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1 CAPITULO 1 LOS SISTEMAS ELECTRICOS 1.1 Características de la Electricidad La electricidad es un bien de consumo que tiene una serie de características específicas que la distinguen de otros productos, la principal característica diferente es que no es almacenable, aunque es posible almacenar electricidad en baterías, pero por el precio, rendimiento y dificultad de manejo esta posibilidad en impracticable cuando se manejan las cantidades de energía habituales en el mundo desarrollado. En consecuencia, la electricidad debe producirse, transportarse en el mismo instante que es consumida, lo que provoca que los sistemas eléctricos sean sistemas dinámicos de gran complejidad, que además se ve agravada por su tamaño. En todo instante, ese enorme sistema dinámico debe mantener el equilibrio entre la generación y la demanda, y la falla de cualquier elemento puede provocar perturbaciones que se transmiten a todo el sistema casi instantáneamente. Otra particularidad de la electricidad tiene que ver con su transporte, no se trata de un producto que se pueda trasladar en forma de “paquetes” que se envían de un lugar a otro por el camino 2 más adecuado en cada momento. La energía eléctrica se transporta a través de redes en general malladas sin que se pueda elegir el recorrido, este depende de las leyes de Kirchoff que reparte las corrientes en función de las impedancias de las líneas y los otros elementos que constituyen las vías por donde circula la electricidad. Salvo en casos muy sencillos, lo único que se puede decir es que se inyecta energía eléctrica en un determinado punto y que se extrae en otro, resultando complicado asignar el tránsito a un trayecto determinado. El tamaño inmenso de los sistemas eléctricos se debe a su extensión, pues deben dar servicio a prácticamente todo punto habitado, llevando la energía que se ha producido en las centrales eléctricas, repartidas por la geografía en función de los distintos recursos existentes para proporcionar la energía primaria, sean estos la energía potencial o cinética del agua o los distintos combustibles aprovechables. Y para llevar la energía desde la generación hasta el consumo se necesitan las redes de transporte y distribución que conectan todo el sistema y le permiten funcionar como un todo. El control del suministro es realizado con sistemas de monitoreo conformados por potentes computadores situados en centros de gestión de la energía en los que se corren múltiples aplicaciones, algunos modelos determinan la generación que dará cobertura a la demanda en los distintos nodos de la red, otros calculan el flujo de carga por cada una de las líneas y trasformadores del sistema y las tensiones en los nodos de la red, bajo diversas hipótesis de funcionamiento o falla de los diversos componentes y determinan las mejores acciones a seguir en cada caso. Otros incluso examinan el comportamiento dinámico del sistema eléctrico ante diferentes tipos de perturbaciones. Algunos modelos no solo tratan de determinar la acción de control más adecuada cuando el problema ocurre, sino también de anticipar la posible ocurrencia, modificando en su caso las condiciones de funcionamiento del sistema de forma que no sea vulnerable ante las contingencias más probables. Sin embargo, esto no es todo, se debe tener en cuenta el aspecto económico, porque los operadores que hacen funcionar todo el sistema pueden ser empresas privadas que lógicamente intentan maximizar su beneficio o bien instituciones públicas que pretenden minimizar el costo del servicio. En cualquier caso, las implicaciones económicas de las diversas decisiones que se toman no se pueden obviar, salvo que esté en peligro la propia seguridad del sistema. Cuando la demanda crece durante el día en forma previsible, es deseable responder con los grupos de generación más económicos que aún tienen capacidad sin utilizar. El objetivo es conseguir cubrir la demanda con la generación de más bajo costo variable que esté disponible. Esto constituye una nueva dimensión en el funcionamiento de los sistemas eléctricos que aparece en todo momento, desde el despacho horario de los grupos de generación, hasta la selección de que grupos deben arrancar y parar y cuando, pasando por la utilización de las reservas hidroeléctricas, la programación del mantenimiento de los grupos y también las decisiones de inversión en nuevas instalaciones. 1.2 Desarrollo histórico de los Sistemas Eléctricos La energía eléctrica es una de las formas de utilización de energía más ampliamente difundida o más popular a nivel mundial debido a sus ventajas, ya que puede transportarse con alta eficiencia, de una forma muy fácil y a un costo razonable y sobre todo es la energía más ‘limpia’ y de mayor consumo final. Está presente en todos los procesos industriales y en prácticamente todas las actividades humanas, por lo que se puede considerar como insustituible. Por todas estas razones, es necesario que la construcción y operación de sistemas eléctricos de 3 generación, transmisión y distribución, sean más económicos, seguros, confiables y ambientalmente sostenibles. Sin embargo, su historia es relativamente reciente ya que el inicio de la tecnología eléctrica está aceptado situarlo en el último tercio del siglo XIX. Esa tecnología se desarrolla a partir de la base científica, experimental y teórica, que sobre la electricidad se había elaborado y formulado a lo largo de todo ese siglo. En 1871 Gramme presenta la primera dinamo industrial movida por una máquina de vapor, lo que supuso poder disponer de electricidad en forma de corriente continua y en cantidad “abundante”, sustituyendo así a las pilas utilizadas hasta entonces como únicas fuentes de electricidad (la pila había sido inventada por Alessandro Volta en el año 1800). Otro hito importante ocurrió el 4 de septiembre de 1882 cuando Thomas A. Edison, utilizando 6 generadores de corriente continua con una potencia total de 900 CV y unas 7.200 bombillas (inventadas también por él a finales de 1879), ilumina la calle Pearl en la ciudad de Nueva York, la Pearl Street Station, acontecimiento que tuvo una enorme repercusión en su momento y que se reconoce como el primer sistema de distribución de energía eléctrica utilizado para alumbrado público. La estación suministraba energía en corriente continua para iluminación a una pequeña área de Manhattan. El principal problema que tenían estos sistemas eran las pérdidas y las caídas de tensión, teniendo en cuenta el bajo nivel de la tensión nominal. Los circuitos eran formados con lámparas conectadas en serie, por lo tanto cualquier desperfecto en una luminaria, implicaba el apagado de todas las lámparas. Desde ese momento quedó claro el enorme potencial técnico y económico que representa la energía eléctrica; la carrera por su control y utilización fue imparable. Así, en el año, 1882, L. Gaulard y J. Gibbs presentan la primera patente del transformador, patente que en 1885 es comprada por George Westinghouse. Al año siguiente, en 1886, G. Westinghouse instala el primer sistema de alumbrado público en corriente alterna en Great Barnington (MA, EE.UU.) y funda su empresa para el desarrollo y utilización de la electricidad en corriente alterna: la Westinghouse Electric and Manufacturing Co. En 1888 Nikola Tesla inventa y patenta el primer motor de inducción, Westinghouse compra la patente y contrata a Tesla. En los años 1888 y 1889 se vive una apasionante guerra tecnológica y comercial: la lucha entre los defensores de los sistemas de corriente continua, encabezados por Edison a través de su empresa, la Edison General Electric Co., y los de los sistemas de corriente alterna, con Westinghouse a la cabeza. Los sistemas en corriente continua presentaban el gran problema de las pérdidas de energía por efecto Joule debidas a la intensidad de corriente que circulaba por el sistema, problema más gravecuanto mayor es la potencia demandada: para minimizar en lo posible esas pérdidas los generadores debían estar en las propias ciudades, en el centro de la zona que alimentaban (de ahí el nombre de “central” que todavía se utiliza en español para designar a las instalaciones de generación). La gran ventaja que supuso el poder transportar la energía eléctrica en corriente alterna desde las centrales generadoras, situadas a muchos kilómetros de los consumidores, gracias a poder elevar la tensión mediante transformadores, y el desarrollo y la utilización en la industria de los motores de inducción a partir de la patente de Tesla, dieron finalmente la victoria a los sistemas de corriente alterna. Con la presentación del primer sistema trifásico, entre Frankfurt y Lauffen, presentado en 1891 en la Exposición de Frankfurt y la construcción de la central de las Cataratas del Niágara en 1895, 4 la corriente alterna queda definitivamente aceptada como la forma de generar, transportar y distribuir la energía eléctrica. Sin duda, el paso de importancia revolucionaria para la extensión de la energía eléctrica a un elemento de consumo masivo fue el “transformador”. Este equipo permitió la utilización de altas tensiones y facilito la transmisión a distancias considerables, poniendo a disposición la potencia eléctrica en la puerta de cualquier consumidor. Los primeros sistemas eléctricos de potencia en corriente alterna se pusieron a trabajar prácticamente en forma simultánea en Inglaterra y Estados Unidos de Norteamérica en 1886. Estos pequeños sistemas de generación son los antecesores de las gigantescas centrales eléctricas disponibles en la actualidad, con participación privada y estatal, ya sea de orden nacional como internacional, tanto en la propiedad como en la explotación y concesión, funcionando en algunos países como verdaderas empresas comerciales, con fines de lucro y tratamiento del consumidor de energía eléctrica, no como un “usuario” sino en carácter de “cliente”, con todas las implicancias del significado de la palabra. Desde finales del siglo XIX y durante todo el siglo XX, el crecimiento de los sistemas eléctricos ha ido a la par del avance tecnológico de la sociedad, hasta el punto de considerar el consumo de energía eléctrica como uno de los indicadores más claros del grado de desarrollo de un país. Las redes de transmisión en general se fueron desarrollando en corriente alterna en alta tensión Debido a que la capacidad de transporte de las líneas en corriente alterna aumenta proporcionalmente con el cuadrado de la tensión, mientras que el costo por unidad de potencia transportada decrece con la misma. Fue por tanto claro el interés por superar las barreras tecnológicas que limitan el uso de tensiones más elevadas. En 1910 ya se habían alcanzado los 150 kV y en 1992 se puso en servicio la primera línea de 245 kV. Desde entonces, las tensiones máximas de utilización de corriente alterna no han dejado de aumentar. Sin embargo la corriente continua nunca se ha dejado de utilizar porque presenta ventajas sobre la alterna en determinadas aplicaciones, tales como la tracción eléctrica y particularmente el transporte de electricidad, sea con líneas aéreas, subterráneas o submarinas, cuando las distancias son excesivas para el uso de corriente alterna. La primera red moderna de este tipo, fue construida por la empresa ASEA en 1954 en Suecia, con una potencia de 20 MW y una tensión de 100 kV, empleándose rectificadores/inversores de vapor de mercurio, posteriormente se emplearon tiristores y se impuso la electrónica de potencia a partir de ese entonces. En el nuevo siglo, las instalaciones de corriente continua crecieron considerablemente, por ejemplo en China en el año 2014 ingresó en operación una línea de HVDC de 1680 km, 800 kV y de 8000 MW. En el 2018 en México se realizó la construcción de una línea de CD de 1200 km, 500 kV y 3000 MW. La frecuencia de la tensión alterna en estos sistemas fue otro parámetro básico de diseño que fue necesario elegir. La utilización de frecuencias más elevadas permite que los equipos de generación y consumo sean más compactos, pero por otro lado, aumentan las caídas de tensión en las líneas de transporte y distribución. Algunos países como USA, Canadá, países de América Central y los más septentrionales de América del Sur, adoptaron frecuencias de 60 HZ, mientras que el resto de países de América del Sur, en Europa y África se adoptaron los 50 HZ. En 1906 se creó la Comisión Electrotécnica Internacional, con el objetivo de normalizar en lo posible los 5 equipos eléctricos. Sin embargo no fueron capaces de unificar la frecuencia, que actualmente sigue dividiendo a los países en dos bloques. Las ventajas de interconectar entre si los distintos pequeños sistemas eléctricos aislados se hicieron pronto patentes porque la fiabilidad de cada uno de los sistemas individuales aumenta, por el apoyo que puede recibir de los demás en caso de emergencia y se reduce la necesidad de contar con capacidad de generación de reserva porque se puede contar con las reservas de los demás sistemas. Un sistema interconectado permite utilizar en cada momento las plantas de producción que más económicamente pueden cubrir la demanda, lo que es particularmente interesante cuando las demandas máximas de los distintos sistemas no coinciden en el tiempo y cuando la mezcla de tecnologías de generación, por ejemplo hidroeléctrica y térmica no es a la misma en cada sistema. . En cuanto al consumo de electricidad, se observa que la tendencia mundial se orienta a un aumento del consumo en kW per cápita, lo cual está estrechamente relacionado con el estándar de vida. Esta orientación obliga a los encargados de la previsión y planeamiento de los sistemas, a un considerable esfuerzo para poder responder a tales demandas, con índices de calidad altos y reservas del orden del 30%, con necesidades de ser incrementada para permitir el mantenimiento y la modificación del sistema. Además se observa un incremento de la participación de la energía eléctrica en el total energético, con una disminución del costo unitario causado por mejoras tecnológicas operativas. Figura No 1.1 Variación del costo de la energía 1.3 Aspectos de Organización La organización para planificar, operar y mantener los sistemas eléctricos en el tiempo ha ido evolucionando, adaptándose a las condiciones impuestas por el desarrollo tecnológico y en función a las teorías económicas predominantes en cada tiempo y lugar. Como se mencionó, las primeras aplicaciones industriales de la electricidad fueron de carácter estrictamente local, con un generador alimentando un conjunto cercano de cargas de iluminación. Así se fueron desarrollando, por iniciativa privada o pública, normalmente municipal, numerosos sistemas eléctricos aislados, fundamentalmente dedicados a la iluminación, urbana y posteriormente el funcionamiento de motores eléctricos con diversas aplicaciones. El concepto de empresa verticalmente integrada, es decir que genera, transporta, distribuye y comercializa la electricidad, surgió de manera natural y así se ha mantenido en muchos países hasta que hubo las reformas en esta industria. El enorme desarrollo del consumo eléctrico, las fuertes económicas de escala en la generación de electricidad y el aumento de la capacidad de 6 transmisión de las líneas a tensiones elevadas propiciaron el desarrollo de la red de transporte, frecuentemente bajo tutela de los Estados, para conectar los sistemas aislados, dando lugar a verdaderos sistemas nacionales. Las características especiales de la electricidad han motivado que su suministro se haya considerado como un servicio público en la mayoría de los países, propiciando la intervención del Estado para garantizar una calidad y precios razonables. Esta intervención en algunos casos se ha concentrado en la nacionalización de la industria eléctrica,como ha sido el caso de la mayor parte de los países europeos hasta los años noventa. En los casos restantes la intervención ha consistido en imponer a las empresas la regulación típica de un monopolio, fijando niveles obligatorios mínimos de calidad a cumplir, precios y tarifas que remuneren los costos incurridos incluyendo una rentabilidad razonable del capital invertido. A inicios de los años noventa una nueva visión de organización puso en tela de juicio la estructura de integración vertical de la empresa eléctrica y que se impuso en el mundo entero. La fuerte capacidad de interconexión de la red de transporte en la mayoría de los países y también entre países distintos, permite que generadores situados en cualquier nodo de la red puedan competir entre sí por suministrar electricidad a cualquier otro nodo de la red. Así es posible separar las actividades de red, estrictamente monopolistas de las de generación y comercialización, que pueden realizarse en régimen de competencia. Bajo esta nueva concepción de organización del sector eléctrico, la operación y la planificación de los sistemas de energía eléctrica cobran una dimensión diferente. Cada empresa de generación decide individualmente cuando y cuanto producir, la gestión del agua en sus embalses y los programas de mantenimiento de sus plantas. Las decisiones de inversión en nuevas plantas de generación no se toman centralizadamente por ninguna entidad o empresa responsable de garantizar el suministro, sino por inversores privados que consideran que su inversión resultara rentable y que no son responsables de la garantía del suministro global. 1.4 Los Sistemas Eléctricos Los sistemas eléctricos han evolucionado de forma parecida en todos los países convergiendo hacia una estructura y configuración técnica muy similar, están formados por todos los componentes necesarios para poder producir, transmitir y distribuir la energía eléctrica y se pueden agrupar en dos grupos: Sistema Eléctrico de Potencia (SEP) y Sistema Eléctrico de Distribución (SED). Los SEPs, están constituidos por generadores, transformadores y líneas de transmisión, se caracterizan por presentar alta redundancia, es decir son sistemas en malla, mientras que los SEDs, están constituidos por transformadores de distribución y redes de Media y Baja Tensión, presentan baja redundancia porque en general son sistemas radiales. Los sistemas eléctricos buscan proveer energía eléctrica con una continuidad del servicio, regulación de tensión, control de frecuencia y al menor costo posible. Básicamente el Sistema Eléctrico tiene los siguientes elementos: - Centrales o plantas de generación que producen la energía eléctrica - Líneas de transmisión de energía eléctrica de alta tensión - Estaciones transformadoras (subestaciones) que reducen la tensión de la línea 7 - Líneas de distribución de media y baja tensión - Centro de control eléctrico desde donde se gestiona y opera el sistema de generación y transporte de energía eléctrica Un aspecto importante en los sistemas eléctricos, es el hecho de que la electricidad debe generarse al mismo tiempo que se consume, por lo que debe existir siempre una igualdad entre la potencia demandada por los consumidores, con la potencia generada y que procede, en el caso de las centrales eléctricas convencionales, de la potencia mecánica que desarrollan las turbinas. La generación de energía eléctrica tiene lugar en las centrales eléctricas, siendo la mayor parte de las centrales hidráulicas y térmicas, tanto convencionales (de carbón, de fuel óleo, de gas, de ciclo combinado y de cogeneración) como nucleares. Actualmente se está ampliando el tipo de centrales y así, aunque aún con una potencia instalada mucho menor que las anteriores, existen centrales basadas en energías renovables (eólicas, fotovoltaicas, de biogás obtenido a partir de la biomasa o de residuos sólidos urbanos, etc.). Los alternadores de las centrales producen la energía eléctrica en media tensión, de 6 a 30 kV, tensión que se eleva mediante los transformadores de salida de la central para ser inyectada en la red de transporte. La frecuencia del sistema de corriente alterna que se genera es fija y está normalizada: 50 Hz en Europa y 60 Hz en gran parte de América, en el caso de Bolivia la frecuencia es de 50 Hz. La red de transporte y distribución está formada por las líneas que llevan esa energía hasta los consumidores. El transporte se hace en alta tensión (400, 230, 132 y 115 kV por ejemplo) para disminuir las perdidas. La red de alta tensión es una red geográficamente extensa, va en algunos casos, más allá de las fronteras de los países, y es mallada. En los nudos de esa malla, donde las líneas se interconectan (es decir, a donde llegan y de donde salen), se encuentran las subestaciones en las que están los transformadores, para cambiar a los niveles de tensión de las líneas, los elementos de mando y de protección, que sirven para manipular y proteger la red (interruptores, seccionadores, fusibles, pararrayos, etc.), y los elementos de medida, que permiten conocer en todo momento la situación del sistema y los valores de las variables más importantes. De algunas de esas subestaciones salen líneas a menor tensión que forman las redes de distribución en media tensión (de 34.5. 24.9 y 6.6 kV por ejemplo), mucho menos malladas y de menor tamaño, en las se encuentran los centros de transformación en los que la tensión se va reduciendo hasta que finalmente, y conforme el sistema llega hasta los últimos consumidores, se transforman en otras redes de baja tensión (380 y 220 V). Por último están los consumidores de esa energía eléctrica que se genera en las centrales que se conectan a la red de alta tensión (grandes industrias y redes de distribución en media tensión), de media tensión (industrias, distribución a las ciudades y redes de distribución en baja tensión) y de baja tensión (la mayoría de los consumidores como, por ejemplo, pequeñas industrias y los consumidores domésticos finales). Los primeros sistemas eléctricos estaban aislados unos de otros; el crecimiento de la demanda de electricidad y de la consiguiente capacidad de generación y de transporte, supuso un rápido proceso de concentración empresarial y de interconexión de esos pequeños sistemas dando lugar a otros mucho más grandes, tanto en potencia como en extensión geográfica, que son los que existen actualmente. La figura No 1.2, muestra un esquema de la composición de un 8 sistema eléctrico con sus distintos componentes con sus etapas definidas de Generación, Transmisión y Distribución de energía eléctrica. Figura No 1.2 Sistema Eléctrico En los recientes años, los sistemas eléctricos aumentaron en complejidad debido a las interconexiones entre países y al uso de nuevas tecnologías surgiendo conceptos como el Smart Grid (redes inteligentes) que utilizan la tecnología informática para optimizar la producción, el transporte y la distribución de electricidad con el fin de equilibrar mejor la oferta y la demanda entre productores y consumidores. La interconexión entre sistemas eléctricos permite garantizar el suministro eléctrico en un determinado territorio cuando un sistema en concreto no puede generar energía suficiente para cubrir la demanda. Esto sucede cuando se produce una punta extraordinaria e imprevista de consumo (por ejemplo. una ola de frío), o cuando algún o algunos centros de producción dejan de estar operativos temporalmente y no suministran energía al sistema. Por este motivo, cuanto más interconectados estén los sistemas eléctricos y mayor sea su capacidad de intercambio de energía, mayor será también la seguridad y calidad de servicio que proporcionen. Cargas en un Sistema Eléctrico de Potencia La carga de un sistema eléctrico está constituida por un conjunto de cargas individuales de diferentes tipos, industrial, comercial, domiciliario, iluminaciónpública, agua potable, etc. En general, una carga absorbe potencia real y potencia reactiva; es el caso de las cargas con 9 dispositivos de estado sólido, por ejemplo. Las cargas puramente resistivas absorben únicamente potencia real. De aquí que las cargas de un sistema eléctrico también se clasifiquen en lineales y no lineales. Topología de un Sistema Eléctrico Los tipos de configuración de un sistema eléctrico son radial, anillo y malla y cada uno presenta diferentes características de confiabilidad y económicas: - Sistema radial (menos confiabilidad y más económico): En un sistema radial, las cargas tienen una sola alimentación, de manera que una falla en la alimentación produce una interrupción en el suministro. Figura No 1.3 Sistema radial - Sistema en anillo (mayor confiabilidad y más costo): Con un sistema en anillo se tiene una doble alimentación y puede interrumpirse una de ellas sin causar una interrupción del suministro. Figura No 1.4 Sistema anillo - Malla o Red (mayor confiabilidad y mayor costo): Con éste tipo de sistema se aumenta el número de interconexiones y en consecuencia la confiablidad y seguridad del servicio de suministro de electricidad. Figura No 1.5 Sistema malla (red) 10 1.5 Sistemas de Generación Un sistema eléctrico tiene la constitución básica dada por la producción y el consumo de energía eléctrica, en otras palabras existen consumidores que demandan energía eléctrica y deben entonces existir medios de producción de energía eléctrica que pueden ser de diferente tipo. Estos medios de producción que son las centrales de generación, tienen el objetivo de producir la energía eléctrica que será consumida por la carga, con la máxima calidad y eficiencia que pueden ser del tipo: hidráulica, térmica, nuclear y centrales no convencionales. En sistemas eléctricos interconectados, no existen a la fecha consumidores alimentados solamente por una fuente, porque la alimentación combinada suministra una serie de ventajas como el ahorro que radica en el bajo costo operativo de las hidráulicas combinado con el bajo costo de inversión de las térmicas. En algunos casos se llegan a interconectar sistemas internacionales, para optimizar la reserva y aprovechar la diferencia en horas de luz y calor para despachar energía de un país a otro, transitando a través de un tercero. Por lo general la ubicación de las centrales eléctricas no coincide con la localización de la carga porque principalmente este está definido por razones debidas a la topología o accidente geográfico (centrales hidráulicas) o por razones de disponibilidad del recurso natural del combustible (más eficiente es el transporte de la energía que el del combustible). Por lo tanto, es necesario contar con una red de transporte para vincular el centro de producción con la carga. Prácticamente toda la generación de energía eléctrica disponible a nivel mundial se obtiene a través de máquinas de impulso de tipo rotativo, las mismas son accionadas a velocidades convenientes e impulsan generadores normalmente trifásicos del tipo sincrónico, dichos generadores alcanzan rendimientos muy elevados de manera tal que para propósitos de análisis sus pérdidas son despreciables. La generación no convencional con excepción de la eólica, no tiene valores de potencia instalada importantes en relación a las convencionales, aunque en los últimos años, la energía solar está teniendo un fuerte crecimiento debido a decisiones políticas de los países. Por otro lado, la cantidad de energía que el hombre está acostumbrado a utilizar para satisfacer sus necesidades, supera ampliamente las posibilidades actuales de los emprendimientos del tipo no convencional. Sin embargo en el momento en el que se produzca la disminución de rentabilidad de explotación o el agotamiento de las reservas de las convencionales, con toda seguridad, se estudiarán las alternativas con diferente perspectiva. Por razones constructivas no resulta ventajoso generar a mayor tensión que 30 kV, el límite está fijado por la combinación de la aislación eléctrica y su correspondiente aislación térmica, dificultando los diseños al existir la necesidad de emplearse conductores de mayor sección y por ende de mayor capacidad de corriente, normalmente los generadores trabajan a tensiones de 10 kV a 30 kV, por lo tanto, es necesario disponer de una subestación de elevación de la tensión para poder transmitir potencias elevadas de una forma eficiente Clasificación de las centrales de generación La clasificación de las Centrales Eléctricas, pude hacerse teniendo en cuenta muchos criterios. Para poder tener una idea concreta de la función de cada una de las centrales dentro del sistema eléctrico se puede clasificarlas en función de tres criterios: 11 - Clasificación según el origen de la energía - Clasificación según la operatividad diaria y estacional - Clasificación según su participación en la curva de carga Según el origen de la energía: Vapor a) Térmicas Turbogas Diesel Nucleares Gran Salto (Pelton) Regularizadas Medio Salto (Francis) Bajo salto (Kaplan) No regularizadas Pelo de agua (Francis o Kaplan) b) Hidráulicas Maremotrices (Kaplan) Bombeo (Francis o Kaplan) c) Eólicas d) Geotérmicas e) Solares Según su operatividad diaria y estacional: Nucleares a) Base Pelo de agua Vapor Turbogas Regularizadas b) Pico Diesel Vapor obsoletas Turbogas Obsoletas Vapor En años de máxima hidraulicidad c) Reserva Diesel Regularizadas (hidráulicas) Centrales de carga Base: Son las destinadas a suministrar la mayor parte de la energía eléctrica que demanda un sistema en forma continua, por lo general son centrales termoeléctricas de las de mayor potencia en el sistema, algunas hidroeléctricas y las nucleoeléctricas. Centrales de carga Pico: Son las que suministran la energía eléctrica en la horas de demanda pico y pueden ser centrales hidroeléctricas que operen en forma combinada para base y carga pico algunas o bien para cubrir pico no muy elevados por medio de plantas de gas o ciclo combinado por la ventaja de entrar en servicio rápidamente. 12 Centrales de Reserva: Son las que tienen como finalidad sustituir en forma parcial o total a las centrales hidráulicas usadas para carga base cuando falta agua o se presente una falla en la parte eléctrica, su operación se puede decir que es intermitente. Por lo general son pequeñas plantas termoeléctricas o termoeléctricas de baja eficiencia Según su participación en la curva de carga: En este criterio de clasificación se pretende ubicar a cada uno de los tipos de las centrales eléctricas en la curva de carga del sistema. Esta localización dependerá de las características propias de cada una de las unidades generadoras que componen el sistema de generación. En la figura 1.6 se observa esta clasificación. Si se toma como ejemplo el principal sistema eléctrico de Bolivia (Sistema Interconectado Nacional), donde existe una desintegración horizontal de la actividad de generación, el ingreso de cada una de las unidades generadoras es establecido por el Comité Nacional de Despacho de Carga (CNDC), según el despacho realizado en la programación diaria, semanal y estacional. En esta función de gestión, uno de los principales parámetros que se utiliza es el costo de generación de las centrales, teniendo en cuenta además la coordinación hidrotérmica. Figura No 1.6 Clasificación de las centrales según su participación en la curva de carga Dado que las centrales eléctricas deben suministrar energía eléctrica a diferentes tipos de consumidores (industrias, comercios, domicilios y alumbrado público entre otros) con características variadas y ubicadas en ciertos casos en forma geográfica dispersa y lo deben hacer en función de varios factores como son ladisponibilidad de generación, la economía de operación, etc., es muy útil hablar con propósitos de planificación, operación y diseño de centrales eléctricas, de lo que se conoce como las gráficas de curvas de carga. Las curvas de carga normalmente se obtienen por información directa de la operación de las centrales eléctricas identificándose la demanda máxima, mínima y el factor de potencia para los diferentes meses del año y que muestran por lo general grandes variaciones en la demanda de energía eléctrica. Con el objeto de tener una idea de las variaciones de esta demanda es común que se elaboren gráficas de demanda diaria en las centrales eléctricas (en el eje de las abscisas es normal que indique las horas del día y en el de las ordenadas el consumo de potencia en kW, MW ó GW) como se muestra en la figura 1.6. En una curva típica de demanda se puede observar que puede haber variaciones sensibles en el consumo de potencia a las diferentes horas del día particularmente en cuanto a la demanda por 13 alumbrado público se refiere, que es donde puede haber variaciones a la hora del consumo dependiendo de las estaciones del año ya que, por ejemplo los países que no están muy alejados de la línea del Ecuador no tienen una variación muy brusca en la hora que se obscurece, en tanto en los que sí existe este problema por estar distantes de la línea del Ecuador es notoria la diferencia entre las curvas de demanda de verano e invierno. Esta situación se presenta también en aquellos lugares en donde las condiciones del tiempo, es decir la temperatura cambia bastante de una estación del año a otra y entonces la demanda por calefacción y aire acondicionado aumenta en ciertas épocas del año y a ciertas horas. Dependiendo de los estudios de crecimiento de la demanda, para las distintas zonas de un país, se planifica la generación y el desarrollo de la red, la capacidad y ubicación de las centrales generadoras, pero estas no dependen necesariamente de los requerimientos del sistema, ya que por ejemplo una central hidroeléctrica está limitada por la capacidad de los recursos hidrológicos y su ubicación se fija de acuerdo a estos, en el caso de una termoeléctrica, su ubicación se define de acuerdo a un estudio técnico económico que generalmente considera dos alternativas: llevar el combustible a la central estando cercana al centro principal de consumo, ó bien instalar la central cerca del lugar de abasto de combustible y transportar mediante líneas de transmisión la energía eléctrica a los centros de consumo, por lo general esta última alternativa es preferida por ser más económica. Otro aspecto importante a considerar es que de acuerdo con las curvas de carga o demanda de energía eléctrica las centrales generadoras se pueden emplear para cubrir lo que se conoce como la Demanda Base o bien para cubrir los picos de la demanda o sea los excesos de demanda sobre la demanda media, en periodos más o menos cortos de tiempo con duración por ejemplo de una o dos horas, en este sentido es práctica común por razones de operación que las centrales termoeléctricas cubran la demanda base y las hidroeléctricas los picos de demanda, con relación a este problema tienen una gran importancia los tiempos necesarios para poner en marcha las unidades generadoras y de aquí se puede observar que las centrales termoeléctricas no se pueden usar para cubrir los picos de la demanda debido al tiempo que requieren para absorber carga del sistema, a este respecto se puede dar como una idea de orden de magnitud de estos tiempos los especificados en la Tabla Nº 1.1 La interconexión con la red eléctrica se hace en algunos segundos o fracciones de segundo. Tabla. No 1.1 – Tiempos de puesta en operación de centrales eléctricas Tipo de Central Arranque en Frío Absorción de carga a partir de operar en vacío Termoeléctricas 1.5 a 5.0 horas 10 a 30 minutos Termoeléctricas con turbinas de gas 2 a 6 minutos 30 segundos a 1 minuto Hidroeléctricas 20 segundos a 3 minutos 10 segundos a 3 minutos Los conceptos anteriores sirven para establecer que considerando los elementos de proyecto para una central eléctrica, esta no se puede proyectar para la demanda máxima ya que de acuerdo con las curvas de demanda se puede observar que en este caso trabajaría la mayor 14 parte del tiempo con carga reducida lo que equivale a decir que trabajaría con muy bajo rendimiento y su operación no resultaría económica esto hace ver la utilidad de la curva de demanda anual que se comienza trazando con la potencia máxima en el año y después los puntos que corresponden a todas las horas de un año (8760 horas) en orden decreciente, el área bajo la curva, representa el total de la energía eléctrica suministrada en un año, por lo que si se designa esta área por A, la carga media anual se calcula como: La figura 1.7 muestra la forma que tiene la curva de carga anual de una central eléctrica considerando las 8760 horas de un año. Figura No 1.7 Curva de demanda anual de una central eléctrica Otro aspecto a considerar es que el factor de potencia varia para la central dependiendo de la hora del día (tipos de carga). A partir de esto se puede establecer las características de carga para una central eléctrica por medio de conceptos que relacionan la carga que puede suministrar la central eléctrica y la demanda de energía eléctrica por parte de los consumidores, estos conceptos son principalmente los siguientes: - Potencia o capacidad instalada - Factor de demanda - Factor de instalación - Utilización anual - Factor de utilización - Factor de carga - Factor de reserva Potencia o capacidad instalada: representa la suma de todas las cargas instaladas en un sistema por que se le denomina “carga instalada” Factor de demanda: es la relación entre la demanda máxima que se presenta en un sistema y la potencia instalada. Este factor es variable, pero se puede tomar en los sistemas eléctricos de potencia un valor de 0.5 15 Factor de instalación: conocido también como factor de simultaneidad, es la relación entre la potencia total de la central y la carga conectada a la red que alimenta a la central. Utilización anual: es un factor que da una idea de las características de operación de una central anualmente. Se expresa como un cociente entre el número de horas anuales que debería trabajar una instalación a su plena carga para que la energía producida sea igual a la que la central produciría con su ciclo de carga variable. Factor de utilización: es un factor que da una idea de la utilización de una central eléctrica al año, se expresa como el cociente entre el número de horas de utilización anual y el número de horas que tiene un año. Factor de carga: es un indicativo de la naturaleza de la carga instalada y se define como la relación entre la potencia media y el pico máximo de un sistema. Factor de reserva: es la relación entre la potencia total de una central generadora considerada y la potencia máxima que ha de suministrar. Generación con combustibles fósiles La generación de electricidad a partir de combustibles fósiles ha sido el proceso de generación más importante del siglo XX y se anticipa que seguirá siendo dominante durante la mayor parte del siglo XXI. El uso de combustibles fósiles está siendo cuestionado, fundamentalmente por la producción de dióxido de carbono (CO2) que se emite a la atmosfera el cual contribuye a la acumulación de gases de efecto invernadero, que es uno de los impulsores del cambio climático. Sin embargo, también está claro que los combustibles fósiles y la energía nuclear, representan hoy en día las tecnologías capaces de cubrir significativamente la satisfacción de la demanda energética mundial. La Agencia Internacional de Energía (AIE) (World Energy Outlook 2008) prevé que para el año 2030, el porcentaje de electricidad generado con combustibles fósiles sea del 66%mostrando que no solo no disminuye el uso de esta fuente de energía, sino que aumenta ligeramente en este periodo de tiempo. La energía nuclear esta entrampada en una discusión polémica y política y aunque en algunos países se continua utilizando e incluso crece su participación, en la mayoría de los países desarrollados no se han instalado nuevas centrales y en algunos de ellos se está esperando llegar al final de su vida útil para desmantelarlas. Generación con diferentes tecnologías La generación con diferentes tecnologías tiene muchas y variadas justificaciones, la primera es económica que se deriva de la curva de perfil de carga de la demanda. El rango de costos fijos de inversión para construir la central la central y de costos de operación para generar con la central varía mucho de una tecnología a otra. Las centrales nucleares requieren altísimos costos de inversión, pero presentan costos de operación muy reducidos, que la convierte a la nuclear en una tecnología atractiva desde el punto de vista para cubrir la franja de la curva de carga que se extiende las 8760 horas del año. En el otro extremo, la tecnología basada en las turbinas a gas que tiene altos costos de operación pero bajos costos de inversión, por lo que es un tipo de 16 generación muy atractivo para cubrir las puntas de demanda durante las pocas horas del año en las que tiene lugar. También hay otras razones como la política estratégica y medio ambiental que explican la variedad tecnológica en generación eléctrica, por ejemplo asegurarse el abastecimiento de combustible con la mayor independencia posible de las crisis políticas y económicas, exigen adoptar estrategias de diversificación. Asimismo criterios económicos de internalización de los costos medioambientales y planteamientos de medio y largo plazo de sostenibilidad medioambiental, conllevan a tomar medidas regulatorias para la promoción de tecnologías de producción con menor impacto ambiental. La actividad de generación de energía eléctrica con grandes centrales se caracteriza económicamente por requerir una inversiones muy elevadas y amortizables a muy largo plazo (25 o 30 años) después de varios años de construcción (hasta 5, 10 años o incluso mas para centrales nucleares o centrales hidráulicas de gran tamaño) El elevado riesgo económico que lo anterior supone solo es asumible por entidades de propiedad pública o por la iniciativa privada cuando existe una garantía estatal suficiente, que asegure la recuperación de los costos de inversión y operación por medio de unas tarifas reguladas al efecto. La introducción de la tecnología de los ciclos combinados de gas ha modificado sustancialmente las condiciones de contorno, al disminuir significativamente el riesgo porque son centrales más flexibles, modulares y competitivas, de tamaño más reducido y con menor tiempo de construcción. 1.5.1 Centrales Hidroeléctricas Por central hidroeléctrica se entiende al complejo de obras civiles, hidráulicas y eléctricas que permiten transformar en energía eléctrica la energía potencial o cinética que contiene el agua de las caídas, de los embalses o los ríos y que depende también de un cierto desnivel entre la central y los ríos, caídas o embalses. Las centrales hidroeléctricas utilizan los ríos como recurso para generar energía. Primero, se construyen embalses donde el agua incide en una turbina hidráulica, produciéndose así energía mecánica, que es proporcionada a un generador para que este la convierta en energía eléctrica. La función de una central hidroeléctrica es utilizar la energía potencial del agua en energía mecánica y luego convertirla en energía eléctrica. Este proceso toma en consideración varios factores entre los cuales uno de los más importantes es la caída de agua. Este factor es decisivo al momento de escoger el tipo de turbina hidráulica que se instalará en la planta. Esto se logra al tomar el agua de una o varias fuentes (ríos, lagos, etc.) que se retiene en un embalse (como energía potencial), en un sitio con mayor elevación con respecto a la casa de máquinas. Esta agua se dirige por medio de la fuerza de la gravedad, a través de un sistema de conducción (túneles, canales, tuberías, tanques de oscilación, etc.), hasta llegar a la casa de máquinas, lográndose convertir la energía potencial en energía cinética (de movimiento) o energía hidráulica. Con su masa y velocidad, el agua hace girar las turbinas (tipo Pelton, Francis o Kaplan), ubicadas en la casa de máquinas, las cuales transforman la energía hidráulica en energía rotacional. Los generadores, que se encuentran acoplados a las turbinas por un eje en común, son los encargados de transformar la energía rotacional en energía eléctrica, la cual se traslada a la 17 subestación elevadora (ubicada cerca de la casa de máquinas); esta se encarga de elevar la tensión o voltaje para que la energía llegue a los centros de distribución con la debida calidad. Todo este proceso es administrado desde la sala de control de la casa de máquinas. La energía hidráulica que existe en forma natural esta suministrada por las precipitaciones atmosféricas que se presentan por efecto de la condensación del vapor de agua que contiene la atmosfera. El agua proviene de la lluvia por la evaporación de los océanos, ríos, lagos además de servir para otros fines tales como el riego y recreo, sigue siendo uno de los energéticos más importantes por las siguientes características: a) Disponibilidad b) No es contaminante c) Produce trabajo a la temperatura ambiente Una central hidroeléctrica consta generalmente de una presa que almacena una gran cantidad de agua, un aliviadero que libera el agua sobrante de forma controlada y una casa de máquinas. La central hidroeléctrica también puede contar con diques y otras estructuras de control y contención del agua, que no participan directamente en la generación de electricidad. La casa de máquinas contiene canales de conducción que hacen pasar el agua a través de unas turbinas que convierten el caudal lineal en caudal rotativo. El agua cae por las palas de la turbina o fluye horizontalmente a través de ellas. La turbina y el generador están interconectados. De este modo, la rotación de la turbina hace girar el rotor del generador. El potencial de energía eléctrica del caudal de agua es el producto de la masa de agua por la altura de caída y la aceleración gravitatoria. La masa depende de la cantidad de agua disponible y de su caudal. El diseño de la central eléctrica determina la altura de caída. En la mayoría de los diseños se introduce el agua desde un punto situado cerca de la parte superior de la presa y se descarga por la parte inferior al cauce fluvial existente aguas abajo. De este modo, se optimiza la altura mientras se mantiene un caudal razonable y controlable. En la mayoría de las centrales hidroeléctricas modernas, los turbogeneradores están orientados verticalmente (son las conocidas estructuras que sobresalen del piso principal de las centrales). Sin embargo, casi toda la estructura está situada por debajo de lo que puede verse en el piso principal. Se trata del foso del generador y, por debajo de éste, del foso de la turbina y las tuberías de alimentación y descarga. A estas estructuras y a los canales de conducción de agua sólo se entra ocasionalmente. En las centrales más antiguas, el turbogenerador es de orientación horizontal. El eje de la turbina sobresale de una pared hacia el interior de la casa de máquinas, donde se conecta al generador. Este último se parece a un enorme y anticuado motor eléctrico de carcasa abierta. Como testimonio de la calidad de diseño y construcción de estos equipos, algunas instalaciones de fin de siglo todavía continúan en funcionamiento. En ciertas centrales modernas se han incorporado versiones actualizadas de los diseños antiguos. En ellas, el canal de agua rodea completamente el turbogenerador y el acceso tienelugar a través de una camisa tubular que atraviesa el canal. En los devanados del rotor del generador se genera un campo magnético. La energía de este campo procede de baterías ácidas de plomo o alcalinas de níquel cadmio. El movimiento del 18 rotor y el campo magnético presente en sus devanados inducen un campo electromagnético en los devanados del estator. El campo electromagnético inducido crea la energía eléctrica que se suministra a la red. La tensión eléctrica es la presión eléctrica originada por el caudal de agua. Para mantener la presión eléctrica - es decir, la tensión- a un nivel constante, hay que modificar el caudal de agua que pasa por la turbina en función de la demanda o de cambio de condiciones. El flujo de electricidad puede producir un chisporroteo, por ejemplo en el conjunto excitador del rotor, que puede generar ozono, el cual, incluso a niveles bajos, resulta perjudicial para la goma de las mangueras contra incendios y otros materiales. Los generadores de energía hidroeléctrica producen altas tensiones e intensidades muy altas. Los conductores de los generadores se conectan al transformador de la unidad y desde éste a un transformador de potencia. El transformador de potencia incrementa la tensión y reduce la intensidad para su transmisión a larga distancia. Una baja intensidad minimiza la pérdida de energía por calentamiento durante la transmisión. En algunos sistemas se emplea como aislante el gas hexafluoruro de azufre en lugar de los aceites convencionales. El chisporroteo eléctrico puede descomponer este aislante en productos notablemente más peligrosos que el compuesto original. Los circuitos eléctricos contienen disyuntores que pueden desconectar el generador de la red eléctrica de forma rápida e impredecible. En algunas unidades se emplea un chorro de aire comprimido para romper la conexión. Cuando actúa una unidad de este tipo, se produce un altísimo ruido de impacto. No se debe olvidar que P = γQH, por lo tanto, la potencia de un rio será mayor cuanto más grande sea su caudal y desnivel. Al evolucionar la tecnología de la transmisión eléctrica, esta permitió el desarrollo de las plantas hidroeléctricas que se inició en 1910. Entre las fuentes energéticas la energía hidráulica representa un papel importante al menos en las actuales condiciones del desarrollo industrial y su uso por lo general solo se restringe por la disponibilidad de los recursos hidrológicos de un país. Las centrales hidroeléctricas utilizan la energía potencial del agua ya que muy rara vez se tiene la disponibilidad de disfrutar de una caída natural de agua que permita la inmediata instalación de las turbinas hidráulicas sin construir obras más o menos importantes. Por lo general se presenta en la mayoría de los casos la necesidad de crear en forma artificial el desnivel necesario a la masa del agua con el propósito de utilizar la energía disponible. La generación de energía eléctrica mediante centrales hidroeléctricas es una de las formas más económicas de conversión de energía desde el punto de vista de costos de operación, sin embargo los costos de inversión normalmente son muy elevados debido a la magnitud de las obras civiles asociadas. Las plantas hidroeléctricas, constituyen una de las principales fuentes de energía renovables, si bien dependen de la hidraulicidad de una cuenca, prácticamente sus costos variables de generación son despreciables. El agua no tiene “costo” -lo provee la naturaleza-, pero en períodos de sequía, se le puede asignar un costo; debido a que se debe respetar ciertas cotas 19 mínimas, además, parte de esas aguas se utilizan en regadíos, cría de peces, centros de recreación, etc. El sistema hidráulico generalmente se compone de múltiples embalses y plantas hidráulicas dispuestas en una o varias cuencas hidrográficas. La energía hidráulica disponible se obtiene por la acumulación de agua en los embalses. Se denomina salto de agua, al paso brusco de un caudal de agua, de un nivel superior a otro inferior, muchas veces este desnivel se logra mediante la construcción de una presa. Por medio del teorema generalizado de Bernoulli, se puede demostrar, que la potencia mecánica obtenible de un salto de agua, es proporcional a la altura útil del salto (altura real menos pérdidas de carga), al caudal y al rendimiento de la turbina utilizada. Desde el punto de vista estimativo, se puede considerar que la potencia obtenible es: P = 7.35 QH (kW) donde: Q - es el caudal en m3/seg. H - altura en metros En general, los tipos de embalse dependerán de la topografía y de la geología del lugar. Una posible clasificación entre centrales hidroeléctricas, está dada por el salto de agua disponible y el número específico de vueltas. donde: N – velocidad en rpm P – potencia en hp H – salto útil en pies Esta magnitud es muy importante para poder seleccionar el tipo de turbina En forma indicativa puede realizarse la siguiente clasificación: Valores de ns Tipo de turbina 12 a 50 Pelton 50 a 300 Francis 300 a 500 Francis extra rápidas 500 a 100 De hélice y Kaplan La clasificación más común de las instalaciones hidroeléctricas se hace en base a los siguientes elementos distintivos: - Salto o caída disponible: Se pueden clasificar en instalaciones de baja media y alta caía. Son de baja caída para alturas menores a 50 metros, media caída para alturas comprendidas entre 50 y 250 metros y de alta caída para alturas mayores de 250 metros. 20 - Capacidad: Se pueden clasificar como instalaciones de pequeña capacidad para gastos hasta 10 m3/seg., de media capacidad para gastos entre 10 y 100 m3/seg. y de gran capacidad para gastos mayores de 100 m3/seg. - Sistema de utilización de agua: Pueden ser de agua fluyente (en lecho de rio), en cuenca o embalse y de recuperación. Las instalaciones de agua fluyente utilizan la energía hidráulica que se suministra de un depósito o embalse de almacenamiento pero sin tener ninguna posibilidad de regulación en el flujo de agua, si la capacidad del agua excede el límite para el que se ha proyectado la instalación se debe reforzar y por lo tanto evitar problemas con los efectos energéticos. En las instalaciones con depósito de regulación, los excesos de agua en una parte del día, de una semana, de un mes o una estación determinada se pueden utilizar en periodos de tiempo posteriores. En los sistemas de recuperación, el agua utilizada durante el día para la producción se recupera de noche mediante sistemas de bombeo (super regulación) - Por el servicio que desempeñan: Son dos tipos de servicio, para carga base y para carga pico. El servicio con carga base consiste en el suministro de la energía de una manera continua con una carga prácticamente constante, el servicio de carga pico consiste por el contrario, en el suministro de la energía en horas típicas del día para poder suministrar la demanda de los usuarios durante estos periodos de tiempo. Por lo general, las centrales que operan con carga base son aquellas que tienen suministro de agua fluyente, es decir, sin posibilidad de regulación, en tanto que las usadas para carga pico son aquellas que tiene posibilidad de regulación rápida e independiente del flujo y también atenuada con depósito de agua. Po otra parte, las centrales hidroeléctricas también pueden clasificarse según la altura del salto, según la forma constructiva y según el tipo de flujo de agua, de la manera siguiente: Según la altura del salto: - Instalaciones de baja presión (H de 25 m) - Instalaciones de media presión (H entre 25 y 100 m) - Instalaciones de alta presión (H > 100 m) Según la forma constructiva: - Centrales de río - Centrales de canal - Centrales de embalse Según el tipo de flujo de agua: - Centrales de aguas pasantes - Centrales de acumulación Ventajas de las centrales hidroeléctricas Las centrales hidroeléctricastienen las ventajas siguientes: 21 o No requieren combustible, sino que usan una forma renovable de energía, constantemente repuesta por la naturaleza de manera gratuita. o Es limpia, no contamina ni el aire ni el agua. o A menudo puede combinarse con otros beneficios, como riego, protección contra las inundaciones, suministro de agua, caminos, navegación y aun ornamentación del terreno y turismo. o Los costos de mantenimiento y explotación son relativamente bajos. o Las obras de ingeniería necesarias para aprovechar la energía hidráulica tienen una duración considerable. o La turbina hidráulica es una maquina sencilla, eficiente y segura, que puede ponerse en marcha y detenerse con rapidez y requiere poca vigilancia siendo sus costes de mantenimiento, por lo general, reducidos Efectos medioambientales La generación de energía hidroeléctrica es considerada respetuosa con el medio ambiente y las ventajas que ofrece a la sociedad en términos de suministro de energía y estabilización de los caudales de agua son muy importantes. Pero no deja de tener un costo ecológico, que en los últimos años ha sido objeto de un reconocimiento y una atención cada vez mayores por parte de la opinión pública. Por ejemplo, ahora se sabe que la inundación de grandes áreas de tierra y roca con agua ácida produce la lixiviación de los metales contenidos en las mismas. Se ha observado bioacumulación de mercurio en los peces capturados en aguas de estas áreas inundadas. La inundación también modifica los patrones de turbulencia del agua así como el nivel de oxigenación. Ambas cosas pueden tener graves efectos ecológicos. Por ejemplo, en los ríos represados no puede tener lugar la migración de los salmones. Esta desaparición se debe, en parte, a que los peces no pueden localizar o atravesar el camino al nivel de agua superior. Además, el agua se parece más a la de un lago que a la de un río, y el agua estancada de un lago no es compatible con la migración del salmón. La inundación también destruye el hábitat de los peces y puede desmantelar las zonas de cría de los insectos que sirven de alimento a los peces y otros organismos. En algunos casos, la inundación anega productivos terrenos agrícolas y forestales. La inundación de grandes áreas también ha provocado inquietud por el cambio climático y otros cambios del equilibrio ecológico. La retención de agua dulce cuyo destino era mezclarse con una masa de agua salada también plantea el problema de los posibles cambios de salinidad. Componentes de una Central Hidroeléctrica Una instalación hidroeléctrica está constituida en general por los siguientes elementos: obra de almacenamiento (presa), canal de derivación, vaso o toma de carga, conducto forzado, central o planta de producción, canal de descarga. La presa: Se encarga de atajar el rió y remansar la aguas. Con estas construcciones se logra un determinado nivel de agua antes de la contención y otro diferente después de la misma. El desnivel se aprovecha para producir energía. 22 Los aliviaderos: Son elementos vitales que tienen como objetivo liberar parte del agua detenida sin que esta pase por la sala de máquinas. Se encuentra en la pared principal de la presa. Su misión es la de liberar, si es preciso, grandes cantidades de agua o atender las necesidades de riego. Toma de agua: Son construcciones adecuadas que permiten recoger el líquido para llevarlo hasta las maquinas por medio de canales o tuberías. Se hallan en la pared anterior de la prensa que entra en contacto con el agua embalsada. Esta toma cuenta además con compuertas para regular la cantidad de agua que llega a las turbinas, posee unas rejillas metálicas que impide que objetos extraños (troncos, ramas, etc.) lleguen a los alabes y puedan producir desperfectos. Canal de derivación: Se utiliza para conducir el agua desde la presa hasta las turbinas de la central. Generalmente es necesario hacer la entrada a las turbinas con conducción forzada siendo por ello preciso que exista una cámara de presión donde termina el canal y comienza la turbina. Casa de máquinas: Es la construcción en donde se ubican las maquinas (turbinas, alternadores, etc.) y los elementos de regulación y comando. Entre las turbinas hidráulicas hay tres tipos: Turbina Pelton (para saltos grandes), Turbina Francis (para saltos medianos) y Turbina Kaplan (para saltos pequeños). Figura No 1.8 Elementos característicos de una instalación hidroeléctrica de caída alta donde: 1.- Obra de contención 2.- Obra de toma 3.- canal de derivación 4.- Depósito de carga 5.- Conducto forzado 6.- Central eléctrica 7.- Canal de descarga T.- Pozo piezométrico para contener el limite admisible de sobrepresión en el conducto (golpe de ariete) también conocido como “Chimenea de equilibrio” o “Pozo de oscilación” En Bolivia, las principales centrales hidroeléctricas que están en operación son: - Taquesi (89.3 MW) - Kanata (7.5 MW) 23 - Corani (148.7 MW) - Yura (19 MW) - Miguillas (21.1 MW) - Zongo (188 MW) Sin embargo hay plantas hidroeléctricas que no están operación por diferentes motivos, como las de COMIBOL (debido al cierre de las minas), las de ELFEC (Angostura e Incachaca y Chocaya) y algunas ubicadas en los departamentos de Oruro y Potosi. El potencial hidroenergético de las tres cuencas mayores de Bolivia fue cuantificado y evaluado por la Empresa Nacional de Electricidad (ENDE) encontrándose que las correspondientes a la cuenca del Amazonas, cuenca del Río de la Plata y la cuenca del Altiplano, tiene un potencial bruto de 334.100 MW y aprovechable de 347.920 MW de potencia. Este potencial está concentrado en su mayor parte en las cuencas altas del río Beni y Mamoré y cauce principal del Rio Grande y Pilcomayo. La producción hidroeléctrica no está siendo utilizada y de explotarse el potencial podría exportarse a los países vecinos como Brasil y Chile que tienen necesidades de energía eléctrica. 1.5.2 Centrales Térmicas Son las centrales generadoras que utilizan como fuente primaria el calor proveniente de los combustibles, el calor del mar o del sol. De esta forma pueden ser de combustión o de no combustión. Las plantas Solares térmicas (las que usan el calor del sol) también están consideradas dentro de este tipo de plantas generadoras de energía eléctrica. El principio de funcionamiento de una central térmica se basa en la transformación de energía calorífica en energía mecánica y luego en energía eléctrica. Es el aprovechar la energía química de los combustibles derivados del petróleo como el bunker, diesel, gas natural, otros como carbón mineral, residuos vegetales, etc. para producir electricidad. La transformación sigue el siguiente proceso: 1. La energía contenida en el combustible se transforma, por combustión en energía calorífica. 2. La energía calorífica que absorbe el fluido de trabajo se convierte al expansionarse en la turbina o motor en energía mecánica. 3. La energía mecánica es transformada en energía eléctrica a través del generador eléctrico. a) Centrales a Vapor El ciclo Rankine es el ciclo termodinámico que se emplea en las centrales térmicas de vapor. Estas centrales están constituidas por unidades – grupos, cada uno de los cuales consiste de un generador de vapor, un grupo turbo – generador y un transformador elevador. Existen diferentes formas de clasificar las instalaciones o centrales termoeléctricas con turbina de vapor, pudiendo ser de acuerdo a la forma de producir el vapor que usan. A este respecto las centrales termoeléctricas de vapor permiten prácticamente el uso de todo tipo de fuente de 24 calor hoy día disponible, de manera que se tienen tres tipos principales de centrales termoeléctricas de vapor: - Con combustibles tradicionales (sólidos, líquidos o gaseosos) - Con combustibles nucleares - Con fuentes geotérmicas En las centrales térmicas a vapor, losintercambios de energía se realizan utilizando tres clases de circuitos principales y varios auxiliares: Circuito de combustible: El combustible se quema en el hogar, constituido por un recinto cerrado por paredes de mampostería, en las que, generalmente, se encuentran los canales de circulación del aire necesario para la combustión. Después de calentar la caldera donde, tiene lugar la vaporización del agua, los gases residuales de la combustión o humos pasan a un conducto para ser eliminados al exterior. Como estos gases aún están calientes, puede aprovecharse la energía térmica en ellos contenida para el circuito primario de uno o varios recalentadores de vapor y para el circuito primario de uno o más economizadores del agua de alimentación de la caldera. Desde aquí los gases pasan a la chimenea de tiro natural o de tiro forzado, por donde salen al exterior. Circuito de agua – vapor: La vaporización del agua se realiza en la caldera que es, un depósito de agua que se calienta hasta que el agua se convierte en vapor. Como el vapor, a la salida de la caldera, contiene todavía partículas líquidas, se le convierte en vapor recalentado haciéndole pasar por el circuito secundario de uno o más recalentadores primarios, situados en la trayectoria de los gases de combustión. Desde la caldera (o desde los recalentadores si los hubiere) el vapor a presión y a alta temperatura, se conduce hasta la turbina o hasta la máquina de vapor, donde se expansiona produciendo energía mecánica. En las turbinas modernas se realizan extracciones de vapor, conduciéndolo de nuevo hacia los recalentadores secundarios de la caldera donde el vapor sufre nuevos recalentamientos para ser posteriormente introducido en los siguientes cuerpos de las turbinas o en otras turbinas independientes. En las turbinas también se realizan extracciones de vapor que se conducen a los circuitos primarios de los precalentadores del agua de alimentación, para calentar ésta. Como una central térmica de vapor tiene tanto mejor rendimiento cuanto más frío esté el vapor de escape, a la salida de la turbina, el vapor se hace pasar por un condensador que no es más que un dispositivo de refrigeración donde el vapor se condensa y se transforma nuevamente en agua; la condensación se realiza introduciendo agua fría a presión en el condensador, a la que se obliga a circular por unos serpentines de refrigeración. El agua resultante de la condensación, y procedente de la turbina se impulsa hacia la caldera por medio de bombas de alimentación. Para aumentar el rendimiento térmico del conjunto, es conveniente que el agua de alimentación entre en la caldera ya caliente, para lo que se hace pasar previamente por los circuitos secundarios de uno o más precalentadores, calentados por las 25 extracciones de vapor de las turbinas, y por uno o más economizadores, calentados por los gases de escape antes de su salida a la atmósfera por la chimenea. Circuito de energía eléctrica: La energía eléctrica es producida en los generadores eléctricos, accionados por las máquinas o por las turbinas de vapor. En casi todas las centrales térmicas modernas se produce corriente alterna trifásica. Desde los generadores la corriente eléctrica se lleva a transformadores apropiados, donde se eleva la tensión de la energía producida. Los transformadores pueden alojarse en locales especiales o, en el mismo pabellón de distribución que, por lo general, está completamente separado de la sala de máquinas; esta separación viene impuesta la mayoría de las veces por la exigencia de que en este pabellón debe haber suficiente luz natural y que los aparatos, transformadores puedan inspeccionarse fácilmente y montarse y desmontarse cuando sea necesario, también debe haber espacio suficiente para poder instalar las canalizaciones. Las centrales térmicas de vapor necesitan, generalmente, un consumo bastante elevado de energía; lo más conveniente es tomar esta energía de un pabellón de distribución especial ya que, casi siempre, la tensión para las necesidades propias de la central es distinta a la tensión de distribución Circuitos auxiliares: Son muy numerosos, los más importantes son: 1. Circuito de tratamiento del combustible 2. Circuito de aire de combustión 3. Circuito de eliminación de cenizas y escorias 4. Circuito de tratamiento del agua de alimentación 5. Circuito de agua de refrigeración 6. Circuito de lubricación 7. Circuitos de mando 8. Circuitos de hidrógeno La figura siguiente representa el esquema a bloques de las partes principales de una central termoeléctrica a vapor: Figura No 1.9 Representación esquemática de las transformaciones energéticas en una central termoeléctrica En este tipo de centrales, el vapor es generado en una caldera que es alimentada con agua; el calor es extraído de la combustión del carbón mineral en polvo ó petróleo u otro tipo de combustible primario. El vapor es sobrecalentado en las diferentes etapas de la caldera y alimenta a la turbina de vapor, en ésta, existe una transformación de energía, el vapor se enfría, pierde energía y se convierte en energía mecánica, la cual impulsa al generador y se obtiene la 26 energía eléctrica. En la siguiente figura se muestra el esquema típico de generación térmica a vapor. Figura No 1.10 Esquema de una central térmica a vapor donde: B Caldera de vapor T Turbina de vapor G Generador eléctrico S/A Servicios auxiliares La central completa tiene los siguientes elementos. - Zona de manejo de combustible - Generador de vapor - Turbina y condensador - Circuitos diversos para la recuperación de calor de los gases de combustión Este tipo de centrales, desde el año 1890 han sido la mayor fuente de energía eléctrica a nivel mundial cuando las potencias unitarias estaban alrededor de los 2MW, alcanzando en el presente, potencias unitarias mayores a 1200 MW en una sola máquina. El progreso en el desarrollo de nuevas tecnologías y materiales permitió pasar de consumos promedio de 1 kg de equivalente de carbón por kWh, en este momento a máquinas actuales con 0.5 kg de equivalente carbón por kWh. Esta cifra es promedio, ya que debido a la necesidad de reserva de máquinas se debe trabajar con rendimientos más bajos. La mayor parte de las mejoras se han producido en los materiales de la caldera y turbina, permitiendo mayores presiones y temperaturas. Las pérdidas de los generadores se han bajado desde el 6% hasta el 1.5%, pero su importancia en el rendimiento total no es trascendente. Una turbina de vapor típica requiere del 2% al 6% de la potencia de salida del generador para alimentar los servicios auxiliares que comprende, entre otros, las bombas de alimentación de la caldera, ventiladores, bombas para la circulación de agua en el condensador, etc. La salida eléctrica, no está conectado solamente al sistema eléctrico de potencia, sino también al sistema de potencia auxiliar en la central eléctrica. La salida neta de la planta, es la potencia eléctrica disponible para ser utilizado por el sistema eléctrico de potencia, y es una información útil para planificar la generación. Desde el punto de vista operativo normalmente se utilizan como suministradora de energía base. Debe tenerse en cuenta además de los costos de operación, que estas centrales tienen 27 una gran constante de tiempo térmica, resultando que la puesta en marcha desde el estado de reposo puede tomar varias horas e incluso días. En general al planificar centrales de vapor, debe tenerse en cuenta las grandes necesidades de agua, tanto para producir vapor como para propósitos de condensación. Debido a esto último, normalmente estas centrales son construidas cerca de ríos o lagos, donde se pueda obtener agua para refrigeración. Desde el punto de vista de combustible esta centrales pueden clasificarse en: petróleo, gas natural, carbón, energía nuclear, las últimastienen un circuito adicional para la producción de energía térmica (por medios nucleares) para la producción de vapor. b) Centrales a Gas Las centrales con turbinas de gas tienen la ventaja de que prácticamente no contaminan. Además, como apenas tienen inercia térmica se utilizan como centrales de punta o como centrales de reserva, es decir para sustituir total o parcialmente a las centrales hidráulicas o térmicas de base en el caso de escasez de agua o de avería. El estudio de los motores térmicos ha permitido que se desarrollen turbinas en las cuales se aprovecha directamente la energía producto de la combustión y que se expansionan en forma parecida al vapor sobre las paletas móviles de un rotor, a este tipo de turbinas se les conoce como turbinas de gas. Las turbinas de gas constituyen el último tipo de motor que ha llegado al concepto general de las centrales termoeléctricas, pero que han desarrollado un progreso notable, que actualmente se disponen de potencias unitarias del orden de 50 MW y valores mayores con un rendimiento no inferior al 36%. Funcionan siguiendo un ciclo de Brayton. La diferencia esencial del ciclo Brayton con el Rankine es que en el primero el fluido de trabajo es un gas, mientras que en el segundo es un vapor que se condensa y evapora en el ciclo. Además, la compresión en el ciclo Brayton absorbe mayor trabajo que en el ciclo Rankine por realizarse en la fase gaseosa y fase líquida respectivamente. Las turbinas de gas, usan directamente los productos de la combustión como fluido motor (sin pasar por la etapa de generador vapor) para entregar potencia mecánica a un árbol giratorio, se obtiene de esta manera una simplificación notable en el circuito fluodinamico y en las maquinas mismas con relación a las centrales de vapor convencionales. Por otro lado tiene la ventaja de que no ocupan mucho espacio y tener un consumo de agua reducido que prácticamente se puede decir que es mínimo o casi nulo en comparación con las turbinas de vapor, por lo que se refiere a su operación, ofrecen la prerrogativa de un arranque rápido y una gran simplicidad de maniobra. Por el contrario, con relación a las turbinas de vapor la potencia máxima desarrollada es menor y su rendimiento en ocasiones es notablemente inferior. La rapidez de la maniobra de carga y absorción de carga, unido a un costo de instalación relativamente bajo, hace que las turbinas de gas resulten particularmente apropiadas para tomar cargas pico o como servicio de reserva en situaciones de emergencia. La aplicación de las turbinas de gas en las centrales ofrece las siguientes ventajas: 28 1. Para absorber cargas pico o como reserva rodante su capacidad de generación es casi inmediata ya que puede llegar a suministrar plena carga en tiempos inferiores a las de cualquier otra máquina debido a que su desarrollo está basado en los mecanismos de propulsión para aviones y son del orden de 2 minutos. 2. Desde el punto de vista de combustibles no ofrece problemas ya que de hecho puede funcionar con derivados de petróleo, petróleos destilados, gas natural o subproductos gaseosos. 3. La instalación de centrales de vapor resulta apropiada en las regiones en donde se tiene disponibilidad de agua para enfriamiento, pero en zonas en donde el agua es muy escasa, la instalación de centrales de centrales de vapor resulta prácticamente imposible y en estos casos la turbina de gas resulta la fuente de energía más apropiada. Los principales inconvenientes en el uso de turbinas de gas son: - Sus capacidades de producción de energía eléctrica son relativamente bajas en comparación con otras unidades que no son de gas. - Su consumo específico de combustible es más elevado que el de otros sistemas al mismo volumen de producción de energía eléctrica. El principio de funcionamiento de una turbina de gas es el mismo que el de una turbina de vapor, solo que en lugar de usar como fluido motor el vapor, estas usan gas, o mejor dicho los productos de la combustión del carburante usado. Se pueden distinguir dos tipos fundamentales de turbinas a gas. - A presión constante, en donde la combustión se realiza en forma continua en una cámara en la cual el aire y el combustible se encuentran bajo presión. - A volumen constante donde la combustión se presenta en forma intermitente y la presión en la cámara de combustión varia de un mínimo a un máximo (4 o 5 veces el primero), en este caso la turbina se le denomina también de explosión en la cámara de combustión y que serán también la válvula de aspiración y la de descarga. En ésta planta, la turbina de gas, aprovecha los gases de combustión para convertirlo en potencia mecánica y consiste en un compresor de gas y turbina, conectados por un eje único a una unidad generadora. El compresor comprime los gases de combustión y en la turbina se expande el gas y se produce la conversión de energía calorífica en energía mecánica la cual acciona al generador obteniéndose energía eléctrica. En la siguiente figura se muestra un esquema de este tipo de centrales. Figura No 1.11 Esquema de una central a turbina de gas de ciclo simple 29 donde: C Compresor TG Turbina de gas G Generador eléctrico La turbina de gas de ciclo simple, tiene un rendimiento en el rango de 25 al 30 % (es decir, la tasa de calor de la unidad es de 13.600 a 11.400 MBtu/kWh, basado en el valor del calentamiento más alto del combustible), requiere diesel o gas natural como combustible. Estas unidades se utilizan principalmente, para horas punta en los sistemas eléctricos. Se utilizan dos tipos de turbinas de gas para la generación de energía eléctrica: 1. Turbinas de combustión directa del combustible, en las cuales el combustible es inyectado a una cámara de combustión a partir de la cual los gases o productos de combustión impactan las paletas de la turbina, produciendo energía mecánica de rotación sobre el árbol. En la actualidad se han diseñado unidades grandes de 70 MW o mayores, pero la vida útil de las mismas está limitada por las altas temperaturas de los gases de escape, que sumadas a las altas velocidades de rotación, producen corrosión en las paletas. Las temperaturas típicas de los gases de escape son del orden de 900°C y las velocidades de rotación del orden de 6000 r.p.m. 2. Turbinas con generadores de gas. Dicha combinación consiste en un generador de gas que alimenta a una turbina de baja presión. Este último tipo de diseño denominado “de eje libre” utiliza una turbina generadora de gases, que envía los gases a otra turbina acoplada a un generador. La primera turbina (generadora de gases) es del tipo de aviación y puede girar a velocidades altas (por ejemplo 30.000 r.p.m). Normalmente la segunda turbina gira a la velocidad de sincronismo (3000 o 3600 r.p.m). Este último tipo de instalación evita los problemas de corrosión mencionados anteriormente, como también evita la necesidad de una caja reductora de velocidades entre turbina y generador En la actualidad, se ha llegado a potencias del orden de 70MW con este tipo de diseño. La vida útil de estas instalaciones es del orden de 1500 hs., al cabo de las cuales es necesario un mantenimiento de la turbina de aviación. El generador puede estar acoplado a través de un embrague para su utilización como compresor sincrónico. En general las instalaciones de generación de energía eléctrica con turbinas de combustión interna a base de gas, tienen costos de inversión relativamente bajos, pero costos de operación elevados. Como resultado normalmente se las utiliza como variables de ajuste en los programas de planificación de largo plazo. La turbina de gas es mecánicamente más sencilla que la turbina de vapor y requiere un motor eléctrico o un motor de combustión interna para el arranque. No se requiere agua para refrigeración. En Bolivia la generación de energía eléctrica con Gas Natural tiene una presencia predominante
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