¿Qué es la energía reactiva?

Si estás interesado por el ahorro y la eficiencia energética con total seguridad habrás oído hablar de la energía reactiva. Habréis oído que reduce la eficiencia de las instalaciones, que es mala para la red eléctrica y, sobre todo, que si consumes energía reactiva tienes una penalización en tu factura eléctrica. Pero ¿Qué es exactamente la energía reactiva?

Explicar el concepto de energía reactiva es algo complicado. Si lo miráis en un libro os llenarán de ecuaciones de números complejos, álgebra de fasores y relaciones trigonométricas. El problema es que con tantas matemáticas se corre el riesgo de olvidar el significado físico. Porque después de todo, ¿que narices significa que un dipolo absorba una potencia compleja?

Así que, haciendo honor al subtitulo de este blog, voy a explicar lo que es la energía reactiva sin usar ni una ecuación. Es más, os la voy a mostrar y voy a dejar que juguéis con ella. Al final de esta entrada tenéis una aplicación completa con la que experimentar. Pero no nos adelantamos, y vayamos por partes.

Un repaso a la electricidad alterna

Cómo es sabido, la red eléctrica que empleamos es en realidad una fuente de tensión alterna. En España esta tensión alterna tiene valores nominales de 230V entre fase y neutro y 50 Hz. Esto significa que la tensión en nuestro enchufe alterna su sentido (pasa de positivo a negativo, y otra vez a positivo) 50 veces cada segundo, y que realiza un trabajo equivalente al que realizaría una fuente te tensión continua de 230V. En esta entrada tomaremos estos valores, aunque los resultados y conclusiones son válidos para cualquier otro valor de la red.

Vamos a graficar esta tensión respecto del tiempo, medido en grados eléctricos (360º grados eléctricos serán 1/50Hz = 0.02s),

Cuando conectamos a tensión alterna una carga eléctrica, comienza a pasar por ella una cierta cantidad de intensidad eléctrica. Lógicamente, esta intensidad es también una función alterna. Esto significa que la electricidad cambia el sentido en el que atraviesa la carga, de positivo a negativo y otra vez positivo, 50 veces por segundo.

La intensidad eléctrica que fluye está determinada únicamente por las características de la carga conectada. La cantidad de electricidad, la amplitud de la onda de intensidad, está fijada por la impedancia de la carga. Pero (y aquí viene la parte interesante para la energía reactiva) la carga también introduce un desfase entre intensidad y tensión. Esto significa que la onda de intensidad adelantará o retrasará en el tiempo respecto a la de tensión. Este desfase, que mediremos en grados eléctricos, es el que origina la energía reactiva.

Pero, ¿Qué causa que las ondas de tensión e intensidad desfasen entre ellas? Para explicar esto tenemos que explicar brevemente los tipos de cargas existentes.

Tipos de cargas en electricidad

En electricidad (no confundir con electrónica) existen tres tipos de cargas. Resistencias, bobinas y condensadores. Vamos a ver las características de cada una de ellas.

• Resistencias (cargas resistivas): Todo elemento a través del cual fluye una electricidad ofrece cierta resistencia a ser atravesado por la corriente. Al ser atravesadas por la corriente las resistencia disipan energía. Como ejemplo de grandes resistencias podemos citar las resistencias térmicas que se emplean para generar calor, pero se hace notar que toda carga conectada (líneas eléctricas, luminarias, motores…) presenta una resistencia.
• Bobinas (cargas inductivas): Una bobina está formada por un conductor eléctrico arrollado en un núcleo de material ferromagnético. Al circular una corriente por ella, genera un campo magnético en su interior. Este campo magnético almacena energía, y se opone a cambios en el valor de la intensidad eléctrica. Las bobinas constituyen una parte fundamentan en múltiples máquinas, por ejemplo en motores, transformadores, equipos de fluorescencia.
• Condensadores (cargas capacitivas): Un condensador está formado por dos conductores separados por medio de un material aislante. Al circular corriente por él, genera un campo eléctrico en su interior. Este campo eléctrico almacena energía, y se opone a cambios en el valor de tensión. A diferencia de las bobinas, los condensadores de gran tamaño tienen poca aplicación en electricidad. Su uso principal es en baterías para compensar, precisamente, los efectos reactivos producidos por las bobinas.

Las resistencias son elementos pasivos que no generan desfase en la corriente. Sin embargo, bobinas y condensadores son elementos reactivos que generan campos, respectivamente, magnéticos y eléctricos. Estos campos presentan una cierta “inercia” a ser creados o destruidos, y es esta “inercia” la que introduce desfases en la corriente. Ambos elementos producen efectos contrarios en la corriente, las bobinas introducen desfases negativos, y los condensadores positivos.

Sin embargo, las cargas reales nunca son “puras” si no que presentan un comportamiento intermedio entre cargas pasivas y reactivas. Para caracterizar las cargas reales empleamos el ángulo de desfase que introducen entre tensión y corriente. Una resistencia pura es una carga de 0º, una bobina 90º, y un condensador -90º. Los comportamientos mixtos presentan valores de desfase intermedios entre estos límites.

En la siguiente gráfica podéis desplazar la barra, modificando el comportamiento de la carga, y observando el desfase introducido en la corriente eléctrica.

Cuestión de potencia

¿Por qué es importante este desfase y como puede ser la causa de la energía reactiva? Para ver el efecto que produce en la carga vamos a calcular la potencia consumida por una carga, que obtenemos simplemente multiplicando la tensión y la intensidad en cada instante de tiempo. El resultado, S(t), que llamaremos potencia aparente, se muestra en la siguiente gráfica.

Se observa que la potencia aparente es una onda del doble de la frecuencia de la tensión. Es decir, si conectamos una lámpara (un elemento resistivo, ángulo 0º) esta se enciende y apaga 100 veces por segundo. Esto comportamiento fluctuante en la potencia se cumple siempre, para cualquier tipo de carga conectada. El valor de potencia efectivo a lo largo del tiempo es el promedio de esta potencia, que se muestra con la línea Smed.

Ahora variar el ángulo de la carga y observar como la onda de potencia S(t) pasa a tener instantes en los que toma valores negativos. Efectivamente, la carga absorbe potencia durante una parte del tiempo y devuelve a la red en otra. Por su parte, la potencia promedio Smed disminuye. En los valores extremos de 90º o -90º, correspondientes con cargas inductivas o capacitivas puras, el valor Smed cero. En estos casos puros, la carga absorbe energía durante medio periodo y devuelve exactamente la misma energía durante el siguiente semi período.

Solo resta usar un pequeño “truco matemático” para descomponer esta potencia aparente S(t) en la suma de dos componentes puramente activos y reactivos. En todo momento, la suma de ambos componentes es la potencia S(t), que es la que realmente absorbe la carga.

• La potencia real P(t) es la parte de la potencia que pulsa en fase con la tensión. Esta potencia, originada por los elementos resistivos de la carga, es la que realiza realmente trabajo útil.
• La potencia reactiva Q(t) es la componente de potencia que pulsa a 90 o -90º. Está originada por los elementos reactivos de la carga, y no genera trabajo útil a lo largo del tiempo.

La cantidad de cada componente está marcada por el desfase entre tensión e intensidad. En concreto, la relación entre la potencia activa y la potencia aparente es el coseno del ángulo formado por tensión e intensidad. A esta relación se le llama de forma habitual factor de potencia de la instalación.

La siguiente gráfica muestra el reparto de potencia entre los dos componentes en función del ángulo.

Conclusión

Hemos visto que los elementos reactivos de una carga eléctrica introducen desfases entre tensión e intensidad. Este desfase se origina por la “inercia” de la carga ante la creación y destrucción de campos magnéticos y eléctricos. La existencia de este desfase provoca que la potencia absorbida por la carga, S(t), adquiera valores negativos, por lo que la carga cede potencia durante parte del tiempo.

La potencia reactiva es la componente de la potencia que pulsa a 90º con la tensión. El trabajo neto que realiza a lo largo del tiempo es nulo. La energía absorbida en un semiperiodo se almacena dentro de la carga en forma de campo magnético o eléctrico, y se cede íntegramente en el siguiente semiperiodo. En oposición, la potencia activa es la componente que pulsa a 0º con la tensión, y es la que realiza trabajo efectivo a lo largo del tiempo.

En una próxima entrada veremos los efectos negativos de la potencia reactiva en una red eléctrica, y trataremos ciertos mitos y verdades relativos a la energía reactiva en el campo de la eficiencia energética.

Para terminar os dejo la gráfica completa con todas las magnitudes vistas en la entrada. Podéis apagar y encender las funciones que deseéis pulsando sobre su nombre en la leyenda.