Energía solar fotovoltaica en casa habitación - Inicio

UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE ZACATECAS
ENERGÍA SOLAR FOTOVOLTAICA EN CASAS HABITACIÓN.
Juan Guillermo Garcı́a Guajardo
Tesis de Licenciatura
presentada a la Unidad Académica de Ingenierı́a Eléctrica
de acuerdo a los requerimientos de la Universidad para obtener el tı́tulo de
INGENIERO EN COMUNICACIONES Y ELECTRÓNICA
Directores de tesis: Dr. Héctor René Vega Carrillo y Dra. Gema Mercado Sánchez
UNIDAD ACADÉMICA DE INGENIERÍA ELÉCTRICA
16 de Noviembre de 2007
APROBACIÓN DE TEMA DE TESIS DE LICENCIATURA
Juan Guillermo Garcı́a Guajardo
PRESENTE
De acuerdo a su solicitud de tema de Tesis de Licenciatura del Programa de Ingenierı́a en
Comunicaciones y Electrónica, con fecha 6 de Noviembre de 2007, se acuerda asignarle el
tema titulado:
ENERGÍA SOLAR FOTOVOLTAICA EN CASAS HABITACIÓN.
Se nombran revisores de Tesis al profesor Dr. Héctor René Vega Carrillo y a la profesora
Dra. Gema Mercado Sánchez , notificándole a usted que dispone de un plazo máximo de seis
meses, a partir de la presente fecha, para la conclusión del documento final debidamente revisado.
Atentamente
Zacatecas, Zac., 7 de Noviembre de 2007
Ing. José A. Álvarez Pérez
Director de la Unidad Académica de Ingenierı́a Eléctrica
ii
AUTORIZACIÓN DE IMPRESIÓN DE TESIS DE LICENCIATURA
Juan Guillermo Garcı́a Guajardo
PRESENTE
La Dirección de la Unidad Académica de Ingenierı́a Eléctrica le notifica a usted que la
Comisión Revisora de su documento de Tesis de Licenciatura, integrada por el profesor Dr.
Héctor René Vega Carrillo y la profesora Dra. Gema Mercado Sánchez , ha concluido la revisión del mismo y ha dado la aprobación para su respectiva presentación.
Por lo anterior, se le autoriza a usted la impresión definitiva de su documento de Tesis para
la respectiva defensa en el Examen Profesional, a presentarse el 16 de Noviembre de 2007
Atentamente
Zacatecas, Zac., 12 Noviembre 2007
Ing. José A. Álvarez Pérez
Director de la Unidad Académica de Ingenierı́a Eléctrica
APROBACIÓN DE EXAMEN PROFESIONAL
Se aprueba por unamimidad el Examen Profesional de Juan Guillermo Garcı́a Guajardo
presentado el 16 de Noviembre de 2007 para obtener el tı́tulo de:
INGENIERO EN COMUNICACIONES Y ELECTRÓNICA
Jurado:
Presidente: Dr. Héctor René Vega Carrillo
Primer vocal:
Dra. Gema Mercado Sánchez
Segundo vocal: Dr. Jorge de la Torre y Ramos
Tercer vocal: M. en C. Victor Hernández Dávila
Cuarto vocal: Dr. Valentı́n Badillo Almaráz
RESUMEN
En este trabajo se ha realizado una revisión del problema de los energéticos, las formas
en que se genera la energı́a, usando los métodos convencionales ası́ como los sistemas alternos. Para cada sistema de generación se discuten las ventajas y desventajas, en particular el
impacto ambiental que producen. A raı́z del inicio de la era industrial la humanidad hizo un
uso exhaustivo de los combustibles fósiles que al quemarse generan gases de efecto invernadero, esta situación ha generado un desequilibrio en el ciclo del CO2 lo que ha producido
cambios en el patrón del clima en el mundo. A través del acuerdo de Kyoto 165 paı́ses han
ratificado su compromiso para reducir los niveles de emisión con el fin de prevenir el impacto
antropogénico. Las medidas adoptadas requieren de un cambio radical en la forma en que
generamos la energı́a, sin embargo esto no es sencillo ya que todas las sociedades requieren
el recurso energético para su desarrollo; la solución está en diversificar las formas en que generamos la energı́a, es decir reducir el uso de los combustibles fósiles utilizando los sistemas
alternos de generación como la energı́a solar y la eólica, utilizar la energı́a nuclear, implementar programas de ahorro de energı́a y realizar auditorias energéticas. En este trabajo utilizamos
el instrumento de la encuesta para determinar las necesidades de energı́a eléctrica que tienen
las personas que habitan casas de interés social en la ciudad de Zacatecas de los resultados
obtenidos encontramos que a pesar de no tener un nivel alto de escolaridad existe conciencia
sobre el problema del calentamiento global, ası́ mismo encontramos que las fuentes alternas
cuentan con un amplio margen de aceptación. Con las necesidades de electricidad promedio
detectadas en las casas de interés social hacemos una propuesta sobre la forma en que pueden
ser satisfechas mediante un sistema fotovoltaico.
vi
Para mis padres que creyeron en mi, me dieron la oportunidad de estudiar y me brindaron
todo el apoyo necesario para mi realización profesional. También a todas las personas que me
han ayudado en los momentos en los que alguna vez pense en desistir de esta etapa de mi
formación tanto académica como humana.
vii
Agradecimientos
Agradezco la valiosa colaboración que el Dr. Héctor René Vega Carrillo me ha brindado,
por su paciencia y dedicación hacia conmigo. También agradezco a todos los maestros que
durante la carrera me obsequiaron sus conocimientos.
viii
Contenido General
Pag.
Resumen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
v
Lista de figuras . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
xi
Lista de tablas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xv
1
Introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2
Generación de energı́a eléctrica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
2.1
2.2
3
Energéticos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.1.1 Recursos energéticos fósiles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.1.2 Recursos Energéticos Nucleares . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.1.3 Recursos energéticos renovables . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.1.4 Los recursos energéticos de México y la generación de energı́a eléctrica.
Generación de Energı́a Eléctrica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.2.1 Principios de la generación de energı́a eléctrica . . . . . . . . . . . . .
2.2.2 Generadores de corriente alterna (alternadores) . . . . . . . . . . . . .
2.2.3 Plantas de Generación de Energı́a Eléctrica . . . . . . . . . . . . . . .
2.2.4 Generación de electricidad en México . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1
10
11
19
26
31
34
34
39
43
44
Plantas generadoras de energı́a eléctrica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
3.1
3.2
3.3
3.4
Plantas Termoeléctricas . . . . . . . . . . . . . . . .
3.1.1 Plantas de Turbina de Gas . . . . . . . . . .
3.1.2 Plantas de Combustión Interna . . . . . . . .
Plantas Nucleares . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.2.1 Tipos de centrales nucleares y caracterı́sticas
Las centrales hidroeléctricas . . . . . . . . . . . . .
3.3.1 Ciclo del agua. . . . . . . . . . . . . . . . .
3.3.2 Tipos de centrales hidroeléctricas . . . . . .
3.3.3 Partes de una planta hidroeléctrica clásica: .
Generación de Energı́a y su Impacto Ambiental . . .
3.4.1 Calentamiento Global . . . . . . . . . . . .
3.4.2 Protocolo de Kyoto . . . . . . . . . . . . . .
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46
49
50
51
53
55
55
57
58
62
63
64
ix
Pag.
4
Fuentes Alternas de Generación de Energı́a Eléctrica . . . . . . . . . . . . . . . 66
4.1
4.2
4.3
4.4
5
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68
70
72
73
75
75
76
76
79
79
80
81
82
82
84
87
87
89
94
99
Energı́a Solar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.1.1 Radiación Solar En La Superficie Terrestre . . .
5.1.2 Instrumentación para la medición del Flujo Solar
5.1.3 Energı́a Solar Térmica . . . . . . . . . . . . . .
5.1.4 Energı́a Solar Fotovoltática . . . . . . . . . . . .
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101
102
110
112
114
Sistema fotovoltaico para una casa-habitación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124
6.1
6.2
6.3
7
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Energı́a Solar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
5.1
6
Biomasa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.1.1 Aplicación directa de la biomasa: Residuos y cultivos energéticos .
4.1.2 Aplicación indirecta de la Biomasa . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.1.3 Ventajas de la Biomasa como fuente de Energı́a . . . . . . . . . . .
4.1.4 Funcionamiento de una Planta de Cogeneración mediante Biomasa.
Marı́tima . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.2.1 Funcionamiento de una Central maremotriz. . . . . . . . . . . . .
Geotérmia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.3.1 Tipos de fuentes geotérmicas: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.3.2 Tipos de yacimientos geotérmicos según la temperatura del agua . .
4.3.3 Tipos de sistemas geotérmicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.3.4 Planta Geotermoeléctrica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.3.5 Tipos de Plantas Geotermoeléctricas . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.3.6 Ventajas y Desventajas de la energı́a Geotérmica. . . . . . . . . . .
Energı́a Eólica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.4.1 Velocidad del viento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.4.2 Medición del recurso . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.4.3 Velocidades de viento de trabajo . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.4.4 Tipos de Sistemas Eólicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.4.5 Sistemas de control de un aerogenerador . . . . . . . . . . . . . . .
Aplicación de la Encuesta . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124
Resultados de la Encuesta . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126
Propuesta de un sistema fotovoltaico capaz de suministrar la energı́a eléctrica
en las casas promedio de interés social de la ciudad de Zacatecas. . . . . . . . . 135
Conclusiones y trabajo a futuro . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138
7.1
Conclusiones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138
x
Pag.
7.2
Trabajo a futuro . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140
Apéndice
Encuesta aplicada . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141
Referencias . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145
xi
Lista de figuras
Figura
1.1
Pag.
Tasas de producción, consumo y capacidad de refinación del petróleo en México
de 1965 al 2005 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3
1.2
Producción y consumo de gas natural en México. . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4
1.3
Producción y consumo de carbón en México. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5
1.4
Capacidad fotovoltaica instalada en el mundo y en México. . . . . . . . . . . . . .
6
1.5
Capacidad eólica instalada en el mundo y en México. . . . . . . . . . . . . . . . .
7
2.1
Ciclotemas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
2.2
Barra de uranio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
2.3
Plutonio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
2.4
Reservas de gas natural . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
2.5
Reservas de carbón . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
2.6
Reservas de petróleo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
2.7
Diagrama que muestra los angulos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
2.8
Señal senoidal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
2.9
Diagrama que muestra los angulos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
2.10 Flujo magnetico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
2.11 Funcionamiento generador ac . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
2.12 Funcionamiento generador ac . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
xii
Figura
Pag.
2.13 Funcionamiento generador ac . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
2.14 Funcionamiento generador ac . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
2.15 Funcionamiento generador ac . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
3.1
Planta termoeléctrica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
3.2
Planta de turbina de gas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
3.3
Planta de combustión interna . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
3.4
Diagrama de una central térmica. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
3.5
Reactores Magnox . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
3.6
Ciclo del agua . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
3.7
Esquema de una planta Hidroeléctrica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
3.8
Pelton . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
3.9
Francis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
3.10 Kaplan . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
4.1
Generación de biomasa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
4.2
Central de Cogeneración por medio de Biomasa. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
4.3
Gradiente geotérmico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
4.4
Esquema idealizado de un sistema geotérmico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
4.5
Distribución de las principales placas corticales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
4.6
Partes de una central geotérmica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
4.7
Esquema de una turbina eólica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
4.8
Interior del chasis de un aerogenerador . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
4.9
Rosas de viento caracterı́sticas para un flujo dominante dentro de un valle, en una
planicie sur y por encima de las elevaciones extremas de un valle . . . . . . . . . . 87
xiii
Figura
Pag.
4.10 Diversos tipos de anemómetros . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
4.11 Area A barrida por el rotor de diámetro D . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
4.12 Aerogenerador de eje horizontal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
4.13 Aerogeneradores de Darrieux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
4.14 Rotor Savonius . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
5.1
Movimiento de traslación de la tierra . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
5.2
Situación espacial de diversos ángulos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
5.3
Vertical del lugar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
5.4
Vertical de un lugar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
5.5
Valores mensuales medios de Io . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
5.6
Dos tipos de heliógrafos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110
5.7
Pirheliómetro de disco de plata . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111
5.8
Piranómetro . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111
5.9
Esquema A.C.S. 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
5.10 Esquema A.C.S. 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
5.11 Efecto de la radiación solar sobre una placa fotovoltáica . . . . . . . . . . . . . . 117
5.12 Celda de Silicio Monocristalino . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119
5.13 Celda de Silicio Policristalino . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120
5.14 El silicio amorfo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120
5.15 Sistemas Aislados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121
5.16 Sistema Hı́brido . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122
5.17 Redes fotovoltáicas conectados a sistemas de distribución . . . . . . . . . . . . . 123
xiv
Figura
Pag.
5.18 Redes fotovoltáicas conectados a sistemas de distribución . . . . . . . . . . . . . 123
6.1
Número de habitantes en casas de interés social en la ciudad de Zacatecas . . . . . 126
6.2
Distribución de las edades de las personas que viven en las casas de interés social . 127
6.3
Tiempo de uso de la vivienda . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127
6.4
Resultados sobre el requisito en costo y desempeño que debe tener la fuente alterna
en comparación con el servicio que proporciona la CFE . . . . . . . . . . . . . . 129
6.5
Gasto bimensual por el servicio de energı́a eléctrica. . . . . . . . . . . . . . . . . 130
6.6
Ingresos mensuales por familia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131
6.7
Distribución del ingreso familiar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133
6.8
Ocupación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133
6.9
Nivel de escolaridad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134
6.10 Celda solar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137
6.11 fusible . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137
6.12 Inversor de corriente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137
6.13 Regulador del Cargado de la baterı́a . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137
6.14 Baterı́a . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137
xv
Lista de tablas
Tabla
Pag.
2.1
Composición elemental, en % en peso, del petróleo. . . . . . . . . . . . . . . . . 12
2.2
Propiedades del Uranio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
2.3
Propiedades del Plutonio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
2.4
Escala Beaufort . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
2.5
Capacidad en MW instalada en México de 1996-2002 . . . . . . . . . . . . . . . 45
2.6
Capacidad en MW instalada en México del 2003-2006 . . . . . . . . . . . . . . . 45
2.7
Generación en TWh en México de 1996 - 2002 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
2.8
Generación en TWh en México del 2003-2006 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
5.1
Valores de ξ según la latitud λ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
6.1
Fraccionamientos con casas de interés social en la ciudad de Zacatecas. . . . . . . 125
6.2
Tarifas y costos por kWh mensual de la CFE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131
6.3
Cantidad y tipo de aparatos eléctricos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132
6.4
Tipo de dispositivo y costos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136
Capı́tulo 1
Introducción
Los energéticos juegan un papel estratégico en el desarrollo de un paı́s en grado tal que para
asegurar su acceso se han utilizado acciones bélicas. La energı́a se utiliza para realizar trabajo
y para esto es necesario transformarla, lo que implica pasar de una forma a otra; una de las formas más utilizadas es la energı́a eléctrica. En general la energı́a se obtiene, en forma natural o
por intervención antropogénica, en reacciones exoenergéticas perturbando la capa electrónica
de los átomos, perturbando el núcleo atómico o aprovechando la fuerza de gravedad. Para esto,
se utilizan sistemas cuya acción produce un impacto en el medio ambiente [1].
La cantidad de recursos como el petróleo, carbón y el gas natural son finitos y su disposición
para generar energı́a eléctrica requiere de un sistema conocido como planta generadora; ésta
utiliza el proceso de combustión, donde se producen 4 eV por reacción y se genera CO2 , N Ox
y compuestos con S. Este tipo de plantas generadoras se denominan termoeléctricas y el fluido de trabajo es el agua. Otro grupo de este tipo de plantas utilizan el aire, o algún tipo de
gas inerte, o bien una mezcla de aire con algún combustible de origen fósil o vegetal; estas
plantas son las de turbina de gas o de combustión interna. Dentro del grupo de las plantas termoeléctricas se encuentras aquellas que utilizan combustibles nucleares, como el Plutonio, el
Uranio, natural o enriquecido. Las reservas de uranio son también finitas y el plutonio se produce de manera artificial. Este tipo de plantas, llamadas nucleoeléctricas, sustituyen la caldera
2
por un reactor nuclear donde la energı́a se produce mediante el fenómeno de la fisión nuclear,
donde por cada reacción se producen 200 MeV y desechos que son radiactivos. Los sistemas de
generación de energı́a que utilizan la fuerza de gravedad son las plantas hidroeléctricas, mareomotrices y las geotérmicas. En estas últimas se aprovecha el calor que produce el planeta y
no requiere del uso de ningún tipo de combustible. Todas estas plantas utilizan un generador
para transformar la energı́a mecánica en energı́a eléctrica. Existen otras formas de generación
de energı́a que aprovechan la energı́a producida por la combinación de H con O2 , la energı́a
del sol y la energı́a del viento para producir energı́a mecánica o para generar electricidad. En
los últimos años el fenómeno llamado calentamiento global ha sido asociado al incremento de
los gases de efecto invernadero (GEI) emitidos durante el uso de los combustibles fósiles, sin
embargo otros fenómenos como la lluvia ácida, el incremento de la densidad de los aerosoles y
los niveles de ozono en áreas con altas densidades de población, el daño a sistemas tanto en el
mar como en tierra, la pérdida de vidas humanas en accidentes, etc. están también relacionados
con los procesos de generación de energı́a.
A finales del 2005 la energı́a primaria producida en México tuvo como origen el petróleo
con el 59.7%, el gas natural con el 30.3%, la hidroelectricidad con el 4.3%, el carbón con 4.1%
y la núcleoelectricidad con el 1.6% [2]. En este conjunto han sido excluidas otras formas de
generación como la geotermia, solar y eólica, en virtud de la poca participación de éstas; ya
que en 2005 la capacidad instalada de generación geotérmica era de 953 MW, la capacidad
fotovoltaica era de 18.2 MW y eólica 3 MW.
3
En la figura 1.1 se muestran las tasas de producción, consumo y capacidad de refinación
del petróleo en México en los últimos 40 años.
Figura 1.1 Tasas de producción, consumo y capacidad de refinación del petróleo en México de 1965 al
2005
En el periodo de 1975 a 1980 hubo un incremento en la tasa de producción que pasó de 0.8
a los 3 millones de barriles por dı́a, el consumo interno mantuvo una tasa también creciente
pero a un ritmo menor. Desde 1990 la capacidad de refinación de petróleo se ha mantenido sin
incrementos importantes. A esto hay que agregarle el hecho de que el petróleo es una de las
fuentes más importantes en la generación de divisas.
Si México mantuviera constante la tasa de producción de petróleo que tuvo a finales de
1995, 3.76x106 barriles de petróleo por dı́a, y tomando en consideración que las reservas
probadas son de 1.37x1010 barriles de petróleo implica que las reservas tienen una duración
de aproximadamente 10 años. En la figura 1.2 se muestra el consumo y la producción de gas
natural en México de 1970 al 2005. A partir de 1998 el consumo de gas natural supero de
manera sistemática su producción.
4
Figura 1.2 Producción y consumo de gas natural en México.
En la figura 1.3 se muestra el consumo y la producción de carbón de 1981 al 2005 donde
prácticamente el consumo ha sido superado por la producción de este energético; esto implica
que para el caso del gas natural y el carbón la diferencia entre la producción y el consumo a
sido cubierta a través de la importación de este recurso energético.
5
Figura 1.3 Producción y consumo de carbón en México.
En México también se genera energı́a a través de sistemas que utilizan recursos renovables,
como la hidroelectricidad, la geotermia, la solar (térmica y fotovoltaica), eólica y biomasa [3].
En términos de la capacidad instalada de generación de electricidad mediante la plantas geotermoeléctricas a nivel mundial, a finales de 2005 en el mundo se tenı́a una capacidad instalada
de 8940 MW. Los paı́ses con mayor contribución eran: Estados Unidos (2544 MW), Filipinas
(1931 MW), México (953 MW), Indonesia (807 MW), Italia (791 MW), Japón (535 MW),
Nueva Zelanda (435 MW) e Islandia (202 MW). En las tres últimas décadas otros paı́ses han
hecho esfuerzos por explotar este recurso energético y se han estado incorporando a este grupo.
A finales de 2004, en el mundo la capacidad instalada de potencia solar (fotovoltaica) fue de
2599 MW; entre finales de 2003 y finales de 2004 esta fuente de energı́a se incrementó en un
44.5%, lo que implica un aumento importante aún a pesar de los costos de producción y se
estima que este incremento se siga sosteniendo. Para el caso de México el incremento, para
ese mismo periodo, fue de solo el 6.3%. Su producción de energı́a en este rubro representó
solo el 0.7% del total generado en el mundo. Los paı́ses que cuentan con la mayor capacidad
instalada son Japón, Alemania y Estados Unidos que a nivel mundial representan el 43.6, 30.5
6
y el 14.1%. En la figura 1.4 se muestra la capacidad instalada de energı́a solar fotovoltaica a
nivel mundial y para el caso de México de 1994 al 2004; como se puede apreciar existe una
tendencia creciente en México, sin embargo la tendencia es menor a la que ocurre en el mundo.
Figura 1.4 Capacidad fotovoltaica instalada en el mundo y en México.
A finales de 2005 la capacidad instalada en el mundo de generación de energı́a mediante
turbinas eólicas alcanzó los 59264 MW; entre el 2004 y el 2005 este recurso se incrementó en
un 23.7%, porcentaje menor al observado para la energı́a fotovoltaica. Los paı́ses que mayor
contribuyeron fueron Alemania (31.1%), España (16.9%) y Estados Unidos (15.5%). La participación de México fue de solo 3 MW, que represento el 0.005% del total. En la figura 1.5 se
muestra la capacidad instalada de origen eólico en el mundo y para el caso de México, donde
se puede apreciar que mientras que a nivel mundial se han hecho esfuerzos por aumentar la
tasa de participación de este recurso, en México la tasa de incremento ha sido no significativa.
Aún a pesar de que existe mayor capacidad instalada de origen eólico en comparación con la
capacidad fotovoltaica, la tasa de incremento de esta última es superior a la eólica. La brecha
que separa a México del resto del mundo, de seguir la misma polı́tica de años previos, será
mayor ya que en los paı́ses europeos ya se están instalando en las zonas costeras, en el océano,
7
Figura 1.5 Capacidad eólica instalada en el mundo y en México.
que permitirán instalar generadores cada vez más grandes.
Uno de los recursos que ha comenzado a ganar importancia como fuente de energı́a son
los biocombustibles, como el etanol y el biodiesel. El etanol también es conocido como alcohol etı́lico, alcohol de grano, hidroxietano, brillo de luna (moonshine) y EtOH. Su fórmula
quı́mica es C2 H5 OH y se obtiene como un producto petroquı́mico a través de la hidratación
del etileno ası́ como un producto de origen biológico mediante la fermentación de azúcares. El
uso más notorio es como combustible para los motores de combustión interna donde se utiliza
mezclado, hasta en un 85% con la gasolina [4]. Los paı́ses que durante el 2005 produjeron la
mayor cantidad de este producto fueron Brasil y Estados Unidos contribuyendo con el 46.7 y
el 45.6% del total. A nivel mundial se produjeron 16182 miles de toneladas equivalentes de
petróleo y entre 2004 y 2005 este recurso se incrementó en un 10.1%. Los promotores de este
recurso afirman que el uso del etanol contribuye a reducir hasta en un 29% los gases de efecto
invernadero [5]. El otro biocombustible es el biodiesel que se genera a partir de aceites de origen vegetal. El biodiesel se utiliza mezclado, hasta en un 20% con el diesel de origen fósil. Su
crecimiento en la demanda ha sido a la alza, ası́ en 1999, en los Estados Unidos, se vendieron
0.5 millones de galones, mientras que en 2005 el volumen se incrementó en 75 millones de
8
galones [6]. Estos recursos pueden ser una alternativa de desarrollo económico para zonas
agrı́colas, sin embargo su demanda también puede contribuir a una explotación inadecuada del
suelo utilizado para la producción de alimentos. Además de contribuir a la reducción de la
emisión de gases de efecto invernadero, para varios paı́ses representa la oportunidad de reducir
la dependencia el mercado del petróleo. En México no existe aún un esfuerzo serio para ingresar al terreno de los biocombustibles.
Los hidratos de gas, en particular los hidratos de metano, también llamados Caltratos, están
formados por una mezcla de metano y agua. A bajas temperaturas el agua se solidifica formando una estructura cristalina que atrapa al metano. Las bajas temperaturas y la alta presión
que se da a 500 m bajo el océano estos hidratos se mantienen estables y ocupan los poros de
los lechos marinos, también se encuentran en el suelo de las zonas del ártico. Si la temperatura
del agua se eleva o bien si se produce un deslizamiento del subsuelo marino, provocado por
la dinámica de la tectónica de placas, el metano se puede escapar. La mayor reserva de combustibles fósiles del planeta no es el carbón o el petróleo sino el metano contenido en forma de
hidratos en el lecho marino. Algunas estimaciones señalan que la cantidad de este energético es
el doble del que existe en forma de carbón y petróleo combinados. No obstante que desde 1970
se conoce la existencia de estos hidratos, es hasta hace poco tiempo que se ha puesto interés en
su estudio debido al potencial energético que puede representar en el futuro, el riesgo que representa su liberación al ambiente al contribuir al calentamiento global y por su omnipresencia
en las áreas costeras de los continentes. [7]. El estilo actual de vida requiere de un aumento
en el consumo, y por ende la producción, de energı́a. Los paı́ses de economı́as industrializadas
contienen aproximadamente el 25% de la población mundial, sin embargo esos mismos paı́ses
consumen el 75% de la energı́a [8].
Durante el presente siglo se espera un incremento en la demanda de energı́a, en particular en
los paı́ses en vı́as de desarrollo con economı́as emergentes. En estos paı́ses, donde tienen tasas
altas de crecimiento de la población, aproximadamente 1.6 millardos de personas no tienen acceso a servicios de energı́a. A mediados del presente siglo se espera que la población mundial
9
se duplique, lo que implica la necesidad de un incremento en las economı́as e inevitablemente
una mayor demanda de energı́a que se estima aumentará en al menos un orden de magnitud en
el año 2050, mientras que la demanda de energı́a primaria se espera se aumente en un factor
que varı́a entre 1.5 y 3 [9]. Si no se hace un esfuerzo global que limite la emisión de GEI durante el proceso de generación de energı́a, el incremento en la producción y uso de ésta podrı́a
desestabilizar, de manera irreversible, el clima mundial.
Con la finalidad de aportar una opción adicional a la diversificación de los energéticos en
México el objetivo de este trabajo fue determinar el grado de aceptación de las fuentes alternas
de energı́a y el consumo promedio de energı́a eléctrica que tienen los habitantes de las casas de
interés social de la ciudad de Zacatecas y proponer un sistema de generación fotovoltaico que
satisfaga estas necesidades.
En el capitulo 2 de este trabajo hacemos una revisión sobre el tema de los Energéticos y
analizamos cómo se genera la energı́a eléctrica en el 3 discutimos las fuentes generadoras de
energı́a eléctrica, en el capı́tulo 4 tratamos el tema de las fuentes alternas, en el capı́tulo 5
analizamos el tema de la energı́a solar , en el capı́tulo 6 se muestran las caracterı́sticas que en
torno a la energı́a se dan en las casas de interés social de la ciudad de Zacatecas y mostramos
la propuesta del sistema fotovoltaico para estas casas y en el capı́tulo 7 finalizamos con las
conclusiones.
[10] [11]
Capı́tulo 2
Generación de energı́a eléctrica
2.1
Energéticos
Se le llaman Recursos Energéticos al conjunto de medios con los que el hombre intenta
cubrir sus necesidades de energı́a, tales como iluminación, fuerza o potencia, calor, etc. La obtención de estos recursos se remonta a épocas prehistóricas en las cuales el hombre consumı́a
madera para aprovechar la liberación de energı́a en forma de calor y ası́ defenderse del frı́o.
Estos recursos fueron evolucionando para hacer más eficientes y sencillos distintos procesos cotidianos y/o industriales, tal es el caso de los molinos de viento, en los cuales los
agricultores con ayuda del viento (fuerza eólica) podı́an moler semillas, obtener agua del subsuelo y una gran variedad de aplicaciones. Posteriormente, se descubren las propiedades de la
energı́a eléctrica, lo que permitió transformarla en otras formas de energı́a, tales como calor,
luz, fuerza, etc.
Actualmente, la mayor cantidad de energı́a proviene de recursos naturales no renovables como
el petróleo, carbón y el gas natural; la razón de esto es porque cuando se inició el desarrollo
energético, estos recursos eran los más abundantes y los más económicos.
Existen varias formas en que se clasifican los recursos energéticos: Algunos los clasifican
por su origen, es decir aquellos que se obtienen por la propiedad de la masa de distorsionar
el continuo espacio-tiempo que da origen a la gravedad, los que se obtienen perturbando la
11
”cáscara” del átomo y los que se obtienen perturbando al núcleo atómico. Otra forma de clasificarlos es como recursos renovables y no renovables. Otra forma de clasificarlos es por la
masa del energético necesario para generar una unidad de energı́a: los de alta densidad y los
de baja densidad. Cuando se toma en cuenta su origen se clasifican como fósiles, nucleares y
alternos, y otros mas los clasifican como convencionales y no convencionales.
Las anteriores formas de clasificación no son las únicas; en este trabajo se clasificaron en
tres grandes grupos: Fósiles, Nucleares y Renovables.
2.1.1
Recursos energéticos fósiles
Los energéticos fósiles que hoy utilizamos tardaron en formarse millones de años y provienen
de la descomposición de la material orgánico, plantas y animales en condiciones de alta presión
y temperatura en el subsuelo. A este grupo pertenecen el petróleo, el gas natural y el carbón
(lignito y hulla).
La principal diferencia entre los tipos señalados es que el carbón se forma fundamentalmente a partir de restos de vegetales superiores (hojas, tallos, troncos...), mientras que petróleo
y gas se forman a partir de microorganismos (plancton, algas, bacterias,etc).
Los yacimientos de combustibles fósiles son aprovechados desde hace miles de años por
el hombre y siguen cubriendo la mayor parte de nuestras necesidades de energı́a calorı́fica y
generación de energı́a eléctrica.
2.1.1.1
Hidrocarburos naturales
El petróleo y el gas natura son hidrocarburos, es decir moléculas orgánicas formadas por
átomos de Cabono e Hidrógeno mezclados en diversas proporciones; también contienen, en
12
Tabla 2.1 Composición elemental, en % en peso, del petróleo.
ELEMENTO
RANGO TÍPICO
Carbono
85-95
85
Hidrógeno
5-15
13
Azufre
<5
1.3
Oxı́geno
<2
0.5
Nitrógeno
< 0.9
0.2
Metales
< 0.1
menor proporción otro tipo de elementos. En la tabla 2.1 se muestra la composición elemental
del petróleo o crudo.
Los Hidrocarburos naturales se originan como un paso intermedio de la degradación de la
materia orgánica, en medio anaerobio, y en un rango concreto de presiones y temperaturas. El
producto intermedio que da origen a estos productos, a partir de las rocas que lo contienen,
recibe el nombre de kerógeno. Los hidrocarburos se forman en rocas arcillosas que contienen
este kerógeno (rocas madre). Sin embargo, para poder ser explotables (extraı́bles por bombeo),
estos hidrocarburos han de migrar a rocas porosas y permeables (las rocas almacén) y quedar
atrapados por algún mecanismo que impida que la migración los lleva hasta la superficie: las
trampas petrolı́feras.
Los hidrocarburos en la naturaleza aparecen en tres formas principales:
• Como gas natural
• Como petróleo crudo lı́quido
• Como arenas asfálticas y pizarras bituminosas
2.1.1.2
Gas Natural
Está formado por metano, etano, propano y butano. Se forma junto al petróleo en el que
se encuentra en disolución o libre por encima de éste. Su presencia facilita la extracción del
13
petróleo. En las últimas décadas su consumo se ha ido incrementando debido a que es menos
contaminante que los otros combustibles fósiles.
Posee un elevado valor calorı́fico debido a la mayor relación hidrógeno/carbono en comparación con la de otros combustibles fósiles, ello determina que en su combustión emita menos
CO2 por unidad de energı́a producida. La combustión del gas natural, compuesto principalmente por metano (CH4 ), produce un 25% menos de CO2 que los productos petrolı́feros y un
40% menos de CO2 que la combustión del carbón por unidad de energı́a producida. Aspecto
que tiene más relevancia cuando se atribuye al CO2 el 65% de la influencia en el efecto invernadero, y sólo el 19% al CH4 .
Suele ser de combustión limpia, pues raramente le acompañan óxidos de azufre y de nitrógeno,
ni emite partı́culas. Se transporta con facilidad a través de los gaseoductos de tuberı́as enterradas, por lo que su impacto sobre el paisaje es mı́nimo. También se distribuye por transporte
marı́timo mediante barcos con tanques.
Los yacimientos están más dispersos que en el caso del petróleo, son más abundantes y su
control está menos centralizado. Se esperan localizar importantes reservas de gas atrapadas en
sedimentos marinos. Además se extrae con facilidad debido a su carácter volátil.
El gas natural se encuentra en dos tipos de yacimientos:
• Yacimientos de gas individualizado
• Yacimientos asociados a los de petróleo, en las zonas altas de los mismos, o en disolución
en la fase lı́quida
Los yacimientos de gas natural están compuestos fundamentalmente por metano, que llega
a constituir hasta el 100% de los mismos (gas seco). También se suele encontrar combinado
con otros hidrocarburos gaseosos como el etano, propano, butano, etc. Otros constituyentes,
minoritarios pero frecuentes, son: H2 S, N2 , He, Ar, etc. Su poder calorı́fico constituye la base
de su interés económico, que es variable ya que desprende de la composición del gas; el valor
14
promedio es de de 38 a 40 MJ/kg, ó 9 500-10 000 cal/gr.
La mayor parte del CO2 emitido (75% - 90%) es producido por la combustión de combustibles fósiles. Sin embargo, las emisiones de metano son producidas en su mayorı́a por la
ganaderı́a y la agricultura, los vertederos, las aguas residuales, los vegetales y las actividades
relacionadas con los combustibles fósiles. A las empresas que distribuyen gas natural les corresponde el 10% de las emisiones de metano a la atmósfera.
Por su rendimiento y baja emisión de contaminantes, el gas natural es especialmente apropiado para la generación de electricidad y cogeneración, uso de calderas y hornos industriales,
trasporte, climatización y otros usos en los sectores comercial y doméstico. Su alto contenido
en hidrógeno determina que sea la materia prima más utilizada en la producción de amoniaco
para fertilizantes, ası́ como en otras aplicaciones petroquı́micas.
2.1.1.3
El Crudo ó Petróleo lı́quido
El Petróleo es un lı́quido espeso, viscoso, oscuro o verde, de olor caracterı́stico y fluorescente. Es una mezcla de hidrocarburos, desde el más sencillo (metano, CH4 ) hasta especies
complejas tipo C40. La parte principal la constituyen hidrocarburos lı́quidos (entre los saturados son lı́quidos desde el C5 al C16) Entre los gases destacan (metano, acetileno, propano
y butano) Otros son sólidos (asfaltos, betunes, etc.) El petróleo también se encuentra en otras
sustancias como en el nitrógeno, azufre, oxı́geno, colesterina, derivados de clorofila, porfirinas,
vanadio, nı́quel, molibdeno, etc.
Se considera que el petróleo tiene un origen orgánico, por la presencia de materia orgánica
y por haber encontrado bacterias asociadas a sus yacimientos. A partir de restos de organismos
acuáticos, vegetales y animales que vivı́an en los mares, lagunas, desembocaduras de los rı́os,
etc., se produjo una degradación de estos organismos, primero con bacterias aeróbicas y luego
la descomposición de dio con bacterias anaeróbicas.
15
Las fermentaciones bacterianas anaerobias descompuso la materia orgánica, originando sapropeles (cienos oscuros de olor pútrido que posteriormente darı́an el kerógeno (producto pirobituminoso negro de aspecto pulverulento) y los hidrocarburos más densos. Estas reacciones
desprendieron oxı́geno, nitrógeno y azufre, que forman parte de los componentes volátiles.
El petróleo tiende a desplazarse hacia lugares donde la presión sea menor, en muchos casos hasta la superficie; ahı́ se disipan los hidrocarburos volátiles (volcanes de fango, salsas y
macalubas), otros se oxidan solidificando, lo que produce betunes y asfaltos que impregnan
las rocas. Las bacterias oxidantes destruyen completamente el petróleo. Las aguas selenitosas
(con yeso en disolución) destruyen también el petróleo originando ácido sulfı́drico, carbonato
cálcico y agua.
Si durante la migración encuentra un obstáculo (trampa petrolı́fera), el petróleo tiende a acumularse y a constituir un yacimiento. Son muy conocidas las trampas relacionadas con anticlinales, fallas, discordancias, domos salinos, las estratigráficas, etc.
Como está constituido por hidrocarburos lı́quidos fundamentalmente puede tener en solución
hidrocarburos gaseosos (los denominados crudos ligeros), o sólidos (crudos pesados). Otros
constituyentes pueden ser: compuestos sulfurados en diversas formas orgánicas, compuestos
nitrogenados, también de carácter orgánico, y compuestos oxigenados, como los ácidos grasos.
El carácter más importante de los crudos es su densidad, ya que es un reflejo directo de su composición quı́mica. Aumenta con el porcentaje de hidrocarburos y productos pesados, en especial de resinas y asfaltenos. Disminuye con la temperatura a la que se encontraba el petróleo en
su ambiente de generación, lo que implica que los yacimientos profundos, contendrán crudos
menos densos.
La densidad del petróleo es un indicador representativo de la calidad económica del crudo
y su valor se usa para fijar su precio a nivel mundial. La densidad del petróleo se define en
grados API, que es una medida relativa respecto a la del agua. Los términos comerciales que
se utilizan son: crudos ligeros (31.1o API); medios (22.3-31.1o API); pesados (10-22.3o API) y
extrapesados (<10o API)
16
Otro indicador importante es su poder calorı́fico, que varı́a en función de la densidad, y, por
tanto, de la composición quı́mica del petróleo.
La refinación del petróleo consiste en separar el petróleo en fracciones pesadas y ligeras
(destilación fraccionada), purificar estas fracciones y crear por sı́ntesis hidrocarburos útiles
que no existen de forma natural. A 40 o C se separan metano, etano propano y butano; entre
40 y 180 o C naftas (pentano, hexano) y gasolinas (heptano, octano y nonano); entre 200 y
300 o C queroseno (decano - hexadecano); a 350 o C fuel (con hidrocarburos de 20 a 40 átomos
de carbono), que se utiliza como combustible en motores, calderas, etc. Queda un residuo
semisólido que son las vaselinas (utilizadas para pomadas y lubricantes), las parafinas y los
alquitranes (impermeabilizantes) La separación de productos pesados puede llegar hasta la obtención del coque del petróleo, usado en la fabricación de tintas y electrodos.
2.1.1.4
Los Hidrocarburos sólidos
Se incluyen aquı́ los hidrocarburos naturales de carácter sólido. Pueden ser de dos tipos
diferentes: hidratos de metano, bitúmenes y asfaltos.
Los hidratos de metano son moléculas de metano atrapadas en estructuras de agua, los
hidratos de metano son abundantes en el lecho marino y su estabilidad se debe a las bajas temperaturas y las altas pesiones del agua. Se estima que la cantidad de energéticos contenidos
en los hidratos de metano duplica el total de los energéticos que existen en forma de carbón,
petróleo y gas natural. [13]
La familia de los bitúmenes es más importante, ya que aparece en dos tipos de yacimientos ya bien conocidos: arenas asfálticas (tar sands), y pizarras bituminosas (oil shales). Los
bitúmenes se pueden definir, desde el punto de vista de explotación, como mezclas viscosas
naturales de hidrocarburos de molécula muy pesada, y productos sulfurosos minoritarios. Su
17
alta densidad y viscosidad impide su explotación convencional por bombeo. Los hidrocarburos
semirrefinados que se pueden extraer de los bitúmenes reciben el nombre de crudos sintéticos.
Las rocas que contienen proporciones importantes de estos bitúmenes pueden ser de dos tipos:
Arenas asfálticas y pizarras bituminosas.
Las Arenas asfálticas son rocas sedimentarias de tipo arenas gruesas, bien clasificadas,
porosas y permeables, consolidadas o no, que contienen productos petrolı́feros pesados, en las
que el bitumen representa del orden del 18 al 20% en peso de la roca. Su viscosidad es muy elevada, por lo que no pueden ser recuperados por medios tradicionales. Desde el punto de vista
geoquı́mico, están formadas fundamentalmente por asfaltenos y productos complejos ricos en
nitrógeno, azufre, oxı́geno, frente a productos saturados y ligeros.
Las pizarras bituminosas son rocas sedimentarias pelı́ticas (arcillosas), menos a menudo
carbonatadas (margas), ricas en kerógeno y pobres en bitumen (0.5-5%), y capaces de producir
hidrocarburos por pirólisis, a unos 500o C. Ocasionalmente reciben la denominación de ”esquistos bituminosos”, lo que resulta equı́voco con respecto a su naturaleza petrográfica, puesto
que nunca se trata de materiales metamórficos. La materia orgánica que contienen está formada
por restos de algas lacustres o marinas. Su composición quı́mica es muy variable y compleja,
generalmente con altas relaciones H/C (1.25-1.75), y con relaciones O/C entre 0.2 y 0.02.
2.1.1.5
El carbón
El carbón térmico, es decir, de aquel mineral que por su bajo contenido carbonı́fero, sólo
puede utilizarse como combustible. La reserva probada de este energético es del orden de 100
millones de toneladas, aun cuando la probable asciende hasta 650 millones. En 1995 existı́an ya
dos centrales carboeléctricas, Rı́o Escondido y Carbón II, con capacidad total de 1,900 MW y
700 MW adicionales en proceso de construcción. Se estima que el carbón térmico disponible,
apenas si servirá para satisfacer las necesidades de combustible de estas instalaciones, en el
18
término de su vida útil.
El carbón es una roca sedimentaria combustible con más del 50% en peso y más del 70%
en volumen de materia carbonosa, formada por compactación y maduración de restos vegetales
superiores, como consecuencia de la evolución de esta materia orgánica de origen vegetal que
se acumula en determinadas cuencas sedimentarias. Desde el punto de vista estratigráfico, es
una roca sedimentaria organoclástica de grano fino, compuesta esencialmente por restos litificados de plantas, que aparece constituyendo secuencias caracterı́sticas que reciben el nombre
de ciclotemas, que se muestra en la fig 2.1.
Además es el combustible fósil más abundante pero también de los más contaminantes.
Constituyó la principal fuente energética durante la revolución industrial, pero ha disminuido
su utilización por la competencia económica con otros recursos energéticos y por los problemas
ambientales que ocasionan su explotación y combustión.
Los principales depósitos vegetales que han originado los carbones son:
1. Las criptógamas vasculares (plantas sin flores), que abundaron en el Carbonı́fero y el
Pérmico. Han originado los depósitos de hulla y antracita.
2. Las conı́feras del periodo Cretácico y de la era Terciaria, que han originado los lignitos.
3. Los musgos y plantas herbáceas del final del terciario y actuales que han propiciado la
formación de turba. [14].
19
Figura 2.1 Ciclotemas
2.1.2
Recursos Energéticos Nucleares
Estos energéticos son los empleados en los reactores nucleares para la generación de energı́a.
2.1.2.1
Uranio
Uranio.- Elemento quı́mico de sı́mbolo U, número atómico 92 y peso atómico 238.03 gr/grmol . Pertenece a la familia de los actı́nidos, a 1132o C alcanza su punto de fusión y a los
3818o C su punto de ebullición. El uranio natural esta constituido por la combinación de tres
isótopos: U-234, U-235 y el U-238. En la tabla 2.2 se muestran algunas de sus caracterı́sticas
más importantes y en figura 1.5 se muestra una imagen de una barra de uranio. Se encuentra
en el agua de mar y en la corteza terrestre, donde la concentración promedio es 4 partes por
millón (ppm). El contenido total en la corteza terrestre hasta la profundidad de 25 m, se estima
en 9.9E(16)kg; Se conocen cientos de minerales que contienen uranio, pero sólo unos pocos
son de interés comercial.
A causa de la gran importancia del isótopo fisionable U-235, se han ideado métodos industriales un tanto complejos para su separación de la mezcla de isótopos naturales. El proceso
de difusión gaseosa, que se utiliza en Estados Unidos en tres grandes plantas, es el proceso
industrial principal. Otros procesos que se aplican en la separación del uranio incluyen la
20
Tabla 2.2 Propiedades del Uranio
Nombre
Número atómico
Valencia
Uranio
92
3,4,5,6
Estado de oxidación
+3
Electronegatividad
1.7
Radio covalente (Å)
1.42
Radio iónico (Å)
1.11
Radio atómico (Å)
1.56
Primer potencial de ionización (eV)
1.7
Masa atómica (g/mol)
238.03
Densidad (g/ml)
19.07
Punto de ebullición (o C)
3818
Punto de fusión (o C)
1132
Descubridor
Martin Klaproth 1789
21
Figura 2.2 Barra de uranio
centrifugación, en el que le hexafluoruro de uranio gaseoso se separa en centrifugadoras en
cascada, el proceso de difusión térmica lı́quida, la boquilla de separación y la excitación láser.
El uranio es un metal muy denso, fuertemente electropositivo y reactivo, dúctil y maleable,
pero mal conductor de la electricidad. Muchas aleaciones de uranio son de gran interés en
la tecnologı́a nuclear, ya que el metal puro es quı́micamente activo y anisotrópico y tiene
propiedades mecánicas deficientes. Sin embargo, las varillas cilı́ndricas de uranio puro recubiertas con silicio y conservadas en tubos de aluminio (lingotes), se emplean en los reactores
nucleares. Las aleaciones de uranio son útiles en la dilución de uranio enriquecido para reactores y en el suministro de combustibles lı́quidos. El uranio agotado del isótopo fisionable
235
U se ha empleado en el blindaje de los contenedores para almacenamiento y transporte de
materiales radiactivos.
El uranio reacciona con casi todos los elementos no metálicos y sus compuestos binarios.
Se disuelve en los ácidos clorhı́drico y nı́trico, pero muy lentamente con los ácidos no oxidantes: sulfúrico, fosfórcio o fluorhı́drico. El uranio metálico es inerte en relación con los
álcalis, pero la adición de peróxido provoca la formación de peruranatos solubles en agua.
El uranio reacciona reversiblemente con el hidrógeno para formar U H3 as 250o C (482o F).
Los isótopos de hidrógeno forman deuteriuro de uranio, U D3 , y tritiuro de uranio, U T3 . El
sistema uranio-oxı́geno es extremadamente complejo. El monóxido de uranio, UO, es una especie gaseosa que no es estable por debajo de los 1800o C (3270o F).
22
En el intervalo de U O2 a U O3 existe gran número de fases. Los halogenuros de uranio
constituyen un importante grupo de compuestos. El tetrafluoruro de uranio es un intermediario
en la preparación del metal y el hexafluoruro. El hexafluoruro de uranio, el compuesto de
uranio más volátil, se emplea en la separación de isótopos de U-235 y U-238. Los halogenuros
reaccionan con oxı́geno a temperaturas elevadas para formar uranilos y finalmente U3 O8 . [15]
2.1.2.2
Plutonio
Plutonio .- Elemento quı́mico, sı́mbolo Pu, número atómico 94. Es un metal plateado, reactivo, de la serie de los actı́nidos. El isótopo principal de interés quı́mico es Pu-239, que tiene
una vida media de 24 131 años. Se forma en los reactores nucleares. El plutonio-239 es fisionable, pero puede capturar también neutrones para formar isótopos superiores de plutonio.
El plutonio-238, con una vida media de 87.7 años. Se utiliza en fuentes de calor para
aplicaciones espaciales y se ha empleado en marcapasos cardiacos. El plutonio-239 se emplea como combustible nuclear en la producción de isótopos radiactivos para la investigación
y como agente fisionable en armas nucleares.
El plutonio muestra diversos estados de valencia en solución y en estado sólido. El plutonio metálico es muy electropositivo. Se han preparado muchas aleaciones de plutonio y se han
caracterizado gran número de compuestos intermetálicos.
En la tabla 2.3 se muestran algunas de sus caracterı́sticas mas importantes, mientras que en
la figura 2.3 se muestra una fotografı́a de este material.
La reacción del metal con hidrógeno produce dos hidruros, que se forman a temperaturas
tan bajas como 150o C. Su descomposición arriba de los 750o C puede usarse para preparar polvo
de plutonio reactivo. El óxido más común es el P uO2 , formado por ignición de hidróxidos, oxalatos, peróxidos y los oxihalogenuros. El hexafluoruro de plutonio, el compuesto más volátil
conocido de este elemento, es un agente fluorante poderoso. Se conocen algunos otros compuestos binarios. Entre éstos están los carburos, siliciuros, sulfuros y seleniuros, que son de
23
Tabla 2.3 Propiedades del Plutonio
Nombre
Número atómico
Valencia
Plutonio
94
3,4,5,6
Estado de oxidación
+3
Electronegatividad
1.2
Radio iónico (Å)
1.07
Radio atómico (Å)
1.63
Masa atómica (g/mol)
242
Punto de ebullición (o C)
3235
Punto de fusión (o C)
640
Descubridor
MG.T. Seaborg en 1940
24
Figura 2.3 Plutonio
interés especial a causa de su naturaleza refractaria.
Por su radiotoxicidad, el plutonio y sus compuestos requieren técnicas de manejo especiales
para prevenir su ingestión o inhalación; por ello, todo trabajo con plutonio y sus compuestos
debe efectuarse en caja de guantes. Para trabajar con plutonio, y sus aleaciones, que son atacados por la humedad y por los gases atmosféricos, estas cajas pueden llenarse con helio o
argón. [16]
2.1.2.3
Ventajas y Desventajas de estos energéticos
En las figuras 2.4, 2.5 y 2.6 se muestran en color oscuro las reservas y en blanco el consumo
del gas natural, carbón y petróleo respectivamente.
La gran ventaja del gas natural con respecto a otros hidrocarburos es su menor ı́ndice de
contaminación por energı́a producida. Esto se debe a que el gas natural es metano en un estado
muy puro, por lo que su emisión de CO2 viene a ser la mitad que le corresponde al petróleo o
al carbón. Además las fuentes de aprovisionamiento están más extendidas que para el petróleo
Muchos expertos ven en el gas natural la energı́a fósil del futuro en la medida en que es una
energı́a mas limpia.
La ventaja del carbón está en su bajo precio en las explotaciones a cielo abierto pero su
inconveniente es una contaminación mayor que los hidrocarburos, salvo el caso de la hulla,
que contribuye al efecto invernadero.
25
Figura 2.4 Reservas de gas natural
Figura 2.5 Reservas de carbón
Figura 2.6 Reservas de petróleo
26
El petróleo, en cambio, como combustible tiene más desventajas que ventajas como su
futuro desabastecimiento, las grandes emisiones de contaminantes a la atmósfera entre muchos
más; Una ventaja podrı́a ser su precio relativamente bajo y que se tienen conocimientos mas
avanzados para utilizarlo como energético.
La energı́a nuclear tiene la gran ventaja es que, si obviamos los costes ambientales y sus
riesgos, producen electricidad a muy bajo coste. [17]
2.1.3
Recursos energéticos renovables
Estos son los recursos energéticos que se renuevan, como es la leña, la energı́a hidráulica,
la eólica y la solar. Debido a su inclusión en los ciclos de la naturaleza, son muy compatibles
con el medio ambiente. El agua y el viento se usan esencialmente para la producción de energı́a
eléctrica.
A continuación veremos como se origina la energı́a de distintas fuentes como lo son en sol,
el viento y las corrientes de agua.
2.1.3.1
El Sol
El sol es la principal fuente de energı́a en el mundo, gracias a el obtenemos el calor necesario para que se de la vida en nuestro planeta. La temperatura de su superficie es de cerca
de 6.000◦ C. El diámetro del Sol es de 1 400 000 km, que es más de 100 veces mayor que el
diámetro de la Tierra y su masa es más de 300 000 veces mayor que la masa de la de la Tierra.
La fuente de energı́a en el Sol, es la fusión de núcleos de hidrógeno (protones) en núcleos de
helio. En este proceso, se pierde una pequeña cantidad de masa que es transformada en energı́a.
Esta reacción nuclear, sólo puede ocurrir en el muy caliente (15 000 000◦ C) y denso centro
del Sol.
2.1.3.2
Composición y Estructura
La cantidad total de energı́a emitida por el Sol en forma de radiación es bastante constante,
y no varı́a más que unas pocas décimas de un 1% en varios dı́as. Esta energı́a se genera en
27
las profundidades del Sol. Al igual que la mayorı́a de las estrellas, el Sol se compone sobre
todo de hidrógeno (71%); también contiene helio (27%) y otros elementos más pesados (2%).
Cerca del centro del Sol, la temperatura es de casi 16 000 000 K y la densidad es 150 veces la
del agua. Bajo estas condiciones, los núcleos de los átomos de hidrógeno individuales actúan
entre sı́, experimentando la fusión nuclear.
El resultado neto de estos procesos es que cuatro núcleos de hidrógeno se combinan para
formar un núcleo de helio, y la energı́a surge en forma de radiaciones gamma. Una enorme
cantidad de núcleos reacciona cada segundo, generando una energı́a equivalente a la que se
producirı́a por la explosión de 100 000 millones de bombas de hidrógeno de un megatón por
segundo.
La ’combustión’ nuclear del hidrógeno en el centro del Sol se extiende a un 25% del radio
solar. La energı́a producida de esta forma es transportada a la mayor parte de la superficie solar
por radiación. Sin embargo, más cerca de la superficie, en la zona de convección que ocupa el
último tercio del radio solar, la energı́a es transportada por la mezcla turbulenta de gases.
La fotosfera es la superficie superior de la zona de convección. Se pueden ver pruebas de la
turbulencia en la zona de convección observando la fotosfera y la atmósfera situada encima de
ella. Las células turbulentas de la fotosfera le confieren una apariencia irregular y heterogénea.
Este modelo, conocido como granulación solar, lo provoca la turbulencia en los niveles más
altos de la zona de convección. Cada gránulo mide unos 2 000 km de ancho. Aunque el
modelo de granulación siempre está presente, los gránulos individuales solamente duran unos
10 minutos. También se presenta un modelo de convección mucho mayor, provocado por la
turbulencia que se extiende en las profundidades de la zona de convección. Este modelo de
sobregranulación contiene células que duran un dı́a y tienen 30 000 km de ancho como media.
28
El Sol pierde medio millón de toneladas cada segundo en esta destrucción de masa para
producir energı́a, pero mantendrá su actual producción de energı́a durante cerca de 5 000 millones de años. Eventualmente todo el hidrógeno en el centro se habrá convertido en helio. El
balance entre la fuerza de gravedad, que atrae toda la masa del Sol hacia su centro, y la fuerza
debida a la energı́a del Sol, que empuja la materia hacia afuera se perderá, entonces el centro se
contraerá y se hará aún más caliente, mientras que la parte exterior se expandirá y se enfriará.
El Sol será entonces más brillante, más frı́o, y mayor – una estrella roja gigante. [18]
2.1.3.3
El viento
El viento se produce por efecto de la energı́a solar ya que, el aire caliente tiende a subir
en la atmósfera por tener una densidad menor que la del aire frı́o, esto genera un flujo de aire
que es cı́clico, debido a que en las capas mas altas de la atmósfera el aire caliente se enfrı́a por
la altura, baja presión y falta de objetos radiados por el sol que transfieran calor al aire, como
las plantas y el suelo, ası́ que este aire frı́o vuelve a caer. El viento también se produce por
otros factores como los movimientos de traslación y rotación de la tierra, el movimiento de las
placas tectónicas, los océanos y un poco el desplazamiento de los seres vivos y objetos creados
por el hombre, todo esto puede intensificar o disminuir la fuerza y hasta cambiar las corrientes
de aire.
Se denomina propiamente ”viento” a la corriente de aire que se desplaza en sentido horizontal, mientras que los movimientos de aire en sentido vertical se conocen como ”corrientes
de convección”.
La medición de la velocidad y dirección del viento se efectúa con instrumentos registradores
llamados anemómetros, que dispone de dos sensores, uno para medir la velocidad y otro para
medir la dirección del viento. Las mediciones se registra en anemógrafos. Para que las mediciones sean comparables con las mediciones efectuadas en otros lugares del planeta, las torres
con los sensores de velocidad y dirección deben obedecer a normativas estrictas dictadas por
la OMM - Organización Meteorológica Mundial.
29
La dirección del viento depende de la distribución y evolución de los centros isobáricos pero
el viento se desplaza siempre de la alta a la baja presión y su velocidad es tanto mayor cuanto
mayor sea el diferencial de presión entre ambas. Sin embargo, el efecto Coriolis, debido al
movimiento de rotación de la Tierra , hace que ese movimiento sea en sentido horario alrededor
del centro del anticiclón y en sentido anti-horario alrededor del centro de la borrasca, tal como
se representa en los mapas isobáricos.
En esos mapas, la diferencia de presión antes mencionada se representa por unas lı́neas
isobáricas más o menos juntas de tal forma que cuanto más juntas estén las isobaras, más
fuerza tendrá el viento y cuanto más separadas, menos.
La velocidad del viento se mide preferentemente en náutica en nudos y mediante la escala
Beaufort. El almirante inglés Francis Beaufort publicó en 1806 su célebre escala de 12 grados para expresar la fuerza del viento. En 1874 fue adoptada por el Comité Meteorológico
Internacional. Esta escala se muestra en la tabla 2.4
Ası́ pues, es la velocidad lo que determina la fuerza del viento pero sea cual sea esa fuerza,
podemos hablar de manera genérica de dos tipos de viento:
• Vientos de régimen general: Los que se producen a nivel global, planetario, por diferencias de calor entre las grandes masas de tierra y agua. Estos vientos pueden variar a lo
largo del año en función de la estación por la mayor o menor proximidad de la Tierra al
sol y el distinto ángulo de incidencia de sus rayos.
• Vientos locales: Se producen por la situación geográfica especı́fica de una zona o región.
Por ejemplo la proximidad a una masa de agua, que da lugar a las brisas térmicas. Ası́
mismo, puede tratarse de un viento de régimen general que adopta caracterı́sticas especı́ficas en una región debido a su orografı́a. [19]
30
Tabla 2.4 Escala Beaufort
FUERZA
m/seg
Nudos
km/h
DEFINICION
0
0 - 0.2
0-1
0-1
Calma
1
0.3 - 1.5
1-3
2-6
Ventolina
2
1.6 - 3.3
4-6
7 - 11
Brisa muy débil
3
3.4 - 5.4
7 - 10
12- 29
Brisa débil.
4
5.5 -7.9
11 -16
20 - 29
Brisa moderada.
5
8.0 - 10.7
17 - 21
30 - 39
Brisa Fresca.
6
10.8 - 13.8 22 - 27
40 - 50
Brisa fuerte.
7
13.9 - 17.1 28 - 33
51 - 61
Viento fuerte.
8
17.2 - 20.7 34 - 40
62 - 74
Temporal.
9
20.8 - 24.4 41 - 47
75 - 87
Temporal fuerte.
10
24.5 - 28.4 48 - 55
88 - 101
Temporal duro.
11
28.5 - 32.6 56 - 63
102 - 117
Temporal muy duro.
>118
Temporal huracanado.
12
>32.7
>64
31
2.1.4
Los recursos energéticos de México y la generación de energı́a eléctrica.
En términos generales podemos afirmar que nuestro paı́s es rico en recursos energéticos,
aunque los más importantes son de tipo no renovable. A continuación haremos una breve revisión de los mismos. Dado que la energı́a eléctrica es la que en mayor grado influye en el
desarrollo económico y social de los pueblos, dicha revisión la haremos del punto de vista del
potencial que los distintos recursos tienen, por lo que se refiere a la producción de electricidad.
Hidrocarburos
Estos son con mucho los más significativos; cabe hacer mención de que México es básicamente
un paı́s monoenergético, ya que la oferta interna bruta de energı́a, ha dependido en más del 85%
de estos recursos.
Según reportes oficiales, a fines de 1996, nuestras reservas de hidrocarburos ascendı́an a
60,900 millones de barriles de petróleo crudo equivalentes. Considerando que a principios de
la década de los 80 tales reservas eran de 72,000 millones de barriles, la explotación del recurso
lo hizo disminuir en un 15.3% a pesar de las adiciones a la reserva ocurridas en esos 16 años.
El crecimiento de la producción industrial, ası́ como de la población, harán seguramente que
la extracción de hidrocarburos que ya era de 3 millones de barriles diarios a principios de 1997
continúe aumentando, lo cual hará que las reservas se agoten a mediados del siglo XXI, si no
se consigue elevarlas significativamente o no se frena la explotación, desplazando hacia otro
tipo de energéticos la demanda de hidrocarburos.
Energı́a hidráulica
Aun cuando en 1979 se estimaba que el potencial hidráulico del paı́s ascendı́a a 172,000 millones de kWh (172 TWh), estudios posteriores revelaron que el potencial aprovechable era tan
solo de 80 TWh, de los cuales para 1995, las 76 centrales hidroeléctricas en funcionamiento,
32
con capacidad total de 9,131 MW, representaban ya alrededor del 33% de ese potencial.
Para el año 2004, la Comisión Federal de Electricidad ha programado la instalación de
2,507 MW adicionales de este tipo de instalaciones, con lo cual la utilización del potencial
disponible, se elevará al 52%; los 37 TWh restantes, seguramente se aprovecharán totalmente,
antes de que concluya la primera mitad del siglo XXI.
Energı́a geotérmica
La reserva probada era en 1995 alrededor de 1,300 MW y la probable, del orden de 4,500
MW, repartidos en poco más de 15 sitios.
Para 1995 existı́an ya 5 centrales geotérmicas con capacidad de 740 MW, más 133 MW
adicionales, cuyas instalaciones se encontraban en proceso de construcción, planeándose llegar al año 2004 con una capacidad total de 853 MW, con lo cual se estará utilizando el 66% de
la reserva probada.
Carbón térmico
No analizaremos aquı́ las reservas de carbón mineral susceptible de industrializarse que existen en el paı́s, sino únicamente las del carbón térmico, es decir, de aquel mineral que por su
bajo contenido carbonı́fero, sólo puede utilizarse como combustible.
La reserva probada de este energético es del orden de 100 millones de toneladas, aun cuando
la probable asciende hasta 650 millones.
En 1995 existı́an ya dos centrales carboeléctricas, Rı́o Escondido y Carbón II, con capacidad total de 1,900 MW y 700 MW adicionales en proceso de construcción.
33
Se estima que el carbón térmico disponible, apenas si servirá para satisfacer las necesidades
de combustible de estas instalaciones, en el término de su vida útil.
Uranio
Las reservas probadas de uranio en México, son de 14,600 toneladas, de las cuales 10,600
son económicamente explotables. Estas reservas aseguran el combustible necesario, para abastecer los dos reactores de la central nucleoeléctrica de Laguna Verde durante toda su vida, con
un excedente del 30%.
Cabe mencionar que la exploración del territorio mexicano en busca de este recurso, ha
cubierto solamente una pequeña parte de su superficie, por lo que es muy probable que las
reservas aumenten al reanudarse los trabajos de exploración.
Nuevas fuentes de energı́a
Existe un gran interés tanto en la Secretarı́a de Energı́a como en la Comisión Federal de electricidad, por aprovechar significativamente las llamadas energı́as ”blandas” particularmente por
lo que se refiere a la energı́a solar, de la cual existe un elevado potencial y de la eólica, que
aunque en menor grado, también es abundante.
A mediados de la década de los 90, se contaba ya con varias instalaciones experimentales
para el aprovechamiento de la energı́a solar y la primera eólica, con una capacidad de 1,575
kW en siete unidades de 225 KW.
34
2.2
Generación de Energı́a Eléctrica
Esta trata básicamente de un proceso en el cual se transforma un tipo de energı́a como lo
puede ser quı́mica, mecánica, térmica, luminosa, etc, en energı́a eléctrica. En la generación
de energı́a eléctrica se utilizan diferentes dispositivos, antes de discutir estos, vamos a revisar
algunos conceptos importantes .
2.2.1
Principios de la generación de energı́a eléctrica
Para entender el proceso de generación de energı́a eléctrica vamos a revisar algunos principios fundamentales.
2.2.1.1
Ley Circuital de Ampére
2.2.1.2
Forma integral
Dada una superficie S por la que atraviesa una corriente eléctrica I, y dada la curva de
contorno C, de la superficie S, la forma original de la ley de Ampére para medios materiales
es:
I
c
→
− −
→
H ·d l =
Z Z
− −
→
→
J · d S = Ienc
(2.1)
s
donde:
−
→
H es el campo magnético
Jenc es el vector densidad de corriente que cruza por la superficie S.
Esta ley establece que si existe una densidad de corriente viajando a través de un medio,
ésta inducirá un campo magnético que rodeará al medio conductor. Este campo magnético
estará rodeando a una cantidad de corriente (la corriente encerrada)
35
2.2.1.3
Forma diferencial
A partir del teorema de Stokes, esta ley también se puede expresar de forma diferencial:
→ −
−
→
∇X H = J
(2.2)
→
−
donde J es la densidad de corriente que atraviesa el conductor.
2.2.1.4
Ley de Ampére-Maxwell
La ley de Ampére-Maxwell o ley de Ampére generalizada es la misma ley corregida por
James Clerk Maxwell debido a la corriente de desplazamiento y creó una versión generalizada
de la ley.
2.2.1.5
Forma integral
I
→
− −
→
H ·d l =
c
− −
→
→ d
J · dS +
dt
s
Z Z
Z Z
− −
→
→
D · dS
(2.3)
s
Siendo el último término la corriente de desplazamiento.
Donde D es vector de densidad de Campo Eléctrico. [21].
2.2.1.6
Forma diferencial
Esta ley también se puede expresar de forma diferencial, para el vacı́o:
→
−
−
→
→
−
∂E
∇X B = µ0 J + µ0 0
∂t
(2.4)
→
−
−
→
→ ∂D
−
∇X H = J +
∂t
(2.5)
o para medios materiales:
36
2.2.1.7
Ley de inducción de Faraday
La Ley de inducción electromagnética de Faraday (o simplemente Ley de Faraday) se basa
en los experimentos que Michael Faraday realizó en 1831 y establece que el voltaje inducido
en un circuito cerrado es directamente proporcional a la rapidez con que cambia en el tiempo
el flujo magnético que atraviesa una superficie cualquiera con el circuito como borde:
→
− −
→
d
E ·d l =−
dt
s
I
Z
− −
→
→
B · dA
(2.6)
s
Supongamos que la espira gira con velocidad angular constante ω . Al cabo de un cierto
tiempo t el ángulo que forma el campo magnético y la perpendicular al plano de la espira es
→
−
ωt. El flujo del campo magnético B a través de una espira de área S es:
→ −
−
→ −
→ −
→
Φ = B · S = B · S · cos(ωt)
La fem en la espira es:
Vε = −
dΦ
= ωBS sin(ωt)
dt
(2.7)
La fem Vε varı́a sinusoidalmente con el tiempo, como se muestra en la figura 2.8. La fem
alcanza su valor máximo en valor absoluto cuando ωt = π/2 ó 3π/2, cuando el flujo Φ es
el mı́nimo (el campo magnético está en el plano de la espira), y es nula cuando ωt = 0 ó π,
cuando el flujo es máximo (el campo magnético es perpendicular al plano de la espira). [22]
Fuerza sobre los portadores de carga
El sentido de la corriente inducida lo podemos determinar a partir de la fuerza sobre un
portador de carga positivo imaginariamente situado en el lado a de la espira.
→
−
La fuerza fm que ejerce un campo magnético B sobre un portador de carga positivo que se
→
mueve con velocidad −
v es el producto vectorial.
37
Figura 2.7 Diagrama que muestra los angulos
→
−
→
fm = q · −
v XB
(2.8)
En la figura 2.9, se ha dibujado el vector velocidad cuyo módulo es v = ω∆b/2. y el vector
−
→
campo B en la posición que ocupa un portador de carga positivo.
→
−
→
Como −
v y B forman el ángulo ωt, el módulo de la fuerza es:
fm = qω(b/2) · B · sin(ωt)
El campo En = fm /q que impulsa las cargas (fuerza por unidad de carga positiva) es:
En = ω(b/2)B · sin(ωt)
la fem Vε es:
I
Vε =
→
−
En · dl = En a + En a = ωS B · sin(ωt)
(2.9)
Como puede verse en la figura, En es paralelo a los lados de longitud a de la espira, pero
es perpendicular a los lados de longitud b y por tanto, el producto escalar En · dl en estos dos
lados es nulo.
El sentido de la corriente inducida es el mismo que el sentido de fm o de En (fuerza sobre
la unidad de carga positiva). [22].
38
Figura 2.8 Señal senoidal
Figura 2.9 Diagrama que muestra los angulos
Figura 2.10 Flujo magnetico
39
2.2.2
Generadores de corriente alterna (alternadores)
Un generador simple sin conmutador producirá una corriente eléctrica que cambia de sentido a medida que gira la armadura. Este tipo de corriente alterna es ventajosa para la transmisión de potencia eléctrica, por lo que la mayorı́a de los generadores eléctricos son de este
tipo.
En su forma más simple, un generador de corriente alterna se diferencia de uno de corriente
continua en sólo dos aspectos: los extremos de la bobina de su armadura están sacados a los
anillos colectores sólidos sin segmentos del árbol del generador en lugar de los conmutadores,
y las bobinas de campo se excitan mediante una fuente externa de corriente continua más que
con el generador en sı́. Los generadores de corriente alterna de baja velocidad se fabrican con
hasta 100 polos, para mejorar su eficiencia y para lograr con más fácilidad la frecuencia deseada. Los alternadores accionados por turbinas de alta velocidad, sin embargo, son a menudo
máquinas de dos polos. La frecuencia de la corriente que suministra un generador de corriente
alterna es igual a la mitad del producto del número de polos por el número de revoluciones por
segundo de la armadura.
A veces, es preferible generar un voltaje tan alto como sea posible. Las armaduras rotatorias no son prácticas en este tipo de aplicaciones, debido a que pueden producirse chispas entre
las escobillas y los anillos colectores, y a que pueden producirse fallos mecánicos que podrı́an
causar cortocircuitos. Por tanto, los alternadores se construyen con una armadura fija en la que
gira un rotor compuesto de un número de imanes de campo. El principio de funcionamiento
es el mismo que el del generador de corriente alterna, excepto en que el campo magnético (en
lugar de los conductores de la armadura) está en movimiento.
La corriente que se genera mediante los alternadores descritos más arriba aumenta hasta un
pico, cae hasta cero, desciende hasta un pico negativo y sube otra vez a cero varias veces por
segundo, dependiendo de la frecuencia para la que esté diseñada la máquina. Este tipo de corriente se conoce como corriente alterna monofásica. Sin embargo, si la armadura la componen
40
dos bobinas, montadas a 90o una de otra, y con conexiones externas separadas, se producirán
dos ondas de corriente, una de las cuales estará en su máximo cuando la otra sea cero. Este
tipo de corriente se denomina corriente alterna bifásica. Si se agrupan tres bobinas de armadura
en ángulos de 120o , se producirá corriente en forma de onda triple, conocida como corriente
alterna trifásica. Se puede obtener un número mayor de fases incrementando el número de
bobinas en la armadura, pero en la práctica de la ingenierı́a eléctrica moderna se usa sobre todo
la corriente alterna trifásica, con el alternador trifásico, que es la máquina dinamoeléctrica que
se emplea normalmente para generar potencia eléctrica.
2.2.2.1
Como funciona un generador de corriente alterna (armadura rotatoria)
Un generador de corriente alterna produce una corriente cuyo sentido de flujo cambia continuamente, como se muestra en la fig 2.11.
Una armadura formada por bobinas de cable enrolladas entorno a un núcleo de hierro se
hace girar en un campo magnético estático.
El movimiento de las bobinas a través del campo, genera una corriente eléctrica en los
cables.
Los cables están conectados a un anillo colector.
Las escobillas hacen contacto con el anillo y toma electricidad del generador, como se ve
en la fig 2.12.
Cuando los cables de la bobina cortan el campo magnético entre los dos polos del imán se
induce una corriente en el cable, como se muestra en la fig 2.13.
Cuando la bobina gira en el sentido mostrado, la corriente fluye hacia la derecha en el lado
lejano de la bobina y hacia la izquierda en el lado cercano, como lo muestra la fig 2.14.
La corriente fluye por el cable en un sentido, durante media vuelta la intensidad de la
corriente va cambiando desde cero hasta su valor máximo y luego vuelve a cero.
Durante la otra media vuelta la corriente fluye en sentido opuesto, ya que los cables se
mueven por el campo magnético en sentido contrario, se observa en la fig 2.15. [24].
41
Figura 2.11 Funcionamiento generador ac
Figura 2.12 Funcionamiento generador ac
Figura 2.13 Funcionamiento generador ac
42
Figura 2.14 Funcionamiento generador ac
Figura 2.15 Funcionamiento generador ac
43
2.2.3
Plantas de Generación de Energı́a Eléctrica
Dependiendo de la fuente primaria de energı́a utilizada, las centrales generadoras se clasifican en:
• Térmicas o Termoeléctricas
• Nucleares
• Hidroeléctricas
• Eólicas
• Solares termoeléctricas
• Solares fotovoltaicas
• Solares Mareomotrices
No obstante todos los tipos indicados, la mayor parte de la energı́a eléctrica generada
proviene de los tres primeros tipos.
Todas estas centrales, excepto las fotovoltaicas, tienen en común el elemento generador,
constituido por un alternador, movido mediante una turbina que será distinta dependiendo del
tipo de energı́a primaria utilizada.
En las centrales fotovoltaicas la corriente obtenida es continua y para su utilización es necesaria su conversión en alterna, mediante el empleo de dispositivos denominados inversores u
onduladores. [25]. Se explicara el funcionamiento de cada una de estas plantas generadores en
los siguientes temas.
44
2.2.4
Generación de electricidad en México
La generación de energı́a eléctrica en la Comisión Federal de Electricidad se realiza en
centrales hidroeléctricas, termoeléctricas, eólicas y nuclear. Al cierre del mes de diciembre
de 2006, la CFE contó con una capacidad efectiva instalada para generar energı́a eléctrica de
47,857.29* Megawatts (MW), de los cuales: 10,386.90 MW son de productores independientes (termoeléctricas); 10,284.98 MW son de hidroeléctricas; 22,258.86 MW corresponden a
las termoeléctricas de CFE; 2,600.00 MW a carboeléctricas; 959.50 MW a geotermoeléctricas;
1,364.88 MW a la nucleoeléctrica, y 2.18 MW a la eoloeléctrica.
2.2.4.1
Desarrollo de la capacidad instalada y de la generación
Incluye 20 centrales de productores independientes de energı́a, (PIE) las cuales aparecen
en el apartado de Centrales Generadoras. Información a diciembre de 2006.
En la tabla 2.5 como en la tabla complemento 2.6 se muestra el desarrollo de la capacidad
instalada de generación de energı́a eléctrica en México de 1996 al 2006, mientras que en la
tabla 2.7 como en la tabla complemento 2.8 se muestra la variación en la generación de energı́a
eléctrica. [26].
45
Tabla 2.5 Capacidad en MW instalada en México de 1996-2002
1996
1997
1998
1999
CFE
33,920
33,944
34,384
PIE´S
-
-
-
Total
33,920
33,944
34,384
2000
34,839 34,901
-
484
34,839 35,385
2001
2002
36,236
36,855
1,455
3,495
37,691
40,350
Tabla 2.6 Capacidad en MW instalada en México del 2003-2006
2003
2004
2005
2006
CFE
36,971
38,422
37,325
37,470
PIE´S
6,756
7,265
8,251
10,387
Total
43,7273
45,687
45,576
47,857
Tabla 2.7 Generación en TWh en México de 1996 - 2002
1996
1997
1998
CFE
149.97
159.83
168.98
PIE´S
-
-
-
Total
149.97
159.83
168.98
1999
2000
179.07 188.79
-
2001
2002
190.88
177.05
4.04
21.83
194.92
198.88
1.20
179.07 190.00
Tabla 2.8 Generación en TWh en México del 2003-2006
2003
2004
2005
2006
CFE
169.32
159.53 170.07
162.47
PIE´S
31.62
45.85
45.56
59.43
Total
200.94
205.39 215.63
221.90
Capı́tulo 3
Plantas generadoras de energı́a eléctrica
La energı́a eléctrica se produce en una planta generadora, que es un sistema donde un tipo
de energı́a se transforma en energı́a eléctrica. Una forma de clasificarlas es en Convencionales
y Alternas. Dentro de las convencionales tenemos la termoeléctricas y las hidroeléctricas;
mientras que en el grupo de las alternas tenemos las plantas solares y las eólicas.
3.1
Plantas Termoeléctricas
Una planta termoeléctrica es una instalación industrial donde la energı́a potencial de un
combustible, o fuente de calor, se transforma en energı́a eléctrica.
Si el calor es natural, como el debido a la energı́a geotérmica, la planta es geotermoeléctrica,
si el calor proviene del proceso de combustión de algún combustible de origen fósil la planta
puede ser carboeléctrica, de turbina de gas o de combustión interna. Si el calor proviene de la
fisión del núcleo la planta sera nucleoeléctrica.
Las plantas termoeléctricas requieren un fluı́do de trabajo, como el agua o el aire, que
absorbe el calor del combustible produciendo que la energia cinética del fluı́do de trabajo se
incremente, con esta energı́a el fluı́do de trabajo pasa a el área donde está la máquina motriz,
como la turbina de vapor o de gas, donde la energı́a del fluı́do de trabajo se transforma en
energı́a mecánica; esta energı́a mecánica se utiliza, a través de un generador eléctrico, para
generar energia eléctrica. En la máquina motriz el fluı́do de trabajo no cede toda la energı́a,
por lo tanto el flúido de trabajo pasa a un sistema de condensado donde el calor no utilizado
47
es removido y el fluı́do de trabajo, a través de bombeo, se vuelve a insertar en la caldera para
repetir el ciclo.
En la figura 3.1 se muestra un esquema de una planta carboeléctrica,
Figura 3.1 Planta termoeléctrica
48
1. Cinta transportadora.
2. Tolva.
3. Molino
4. Caldera
5. Cenizas
6. Sobrecalentador
7. Recalentador
8. Economizador
9. Calentador de aire
10. Precipitador
11. Chimenea
12. Turbina de alta presión
13. Turbina de media presión
14. Turbina de baja presión
15. Condensador
16. Calentadores
17. Torre de refrigeración
18. Transformadores
19. Generador
49
El funcionamiento de una central termoeléctrica de carbón, como la representada en la
figura, es la siguiente: el combustible está almacenado en los parques adyacentes de la central,
desde donde, mediante cintas transportadoras (1), es conducido al molino (3) para ser triturado.
Una vez pulverizado, se inyecta, mezclado con aire caliente a presión, en la caldera (4) para su
combustión. Dentro de la caldera se produce el vapor que acciona los álabes de los cuerpos de
las turbinas de alta presión (12), media presión (13) y baja presión (14), haciendo girar el rotor
de la turbina que se mueve solidariamente con el rotor del generador (19), donde se produce
energı́a eléctrica, la cual es transportada mediante lı́neas de transporta a alta tensión (20) a los
centros de consumo. Después de accionar las turbinas, el vapor pasa a la fase lı́quida en el
condensador (15).
El agua obtenida por la condensación del vapor se somete a diversas etapas de calentamiento
(16) y se inyecta de nuevo en la caldera en las condiciones de presión y temperatura más adecuadas para obtener el máximo rendimiento del ciclo.
El sistema de agua de circulación que refrigera el del condensador puede operarse en circuito
cerrado, trasladando el calor extraı́do del condensador a la atmósfera mediante torres de refrigeración (17), o descargando dicho calor directamente al mar o al rı́o.
Para minimizar los efector de la combustión de carbón sobre el medio ambiente, la central
posee una chimenea (11) de gran altura -las hay de más de 300 metros-, que dispersa los contaminantes en las capas altas de la atmósfera, y precipitadores (10) que retienen buena parte de
los mismos en el interior de la propia central. [27]
3.1.1
Plantas de Turbina de Gas
Algunas plantas no emplean una caldera, por lo tanto no usan el agua como fluido de trabajo, tal es el caso de las Plantas de Turbina de Gas donde el aire, o algún otro gas, se comprime
y se inyecta en una cámara de combustión donde la energı́a de este gas se incrementa durante
el proceso de calentamiento, luego se inyecta a una turbina de gas donde se transforma en trabajo mecánico que es aprovechado en un generador eléctrico. En la figura 3.2 se muestra un
diagrama de una planta de turbina de gas.
50
Figura 3.2 Planta de turbina de gas
3.1.2
Plantas de Combustión Interna
Las plantas de combustión interna utilizan el petróleo o algún derivado, como el diesel o
gasolina, o el gas natural; ası́ como algún biocombustible, como el biodiesel. El combustible
se mezcla con el aire. La mezcla se introduce a una cámara cuya base (cilindro) es móvil y
se encuentra acoplada a un cigüeñal que a su vez se acopla a un generador eléctrico. Cuando
la mezcla se enciende se produce una explosión que desplaza en forma sincronizada a los
cilindros del motor. Las plantas de combustión interna se usan para generar energı́a eléctrica
durante las horas pico, como sistemas de emergencia, para generar energı́a eléctrica en lugares
aislados o bien para producir trabajo en forma directa a través de los vehı́culos automotores.
En la figura 3.3 se muestra una fotografı́a de una planta de combustión interna a base de diesel.
Figura 3.3 Planta de combustión interna
51
3.2
Plantas Nucleares
Estas utilizan la energı́a generada en el proceso de la fisión nuclear para producir energı́a
eléctrica. La fisión nuclear que consiste en excindir en núcleo del átomo mediante un bombardeo con neutrones, en cada fisión se producen núcleos menos pesados que el orginal, se
libera energı́a y más neutrones que propician una reacción en cadena controlada. En la figura
3.4 se muestra un esquema de una planta nucleoeléctrica.
Figura 3.4 Diagrama de una central térmica.
Las componentes principales de una planta nuclear son: el reactor nuclear, el generador de
vapor, la turbina de vapor, el condensador y el sistema de bombeo. [37]
Durante la fisión nuclear los productos de fisión transportan la mayor parte de la energı́a
liberada y la ceden prácticamente en el sitio donde fueron producidos liberando grandes cantidades de energı́a térmica que es absorbida por el fluı́do de trabajo de la planta. Este proceso
52
se da en el Reactor Nuclear; de hecho al comparar una planta carboeléctrica con una nucleoeléctrica, la única diferencia entre ambas es que en la primera se tiene una caldera y en la
segunda la caldera es sustituida por un reactor nuclear.
La generación de energı́a en una planta nuclear se controla propiciando una mayor o menor
cantidad de fisiones nucleares, para lo cual se utilizan barras deslizantes de boro y cadmio,
llamadas barras de control, que absorben neutrones y regulan el número de fisiones. Las barras de control se encuentran distribuidas dentro del núcleo del reactor nuclear que contiene el
combustible nuclear.
En el proceso de fisión nuclear, se establece una reacción que es sostenida y moderada mediante el empleo de elementos auxiliares dependientes del tipo de tecnologı́a empleada. Uno
de los factores que limitan el uso de la energı́a nuclear es la disponibilidad del isótopo 235 del
uranio, llamado U-235. En forma natural este isótopo solo es el 0.7% de los átomos de uranio,
el 99.3% es el U-238.
A nivel mundial existen dos tecnologı́as relacionadas con el tipo de combustible nuclear,
por un lado están las plantas nucleares que requieren que su combustible tenga una mayor cantidad de isótopos de U-235, también conocido como uranio enriquecido, éstas plantas utilizan
el agua o algún tipo de gas como refrigerante, la otra tecnologı́a utiliza el uranio natural (0.7%
de U-235 + 99.3% U 238) como combustible, éstas requieren agua pesada como moderador.
El agua pesada es agua en la cuál el hidrógeno se sustituye por un isótopo más pesado del
hidrógeno: el deuterio (D). El deuterio es igual al hidrógeno que tiene un protón en el núcleo,
solo que en el deuterio, además de protón dentro del núcleo tiene un neutron. Desde este punto
de vista existen dos tipos de plantas nucleares: aquellas que se usa combustible enriquecido y
las que utilizan moderador enriquecido.
53
3.2.1
Tipos de centrales nucleares y caracterı́sticas
Los reactores térmicos utilizan materiales llamados moderadores, estos son medios que reducen la velocidad de los neutrones producidos en la fisión a un valor tal que cuando chocan
con el combustible nuclear producen la fisión. El moderador más utilizado es el agua, que
además de fungir como moderador es usado como refrigerante y fluı́do de trabajo. El grafito
y el agua pesada también son utilizados en algunas plantas como medio moderador, en estos
casos se usa ya sea agua o gas, como el Helio, como refrigerante o fluı́do de trabajo.
Las plantas nucleares suelan clasificarse en función del modo en que se opera el fluı́do de
trabajo, esta caracterı́ztica también le da identidad al tipo de reactor. Ası́ tenemos reactores
nucleares tipo PWR, que es el acrónimo en inglés de Pressurized Water Reactor, BWR, que
son las siglas de Boiling Water Reactor, HTR (High Temperature Reactor), etc.
En el mundo las plantas más comunes son las PWR y las BWR, en las primeras el agua
se mantiene dentro del reactor a presiones altas que evitan su cambio de estado, éstas plantas
utilizan un generador de vapor donde el calor es transferido a otro circuito donde circula agua
que absorbe el calor del agua a alta presión y la convierte en vapor. Este tipo de plantas consta
de dos circuitos, el agua del primero jamás entra en contacto fı́sico con el agua del segundo
circuito. En las del tipo BWR solo existe un circuito y en éstas el agua cambia de estado en el
reactor, el vapor generado se inyecta directamente en la turbina de vapor.
Otro tipo de centrales, principalemente utilizadas, y diseñadas, en Canada, son las que utilizan agua pesada y que se conocen como PHWR (Pressurized Heavy Water Reactors). El
reactor se conoce como Reactor de agua pesada a presión, también conocido como CANDU.
Aquı́, el moderador, y refrigerante primario, es agua pesada donde el deuterio del agua está
enriquecido hasta en un 99 %.
Los reactores Magnox o GCR (Gas Cooled Reactors), como el mostrado en figura 3.5, utilizan uranio natural con camisa de magnesio. Se refrigeran con dióxido de carbono a presión
54
Figura 3.5 Reactores Magnox
moderada, pero generan vapor a temperatura relativamente alta, con lo que se obtiene una
buena eficiencia térmica. Tienen grandes núcleos con baja densidad de energı́a, lo que propicia
que el reactor sea de gran tamaño, en comparación con los PWR o BWR. [28].
A raı́z de los accidentes en la planta Three Mile Island en los Estados Unidos y de Chernobil en la antigua Unión Sovietica, la aceptación de la energı́a nuclear como una fuente alterna
disminuyó considerablemente. Esto propició que el desarrollo de la energı́a nuclear se detuviera en el mundo. Sin embargo, en la última década el problema del Calentamiento Global,
ha vuelto a despertar el interés mundial en la energı́a nuclear.
A diferencia de la generación de energı́a a base de combustibles fósiles la energı́a nuclear
no produce gases de efecto invernadero, que a su vez causa el calentamiento global, en su operación no emite contaminantes. Estas caracterı́sticas hacen que incluso los llamados grupos
ambientalistas recomienden utilizar, junto con las fuentes alternas, la energı́a nuclear como
alternativa para disminuir el uso de combustibles fósiles. Hoy dı́a se cuentan con diseños más
avanzados de reactores nucleares que son más compactos y más seguros.
55
3.3
Las centrales hidroeléctricas
La energı́a hidroeléctrica aprovecha la energı́a potencial de un cause de agua o bien de la
fuerza del mar, para mover turbinas hidraúlicas para generar electricidad.
Las dos caracterı́sticas principales de una central hidroeléctrica, desde el punto de vista de
su capacidad de generación de electricidad son:
• La potencia, que es función del desnivel existente entre el nivel medio del embalse y
el nivel medio aguas abajo de la usina, y del caudal máximo turbinable, además de las
caracterı́sticas de la turbina y del generador.
• La energı́a garantizada, en un lapso de tiempo determinado, generalmente un año, que
es función del volumen útil del embalse, y de la potencia instalada. La generación
de energı́a eléctrica debe seguir la curva de demanda, ası́, a medida que aumenta la
poténcia demandada deberá incrementarse el caudal turbinado, o iniciar la generación
con unidades adicionales, en la misma central, e incluso iniciando la generación en centrales reservadas para estos perı́odos.
3.3.1
Ciclo del agua.
La energı́a hidroeléctrica se sustenta en el ciclo del agua, que se muestra en la figura 3.6
En el ciclo del agua el sol calienta un reservorio de agua, como un rı́o, lago o mar; por efecto
del calentamiento solar el agua se evapora y por efecto de la acción de viento se transporta a
sitios donde por efecto de la temperatura el vapor se condensa y se precipita en forma de lluvia.
Una parte de esta agua de lluvia que se infiltra en los espacios de roca y tierra y recarga los
aquı́feros naturales; otra parte del agua se precipita formado pequeños arroyos que se concentran el rı́os, lagos y lagunas; los rı́os desembocan nuevamente en el mar donde se repite el ciclo.
El proceso de generación de energı́a hidroeléctrica se basa en el hecho que al trasnportarse
el agua del mar a sitios mas altos cada molécula de agua gana energı́a potencial, al precipitarse
y trasladarse de nuevo al mar las moléculas de agua transforman, por la acción de la gravedad,
56
Figura 3.6 Ciclo del agua
la energı́a potencial en energı́a cinética. Mediante la acumulación del agua en embalses naturales o artificiales (presas) y controlar la caı́da de agua, la energı́a potencial es aprovechada
para producir energı́a mecánica en una turbina hidraúlica que acoplada a un generador eléctrico
se transforma en energı́a eléctrica.
Un tipo particular de este tipo de centrales lo constituyen las plantas maremotrices. La
fuerza de atracción lunar hace que el agua de mar aumente su nivel (pleamar) y el agua se
almacena en un embalse, durante esta fase el agua se hace pasar a través de un ducto con
una turbina de agua que gira conviertiendo la energı́a del agua en energı́a mecánica. Cuando
baja la marea (bajamar) el agua regresa al oceano haciendo, de nueva cuenta, girar la turbina.
Acoplando el eje de la turbina con la de un generador eléctrico se transforma la energı́a de las
mareas en energı́a eléctrica.
57
3.3.2
Tipos de centrales hidroeléctricas
Desde el punto de vista de su concepción arquitectónica, las centrales pueden ser clasificadas en:
• Centrales al aire libre, al pie de la presa, o relativamente alejadas de esta, y conectadas
por medio de una tuberı́a en presión.
• Centrales en caverna, generalmente conectadas al embalse por medio de túneles, tuberı́as en presión, o por la combinación de ambas.
Desde el punto de vista de cómo utilizan el agua para la generación, se pueden clasificar
en:
• Centrales a filo de agua. También denominadas centrales de agua fluyente o de pasada,
utilizan parte del flujo de un rı́o para generar energı́a eléctrica. Operan en forma continua
porque no tienen capacidad para almacenar agua, no disponen de embalse.
• Centrales acopladas a uno o más embalses. Es el tipo más frecuente de central hidroeléctrica.
Utilizan un embalse para reservar agua e ir graduando el agua que pasa por la turbina.
Es posible generar energı́a durante todo el año si se dispone de reservas suficientes. Requieren una inversión mayor.
• Centrales maremotrices. Utilizan el flujo y reflujo de las mareas. Pueden ser ventajosas en zonas costeras donde la amplitud de la marea es amplia, y las condiciones morfológicas de la costa permiten la construcción de una presa que corta la entrada y salida
de la marea en una bahı́a. Se genera energı́a tanto en el momento del llenado como en el
momento del vaciado de la bahı́a.
• Centrales mareomotrices sumergidas. Utilizan la energı́a de las corrientes submarinas.
• Centrales Oleomotrices.- que aprovechan el movimiento de las olas. De estos dos
últimas tipos, aunque ya se han instalado algunas plantas, siguen en continuo estudio
porque están sometidas a los cambios climáticos. [25].
58
3.3.3
Partes de una planta hidroeléctrica clásica:
Figura 3.7 Esquema de una planta Hidroeléctrica
1. Vaso
2. Cortina
3. Toma de agua
4. Tuberı́a a presión
5. Generador
6. Desagüe
7. Turbina
8. Compuerta
59
9. Lı́neas de transmisión
10. Subestación
Se entiende por planta hidroeléctrica clásica, la más empleada de a nivel mundial que consta de embalses como en la figura anterior. A continuación se describirán las partes más importantes y esenciales, con excepción del generador que analizamos a detalle en el capitulo
anterior.
3.3.3.1 LA PRESA
Es el elemento más importante de la central depende en gran medida de las condiciones
orográficas de terreno, ası́ como también el curso de agua donde se realiza la instalación. Por
los materiales que están constituidas las presas pueden se de: tierra, mamposterı́a y hormigón,
que son las más utilizadas.
3.3.3.2
LOS ALIVIADEROS
Los aliviaderos son elementos vitales de la presa que tiene como misión liberar parte del
agua detenida sin que esta pase por la sala de máquinas. Se encuentran en la pared principal de
la presa y pueden ser de fondo o de superficie.
La misión de los aliviaderos es la de liberar, si es preciso grandes cantidades de agua o atender
necesidades de riego. Para evitar que el agua pueda producir desperfectos al caer desde gran
altura; los aliviados se diseñan para que la mayorı́a se pierda en una cuenca que se encuentra
en el pie de la presa, llamada de amortiguación.
Para conseguir que el agua salga por los aliviaderos existen grandes compuertas, de acero que
se pueden abrir o cerrar a voluntad, según lo demande la situación.
60
3.3.3.3
TOMAS DE AGUA
Las tomas de agua de las que parten varios conductos hacia las tuberı́as, se hallan en la
pared anterior de la presa que entra en contacto con el agua embalsada. Estas tomas además de
unas compuertas, para regular la cantidad de agua que llega a las turbinas, poseen unas rejillas
metálicas que impiden que elementos extraños como troncos, ramas, etc., puedan llegar a los
álabes y producir desperfectos.
El canal de derivación se utiliza para conducir agua desde la prensa de derivación hasta las
turbinas de la central. Generalmente es necesario hacer la entrada a las turbinas con turbinas
forzadas siendo por ello preciso que exista una cámara de presión donde termina el canal y
comienza la tuberı́a. Es bastante normal evitar el canal y aplicar directamente las tuberı́as
forzadas a las tomas de agua de las prensas.
Debido a las variaciones de carga del alternador o a condiciones imprevistas se utilizan
las chimeneas de equilibrio que evitan las sobrepresiones en las tuberı́as forzadas y álabes de
turbinas. A estas sobrepresiones se las denomina golpe de ariete. Cuando la carga de trabajo
de la turbina disminuye bruscamente se produce una sobrepresión positiva, ya que el regulador
automático de la turbina cierra la admisión de agua.
La chimenea de equilibrio consiste en un pozo vertical situado lo más cerca posible de las
turbinas. Cuando existe una sobre presión de agua encuentra menos resistencia para penetrar
al pozo que a la cámara de presión de las turbinas haciendo que suba el nivel de la chimenea
de equilibrio. En el caso de depresión ocurrirá lo contrario y el nivel bajará. Con ésto se consigue evitar el golpe de ariete. Actúa de este modo la chimenea de equilibrio como un muelle
hidráulico o un condensador eléctrico, es decir, absorbiendo y devolviendo energı́a.
Las estructuras forzadas o de presión, suelen ser de acero con refuerzos regulares a lo largo
de su longitud, o de cemento armado, reforzado con espiras de hierro que deben estar ancladas
61
al terreno mediante soleras adecuadas. [29]
3.3.3.4
CAMARA O SALA DE TURBINA
En la sala de turbinas se encuentran la turbina con sus elementos de control. Dependiendo
de la altura del nivel del agua respecto al sitio donde está la turbina y el flujo disponible se
utiliza un tipo de turbina hidraúlica. Los tipos de turbinas hidráulicas que se usan son la turbina
Pelton, la Kaplan y la Francis. En las figuras 3.8, 3.9 y 3.10 se muestran los tipos de turbinas
hidráulicas.
Las turbinas Pelton tiene en su periferia varios álabes o paletas. Cada álabe tiene forma
de doble cuchara. Mediante un inyector el agua es concentrada en los álabes en forma radial
forzando a la turbina a girar. Este tipo de turbinas se utilizan cuando se cuenta con grandes
alturas de nivel de agua y cuando se cuenta con caudales regulares.
Figura 3.8 Pelton
Los álabes de las turbinas Francis reciben el flujo de agua en dirección radial, orientándolo
hacia la salida en dirección axial y se emplean principalmente en centrales de saltos intermedios
y caudales variables.
Figura 3.9 Francis
62
Las turbinas Kaplan que se componen básicamente de una cámara de entrada que puede
ser abierta o cerrada, un distribuidor fijo, un rodete con cuatro o cinco palas fijas en forma de
hélice de barco y un tubo de aspiración. Este tipo de turbinas se emplean en sitios de poca
altura y caudales variables.
Figura 3.10 Kaplan
3.4
Generación de Energı́a y su Impacto Ambiental
Toda acción del ser humano produce un impacto ambiental, de forma tal que todas las formas de generación de energı́a producen un efecto en el medio ambiente. Durante su operación
las plantas termoeléctricas emiten gases provenientes de la combustión como N O2 , SO2 , SO2
y partı́culas que se mantienen en suspensión en el aire. La obtención del combustible para este
tipo de plantas provoca efectos en el agua y en el suelo.
El efecto del uso de estas plantas provoca el fenómeno de la lluvia ácida, donde las sustancias emitidas durante la combustión son arrastradas con la lluvia. La mezcla de estas sustancias
con el agua hace que cambie el pH del agua haciéndola más ácida. Los efectos de esto es la
destrucción de monumentos, la muerte de especies acuáticas y flora. Además se producen
enormes cantidades de CO2 , que es un gas de efecto invernadero que propicia el calentamiento
global.
63
Las partı́culas en suspensión provocan enfermedades relacionadas con el sistema respiratorio y alérgias.
Durante la construcción de una planta hidroeléctrica requier que se afecten las corrientes
naturales de agua, se contruyan enormes embalses provocando pertubaciones de los microambientes, además que al controlar el flujo natural del agua afectan las condiciones de humedad
del entorno alterando el clima.
Al no basarse en el proceso de la combustión, las plantas nuclares no emiten sustancias al
ambiente, sin embargo la obtención y proceso del combustible nuclear el entorno se somete a
emanaciones de radiaciones. Éstas son controladas con medidas se seguridad adecuadas. Hoy
dı́a, el principal defecto de la energı́a nuclear son la disposición final de los desechos radiactivos que se generan durante su operación.
3.4.1
Calentamiento Global
Una consecuencia de la necesidad de producir energı́a es la emisión de gases que provocan
un fenómeno llamado efecto invernadero. Estos gases se depositan en las capas altas de la
atmósfera.
El Sol calienta la tierra a través de la radiación solar de diferentes frecuencias que logran
atravesar la atmósfera, al llegar a la superficie del planeta parte de esta energı́a es absorbida y
otra parte, en forma de radiación infraroja, es reflejada hacia el espacio. Los gases de efecto
invernadero impiden que la radiación infraroja salga al espacio y es reflejada de la atmósfera
hacia la superficie de la Tierra, incrementando ası́ la temperatura.
64
El incremento de la temperatura promedio del planeta afecta el equilibirio entre la Crióesfera,
la Hidrósfera, la Litósfera y la Atmósfera, este equilibrio da como resultado el clima del planeta que permite la existencia de la Biósfera que es el espacio donde se da la vida.
El incremento de la temperatura promedio del planeta está provocando el descongelamiento
de los glaciares, que es la mayor reserva de agua dulce que tiene el planeta, con esto aumenta
el nivel del agua de los oceános provocando la afectación de tierras de cultivo, ası́ como los
asentamientos humanos ubicados en islas y zonas costeras. El aumento de la temperatura
también está provocando un mayor número de meteoros, como lluvias más frecuentes e intensas, sequı́as mas prolongadas que a su vez propician incendios que liberan mayor cantidad de
CO2 .
El mayor riesgo del calentamiento global es que se afecten las corrientes marinas que llevan el calor desde el Ecuador hacia los polos; la modificarse estas corrientes se corre el riesgo
de una nueva era glaciar donde la existencia de la vida como la conocemos se vea seriamente
amenazada.
Actualmente la sociedad tiene mayor información sobre este fenómeno y existe una tendencia en cambiarar los hábitos del consumo de energı́a a través de reducir el consumo de los
energéticos fósiles y fomentar acciones de ahorro de energı́a. Entre las acciones tendientes a
reducir el consumo de los hidrocarburos está el utilizar fuentes alternas y la energı́a nuclear.
3.4.2
Protocolo de Kyoto
Ante la evidencia de los cambios climáticos, en 1997 los gobiernos del mundo a través de
la Organización de las Naciones Unidas (ONU) acordaron el Protocolo de Kyoto que contiene
el Convenio Marco sobre Cambio Climático. El acuerdo entró en vigor el 16 de febrero de
2005. Actualmente se han adherido a este convenio 166 paı́ses.
65
El objetivo del Protocolo de Kyoto es reducir en el periodo 2008 a 2012, en un 5,2% las
emisiones de gases de efecto invernadero globales sobre los niveles existentes en 1990. Este es
el único mecanismo internacional existente para hacer frente al cambio climático y minimizar
sus impactos.
3.4.2.1
Situación actual del Protocolo de Kyoto
La Unión Europea aceptó el objetivo de reducir hasta en un 8% los gases de efecto invernadero (GEI); los Estados Unidos y el Japón han acordado reducirlos en un 7% y 6% respectivamente.
Otros paı́ses signaron el compromiso de estabilizar sus emisiones como Nueva Zelanda,
Rusia y Ucrania; debido a que la generación de energı́a es un factor indispensable para el desarrollo económico el acuerdo contempla que paises en viás de desarrollo o subdesarrolados
incrementen sus emsisiones. Esto ha provocado que existan bonos de emisión de GEI, que incluso se cotizan en las Bolsas de Valores, ası́ los paı́ses que pueden emitir una cierta cantidad de
GEI, y por su desarrollo no las emiten, venden sus derechos a los paı́ses industralizados. [34].
Capı́tulo 4
Fuentes Alternas de Generación de Energı́a
Eléctrica
En la categorı́a de Fuentes Alternas de Energı́a se incluyen aquellas donde la energı́a se obtiene de fuentes naturales practicamente inagotables. Dentro de éstas existe una clasificación
que las distribuye como limpias o no contaminantes y las contaminantes.
En el grupo de las fuentes alternas no contaminates están la energı́a solar, la energı́a eólica,
la maremotriz y la energı́a geotérmica. En el grupo de las fuentes alternas contaminates se
incluyen la biomasa y los biocombustibles.
Algunas de las ventajas de las fuentes alternas son:
• Los residuos que generan son de fácil eliminación.
• Su impacto ambiental es reducido. No producen emisiones de CO2 y otros gases contaminantes a la atmósfera (con excepción del biogas).
• Se producen de forma continua por lo que son ilimitadas.
• Evitan la dependencia exterior, son autóctonas.
• Son complementarias.
• Equilibran desajustes interterritoriales.
67
• Impulsan las economı́as locales con la creación de cinco veces más puestos de trabajo
que las convencionales.
• Son una alternativa viable a las energı́as convencionales.
Las energı́as renovables también producen impacto en el medio ambiente, pero éste es inferior al producido por las fuentes convencionales.
Algunas de las desventajes de las fuentes alternas son:
• Producen impacto visual.
• Son variables por lo que no son muy confiables.
• Su densidad de potencia es sumamente baja, en comparación con las convencionales.
• Para algunas no existe desarrollo tecnológico que las haga competitivas.
• Existen dificultades para su almacenamiento por lo que no es aprovechado todo su potencial.
• Exigen mayor inversión monetaria en comparacion con las convencionales, por lo que
los costos por unidad de energı́a son superiores.
• Su disposición depende de condiciones geográficas. [25].
Un problema inherente a las energı́as renovables es su baja densidad de producción; esta
desventaja no es compartida por la energı́a geotérmica; pero ésta solo es accesible en zonas
donde las condiciones de la corteza terrestre lo permite.
68
4.1
Biomasa
Se le denomina biomasa a toda la materia viva que hay en la Tierra. La biomasa se genera
a través de la transformación de substancias inorgánicas en orgánicas por parte de las plantas y
los animales. En el caso de las plantas la luz solar propicia esta transformación.
Cuando la materia viva se descompone o se degrada, la energı́a contenida en ella se libera.
Esto ocurre mediante el metabolismo de los alimentos, la descomposición de la materia viva o
la combustión de la leña.
Los elementos contaminantes directamente relacionados con el consumo energético afectan
sobre todo, aunque no sólo, a la atmósfera. La materia vegetal al quemarse produce CO2 y
H2 O, compuestos que forman parte de la atmósfera en ciertas proporciones. Los constantes
ciclos a que están sometidos estos componentes les permiten volver a pasar a la materia vegetal
en el proceso de crecimiento de las plantas, en un ir y venir incesante, mientras que la composición de la atmósfera se mantiene dentro de valores constantes. En la figura 4.1 se muestran
los procesos de generación de biomasa. Los combustibles fósiles, sin embargo, liberan grandes
cantidades de CO2 , que estaban retiradas de la dinámica de la biosfera, contribuyendo a elevar
la proporción de este gas en al atmósfera.
La biomasa tiene un gran potencial energético, ya que representa el acumulador de la energı́a del Sol. La biomasa es una fuente de energı́a renovable, siempre y cuando se haga una
explotación controlada de los recursos naturales, permitiendo que su ritmo de crecimiento anual sea igual a nuestro ritmo de consumo. [35].
Fuentes de biomasa:
• Residuos agrı́colas, integrados por restos de podas de cultivos leñosos, paja de cereales,
zuros de maı́z, restos de cultivos industriales, etc.
• Residuos de industrias agrı́colas: residuos de aceituna, cascarilla de arroz, cáscara de
frutos secos, restos de industrias envasadoras, etc.
69
Figura 4.1 Generación de biomasa
• Residuos de industrias forestales: recortes de madera, serrines, etc.
• Cultivos energéticos, tanto leñosos como herbáceos.
• Productos biodegradables de procedencia agroganadera.
• Efluentes de la industria agroalimentaria.
• Lodos de depuración de aguas residuales.
• Emisiones de gas de vertederos controlados.
• Excedentes agrı́colas.
• Aceites alimentarios usados.
De aquı́ se puede hacer la siguiente clasificación:
70
Biomasa primaria
Conjunto de vegetales de crecimiento más o menos rápido que pueden utilizarse directamente o tras un proceso de transformación para producir energı́a.
Biomasa secundaria
Conjunto de residuos de una primera utilización de la biomasa para la alimentación humana o animal o para alguna actividad doméstica o agroindustrial que han sido objeto de alguna
transformación fı́sica. Estos residuos son principalmente estiércoles, basura, lodos procedentes
de la depuración de aguas residuales. Su utilización es consecuencia de la preocupación por la
protección del medio ambiente y la consideración de su valor como fuente de energı́a.
4.1.1
Aplicación directa de la biomasa: Residuos y cultivos energéticos
Es la forma de uso tradicional de la biomasa en la que se obtiene energı́a mediante combustión directa, es decir, la biomasa se utiliza como combustible.
4.1.1.1
Residuos
La biomasa residual conformada por residuos de carácter orgánico dispone de un gran potencial para la generación de energı́a. Se puede producir de manera espontánea en la naturaleza
o como consecuencia de la actividad del hombre, agrı́cola, forestal e industrial. Los residuos
pueden ser clasificados en función del sector que los genera.
4.1.1.2
Residuos agrarios resultado de la actividad agraria humana
Durante la actividad agricola se generan una gran cantidad de desechos que no tiene ningún
valor alimenticio. Por su origen, estos de desechos se denominan:
• Residuos agrı́colas: Son restos y sobrantes de cultivos como por ejemplo la paja de los
cereales, poda de árboles y viñedos, etc.
71
• Residuos forestales: Son los residuos generados en la limpieza de las explotaciones forestales como leña, ramaje, etc. además de restos de madera de montes y bosques.
• Residuos ganaderos: Se refieren principalmente a excrementos de animales en explotación
ganadera. Residuos industriales Son aquellos residuos derivados de la producción industrial con posibilidades de generación de biomasa energética residual, como la industria
de manufacturación maderera o agroalimentaria.
• Residuos urbanos Son residuos de carácter orgánico producidos diariamente y en grandes
cantidades en los núcleos urbanos de población pudiéndose distinguir dos formas de los
mismos:
– Residuos sólidos urbanos: Materiales biodegradables sobrantes del ciclo de consumo humano.
– Aguas residuales urbanas: Elementos lı́quidos procedentes de la actividad humana,
cuya parte sólida contiene una cantidad relevante de biomasa residual aunque existen algunas dificultades en la depuración del material sobrante.
4.1.1.3
Cultivos energéticos
Los cultivos energéticos son plantas cultivadas con el objetivo de ser aprovechadas como
biomasa transformable en combustible. Es una faceta agrı́cola todavı́a en experimentación y
por ello existen a dı́a de hoy numerosos interrogantes sobre su viabilidad económica y los
impactos de carácter medioambiental y social que puede producir. Existen diversos tipos de
cultivos que pueden ser utilizados con fines energéticos y que pueden ser clasificados en los
siguientes grupos:
• Cultivos tradicionales: Originalmente destinados a fines alimentarios con necesidad de
condiciones climatológicas favorables y terrenos fértiles lo que hace que sólo se consideren viables como fuentes energéticas en el uso de excedentes de su producción. Es el
caso de la caña de azúcar, los cereales, etc.
72
• Cultivos poco frecuentes: Algunas especies silvestres con posibilidad de ser cultivadas
en condiciones desfavorables, en terrenos no fértiles y con fines no alimentarios, como
el cardo, los helechos, etc.
4.1.2
Aplicación indirecta de la Biomasa
La biomasa también puede ser utilizada de una manera indirecta convirtiéndola, mediante
una serie de técnicas de transformación, en nuevos recursos energéticos, productos industriales
sustitutivos de los combustibles fósiles, aunque muchos de estos métodos de conversión se
encuentran en fase de experimentación.
Procesos de transformación de biomasa en energı́a Cada uno de los diferentes tipos de
biomasa requiere diferentes técnicas de transformación pudiendo dividirse en dos grupos:
4.1.2.1 Métodos termoquı́micos
El calor es la fuente de transformación principal y son los métodos utilizados en la transformación de la biomasa seca (principalmente paja y madera). Se basan en la aplicación de elevadas temperaturas y se pueden distinguir dos tipos de procesos según la cantidad de oxı́geno
aportada en los mismos:
• Combustión: Aplicación de elevadas temperaturas con exceso de oxı́geno. La combustión directa u oxidación completa de la biomasa al mezclarse con el oxı́geno del aire
liberando en el proceso dióxido de carbono, agua, cenizas y calor. Este último es utilizado para la el calentamiento doméstico o industrial o para producción de electricidad.
• Gasificación / Pirolisis: Aplicación de elevadas temperaturas con cantidades limitadas
o nulas de oxı́geno, que no permiten la combustión completa, liberando en el proceso
monóxido y dióxido de carbono, hidrógeno y metano. El resultado es la obtención de
gases, lı́quidos o sólidos (p.e. carbón vegetal) con contenido carbónico que pueden ser
utilizados como energı́a útil.
73
4.1.2.2
Métodos biológicos o bioquı́micos
Diversos tipos de microorganismos contribuyen al proceso de degradación de las moléculas
de materia de biomasa húmeda en compuestos simples de gran contenido energético por medio
de dos tipos de técnicas:
• Fermentación alcohólica: Proceso que consiste en la transformación del carbono acumulado en las plantas, como consecuencia de la energı́a solar, en alcohol por medio de
fermentación en diferentes fases según el tipo de biomasa. La fase de coste energético
más elevado es la de destilación que contribuye a que el balance energético de la técnica
puede no cumplir los parámetros renovables. Los productos obtenidos son biocarburantes como el bioetanol o el biodiesel, utilizados como combustibles alternativos a los
fósiles.
• Fermentación metánica o digestión anaerobia: Proceso de fermentación microbiana con
ausencia de oxı́geno del que generando gases como el metano y el dióxido de carbono. Se
utiliza principalmente para la fermentación de la biomasa húmeda del tipo de residuos
ganaderos o aguas residuales urbanas, siendo el producto combustible final obtenido
el biogás. Los combustibles obtenidos mediante los procesos de transformación antes
citados presentan las siguientes ventajas medioambientales respecto a los combustibles
convencionales:
– El contenido en azufre de los gases de su combustión es escaso.
– No liberan partı́culas en su combustión
– La producción de cenizas es reducida.
– Contribuyen a la conservación del ciclo del CO2 . [36].
4.1.3
Ventajas de la Biomasa como fuente de Energı́a
Aunque la energı́a de la biomasa ha sido aprovechada desde que el hombre descubrió el
fuego, la consideración actual de la biomasa como una fuente de energı́a limpia se hace bajo
nuevos criterios y enfoques.
74
1. El balance de CO2 emitido es neutro. La combustión de biomasa, si se realiza en condiciones adecuadas, produce agua y CO2 , pero la cantidad emitida de este último gas,
principal responsable del efecto invernadero, fue captada por las plantas durante su crecimiento. Es decir, el CO2 de la biomasa viva forma parte de un flujo de circulación
continuo entre la atmósfera y la vegetación, sin que suponga incremento de ese gas en la
atmósfera con tal que la vegetación se renueve a la misma velocidad que se degrada.
2. No emite contaminantes sulforados o nitrogenados, ni partı́culas sólidas.
3. Una parte de la biomasa para fines energéticos procede de materiales residuales que es
necesario eliminar. El aprovechamiento energético supone convertir un residuo en un
recurso.
4. Los cultivos energéticos sustituirán a cultivos excedentarios en el mercado de alimentos.
Eso puede ofrecer una nueva oportunidad al sector agrı́cola.
5. La producción de biomasa es totalmente descentralizada, basada en un recurso disperso
en el territorio, que puede tener gran incidencia social y económica en el mundo rural.
6. Disminuye la dependencia externa del abastecimiento de combustibles.
7. La tecnologı́a para su aprovechamiento cuenta con un buen grado de desarrollo tecnológico para muchas aplicaciones.
8. Es un importante campo de innovación tecnológica, las respuestas tecnológicas en curso
están dirigidas a optimizar el rendimiento energético del recurso, minimizar los efectos
ambientales de los residuos aprovechados y de las propias aplicaciones, incrementar
la competitividad comercial de los productos y posibilitar nuevas aplicaciones de gran
interés como los biocombustibles, entre otros.
75
4.1.4
Funcionamiento de una Planta de Cogeneración mediante Biomasa.
Se puede apreciar en la figura 4.2 el funcionamiento de una planta a base de biomasa. El
proceso inicia con el cultivo y la recaudación de materia prima (biomasa), el transporte, la
preparación y separación de combustibles y su almacenamiento hasta llegar a la caldera que
calienta el agua que a su vez mueve las turbinas y el generador eléctrico. [37]
Figura 4.2 Central de Cogeneración por medio de Biomasa.
4.2
Marı́tima
Se trata de la energı́a generada por el movimiento de las olas y las mareas, que se puede
aprovechar para su conversión en electricidad. Este tipo de energı́a en especial tiene un potencial enorme, es constante, está disponible en cualesquiera clima y época del año, no daña
excesivamente la flora y fauna marina y tiene un sin fin de principios de generación (desde el
aprovechamiento de energı́a de las olas y mareas en la orilla del mar, como flotadores, turbinas
en las corrientes marinas, aprovechamiento térmico y ventoso), el estudio de el aprovechamiento
76
marino es relativamente reciente, pero esta creciendo a pasos enormes, principalmente en Europa. Unos de los principales problemas de esta energı́a son los cambios meteorológicos que
pudieran darse, como huracanes, tormentas, etc.
La energı́a mareomotriz podrı́a aportar unos 635 000 GWh anuales, equivalentes a 1 045
000 000 barriles de petróleo ó 392 000 000 toneladas de carbón/año.
4.2.1
Funcionamiento de una Central maremotriz.
Se puede obtener energı́a del agua marina conteniendo el lı́quido en un depósito artificial
durante la pleamar y soltándola durante la bajamar. De este modo, al igual que en las centrales hidroeléctricas, el agua pasa a través de unas turbinas para generar energı́a eléctrica.
Ahora bien, para que el proceso sea efectivo, es necesario que la amplitud de la marea sea
como mı́nimo de cinco metros, por lo que sólo existe un número limitado de lugares en todo el
mundo en que las condiciones de la marea son adecuadas para su explotación energética.
4.3
Geotérmia
La energı́a geotérmica es tan antigua como la existencia misma de nuestro planeta. ”Geo”
significa en griego ”Tierra” y ”thermos”, ”calor”; por lo tanto, geotermia es el calor de la
Tierra. En ciertos lugares, las corrientes subterráneas de agua pasan junto a rocas calientes que
se encuentran a una gran profundidad y calientan el agua o incluso la convierten en vapor y
dan lugar a las ”aguas termales” o ”géiseres”, cuando brotan agua caliente y vapor. El agua
caliente puede alcanzar temperaturas de superiores a los 100 o C. [20]
Desde la antigüedad las fuentes termales han sido utilizadas como baños, especialmente
por sus posibles efectos medicinales. Algunos pueblos también las utilizaron para obtener
agua potable a partir de los condensados del vapor, y para cocer sus alimentos; los minerales
77
asociados a la actividad hidrotermal como el azufre, los travertinos, los caolines, las limonitas
y óxidos de hierro fueron tradicionalmente extraı́dos de estas fuentes.
Sin embargo, el descubrimiento de sales de Boro en las manifestaciones termales de Larderello
(Italia) a fines del siglo XVIII, marcó el inicio de la utilización industrial de los recursos
geotérmicos. La industria del ácido bórico que se inicia en 1812, dió paso por primera vez
en 1904 a la generación de electricidad a partir del vapor geotérmico. En 1913 se pone en funcionamiento una central de 250 kW; desde entonces Italia ha ido incrementando su capacidad
hasta alcanzar, en 1995, una potencia instalada de 632 MW.
Se sabe que en los primeros 20 kilómetros de la corteza la temperatura aumenta 1o cada
33 m. Este aumento de temperatura por unidad de profundidad es denominado gradiente
geotérmico. En la figura 4.3 se muestra un esquema del gradiente geotérmico.
Figura 4.3 Gradiente geotérmico
En la figura 4.4 se muestra un sistema geotérmico.
Por desgracia, sólo en aquellas zonas donde el flujo térmico es anormalmente alto, como
en algunos lı́mites entre placas tectónicas, que se muestran en la figura 4.5 y en los puntos
calientes, se puede explotar la energı́a geotérmica. Estos puntos en el planeta que producen
78
Figura 4.4 Esquema idealizado de un sistema geotérmico
anomalı́as geotérmicas, dan lugar a gradientes de temperatura de entre 100 y 200 o C por
kilómetro.
Figura 4.5 Distribución de las principales placas corticales
79
4.3.1
Tipos de fuentes geotérmicas:
• Hidrotérmicos, tienen en su interior de forma natural el fluido caloportador, generalmente
agua en estado lı́quido o en vapor, dependiendo de la presión y temperatura. Suelen
encontrarse en profundidades comprendidas entre 1 y 10 km.
• Geopresurizados, son similares a los hidrotérmicos pero a una mayor profundidad, encontrándose el fluido caloportador a una mayor presión, unos 1000 bares y entre 100 y
200o C, con un alto grado de salinidad, generalmente acompañados de bolsas de gas y
minerales disueltos.
• De roca caliente, son formaciones rocosas impermeables y una temperatura entre 100 y
300o C, próximas a bolsas magmáticas.
4.3.2
Tipos de yacimientos geotérmicos según la temperatura del agua
• Energı́a geotérmica de alta temperatura.- La energı́a geotérmica de alta temperatura
existe en las zonas activas de la corteza. Esta temperatura está comprendida entre 150
y 400 o C, se produce vapor en la superficie y mediante una turbina, genera electricidad.
Se requieren varios condiciones para que se dé la posibilidad de existencia de un campo
geotérmico: una capa superior compuesta por una cobertura de rocas impermeables;
un acuı́fero, o depósito, de permeabilidad elevada, entre 0.3 y 2 km de profundidad;
suelo fracturado que permite una circulación de fluidos por convección, y por lo tanto
la trasferencia de calor de la fuente a la superficie, y una fuente de calor magmático,
entre 3 y 15 km de profundidad, a 500-600 o C. La explotación de un campo de estas
caracterı́sticas se hace por medio de perforaciones según técnicas casi idénticas a las de
la extracción del petróleo.
• Energı́a geotérmica de temperaturas medias.- La energı́a geotérmica de temperaturas
medias es aquella en que los fluidos de los acuı́feros están a temperaturas menos elevadas,
normalmente entre 70 y 150 o C. Por consiguiente, la conversión vapor-electricidad se
80
realiza con un rendimiento menor, y debe explotarse por medio de un fluido volátil. Estas
fuentes permiten explotar pequeñas centrales eléctricas, pero el mejor aprovechamiento
puede hacerse mediante sistemas urbanos reparto de calor para su uso en calefacción y
en refrigeración (mediante máquinas de absorción)
• Energı́a geotérmica de baja temperatura.- La energı́a geotérmica de temperaturas bajas
es aprovechable en zonas más amplias que las anteriores; por ejemplo, en todas las cuencas sedimentarias. Es debida al gradiente geotérmico. Los fluidos están a temperaturas
de 50 a 70 o C.
• Energı́a geotérmica de muy baja temperatura.- La energı́a geotérmica de muy baja temperatura se considera cuando los fluidos se calientan a temperaturas comprendidas entre
20 y 50 o C. Esta energı́a se utiliza para necesidades domésticas, urbanas o agrı́colas. Las
fronteras entre los diferentes tipos de energı́as geotérmicas es arbitraria; si se trata de
producir electricidad con un rendimiento aceptable la temperatura mı́nima está entre 120
y 180 o C, pero las fuentes de temepratura más baja son muy apropiadas para los sistemas
de calefacción urbana. [25] Esquemáticamente, los elementos que dan origen a un campo
geotérmico son:
4.3.3
Tipos de sistemas geotérmicos
De acuerdo, principalmente con la recarga del agua y la estructura geológica del sistema,
estos pueden dividirse en:
• Sistemas de agua caliente: Cuyos reservorios contienen agua a temperaturas entre 30 y
100◦ C. Sistemas de este tipo son utilizados en la actualidad para calefacción y agroindustria principalmente.
• Sistemas de agua - vapor: Denominados también de vapor húmedo, contienen agua bajo
presión a temperaturas superiores a 100◦ C. Este tipo de sistemas geotérmicos es el más
81
común y de mayor explotación en la actualidad, pueden alcanzar temperaturas de hasta
350◦ C (Cerro Prieto, México).
• Sistemas de vapor seco: O de vapor dominante, producen vapor sobrecalentado, la separación de la fase gaseosa se produce dentro del reservorio; el grado de sobrecalentamiento puede variar entre 0 y 50◦ C. Estos sistemas son poco comunes; como ejemplos
de ellos se tienen Larderello y Monte Amiata (Italia), The Geysers (California) y Matsukawa (Japón).
• Sistemas de rocas secas calientes: Corresponden a zonas de alto flujo calórico, pero
impermeables de tal modo que no hay circulación de fluı́dos que pueden transportar el
calor. En Estados Unidos se ha desarrollado un proyecto con el objeto de crear artificialmente el reservorio al cual se le podrı́a introducir agua frı́a y recuperar agua caliente o
vapor (Los Alamos, Nuevo México). [38]
4.3.4
Planta Geotermoeléctrica
Normalmente el agua utilizada en las plantas geotérmicas es una mezcla de agua con vapor
que se pasa del pozo a un separador, donde se aı́sla el vapor del agua caliente. El vapor de agua
sigue teniendo minerales que podrı́an depositarse en la turbina y dañarla; por lo que el vapor se
conduce a una depuradora que se encarga de eliminar dichas partı́culas. Una vez depurado el
vapor se pasa a las turbinas de vapor que acopladas a un generador eléctrico producen energı́a
eléctrica. En la figura 4.6 se observan las partes de este tipo de planta.
Un subproducto de este proceso es la generación de salmuera que contiene minerales con
valor comercial. Una vez que el fluı́do geotérmico ha sido aprovechado para generar energı́a
se reinyecta en el subsuelo con el fin de no abatir el campo geotérmico.
82
Figura 4.6 Partes de una central geotérmica
4.3.5 Tipos de Plantas Geotermoeléctricas
Por el tipo de fluı́do geotérmico las plantas geotermoeléctricas se clasifican en tres tipos:
De vapor seco, de flasheo y binario.
En las plantas a vapor seco se toma el vapor de las fracturas en el suelo y se pasa directamente por una turbina, para mover un generador. En las de flasheo se obtiene agua muy
caliente, generalmente a más de 200 ◦ C, y se separa la fase vapor en separadores vapor/agua
mediante cambios de presión. En las plantas binarias, el agua caliente fluye a través de intercambiadores de calor, haciendo hervir un fluido orgánico que luego hace girar la turbina.
4.3.6
Ventajas y Desventajas de la energı́a Geotérmica.
Ventajas:
• Es una fuente natural que utiliza combustibles.
• Los residuos que produce son mı́nimos y ocasionan menor impacto ambiental que los
originados por los hidrocarburos.
83
Inconvenientes:
• El fluı́do geotérmico contiene azufre que produce emisión de ácido sulfı́drico, que se
detecta por el olor a huevo podrido y alerta de su presencia, en ocasiones las cantidades
de ácido sulfı́drico no se detecta y puede ocasionar daños al organismo e incluso la
muerte. La existencia de esta ácido en el ambiente provoca corrosión en los equipos.
• En ciertos casos, emisión de CO2 , que se encuentra en el fluı́do geotérmico como un gas
incondensable, sin embargo las cantidades que se emiten son inferiores a las producidas
durante la combustión.
• Contaminación de aguas próximas con sustancias como arsénico, amonı́aco y metales
pesados.
• Contaminación térmica.
• No se puede transportar (como energı́a primaria).
• No está disponible más que en determinados lugares.
• Extinción del calor, ası́ como hay yacimientos geotermicos capaces de proporcionar energı́a durante muchas décadas, otros pueden agotarse. De hecho el gobierno de Islandia,
que es una región donde se usa exhaustivamente este recurso, advierte que la energı́a
geotérmica no debe ser considerada como renovable.
84
4.4
Energı́a Eólica
El término eólico viene del latı́n Aeolicus, perteneciente o relativo a éolo o Eolo (dios de
los vientos en la mitologı́a griega) y, por tanto, perteneciente o relativo al viento.
La primera noticia que se tiene se refiere a un molino que Heron de Alejandrı́a construyó
en el siglo II A.C., pero se sabe que los egipcios ya empleaban la fuerza del viento en mover
sus embarcaciones de vela hacia el año 3000 A.C. Entre los siglos XII-XIII se inició el uso de
los molinos de viento para la elevación de agua y la molienda de grano. En 1745 el inglés E.
Lee invento la cola de molino, lo que permite que el rotor se oriente en forma perpendicular al
viento maximizando ası́ la energı́a captada.
El primer aerogenerador de energı́a eléctrica fue diseñado por P. Lacour en Dinamarca y
entró en operación en 1890, poco tiempo después que se puso en operación el primer generador eléctrico a base de vapor. Es a partir de ahı́ donde gran numero de aerogeneradores son
creados, modificados y optimizados hasta la actualidad, el desarrollo tecnológico de los areogeneradores se detuvo durante la primera y seguna guerra mundial. [41]
La energı́a eólica principalmente tiene su origen en la energı́a solar, más especı́ficamente
en el calentamiento diferencial de masas de aire por el Sol, ya sea por diferencias de latitud
(vientos globales) o el terreno (mar-tierra o vientos locales). Las diferencias de radiación entre
distintos puntos de la Tierra generan diversas áreas térmicas y los desequilibrios de temperatura
provocan cambios de densidad en las masas de aire que se traducen en variaciones de presión.
Las zonas más favorables para la implantación de grandes motores eólicos son las regiones
costeras y las grandes estepas, donde vientos constantes soplan regularmente.
La variación del viento con la altura en los primeros metros del suelo de la atmósfera es una
caracterı́stica de mucha importancia práctica para el aprovechamiento energético del viento. La
fricción del suelo frena la velocidad del viento. A partir del nivel del suelo se genera una capa
85
lı́mite en la que el proceso fı́sico dominante es la transferencia de momento hacia el suelo. El
perfil del viento en esa capa lı́mite es muy pronunciado hasta los 30 metros, aumentado gradualmente.
Un aerogenerador es un sistema, que a través de diversos mecanismos, permite convertir
la energı́a cinética del viento en energı́a mecánica que es concentrada en un eje, a su vez este
se acopla a un generador eléctrico que convierte la energı́a mecánica en energı́a eléctrica. Los
componentes de un aerogenerador son,
• Cimientos, generalmente constituidos por una base de concreto que se fija en el suelo,
sobre esta base se fija la torre del aerogenerador.
• Torre, fijada al suelo por los cimientos, proporciona la altura suficiente para evitar turbulencias y superar obstáculos cercanos; la torre y los cimientos son los encargados de
soportando la carga estática del aerogenerador, transmitiendo la carga al suelo.
• Chasis, es el embalaje donde se encuentra el generador, sistema de frenado, sistema de
orientación, equipos auxiliares (hidráulico), caja de cambio, etc. Protege a estos equipos
del ambiente y sirve, a su vez, de aislante acústico, soporta el peso del equipo y permite la conexión con la torre. en la figura 4.8 se muestra un esquema de chasis con los
componentes que alberga.
• La Turbina Eólica, es la máquina motriz del aerogenerador donde se convierte la energı́a
cinética del viento en energı́a eléctrica. En la figura 4.7 se muestra un esquema de los
principales componentes de una turbina eólica. Esta a su vez esta constituida por las
siguientes partes:
– El buje, pieza metálica de fundición que conecta las palas al eje de transmisión.
– Las Palas o Rotor, cuya misión es la de absorber energı́a del viento; el rendimiento
del aerogenerador depende de varios factores:
86
Figura 4.7 Esquema de una turbina eólica
∗ el perfil aerodinámico de las aspas
∗ La Longitud
∗ El número de aspas
∗ Calaje
∗ Anchura
– El generador, el dispositivo que se encarga de convertir la energı́a mecánica en
eléctrica.
– Los sistemas de control. [40].
En la figura 4.8 se muestra el interior del chasis de un aerogenerador.
Figura 4.8 Interior del chasis de un aerogenerador
87
4.4.1
Velocidad del viento
El viento viene definido por dos parámetros esenciales que son, su dirección y su velocidad.
La dirección del viento y su valoración a lo largo del tiempo se caracterizan gráficamente con
una rosa de los vientos, como las mostradas en la figura 4.9
Figura 4.9 Rosas de viento caracterı́sticas para un flujo dominante dentro de un valle, en una planicie
sur y por encima de las elevaciones extremas de un valle
La velocidad media del viento varı́a entre 3 y 7 m/seg, la velocidad media del viento es más
débil durante la noche, que es cuando varı́a menos. La velocidad aumenta a partir de la salida
del Sol alcanzando un valor máximo entre las 12 y 16 horas.
4.4.2
Medición del recurso
Existen herramientas (anemómetros) y procedimientos para medir con relativa precisión los
vientos, los cuales con ayuda de sensores de velocidad y dirección se llevan en registros manuales o electrónicos donde se almacenan los datos para su posterior análisis. Los anemómetros
se pueden clasificar en dos tipos los de rotación y los de presión. En la figura 4.10 se muestran
algunos anemómetros.
Antes de instalar un sistema de aerogeneración se deben realizar mediciones de las caracterı́sticas del viento por periodos de hasta dos años, en particular si se trata de una inversión
88
Figura 4.10 Diversos tipos de anemómetros
grande. Para proyectos de más de 5 kW, vale la pena llevar a cabo mediciones aunque sea por
perı́odos muy cortos (4-6 meses), pero para más de 20 kW es recomendable medir al menos un
año.
Entre los parámetros que son necesarios conocer están: la velocidad, dirección, temperatura ambiente, humedad y la presión atmosférica.
La altura recomendada para llevar a cabo estas mediciones es a 20 m como mı́nimo, la experiencia nos dice que a la altura de 10 m existen varios factores que alteran los valores reales
por lo que resultan o insuficientes o sumamente imprecisos los datos obtenidos. Cuando ya
se tiene un proyecto en mente, lo mejor es medir a la altura a la que se instaları́a el generador
eólico.
La cuantificación del potencial energético de un lugar dado se indica en términos de energı́a disponible, la cual puede ser traducida a valores de velocidad media con sus respectivas
reservas. El término más adecuado es el que se da en kW/m2 como un dato de densidad de
potencia, o kW h/m2 como un dato de densidad de energı́a.
La dirección del viento se comprueba mediante una veleta, mientras que la velocidad se
mide con un anemómetro.
89
Por las caracterı́sticas de medición de la velocidad, el viento se puede clasificar como,
• Viento instantáneo; se mide la velocidad del viento en un instante determinado.
• Viento medio aeronáutico; se mide la velocidad media durante 2 minutos
• Viento medio meteorológico; se mide la velocidad media durante 10 minutos
Hay que distinguir también entre golpe de viento y ráfagas, dado que el carácter aleatorio
de las condiciones de viento siempre se presentan.
La ráfaga es un aumento brutal y de corta duración de la velocidad del viento, propio de
tormentas y borrascas.
El golpe de viento concierne a la velocidad media del viento, cuando sobrepasa los 34
nudos, 62 km/hora, y es una señal de advertencia, sobre todo para la navegación marı́tima. Un
golpe de viento se corresponde con una velocidad media del viento comprendida entre 75 y 88
km/hora.
Las fuentes eólicas más interesantes se encuentran en las costas marinas y en determinados
pasos entre montañas; existen zonas en las que se puede disponer de más de 3.000 kW h/m2
año, y en otras puede que no se llegue a los 200 kW/m2 año.
4.4.3
Velocidades de viento de trabajo
En una máquina eólica se pueden considerar tres velocidades del viento caracterı́sticas:
−
• La velocidad de conexión →
v conex es la velocidad del viento por encima de la cual se
genera energı́a.
Por debajo de esta velocidad toda la energı́a extraı́da del viento se gastarı́a en pérdidas y
no habrı́a generación de energı́a.
90
→
• La velocidad nominal −
v nom es la velocidad del viento para la cual la máquina eólica
alcanza su potencia nominal. Por encima de esta velocidad la potencia extraı́da del viento
se puede mantener constante.
→
• La velocidad de desconexión −
v emb es la velocidad del viento por encima de la cual la
máquina eólica deja de generar, porque se embala; los sistemas de seguridad comienzan
a actuar frenando la máquina, desconectándola de la red a la que alimenta.
Debido a que las máquinas eólicas arrancan para una determinada velocidad del viento(velocidad
umbral), tiempo que proporcionan la máxima potencia para unas velocidades iguales o supe→
riores a una dada −
v
, es natural que los datos a utilizar sean las curvas de duración de
nom
velocidad que se pueden convertir en curvas energéticas utilizando en el eje de ordenadas magnitudes N = kv 3 que proporcionan la potencia disponible en el viento para cada velocidad y
de la que sólo es posible extraer una fracción.
La curva de duración de la velocidad tiende a aplanarse cuando aumenta el tiempo durante
el cual el viento persiste a una cierta velocidad.
La velocidad media del viento es de la forma:
1
vb =
8760
Z
8760
vdt
(4.1)
0
y la intensidad energética del viento, definida como la relación entre la potencia y la superficie frontal (conocida como área barrida y que se muestra en la figura 4.11), es proporcional
al cubo de la velocidad, en la forma:
h
vh
Nviento
= Ih = I10 ( )3α = I10 ( )3
A
10
v10
(4.2)
91
Figura 4.11 Area A barrida por el rotor de diámetro D
4.4.3.1
Energı́a útil del viento
→
En una corriente de aire de densidad ρ y velocidad −
v como se indica en la figura 4.11, la
potencia eólica disponible que atraviesa una superficie A y hace un recorrido L en el tiempo t,
viene dada ecuación 4.3.
2
Nviento
mv
v2
ρAv 3
Ecinetica
= 2 = (vtAρ) =
= k ∗ v3
=
t
t
2t
2
(4.3)
En la figura 4.11 se muestra el área de barrido y su relación con el diámetro del rotor.
La sección A barrida por la pala en un aerogenerador de eje horizontal y diámetro D se
muestra en la siguiente ecuación,
A=
πD2
4
Para determinar la potencia del viento se utiliza la siguiente ecuación,
Nviento =
πρD2 v 3
8
92
Como la velocidad del viento varı́a con el tiempo, la potencia N también cambia. El valor
promedio de la potencia del viento es,
1
3
Nvientoanual = ρAb
vanual
2
De esto se obtienen las siguientes consecuencias,
→
1. La Nviento varı́a fuertemente con la velocidad −
v , siendo preciso hacer las mediciones de
−
→
v , en el lugar exacto donde se quiera instalar la aeroturbina.
2. La Nviento varı́a con la densidad del aire ρ, a causa de las variaciones de presión y temperatura, en valores que pueden oscilar de un 10% a un 15% a lo largo del año.
El viento está compuesto por partı́culas de aire en movimiento; cuando la masa de aire esté
conformada por filetes yuxtapuestos, perfectamente individualizados, se dice que el movimiento
del mismo eslaminar, mientras que si los filetes de aire se entrecruzan y no conservan su individualidad, se dice que el movimiento es turbulento; éste es el caso más general que acontece
en el viento.
4.4.3.2
Unidades de medición del viento
El parámetro que interesa del viento es su energı́a disponible. La cual podrá ser convertida
posteriormente a energı́a mecánica, quı́mica eléctrica, etc. La energı́a está definida como la
capacidad para producir trabajo.
Potencia = Energı́a/Tiempo
Energı́a = Potencia * Tiempo
93
Existen diferentes forma de energı́a y cualquier masa en movimiento posee energı́a cinética
y el viento es aire en movimiento. La energı́a cinética está dada por:
1
Ecin = mV 2
2
(4.4)
Donde m es la masa del aire y V su velocidad Pero la masa del aire está dad por:
ρ=
m
V
Donde ρ es la densidad, m la masa del aire y v el volumen ocupado por esta masa.
El volumen de aire es igual a la velocidad a la que viaja el aire en un tiempo dado por unidad
de área, esto es:
masa/tiempo = (densidad )(velocidad)(área)
Sustituyendo esta ecuación en la ecuación 4.4 tenemos:
1
Ecin /t = ρAV V 2
2
Como la energı́a dividida entre el tiempo nos da potencia tenemos que:
P
1
= ρV 3
A
2
Donde P/A se conoce como densidad de potencia y se expresa en W/m2 , la densidad del
aire es diferente para cada sitio aunque para casos prácticos se asume un valor de 1 kg/m3 .
Como se puede observar la densidad de potencia es proporcional al cubo de la velocidad del
viento.
Debido a esta función cúbica, unas pequeñas variaciones en la velocidad del viento, pueden
representar grandes cambios en el contenido de energı́a y de ahı́ en casos de tormentas, tornados, huracanes y ciclones los daños pueden ser sorprendentes. De la ecuación de potencia
tenemos:
94
P
1
= ( )(1)(53 ) = 62W/m2
A
2
P
1
= ( )(1)(63 ) = 108W/m2
A
2
Esto demuestra que un cambio de solo un 20% en la velocidad del viento puede resultar
en un cambio del 72% en la densidad de potencia. La velocidad media es un parámetro que
permite comparar un sitio de otro. Sin embargo el uso de la velocidad media puede subestimar
el valor de densidad de potencia, ya que la velocidad es un término cúbico.
La fórmula de la transformación de energı́a de un aerogenerador es:
(Cu)(20a )(n)
donde:
Cu: par del aeromotor (N*m)
n : velocidad de rotación (rpm)
a: Corriente proporcionada por el aerogenerador un voltaje determinado. [41]
4.4.4
Tipos de Sistemas Eólicos
Según la capacidad energética que pueden generar estos equipos, se dividen en tres niveles,
que son:
• Sistemas de Gran Potencia: capaces de suministrar más de 100 (kW).
• Sistemas de Media Potencia: suministro sobre 10 (kW).
95
• Sistemas de Baja Potencia: suministran hasta 10 [kW], generando corriente continúa o
alterna, para lo que utilizan un rectificador y un sistema de almacenamiento diseñado
según las caracterı́sticas de utilización.
Los sistemas mecánicos eólicos se dividen en dos tipos según la posición de su eje de
rotación, y son de:
• Eje horizontal.
• Eje vertical.
4.4.4.1
Aerogeneradores de eje horizontal
Se caracterizan porque su eje de rotación es paralelo a la dirección de flujo de viento, en
general, el eje es paralelo al piso, como se aprecia en la figura 4.12.
Figura 4.12 Aerogenerador de eje horizontal
Todos los aerogeneradores de eje horizontal tienen su eje de rotación principal en la parte
superior de la torre y tienen que enfrentar al viento de alguna manera. Los aerogeneradores
96
pequeños son dirigidos por una veleta, mientras que los más grandes utilizan un sensor de dirección y son posicionados por un servomotor. Dado que la velocidad de rotación de las aspas
es baja, la mayorı́a hacen uso de una caja de velocidades para aumentar la velocidad de rotación
del generador eléctrico.
En general, la hélice es posicionada de tal manera que el viento en su dirección de flujo la
encuentre primero que la torre. Esto evita las cargas adicionales que genera la turbulencia de la
torre en el caso en que el rotor se posiciona detrás de la torre. Las aspas de la hélice se montan
a una distancia razonable de la torre y tienen rigidez alta de tal manera que las aspas al rotar y
vibrar naturalmente no choquen con la torre en caso de vientos fuertes.
A pesar de la desventaja de la turbulencia incrementada, aerogeneradores con hélices posicionadas en la parte posterior de la torre han sido construidos debido a que se orientan en contra
del viento de forma natural sin necesidad de un sistema de control. Sin embargo, la necesidad
de un sistema de posicionamiento para la hélice en posición frente a la torre se justifica debido
a la gran influencia que tiene la turbulencia en el desgaste de las aspas por fatiga. La mayorı́a
de los aerogeneradores actuales son de este último tipo.
Clasificación de las maquinas eólicas de eje horizontal Las aeroturbinas de eje horizontal
se suelen clasificar según su velocidad de giro o según el número de palas que lleva el rotor aspectos que están ı́ntimamente relacionados, en rápidas y lentas; las primeras tienen un número
de palas no superior a 4 y las segundas pueden tener hasta 24.
Los principales tipos de máquinas eólicas de eje horizontal, son las siguientes,
1. Máquinas que generan un movimiento alternativo, que se utilizan para el bombeo de
agua
2. Máquinas multipalas
97
3. Hélices con palas pivotantes (ángulo de ataque variable)
4. Hélices con palas alabeadas, muy sofisticadas, que incluyen clapetas batientes y alerones
de ángulo variable
La hélice puede presentar dos tipos de posiciones frente al viento, como son:
1. Barlovento upwind, en la que el viento viene de frente hacia las palas, teniendo el sistema
de orientación detrás, aguas abajo.
2. Sotavento downwind, en la que el viento incide sobre las palas de forma que éste pasa
primero por el mecanismo de orientación y después actúa sobre la hélice.
El número de palas también influye en el par de arranque de la máquina, de forma que una
máquina con un rotor con gran número de palas requiere un par de arranque mucho mayor.
4.4.4.2
Aerogeneradores de eje vertical
Los dispositivos de eje vertical se caracterizan porque su eje de rotación es perpendicular
al suelo y al flujo del viento.
Entre las máquinas eólicas de eje vertical se pueden citar:
1. El aerogenerador Savonius, en la figura 4.14 se muestra un esquema de este tipo de
aerogenerador, que puede arrancar con poco viento, siendo muy sencilla su fabricación;
tiene una velocidad de giro pequeña y su rendimiento es relativamente bajo.
2. El aerogenerador Darrieux o de catenaria, en la figura 4.13 se muestra este aerogenerador,
requiere para un correcto funcionamiento, vientos de 4 a 5 metros por segundo como
mı́nimo, manteniendo grandes velocidades de giro y un buen rendimiento; se construyen
con 2 ó 3 hojas
98
3. El molino vertical de palas tipo giromill o ciclogiro que deriva del Darrieux; tiene entre
2 y 6 palas.
Figura 4.13 Aerogeneradores de Darrieux
Figura 4.14 Rotor Savonius
El modelo Darrieux arranca mal, mientras que el Savonius se puede poner en funcionamiento
con una pequeña brisa; debido a ello se puede hacer una combinación sobre un mismo eje de
ambas máquinas de forma que un rotor Savonius actúe durante el arranque y un rotor Darrieux
sea el que genere la energı́a para mayores velocidades del viento, como se puede observar en
la figura 4.13.
99
Las ventajas de los aerogeneradores de eje vertical frente a los de eje horizontal, son:
1. No necesitan sistemas de orientación
2. Los elementos que requieren un cierto mantenimiento pueden ir situados a nivel del suelo
3. No requieren mecanismos de cambio de revoluciones, por cuanto no suelen emplearse
en aplicaciones que precisen una velocidad angular constante.
Las ventajas de los aerogeneradores de eje horizontal respecto de los de eje vertical son:
1. Mayor rendimiento
2. Mayor velocidad de giro (multiplicadores más sencillos)
3. Menor superficie de pala S a igualdad de área barrida A
4. Se pueden instalar a mayor altura, donde la velocidad del viento es más intensa. [39].
4.4.5
Sistemas de control de un aerogenerador
Un aerogenerador requiere de ciertos elementos que hagan un más eficiente su aprovechamiento,
estos sistemas pueden ser:
• Regulación, controla la velocidad del rotor y el par motor en el eje del rotor, evitando
fluctuaciones producidas por la velocidad del viento.
• Orientación, mantiene el rotor cara al viento, minimizando los cambios de dirección
del rotor con los cambios de dirección de viento; Estos cambios de dirección provocan
pérdidas de rendimiento y genera grandes esfuerzos con los cambios de velocidad.
• Transmisión, utilizados para aumentar la velocidad de giro del rotor, para poder accionar
un generador de corriente eléctrica, es un multiplicador, colocado entre el rotor y el
generador.
100
La amenaza del Calentamiento Global está generando las condiciones adecuadas para el
desarrollo de las fuentes alternas de energı́a. En particular para el caso de nuestro paı́s la
Comisión Federal de Electricidad ya tiene contemplado invertir en estos sistemas con el fin de
diversificar los energéticos.
Para el caso de Zacatecas, el gobierno de Amalia Garcı́a ha manifestado interés en incursionar en este tipo de fuentes de energı́a, en partı́cular la Eólica, para que nuestro estado, que
no cuenta con otros recursos de energı́a, pueda generar energı́a.
El problema del uso de este recurso es la falta de recursos humanos calificados que realizen
el diseño, instalación y operación de estos sistemas.
Capı́tulo 5
Energı́a Solar
5.1
Energı́a Solar
Practicamente el Sol es la fuente que propicia la existencia de todos los demás energético.
En el pasado alimentó las especies de plantas y animales que hoy son la causa de la existencia
del Carbon, Petróleo y Gas Natural; hoy propicia el desarrollo de la vida que permite que la
Biomasa exista. Su energı́a permite que exista el viento, las corrientes marinas y el ciclo del
agua. Su fuerza gravitacional contribuye con la dinámica de la tectónica de placas; y en un
pasado muy distante, no en éste Sol sino en otro, los elementos ligeros y pesados tuvieron su
origen en una estrella como nuestro Sol.
El Sol permanentemente está emitiendo energı́a en forma de partı́culas y radiación electromagnética, parte de esta energı́a alcanza nuestro planeta. El valor de la densidad de energı́a
sobre la superficie de la Tierra es variable ya que depende de la latitud, del mes, el dı́a y la hora
en que se quiera determinar.
Parte de la energı́a que emite el Sol es radiación electromagnética infraroja, ésta radiación
contribuye al calentamiento de los objetos. Bajo ciertas condiciones este calor se utiliza en procesos energéticos; este tipo de aplicación se conoce como Fototérmia o Energı́a Solar Térmica.
El Sol también emite radiación electromagnética en el visible y el ultravioleta; este tipo de radiación se utiliza en las celdas solares para transformar la radiación solar en energı́a eléctrica;
102
a esta aplicación se le conoce como Fotovoltáica.
5.1.1
Radiación Solar En La Superficie Terrestre
Nuestro planeta, en su movimiento anual alrededor del Sol, describe un movimiento elı́ptico
y con una inclinación de aproximadamente 23.50◦ respecto al plano ecuatorial. Esto se muestra
en la figura 5.1, esta inclinación es responsable de las estaciones.
La posición angular del Sol, al mediodı́a, respecto al Ecuador, se llama de Declive Solar
(d). Este ángulo varı́a, cada dı́a del año, dentro de lo siguiente lı́mites -23.45◦ £ d £ 23.45◦ .
La suma del declive con la latitud local determina el movimiento del Sol durante un dı́a en un
lugar dado en la Tierra.
Figura 5.1 Movimiento de traslación de la tierra
La distancia media entre la Tierra y el Sol (Dp) es de 149 millones de km. En el solsticio
de verano la distancia entre la Tierra y el Sol alcanza su valor máximo siendo dmax = 1.017 Dp,
103
mientras que en el solsticio de invierno esta distancia alcanza su valor mı́nimo dmin = 0.983 Dp.
Cada segundo el Sol pierde una cierta cantidad de masa en forma de partı́culas y de radiación, la masa que pierde representa una energı́a de aproximadamente 5.6x1035 GeV, de esta
cantidad la densidad de energı́a que alcanza la superficie de la Tierra es 1.353 kW/m2 ; a este
valor se le conoce como Constante Solar, este valor tiene una variación de ±3% debido a los
cambios periódicos de la distancia entre la Tierra y el Sol.
Del total de la energı́a solar que recibe la Tierra el 30% es reflejada por la atmósfera al
espacio, el 47% calienta la atmósfera y el 23% se usa para evaporar el agua de los oceános. De
la energı́a que es absorbida por la Tierra el 0.2% de la energı́a contribuye a producir el viento
y solo el 0.02% es responsable de la fotosı́ntesis.
5.1.1.1
Caracterı́sticas De La Radiación Directa
Definición de Parámetros
Para calcular la radiación solar incidente sobre una superficie que
tiene una determinada inclinación y orientación, es necesario definir algunos términos.
• El ángulo acimutal del Sol ßs , es el ángulo que forma la componente horizontal de la
radiación solar directa, con la dirección Norte-Sur, en el hemisferio norte. Se mide sobre
el plano horizontal que pase por el lugar.
• El ángulo cenital solar θs , es el que forma la radiación directa del Sol y la vertical del
lugar, en un punto cualquiera de la Tierra. Este ángulo varı́a continuamente a lo largo del
dı́a y depende de la latitud del lugar y de la declinación.
• La declinación δ, es la posición angular del Sol al mediodı́a solar, respecto al plano del
Ecuador terrestre; el valor de este ángulo se suele tomar cada dı́a al mediodı́a solar. Esto
es debido a que el eje de rotación de la Tierra está inclinado un ángulo de 23◦ 45´ respecto
al eje del plano que contiene la órbita que describe alrededor del Sol y de ahı́ que el valor
104
de la declinación varı́e entre ±23◦ 45´ a lo largo del año. La declinación al Norte del
Ecuador se considera positiva. Estos ángulos se muestran en las figuras 5.2 y 5.3.
• El ángulo horario τ , es el desplazamiento angular del Sol, respecto al mediodı́a, que es
el instante en que el Sol se encuentra más alto en el cielo y se corresponde con un ángulo
cenital solar mı́nimo, es decir, con un ángulo horario igual a 0. Cada hora es igual a 15◦
de longitud, tomando un valor (+) por las mañanas y (-) por las tardes.
• La latitud λ de un lugar cualquiera sobre la superficie de la Tierra, es su desplazamiento
angular por encima o por debajo del Ecuador, medido desde el centro de la Tierra. Se
considera positiva al N del Ecuador.
• La longitud del lugar L, es el ángulo que forma el plano que pasa por los polos en un
lugar de la superficie de la Tierra y el plano que pasa por Greenwich; este plano es
un cero arbitrario y la lı́nea que corta sobre la superficie terrestre se denomina meridiano de Greenwich. La longitud y la latitud son las coordenadas que localizan un punto
cualquiera sobre la superficie de la Tierra.
• Otro ángulo que se debe tener en cuenta es el que forma el terreno, (o la superficie que se
considere), con la horizontal del lugar y que llamaremos ψ; éste es el ángulo cenital de
la superficie y, por lo tanto, el ángulo que forma la normal a la superficie con la vertical
del lugar.
La altura solar o ángulo de elevación del Sol por encima del horizonte es importante por
dos razones. En primer lugar, a mayores alturas solares, la radiación recorre una distancia
más corta al atravesar la atmósfera, mientras que para alturas solares más bajas, la radiación
procedente del Sol es forzada a recorrer una masa de aire mucho mayor, m > 1. Los efectos
atenuantes de la masa de aire implicados reducen la radiación solar y las mayores alturas solares proporcionan más horas de luz, lo que permite mejores insolaciones.
105
Figura 5.2 Situación espacial de diversos ángulos
Figura 5.3 Vertical del lugar
5.1.1.2
Relaciones Trigonométricas
Las relaciones trigonométricas existentes entre la posición de un plano orientado en cualquier
forma y en cualquier momento, respecto a la dirección de la componente directa de la radiación
106
solar incidente, se puede expresar mediante la ecuación 5.1,[Benfordy Book]
cos θ = sin δ sin λ cos ψ−sin δ cos λ sin ψ cos β+cos δ sin λ sin ψ cos β cos τ +cos δ sin ψ sin β sin τ
(5.1)
en la que ψ es el ángulo que forma el terreno con la horizontal del lugar.
Si el plano del terreno coincide con el plano horizontal (ψ = 0) los ángulos cenital θs y
acimutal βs de la radiación solar directa, como se ve en la figura 5.4, que definen la posición
del Sol son función de la latitud del lugar λ, del dı́a del año definido por su declinación media
δ y la hora del dı́a definida por el ángulo horario τ ; como se muestra en las ecuaciones 5.2 y 5.3.
Figura 5.4 Vertical de un lugar
cos θs = sin δ sin λ + cos δ cos λ cos τ
cotgβs =
tan δ cos λ − sin λ cos τ
sin τ
(5.2)
(5.3)
107
Mediante la ecuación del ángulo cenital solar se puede determinar el ángulo horario τs de
salida o puesta del Sol, haciendo θs = 90o , como se muestra en la ecuación 5.4.
cos τs = −
sin λ sin δ
= − tan λ tan δ
cos λ cos δ
(5.4)
El valor promedio de la declinación δ, al mediodı́a se puede obtenre mediante,
δ = 23.45 sin(360
284 + Z
)
365
en la que Z es el dı́a del año considerado, contado a partir del 1 de Enero.
5.1.1.3
Flujo Energético Solar Sobre La Superficie Terrestre
La velocidad aparente del Sol, 15◦ por hora, se define como la velocidad angular de la
Tierra respecto al Sol y se determine mediante la siguiente expresión,
Vs =
dτ
dt
La energı́a solar dq por unidad de superficie recibida en el punto P de la superficie terrestre,
durante el tiempo dt y en función del ángulo de salida y puesta del Sol τs está dada por,
dq = I0 cos θs dt =
5.1.1.4
I0 (sin λ sin δ + cos λ cos δ cos τ )dτ
Vs
Cálculo De Valores Medios De Radiación Solar
Los datos sobre radiación constituyen la mejor fuente de información; sin embargo, a falta
de éstos se pueden utilizar algunas relaciones empı́ricas que permiten calcular la radiación solar a partir del número de horas de Sol, o porcentajes de posibles horas de Sol o de nubosidad.
Otra alternativa consiste en realizar los cálculos para una localidad determinada, utilizando
datos de otras localidades de similar latitud, topografı́a y clima. Uno de los valores que se
108
pueden calcular es el promedio de radiación recibido en un cierto perı́odo, como se muestra en
la ecuación 5.5,
Ipromedio(h) = I0(h) (a + b
nmensual
)
Ndiario
(5.5)
en la que:
Ipromedio(h) es el promedio de radiación horizontal para un determinado perı́odo ( 1 mes, 1
dı́a, etc).
I0(h) es la radiación con cielo despejado para el mismo perı́odo
n es el promedio de horas diarias de Sol brillante para el mismo perı́odo
n
Ndiario
es el porcentaje posible de Sol brillante
Ndiario es el máximo de horas diarias de Sol brillante, para el mismo periodo, entre la salida y
puesta del Sol. Este valor que se puede calcular mediante cualquiera de las ecuaciones 5.6 y
5.7.
Ndiario =
2
arccos(− tan δ tan λ)
15
Ndiario = 12 + ξ sin
(5.6)
360Z
365
(5.7)
En la figura 5.5 se muestran valores promedio mensuales de I0(h) en función del mes y la
latitud del sitio.
Una ecuación que relaciona el promedio de radiación con las radiaciones de un dı́a claro,
correspondientes a la localidad en cuestión y una fracción media de las posibles horas de radiación solar, es: en la que z es el dı́a del año contado a partir del 21 de marzo y ξ un coeficiente
que depende de λ. La relación entre estos se muestran en la Tabla 5.1.
Tabla 5.1 Valores de ξ según la latitud λ
ξ
55
52
50
48
46
44
42
40
λ
5.1
4.5
4.1
3.8
3.6
3.3
3.1
2.8
109
Figura 5.5 Valores mensuales medios de Io
Para una región de λ = 46o N, resulta ξ = 3.6 por lo que la duración del dı́a el 22 de junio
(z = 94) es de 15.6 horas (máximo) y el 22 de diciembre (z = 275) de 8.4 horas (mı́nimo).
Los valores de los parámetros a y b se obtienen estadı́sticamente por un cierto número de
estaciones meteorológicas situadas en distintas partes del mundo. Estos valores consideran los
tipos diversos de climas y vegetación.
El valor promedio para cualquier dı́a del año, I0(diario ), se puede determinar mediante la
ecuación 5.8.
I0(diario) =
24
360Z
2πτs
Iextrat (1 + 0.033 cos
)(cosλ cos δsenτs +
sin λ sin δ)
π
365
360
(5.8)
siendo Iextrat la constante solar extraterrestre.
Se han establecido algunos modelos estadı́sticos que permiten determinar diversos valores
de I0 definidos por las ecuaciones:
−1
En condiciones normales:I0(media) = 1230e 3.8cos(θs −1.6)
110
−1
Con el cielo muy puro:I0(maxima) = 1220e 6cos(θs −1)
−1
En zonas industriales:I0(minimo) = 1260e 2.3cos(θs −3)
Para, θs = 30o , resulta:
−1
I0(media) = 1230e 3.8cos(30−1.6) = 912W/m2
−1
I0(maxima) = 1220e 6cos(30−1) = 1006W/m2
−1
I0(minimo) = 1260e 2.3cos(30−3) = 773W/m2
Como se puede observar la variación es significativa.
5.1.2
Instrumentación para la medición del Flujo Solar
Los aparatos utilizados en la medición de la radiación solar, se dividen en tres tipos definidos
por el tipo de medición a realizar. Entre estos instrumentos están,
HELIÓGRAFOS.- Sirven para medir la duración de la luz solar, que se puede definir como
el intervalo de tiempo durante el cual se ve el disco solar y determinan los perı́odos del dı́a durante los cuales la intensidad de la radiación directa es superior a un cierto umbral, 120 W/m2 .
En la figura 5.6 se muestran dos tipos de heliógrafo.
Figura 5.6 Dos tipos de heliógrafos
PIRHELIÓMETROS.- Sirven para medir la radiación solar directa. Tienen una abertura
colimada y una cara de recepción que debe permanecer siempre normal a los rayos solares. El
111
pirheliómetro recibe energı́a sólo del disco solar y de un estrecho anillo de cielo contiguo, a
través de un tubo largo; este aparato está dotado de un dispositivo automático de seguimiento
del Sol. En la figura 5.7 se muestran un pirheliómetro.
Figura 5.7 Pirheliómetro de disco de plata
PIRANÓMETROS .- Sirven para medir la radiación global, directa y difusa, que se recibe
en todas direcciones. En la figura 5.8 se muestra un piranómetro. [42]
Figura 5.8 Piranómetro
112
5.1.3
Energı́a Solar Térmica
La energı́a solar térmica consiste en el aprovechamiento directo, en forma de calentamiento
o energı́a calorı́fica, de la radiación solar incidente. Una instalación solar térmica está formada
básicamente por un campo de captadores solares, un conjunto de tubos aislados térmicamente
y un dispositivo donde se almacen el agua. El colector es una superficie, que expuesta a la
radiación solar, permite absorber su calor y transmitirlo a un fluido.
5.1.3.1
Tipos de Colectores
Los colectores solares pueden ser de dos tipos principales: los de placa plana y los de
concentración.
Colectores de Placa Plana
Los colectores de placa plana interceptan la radiación solar en
una placa de absorción por la que pasa el llamado fluido portador. Éste, en estado lı́quido o
gaseoso, se calienta al atravesar los tubos por transferencia de calor desde la placa de absorción.
La energı́a transferida por el fluido portador, dividida entre la energı́a solar que incide sobre
el colector y expresada en porcentaje, se denomina Eficiencia Instantánea del Colector. Los
colectores de placa plana tienen, en general, una o más placas transparentes que se utilizan
para minimizar las pérdidas de calor de la placa de absorción en un esfuerzo para maximizar
la eficiencia. Este tipo de colectores pueden calentar los fluidos portadores hasta 82 ◦ C; su
eficiencia varia de 40 a 80%.
Los colectores de placa plana se han usado de forma eficaz para calentar agua y para calefacción. Los sistemas tı́picos para casa-habitación emplean colectores fijos, montados sobre el
techo. En el hemisferio norte se orientan hacia el Sur y en el hemisferio sur hacia el Norte. El
ángulo de inclinación óptimo para montar los colectores depende de la latitud. En las figura 5.9
se muestra un sistema calefacción basado en colectores planos, mientras que en la figura 5.10
se muestran colectores planos usados para el calentamiento de agua en una casa-habitación.
113
Figura 5.9 Esquema A.C.S. 1
Figura 5.10 Esquema A.C.S. 2
114
Colectores de Concentración
Para satisfacer mayores demandas de energı́a para el aire acondi-
cionado, la generación de energı́a o de calor a nivel industrial los colectores de placa plana
no son adecuados ya que se requieren mayores niveles de temperatura. En esta situación se
utilizan Colectores de concentración, antecedidos por colectores planos. Los colectores de
concentraición son dispositivos que reflejan y concentran la energı́a solar incidente sobre una
zona receptora pequeña. Como resultado de esta concentración, la intensidad de la energı́a
solar se incrementa y las temperaturas del receptor pueden alcanzar desde los cientos e incluso
los miles de grados Celsius. Este tipo de concentradores cuentan con servomecanismos que
permiten que el dispositivo se mueva para maximizar la cantidad de radiación solar incidente.
Cuando los colectores tienen esta caracterı́stica se les conoce como Heliostatos. .
Hornos Solares Los hornos solares son una aplicación importante de los concentradores de
alta temperatura. El mayor, situado en Odeillo, en la parte francesa de los Pirineos, tiene 9
600 reflectores con una superficie total de unos 1 900 m2 . La radiación solar de los colectores
se concentra en una cámara donde se alcanzan temperaturas de hasta 4 000 ◦ C. El uso de esta
instalación es para la investigación de materiales donde se funden en un ambiente libre de
contaminantes.
Receptores centrales La generación centralizada de electricidad a partir de energı́a solar está
en desarrollo. En el concepto de receptor central, o de torre de potencia, una matriz de reflectores montados sobre heliostatos controlados por computadora reflejan y concentran los rayos
del Sol sobre una caldera de agua situada sobre la torre. El vapor generado puede usarse en los
ciclos convencionales de las plantas de energı́a y generar electricidad.
5.1.4
Energı́a Solar Fotovoltática
La conversión de energı́a solar en energı́a eléctrica se estudió por primera vez por Edmond
Becquerel en 1839 donde encontró una diferencia potencial en la estructura de del material
semiconductor cuando es expuesto la luz. En 1876 construyó el primer aparato fotovoltaico,
115
pero no fue sino hasta 1956 que los dispositivos semiconductores se usaron para convertir la
energı́a solar en electricidad. [44]
El sistema de aprovechamiento de la energı́a del Sol para producir energı́a eléctrica se
denomina conversión fotovoltaica. Los paneles, módulos o colectores fotovoltaicos están formados por dispositivos semiconductores tipo diodo que, al recibir radiación solar, se excitan y
provocan saltos electrónicos, generando una pequeña diferencia de potencial en sus extremos.
El acoplamiento en serie de varios de estos fotodiodos permite la obtención de voltajes mayores
en configuraciones muy sencillas y aptas para alimentar pequeños dispositivos electrónicos.
5.1.4.1
Propiedades de los semiconductores.
Los electrones que se encuentran orbitando alrededor del núcleo atómicos tienen valores
discretos de energı́a, denominados niveles energéticos; estos niveles se identifican de la siguiente forma 1s, 2s, 2p, 3s, 3p, etc.
Las propiedades quı́micas de los elementos están determinadas por el número de electrones
en su última capa y por electrones que faltan para completarla. En el silicio, material que se
usa para la construcción de una celda solar, en su última capa posee cuatro electrones y faltan
otros cuatro para completarla. Cuando los átomos de silicio se unen a otros, comparten los
electrones de las últimas capas con la de los átomos vecinos, formando lo que se denomina
enlace covalente. Estas agrupaciones dan lugar a un sólido de estructura cristalina.
Por sus caracterı́zticas conductoras los materiales se clasifican como Conductores, Semiconductores y Aislantes.
• Conductores, disponen de unos electrones de valencia poco ligados al núcleo y que
pueden moverse con facilidad dentro de la red cristalina respondiendo a un estı́mulo
externo.
116
• Semiconductores, sus electrones de valencia están más ligados a sus núcleos que los conductores, pero basta suministrar una pequeña cantidad de energı́a para que se comporten
igual que estos.
• Aislantes, los electrones de valencia están fuertemente ligados al núcleo y la energı́a a
suministrar para poder desprenderse del átomo serı́a excesivamente grande.
A cierta temperatura, algunos electrones tienen la energı́a suficiente para desligarse de los
átomos, a estos electrones libres se les denomina ”electrones” y se les asocia con los niveles
energéticos de la banda de conducción.
A los enlaces que han dejado vacı́os se les denomina ”huecos”; para entender mejor este
racionamiento diremos que los ”huecos” se comportan de la misma forma que partı́culas con
carga positiva. Si pusiéramos un cristal de estas caracterı́sticas, lo único que conseguirı́amos
serı́a calentar el cristal, ya que los electrones se moverı́an dentro del propio cristal, se generarı́an
pares electrón-hueco, que constan de un electrón que se mueve y deja un hueco, a ese hueco
irá otro electrón próximo, generando otro hueco y ası́ sucesivamente.
Para generar una corriente eléctrica hace falta un campo eléctrico, que se consigue con la
unión de dos cristales semiconductores, uno de tipo ”p” y otro de tipo ”n”. Estos semiconductores se obtienen con un cristal semiconductor muy puro al que se de introducen impurezas, a
este proceso se le llama dopado.
Una de las regiones se dopa con fósforo, que tiene cinco electrones de valencia, uno más
que el silicio, de forma que esta región dopada muestra una afinidad por los electrones mayor
que el silicio puro. A esta región se le denomina de tipo n.
La otra región de dopa con boro, que tiene tres electrones de valencia, uno menos que el
silicio, de forma que esta región muestra una afinidad por los electrones inferior que el silicio
puro. A esta región se le denomina de tipo p.
De esta forma, teniendo un cristal semiconductor de silicio formado por una región de tipo
p y otra región de tipo n, se consigue una diferencia de potencial que hace que los electrones
tengan menos energı́a en la zona n que en la zona p. Por esta razón los electrones son enviados
117
a la zona n y los huecos a la zona p.
Cuando inciden fotones sobre este tipo de semiconductor, unión p-n, es cuando entonces se
rompen algunos enlaces, generándose de esta forma pares electrón-hueco. Las celdas solares,
para poder suministrar energı́a al exterior, van provistas de unos dedos o mallas de metalización
frontal, que consisten en partes metálicas por la que circula al exterior la corriente eléctrica
generada. En la figura 5.11 se muestra la forma en que una celda solar genera una corriente
eléctrica.
Figura 5.11 Efecto de la radiación solar sobre una placa fotovoltáica
No todos los fotones incidentes en la celda solar generan electricidad, hay factores que hacen que existan pérdidas en esta generación.
118
• Energı́a de los fotones incidentes: En ocasiones, los fotones incidentes no disponen de
la energı́a necesaria para crear un par electrón-hueco, y en otras, los fotones tienen demasiada energı́a que se disipa en forma de calor. Este hecho hace que la respuesta de las
celdas solares sea función de la longitud de onda de la radiación incidente.
• Recombinación: En ocasiones se generan los pares electrón-hueco con poca energı́a, se
mueven una corta distancia y se recombinan.
• Reflexión, parte de la radiación incidente en la celda es reflejada.
• Malla de metalización, estos contactos eléctricos en el exterior de la célula, disminuye la
superficie de captación.
• Resistencia serie, es el efecto Joule producido por el paso de electrones a través del
silicio, la malla de metalización y resistencia de los contactos de conexión eléctricas al
circuito exterior.
• Resistencia paralelo, tiene origen en las imperfecciones de la unión p-n, creando fugas
de corriente.
Un conjunto de celdas conectadas entre sı́ forman un panel solar, las caracterı́sticas eléctricas
de un panel solar están definidas por el número de celdas y la forma en que se conectan. En
forma comercial existen varios tipos de paneles fotovoltaicos.
5.1.4.2
Tipos De Células Fotovoltáicas
Las celdas fotovoltaicas son elaboradas, en la gran mayorı́a de los casos, usando el silicio
y puede constituirse de cristales monocristalinos, policristalinos o de silicio amorfo.
Silicio Monocristalino
La celdas solares a base de Silicio Monocristalino son usadas ampli-
amente. En la figura 5.12 se muestra este tipo de celdas.
119
Figura 5.12 Celda de Silicio Monocristalino
La producción de la celda de silicio monocristalino inicia con la extracción del silicio,
que por lo regular se encuentra como SiO2 . La remoción del óxigeno se hace calentando el
material, una vez hecha la separación el material se purifica en un 98 al 99 %.
Para usar el silicio en la industria electrónica además del alto grado de pureza, el material
debe tener ser de estructura monocristalina. El proceso más utilizado se denomina proceso
Czochralski. [44], donde el silicio se funde junto con una cantidad pequeña de otro elemento,
generalmente Boro, a altas temperaturas; luego va extrayéndose ligeramente del material fundido en un cilindro de Si monocristalino. Una vez enfriado el cilindro es cortado en partes o
rodajas.
Producidas en forma industrial este tipo de celdas alcanzan eficiencias hasta del 15%, mientras que las producidas en laboratorios su eficiencia es de hasta el 18%. Las celdas de Si
monocristalino son las que tienen mayor eficiencia.
Silicón Policristalino
Las celdas a base de Si policristalino cuestan menos que las de Si
monocristalino ya que su proceso de preparación es menos riguroso. En la figura 5.13 se
muestran este tipo de celdas. El lingote generado tiene muchos cristales y su eficiencia es de
hasta un 12.5%.
Silicio Amorfo
Una celda de Silicio Amorfo difiere de las otras estructuras cristalinas por el
grado de desorden presentando en la estructura de sus átomos. El uso de silicio amorfo para
120
el uso en el fotocélulas ha mostrando grandes ventajas en las propiedades eléctricas y en el
proceso de la producción. En la figura 5.14 se muestra una celda de Si amorfo.
Figura 5.13 Celda de Silicio Policristalino
Figura 5.14 El silicio amorfo
Este tipo de celda es el más ecónomico y tienen una menor eficiencia en comparación con
los otros tipos de celdas solares. También este tipo de celdas se degradan más rápidamente que
las otras.
Módulos o Paneles Fotovoltaicos
La conexión de varias celdas solares forman un módulo o panel solar. Las celdas se pueden
conectar en serie o en paralelo. La corriente producida por el efecto fotovoltaico es continua.
La corriente máxima que producen las celdas solares comerciales es de 3 Amperes y un voltaje
de 0.7 Volts. La forma más común en que se conectan las celdas en un panel solar es en serie,
para producir un voltaje de 12 Volts que permite almacenar la energı́a en acumuladores.
121
Los sistemas fotovoltaicos se dividen en sistemas aislados, hı́bridos y conectados a redes.
Los sistemas cuentan con una unidad de mando de potencia y también una unidad de almacenamiento.
Sistemas Aislados En general, los sistemas aislados utilizan alguna forma de almacenamiento.
Este almacenamiento puede hacerse a través de baterı́as; estos sistemas se usan para generar
energı́a eléctrica o para el bombeo de agua.
En la figura 5.15 se muestra un caso de un sistemas aislados.
Figura 5.15 Sistemas Aislados
Sistemas Hı́bridos Los sistemas hı́bridos son aquellos que tienen varias fuentes de generación de energı́a, como las turbinas eólicas o generadores a base de montores de combustión
interna. En la figura 5.16 se muestra un sistema hı́brido.
122
Figura 5.16 Sistema Hı́brido
El uso en varias maneras de generación eléctrica hace compleja la optimización de su uso.
Es necesario conocer el funcionamiento en toda su capacidad de las fuentes de generación que
forman el sistema hı́brido.
En general, los sistemas hı́bridos son los empleados en instalaciones con cargas medias. Por
trabajar con corriente continua, el sistema hı́brido utiliza un convertidor de CD a CA. Debido a
la gran cantidad de componentes y multiplicidad de opciones, la optimización de este sistema
necesita de un estudio particular para cada caso.
Redes Fotovoltáicas conectadas a sistemas de distribución
Estos sistemas utilizan un gran
número de paneles fotovoltaicos que se conectan a los sistemas de distribución de energı́a
eléctrica. En este tipo de arreglos los sistemas fotovoltáicos no requieren de almacenamiento
de energı́a porque la energı́a que se genera se conecta a la red, como se muestra en las figuras
5.17 y 5.18.
5.1.4.3
Componentes de un sistema fotovoltáico
Los componentes de un sistema fotovoltaico dependen del tipo de aplicación que se considere y de las caracterı́sticas de la instalación. Para el caso de un sistema aislado, los componentes necesarios para que la instalación funcione correctamente y tenga una elevada fiabilidad
123
de suministro y durabilidad son: el regulador de carga, inversor, módulos fotovoltaicos y acumuladores eléctricos.
La utilización de acumuladores está motivada por el hecho que la intensidad solar varia a
lo largo del dı́a y del año, mientras que las necesidades energéticas varı́an, por lo que la energı́a que no se utiliza requiere de almacenarse. El almacenamiento normalmente se realiza
con acumuladores eléctricos, ya que es el sistema más eficiente y económico tecnológicamente
disponible.
Figura 5.17 Redes fotovoltáicas conectados a sistemas de distribución
Figura 5.18 Redes fotovoltáicas conectados a sistemas de distribución
Capı́tulo 6
Sistema fotovoltaico para una casa-habitación
6.1
Aplicación de la Encuesta
Con el fin conocer las necesidades energéticas de una casa-habitación de interés social y
proponer un sistema fotovoltaico que satisfaga las necesidades de energı́a eléctrica se utilizó el
instrumento de la encuesta, el modelo de esta encuesta se muestra en el anexo A.
Para determinar la cantidad y localización de las casas de interés social de la ciudad de
Zacatecas se acudió a la Secretarı́a de Obras Públicas de la ciudad de Zacatecas ası́ como al
Departamento de Planeación Urbana. De la información recabada se encontró que oficialmente
existen 2691 casas de interés social. Este valor se tomo como el tamaño del universo a partir
del cuál se calculó el tamaño de la muestra representativa sobre la que aplicó la encuesta.
Para determinar el tamaño de la muestra se utilizaron los siguientes criterios, un nivel de
confiabilidad del 95% y un error del 5%. Con estos parámetros se obtuvo que para un universo
de 2691 entidades, la muestra representativa es de 71, en la práctica este valor se extendió a
72. Para aplicar la encuesta el tamaño de la muestra se distribuyó en todas las colonias con este
tipo de viviendas, tomando en cuenta las casas en cada colonia.
125
En la Tabla 6.1 se muestra los nombres de los fraccionamientos, el número de casas de
interés social, el porcentaje del total de casas y la cantidad de casas que en cada fraccionamiento
se practicó la encuesta.
Tabla 6.1 Fraccionamientos con casas de interés social en la ciudad de Zacatecas.
Fraccionamiento
Casas de interés
% total
Casas a encuestar
≈
social habitadas
Colinas del padre 1a sección
51
1.89520624
1.345596433
1
Colinas del padre 3a sección
150
5.57413601
3.957636566
4
Colinas del padre 4a sección
129
4.79375697
3.403567447
3
San Fernando
221
8.21256039
5.830917874
6
Lomas Bizantinas
652
24.2289112
17.20252694
17
Rinconada de la Isabelica
99
3.67892977
2.612040134
3
Villa la Antigua
74
2.7499071
1.952434039
2
Villas del Padre
362
13.4522482
9.551096247
10
Las Huertas
488
18.1345225
12.87551096
13
Casa Blanca
100
3.71609067
2.638424378
3
Santos Bañuelos
365
13.563731
9.630248978
10
Totales
2691
100
71
72
La tabla 6.1 no contiene el total de fraccionamientos con casas de interés social en la ciudad,
solo son aquellas que ambas dependencias declararon tener los datos actualizados.
Para seleccionar la casa donde se aplicarı́a la encuesta de cada fraccionamiento, una vez en
éste la casa se seleccionó en forma aleatoria.
126
6.2
Resultados de la Encuesta
El análisis de los resultados obtenidos arroja la siguiente información:
En la figura 6.1 se muestra el número de habitantes por casa. El rango de habitantes por
casa varı́a de 1 a 7, y el promedio de habitantes por casa es de 3.2 ± 1.14.
Figura 6.1 Número de habitantes en casas de interés social en la ciudad de Zacatecas
La distribución de las edades de las personas que viven en este tipo de viviendas se muestra
en la figura 6.2.
La edad promedio de los habitantes es de 26.9 ± 15.9, lo que nos indica que es un grupo
jóven. De la gráfica se observan 3 grupos de edad, donde se incluyen niños, adultos y en menor
proporción adultos mayores. Por el género encontramos que el 55.2% son mujeres, mientras
que el 44.8% pertenecen al género masculino.
En la figura 6.3 se muestra la distribución del tiempo que las familias tienen viviendo en su
casa; todos tienen menos de 10 años. La mayorı́a tiene menos de un año. El tiempo promedio
asciende a 2.42 ± 2.39 años.
127
Figura 6.2 Distribución de las edades de las personas que viven en las casas de interés social
Figura 6.3 Tiempo de uso de la vivienda
128
En la encuesta se preguntó sobre el tipo de fuentes alternas de energı́a que conocen, el
58.33% de las personas encuestadas mencionó que conocı́a como fuente alterna a la energı́a
solar, la energı́a eólica y el biogás. El 48.61% manifestó que este tipo de fuentes alternas aporta
al menos un beneficio, entre los que se mencionaron la disminución de la contaminación, prevención del calentamiento global y el ahorro de energı́a. Este dato es significativo ya que casi
la mitad tiene un cierto nivel de información, sin embargo el hecho que más del 50% manifestara desconocer los efectos benéficos representa un área de oportunidad para una acción
de educación. Solo el 13.89% de las personas señalaron que estas fuentes también producen
efectos nocivos.
El 52.78% de la gente manifestó desconocer la forma en que se genera la energı́a eléctrica
que proporciona la CFE. De los que señalaron conocer la forma de generación el 43.05% indicó se hacı́a con agua, presas y caı́das de agua, es decir la hidroelectricidad, el 2.78% indicó
que se usan generadores o turbinas, y solo el 1.39% señaló que mediante la quema de petróleo.
Al preguntarles sobre el impacto ambiental que se produce en la generación de energı́a se
encontró que el 83.33% manifiesto desconocerlo.
Sobre el problema del calentamiento global encontramos que el 81.94% sabe que es un
problema y su fuente de información ha sido principalmente a través de la televisión. A pesar
que el tema del calentamiento global tiene poco tiempo de haber sido publicitado en los medios
de comunicación, resulta interesante que un buen porcentaje ha escuchado sobre este tema. De
alguna forma este hallazgo explica porque el 91.67% de las personas manifestaron tener buena
opinión sobre el uso de las fuentes alternas, el 5.56% manifestó ser indiferente y solo el 2.77%
tuvo una mala opinión al respecto.
En la pregunta sobre la disposición de usar en casa un tipo alterno de energı́a el 93.06%
manifestó tener disposición a utilizarlas. Este nivel de aceptación da una idea del mercado
potencial para una iniciativa de negocios.
129
En la figura 6.4 se muestran las opciones seleccionadas por las personas cuando se les
preguntó sobre los requisitos de costo y desempeño que deberı́a tener la fuente alterna en
comparación con la que proporciona la CFE.
Figura 6.4 Resultados sobre el requisito en costo y desempeño que debe tener la fuente alterna en
comparación con el servicio que proporciona la CFE
El 56.94% manifestó que deberı́a ser más barata y más confiable, el 20.83% indicó que
deberı́a se más barata y de la misma confiabilidad, el 19.45% indicó que deberı́a de ser igual de
cara pero más confiable y solo el 2.78% indicó que la aceptarı́a si fuera más confiable y aunque
fuera más cara.
El 55.56% de los encuestados señaló que están pagando la casa con u crédito a largo plazo,
el 26.38% de las personas la habitan pagando una renta y el resto ya la han pagado.
El 95.83% manifestó que le interesarı́a cambiaria su pago bimensual de consumo de energı́a por un pago fijo incluido en la mensualidad de su casa, o un pago fijo mensual en el caso
de los arrendatarios y de los que ya han pagado la casa. Este dato también resulta de interés
130
para que la CFE diversificara las formas de pago de su servicio.
En la figura 6.5 se muestran el monto que se gasta en el pago del servicio de energı́a
eléctrica.
Figura 6.5 Gasto bimensual por el servicio de energı́a eléctrica.
El 80.56% invierten entre 50 a 200 pesos por bimestre, solo 1.38% pagan más de 800 pesos.
A costos actuales implica que el 80.56% consume 175 kWh, este valor se obtuvo a partir de
los datos tarifarios del costo de la energı́a eléctrica de la CFE, que se muestran en la Tabla 6.2.
Los ingresos familiares se muestran en la figura 6.6, donde en promedio cada familia recibe
un ingreso de $5767 ± $4881 pesos.
131
Tabla 6.2 Tarifas y costos por kWh mensual de la CFE
Cálculos de consumo energético
con base a las tarifas de CFE pertenecientes a Noviembre del 2007
Costo kWh mensual
kWh
Pago
Tarifa 1
0.637
75
47.775
Hasta 140kWh mensual
0.751
65
48.815
140
96.59
Tarifa 1
0.637
75
47.775
Hasta 250kWh mensual
1.046
49
51.254
2.22
126
279.72
250
378.749
Figura 6.6 Ingresos mensuales por familia
En la tabla 6.3 se muestran el tipo y cantidad promedio de dispositivos que utilizan electricidad en las viviendas.
132
Tabla 6.3 Cantidad y tipo de aparatos eléctricos
Aparato
Promedio
Desviación estándar
Focos
8.11
2.48
De cuántos watts
59.4
28.2
Plancha eléctrica
1.01
0.21
Refrigerador
0.99
0.57
Televisores
1.86
0.86
Parrilla eléctrica
0.10
0.30
Horno de microondas
0.56
0.50
Lavadora eléctrica
0.82
0.39
Secadora eléctrica (o de gas)
0.14
0.35
Computadoras
0.60
0.71
Bomba de agua
0.04
0.20
Contactos eléctricos
8.57
2.82
Radio
0.49
0.6
Estéreo
0.60
0.55
Lámparas fluorescentes
0.06
0.29
De estos dispositivos la plancha, los focos, el horno de microondas, el refrigerador y la
secadora eléctrica son lo que mayor cantidad de energı́a consumen.
En la figura 6.7 se muestra la forma en que se distribuye el ingreso familiar.
En la figura 6.8 se muestra la ocupación de las personas que contestaron la encuesta.
El nivel de escolaridad de las personas que habitan en las viviendas se muestra en la figura
6.9.
133
Figura 6.7 Distribución del ingreso familiar
Figura 6.8 Ocupación
134
Figura 6.9 Nivel de escolaridad
135
6.3
Propuesta de un sistema fotovoltaico capaz de suministrar la
energı́a eléctrica en las casas promedio de interés social de la
ciudad de Zacatecas.
Un sistema fotovoltaico capaz de proporcionar 495 watts requiere de diversos dispositivos
que lo hagan confiable. El tipo de dispositivos, la cantidad y el costo, en dólares americanos,
se muestra en la Tabla 6.4.
A estos precios habrá que incluir el costo del transporte del proveedor al sitio donde será
instalado, ası́ como los costos de instalación.
Presupuesto realizado con precios obtenidos de la página de internet <www.ebay.com>
El costo de un sistema fotovoltaico, incluyendo los gastos de traslado e instalación podrı́a
alcanzar los $30,000.00 pesos mexicanos. Con pagos fijos de $500.00 pesos mensuales el sistema estarı́a pagado en 60 meses; a partir de esta fecha el usuario no pagarı́a la energı́a eléctrica
que consume. Este costo podrı́a verse incrementado si la adquisición se hace a través de un
préstamo bancario o de algún programa de financiamiento con intereses blandos.
La ventaja de este sistema es que es escalable, es decir si en un momento la demanda de
energı́a aumenta se puede agregar un mayor número de paneles solares, otra baterı́a y un par
de reguladores de carga.
136
Tabla 6.4 Tipo de dispositivo y costos
Dispositivo
Caracterı́sticas
Precio
Cant
Total
$360.99
3
$1082.97
$19.99
1
$19.99
$925.67
1
$925.67
$74.95
1
$74.95
$240.92
2
$481.84
[dólares]
BP 3165 Solar
Panel Photovoltaic
Module New NR
fig.6.10
Pot. Máx = 165W
Dimensiones
159.3x79.0x0.50 cm
Peso = 15.4 kg
Corriente a máxima potencia 4.7A
Solar Battery /
Inverter
200 Amp DC Breaker
Disconnect
fig.6.11
SOLAR Pure Sine
Wave Inverter
12V
1500W
fig.6.12
Solar panel battery
charger regulator
192 W
12 V
fig.6.13
Deep cycle agm
battery 4wd
12V
90 Ah
fig.6.14
Total
$2585.42 USD
137
Figura 6.10 Celda solar
Figura 6.11 fusible
Figura 6.12 Inversor de corriente
Figura 6.13 Regulador del Cargado de la baterı́a
Figura 6.14 Baterı́a
Capı́tulo 7
Conclusiones y trabajo a futuro
7.1
Conclusiones
En este trabajo hemos hecho una revisión sobre el problema de los energéticos y en particular de la generación de energı́a. Hemos revisado las fuentes convencionales y alternas de
energı́a con el fin de conocer el modo en que operan, su impacto ambiental y las ventajas y
desventajas.
El impacto ambiental que producen las fuentes convencionales generan diversos problemas,
uno de los más graves y que en el último lustre nos hemos percatado es el del Calentamiento
Global propiciado por la emisión de los gases de efecto invernadero que la combustión de
petróleo, gas natural y carbón producen.
Los paı́ses del mundo a través del acuerdo de Kyoto se han comprometido a realizar diversas acciones que permiten en los próximos años reducir estas emisiones. Debido a que la energı́a es un agente indispensable para el desarrollo económico la estrategia que se ha adoptado
es que los paı́ses más desarrollados reduzcan sus emisiones y aquellos en vı́as de desarrollo
tienen esquemas que les permite crecer económicamente y por ende tienen permiso para tener
un cierto nivel de emisión.
139
La alternativa para hacer esto es diversificar las fuentes de energı́a reduciendo los sistemas
basados en la quema de combustibles fósiles y potenciado el uso de fuentes alternas o tecnologı́as, como la energı́a nuclear, que no generar este tipo de gases de efecto invernadero.
El uso de fuentes como la energı́a solar y la energı́a eólica ya son realidades tecnológicas
que de ser adoptadas vendrı́an a reducir uno de sus inconvenientes que es el costo.
Sin embargo, además de estas acciones que se adoptan como polı́ticas gubernamentales es
necesario cambiar nuestros hábitos en el consumo de energı́a, y esto solo se puede lograr a
través del proceso educativo.
Para un paı́s como México esta situación nos brinda una oportunidad para invertir en la
formación de recursos humanos, la investigación cientı́fica y el desarrollo tecnológico en el
campo de las fuentes alternas como la solar y la eólica.
Cuando se habla de cambios en la polı́tica energética se piensa en proyectos grandes, sin
embargo en este trabajo hemos investigado lo que ocurre en una casa de interés social, de las
que abundan en nuestro paı́s y la forma en que una fuente alterna como la solar puede tener
una presencia viable.
Hemos encontrado que a pesar de no tener una escolaridad alta existe conciencia en este
grupo de la población sobre le problema del calentamiento global aun a pesar de que no existe claridad sobre la forma que se genera la energı́a en México y el impacto ambiental que
produce. En el diseño básico que se propone se observa que un sistema fotovoltaico requiere
de una inversión inicial alta, sin embargo con esquemas blandos de financiamiento es factible
que cada familia, con el espacio disponible en su casa y con un mı́nimo de intervención, pueda
satisfacer sus demandas de electricidad. Una acción decidida sobre este grupo de la población
representa un área de oportunidad muy grande para un negocio que venda e instale sistemas
fotovoltaicos; que permita hacer auditorias energéticas en las casas habitación para determinar
140
los sitios donde la energı́a no se está utilizando de manera óptima y proponer y vender las
soluciones adecuadas.
Esta situación también es una oportunidad para un nuevo tipo de profesional de la ingenierı́a
que se especialice en este tipo de sistemas y atienda la demanda de los particulares en sus casas.
7.2
Trabajo a futuro
Las metas trazadas al inicio de este proyecto han sido satisfechas sin embargo durante el
desarrollo del mismo hemos detectado opciones que quedan como propuestas de trabajo a futuro, entre las que podemos mencionar las siguientes:
Hacer un estudio sobre la demanda de energı́a en una colonia completa y determinar, a
través de mediciones, la demanda de carga por hora. Esto datos nos permitirı́an hacer una
propuesta de conexión de los sistemas fotovoltaicos y un sistema integrado de acumulación y
distribución de energı́a.
Es necesario hacer un estudio que nos indique cuál serı́a el ahorro de sustituir los focos de
filamento por focos ahorradores y buscar esquemas de compras a mayoreo que permitan hacerlos accesibles a la población. Esto mismo se puede realizar para el caso de los refrigeradores.
Una acción de interés para investigar es repetir esto en los edificios públicos, como oficinas
de dependencias y de las mismas unidades académicas de la universidad, donde el problema
de carga es más complejo por la diversidad de equipos que se tienen. En estos casos seria
interesante determinar los balances de carga, la corrección del factor de potencia, la instalación
de sensores de movimiento que desactiven los sistemas de iluminación cuando los recintos no
estén siendo ocupados.
141
Apéndice
Encuesta aplicada
Encuesta para determinar el grado de aceptación de las fuentes alternas, y el consumo de
energı́a en casas habitación de interés social.
Edad
Información familiar
Género Estudios terminados
M
Ocupación
F
1. ¿Sabe algo relacionado con las energı́as alternas?
2. ¿Sabe ud qué peligros a la salud tienen las fuentes alternas?
3. ¿Sabe ud cuáles son los beneficios de las fuentes alternas?
4. ¿Sabe como se produce la energı́a que utiliza ud en su casa?
5. ¿Sabe cuál es el efecto ambiental que se produce cuando la CFE produce la energı́a
eléctrica?
6. ¿Sabe ud que es el Calentamiento Global, que lo produce y como podemos ayudar a
evitarlo?
7. ¿Cuál es su opinión en el empleo de estas fuentes alternas en la generación de energı́a
eléctrica?
142
8. ¿Cuánto tiempo, aproximadamente, lleva viendo en su casa?
9. La casa es:
Propia y ya está pagada
, Rentada
, Propia pero la estoy pagando
10. ¿Sabe cuántos kilowatts consume al bimestre?
¿cuántos?
11. ¿Aproximadamente, cuánto paga de energı́a eléctrica cada bimestre?. Marcar un cuadro
50 y 200
200 y 400
400 y 800
800 y 1000
1000 y 1200
1200 y 1400
1400 y 1600
Más de 1600
12. ¿Cuenta con los siguientes aparatos eléctricos? ¿En que cantidad?
Aparato
Ninguno
1
2
3
Más
(cantidad)
Focos (de cuántos Watts)
Plancha eléctrica
Refrigerador
Televisores
Parrilla eléctrica
Horno de microondas
Lavadora eléctrica
Secadora eléctrica (o de gas)
Computadoras
Bomba de agua
Contactos eléctricos
Radio
Estéreo
Lámparas fluorescentes
Algún otro equipo eléctrico:
13. ¿Estarı́a dispuesto a usar este tipo energı́as alternas para uso doméstico?
143
(a) Si
(b) No
14. ¿En caso de cambiar el suministro de su energı́a eléctrica por alguna fuente alterna?
Señale que requisitos debe tener la fuente alterna. (Escoger una sola opción)
(a) Más barata aunque falle más
(b) Más barata y que, al menos, falle igual que CFE
(c) Más barata y que falle menos que la CFE
(d) Igual de cara pero que falle menos
(e) Mas cara pero que falle menos
15. De ser ası́. ¿Cambiarı́a su pago bimensual por un pago fijo incluido en la mensualidad
de su casa?
(a) Si
(b) No
16. ¿De todos los dispositivos que usan energı́a eléctrica, ¿cuál considera ud que consume
mas electricidad?
17. ¿De los miembros de la familia, quien considera que usa más la energı́a eléctrica?
18. Aproximadamente, juntando todas las fuentes de ingreso, ¿cuánto ingresa a la casa al
mes?
19. ¿Cuentan con vehı́culo para transportarse o usan otro medio (taxi, camión)
20. De lo que ingresa al mes, que gasto es el mayor. (Encerrar una sola respuesta).
(a) Comida
(b) Renta o mensualidad
144
(c) Gastos de la escuela
(d) Transporte
(e) Ropa
(f) Luz y agua
(g) Diversión
(h) Pago de deudas
(i) Otro
145
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