.334


Ahorro energético [kWh/día] 1,84


Ahorro económico mes [$ COP/mes] $ 24.576

Tiempo retorno de la inversión años 7 años 7 meses

Plan combinado

Ahorro energético [kWh/día] 2,84


Ahorro económico mes [$ COP/mes] $ 37.867

Tiempo retorno de la inversión años 4 años 11 meses

Tabla 5-2 Resumen resultados de planes de mejora para caso 1

5.2.2.1 Caso 2: 20% de los hogares reemplazan sus neveras por unas más

eficientes.

Para este caso, se tiene en cuenta que el 20% de los hogares del conjunto realizan

un cambio de sus neveras por unas más eficientes. Por lo cual, se debe determinar

primero el ahorro energético por usuario, el cual es de 0,37 kWh/día con un

porcentaje de ahorro del 6,27%.

75

El ahorro económico es de $163 COP/día, equivalente a $4.889 COP/mes, lo cual

indica que el tiempo de retorno de la inversión para este caso es de 12 años 6 meses

por usuario.

Si el 20% de usuarios deciden cambiar su nevera, el ahorro energético a nivel del

conjunto residencial, es decir teniendo en cuenta todas las áreas del mismo es de

0,88%.

5.2.2.2 Caso 3: 20% de los hogares reemplazan las lavadoras por lavadoras

más eficientes.

El 20% de los hogares del conjunto decide reemplazar las lavadoras por unas más

eficientes, de lo cual se obtienen los siguientes resultados:

A nivel de usuario, el ahorro energético es de 0,415 kWh/día, equivalente al 7,10%

respecto al caso base.

El ahorro económico que se obtiene a partir de este cambio es de $ 185 COP/día,

equivalente a $ 5.540 COP/mes, con un tiempo de retorno de la inversión de 11

años y 3 meses para cada usuario.

Teniendo un 20% de usuarios que decidan realizar sustitución de lavadora, con

respecto al total del conjunto residencial en su caso base, se obtiene un ahorro de

energía de 1%.

5.2.2.3 Caso 4: El 22% de los hogares reemplaza la ducha eléctrica por

calentador a gas.

Para este caso, el ahorro en consumo de energía es de 0,87 kWh/día con un

porcentaje de ahorro de 14,87%.

Se obtiene con este cambio un ahorro económico de $ 387 COP/día, y $ 11.607

COP/mes, lo cual equivale a un tiempo de retorno de la inversión de 3 años y 8

meses.

76

5.2.2.4 Caso 5: El 79% de los hogares reemplazan 100% de las luminarias

por luminarias led.

Para un usuario que reemplace las luminarias, se obtiene un ahorro de energía de

0,48 kWh/día con un porcentaje de ahorro energético de 8,34%.

Se establece además un ahorro económico de $ 217 COP/día, equivalente a $

6.506,7 COP/mes, y un tiempo de retorno de la inversión de 2 años y 2 meses.

En resumen, la Tabla 5-3 muestra los resultados de los casos 2 al 5 con respecto al

caso base.

Casos Ahorro energía

[kWh/día]

Porcentaje de ahorro

[%]

Ahorro económico al

mes [$ COP/mes]

Tiempo de retorno de

la inversión

Porcentaje de ahorro por

área total [%]

Caso 2

0,37 6,27% $4.889 12 años 6

meses 0,89%

Caso 3

0,415 7,10% $5.540 11 años 3

meses 0,99%

Caso 4

0,87 14,87% $11.607 3 años 8 meses

2,29%

Caso 5

0,48 8,34% $6.506,70 2 años 2 meses

4,55%

Tabla 5-3 Resumen resultados de los casos 2 al 5

De acuerdo a los resultados de la Tabla 5-3 se puede concluir que la mejor opción

en cuanto a sustitución tecnológica para un usuario es la del caso 5: reemplazo de

luminarias por led, debido a que es el segundo mayor porcentaje de ahorro y

además tiene tiempos de recuperación de la inversión más favorables con respecto

a los demás casos. Para el área total, el caso 5 representa el mayor ahorro con un

4,55%, teniendo en cuenta que un 79% de los usuarios realicen cambio de

iluminación.

77

5.3 Evaluación de la eficiencia energética implementando

planes de mejora

En esta sección se evalúan los indicadores de EE afectados por los planes de

mejora, así: sustitución tecnológica, buenas prácticas de ahorro de energía, y la

combinación de los mismos.

Para ello se realiza el mismo procedimiento del CAPITULO 4, pero se sintetizan los

resultados en una tabla comparativa, teniendo presente la primera evaluación

realizada sin planes de mejora.

Evaluación eje técnico con planes de mejora

Para este eje se tienen tres indicadores, de los cuales el indicador CEPVE

(Consumo de energía por porcentaje de entrada de VE) no se ve afectado al

implementar los planes de mejora, por lo cual para este procedimiento se descarta

el CEPVE.

En las Tabla B. 1 y Tabla B. 2 del ANEXO B, se detalla la variación de los resultados

al implementar planes de mejora para los usuarios.

Para el indicador ECU, se evaluaron los 5 casos teniendo como caso base 5,85

kWh/día sin plan de mejora, a partir del cual se obtiene el mayor ahorro en el plan

combinado del caso 1 con un porcentaje de 49%. Sin embargo, el caso 1 es un caso

extremo en el cual el usuario hace reemplazo de cuatro diferentes tecnologías de

electrodomésticos, por lo cual es un resultado poco realista. Así, el siguiente

resultado es el obtenido en el caso 4, con un porcentaje de ahorro de 14,87% por

usuario que decida cambiar una ducha eléctrica por calentador a gas. Con respecto

a los escenarios de entrada de VE aumentan o disminuyen linealmente de acuerdo

a su respectivo caso base como se observa en la Figura 5-9.

78

Figura 5-9 Resultados indicador ECU con planes de mejora.

Para el indicador ECAT, se obtuvieron los resultados totales de acuerdo a cada caso

implementado, desde el caso 2 al 5, y teniendo en cada caso el porcentaje de

usuarios que realizan el cambio. En la Figura 5-10 se observa el resultado de este

indicador.

Figura 5-10 Resultados indicador ECAT

0

2

4

6

8

10

12

En

erg

ía [

kW

h/d

ía]

Casos

Caso Base Escenario 30% Escenario 50% Escenario 70%

0

200

400

600

800

1000

1200

Caso 2 Caso 3 Caso 4 Caso 5

En

erg

ía [

kW

h/d

ía]

Casos


79

Se observa que el caso 5 obtiene el mayor ahorro en consumo de energía con un

porcentaje de 4,55%, teniendo en cuenta que es mayor el porcentaje de usuarios

que pueden realizar este cambio, además que es el cambio más económico.

Evaluación eje ambiental con planes de mejora

Para el caso del eje ambiental, de los dos indicadores seleccionados, solamente el

ECOU es útil para analizar los planes de mejora y sus implicaciones ambientales.

En la Tabla B. 3 del ANEXO B se muestra el indicador ECOU y los respectivos

resultados sin y con los planes de mejora implementados.

De acuerdo a la Figura 5-11 se determina que realizar cualquier plan de mejora de

los propuestos disminuye las emisiones de CO2; sin embargo, la combinación de

planes de mejora permite menores emisiones por energía consumida.

Figura 5-11 Resultados para el eje ambiental

80

Evaluación eje económico con planes de mejora

En la Tabla B. 4 del ANEXO B se observa los costos asociados al conjunto total,

implementando los planes de mejora de los casos 2 al 5.

Figura 5-12 Resultados eje económico

Al igual que en el indicador ECAT, el eje económico se ve más beneficiado con el

plan de mejora del caso 5, debido a que una gran cantidad de usuarios (79%)

cambian sus luminarias por luminarias led y además es el más económico y

representa tiempos de retorno de la inversión más bajos por usuario.


Para una mayor EE, se requiere no solo de la sustitución tecnológica, también de

buenas prácticas del ahorro de energía ya que de las horas de uso de cada equipo

depende también el consumo de energía eléctrica del mismo.

El plan combinado para la mejora de la EE resulta ser beneficioso tanto para evitar

un mal uso de la energía, como para mejorar la eficiencia de los electrodomésticos

y a su vez disminuir las emisiones de CO2 por consumo de energía eléctrica y los

costos por energía consumida.

$-

$2

$4

$6

$8

$10

$12

$14

Caso 2 Caso 3 Caso 4 Caso 5

CEA

T

[Millo

ne

s d

e $

CO

P/m

es]

Casos


81

Además del plan combinado del caso 1, otro importante cambio que se realiza y

brinda resultados positivos por usuario es implementar sustitución de duchas

eléctricas por calentador de gas, lo cual disminuye el consumo de energía eléctrica

de cada usuario que realice el plan.

A nivel de área total, el mejor plan que se puede realizar es el de cambio de

luminarias, ya que resulta más económico para los usuarios. Además, un 79% de

usuarios aún no tienen iluminación led de acuerdo a las encuestas, por lo que se ve

un potencial de ahorro importante.

83

CONCLUSIONES

Los indicadores de EE deben ser seleccionados a partir de unos criterios

mínimos, ya que es por medio de ellos que se puede medir el comportamiento de

una variable en un periodo determinado. Estos indicadores son útiles ya que por

medio de su comportamiento se pueden tomar acciones que permitan mejorar el

rendimiento para cada eje fundamental.

La evaluación energética a partir de la recolección de datos con mediciones

permitió evidenciar la curva de carga para el conjunto residencial y así establecer

un caso base, en el cual el promedio de energía consumida al día por cada usuario

es de 5,85 kWh.

Es necesario adoptar procesos probabilísticos para determinar la demanda de

energía que es requerida para cada escenario de penetración de los VE, ya que no

hay datos históricos acerca de la demanda energética de VE en el país.

El eje técnico indica que con la entrada masiva de VE se afecta drásticamente

el consumo de energía habitual de cada usuario y así mismo del conjunto residencial

en general, a pesar de que las zonas comunes no varían.

Del eje ambiental se obtiene para el indicador ECOU que a mayor ingreso de

VE mayores son las emisiones de CO2 con respecto al caso base, pero con respecto

al cambio de tecnología realizado de vehículos convencionales a VE si se obtienen

diferencias positivas en las emisiones de CO2.

El segundo indicador ambiental (DEVE), determina cuánto se disminuirían las

emisiones de CO2 al cambiar de tecnología en el transporte privado de usuarios de

un conjunto residencial, demostrando que es altamente beneficioso para el medio

ambiente dicho cambio. Los valores de emisiones disminuidas sobrepasan los 100

kgCO2 al día, y se reducen en función del porcentaje de penetración de VE.

El indicador económico (CEAT) varía con respecto a la variación de la energía

consumida por área total de manera lineal, obteniendo a mayor porcentaje de

84

entrada de VE mayores costos en el consumo de energías. Sin embargo, cada

usuario que cambie un vehículo convencional por un VE puede obtener grandes

beneficios económicos por ahorro en consumo de combustible, logrando ahorrar

aproximadamente $ 4.445 COP/día, además que por área total a mayor porcentaje

de entrada de VE mayor es el ahorro en consumo de combustible.

Para realizar la sustitución tecnológica es importante conocer la inversión

requerida y el tiempo de retorno de la inversión. Un factor negativo es que los

tiempos de retorno de la inversión pueden ser bastante grandes, impidiendo al

usuario generar ganancias por su plan de mejora a corto plazo e influyendo en la

toma de decisiones por parte del usuario.

85

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I

ANEXO A

CARACTERÍSTICAS TÉCNICAS PQA 824

Las características técnicas del PQA 824 son tomadas de [76].

Figura A. 1 PQA 824

Característica Escala Precisión Resolución Impedancia de

entrada

Tensión TRMS CA/CC fase-

neutro fase-tierra sistemas

monofásico/trifásico

0.0 ÷ 600V ± (0.5% de

lectura + 2

dígitos)

0.1V 10MΩ

Tensión TRMS CA/CC fase-

fase sistema trifásico

0.0 ÷ 1000V ± (0.5% de

lectura + 2

dígitos)

0.1V 10MΩ

Tabla A. 1 Especificaciones técnicas de mediciones de tensión.

II

Característica Escala Precisión

tensión

Precisión

tiempo

Resolución

Tensión Tiempo

Anomalías de tensión

fase-neutro-

monofásico/ trifásico

0.0 ÷

600V

± (1% de

lectura + 2

dígitos)

± 10ms 0.2V 10ms

Anomalías de tensión

– fase-fase sistema

trifásico sin neutro

0.0 ÷

1000V

± (1% de

lectura + 2

dígitos)

± 10ms 0.2V 10ms

Tabla A. 2 Especificaciones técnicas de anomalías de tensión.

Parámetro [W, VAr, VA]

Fondo Escala Pinza FE Escala

[W, VAr, VA] Precisión

Resolución [W, VAr, VA]

Potencia Activa

Potencia Reactiva Potencia Aparente

FE ≤ 1 A

0.0 – 999.9 1.000–9.999k

±(1.0%lect+6dgt)

0.1 0.001k

1A< FE ≤ 10 A

0.000 – 9.999k 10.00 – 99.99k

0.001k 0.01k

10A< FE ≤ 100 A

0.0 – 99.99k 100.0 – 999.9k

0.01k 0.1k

100A< FE ≤ 3000 A

0.0 – 999.9k 1.000 – 9.999M

0.1k 0.001M

Tabla A. 3 Especificaciones técnicas de mediciones de potencia.

Parámetro [Wh,VArh,VAh]

Fondo Escala Pinza FE

Escala [Wh, VArh, VAh]

Precisión

Resolución [Wh,VArh, VAh]

Energía Activa Energía Reactiva Energía

Aparente

FE ≤ 1 A

1.0 – 999.9 1.000–9.999k

±(1.0%lect+6dgt)

0.1 0.001k

1A< FE ≤ 10 A

0.000 – 9.999k 10.00 – 99.99k

0.001k 0.01k

10A< FE ≤ 100 A

1.0 – 99.99k 100.0 – 999.9k

0.01k 0.1k

100A< FE ≤ 3000 A

1.0 – 999.9k 1.000 – 9.999M

0.1k 0.001M

Tabla A. 4 Especificaciones técnicas de mediciones de energía.

III

ANEXO B

RESULTADOS DE INDICADORES CON PLANES DE

MEJORA

Para el caso 1 en el eje técnico.

Tabla B. 1 Resultados indicador ECU en el caso 1

Para casos 2, 3, 4 y 5 del eje técnico

Tabla B. 2 Resultados eje técnico para casos 2, 3, 4 y 5.

EscenariosSin plan

de mejora

Buenas

prácticasSustitución

Plan

combinado

Caso Base 5,85 4,85 4,01 3,01

Escenario 30% 7,71 6,71 5,87 4,87

Escenario 50% 9,11 8,11 7,27 6,27

Escenario 70% 10,32 9,32 8,48 7,48

CASO 1

ECU [kWh/día]

Escenarios Caso 2 Caso 3 Caso 4 Caso 5

Caso Base 5,48 5,44 4,98 5,37

Escenario 30% 7,34 7,29 6,84 7,23

Escenario 50% 8,74 8,69 8,24 8,63

Escenario 70% 9,95 9,90 9,45 9,84

Caso Base 661,49 660,77 652,10 637,08

Escenario 30% 810,00 809,28 800,61 785,59

Escenario 50% 921,66 920,94 912,27 897,25

Escenario 70% 1018,84 1018,12 1009,44 994,42

ECU [kWh/día]

ECAT [kWh/día]

IV

Para eje ambiental

Tabla B. 3 Resultados indicador eje ambiental afectado con el plan de mejora

Para eje económico

Tabla B. 4 Resultados indicador eje económico

Buenas

prácticas

Sustitución

de

tecnología

Plan

combinado

Caso Base 1,2 0,97 0,8 0,6 1,1 1,1 1,0 1,1

Escenario 30% 1,5 1,34 1,2 1,0 1,5 1,5 1,4 1,4

Escenario 50% 1,8 1,61 1,4 1,2 1,7 1,7 1,6 1,7

Escenario 70% 2,1 1,85 1,7 1,5 2,0 2,0 1,9 2,0

CON PLAN DE MEJORA

INDICADORESSIN PLAN

DE MEJORACASO 2 CASO 3 CASO 4 CASO 5

ECOU

[KgCO2eq/día]

Escenarios Caso 2 Caso 3 Caso 4 Caso 5

Caso Base 8.820.003$ 8.810.402$ 8.694.774$ 8.494.452$

Escenario 30% 10.800.199$ 10.790.599$ 10.674.971$ 10.474.648$

Escenario 50% 12.288.995$ 12.279.395$ 12.163.767$ 11.963.444$

Escenario 70% 13.584.642$ 13.575.042$ 13.459.414$ 13.259.092$

CEAT

[$COP/mes]

V

ANEXO C

EVENTO

Participación en 3er seminario de Movilidad Eléctrica de la Universidad Distrital

Francisco José de Caldas. (noviembre 2016)

PUBLICACIÓN

A. Quevedo, E. Suárez, S. Arias, F. Santamaría y J. Alarcon, «Assessment of energy

efficiency indicators on a residential building with plug in electrical vehicles and

energy plans for users,» IEEE Conference Publications, pp. 881-886, 2015.

VI

ANEXO D

TRABAJOS FUTUROS

Realizar la evaluación de la eficiencia energética, implementando modelos

de gestión de recarga del VE.

Extender el estudio de eficiencia energética a centros de recarga,

electrolineras, centros comerciales, entre otros.

Determinar nuevos indicadores que permitan la evaluación de la eficiencia

energética en un sistema de distribución con diferentes puntos de conexión

a la red.

Realizar una investigación extendida de los indicadores ambientales ECOU

y DEVE, presentando, por ejemplo: comparaciones de resultados con

respecto a otros sectores que emiten GEI, como es el agropecuario,

industrial, entre otros.

Proponer un protocolo mediante el cual se explique detalladamente la

importancia de las buenas prácticas y realizar un estudio en la ciudad de

Bogotá con mediciones iniciales en los usuarios, luego proponiendo el

protocolo de buenas prácticas a los usuarios por medio de programas de

concientización y midiendo de nuevo la energía consumida por los usuarios

para determinar su variación.

Realizar un estudio basado en mediciones reales de sustitución de luminarias

fluorescentes compactas por led.

Implementar dentro de los planes de mejora en un conjunto residencial la

entrada de energías renovables, evaluando la eficiencia energética para este

caso.

EVALUACIÓN DE EFICIENCIA ENERGÉTICA EN UN CONJUNTO...

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