energía solar fotovoltaica en casa habitación (9).pdf
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UNIVERSIDAD AUT ONOMA DE ZACATECAS
ENERGIA SOLAR FOTOVOLTAICA EN CASAS HABITACI ON.
Juan Guillermo Garca Guajardo
Tesis de Licenciatura
presentada a la Unidad Academica de Ingeniera Electrica
de acuerdo a los requerimientos de la Universidad para obtener el ttulo de
INGENIERO EN COMUNICACIONES Y ELECTR ONICA
Directores de tesis: Dr. Hector Rene Vega Carrillo y Dra. Gema Mercado Sanchez
UNIDAD ACAD EMICA DE INGENIERIA EL ECTRICA
16 de Noviembre de 2007
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APROBACI ON DE TEMA DE TESIS DE LICENCIATURA
Juan Guillermo Garca GuajardoPRESENTE
De acuerdo a su solicitud de tema de Tesis de Licenciatura del Programa de Ingeniera en
Comunicaciones y Electronica, con fecha 6 de Noviembre de 2007, se acuerda asignarle el
tema titulado:
ENERGIA SOLAR FOTOVOLTAICA EN CASAS HABITACI ON.
Se nombran revisores de Tesis al profesor Dr. Hector Rene Vega Carrillo y a la profesora
Dra. Gema Mercado Sanchez , notificandole a usted que dispone de un plazo maximo de seis
meses, a partir de la presente fecha, para la conclusion del documento final debidamente re-
visado.
Atentamente
Zacatecas, Zac., 7 de Noviembre de 2007
Ing. Jose A. Alvarez Perez
Director de la Unidad Academica de Ingeniera Electrica
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AUTORIZACI ON DE IMPRESI ON DE TESIS DE LICENCIATURA
Juan Guillermo Garca GuajardoPRESENTE
La Direccion de la Unidad Academica de Ingeniera Electrica le notifica a usted que la
Comision Revisora de su documento de Tesis de Licenciatura, integrada por el profesor Dr.
Hector Rene Vega Carrillo y la profesora Dra. Gema Mercado Sanchez , ha concluido la re-
vision del mismo y ha dado la aprobacion para su respectiva presentacion.
Por lo anterior, se le autoriza a usted la impresion 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. Jose A. Alvarez Perez
Director de la Unidad Academica de Ingeniera Electrica
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APROBACI ON DE EXAMEN PROFESIONAL
Se aprueba por unamimidad el Examen Profesional de Juan Guillermo Garca Guajardopresentado el 16 de Noviembre de 2007 para obtener el ttulo de:
INGENIERO EN COMUNICACIONES Y ELECTR ONICA
Jurado:
Presidente: Dr. Hector Rene Vega Carrillo
Primer vocal: Dra. Gema Mercado Sanchez
Segundo vocal: Dr. Jorge de la Torre y Ramos
Tercer vocal: M. en C. Victor Hernandez Davila
Cuarto vocal: Dr. Valentn Badillo Almaraz
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RESUMEN
En este trabajo se ha realizado una revision del problema de los energeticos, las formasen que se genera la energa, usando los metodos convencionales as como los sistemas alter-
nos. Para cada sistema de generacion se discuten las ventajas y desventajas, en particular elimpacto ambiental que producen. A raz del inicio de la era industrial la humanidad hizo un
uso exhaustivo de los combustibles fosiles que al quemarse generan gases de efecto inver-
nadero, esta situacion ha generado un desequilibrio en el ciclo del CO2 lo que ha producido
cambios en el patron del clima en el mundo. A traves del acuerdo de Kyoto 165 pases han
ratificado su compromiso para reducir los niveles de emision con el fin de prevenir el impacto
antropogenico. Las medidas adoptadas requieren de un cambio radical en la forma en que
generamos la energa, sin embargo esto no es sencillo ya que todas las sociedades requieren
el recurso energetico para su desarrollo; la solucion esta en diversificar las formas en que gen-
eramos la energa, es decir reducir el uso de los combustibles fosiles utilizando los sistemas
alternos de generacion como la energa solar y la eolica, utilizar la energa nuclear, implemen-
tar programas de ahorro de energa y realizar auditorias energeticas. En este trabajo utilizamosel instrumento de la encuesta para determinar las necesidades de energa electrica que tienen
las personas que habitan casas de interes 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, as mismo encontramos que las fuentes alternas
cuentan con un amplio margen de aceptacion. Con las necesidades de electricidad promedio
detectadas en las casas de interes social hacemos una propuesta sobre la forma en que pueden
ser satisfechas mediante un sistema fotovoltaico.
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vi
Para mis padres que creyeron en mi, me dieron la oportunidad de estudiar y me brindaron
todo el apoyo necesario para mi realizacion profesional. Tambien a todas las personas que me
han ayudado en los momentos en los que alguna vez pense en desistir de esta etapa de mi
formacion tanto academica como humana.
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Agradecimientos
Agradezco la valiosa colaboracion que el Dr. Hector Rene Vega Carrillo me ha brindado,
por su paciencia y dedicacion hacia conmigo. Tambien agradezco a todos los maestros que
durante la carrera me obsequiaron sus conocimientos.
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Contenido General
Pag.
Resumen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . v
Lista de figuras . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xi
Lista de tablas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xv
1 Introduccion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
2 Generacion de energa electrica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
2.1 Energeticos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102.1.1 Recursos energeticos fosiles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112.1.2 Recursos Energeticos Nucleares . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 192.1.3 Recursos energeticos renovables . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 262.1.4 Los recursos energeticos de Mexico y la generacion de energa electrica. 31
2.2 Generacion de Energa Electrica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 342.2.1 Principios de la generacion de energa electrica . . . . . . . . . . . . . 342.2.2 Generadores de corriente alterna (alternadores) . . . . . . . . . . . . . 392.2.3 Plantas de Generacion de Energa Electrica . . . . . . . . . . . . . . . 432.2.4 Generacion de electricidad en Mexico . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
3 Plantas generadoras de energa electrica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
3.1 Plantas Termoelectricas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 463.1.1 Plantas de Turbina de Gas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 493.1.2 Plantas de Combustion Interna . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
3.2 Plantas Nucleares . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 513.2.1 Tipos de centrales nucleares y caractersticas . . . . . . . . . . . . . . 53
3.3 Las centrales hidroelectricas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 553.3.1 Ciclo del agua. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 553.3.2 Tipos de centrales hidroelectricas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 573.3.3 Partes de una planta hidroelectrica clasica: . . . . . . . . . . . . . . . 58
3.4 Generacion de Energa y su Impacto Ambiental . . . . . . . . . . . . . . . . . 623.4.1 Calentamiento Global . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 633.4.2 Protocolo de Kyoto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
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ix
Pag.
4 Fuentes Alternas de Generacion de Energa Electrica . . . . . . . . . . . . . . . 66
4.1 Biomasa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 684.1.1 Aplicacion directa de la biomasa: Residuos y cultivos energeticos . . . 704.1.2 Aplicacion indirecta de la Biomasa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 724.1.3 Ventajas de la Biomasa como fuente de Energa . . . . . . . . . . . . . 734.1.4 Funcionamiento de una Planta de Cogeneracion mediante Biomasa. . . 75
4.2 Martima . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 754.2.1 Funcionamiento de una Central maremotriz. . . . . . . . . . . . . . . 76
4.3 Geotermia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 764.3.1 Tipos de fuentes geotermicas: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 794.3.2 Tipos de yacimientos geotermicos segun la temperatura del agua . . . . 794.3.3 Tipos de sistemas geotermicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 804.3.4 Planta Geotermoelectrica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 814.3.5 Tipos de Plantas Geotermoelectricas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 824.3.6 Ventajas y Desventajas de la energa Geotermica. . . . . . . . . . . . . 82
4.4 Energa Eolica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 844.4.1 Velocidad del viento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 874.4.2 Medicion del recurso . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 874.4.3 Velocidades de viento de trabajo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 894.4.4 Tipos de Sistemas Eolicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 944.4.5 Sistemas de control de un aerogenerador . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
5 Energa Solar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
5.1 Energa Solar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1015.1.1 Radiacion Solar En La Superficie Terrestre . . . . . . . . . . . . . . . 1025.1.2 Instrumentacion para la medicion del Flujo Solar . . . . . . . . . . . . 1105.1.3 Energa Solar Termica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1125.1.4 Energa Solar Fotovoltatica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114
6 Sistema fotovoltaico para una casa-habitacion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124
6.1 Aplicacion de la Encuesta . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1246.2 Resultados de la Encuesta . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1266.3 Propuesta de un sistema fotovoltaico capaz de suministrar la energa electrica
en las casas promedio de interes social de la ciudad de Zacatecas. . . . . . . . . 135
7 Conclusiones y trabajo a futuro . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1387.1 Conclusiones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138
-
xPag.
7.2 Trabajo a futuro . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140Apendice Encuesta aplicada . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141
Referencias . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145
-
xi
Lista de figuras
Figura Pag.
1.1 Tasas de produccion, consumo y capacidad de refinacion del petroleo en Mexicode 1965 al 2005 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.2 Produccion y consumo de gas natural en Mexico. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
1.3 Produccion y consumo de carbon en Mexico. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.4 Capacidad fotovoltaica instalada en el mundo y en Mexico. . . . . . . . . . . . . . 6
1.5 Capacidad eolica instalada en el mundo y en Mexico. . . . . . . . . . . . . . . . . 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 carbon . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
2.6 Reservas de petroleo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
2.7 Diagrama que muestra los angulos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
2.8 Senal senoidal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
2.9 Diagrama que muestra los angulos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
2.10 Flujo magnetico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 382.11 Funcionamiento generador ac . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
2.12 Funcionamiento generador ac . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
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xii
Figura Pag.
2.13 Funcionamiento generador ac . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
2.14 Funcionamiento generador ac . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
2.15 Funcionamiento generador ac . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
3.1 Planta termoelectrica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
3.2 Planta de turbina de gas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
3.3 Planta de combustion interna . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
3.4 Diagrama de una central termica. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
3.5 Reactores Magnox . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
3.6 Ciclo del agua . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
3.7 Esquema de una planta Hidroelectrica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
3.8 Pelton . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
3.9 Francis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
3.10 Kaplan . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
4.1 Generacion de biomasa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
4.2 Central de Cogeneracion por medio de Biomasa. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
4.3 Gradiente geotermico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
4.4 Esquema idealizado de un sistema geotermico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
4.5 Distribucion de las principales placas corticales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
4.6 Partes de una central geotermica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
4.7 Esquema de una turbina eolica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
4.8 Interior del chasis de un aerogenerador . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
4.9 Rosas de viento caractersticas para un flujo dominante dentro de un valle, en unaplanicie sur y por encima de las elevaciones extremas de un valle . . . . . . . . . . 87
-
xiii
Figura Pag.
4.10 Diversos tipos de anemometros . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
4.11 Area A barrida por el rotor de diametro D . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
4.12 Aerogenerador de eje horizontal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 954.13 Aerogeneradores de Darrieux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
4.14 Rotor Savonius . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
5.1 Movimiento de traslacion de la tierra . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
5.2 Situacion espacial de diversos angulos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 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 heliografos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110
5.7 Pirheliometro de disco de plata . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111
5.8 Piranometro . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111
5.9 Esquema A.C.S. 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
5.10 Esquema A.C.S. 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
5.11 Efecto de la radiacion solar sobre una placa fotovoltaica . . . . . . . . . . . . . . 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 Hbrido . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122
5.17 Redes fotovoltaicas conectados a sistemas de distribucion . . . . . . . . . . . . . 123
-
xiv
Figura Pag.
5.18 Redes fotovoltaicas conectados a sistemas de distribucion . . . . . . . . . . . . . 123
6.1 Numero de habitantes en casas de interes social en la ciudad de Zacatecas . . . . . 126
6.2 Distribucion de las edades de las personas que viven en las casas de interes social . 127
6.3 Tiempo de uso de la vivienda . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127
6.4 Resultados sobre el requisito en costo y desempeno que debe tener la fuente alternaen comparacion con el servicio que proporciona la CFE . . . . . . . . . . . . . . 129
6.5 Gasto bimensual por el servicio de energa electrica. . . . . . . . . . . . . . . . . 130
6.6 Ingresos mensuales por familia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131
6.7 Distribucion del ingreso familiar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133
6.8 Ocupacion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 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 batera . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137
6.14 Batera . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137
-
xv
Lista de tablas
Tabla Pag.
2.1 Composicion elemental, en % en peso, del petroleo. . . . . . . . . . . . . . . . . 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 Mexico de 1996-2002 . . . . . . . . . . . . . . . 45
2.6 Capacidad en MW instalada en Mexico del 2003-2006 . . . . . . . . . . . . . . . 45
2.7 Generacion en TWh en Mexico de 1996 - 2002 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
2.8 Generacion en TWh en Mexico del 2003-2006 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
5.1 Valores de segun la latitud . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
6.1 Fraccionamientos con casas de interes 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 electricos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132
6.4 Tipo de dispositivo y costos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136
-
Captulo 1
Introduccion
Los energeticos juegan un papel estrategico en el desarrollo de un pas en grado tal que paraasegurar su acceso se han utilizado acciones belicas. La energa se utiliza para realizar trabajoy para esto es necesario transformarla, lo que implica pasar de una forma a otra; una de las for-
mas mas utilizadas es la energa electrica. En general la energa se obtiene, en forma natural o
por intervencion antropogenica, en reacciones exoenergeticas perturbando la capa electronica
de los atomos, perturbando el nucleo atomico o aprovechando la fuerza de gravedad. Para esto,
se utilizan sistemas cuya accion produce un impacto en el medio ambiente [1].
La cantidad de recursos como el petroleo, carbon y el gas natural son finitos y su disposicion
para generar energa electrica requiere de un sistema conocido como planta generadora; esta
utiliza el proceso de combustion, donde se producen 4 eV por reaccion y se genera CO2, NOx
y compuestos con S. Este tipo de plantas generadoras se denominan termoelectricas y el flu-
ido de trabajo es el agua. Otro grupo de este tipo de plantas utilizan el aire, o algun tipo degas inerte, o bien una mezcla de aire con algun combustible de origen fosil o vegetal; estas
plantas son las de turbina de gas o de combustion interna. Dentro del grupo de las plantas ter-
moelectricas se encuentras aquellas que utilizan combustibles nucleares, como el Plutonio, el
Uranio, natural o enriquecido. Las reservas de uranio son tambien finitas y el plutonio se pro-
duce de manera artificial. Este tipo de plantas, llamadas nucleoelectricas, sustituyen la caldera
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2por un reactor nuclear donde la energa se produce mediante el fenomeno de la fision nuclear,
donde por cada reaccion se producen 200 MeV y desechos que son radiactivos. Los sistemas de
generacion de energa que utilizan la fuerza de gravedad son las plantas hidroelectricas, mare-
omotrices y las geotermicas. En estas ultimas se aprovecha el calor que produce el planeta y
no requiere del uso de ningun tipo de combustible. Todas estas plantas utilizan un generador
para transformar la energa mecanica en energa electrica. Existen otras formas de generacion
de energa que aprovechan la energa producida por la combinacion de H con O2, la energa
del sol y la energa del viento para producir energa mecanica o para generar electricidad. En
los ultimos anos el fenomeno llamado calentamiento global ha sido asociado al incremento de
los gases de efecto invernadero (GEI) emitidos durante el uso de los combustibles fosiles, sinembargo otros fenomenos como la lluvia acida, el incremento de la densidad de los aerosoles y
los niveles de ozono en areas con altas densidades de poblacion, el dano a sistemas tanto en el
mar como en tierra, la perdida de vidas humanas en accidentes, etc. estan tambien relacionados
con los procesos de generacion de energa.
A finales del 2005 la energa primaria producida en Mexico tuvo como origen el petroleo
con el 59.7%, el gas natural con el 30.3%, la hidroelectricidad con el 4.3%, el carbon con 4.1%
y la nucleoelectricidad con el 1.6% [2]. En este conjunto han sido excluidas otras formas degeneracion como la geotermia, solar y eolica, en virtud de la poca participacion de estas; ya
que en 2005 la capacidad instalada de generacion geotermica era de 953 MW, la capacidad
fotovoltaica era de 18.2 MW y eolica 3 MW.
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3En la figura 1.1 se muestran las tasas de produccion, consumo y capacidad de refinacion
del petroleo en Mexico en los ultimos 40 anos.
Figura 1.1 Tasas de produccion, consumo y capacidad de refinacion del petroleo en Mexico de 1965 al2005
En el periodo de 1975 a 1980 hubo un incremento en la tasa de produccion que paso de 0.8
a los 3 millones de barriles por da, el consumo interno mantuvo una tasa tambien creciente
pero a un ritmo menor. Desde 1990 la capacidad de refinacion de petroleo se ha mantenido sin
incrementos importantes. A esto hay que agregarle el hecho de que el petroleo es una de las
fuentes mas importantes en la generacion de divisas.
Si Mexico mantuviera constante la tasa de produccion de petroleo que tuvo a finales de
1995, 3.76x106 barriles de petroleo por da, y tomando en consideracion que las reservas
probadas son de 1.37x1010 barriles de petroleo implica que las reservas tienen una duracion
de aproximadamente 10 anos. En la figura 1.2 se muestra el consumo y la produccion de gas
natural en Mexico de 1970 al 2005. A partir de 1998 el consumo de gas natural supero de
manera sistematica su produccion.
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4Figura 1.2 Produccion y consumo de gas natural en Mexico.
En la figura 1.3 se muestra el consumo y la produccion de carbon de 1981 al 2005 donde
practicamente el consumo ha sido superado por la produccion de este energetico; esto implica
que para el caso del gas natural y el carbon la diferencia entre la produccion y el consumo a
sido cubierta a traves de la importacion de este recurso energetico.
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5Figura 1.3 Produccion y consumo de carbon en Mexico.
En Mexico tambien se genera energa a traves de sistemas que utilizan recursos renovables,
como la hidroelectricidad, la geotermia, la solar (termica y fotovoltaica), eolica y biomasa [3].En terminos de la capacidad instalada de generacion de electricidad mediante la plantas geoter-
moelectricas a nivel mundial, a finales de 2005 en el mundo se tena una capacidad instalada
de 8940 MW. Los pases con mayor contribucion eran: Estados Unidos (2544 MW), Filipinas(1931 MW), Mexico (953 MW), Indonesia (807 MW), Italia (791 MW), Japon (535 MW),Nueva Zelanda (435 MW) e Islandia (202 MW). En las tres ultimas decadas otros pases hanhecho esfuerzos por explotar este recurso energetico y se han estado incorporando a este grupo.
A finales de 2004, en el mundo la capacidad instalada de potencia solar (fotovoltaica) fue de2599 MW; entre finales de 2003 y finales de 2004 esta fuente de energa se incremento en un
44.5%, lo que implica un aumento importante aun a pesar de los costos de produccion y se
estima que este incremento se siga sosteniendo. Para el caso de Mexico el incremento, para
ese mismo periodo, fue de solo el 6.3%. Su produccion de energa en este rubro represento
solo el 0.7% del total generado en el mundo. Los pases que cuentan con la mayor capacidad
instalada son Japon, Alemania y Estados Unidos que a nivel mundial representan el 43.6, 30.5
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6y el 14.1%. En la figura 1.4 se muestra la capacidad instalada de energa solar fotovoltaica a
nivel mundial y para el caso de Mexico de 1994 al 2004; como se puede apreciar existe una
tendencia creciente en Mexico, sin embargo la tendencia es menor a la que ocurre en el mundo.
Figura 1.4 Capacidad fotovoltaica instalada en el mundo y en Mexico.
A finales de 2005 la capacidad instalada en el mundo de generacion de energa mediante
turbinas eolicas alcanzo los 59264 MW; entre el 2004 y el 2005 este recurso se incremento en
un 23.7%, porcentaje menor al observado para la energa fotovoltaica. Los pases que mayorcontribuyeron fueron Alemania (31.1%), Espana (16.9%) y Estados Unidos (15.5%). La par-ticipacion de Mexico fue de solo 3 MW, que represento el 0.005% del total. En la figura 1.5 se
muestra la capacidad instalada de origen eolico en el mundo y para el caso de Mexico, donde
se puede apreciar que mientras que a nivel mundial se han hecho esfuerzos por aumentar la
tasa de participacion de este recurso, en Mexico la tasa de incremento ha sido no significativa.
Aun a pesar de que existe mayor capacidad instalada de origen eolico en comparacion con la
capacidad fotovoltaica, la tasa de incremento de esta ultima es superior a la eolica. La brecha
que separa a Mexico del resto del mundo, de seguir la misma poltica de anos previos, sera
mayor ya que en los pases europeos ya se estan instalando en las zonas costeras, en el oceano,
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7Figura 1.5 Capacidad eolica instalada en el mundo y en Mexico.
que permitiran instalar generadores cada vez mas grandes.
Uno de los recursos que ha comenzado a ganar importancia como fuente de energa son
los biocombustibles, como el etanol y el biodiesel. El etanol tambien es conocido como alco-
hol etlico, alcohol de grano, hidroxietano, brillo de luna (moonshine) y EtOH . Su formulaqumica es C2H5OH y se obtiene como un producto petroqumico a traves de la hidratacion
del etileno as como un producto de origen biologico mediante la fermentacion de azucares. El
uso mas notorio es como combustible para los motores de combustion interna donde se utiliza
mezclado, hasta en un 85% con la gasolina [4]. Los pases que durante el 2005 produjeron lamayor 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 depetroleo y entre 2004 y 2005 este recurso se incremento 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 ori-gen vegetal. El biodiesel se utiliza mezclado, hasta en un 20% con el diesel de origen fosil. Su
crecimiento en la demanda ha sido a la alza, as en 1999, en los Estados Unidos, se vendieron
0.5 millones de galones, mientras que en 2005 el volumen se incremento en 75 millones de
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8galones [6]. Estos recursos pueden ser una alternativa de desarrollo economico para zonasagrcolas, sin embargo su demanda tambien puede contribuir a una explotacion inadecuada del
suelo utilizado para la produccion de alimentos. Ademas de contribuir a la reduccion de la
emision de gases de efecto invernadero, para varios pases representa la oportunidad de reducir
la dependencia el mercado del petroleo. En Mexico no existe aun un esfuerzo serio para ingre-
sar al terreno de los biocombustibles.
Los hidratos de gas, en particular los hidratos de metano, tambien llamados Caltratos, estan
formados por una mezcla de metano y agua. A bajas temperaturas el agua se solidifica for-mando una estructura cristalina que atrapa al metano. Las bajas temperaturas y la alta presionque se da a 500 m bajo el oceano estos hidratos se mantienen estables y ocupan los poros delos lechos marinos, tambien se encuentran en el suelo de las zonas del artico. Si la temperatura
del agua se eleva o bien si se produce un deslizamiento del subsuelo marino, provocado por
la dinamica de la tectonica de placas, el metano se puede escapar. La mayor reserva de com-
bustibles fosiles del planeta no es el carbon o el petroleo sino el metano contenido en forma de
hidratos en el lecho marino. Algunas estimaciones senalan que la cantidad de este energetico es
el doble del que existe en forma de carbon y petroleo combinados. No obstante que desde 1970
se conoce la existencia de estos hidratos, es hasta hace poco tiempo que se ha puesto interes en
su estudio debido al potencial energetico que puede representar en el futuro, el riesgo que rep-
resenta su liberacion al ambiente al contribuir al calentamiento global y por su omnipresencia
en las areas costeras de los continentes. [7]. El estilo actual de vida requiere de un aumentoen el consumo, y por ende la produccion, de energa. Los pases de economas industrializadas
contienen aproximadamente el 25% de la poblacion mundial, sin embargo esos mismos pases
consumen el 75% de la energa [8].
Durante el presente siglo se espera un incremento en la demanda de energa, en particular en
los pases en vas de desarrollo con economas emergentes. En estos pases, donde tienen tasas
altas de crecimiento de la poblacion, aproximadamente 1.6 millardos de personas no tienen ac-
ceso a servicios de energa. A mediados del presente siglo se espera que la poblacion mundial
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9se duplique, lo que implica la necesidad de un incremento en las economas e inevitablemente
una mayor demanda de energa que se estima aumentara en al menos un orden de magnitud en
el ano 2050, mientras que la demanda de energa primaria se espera se aumente en un factor
que vara entre 1.5 y 3 [9]. Si no se hace un esfuerzo global que limite la emision de GEI du-rante el proceso de generacion de energa, el incremento en la produccion y uso de esta podra
desestabilizar, de manera irreversible, el clima mundial.
Con la finalidad de aportar una opcion adicional a la diversificacion de los energeticos en
Mexico el objetivo de este trabajo fue determinar el grado de aceptacion de las fuentes alternasde energa y el consumo promedio de energa electrica que tienen los habitantes de las casas de
interes social de la ciudad de Zacatecas y proponer un sistema de generacion fotovoltaico que
satisfaga estas necesidades.
En el capitulo 2 de este trabajo hacemos una revision sobre el tema de los Energeticos yanalizamos como se genera la energa electrica en el 3 discutimos las fuentes generadoras de
energa electrica, en el captulo 4 tratamos el tema de las fuentes alternas, en el captulo 5
analizamos el tema de la energa solar , en el captulo 6 se muestran las caractersticas que en
torno a la energa se dan en las casas de interes social de la ciudad de Zacatecas y mostramos
la propuesta del sistema fotovoltaico para estas casas y en el captulo 7 finalizamos con las
conclusiones.
[10] [11]
-
Captulo 2
Generacion de energa electrica
2.1 Energeticos
Se le llaman Recursos Energeticos al conjunto de medios con los que el hombre intentacubrir sus necesidades de energa, tales como iluminacion, fuerza o potencia, calor, etc. La ob-
tencion de estos recursos se remonta a epocas prehistoricas en las cuales el hombre consuma
madera para aprovechar la liberacion de energa en forma de calor y as defenderse del fro.
Estos recursos fueron evolucionando para hacer mas eficientes y sencillos distintos pro-
cesos cotidianos y/o industriales, tal es el caso de los molinos de viento, en los cuales los
agricultores con ayuda del viento (fuerza eolica) podan moler semillas, obtener agua del sub-suelo y una gran variedad de aplicaciones. Posteriormente, se descubren las propiedades de la
energa electrica, lo que permitio transformarla en otras formas de energa, tales como calor,
luz, fuerza, etc.
Actualmente, la mayor cantidad de energa proviene de recursos naturales no renovables como
el petroleo, carbon y el gas natural; la razon de esto es porque cuando se inicio el desarrollo
energetico, estos recursos eran los mas abundantes y los mas economicos.
Existen varias formas en que se clasifican los recursos energeticos: 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
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11
cascara del atomo y los que se obtienen perturbando al nucleo atomico. Otra forma de clasi-
ficarlos es como recursos renovables y no renovables. Otra forma de clasificarlos es por la
masa del energetico necesario para generar una unidad de energa: los de alta densidad y los
de baja densidad. Cuando se toma en cuenta su origen se clasifican como fosiles, nucleares yalternos, y otros mas los clasifican como convencionales y no convencionales.
Las anteriores formas de clasificacion no son las unicas; en este trabajo se clasificaron entres grandes grupos: Fosiles, Nucleares y Renovables.
2.1.1 Recursos energeticos fosiles
Los energeticos fosiles que hoy utilizamos tardaron en formarse millones de anos y provienen
de la descomposicion de la material organico, plantas y animales en condiciones de alta presion
y temperatura en el subsuelo. A este grupo pertenecen el petroleo, el gas natural y el carbon
(lignito y hulla).
La principal diferencia entre los tipos senalados es que el carbon se forma fundamental-
mente a partir de restos de vegetales superiores (hojas, tallos, troncos...), mientras que petroleoy gas se forman a partir de microorganismos (plancton, algas, bacterias,etc).
Los yacimientos de combustibles fosiles son aprovechados desde hace miles de anos por
el hombre y siguen cubriendo la mayor parte de nuestras necesidades de energa calorfica y
generacion de energa electrica.
2.1.1.1 Hidrocarburos naturales
El petroleo y el gas natura son hidrocarburos, es decir moleculas organicas formadas por
atomos de Cabono e Hidrogeno mezclados en diversas proporciones; tambien contienen, en
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12
Tabla 2.1 Composicion elemental, en % en peso, del petroleo.
ELEMENTO RANGO TIPICO
Carbono 85-95 85
Hidrogeno 5-15 13
Azufre < 5 1.3
Oxgeno < 2 0.5
Nitrogeno < 0.9 0.2
Metales < 0.1
menor proporcion otro tipo de elementos. En la tabla 2.1 se muestra la composicion elemental
del petroleo o crudo.
Los Hidrocarburos naturales se originan como un paso intermedio de la degradacion de la
materia organica, 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 kerogeno. Los hidrocarburos se forman en rocas arcillosas que contienen
este kerogeno (rocas madre). Sin embargo, para poder ser explotables (extrables por bombeo),estos hidrocarburos han de migrar a rocas porosas y permeables (las rocas almacen) y quedaratrapados por algun mecanismo que impida que la migracion los lleva hasta la superficie: las
trampas petrolferas.
Los hidrocarburos en la naturaleza aparecen en tres formas principales:
Como gas natural
Como petroleo crudo lquido
Como arenas asfalticas y pizarras bituminosas
2.1.1.2 Gas Natural
Esta formado por metano, etano, propano y butano. Se forma junto al petroleo en el quese encuentra en disolucion o libre por encima de este. Su presencia facilita la extraccion del
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13
petroleo. En las ultimas decadas su consumo se ha ido incrementando debido a que es menos
contaminante que los otros combustibles fosiles.
Posee un elevado valor calorfico debido a la mayor relacion hidrogeno/carbono en com-
paracion con la de otros combustibles fosiles, ello determina que en su combustion emita menos
CO2 por unidad de energa producida. La combustion del gas natural, compuesto principal-
mente por metano (CH4), produce un 25% menos de CO2 que los productos petrolferos y un40% menos de CO2 que la combustion del carbon por unidad de energa producida. Aspecto
que tiene mas relevancia cuando se atribuye al CO2 el 65% de la influencia en el efecto inver-
nadero, y solo el 19% al CH4.
Suele ser de combustion limpia, pues raramente le acompanan oxidos de azufre y de nitrogeno,
ni emite partculas. Se transporta con facilidad a traves de los gaseoductos de tuberas enter-
radas, por lo que su impacto sobre el paisaje es mnimo. Tambien se distribuye por transportemartimo mediante barcos con tanques.
Los yacimientos estan mas dispersos que en el caso del petroleo, son mas abundantes y su
control esta menos centralizado. Se esperan localizar importantes reservas de gas atrapadas en
sedimentos marinos. Ademas se extrae con facilidad debido a su caracter volatil.
El gas natural se encuentra en dos tipos de yacimientos:
Yacimientos de gas individualizado
Yacimientos asociados a los de petroleo, en las zonas altas de los mismos, o en disolucionen la fase lquida
Los yacimientos de gas natural estan compuestos fundamentalmente por metano, que llega
a constituir hasta el 100% de los mismos (gas seco). Tambien se suele encontrar combinadocon otros hidrocarburos gaseosos como el etano, propano, butano, etc. Otros constituyentes,
minoritarios pero frecuentes, son: H2S, N2, He, Ar, etc. Su poder calorfico constituye la base
de su interes economico, que es variable ya que desprende de la composicion del gas; el valor
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14
promedio es de de 38 a 40 MJ/kg, o 9 500-10 000 cal/gr.
La mayor parte del CO2 emitido (75% - 90%) es producido por la combustion de com-bustibles fosiles. Sin embargo, las emisiones de metano son producidas en su mayora por la
ganadera y la agricultura, los vertederos, las aguas residuales, los vegetales y las actividades
relacionadas con los combustibles fosiles. A las empresas que distribuyen gas natural les cor-
responde el 10% de las emisiones de metano a la atmosfera.
Por su rendimiento y baja emision de contaminantes, el gas natural es especialmente apropi-ado para la generacion de electricidad y cogeneracion, uso de calderas y hornos industriales,
trasporte, climatizacion y otros usos en los sectores comercial y domestico. Su alto contenido
en hidrogeno determina que sea la materia prima mas utilizada en la produccion de amoniaco
para fertilizantes, as como en otras aplicaciones petroqumicas.
2.1.1.3 El Crudo o Petroleo lquido
El Petroleo es un lquido espeso, viscoso, oscuro o verde, de olor caracterstico y fluores-
cente. Es una mezcla de hidrocarburos, desde el mas sencillo (metano, CH4) hasta especiescomplejas tipo C40. La parte principal la constituyen hidrocarburos lquidos (entre los satu-rados son lquidos desde el C5 al C16) Entre los gases destacan (metano, acetileno, propanoy butano) Otros son solidos (asfaltos, betunes, etc.) El petroleo tambien se encuentra en otrassustancias como en el nitrogeno, azufre, oxgeno, colesterina, derivados de clorofila, porfirinas,
vanadio, nquel, molibdeno, etc.
Se considera que el petroleo tiene un origen organico, por la presencia de materia organica
y por haber encontrado bacterias asociadas a sus yacimientos. A partir de restos de organismos
acuaticos, vegetales y animales que vivan en los mares, lagunas, desembocaduras de los ros,
etc., se produjo una degradacion de estos organismos, primero con bacterias aerobicas y luegola descomposicion de dio con bacterias anaerobicas.
-
15
Las fermentaciones bacterianas anaerobias descompuso la materia organica, originando sapro-
peles (cienos oscuros de olor putrido que posteriormente daran el kerogeno (producto piro-bituminoso negro de aspecto pulverulento) y los hidrocarburos mas densos. Estas reaccionesdesprendieron oxgeno, nitrogeno y azufre, que forman parte de los componentes volatiles.
El petroleo tiende a desplazarse hacia lugares donde la presion sea menor, en muchos ca-
sos hasta la superficie; ah se disipan los hidrocarburos volatiles (volcanes de fango, salsas ymacalubas), otros se oxidan solidificando, lo que produce betunes y asfaltos que impregnanlas rocas. Las bacterias oxidantes destruyen completamente el petroleo. Las aguas selenitosas
(con yeso en disolucion) destruyen tambien el petroleo originando acido sulfdrico, carbonatocalcico y agua.
Si durante la migracion encuentra un obstaculo (trampa petrolfera), el petroleo tiende a acu-mularse y a constituir un yacimiento. Son muy conocidas las trampas relacionadas con anticli-
nales, fallas, discordancias, domos salinos, las estratigraficas, etc.
Como esta constituido por hidrocarburos lquidos fundamentalmente puede tener en solucion
hidrocarburos gaseosos (los denominados crudos ligeros), o solidos (crudos pesados). Otrosconstituyentes pueden ser: compuestos sulfurados en diversas formas organicas, compuestos
nitrogenados, tambien de caracter organico, y compuestos oxigenados, como los acidos grasos.
El caracter mas importante de los crudos es su densidad, ya que es un reflejo directo de su com-posicion qumica. Aumenta con el porcentaje de hidrocarburos y productos pesados, en espe-cial de resinas y asfaltenos. Disminuye con la temperatura a la que se encontraba el petroleo en
su ambiente de generacion, lo que implica que los yacimientos profundos, contendran crudos
menos densos.
La densidad del petroleo es un indicador representativo de la calidad economica del crudo
y su valor se usa para fijar su precio a nivel mundial. La densidad del petroleo se define engrados API, que es una medida relativa respecto a la del agua. Los terminos comerciales que
se utilizan son: crudos ligeros (31.1oAPI); medios (22.3-31.1oAPI); pesados (10-22.3oAPI) yextrapesados (
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16
Otro indicador importante es su poder calorfico, que vara en funcion de la densidad, y, por
tanto, de la composicion qumica del petroleo.
La refinacion del petroleo consiste en separar el petroleo en fracciones pesadas y ligeras
(destilacion fraccionada), purificar estas fracciones y crear por sntesis hidrocarburos utilesque no existen de forma natural. A 40 oC se separan metano, etano propano y butano; entre
40 y 180 oC naftas (pentano, hexano) y gasolinas (heptano, octano y nonano); entre 200 y300 oC queroseno (decano - hexadecano); a 350 oC fuel (con hidrocarburos de 20 a 40 atomosde carbono), que se utiliza como combustible en motores, calderas, etc. Queda un residuosemisolido que son las vaselinas (utilizadas para pomadas y lubricantes), las parafinas y losalquitranes (impermeabilizantes) La separacion de productos pesados puede llegar hasta la ob-tencion del coque del petroleo, usado en la fabricacion de tintas y electrodos.
2.1.1.4 Los Hidrocarburos solidos
Se incluyen aqu los hidrocarburos naturales de caracter solido. Pueden ser de dos tipos
diferentes: hidratos de metano, bitumenes y asfaltos.
Los hidratos de metano son moleculas 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 tem-peraturas y las altas pesiones del agua. Se estima que la cantidad de energeticos contenidos
en los hidratos de metano duplica el total de los energeticos que existen en forma de carbon,
petroleo y gas natural. [13]
La familia de los bitumenes es mas importante, ya que aparece en dos tipos de yacimien-
tos ya bien conocidos: arenas asfalticas (tar sands), y pizarras bituminosas (oil shales). Losbitumenes se pueden definir, desde el punto de vista de explotacion, como mezclas viscosas
naturales de hidrocarburos de molecula muy pesada, y productos sulfurosos minoritarios. Su
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17
alta densidad y viscosidad impide su explotacion convencional por bombeo. Los hidrocarburos
semirrefinados que se pueden extraer de los bitumenes reciben el nombre de crudos sinteticos.
Las rocas que contienen proporciones importantes de estos bitumenes pueden ser de dos tipos:
Arenas asfalticas y pizarras bituminosas.
Las Arenas asfalticas son rocas sedimentarias de tipo arenas gruesas, bien clasificadas,
porosas y permeables, consolidadas o no, que contienen productos petrolferos pesados, en las
que el bitumen representa del orden del 18 al 20% en peso de la roca. Su viscosidad es muy el-
evada, por lo que no pueden ser recuperados por medios tradicionales. Desde el punto de vista
geoqumico, estan formadas fundamentalmente por asfaltenos y productos complejos ricos ennitrogeno, azufre, oxgeno, frente a productos saturados y ligeros.
Las pizarras bituminosas son rocas sedimentarias pelticas (arcillosas), menos a menudocarbonatadas (margas), ricas en kerogeno y pobres en bitumen (0.5-5%), y capaces de producirhidrocarburos por pirolisis, a unos 500oC. Ocasionalmente reciben la denominacion de es-
quistos bituminosos, lo que resulta equvoco con respecto a su naturaleza petrografica, puesto
que nunca se trata de materiales metamorficos. La materia organica que contienen esta formada
por restos de algas lacustres o marinas. Su composicion qumica 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 carbon
El carbon termico, es decir, de aquel mineral que por su bajo contenido carbonfero, solopuede utilizarse como combustible. La reserva probada de este energetico es del orden de 100
millones de toneladas, aun cuando la probable asciende hasta 650 millones. En 1995 existan ya
dos centrales carboelectricas, Ro Escondido y Carbon II, con capacidad total de 1,900 MW y
700 MW adicionales en proceso de construccion. Se estima que el carbon termico disponible,
apenas si servira para satisfacer las necesidades de combustible de estas instalaciones, en el
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termino de su vida util.
El carbon es una roca sedimentaria combustible con mas del 50% en peso y mas del 70%
en volumen de materia carbonosa, formada por compactacion y maduracion de restos vegetales
superiores, como consecuencia de la evolucion de esta materia organica de origen vegetal que
se acumula en determinadas cuencas sedimentarias. Desde el punto de vista estratigrafico, es
una roca sedimentaria organoclastica de grano fino, compuesta esencialmente por restos litifi-
cados de plantas, que aparece constituyendo secuencias caractersticas que reciben el nombre
de ciclotemas, que se muestra en la fig 2.1.
Ademas es el combustible fosil mas abundante pero tambien de los mas contaminantes.
Constituyo la principal fuente energetica durante la revolucion industrial, pero ha disminuido
su utilizacion por la competencia economica con otros recursos energeticos y por los problemas
ambientales que ocasionan su explotacion y combustion.
Los principales depositos vegetales que han originado los carbones son:
1. Las criptogamas vasculares (plantas sin flores), que abundaron en el Carbonfero y elPermico. Han originado los depositos de hulla y antracita.
2. Las conferas del periodo Cretacico y de la era Terciaria, que han originado los lignitos.
3. Los musgos y plantas herbaceas del final del terciario y actuales que han propiciado la
formacion de turba. [14].
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19
Figura 2.1 Ciclotemas
2.1.2 Recursos Energeticos Nucleares
Estos energeticos son los empleados en los reactores nucleares para la generacion de en-
erga.
2.1.2.1 Uranio
Uranio.- Elemento qumico de smbolo U, numero atomico 92 y peso atomico 238.03 gr/gr-
mol . Pertenece a la familia de los actnidos, a 1132oC alcanza su punto de fusion y a los
3818oC su punto de ebullicion. El uranio natural esta constituido por la combinacion de tres
isotopos: U-234, U-235 y el U-238. En la tabla 2.2 se muestran algunas de sus caractersticas
mas 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 concentracion promedio es 4 partes por
millon (ppm). El contenido total en la corteza terrestre hasta la profundidad de 25 m, se estimaen 9.9E(16)kg; Se conocen cientos de minerales que contienen uranio, pero solo unos pocosson de interes comercial.
A causa de la gran importancia del isotopo fisionable U-235, se han ideado metodos indus-
triales un tanto complejos para su separacion de la mezcla de isotopos naturales. El procesode difusion gaseosa, que se utiliza en Estados Unidos en tres grandes plantas, es el proceso
industrial principal. Otros procesos que se aplican en la separacion del uranio incluyen la
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20
Tabla 2.2 Propiedades del Uranio
Nombre Uranio
Numero atomico 92
Valencia 3,4,5,6
Estado de oxidacion +3
Electronegatividad 1.7
Radio covalente (A) 1.42Radio ionico (A) 1.11Radio atomico (A) 1.56Primer potencial de ionizacion (eV) 1.7Masa atomica (g/mol) 238.03Densidad (g/ml) 19.07Punto de ebullicion (oC) 3818Punto de fusion (oC) 1132Descubridor Martin Klaproth 1789
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21
Figura 2.2 Barra de uranio
centrifugacion, en el que le hexafluoruro de uranio gaseoso se separa en centrifugadoras en
cascada, el proceso de difusion termica lquida, la boquilla de separacion y la excitacion laser.
El uranio es un metal muy denso, fuertemente electropositivo y reactivo, ductil y maleable,
pero mal conductor de la electricidad. Muchas aleaciones de uranio son de gran interes en
la tecnologa nuclear, ya que el metal puro es qumicamente activo y anisotropico y tiene
propiedades mecanicas deficientes. Sin embargo, las varillas cilndricas de uranio puro re-
cubiertas con silicio y conservadas en tubos de aluminio (lingotes), se emplean en los reactoresnucleares. Las aleaciones de uranio son utiles en la dilucion de uranio enriquecido para re-
actores y en el suministro de combustibles lquidos. El uranio agotado del isotopo fisionable235U se ha empleado en el blindaje de los contenedores para almacenamiento y transporte demateriales radiactivos.
El uranio reacciona con casi todos los elementos no metalicos y sus compuestos binarios.
Se disuelve en los acidos clorhdrico y ntrico, pero muy lentamente con los acidos no oxi-
dantes: sulfurico, fosforcio o fluorhdrico. El uranio metalico es inerte en relacion con los
alcalis, pero la adicion de peroxido provoca la formacion de peruranatos solubles en agua.
El uranio reacciona reversiblemente con el hidrogeno para formar UH3 as 250oC (482oF).Los isotopos de hidrogeno forman deuteriuro de uranio, UD3, y tritiuro de uranio, UT3. El
sistema uranio-oxgeno es extremadamente complejo. El monoxido de uranio, UO, es una es-pecie gaseosa que no es estable por debajo de los 1800oC (3270oF).
-
22
En el intervalo de UO2 a UO3 existe gran numero de fases. Los halogenuros de uranio
constituyen un importante grupo de compuestos. El tetrafluoruro de uranio es un intermediario
en la preparacion del metal y el hexafluoruro. El hexafluoruro de uranio, el compuesto de
uranio mas volatil, se emplea en la separacion de isotopos de U-235 y U-238. Los halogenuros
reaccionan con oxgeno a temperaturas elevadas para formar uranilos y finalmente U3O8. [15]
2.1.2.2 Plutonio
Plutonio .- Elemento qumico, smbolo Pu, numero atomico 94. Es un metal plateado, re-
activo, de la serie de los actnidos. El isotopo principal de interes qumico es Pu-239, que tiene
una vida media de 24 131 anos. Se forma en los reactores nucleares. El plutonio-239 es fision-
able, pero puede capturar tambien neutrones para formar isotopos superiores de plutonio.
El plutonio-238, con una vida media de 87.7 anos. Se utiliza en fuentes de calor para
aplicaciones espaciales y se ha empleado en marcapasos cardiacos. El plutonio-239 se em-
plea como combustible nuclear en la produccion de isotopos radiactivos para la investigacion
y como agente fisionable en armas nucleares.
El plutonio muestra diversos estados de valencia en solucion y en estado solido. El pluto-
nio metalico es muy electropositivo. Se han preparado muchas aleaciones de plutonio y se han
caracterizado gran numero de compuestos intermetalicos.
En la tabla 2.3 se muestran algunas de sus caractersticas mas importantes, mientras que en
la figura 2.3 se muestra una fotografa de este material.
La reaccion del metal con hidrogeno produce dos hidruros, que se forman a temperaturas
tan bajas como 150oC. Su descomposicion arriba de los 750oC puede usarse para preparar polvode plutonio reactivo. El oxido mas comun es el PuO2, formado por ignicion de hidroxidos, ox-
alatos, peroxidos y los oxihalogenuros. El hexafluoruro de plutonio, el compuesto mas volatil
conocido de este elemento, es un agente fluorante poderoso. Se conocen algunos otros com-
puestos binarios. Entre estos estan los carburos, siliciuros, sulfuros y seleniuros, que son de
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23
Tabla 2.3 Propiedades del Plutonio
Nombre Plutonio
Numero atomico 94
Valencia 3,4,5,6
Estado de oxidacion +3
Electronegatividad 1.2
Radio ionico (A) 1.07Radio atomico (A) 1.63Masa atomica (g/mol) 242Punto de ebullicion (oC) 3235Punto de fusion (oC) 640Descubridor MG.T. Seaborg en 1940
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24
Figura 2.3 Plutonio
interes especial a causa de su naturaleza refractaria.
Por su radiotoxicidad, el plutonio y sus compuestos requieren tecnicas de manejo especialespara prevenir su ingestion o inhalacion; por ello, todo trabajo con plutonio y sus compuestosdebe efectuarse en caja de guantes. Para trabajar con plutonio, y sus aleaciones, que son at-acados por la humedad y por los gases atmosfericos, estas cajas pueden llenarse con helio oargon. [16]
2.1.2.3 Ventajas y Desventajas de estos energeticos
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, carbon y petroleo respectivamente.
La gran ventaja del gas natural con respecto a otros hidrocarburos es su menor ndice decontaminacion por energa producida. Esto se debe a que el gas natural es metano en un estado
muy puro, por lo que su emision de CO2 viene a ser la mitad que le corresponde al petroleo o
al carbon. Ademas las fuentes de aprovisionamiento estan mas extendidas que para el petroleo
Muchos expertos ven en el gas natural la energa fosil del futuro en la medida en que es una
energa mas limpia.
La ventaja del carbon esta en su bajo precio en las explotaciones a cielo abierto pero suinconveniente es una contaminacion mayor que los hidrocarburos, salvo el caso de la hulla,
que contribuye al efecto invernadero.
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25
Figura 2.4 Reservas de gas natural
Figura 2.5 Reservas de carbon
Figura 2.6 Reservas de petroleo
-
26
El petroleo, en cambio, como combustible tiene mas desventajas que ventajas como sufuturo desabastecimiento, las grandes emisiones de contaminantes a la atmosfera entre muchos
mas; Una ventaja podra ser su precio relativamente bajo y que se tienen conocimientos masavanzados para utilizarlo como energetico.
La energa nuclear tiene la gran ventaja es que, si obviamos los costes ambientales y susriesgos, producen electricidad a muy bajo coste. [17]
2.1.3 Recursos energeticos renovables
Estos son los recursos energeticos que se renuevan, como es la lena, la energa hidraulica,
la eolica y la solar. Debido a su inclusion en los ciclos de la naturaleza, son muy compatibles
con el medio ambiente. El agua y el viento se usan esencialmente para la produccion de energa
electrica.
A continuacion veremos como se origina la energa 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 energa en el mundo, gracias a el obtenemos el calor nece-
sario para que se de la vida en nuestro planeta. La temperatura de su superficie es de cerca
de 6.000 C. El diametro del Sol es de 1 400 000 km, que es mas de 100 veces mayor que el
diametro de la Tierra y su masa es mas de 300 000 veces mayor que la masa de la de la Tierra.
La fuente de energa en el Sol, es la fusion de nucleos de hidrogeno (protones) en nucleos dehelio. En este proceso, se pierde una pequena cantidad de masa que es transformada en energa.
Esta reaccion nuclear, solo puede ocurrir en el muy caliente (15 000 000 C) y denso centrodel Sol.
2.1.3.2 Composicion y Estructura
La cantidad total de energa emitida por el Sol en forma de radiacion es bastante constante,
y no vara mas que unas pocas decimas de un 1% en varios das. Esta energa se genera en
-
27
las profundidades del Sol. Al igual que la mayora de las estrellas, el Sol se compone sobre
todo de hidrogeno (71%); tambien contiene helio (27%) y otros elementos mas 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 nucleos de los atomos de hidrogeno individuales actuanentre s, experimentando la fusion nuclear.
El resultado neto de estos procesos es que cuatro nucleos de hidrogeno se combinan para
formar un nucleo de helio, y la energa surge en forma de radiaciones gamma. Una enorme
cantidad de nucleos reacciona cada segundo, generando una energa equivalente a la que se
producira por la explosion de 100 000 millones de bombas de hidrogeno de un megaton por
segundo.
La combustion nuclear del hidrogeno en el centro del Sol se extiende a un 25% del radio
solar. La energa producida de esta forma es transportada a la mayor parte de la superficie solar
por radiacion. Sin embargo, mas cerca de la superficie, en la zona de conveccion que ocupa el
ultimo tercio del radio solar, la energa es transportada por la mezcla turbulenta de gases.
La fotosfera es la superficie superior de la zona de conveccion. Se pueden ver pruebas de la
turbulencia en la zona de conveccion observando la fotosfera y la atmosfera situada encima de
ella. Las celulas turbulentas de la fotosfera le confieren una apariencia irregular y heterogenea.
Este modelo, conocido como granulacion solar, lo provoca la turbulencia en los niveles mas
altos de la zona de conveccion. Cada granulo mide unos 2 000 km de ancho. Aunque el
modelo de granulacion siempre esta presente, los granulos individuales solamente duran unos
10 minutos. Tambien se presenta un modelo de conveccion mucho mayor, provocado por la
turbulencia que se extiende en las profundidades de la zona de conveccion. Este modelo de
sobregranulacion contiene celulas que duran un da y tienen 30 000 km de ancho como media.
-
28
El Sol pierde medio millon de toneladas cada segundo en esta destruccion de masa para
producir energa, pero mantendra su actual produccion de energa durante cerca de 5 000 mil-
lones de anos. Eventualmente todo el hidrogeno en el centro se habra 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 energa del Sol, que empuja la materia hacia afuera se perdera, entonces el centro secontraera y se hara aun mas caliente, mientras que la parte exterior se expandira y se enfriara.
El Sol sera entonces mas brillante, mas fro, y mayor una estrella roja gigante. [18]
2.1.3.3 El viento
El viento se produce por efecto de la energa solar ya que, el aire caliente tiende a subir
en la atmosfera por tener una densidad menor que la del aire fro, esto genera un flujo de aireque es cclico, debido a que en las capas mas altas de la atmosfera el aire caliente se enfra por
la altura, baja presion y falta de objetos radiados por el sol que transfieran calor al aire, comolas plantas y el suelo, as que este aire fro vuelve a caer. El viento tambien se produce por
otros factores como los movimientos de traslacion y rotacion de la tierra, el movimiento de las
placas tectonicas, los oceanos y un poco el desplazamiento de los seres vivos y objetos creadospor 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 hori-
zontal, mientras que los movimientos de aire en sentido vertical se conocen como corrientes
de conveccion.
La medicion de la velocidad y direccion del viento se efectua con instrumentos registradores
llamados anemometros, que dispone de dos sensores, uno para medir la velocidad y otro para
medir la direccion del viento. Las mediciones se registra en anemografos. Para que las medi-
ciones sean comparables con las mediciones efectuadas en otros lugares del planeta, las torres
con los sensores de velocidad y direccion deben obedecer a normativas estrictas dictadas por
la OMM - Organizacion Meteorologica Mundial.
-
29
La direccion del viento depende de la distribucion y evolucion de los centros isobaricos pero
el viento se desplaza siempre de la alta a la baja presion y su velocidad es tanto mayor cuantomayor sea el diferencial de presion entre ambas. Sin embargo, el efecto Coriolis, debido al
movimiento de rotacion de la Tierra , hace que ese movimiento sea en sentido horario alrededor
del centro del anticiclon y en sentido anti-horario alrededor del centro de la borrasca, tal como
se representa en los mapas isobaricos.
En esos mapas, la diferencia de presion antes mencionada se representa por unas lneas
isobaricas mas o menos juntas de tal forma que cuanto mas juntas esten las isobaras, masfuerza tendra el viento y cuanto mas separadas, menos.
La velocidad del viento se mide preferentemente en nautica en nudos y mediante la escala
Beaufort. El almirante ingles Francis Beaufort publico en 1806 su celebre escala de 12 gra-
dos para expresar la fuerza del viento. En 1874 fue adoptada por el Comite Meteorologico
Internacional. Esta escala se muestra en la tabla 2.4
As pues, es la velocidad lo que determina la fuerza del viento pero sea cual sea esa fuerza,
podemos hablar de manera generica de dos tipos de viento:
Vientos de regimen general: Los que se producen a nivel global, planetario, por difer-encias de calor entre las grandes masas de tierra y agua. Estos vientos pueden variar a lo
largo del ano en funcion de la estacion por la mayor o menor proximidad de la Tierra al
sol y el distinto angulo de incidencia de sus rayos.
Vientos locales: Se producen por la situacion geografica especfica de una zona o region.Por ejemplo la proximidad a una masa de agua, que da lugar a las brisas termicas. Asmismo, puede tratarse de un viento de regimen general que adopta caractersticas es-
pecficas en una region debido a su orografa. [19]
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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 debil
3 3.4 - 5.4 7 - 10 12- 29 Brisa debil.
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.
12 >32.7 >64 >118 Temporal huracanado.
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31
2.1.4 Los recursos energeticos de Mexico y la generacion de energa electrica.
En terminos generales podemos afirmar que nuestro pas es rico en recursos energeticos,
aunque los mas importantes son de tipo no renovable. A continuacion haremos una breve re-
vision de los mismos. Dado que la energa electrica es la que en mayor grado influye en el
desarrollo economico y social de los pueblos, dicha revision la haremos del punto de vista del
potencial que los distintos recursos tienen, por lo que se refiere a la produccion de electricidad.
Hidrocarburos
Estos son con mucho los mas significativos; cabe hacer mencion de que Mexico es basicamente
un pas monoenergetico, ya que la oferta interna bruta de energa, ha dependido en mas del 85%
de estos recursos.
Segun reportes oficiales, a fines de 1996, nuestras reservas de hidrocarburos ascendan a
60,900 millones de barriles de petroleo crudo equivalentes. Considerando que a principios de
la decada de los 80 tales reservas eran de 72,000 millones de barriles, la explotacion del recurso
lo hizo disminuir en un 15.3% a pesar de las adiciones a la reserva ocurridas en esos 16 anos.
El crecimiento de la produccion industrial, as como de la poblacion, haran seguramente que
la extraccion de hidrocarburos que ya era de 3 millones de barriles diarios a principios de 1997
continue aumentando, lo cual hara que las reservas se agoten a mediados del siglo XXI, si no
se consigue elevarlas significativamente o no se frena la explotacion, desplazando hacia otro
tipo de energeticos la demanda de hidrocarburos.
Energa hidraulica
Aun cuando en 1979 se estimaba que el potencial hidraulico del pas ascenda a 172,000 mil-
lones de kWh (172 TWh), estudios posteriores revelaron que el potencial aprovechable era tansolo de 80 TWh, de los cuales para 1995, las 76 centrales hidroelectricas en funcionamiento,
-
32
con capacidad total de 9,131 MW, representaban ya alrededor del 33% de ese potencial.
Para el ano 2004, la Comision Federal de Electricidad ha programado la instalacion de
2,507 MW adicionales de este tipo de instalaciones, con lo cual la utilizacion del potencial
disponible, se elevara al 52%; los 37 TWh restantes, seguramente se aprovecharan totalmente,
antes de que concluya la primera mitad del siglo XXI.
Energa geotermica
La reserva probada era en 1995 alrededor de 1,300 MW y la probable, del orden de 4,500
MW, repartidos en poco mas de 15 sitios.
Para 1995 existan ya 5 centrales geotermicas con capacidad de 740 MW, mas 133 MW
adicionales, cuyas instalaciones se encontraban en proceso de construccion, planeandose lle-
gar al ano 2004 con una capacidad total de 853 MW, con lo cual se estara utilizando el 66% de
la reserva probada.
Carbon termico
No analizaremos aqu las reservas de carbon mineral susceptible de industrializarse que ex-
isten en el pas, sino unicamente las del carbon termico, es decir, de aquel mineral que por su
bajo contenido carbonfero, solo puede utilizarse como combustible.
La reserva probada de este energetico es del orden de 100 millones de toneladas, aun cuando
la probable asciende hasta 650 millones.
En 1995 existan ya dos centrales carboelectricas, Ro Escondido y Carbon II, con capaci-
dad total de 1,900 MW y 700 MW adicionales en proceso de construccion.
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33
Se estima que el carbon termico disponible, apenas si servira para satisfacer las necesidades
de combustible de estas instalaciones, en el termino de su vida util.
Uranio
Las reservas probadas de uranio en Mexico, son de 14,600 toneladas, de las cuales 10,600
son economicamente explotables. Estas reservas aseguran el combustible necesario, para abaste-
cer los dos reactores de la central nucleoelectrica de Laguna Verde durante toda su vida, con
un excedente del 30%.
Cabe mencionar que la exploracion del territorio mexicano en busca de este recurso, ha
cubierto solamente una pequena parte de su superficie, por lo que es muy probable que las
reservas aumenten al reanudarse los trabajos de exploracion.
Nuevas fuentes de energa
Existe un gran interes tanto en la Secretara de Energa como en la Comision Federal de elec-
tricidad, por aprovechar significativamente las llamadas energas blandas particularmente por
lo que se refiere a la energa solar, de la cual existe un elevado potencial y de la eolica, que
aunque en menor grado, tambien es abundante.
A mediados de la decada de los 90, se contaba ya con varias instalaciones experimentales
para el aprovechamiento de la energa solar y la primera eolica, con una capacidad de 1,575
kW en siete unidades de 225 KW.
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34
2.2 Generacion de Energa Electrica
Esta trata basicamente de un proceso en el cual se transforma un tipo de energa como lo
puede ser qumica, mecanica, termica, luminosa, etc, en energa electrica. En la generacion
de energa electrica se utilizan diferentes dispositivos, antes de discutir estos, vamos a revisar
algunos conceptos importantes .
2.2.1 Principios de la generacion de energa electrica
Para entender el proceso de generacion de energa electrica vamos a revisar algunos princi-
pios fundamentales.
2.2.1.1 Ley Circuital de Ampere
2.2.1.2 Forma integral
Dada una superficie S por la que atraviesa una corriente electrica I , y dada la curva de
contorno C, de la superficie S, la forma original de la ley de Ampere para medios materiales
es:
c
H dl =
s
J dS = Ienc (2.1)
donde:H es el campo magnetico
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 traves de un medio,esta inducira un campo magnetico que rodeara al medio conductor. Este campo magnetico
estara rodeando a una cantidad de corriente (la corriente encerrada)
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35
2.2.1.3 Forma diferencial
A partir del teorema de Stokes, esta ley tambien se puede expresar de forma diferencial:
XH = J (2.2)
donde J es la densidad de corriente que atraviesa el conductor.
2.2.1.4 Ley de Ampere-Maxwell
La ley de Ampere-Maxwell o ley de Ampere generalizada es la misma ley corregida por
James Clerk Maxwell debido a la corriente de desplazamiento y creo una version generalizada
de la ley.
2.2.1.5 Forma integral
c
H dl =
s
J dS + d
dt
s
D dS (2.3)
Siendo el ultimo termino la corriente de desplazamiento.
Donde D es vector de densidad de Campo Electrico. [21].
2.2.1.6 Forma diferencial
Esta ley tambien se puede expresar de forma diferencial, para el vaco:
XB = 0J + 00E
t(2.4)
o para medios materiales:
XH = J + D
t(2.5)
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36
2.2.1.7 Ley de induccion de Faraday
La Ley de induccion electromagnetica de Faraday (o simplemente Ley de Faraday) se basaen los experimentos que Michael Faraday realizo en 1831 y establece que el voltaje inducidoen un circuito cerrado es directamente proporcional a la rapidez con que cambia en el tiempo
el flujo magnetico que atraviesa una superficie cualquiera con el circuito como borde:
s
E dl = d
dt
s
B dA (2.6)
Supongamos que la espira gira con velocidad angular constante . Al cabo de un cierto
tiempo t el angulo que forma el campo magnetico y la perpendicular al plano de la espira es
t. El flujo del campo magnetico B a traves de una espira de area S es:
=B S = B S cos(t)
La fem en la espira es:
V = ddt
= BS sin(t) (2.7)
La fem V vara sinusoidalmente con el tiempo, como se muestra en la figura 2.8. La fem
alcanza su valor maximo en valor absoluto cuando t = pi/2 o 3pi/2, cuando el flujo esel mnimo (el campo magnetico esta en el plano de la espira), y es nula cuando t = 0 o pi,cuando el flujo es maximo (el campo magnetico 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 magnetico B sobre un portador de carga positivo que semueve con velocidad v es el producto vectorial.
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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 modulo es v = b/2. y el vectorcampo
B en la posicion que ocupa un portador de carga positivo.
Como v y B forman el angulo t, el modulo de la fuerza es:
fm = q(b/2) B sin(t)
El campo En = fm/q que impulsa las cargas (fuerza por unidad de carga positiva) es:
En = (b/2)B sin(t)
la fem V es:
V =
En dl = Ena+ Ena = SB sin(t) (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 doslados es nulo.
El sentido de la corriente inducida es el mismo que el sentido de fm o de En (fuerza sobrela unidad de carga positiva). [22].
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Figura 2.8 Senal senoidal
Figura 2.9 Diagrama que muestra los angulos
Figura 2.10 Flujo magnetico
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2.2.2 Generadores de corriente alterna (alternadores)Un generador simple sin conmutador producira una corriente electrica que cambia de sen-
tido a medida que gira la armadura. Este tipo de corriente alterna es ventajosa para la trans-mision de potencia electrica, por lo que la mayora de los generadores electricos son de este
tipo.
En su forma mas simple, un generador de corriente alterna se diferencia de uno de corriente
continua en solo dos aspectos: los extremos de la bobina de su armadura estan sacados a los
anillos colectores solidos sin segmentos del arbol del generador en lugar de los conmutadores,
y las bobinas de campo se excitan mediante una fuente externa de corriente continua mas que
con el generador en s. Los generadores de corriente alterna de baja velocidad se fabrican conhasta 100 polos, para mejorar su eficiencia y para lograr con mas facilidad la frecuencia de-seada. Los alternadores accionados por turbinas de alta velocidad, sin embargo, son a menudo
maquinas de dos polos. La frecuencia de la corriente que suministra un generador de corriente
alterna es igual a la mitad del producto del numero de polos por el numero de revoluciones por
segundo de la armadura.
A veces, es preferible generar un voltaje tan alto como sea posible. Las armaduras rotato-rias no son practicas en este tipo de aplicaciones, debido a que pueden producirse chispas entre
las escobillas y los anillos colectores, y a que pueden producirse fallos mecanicos que podran
causar cortocircuitos. Por tanto, los alternadores se construyen con una armadura fija en la quegira un rotor compuesto de un numero de imanes de campo. El principio de funcionamiento
es el mismo que el del generador de corriente alterna, excepto en que el campo magnetico (enlugar de los conductores de la armadura) esta en movimiento.
La corriente que se genera mediante los alternadores descritos mas 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 este disenada la maquina. Este tipo de cor-
riente se conoce como corriente alterna monofasica. Sin embargo, si la armadura la componen
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40
dos bobinas, montadas a 90o una de otra, y con conexiones externas separadas, se produciran
dos ondas de corriente, una de las cuales estara en su maximo cuando la otra sea cero. Este
tipo de corriente se denomina corriente alterna bifasica. Si se agrupan tres bobinas de armadura
en angulos de 120o, se producira corriente en forma de onda triple, conocida como corriente
alterna trifasica. Se puede obtener un numero mayor de fases incrementando el numero de
bobinas en la armadura, pero en la practica de la ingeniera electrica moderna se usa sobre todo
la corriente alterna trifasica, con el alternador trifasico, que es la maquina dinamoelectrica que
se emplea normalmente para generar potencia electrica.
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 con-tinuamente, como se muestra en la fig 2.11.
Una armadura formada por bobinas de cable enrolladas entorno a un nucleo de hierro se
hace girar en un campo magnetico estatico.
El movimiento de las bobinas a traves del campo, genera una corriente electrica en los
cables.
Los cables estan 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 magnetico entre los dos polos del iman 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 maximo 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 magnetico 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
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42
Figura 2.14 Funcionamiento generador ac
Figura 2.15 Funcionamiento generador ac
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43
2.2.3 Plantas de Generacion de Energa Electrica
Dependiendo de la fuente primaria de energa utilizada, las centrales generadoras se clasif-
ican en:
Termicas o Termoelectricas
Nucleares
Hidroelectricas
Eolicas
Solares termoelectricas
Solares fotovoltaicas
Solares Mareomotrices
No obstante todos los tipos indicados, la mayor parte de la energa electrica generada
proviene de los tres primeros tipos.
Todas estas centrales, excepto las fotovoltaicas, tienen en comun el elemento generador,
constituido por un alternador, movido mediante una turbina que sera distinta dependiendo del
tipo de energa primaria utilizada.
En las centrales fotovoltaicas la corriente obtenida es continua y para su utilizacion es nece-
saria su conversion en alterna, mediante el empleo de dispositivos denominados inversores u
onduladores. [25]. Se explicara el funcionamiento de cada una de estas plantas generadores enlos siguientes temas.
-
44
2.2.4 Generacion de electricidad en Mexico
La generacion de energa electrica en la Comision Federal de Electricidad se realiza en
centrales hidroelectricas, termoelectricas, eolicas y nuclear. Al cierre del mes de diciembre
de 2006, la CFE conto con una capacidad efectiva instalada para generar energa electrica de
47,857.29* Megawatts (MW), de los cuales: 10,386.90 MW son de productores independi-entes (termoelectricas); 10,284.98 MW son de hidroelectricas; 22,258.86 MW corresponden alas termoelectricas de CFE; 2,600.00 MW a carboelectricas; 959.50 MW a geotermoelectricas;
1,364.88 MW a la nucleoelectrica, y 2.18 MW a la eoloelectrica.
2.2.4.1 Desarrollo de la capacidad instalada y de la generacion
Incluye 20 centrales de productores independientes de energa, (PIE) las cuales aparecenen el apartado de Centrales Generadoras. Informacion 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 generacion de energa electrica en Mexico de 1996 al 2006, mientras que en la
tabla 2.7 como en la tabla complemento 2.8 se muestra la variacion en la generacion de energa
electrica. [26].
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Tabla 2.5 Capacidad en MW instalada en Mexico de 1996-2002
1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002
CFE 33,920 33,944 34,384 34,839 34,901 36,236 36,855
PIES - - - - 484 1,455 3,495
Total 33,920 33,944 34,384 34,839 35,385 37,691 40,350
Tabla 2.6 Capacidad en MW instalada en Mexico del 2003-2006
2003 2004 2005 2006
CFE 36,971 38,422 37,325 37,470
PIES 6,756 7,265 8,251 10,387
Total 43,7273 45,687 45,576 47,857
Tabla 2.7 Generacion en TWh en Mexico de 1996 - 2002
1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002
CFE 149.97 159.83 168.98 179.07 188.79 190.88 177.05
PIES - - - - 1.20 4.04 21.83
Total 149.97 159.83 168.98 179.07 190.00 194.92 198.88
Tabla 2.8 Generacion en TWh en Mexico del 2003-2006
2003 2004 2005 2006
CFE 169.32 159.53 170.07 162.47
PIES 31.62 45.85 45.56 59.43
Total 200.94 205.39 215.63 221.90
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Captulo 3
Plantas generadoras de energa electrica
La energa electrica se produce en una planta generadora, que es un sistema donde un tipo
de energa se transforma en energa electrica. Una forma de clasificarlas es en Convencionales
y Alternas. Dentro de las convencionales tenemos la termoelectricas y las hidroelectricas;
mientras que en el grupo de las alternas tenemos las plantas solares y las eolicas.
3.1 Plantas Termoelectricas
Una planta termoelectrica es una instalacion industrial donde la energa potencial de un
combustible, o fuente de calor, se transforma en energa electrica.
Si el calor es natural, como el debido a la energa geotermica, la planta es geotermoelectrica,
si el calor proviene del proceso de combustion de algun combustible de origen fosil la planta
puede ser carboelectrica, de turbina de gas o de combustion interna. Si el calor proviene de la
fision del nucleo la planta sera nucleoelectrica.
Las plantas termoelectricas requieren un fludo de trabajo, como el agua o el aire, queabsorbe el calor del combustible produciendo que la energia cinetica del fludo de trabajo seincremente, con esta energa el fludo de trabajo pasa a el area donde esta la maquina motriz,como la turbina de vapor o de gas, donde la energa del fludo de trabajo se transforma enenerga mecanica; esta energa mecanica se utiliza, a traves de un generador electrico, para
generar energia electrica. En la maquina motriz el fludo de trabajo no cede toda la energa,por lo tanto el fluido de trabajo pasa a un sistema de condensado donde el calor no utilizado
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es removido y el fludo de trabajo, a traves de bombeo, se vuelve a insertar en la caldera pararepetir el ciclo.
En la figura 3.1 se muestra un esquema de una planta carboelectrica,
Figura 3.1 Planta termoelectrica
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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 presion
13. Turbina de media presion
14. Turbina de baja presion
15. Condensador
16. Calentadores
17. Torre de refrigeracion
18. Transformadores
19. Generador
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El funcionamiento de una central termoelectrica de carbon, como la representada en la
figura, es la siguiente: el combustible esta 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 presion, en la caldera (4) para sucombustion. Dentro de la caldera se produce el vapor que acciona los alabes de los cuerpos de
las turbinas de alta presion (12), media presion (13) y baja presion (14), haciendo girar el rotorde la turbina que se mueve solidariamente con el rotor del generador (19), donde se produceenerga electrica, la cual es transportada mediante lneas de transporta a alta tension (20) a loscentros de consumo. Despues de accionar las turbinas, el vapor pasa a la fase lquida en el
condensador (15).El agua obtenida por la condensacion del vapor se somete a diversas etapas de calentamiento
(16) y se inyecta de nuevo en la caldera en las condiciones de presion y temperatura mas ade-cuadas para obtener el maximo rendimiento del ciclo.
El sistema de agua de circulacion que refrigera el del condensador puede operarse en circuito
cerrado, trasladando el calor extrado del condensador a la atmosfera mediante torres de refrig-
eracion (17), o descargando dicho calor directamente al mar o al ro.Para minimizar los efector de la combustion de carbon sobre el medio ambiente, la central
posee una chimenea (11) de gran altura -las hay de mas de 300 metros-, que dispersa los con-taminantes en las capas altas de la atmosfera, y precipitadores (10) que retienen bue