Fecha Junio de 2007

Ahorro de Energía en AP con Equipos Doble Nivel de Potencia Autores C. Biglieri - C. Suarez

C. Etcheverry - C.Corbella

INTRODUCCIÓN

A partir del colapso económico del 2002, la Argentina transita un proceso de recuperación con tasas de crecimiento de su PBI del orden del 9 % anual.

(*1) Ver Referencias

Impulsada por este crecimiento del PBI, el movimiento turístico y el aumento de la actividad industrial, la demanda de energía eléctrica registró en el verano del 2006 una suba de 5.5% frente a la temporada anterior, llegando a un nuevo récord de demanda de potencia de 18.000 MW. Esta explosión de la demanda agrega una nueva señal de alerta sobre el sistema eléctrico, que tiene su punto más vulnerable por el lado de la generación. El parque de usinas funciona al límite de su capacidad y con una reserva técnica muy exigua. Si bien la capacidad instalada total se ubica en torno de los 24.000 MW, por razones técnicas y estacionales la oferta disponible oscila entre los 18.500 y 19.000 MW.

(*1) Ver Referencias

Para mantener las tasas de crecimiento, el país debe agregar 1000 MW por año, cosa muy difícil de lograr, por lo tanto, frente a esta realidad, cualquier ahorro energético que se pueda producir, contribuye fuertemente a aliviar este problema.

(*1) Ver Referencias

MISIÓN

El alumbrado público es uno de los sistemas en los que se puede trabajar para atenuar los problemas energéticos. El bajo costo de la reconversión y la inmediatez de la solución lo hacen ideal frente a la crisis presente. El ahorro de energía en alumbrado público debe contemplar diferentes intereses, para los cuales se debe buscar un equilibrio. Los factores mas importantes a tener en cuenta son:

1) La seguridad física real de peatones y conductores de vehículos. 2) La sensación de seguridad frente a los actos delictivos. 3) El ahorro de dinero en el presupuesto municipal. 4) El ahorro de energía eléctrica, para contribuir a la atenuación de la crisis energética. 5) La preservación del medio ambiente.

Los puntos 1 y 2 demandan un alto nivel de luminancia con el consiguiente aumento del consumo de energía que se contrapone al objetivo de ahorro económico, disminución del consumo energético y cuidado del medio ambiente pautado en los ítems 3, 4 y 5. Para resolver este conflicto de intereses, se debe tomar una decisión política, tratando de contemplar en la mejor medida el justo medio de cada factor. Para esto es necesario estudiar cada uno de los puntos detectando el factor más importante para tenerlo en cuenta en la solución final, que siempre será un compromiso entre ellos.

La misión del presente trabajo radica en el análisis de los diferentes enfoques que se deben tener en cuenta para el ahorro energético en alumbrado público y proponer la mejor alternativa tecnológica contemplando los intereses contrapuestos.

OBJETIVOS 1) En función de la integridad de las personas, mantener:

• El alumbrado con un alto nivel de uniformidad. • Los valores de luminancia en un nivel dependiente de la densidad de tránsito. • La seguridad física de las personas y sus bienes.

2) En Función del aporte a la situación actual del país:

• Reducir el consumo y atenuar la escasez de energía eléctrica del parque generador. 3) En Función del ahorro económico, generar ahorro:

• Por la baja de consumo energético. • En la reducción de los costos de mantenimiento. • Radicado en la durabilidad del equipamiento en base a la calidad de sus componentes.

4) En Función del Cuidado del Medio Ambiente:

• Reducir la emisión de gases nocivos a la atmósfera que producen alteraciones ecológicas como el efecto invernadero o la lluvia ácida.

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ENFOQUE Si bien a mediano plazo están previstas inversiones en la generación de energía, se debe superar el momento actual que se torna cada vez más crítico. Para atenuar la crisis, en este trabajo, se buscará una solución con la siguiente secuencia de estudio: a) Definir las condiciones del alumbrado para la seguridad. b) Establecer las causas y condiciones en que se producen los accidentes automovilísticos. c) Estudiar las condiciones y horarios en que se puede reducir la luminancia para lograr ahorro de energía sin

alterar la seguridad. d) Definir las características de los equipos a utilizar y su mantenimiento para lograr un alumbrado eficaz. e) Establecer el equipo auxiliar para alcanzar el ahorro energético de la forma más eficiente cumpliendo con

las siguientes premisas:

• Inmediatez de la aplicabilidad. • Versatilidad de utilización en instalaciones nuevas o existentes. • Posibilidad de ahorro de energía desde el mismo momento en que son instalados. • Bajo monto de la inversión inicial. • Amortización en corto plazo.

El presente trabajo demostrará que el equipo adecuado para la implementación del ahorro energético y el cumplimiento de los objetivos planteados, es el Doble Nivel de Potencia, el cual reduce la potencia en lámpara en horarios de baja densidad vehicular. El trabajo estará basado en tres enfoques fundamentales: • El Enfoque Político: ya que debe elegirse un sistema que será utilizado por el público y que tiene un fuerte

impacto en su seguridad. • El Enfoque Técnico: puesto que la buena elección de los equipos tiene alta importancia en la eficacia del

sistema. • El Enfoque Económico: ya que se están administrando fondos públicos y deben ser amortizados en un

corto período.

Enfoque Político Dentro del enfoque político del proyecto rescatamos que cualquier modificación que propongamos, debe respetar las características del servicio público. Hay dos aspectos fundamentales a tener en cuenta en el servicio que presta el alumbrado público: la seguridad de las personas y sus bienes, y la prevención de los accidentes de tránsito. 1) Seguridad para las Personas y sus Bienes Cuando se habla de la seguridad que el servicio de alumbrado público debe prestar, rápidamente lo asociamos a la reducción o incremento de actos delictivos sobre las personas o sus bienes en función de la cantidad de puntos de luz o niveles de iluminación. Aquí hay que diferenciar muy bien dos tipos de cuestiones, una es la seguridad propiamente dicha y la otra es la sensación de seguridad del usuario. 1.1) Seguridad Propiamente Dicha que brinda el Servicio: La seguridad propiamente dicha se refiere a la cantidad real de actos delictivos denunciados o detectados mediante encuestas (en aquellos casos donde exista el miedo a la denuncia) que se cometen en zonas con mayor o menor nivel de iluminación. Queda demostrado, por distintos estudios que se vienen realizando desde la década del 70’ hasta la actualidad y ejecutados a lo largo de todo el mundo que los niveles de iluminación o el incremento de puntos de luz no tienen incidencia alguna sobre la cantidad de actos delictivos. Entre los estudios más relevantes, se pueden destacar: ”The Influence of Street Lighting on Crime” (*2) realizado por la Oficina de Control de Actos Delictivos de Londres, el cual se basa en el análisis de las denuncias policiales y encuestas personales, en un período de doce meses, antes y después de la colocación de 3.500 nuevos puntos de luz. No se detectaron cambios. ”The Effect of Better Street Lighting on Crime” (*3) es un complemento derivado de la investigación anterior que determina la influencia de la percepción de seguridad de los usuarios en función de la mejora de las obras de alumbrado público, cuando por ejemplo, se han tenido en cuenta normas como BS 5489 (Road Lighting British Standard). Si bien la percepción de seguridad, sobre todo en las mujeres, se ha incrementado y la

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implementación de las obras ha sido bien visto por los habitantes de la región, no se han detectado mejoras en la reducción de los actos delictivos concretos. Otro aspecto a destacar es la experiencia de países desarrollados en la implementación de obras orientadas al ahorro de energía (reducción del flujo luminoso). “Enviro Smart” (*4), es un claro ejemplo de proyecto de gran envergadura (Experiencia seleccionada en el Concurso de Buenas Prácticas patrocinado por Dubai en 2004, y catalogada como BEST). El mismo fue realizado en Canadá, con el objetivo de disminuir la polución ambiental producida por los sistemas de generación de energía por combustión de hidrocarburos. Basado en la reducción de las potencias en los puntos de luz (250 a 100W en calles residenciales locales y 250 a 150W en vías principales) en un total de 37.500 luminarias, el programa obtuvo resultados más allá de los esperados. Con un minucioso análisis por parte de la compañía contratada sumada al informe de la Policía quedó demostrado que no se ha experimentado un aumento en la cantidad de actos delictivos cometidos. La reducción de emisión de gases tóxicos a la atmósfera (medida en toneladas / año) alcanzó el 22,5% después del proyecto. El ratio de ahorro monetario asciende a 1.7 millones de dólares por año. Otros estudios recientes realizados por el departamento de criminología de la Universidad de Cambridge en Inglaterra (*5) estiman una reducción de un 20% en actos delictivos por la mejora en sistemas de iluminación, los autores concluyen que las mejoras sólo fueron detectadas en sitios experimentales y se deben acompañar con proyectos sociales de parte del estado. “British Astronomical Association” (*6) junto a la agencia internacional CFD’s determinan que, en lo que a seguridad se refiere “Lighting Does Not Reduce Crime” o en otras palabras, la reducción del crimen no está asociada a la iluminación. De allí en más se demuestra a través de varias investigaciones la desafección de la seguridad de los peatones y sus bienes respecto de los niveles luminosos. 1.2) Percepción de la Seguridad En la actualidad los niveles de iluminación detectados en nuestro país a determinadas horas de la noche y con un determinado nivel peatonal, son excesivos e innecesarios. Si bien la sensación de seguridad de los usuarios es directamente proporcional al incremento de los puntos de luz o niveles luminosos y esto supone un aspecto político de gran interés, como ya hemos expresado, el presente trabajo pretende equilibrar cuatro aspectos a saber:

• Seguridad propiamente dicha • Percepción de seguridad • Ahorro de energía • Ecología

Conclusión: Si bien es cierto que la percepción en las personas es muy importante políticamente hablando, nuestro país atraviesa una crisis energética que recién ahora comienza a plasmar consecuencias concretas: suspensión de actividad industrial, aumento de suspensiones de personal vinculado a la producción, restricciones en el uso de la energía, falta de gas para abastecer el transporte, baja presión de gas en los domicilios particulares (gas que se necesita para generar energía eléctrica). Eso sin contar que se transita por un período estacionario donde la demanda eléctrica es menor. Cuando estalle el uso de acondicionadores de aire, se programen cortes de luz o recortes energéticos en la actividad industrial y los niveles de desocupación se incrementen, provocando un retroceso en el crecimiento del país, seguramente la percepción será diferente. 2) Accidentes de Tránsito

En nuestro país mueren diariamente 21 personas a causa de accidentes de tránsito, lo que significa un promedio de 630 muertes al mes y 7.600 por año. Estas cifras oficiales, solo computan personas fallecidas en el momento de accidente. Proyectando a la totalidad de las víctimas fatales, arribamos a 10.000 personas, sin contar la cantidad de heridos, que asciende a 120.000 anuales. De mas está decir que este es un aspecto muy delicado. A la izquierda se puede observar el impacto respecto de la ubicación geográfica. Los accidentes de tránsito se convierten en la primera causa de muerte en personas menores de 35 años y en la tercera causa de muerte en la totalidad de la población. En cuanto a la edad de los responsables, el mayor porcentaje se registra entre los 18 y los 35 años. Las principales causas, en orden de prioridades son: exceso de velocidad, Alcoholismo y Adicciones, Sueño, Condiciones del vehículo, Condiciones Ambientales. De estas estadísticas surge claramente donde hay que poner el mayor esfuerzo (*7).

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El siguiente gráfico detalla porcentualmente la tipología de los accidentes:

(*7) Ver Referencias

Hablando específicamente del impacto de una reducción en los niveles luminosos de las instalaciones de alumbrado público sobre la cantidad de accidentes de tránsito producidos, se pueden definir varias cuestiones. Si bien la cantidad de flujo luminoso puede contribuir a la discriminación de un vehículo a mayores distancias, no existe ningún tipo de evidencia que acuse una variación de la cantidad de accidentes de tránsito en función de lo anteriormente expuesto. Más aún, los accidentes de mayor fatalidad se producen en las vías con mayor nivel de iluminación (que son las más rápidas), en otros términos, no se corre por donde no se puede ver. Las principales víctimas apuntan directamente a los peatones (44%) y los accidentes son producidos a plena hora del día. La siguiente estadística evidencia que el momento más apropiado para aplicar una reducción de flujo luminoso coincide con la franja horaria en la que menos cantidad de accidentes se producen.

Accidentes de Tránsito enFunción de la Franja Horaria

35%

7.9%28.5% 28.6% 0 a 6 hs.

6 a 12 hs.12 a 18 hs.18 a 0 hs.

(*7) Ver Referencias

El sistema que se proponga, debe permite ahorrar sin apagar puntos de luz, como puede suceder en un sistema de fotocontroles temporizados, es decir se debe reducir el flujo luminoso a valores apropiados para conservar altos niveles de percepción luminosa. Así como se habla de percepción de seguridad de los usuarios, existe un parámetro llamado percepción luminosa el cual se analizará posteriormente en el presente trabajo. Conclusión: La mayoría de los accidentes de tránsito no se vincula a la cantidad de flujo luminoso en calzada, y más aún, si este se mantiene dentro de los niveles apropiados de percepción. Muy por el contrario hay un trabajo sociocultural de gran envergadura que se debe encarar para la reducción de los accidentes de tránsito en nuestro país.

Enfoque Técnico

1) Datos de Partida del Proyecto: 1.1) Desde hace más de 3 décadas se avanzó considerablemente en la instalación de lámparas y luminarias

energéticamente eficientes, llegando a un status aceptable a nivel internacional. Por consiguiente sólo resta continuar con la tarea.

1.2) Los niveles lumínicos utilizados en el alumbrado público en nuestro país, superan la media empleada en

otros países. Observe la siguiente tabla de valores de iluminancia en la Ciudad de Buenos Aires (*8).

Arteria Secundaria de Bajo Tránsito Arterias Secundaria de Alto Tránsito Avenidas 23 Lx 27 Lx 65 Lx

1.3) Las instalaciones de alumbrado público están previstas para obtener un nivel medio de luminancia, en

función de las máximas densidades vehiculares y peatonales, que se observan en el transcurso de la noche.

1.4) En la franja horaria pico de tránsito, un conductor necesita la máxima atención, dada la cantidad de

vehículos y peatones, por lo tanto es correcto que el alumbrado público preste sus máximas características de servicio. Luego de determinado horario, mantener a pleno flujo las instalaciones, ocasiona un gasto innecesario de recursos. Para determinar el horario apropiado para reducir el flujo luminoso, basta con analizar una estadística de tránsito en un día típico de Av. General Paz.

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(*9) Ver Referencias

Para una mayor impresión visual, en el Anexo 1 a este trabajo, se pueden apreciar las fotografías desde el horario de conexión del alumbrado público (19 hs aproximadamente) hasta la desconexión del mismo. Esta medición fue realizada en el mismo punto de relevamiento del gráfico anterior (Av. Gral. Paz intersección con Panamericana, tomadas desde el puente Balbín - Mitre) uno de los puntos con mas caudal vehicular de la República Argentina (*14). Como podemos apreciar, desde las 0 hs. hasta las 5 hs. de la mañana los valores de tránsito se mantienen aproximadamente por debajo del 1%. Los picos se producen entre las 7 hs. y las 10 hs. (por la mañana) y entre las 17 hs. y las 19 hs. (por la tarde).

Conclusión: Como consecuencia el horario mas apropiado para la reducción de flujo luminoso, con un mínimo impacto en la seguridad de los conductores y el consecuente ahorro energético, se produce desde las 0 hs. hasta las 6 hs. de la mañana.

1.5) Los niveles hasta los cuales puede producirse una reducción luminosa están determinados por dos

factores: la percepción luminosa visual humana (factor al cual hicimos referencia anteriormente) y los parámetros técnicos de funcionamiento de las lámparas.

1.5.1) Percepción Luminosa Humana Para poder entender un poco mejor de que se trata la percepción luminosa del ojo humano se realizará un análisis fisiológico del mismo. El cristalino es el encargado de dirigir los rayos luminosos hacia la retina, quien a través de los conos y bastones transmiten la información al cerebro en forma de impulsos eléctricos. En los niveles luminosos empleados para el alumbrado publico, los bastones actúan como transmisores del nivel de brillo, siendo los conos los encargados de la información cromática (colores). Para niveles superiores de luz son los conos quienes tienen mayor incidencia en la transmisión del brillo. Existen suficientes evidencias científicas en todo el mundo como para afirmar que la transferencia de impulsos eléctricos al cerebro se realiza

logarítmicamente, a este fenómeno se lo llama brillo subjetivo. Esto significa que una reducción de flujo luminoso del 50%, implica una reducción de percepción de tan solo un 30%. Para explicarlo a través de un ejemplo sencillo, se puede imaginar una escala muy similar a la presentada en un ohmetro analógico, donde las mayores variaciones de resistencia (brillo subjetivo en nuestro caso) se producen en los niveles cercanos al fondo de escala (*10).

cristalino

retina

Bastones y conos

Log

cerebro

1.5.2) Parámetros Técnicos de las Lámparas Considerando que aún con una reducción luminosa del 50%, el índice de brillo subjetivo se mantiene en valores altos, podría surgir el planteo de reducir aun más el nivel luminoso para generar ahorros superiores. Sin embargo este límite también está determinado por los parámetros técnicos de funcionamiento de las lámparas de vapor de sodio alta presión.

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Dado que la forma de onda en este tipo de lámparas no es senoidal, sino que produce un valor instantáneo alto en los cambios de semiciclo, al cual se lo llama tensión de reencendido. Una reducción de flujo superior al 50%, podría producir el apagado de la lámpara. Si bien las variaciones de tensión de arco en lámparas de vapor de sodio alta presión no guardan una función lineal respecto de los cambios de corriente, en valores inferiores al 60% de la potencia nominal existe el riesgo de que la lámpara se apague. A esto se suma el fenómeno que en este tipo de lámparas la tensión de arco aumenta paulatinamente conforme transcurren las horas de servicio, partiendo de unos 98 Volt eficaz (en una lámpara nueva) hasta llegar aproximadamente a unos 140 Volt eficaz (en una lámpara agotada). O

el gráfico de las formas de onda superpuestas a la izquierda, nótese que existe un punto crítico donde la tensión de reencendido se aproxima a los límites de la senoide de la tensión de red.

bserve

Conclusión: para preservar un alto nivel de brillo subjetivo y garantizar el servicio de la lámpara a lo largo de todo el período de vida de la misma, el nivel de reducción luminoso adecuado es del 50%, obteniendo de esta forma una reducción de potencia activa del 40%. Mas adelante en este informe se analizarán detalladamente los diferenciales de potencia. 2) Implementación Tecnológica Para encarar un proyecto de estas características hay que prestar especial atención a cada uno de los componentes del sistema, procurando de ser posible que los mismos sean de la máxima eficiencia para que en conjunto representen un ahorro sustancial: Lámparas de Alta Eficiencia, Luminarias de Alto Rendimiento y Equipos Auxiliares de Alta Eficiencia. Respecto a los dos primeros puntos, se han producido avances en los últimos años, siendo las lámparas de Sodio Alta Presión Alto Rendimiento las adecuadas en el momento de la elección de un sistema orientado al ahorro energético. Estas alcanzan 130 Lúmen / Watt con un promedio de vida útil entre 24.000 y 32.000 horas. Un alto rendimiento de las luminarias, como la elección de las ópticas adecuadas para cada aplicación, permitirá elegir la menor potencia de lámpara posible obteniendo el nivel de luminancia que se requiera en cada caso. No menos importantes son las cuestiones referentes al mantenimiento de los equipos: el reemplazo en el momento adecuado de las lámparas evita tanto que los niveles de iluminancia se reduzcan por acercamiento al límite de supervivencia, como la destrucción de los equipos auxiliares por el continuo encendido y apagado de las lámparas. La limpieza de las ópticas de las luminarias en períodos regulares también contribuye fuertemente al mantenimiento de los parámetros adecuados. Desde el punto de vista de los equipos auxiliares, hay varias formas de lograr ahorros sustanciales de energía basados en los adelantos tecnológicos actuales. También hay que tener en cuenta los criterios básicos de diseño de los mismos, como las pérdidas de potencia de los balastos producidas tanto en el cobre como en el hierro. Estas pérdidas se reducen utilizando alambre de cobre con bajos índices resistivos [Ohm / metro] y laminación con aleación de hierro – silicio menores a los 2 [Watts / Kilogramo]. Como se ha visto en el enfoque político del presente trabajo, donde es necesario preservar la seguridad de los usuarios y evitar el incremento de accidentes de tránsito, se debe implementar un ahorro energético reduciendo el nivel de iluminación luego de una determinada hora de la noche, donde los niveles de tránsito vehicular son menores. La tecnología que nos permite implementar todos los criterios expuestos con anterioridad está determinada por los equipos auxiliares de doble nivel de potencia. 2.1) Equipos Auxiliares de Doble Nivel de Potencia Estos equipos están destinados a instalaciones donde, a determinadas horas y mediante un sistema de conmutación, se puede reducir el nivel de iluminación sin una disminución importante de visibilidad con un ahorro energético considerable. Como la reducción se realiza en todos los puntos de luz, se eliminan las zonas oscuras y peligrosas por falta de visibilidad. El funcionamiento de los equipos de doble nivel de potencia se basa en reactancias que inicialmente proporcionan valores de flujo luminoso máximos a la lámpara (Nivel Máximo). Luego de un intervalo determinado, se agrega una segunda reactancia, dando lugar al ahorro energético (Nivel Reducido). Es muy importante tener en cuenta que la variación de flujo luminoso en la

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lámpara se produce por aumento de impedancia y no por reducción de la tensión de red como puede suceder en el caso de los equipos de cabecera de línea donde puede producirse un apagado de las lámparas de vapor de sodio alta presión en período prematuro (Envejecimiento Virtual).

2.1.1) Ventajas de los equipos Doble Nivel de Potencia: Mantienen la uniformidad del flujo luminoso; no modifican las dimensiones de los equipos estándar para su instalación; regulan el flujo luminoso por variación de impedancia manteniendo la tensión de red; permiten la utilización de varios sistemas de conmutación de acuerdo a la necesidad del proyecto; no generan dependencia ante una eventual falla respecto de un sistema de instalación central; prolongan la vida de las lámparas; poseen bajos costos de instalación. 2.1.2) Ahorro de Energía con Equipos doble Nivel de Potencia:

Durante el Nivel reducido los equipos doble nivel de potencia proporcionan un ahorro de energía de hasta un 40%. Desde el momento en que el fotocontrol activa el alumbrado, hasta las primeras horas de la mañana donde el mismo se desactiva, el ahorro total es del 21%, esto teniendo en cuenta un período de conmutación como el que se ilustra en el gráfico. Reducciones de potencia mayores no son aconsejables debido al brillo subjetivo del ojo y al riesgo de que la lámpara pueda llegar a apagarse.

Parámetros Nivel Máximo Nivel reducido

Potencia Absorbida de la Red P total = 100% 58 al 63% de P total Flujo Lámpara Φ total = 100% 45 al 55% de Φ total Ahorro en Nivel Reducido 37 al 42 % de P total

2.1.3) Sistemas de Conmutación Los equipos de doble nivel de potencia cuentan con un sistema de conmutación integrado que gobierna los cambios de nivel máximo a nivel reducido. Este cambio puede de dos formas: 2.1.3.1) Sistema de Conmutación a Través de Temporizador (Lazo Abierto): Produce el cambio al nivel reducido luego de un determinado tiempo, transcurrido desde la activación del alumbrado. En el horario donde se produce dicha conmutación no se necesita plena potencia en la lámpara por los motivos anteriormente expuestos en el presente trabajo. Este tiempo es ajustable de acuerdo a las necesidades geográficas de la instalación. Este sistema tiene la ventaja de poder implementarse directamente sin necesidad de líneas adicionales. Es fundamental que los conmutadores temporizados estén dotados de un botón de prueba que permita forzar el nivel reducido en cualquier momento para probar el correcto funcionamiento del equipo una vez instalado y realizar mediciones de campo verificando la reducción de potencia y flujo luminoso entregado.

Principio de Funcionamiento: El equipo se basa de dos componentes fundamentales: un balasto con doble b(devanado principal y devanado adicional) yconmutador compuesto por un temporizador y un relay de salida. El relay de salida es gobernado por el timer, que se alimenta directamente de la red. La salida principal drelay conecta o desconecta el devanado adicional del balasto que se utiliza para reduci

potencia de lámpara una vez transcurrido el tiempo de conmutación del sistema. Nótese que se incluye una salida para un capacitor adicional (Ca) que se utilizará si el usuario desea compensar el factor de potencia al mismo valor en ambos modos.

obinado un

el

r la

Impedancia Adicional

Impedancia Normal

Sistema de Conmutación Lámpara

Línea

8

2.1.3.2) Sistema de Conmutación Por Línea de Mando: Es el sistema de conmutación mas recomendado, permite al usuario alternar entre nivel máximo y nivel reducido en cualquier momento a través de una señal por hilo adicional.

Principio de Funcionamiento: El circuito de la izquierda muestra un sistema de doble nivel de potencia con línea de mando. En este caso, el relay de salida del conmutador es gobernado directamente por un hilo adicional (Mando). Este hilo posee un bajo nivel de corriente y por lo tanto el conductor utilizado para tal fin es de baja sección. Las demás características de funcionamiento son idénticas al sistema anteriormente expuesto.

Las ventajas de la conmutación por línea de mando respecto de la conmutación temporizada son: • Compensar las diferencias estacionarias noche y día (invierno / verano). • Prolongar el nivel máximo de potencia en días feriados, festivos, fines de semana o períodos vacacionales. • Volver a nivel máximo en determinada hora de la mañana donde se reanuda el tránsito vehicular intenso. • Automatizar la red de alumbrado mediante un sistema colocado en la cabecera de la línea de mando. • Regular el consumo de la red de alumbrado ante un eventual inconveniente energético no programado. Este último ítem es de vital importancia ya que, suponiendo que exista un problema en algún tablero principal o seccional (sobrecargas), tenemos la capacidad de reducir los consumos de potencia al 40% en ese momento, evitando cortes de energía que dejarían fuera de servicio a la red de alumbrado. Como contraprestación podemos mencionar que en este sistema de conmutación se hace necesario la incorporación de un tercer hilo como red de control entre las luminarias. Este conductor maneja una corriente muy baja y por lo tanto la sección puede ser reducida y los costos adicionales son bajos.

Enfoque Económico del Proyecto

La optimización de los recursos municipales destinados al alumbrado público se logra sobre la calidad y durabilidad del equipamiento, definidas en la inversión inicial y su posterior costo operativo. La distribución aproximada de estos costos para una luminaria para lámpara de vapor de sodio alta presión de 150 W en un período de 10 años de operación está definida en el gráfico que se muestra a la izquierda.

10 % 56 %

34 %

Gasto Energía

Mantenimiento

Inversión Inicial

1) Inversión Inicial del Equipamiento Para asegurar una larga vida útil es necesario comprar elementos de alta calidad, que además, serán la base de un bajo mantenimiento permitiendo un importante ahorro de dinero. Si bien esto constituirá una mayor inversión inicial, la experiencia permite asegurar que el ahorro posterior compensará largamente el mayor gasto en el momento de la instalación. Si se toma en cuenta un sistema con lámpara de vapor de sodio alta presión de 250W y se consideran los costos iniciales y operativos en el alumbrado público, la participación del equipo auxiliar respecto de la luminaria completa es del 6 a 7% y respecto del costo operativo a lo largo del período de vida del sistema (10 años) el 0.8 a 0.9% (incluyendo amortización, mantenimiento y gasto de energía). Es decir que un buen equipo auxiliar participa con menos del 1% en el costo operativo del periodo considerado. Estos cálculos realizados por los entes oficiales, parten del supuesto que la luminaria y el equipo auxiliar se amortizarán en un periodo no menor a 10 años. Además, se consideran los costos del reemplazo de la lámpara al final de su vida útil o lámpara agotada. Si los materiales clave como el equipo auxiliar, lámparas y luminarias, se compran al menor precio inicial, el costo operativo puede ser muy alto, como consecuencia del recambio antes del período de amortización ¿Se puede lograr este beneficio económico relacionado a la seguridad pública si no se considera el resultado del conjunto a través del tiempo? Para afrontar el costo inicial y operativo, los municipios disponen de dos tipos de ingresos: El canon que las empresas distribuidoras le pagan al municipio por el uso del espacio (apenas alcanza para pagar el consumo de energía del alumbrado público y de los edificios públicos) y la tasa ABL, en general, de baja recaudación para el municipio.

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La luminaria y equipo auxiliar deben amortizarse en no menos de 10 años. Antes de comprar se debe analizar qué condiciones técnicas deben reunir los equipos para funcionar durante 10 años, recordando que su costo inicial (6 a 7 %) representa, en estas condiciones, menos del 1 % del costo operativo. Si a esto se adiciona que la diferencia entre comprar un equipo de calidad y otro sin ningún tipo de garantía ni trayectoria es del 5 al 10%, la decisión es indiscutible frente al costo operativo total. La calidad ahorra recursos. 1.1) Inversión Adicional del Equipamiento Para Equipos Doble Nivel de Potencia El ahorro de energía se puede obtener al colocar en la luminaria un equipo auxiliar de doble nivel de potencia. Este equipo, tiene un costo levemente superior al normal y por lo tanto, la inversión inicial mayor debe ser amortizada en un corto plazo mediante el ahorro de energía que produce el uso del equipamiento. La inversión adicional entre un equipo estándar y un equipo de doble nivel de potencia es del orden de los $ 60 y según se verá en el cálculo de ahorro, dicha diferencia se puede amortizar, según la potencia elegida, en 1 o 2 años como máximo. 2) Mantenimiento Es una actividad central para alcanzar altos niveles de prestaciones. Mantener todas las luminarias encendidas asegura uniformidad en el alumbrado y con ella el confort de los usuarios. La limpieza de las luminarias permite mantener el nivel de iluminación definido en el diseño del proyecto. El mantenimiento preventivo, con el recambio de lámparas cuando el rendimiento de las mismas cae (debido a la proximidad con el límite de su vida útil) es necesario para asegurar buen nivel de iluminación aún con lámparas de baja potencia. Muchas instalaciones de baja potencia fracasan porque: • Las luminarias no son de alto rendimiento • La hermeticidad de las luminarias no es buena o no se realiza la limpieza de las mismas • Los balastos son de mala calidad y no entregan a la lámpara la potencia que corresponde • Las lámparas pierden rendimiento con el uso y no se realiza el mantenimiento preventivo que repondría el

nivel inicial. Como se puede apreciar en esta apretada síntesis, el buen mantenimiento es clave para lograr un alumbrado eficaz. Se pude optar por lámparas de baja potencia, manteniendo el nivel de luminancia adecuado, si aseguramos un buen mantenimiento durante todo el período de explotación. 2.1) Mantenimiento en Equipos de Doble Nivel de Potencia: A continuación, se detallan los beneficios de las instalaciones con equipos doble nivel de potencia, respecto de los sistemas con equipos convencionales: 2.1.1) Aumento de la Vida de la Lámpara: La vida útil estimada por los fabricantes de lámparas se ve disminuida por las sobretensiones de red. Pruebas de laboratorio realizadas por Eclatec en Francia, sobre un lote de lámparas de vapor de sodio alta presión, determinaron que con un incremento de tan solo un 5% en la tensión las lámparas reducen su vida al 50%. Osram y Philips en Europa, garantizan sus lámparas con un diferencial de tensión de +/- 3% y +/- 5% en Argentina (*11). En esta situación, con el equipo funcionando en nivel reducido, no solo no se acorta la vida de la lámpara, sino que se incrementa hasta un 10% sin pérdida de estabilidad en el funcionamiento. 2.1.2) Aumento de la Vida del Equipo Auxiliar y la Luminaria: El funcionamiento del equipo en nivel reducido de potencia, genera un menor calentamiento. Esto reduce a su vez el calentamiento global de la luminaria, alargando consecuentemente la duración del conjunto (*12). 2.1.3) Ahorro en Mantenimiento y reposición de lámparas: Considerando el aumento en la tensión de línea durante la noche podemos estimar un período de reposición de lámparas de 3 años con equipos convencionales. En una instalación con equipos doble nivel de potencia, donde se realiza una reducción de la potencia de lámpara a partir de las 0 hs. Podemos estimar un período de reposición de 5 años. • Gasto Inicial: La opción de equipos doble nivel de potencia es un 35 a 40% más cara en la primera

adquisición. • Gastos Instalación: La opción de equipos doble nivel de potencia es algo mayor (aprox. 10%) considerando

el costo de instalación de la línea de mando. Si se instalara un sistema de conmutación temporizado, los costos serían los mismos.

10

• Compra Inicial Lámparas: Igual en ambas opciones.

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

GastoInicial

GastoInstalación

Gasto Inic.Lámparas

GastoEnergía

Mano Obray Medios

ReposiciónLámparas

Equipo NormalEquipo Doble Nivel

• Energía Consumida: La opción de

equipos doble nivel de potencia representa de un 20 a un 25% de ahorro.

• Gastos Mano de Obra y Medios: La

opción de equipos doble nivel de potencia representa un 50% de ahorro.

• Gastos reposición Lámparas: La opción

de equipos doble nivel de potencia representa un 33% de ahorro.

3) Gasto de Energía Depende fundamentalmente del proyecto, de la eficiencia de los componentes y de la potencia de la lámpara elegida. La energía que resulta del consumo diario, debe ser abonada durante años y ella impactará fuertemente en el presupuesto de todos los períodos de la gestión municipal. Este aspecto del gasto en el alumbrado público es el de mayor importancia y por lo tanto debe ser considerado como tal. Como se analizó, el gasto en el consumo eléctrico es el más importante para considerar en el presupuesto del alumbrado (56%). Todos los ahorros que se puedan lograr en el consumo eléctrico, impactarán fuertemente en la disminución de las partidas asignadas al alumbrado y por lo tanto se podrán destinar a otros rubros de la gestión municipal.

3.1) Calculo de Ahorro El ahorro de energía estará dado por la diferencia del costo entre la energía consumida durante toda la noche a plena potencia y la energía consumida durante el mismo período pero con el equipo disminuyendo el nivel de potencia luego de las primeras 5 hs. Se consideran 11 horas diarias de funcionamiento total del alumbrado. 3.1.1) Alumbrado a plena potencia durante toda la noche: 11h Pp Léase: Once horas a plena potencia (Pp) 3.1.2) Alumbrado funcionado 5 horas a plena potencia y 6 horas a potencia reducida: 11h Pp – (5h Pp + 6h Pr) Léase: Once horas funcionando a plena potencia (11h Pp), menos 5 horas funcionando a plena potencia (5h Pp) y las restantes 6 horas a potencia reducida (6h Pr). 3.1.3) Multiplicando todo esto por el costo del Kilowatt hora se obtiene el ahorro de energía (en pesos) por día: [11h pp – (5h pp + 6h Pr)] Costo $ / kWh 3.1.4) Multiplicando por la cantidad de días del año, se obtiene el ahorro anual. Luego se multiplica por la expectativa de vida del equipo (10 años) para obtener finalmente el ahorro total: [11h Pp – (5h Pp + 6h Pr)] x Costo $ / kWh x 365 x 10

Si además se considera el costo adicional del equipo doble nivel de potencia, se obtiene el ahorro en el período posterior a la amortización. Simplificando se arriba a la formula que se visualiza a la izquierda.

Ah = (21,9 x C x K) - Ca

Donde: Ah es el ahorro por punto de luz (posterior a la amortización) en pesos, C es el costo del Kilowatt hora en pesos, Ca es el costo adicional por equipo en pesos y K es una constante que depende la potencia del equipo que se quiere utilizar: SAP 400W: K = 174 / SAP 250W: K = 112 / SAP 150W: K = 68 3.2) Ejemplo de Cálculo de Ahorro: Se calculará el ahorro por punto de luz para una luminaria de Sodio Alta Presión de 400W con un costo del Kilowatt hora de $0,15 y un valor adicional por equipo de $60. 3.2.1) Paso 1: calcular el ahorro diario de potencia como la diferencia entre la totalidad de la noche a pleno nivel y la potencia en el mismo período pero conmutando a nivel reducido luego de las 5 primeras horas. La potencia a pleno nivel y la potencia a nivel reducido contemplan la potencia de pérdida del balasto. 11h x 435W (Plena Potencia) – [5h x 435W (Plena Potencia) + 6h x 261W (Potencia Reducida)] Ahorro Potencia diario = 4785Wh – [2175Wh + 1566Wh] = 1044 Wh = 1,044 Kwh

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3.2.2) Paso 2: se calcula el ahorro diario de dinero, como el ahorro diario de potencia por el costo del Kwh. Ahorro diario de dinero = 1,044Kwh x $0,15 / Kwh = $0,1566 3.2.3) Paso 3: se calcula el ahorro anual de dinero, como el ahorro diario por la cantidad de días de un año. $0,1566 x 365 días = Ahorro Anual de dinero = $57,159 3.2.4) Paso 4: se calcula el ahorro total de dinero, como el ahorro anual de dinero por la cantidad de años cubiertos por la expectativa de vida del equipo. Ahorro Total de Dinero = $57,159 x 10 Años = $571,59 3.2.5) Paso 5: se calcula el ahorro posterior a la amortización, como el ahorro total de dinero menos el costo adicional del equipo: Ahorro Total (Posterior Amortización) = $571,59 - $60 = $511,59 Respuesta: el ahorro por punto de luz en el período posterior a la amortización es de $511,59 Se puede plantear todo este desarrollo a modo de ejemplo, claro está que mucho mas sencillo es reemplazar los valores en la fórmula: Ah = (21,9 x 0,15 x 174) – 60 = 511,59 (Se verifica que se arriba al mismo resultado). 4) Amortización La amortización se puede calcular partiendo del cálculo desarrollado anteriormente, donde se realizan algunos cambios para considerar el resultado final en meses. El ahorro de energía, en meses: [11h Pp – (5h Pp + 6h Pr)] x Costo $ / kWh x 30 Léase: Once horas funcionando a plena potencia (11h Pp), menos 5 horas funcionando a plena potencia (5h Pp) y las restantes 6 horas a potencia reducida (6h Pr) por el costo del Kilowatt hora por treinta días (un mes). Finalmente el período de amortización es la cantidad de meses en la cual se recupera la inversión adicional de los equipos:

Costo Adicional / {[11h Pp – (5h Pp + 6h Pr)] x Costo $ / kWh x 30}

Pa = Ca / (0.18 x C x K) Simplificando se arriba a la formula que puede apreciarse a la izquierda. Donde Pa es el período de amortización en meses y los demás datos iguales al cálculo anterior de ahorro de energía.

Ejemplo: se calculará el período de amortización en meses para un equipo doble nivel de potencia para una luminaria de Sodio Alta Presión de 400W, con un costo de energía de $0,15 por Kilowatt hora y un valor adicional por equipo de $60. Pa = 60 / (0.18 x 0.15 x 174) = 12.77 meses (El período de amortización es de aproximadamente 13 meses) Aquí se presenta un cuadro resumen con valores de cálculo para las tres potencias típicas utilizadas en alumbrado público:

Potencia de Lámpara (W) 400 250 150 Período de Amortización (meses) 13 20 32

IMPACTO ECOLÓGICO En nuestro país, el 90% de la matriz energética total depende de la combustión de hidrocarburos. En la generación de energía eléctrica también tiene una fuerte importancia los derivados del petróleo ya que el 56% de ella se obtiene con centrales térmicas, el 40% es hidráulica y el 4% nuclear (*13). Estos valores, nos indican que nuestra energía es altamente contaminante para la atmósfera ya que los productos de la combustión de los hidrocarburos, producen el efecto invernadero y la lluvia ácida. El efecto invernadero, está provocando el calentamiento de la tierra y por lo tanto la suba de su temperatura promedio que causará cambios importantes en el nivel de los mares en el futuro cercano. La lluvia ácida, tiene efectos destructivos en los microorganismos que convierten los alimentos de los vegetales y por lo tanto, los suelos pierden productividad ocasionando pérdidas en la producción de vegetales, que son tan importantes para la alimentación del ser humano. Los países desarrollados, están cambiando la composición de la matriz de generación de energía entre ellas la eléctrica. España estima para el año 2010 migrar el 12% de su matriz a generación eólica, con un total de 12.000 máquinas. La provincia de Buenos Aires con casi la misma superficie, tan solo posee 7 máquinas y Argentina 40 en total.

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Otra forma es ahorrar electricidad y que ese ahorro se aplique a la disminución de la generación con hidrocarburos. En el presente trabajo hemos demostrado la posibilidad de realizar ahorro energético en el alumbrado sin perjudicar las condiciones de seguridad. El equipo de doble nivel de potencia que permitirá dicho ahorro, realizará la disminución de potencia en lámpara en horarios nocturnos. En estas condiciones, se producirá una disminución de la demanda que normalmente, se realiza disminuyendo la generación térmica puesto que los otros generadores (hidráulicos y nucleares) requieren un funcionamiento continuo. Por esta razón, el ahorro energético en el alumbrado tiene tanta importancia, ya que ahorra energía y lo hace sobre la que es más contaminante produciendo de esta manera un beneficio ecológico que beneficiará a todo el planeta en un futuro cercano.

CONCLUSIONES En el presente trabajo hemos visto la necesidad de realizar acciones para realizar ahorro energético por dos razones: El déficit de generación que es imposible corregir en el corto plazo sumado a una demanda creciente y la necesidad de disminuir los problemas ecológicos que se han potenciado en el mundo. Si bien los ahorros energéticos pueden ser encarados en varios frentes, el objetivo se ha enfocado en el alumbrado público. Los factores determinantes para satisfacer las demandas del público en cuanto a la calidad del alumbrado, presenta un conflicto de intereses entre el alto nivel de luminancia pretendido por razones de seguridad y la necesidad de ahorro planteada. Este conflicto se ha estudiado desde el enfoque político, técnico y económico, para encontrar una solución que satisfaga a ambas necesidades sin alterar gravemente los intereses en juego. En este trabajo se ha demostrado la posibilidad de bajar el nivel de iluminancia en horas nocturnas sin alterar la seguridad y se ha propuesto el equipo que técnicamente satisface los requisitos de ahorro y buena iluminación. Resumiendo: • El alumbrado público se calcula para el máximo nivel de densidad vehicular y peatonal. • En determinadas horas de la noche, esa densidad vehicular y peatonal disminuye considerablemente, sin

embargo, el alumbrado público sigue encendido a pleno flujo, con un derroche importante de energía. • La propuesta consiste en reducir el flujo del alumbrado público cuando disminuye la densidad vehicular y

peatonal, sin apagar lámparas y preservando las condiciones del servicio para la comunidad, que brinda el alumbrado público.

• Esto se consigue utilizando equipos de doble nivel de potencia. • Estos equipos encienden el alumbrado a pleno flujo y luego de un período de tiempo, lo reducen a un 50 %,

con un ahorro de energía del 40 %. • Al trabajar parte de la noche a plena potencia y otra parte a potencia reducida, el ahorro total de energía

está entre el 20 y el 25 %. • La amortización del nuevo equipamiento se produce en un período de 1 a 2 años, dependiendo de la

potencia instalada. Bibliográfía y Datos Estadísticos de Referencia

(*1) “Claves Para la recuperación y el desarrollo Industrial” - Academia Nacional de Ingeniería (*2) ”The Influence of Street Lighting on Crime” - London Crime Prevention Unit http://www.homeoffice.gov.uk/rds/prgpdfs/fcpu28.pdf(*3) ”The Effect of Better Street Lighting on Crime” - London Crime Prevention Unit http://www.homeoffice.gov.uk/rds/prgpdfs/fcpu29.pdf(*4) “Enviro Smart” - Programa de Buenas Prácticas, Concurso Internacional Dubai 2004 http://habitat.aq.upm.es/dubai/04/bp1302.html(*5) “Street Lighting and Crime” - Institute of Criminology, University of Cambridge http://www.popcenter.org/Library/CrimePrevention/Volume%2010/04-PainterFarrington.pdf(*6) “Lighting & Crime” - British Astronomical Association http://www.britastro.org/dark-skies/crime.html(*7) “Asociación Luchemos por la Vida” http://www.luchemos.org.ar(*8) “Niveles Luminosos Ciudad de Bs. As” - Datos Proporcionados por la Subsecretaría de Obras Públicas de la Ciudad de Buenos Aires. (*9) “Estadística de Tránsito Av. Gral. Paz” - Datos proporcionados por ejecutivos de Autopistas del Sol. (*10) “Respuesta del Ojo Humano” Basado en las Investigaciones Médicas del Dr. Ewald Hering. (*11) “Vida Útil en Función de la Tensión de Lámpara” – Datos proporcionados por Osram Argentina. (*12) “Norma IEC 61347-1” Requisitos Generales de Seguridad para Balastos. (*13) Datos suministrados por la Dirección Provincial de Energía de la Provincia de Buenos Aires. (*14) Las fotografías de Av. Gral. Paz (Anexo 1) son propiedad de los autores del presente trabajo.

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