Tema 2. Procediments per a la determinació del balanç elèctric

Desarrollo del tema

# PROCEDIMENTS PER A LA DETERMINACIÓ DEL BALANÇ ELÈCTRIC

## 1. INTRODUCCIÓ AL BALANÇ ELÈCTRIC

El balanç elèctric (en anglès, *Electrical Load Analysis* o ELA) és un estudi tècnic fonamental en l'enginyeria naval que consisteix a inventariar, calcular i sumar totes les càrregues elèctriques d'un vaixell per determinar la potència de generació necessària. Aquest document és imprescindible per al disseny, construcció i operació segura de qualsevol embarcació.

L'objectiu principal del balanç elèctric és dimensionar correctament la planta de generació elèctrica, determinant la potència nominal i el nombre de grups electrògens (dièsel-generadors) necessaris per alimentar tots els serveis de manera segura i eficient. A més, garanteix que hi haurà potència suficient en totes les condicions operatives, incloent-hi situacions d'emergència, complint amb el principi de redundància (N-1) que exigeix la normativa internacional.

El balanç elèctric també serveix per dimensionar components clau com quadres elèctrics, interruptors principals, transformadors i cablejat, i per demostrar a les Societats de Classificació i autoritats marítimes que la instal·lació elèctrica compleix amb la normativa vigent.

## 2. CONCEPTES FONAMENTALS

### 2.1 Potència Total Instal·lada vs. Potència Demandada

Cal distingir clarament entre dos conceptes que sovint es confonen:

**Balanç Teòric (Potència Total Instal·lada):** És la suma aritmètica de la potència nominal de tots els equips consumidors d'electricitat instal·lats a bord, sense considerar si funcionen simultàniament o a plena càrrega. La fórmula és simplement:

P_instal·lada = Σ P_nominal_equip

Aquest valor és purament teòric i sobredimensionaria enormement la planta elèctrica si s'utilitzés per al càlcul.

**Balanç Operatiu (Potència Màxima Demandada):** És el càlcul realista de la potència màxima que es demandarà a la planta elèctrica en un mode d'operació específic. Aquest càlcul aplica factors de correcció per reflectir l'ús real dels equips i és el valor que s'utilitza per al dimensionament efectiu de la planta.

### 2.2 Factors de Demanda i Simultaneïtat

Els factors de correcció permeten passar del balanç teòric a l'operatiu, fent que el càlcul sigui realista i econòmicament viable.

**Factor de Demanda (Kd):** Representa la relació entre la potència que un equip consumeix en condicions normals d'operació i la seva potència nominal. Sempre és menor o igual a 1.

Exemple: Un motor de bomba de 100 kW pot operar normalment al 85% de la seva capacitat. El seu Kd seria 0,85 i la seva demanda real seria 100 × 0,85 = 85 kW.

Valors típics de Kd: - Il·luminació: Kd = 1,0 - Bombes de funcionament continu: Kd = 0,8-0,9 - Hèlix de proa: Kd = 0,7-1,0 - Aire condicionat: Kd = 0,85

**Factor de Simultaneïtat (Ks):** Representa la probabilitat que un grup d'equips funcionin alhora. S'aplica a grups de consumidors que no operen tots simultàniament. Sempre és menor o igual a 1.

Exemple: En una cuina amb 10 equips, és improbable que tots funcionin a la vegada. Es pot aplicar un Ks = 0,6 al grup sencer. Les maquinilles d'amarratge són un altre exemple clar: només un parell funcionen alhora, mai totes.

Valors típics de Ks: - Grups de bombes redundants: Ks = 0,5 - Equips de cuina: Ks = 0,5-0,7 - Maquinilles de coberta: Ks = 0,2-0,4

## 3. CLASSIFICACIÓ DELS CONSUMIDORS ELÈCTRICS

### 3.1 Serveis Essencials

Són aquells necessaris per a la propulsió i governabilitat del vaixell. El seu funcionament no pot ser interromput. Inclouen:

- Equip de govern (servomotor del timó) - Bombes d'oli lubricant i combustible per a motors principals - Equips de navegació (radar, GPS, ECDIS) - Comunicacions (GMDSS) - Bombes contra incendis - Sistemes de control de la propulsió

### 3.2 Serveis No Essencials

Aquells relacionats amb el confort, la càrrega o altres operacions que poden ser desconnectats temporalment sense posar en risc el vaixell:

- Aire condicionat i ventilació d'acomodació - Equips de cuina i bugaderia - Grues de càrrega, bombes de càrrega/llast - Il·luminació de zones no crítiques - Sistemes d'entreteniment

### 3.3 Serveis d'Emergència

Un subconjunt dels serveis essencials que han de funcionar fins i tot en cas de *blackout* (pèrdua total de la generació principal), alimentats pel generador d'emergència:

- Il·luminació d'emergència - Bomba d'emergència contra incendis - Equips de comunicació d'emergència - Un dels equips de govern - Sistemes de detecció d'incendis

## 4. MODES D'OPERACIÓ DEL VAIXELL

S'ha de calcular un balanç elèctric per a cada mode operatiu, ja que les càrregues actives varien significativament. El dimensionament es farà basant-se en el mode que presenti la demanda més alta.

### 4.1 Navegació (Mar Obert / Sea Going)

Càrregues principals: auxiliars de propulsió, equips de navegació, sistemes de control, ventilació de màquines i càrrega base d'acomodació ("hotel load"). És la condició de càrrega més llarga i estable, però no necessàriament la de major demanda.

### 4.2 Maniobra (Entrant/Sortint de Port)

Càrregues principals: hèlix de proa (*bow thruster*) i/o de popa, maquinilles d'amarratge, equip de govern a màxima potència. Aquesta condició sol generar els pics de demanda més alts, tot i que són de curta durada.

### 4.3 Càrrega/Descàrrega (Loading/Unloading)

Càrregues principals: grues de càrrega, bombes de càrrega (en petroliers/quimiquers), sistemes de llast. En vaixells de càrrega, pot ser el mode de major consum sostingut.

### 4.4 Emergència

Només funcionen els serveis d'emergència, alimentats pel generador d'emergència. La demanda és baixa però crítica per a la seguretat.

### 4.5 Estada en Port (Harbour/At Port)

Càrregues reduïdes: principalment il·luminació, ventilació bàsica i serveis mínims d'acomodació. Els generadors principals poden operar a baixa càrrega.

**Cold Ironing / AMP (Alternative Maritime Power):** Si el vaixell es connecta a la xarxa elèctrica del port, els seus generadors s'aturen. El balanç elèctric ha de preveure la capacitat de la connexió a terra.

## 5. METODOLOGIA DE CÀLCUL

### 5.1 Fórmules de Càlcul

La potència demandada (P_demandada) per a un mode operatiu concret es calcula amb la fórmula següent, sumant la contribució de cada equip (i):

P_demandada = Σ (P_nominal_i × Kd_i × Ks_i)

On: - P_nominal_i = Potència nominal de l'equip 'i' (en kW) - Kd_i = Factor de demanda de l'equip 'i' - Ks_i = Factor de simultaneïtat (sovint s'aplica a un grup d'equips)

Per obtenir la potència aparent (kVA), cal considerar el factor de potència (cos φ) i l'eficiència dels motors (η). La fórmula completa per a un motor és:

P_demandada_motor (kVA) = (P_nominal_motor × Kd) / (η × cos φ)

### 5.2 Procediment Pas a Pas

**Pas 1 - Recopilació de Dades:** Obtenir la "Makers List" o llista d'equips del fabricant del vaixell, que inclou la potència nominal, voltatge, factor de potència i eficiència de cada consumidor.

**Pas 2 - Creació de la Taula de Càrregues:** Utilitzar un full de càlcul amb les columnes següents: - Descripció de l'equip - Sistema al qual pertany (navegació, propulsió, coberta) - Quantitat - Potència Nominal (kW) - Factor de Potència (cos φ) i Eficiència (η) - Factor de Demanda (Kd) - Potència Absorbida (kW) = P_nominal × Kd - Potència Aparent Absorbida (kVA) - Columnes per a cada mode operatiu (1 = actiu, 0 = inactiu)

**Pas 3 - Càlcul per Modes:** Per a cada mode, sumar la potència demandada (kW i kVA) de tots els equips marcats com a actius, aplicant els factors de simultaneïtat als grups corresponents.

**Pas 4 - Selecció del Cas Crític:** Identificar el mode operatiu amb la màxima demanda de potència (normalment maniobra o càrrega/descàrrega).

**Pas 5 - Dimensionament dels Generadors:** - Sigui P_max la potència màxima demandada - Aplicar el criteri N-1: si el vaixell té 3 generadors iguals, 2 han de poder subministrar P_max - La potència de cada generador (P_gen) ha de ser: P_gen ≥ P_max / (N_total - 1) - Els generadors no haurien de treballar per sobre del 85-90% de la seva càrrega nominal

**Pas 6 - Elaboració del Document:** Preparar el document final que inclou la taula de càlcul, un resum dels resultats, l'esquema unifilar de la planta elèctrica i la declaració de compliment normatiu.

## 6. NORMATIVA APLICABLE

### 6.1 Requeriments SOLAS

El conveni SOLAS (Safety of Life at Sea), capítol II-1, estableix els requisits fonamentals:

**Regla 41:** La capacitat total de la planta generadora principal ha de ser suficient per alimentar tots els serveis essencials per a la propulsió, seguretat i habitabilitat.

**Principi de Redundància (N-1):** La normativa exigeix que, amb el generador de major potència fora de servei, la resta de generadors en funcionament han de ser capaços de subministrar la potència necessària per a les condicions normals de navegació i maniobra. Aquest és el criteri de disseny més important.

### 6.2 Normes IEC 60092

És la sèrie d'estàndards de la Comissió Electrotècnica Internacional per a instal·lacions elèctriques en vaixells:

- IEC 60092-201: System Design - General - IEC 60092-202: System Design - Protection - IEC 60092-101: Definitions and general requirements

### 6.3 Societats de Classificació

Organitzacions com Lloyd's Register, DNV (Det Norske Veritas), Bureau Veritas o American Bureau of Shipping (ABS) estableixen regles tècniques detallades que incorporen i amplien els requisits de SOLAS i IEC. Elles són les encarregades d'aprovar el document de Balanç Elèctric i exigeixen:

- Càlculs detallats per a cada mode operatiu - Verificació del compliment de la regla N-1 - Un marge de reserva de potència en el quadre principal (normalment entre el 10% i el 20%) per a futures ampliacions

## 7. EINES I SOFTWARE

**MS Excel:** L'eina més estesa per a l'elaboració de balanços elèctrics per la seva flexibilitat i disponibilitat.

**Software Especialitzat:** Programes com ETAP (Electrical Transient Analyzer Program) o Caneco BT s'utilitzen per a anàlisis més complexes, com estudis de curtcircuit, arrencada de motors o flux de càrregues, que són complementaris al balanç elèctric bàsic.

## 8. EXEMPLE PRÀCTIC SIMPLIFICAT

Considerem un vaixell de càrrega amb les següents dades per al mode de navegació:

| Equip | P_nom (kW) | Kd | Ks | P_dem (kW) | |-------|------------|-----|-----|------------| | Bomba refrigeració ME | 45 | 0,85 | 1,0 | 38,25 | | Bomba lubricant ME | 30 | 0,90 | 1,0 | 27,00 | | Ventilació màquines | 25 | 0,80 | 1,0 | 20,00 | | Il·luminació | 40 | 1,00 | 0,7 | 28,00 | | Aire condicionat | 80 | 0,85 | 1,0 | 68,00 | | Equips navegació | 15 | 1,00 | 1,0 | 15,00 | | Altres serveis | 50 | 0,70 | 0,6 | 21,00 | | **TOTAL** | | | | **217,25** |

Amb un marge del 15%: 217,25 × 1,15 = 250 kW aproximadament.

Si el vaixell té 3 generadors iguals i apliquem N-1: cada generador ha de ser de mínim 125 kW (250 kW / 2 generadors operatius).

## 9. CONCLUSIÓ

El balanç elèctric és un document viu que ha d'actualitzar-se amb qualsevol modificació de la instal·lació elèctrica del vaixell. La seva correcta elaboració és fonamental per garantir la seguretat, l'eficiència i el compliment normatiu de l'embarcació. Per als futurs professionals de la navegació, dominar aquesta eina és imprescindible per entendre i gestionar adequadament la planta elèctrica a bord.