OPOSGRATISOPOSGRATISTema 2. Procediments per a la determinació del 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.
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.
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:
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:
Són aquells necessaris per a la propulsió i governabilitat del vaixell. El seu funcionament no pot ser interromput. Inclouen:
Aquells relacionats amb el confort, la càrrega o altres operacions que poden ser desconnectats temporalment sense posar en risc el vaixell:
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:
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.
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.
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.
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.
Només funcionen els serveis d'emergència, alimentats pel generador d'emergència. La demanda és baixa però crítica per a la seguretat.
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.
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:
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)
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:
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:
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.
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.
És la sèrie d'estàndards de la Comissió Electrotècnica Internacional per a instal·lacions elèctriques en vaixells:
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:
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.
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).
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.