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

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

ii

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

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

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.

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.

vii

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.

viii

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

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

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

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.

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.

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.

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

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,

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

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

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

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

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

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

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 (

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

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

18

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].

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

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

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

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

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.

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]

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.

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.

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.

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)

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)

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.

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].

38

Figura 2.8 Senal 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 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

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

42

Figura 2.14 Funcionamiento generador ac

Figura 2.15 Funcionamiento generador ac

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].

45

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

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