INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL
ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA
MECÁNICA Y ELÉCTRICA
GENERACIÓN ELÉCTRICA APROVECHANDO LOS
FLUJOS DE AGUAS RESIDUALES
T E S I S
QUE PARA OBTENER EL TÍTULO DE INGENIERO ELECTRICISTA
P R E S E N T A
FRANCISCO JAVIER HERNÁNDEZ HUITRÓN JOSÉ ANTONIO FLORES BAUTISTA
ISAEL TECHICHIL MONTIEL
ASESORES
AGRADEZCO Y DEDICO ESTE TRABAJO
A mis padres por su apoyo y creer en mi sueño de lograr terminar esta
carrera.
A mis hermanos que estuvieron motivándome a lograr este sueño posible.
A mis compañeros que gracias a su apoyo se logró concluir una etapa de
nuestras vidas.
A mis profesores por su asesoramiento en la realización de este trabajo.
Al I.P.N. que logro ser el gran escalón para llenarme de conocimiento.
Esta tesis la dedico a mis padres, que con su apoyo logre mi objetivo de
terminar esta carrera, sobre todo por el cariño que me mostraron durante
todo este largo camino que al final de todo rindió cuentas provechosas, es por
ellos que logre terminar y cumplir este objetivo en la vida.
Gracias a todos por su gran apoyo.
AGRADEZCO Y DEDICO ESTE TRABAJO
A mis padres, ya que siempre me han apoyado y han sabido guiarme para
ir por buen camino y así poder cumplir mis metas.
A mis hermanos y hermanas, por todo el apoyo que me han brindado a lo
largo de mi vida y porque han sabido ser un buen ejemplo para mí.
A mis compañeros y amigos Javier e Isael, porque juntos pudimos alcanzar
nuestra meta y así concluir una etapa importante en nuestras vidas.
A los profesores que nos apoyaron en la realización de este trabajo y a
todos aquellos que contribuyeron en nuestra formación académica.
AGRADEZCO Y DEDICO ESTE TRABAJO
En especial a mi mamá, mi padre y aquella persona respetable, ya que
ellos me han enseñado a salir adelante, y me han brindado su apoyo
incondicionalmente en toda mi vida.
A mi hermana y mi hermano, que de algún modo siempre han estado a mi
lado y de los que he aprendido muchas cosas, también a toda mi familia como
abuelos, primas, primos, tías y tíos que me dieron siempre los mejores
consejos.
Y finalmente a todos aquellos compañeros y amigos con los que viví
grandes experiencias de los cuales puedo mencionar a Toño y Javier, porque
en esta última etapa pudimos lograr este trabajo.
Simplemente puedo decirles a todos y cada uno de ustedes muchas gracias.
INTRODUCCIÓN
Tomando en cuenta la escasez de los principales recursos utilizados en la
generación de energía eléctrica, se deben considerar nuevas fuentes
alternativas.
La investigación que se presentara durante todo el trabajo es para el estudio
de la aplicación de un generador eléctrico en la Zona Metropolitana del Valle
de México, usando los flujos de aguas residuales. Es importante estudiar si
existe factibilidad para su correcta aplicación y de esta forma poder generar
electricidad de una forma eficiente.
Con esto se aprovecharía un recurso para la generación de energía eléctrica
y de esta manera contribuir con el sistema eléctrico a una baja potencia. Por lo
tanto se hará el análisis pertinente para conocer los pasos a detalle acerca de la
implantación de una planta generadora de energía eléctrica, los componentes,
su conexión, formas de operar, entre otras cosas que se deben conocer para
OBJETIVO GENERAL
Se realizara una propuesta de generación eléctrica alternativa utilizando los
flujos de aguas residuales, que se obtiene a través de la planta de bombeo “El
caracol”, con ello se aprovechara el caudal producido por la misma planta de
bombeo, esto con el fin dar una nueva opción para producir energía eléctrica
de manera limpia ya que se dejaran de emitir a la atmosfera grandes
cantidades de CO
2, la energía generada será utilizada en la misma planta de
bombeo, mientras que otra parte de la energía será canalizada a la red eléctrica
para su aprovechamiento, con esto se asegura la confiabilidad, eficiencia y
JUSTIFICACIÓN
En esta época una necesidad del ser humano es la electricidad, depende
mucho de ella y ante la escasez de los principales recursos (gas, petróleo, etc.)
utilizados para la generación eléctrica en todo el mundo, es por ello que se
deben buscar nuevas alternativas de generación eléctrica.
Se propone una fuente de generación eléctrica como una opción alternativa,
utilizando las corrientes o flujos de aguas residuales, esto para aprovechar la
energía cinética de este recurso hídrico.
Se realizara este estudio para resolver una problemática de generación
eléctrica ante la inminente escasez de recursos no renovables del medio
ambiente. De esta manera se encuentra una alternativa aprovechando este tipo
de flujo el cual es constante, además de ser una fuente de generación limpia
HIPÓTESIS
Considerando la escasez del gas principal recurso en la generación de
energía eléctrica del país, se deben tomar en cuenta nuevas fuentes de
generación alternativas.
Con el estudio se pretende dar una opción viable para la generación
eléctrica a baja potencia las cuales pueden ser aprovechadas por un sector de
la sociedad.
Dando una posible solución al problema del aumento en la demanda del
servicio eléctrico.
Para esto se realizara una propuesta en fuentes de generación alternativas
enfocándonos al uso de flujos en aguas residuales donde se concentre un
INDICE DE CONTENIDO
INTRODUCCION
OBJETIVO
JUSTIFICACION
HIPOTESIS
INDICE DE TABLAS
INDICE DE FIGURAS
CAPÍTULO I. GENERALIDADES
1.1 Generación Eléctrica 1
1.1.1 Generación Eléctrica en México 1
1.2 La energía primaria consumida en el mundo (1973-2005) 4
1.2.1 Las alternativas a las fuentes de energía fósiles: las fuentes de energía
renovables 8
1.3 Tipos de generación eléctrica 8
1.3.1 Biomasa 8
1.3.2 Energía Solar 8
1.3.2.1 Sistemas Foto térmicos de Concentración 9
1.3.3 Energía Eólica 10
1.3.4 Energía Geotérmica 10
1.3.5 Energía Mareomotriz 11
1.3.6 Energía Hidráulica 12
1.3.6.1 Diferentes formas de aprovechamiento de la energía hidráulica 13
1.5 Impacto ambiental 16 CAPÍTULO II. CENTRAL MICRO Y MINI HIDRAULICA
2.1 Las Instalaciones Hidroeléctricas de Pequeño Tamaño 17
2.2 Central Minihidráulica 18
2.3 Aplicaciones de la Energía Minihidráulicas 21
2.4 Tipos de Turbina 21
2.4.1 Turbina tangencial, admisión parcial o de acción (rueda pelton) 22
2.4.2 Tipos de turbinas de acción o pelton 23
2.4.2.1 Partes de la turbina pelton 24
2.4.3 Turbina de reacción (Francis) 26
CAPÍTULO III. GENERACIÓN ELÉCTRICA APROVECHANDO LOS FLUJOS DE AGUAS RESIDUALES
3.1 La realización de un sistema mini-hidráulico 31
3.2 Flujo de corriente 31
3.2.1 Canales de desagüe 32
3.3 Calculo de la potencia en diversos canales 35
3.4 Potencia en el Rio de la Compañía 35
3.5 Potencia en la planta de bombeo “El caracol” 36
3.6 Velocidad específica 39
3.7 Selección de la turbina 42
3.8 Agentes que conforman el agua residual 43
3.9 Material seleccionado para la fabricación de la turbina Pelton 43
3.10 Selección del generador 46
CAPÍTULO IV. COSTO-BENEFICIO
4.1 Estudio económico 50
4.1.1 Aspectos Ambientales 51
4.1.1.1 Tratamiento de las aguas residuales (Tratamiento primario) 53
4.1.2 Costos 55
CONCLUSIONES 60
GLOSARIO 61
NOMENCLATURA 63
INDICE DE TABLAS
CAPÍTULO I
1 Porcentajes de la composición de la energía primaria consumida en el mundo,
1973-2005 5
2 El reparto de las emisiones de CO2 producidas por las energías fósiles en 2005 6 CAPÍTULO III
3 Valores resultantes de la Velocidad Especifica de la turbina Pelton 41
4 Clasificación de las turbinas en base a la Velocidad Especifica 42
5 Tipo de fluido o ambiente de trabajo de la turbina 44 CAPÍTULO IV
INDICE DE FIGURAS
CAPÍTULO I
1 Situación estratégica del 70 por ciento de las reservas de petróleo 7
2 Esquema de Planta Geotérmica 11
CAPÍTULO II
3 Esquema de turbina Kaplan o Hélice 20
4 Esquema de turbina Francis 20
5 Esquema de turbina Pelton 20
6 Turbina de sobresaliente doble en la Planta Balch de San Joaquín Light and
Power Co., California 23
7 Partes de una turbina Pelton 25
8 La turbina de flujo axial o de propela 27
9 Turbina original Francis 28
10 Secciones parciales de un rodete 29 CAPÍTULO III
11 Flujo de corriente de arroyo o canal 32
12 Túnel Emisor Oriente (TEO) 33
13 Ubicación de Planta de bombeo “El Caracol” 34 14 Vista aérea de uno de los cárcamos de bombeo 34 15 Cárcamos de la planta de bombeo “El Caracol” 37 16 Vista del interior de los cárcamos de bombeo 38
17 Transporte de transformador 48
18 Armado del transformador 48
CAPÍTULO IV
20 Características del TEO 52
CAPÍTULO I
GENERALIDADES
1.1 GENERACIÓN ELÉCTRICA
Es realizada básicamente por medio de un generador, el cual varía en función del medio o energía primaria que se utiliza para que opere el generador y convertir así la energía mecánica que impulsa al generador en energía eléctrica.
1.1.1 GENERACIÓN ELÉCTRICA EN MÉXICO
La generación eléctrica en el país se inició a finales del siglo XIX, siendo el año de 1879 cuando se instaló la primer planta generadora en León, Guanajuato, la cual era utilizada por la fábrica textil “La Americana”, de ahí en adelante se fue extendiendo en los sectores de la minería así como para la iluminación residencial y publica. Ya en el año de 1889 entro en operación la primera planta hidroeléctrica en Baltopilas, Chihuahua, la cual suministraba energía donde la población podía pagar el servicio.
En el siglo XX en sus inicios el país tenía una capacidad de 31 MW que pertenecía a empresas privadas, ya en 1910 la capacidad era de 50 MW, lo cual era generado el 80% de la producción por The Mexican Light and Power Company que era de origen canadiense. El primer gran proyecto vasado en la generación hidroeléctrica fue la planta Necaxa ubicada en el estado de Puebla, fue precisamente en este periodo cuando se dio el primer paso para ordenar la industria eléctrica para lo que se creó el organismo denominado Comisión Nacional de Fuerza Motriz, ya en el año de 1933 justamente el día 2 de diciembre fue que se decretó que la generación y distribución de electricidad eran actividades de tipo público.
Gracias al presidente Porfirio Díaz fue que se otorgó al sector eléctrico el carácter de público, lo que conllevo a que se pudieran colocar las primeras 40 lámparas incandescentes en lo que ahora se conoce como el Zócalo (plaza de la constitución), en conjunto con 100 más para iluminar el lugar conocido como alameda central.
Para dar respuesta a esa situación que no permitía el desarrollo del país, el gobierno
federal creó, el 14 de agosto de 1937, la Comisión Federal de Electricidad (CFE), que
tendría por objeto organizar y dirigir un sistema nacional de generación, transmisión y
distribución de energía eléctrica, basado en principios técnicos y económicos, sin
propósitos de lucro y con la finalidad de obtener con un costo mínimo, el mayor
rendimiento posible en beneficio de los intereses generales. (Ley promulgada en la Ciudad
de Mérida, Yucatán el 14 de agosto de 1937 y publicada en el Diario Oficial de la
Federación el 24 de agosto de 1937).
La CFE comenzó a construir plantas generadoras y ampliar las redes de transmisión y
distribución, beneficiando a más mexicanos al posibilitar el bombeo de agua de riego y la
molienda, así como mayor alumbrado público y electrificación de comunidades.
Los primeros proyectos de generación de energía eléctrica de CFE se realizaron en
Teloloapan (Guerrero), Pátzcuaro (Michoacán), Suchiate y Xía (Oaxaca), y Ures y Altar
(Sonora).
El primer gran proyecto hidroeléctrico se inició en 1938 con la construcción de los
canales, caminos y carreteras de lo que después se convirtió en el Sistema Hidroeléctrico
Ixtapantongo, en el Estado de México, que posteriormente fue nombrado Sistema
Hidroeléctrico Miguel Alemán.
En 1938, CFE tenía apenas una capacidad de 64 kW, misma que, en ocho años, aumentó
hasta alcanzar 45,594 kW. Entonces, las compañías privadas dejaron de invertir y CFE se
vio obligada a generar energía para que éstas la distribuyeran en sus redes, mediante la
reventa.
Hacia 1960 la CFE aportaba ya el 54% de los 2,308 MW de capacidad instalada, la
empresa Mexican Light el 25%, la American and Foreign el 12%, y el resto de las
compañías 9%.
Sin embargo, a pesar de los esfuerzos de generación y electrificación, para esas fechas
apenas 44% de la población contaba con electricidad. Por eso el presidente Adolfo López
A partir de entonces se comenzó a integrar el Sistema Eléctrico Nacional, extendiendo la
cobertura del suministro y acelerando la industrialización. El Estado mexicano adquirió los
bienes e instalaciones de las compañías privadas, las cuales operaban con serias
deficiencias por la falta de inversión y los problemas laborales”. [1]
“Para 1961 la capacidad total instalada en el país ascendía a 3,250 MW. CFE vendía
25% de la energía que producía y su participación en la propiedad de centrales generadoras
de electricidad pasó de 0 a 54%.
En esa década la inversión pública se destinó en más de 50% a obras de infraestructura.
Se construyeron importantes centros generadores, entre ellos los de Infiernillo y Temascal,
y se instalaron otras plantas generadoras alcanzando, en 1971, una capacidad instalada de
7,874 MW.
Al finalizar esa década, se superó el reto de sostener el ritmo de crecimiento al
instalarse, entre 1970 y 1980, centrales generadoras que dieron una capacidad instalada de
17,360 MW.
Cabe mencionar que en los inicios de la industria eléctrica mexicana operaban varios
sistemas aislados, con características técnicas diferentes, llegando a coexistir casi 30
voltajes de distribución, siete de alta tensión para líneas de transmisión y dos frecuencias
eléctricas de 50 y 60 Hz.
Esta situación dificultaba el suministro de electricidad, por lo que CFE definió y unificó
los criterios técnicos y económicos del Sistema Eléctrico Nacional, normalizando los
voltajes de operación, con la finalidad de estandarizar los equipos, reducir sus costos y los
tiempos de fabricación, almacenaje e inventariado. Posteriormente se unificaron las
frecuencias a 60 Hz y CFE integró los sistemas de transmisión en el Sistema Interconectado
Nacional.
En los años 80 el crecimiento de la infraestructura eléctrica fue menor que en la década
anterior, principalmente por la disminución en la asignación de recursos a la CFE. No
A inicios del año 2000 se tenía ya una capacidad instalada de generación de 35,385
MW, cobertura del servicio eléctrico del 94.70% a nivel nacional, una red de transmisión y
distribución de 614,653 km, lo que equivale a más de 15 vueltas completas a la Tierra y
más de 18.6 millones de usuarios, incorporando casi un millón cada año.
A partir de octubre de 2009, CFE es la encargada de brindar el servicio eléctrico en todo
el país.
El servicio al cliente es prioridad para la empresa, por lo que se utiliza la tecnología para
ser más eficiente, y se continúa con la expansión del servicio, aprovechando las mejores
tecnologías para brindar el servicio aún en zonas remotas y comunidades dispersas.
CFE es reconocida como una de las mayores empresas eléctricas del mundo, y aún
mantiene integrados todos los procesos del servicio eléctrico”. [1]
1.2 LA ENERGÍA PRIMARIA CONSUMIDA EN EL MUNDO (1973-2005)
“En la actualidad, la energía primaria que se consume a escala global es fuertemente
dependiente de las fuentes de energía fósiles: petróleo, gas natural y carbón. A la vez, se ha
observado que la energía hidráulica parece haber llegado ya al máximo de su
aprovechamiento y que pesa menos en la composición general del consumo de
energías. Por otra parte, las estadísticas actuales muestran un escaso crecimiento del
consumo de la energía nuclear –excepto en China, donde se concentra la mayor proporción
de centrales nucleares en construcción- así como un reducido aumento de la energía
procedente de la biomasa. Para completar el escenario energético a escala global, se
observa un bajo índice de consumo de energías renovables, como la solar, la eólica y la
Tabla 1
Porcentajes de la composición de la energía primaria consumida en el mundo, 1973-2005
Tipo de energía primaria 1973 2000 2005
Renovables y biomasa 10,6 11 10
Otros** 0,1 0,5 0,5
Carbón 24,4 23,5 25,3
Petróleo 46,2 34,9 35
Gas natural 16 21,1 20,7
Nuclear 0,9 6,8 6,3
Hidráulica 1,8 2,3 2,2
Totales 100 100 100
Total Mtoe* 6.128 9.963 11,435
Fuente: International Energy Agency, Key WorldEnergyStatistics, 2007
(*Mtoe: MillionTons of OilEquivalent/millones de toneladas de equivalente en petróleo) **Otros incluye: energía geotérmica, solar y eólica.
“Las principales zonas responsables de la emisión de CO2 a la atmósfera son Estados
Unidos, la Europa de las 27 zonas en las que el desarrollo industrial y económico se
encuentra firmemente arraigado, y China, cuyo potencial de desarrollo se considera
extraordinariamente elevado y cuyas fuentes de energía fósiles se encuentran en gran
Tabla 2
El reparto de las emisiones de CO2
producidas por las energías fósiles en 2005
Zonas/países %
Estados Unidos 21,4
Europa de los 27 14,6
Japón 4,5
Rusia 5,7
China 18,8
India 4,2
Corea 1,7
Brasil 1,2
Canadá 2
México 1,4
Otros 24,4
Total 100
Fuente: International Energy Agency, Key World Energy Statistics, 2007
“A ello se debe sumar, además, el hecho de que la mayoría de los yacimientos de
energías fósiles conocidos, se encuentran reunidos en zonas geopolíticas inestables, cuyo
grado de conflictividad puede incidir –y de hecho así ha sucedido en ocasiones recientes-
Figura 1
Situación estratégica del 70 por ciento de las reservas de petróleo en 2002.(Fuente:
International Workshop on Oil Depletion, Uppsala, Suecia, 23-25 de mayo de 2002)
1.2.1 LAS ALTERNATIVAS A LAS FUENTES DE ENERGÍA FÓSILES: LAS FUENTES DE ENERGÍA RENOVABLES
“Bajo el concepto de energías renovables se reúnen ciertas fuentes energéticas, algunas
de ellas explotadas en el pasado pero “redescubiertas” a partir de la crisis del petróleo de
los años 1970, cuando todavía no se había manifestado una preocupación notoria sobre el
calentamiento global. Además de la energía hidráulica, desarrollada desde principios del
siglo XX para producir electricidad a gran escala, otras dos se encuentran en un grado de
escasa explotación industrial: la energía geotérmica y la energía de las mareas.
Otras, como la energía eólica, la energía solar y la energía “verde” cuentan con un
desarrollo más tardío, pero desde hace aproximadamente una decena de años se
En la actualidad, se calcula que las energías renovables representan algo más del 13 por
ciento del total de la energía consumida en el mundo, de los que un 2,2 por ciento
corresponde a la energía hidráulica; un 10 por ciento a la biomasa y un 0,5 por ciento al
conjunto “Otras”, que incluye la energía eólica, la solar y la geotérmica, lo cual se mantiene
muy lejos de las grandes cifras que presentan las energías fósiles cuyo desarrollo se
mantiene en crecimiento”. [2]
1.3 TIPOS DE GENERACIÓN ELÉCTRICA
1.3.1 BIOMASA
“La biomasa es la materia orgánica contenida en productos de origen vegetal y animal
(incluyendo los desechos orgánicos) que puede ser capturada y usada como una fuente de
energía química almacenada.
La bioenergía resulta de cuando los combustibles de la biomasa, de reciente origen
biológico son usados para fines energéticos.
Los productos secundarios en estado sólido, líquido y gaseoso son a menudo utilizados
como portadores de energía y más tarde empleados para proveer biocalor, bioelectricidad o
biocombustibles. Los biocombustibles se refieren específicamente a los combustibles
obtenidos de la biomasa y que se usan en el sector transporte. Las especies anuales y
perpetuas que son cultivadas específicamente para la producción de materiales energéticos
en forma sólida, líquida o gaseosa son denominadas “plantaciones energéticas”.
En cuanto a sus características generales, la bioenergía tiene ventajas en cuanto a la
densidad energética, la cualidad de ser transportable y su no intermitencia porque es por sí
misma una forma de almacenamiento de energía, y es completamente despachable ya que
pueden utilizarse en el momento en que se le necesite”.[3]
1.3.2 ENERGÍA SOLAR
“La radiación solar que se recibe en la superficie terrestre puede convertirse en calor,
La energía solar que se recibe en un día en un cuadrado de 28 km de longitud por lado
situado en el desierto de Sonora, y cubierto de celdas solares fotovoltaicas de un 10% de
eficiencia, satisfaría la demanda promedio diaria actual de energía eléctrica de todo México
(550 GWh/día)”.[3]
Los sistemas de generación eléctrica solares pueden usar la parte térmica, la parte
luminosa o ambas para producir electricidad dependiendo de la tecnología. Los sistemas
que utilizan exclusivamente la térmica lo hacen a través de concentración óptica de la
radiación solar en un punto o en una línea. Los sistemas que aprovechan exclusivamente la
energía luminosa son los que utilizan celdas fotovoltaicas para convertir la luz directamente
en energía eléctrica.
1.3.2.1 SISTEMAS FOTO TÉRMICOS DE CONCENTRACIÓN
“La aplicación más extensa de sistemas de concentración solar se da en la producción de
electricidad fototérmica mediante plantas solares termoeléctricas donde la radiación
absorbida calienta un fluido térmico (aceite o sal fundida). Este calor puede ser
subsecuentemente utilizado para impulsar motores tipo Stirling o turbinas de vapor que a su
vez impulsan a generadores de electricidad por inducción.
Hasta la fecha se han desarrollado tres tecnologías diferentes de generación solar
fototérmica: las plantas de concentración mediante canal parabólico, donde superficies
reflectoras en forma de parábola enfocan la radiación en una línea donde se encuentra un
tubo absorbedor que lleva en su interior un aceite térmico. El aceite térmico puede llegar a
calentarse hasta 350- 400 °C, luego, en un intercambiador de calor se produce vapor a alta
presión el cual alimenta a una turbina de vapor convencional.
La tecnología solar de Torre Central consiste de un gran arreglo de espejos movibles que
siguen el movimiento del sol y enfocan su radiación en un receptor instalado en lo alto de
una torre, donde el fluido de transporte de calor (agua, sal o aire) es calentado entre 500 y
1,000 °C. Debido a las altas temperaturas esta energía puede ser acoplada directamente a
una turbina de gas o a una planta de ciclo combinado.
Finalmente, la tecnología de plato parabólico utiliza espejos parabólicos y tienen un
mecanismo de seguimiento solar. Estos dispositivos concentran la radiación solar en el foco
temperaturas en el rango de 600 a 1,200 °C. Estos sistemas son usualmente pequeños (10
kW de capacidad nominal), por lo tanto son convenientes para aplicaciones
descentralizadas.” [3]
1.3.3 ENERGÍA EÓLICA
“El calentamiento no uniforme de la atmósfera y de la superficie terrestre debido a la
radiación solar, resulta en una distribución desigual de presión en la atmósfera, lo que
genera el movimiento de masas de aire, es decir el viento.
Para poder aprovechar la energía del viento es necesario que en su intensidad halla
mínimas diferencias y sea la adecuada para el generador. Se considera que sólo los vientos
con velocidades entre 18 y 45 km/h son aprovechables.
Cuando el viento hace girar grandes aspas conectadas mediante un eje a un generador de
electricidad, la energía cinética producida se convierte en energía eléctrica. A este
dispositivo se le llama aerogenerador y normalmente va montado sobre una torre.
Los aerogeneradores se clasifican, según la posición del eje de las aspas, en verticales u
horizontales y aprovechan la velocidad de los vientos comprendidos entre 5 y 20 metros
por segundo. Por debajo de este rango el aerogenerador no funciona y si la velocidad
excede el límite superior, el aerogenerador debe pararse para evitar daños a los equipos.
En la mayoría de los países del mundo los aerogeneradores pueden operar sólo un 30%
del tiempo, sin embargo, en la región de la Ventosa, México este porcentaje está entre el 50
y 60%”. [3]
1.3.4 GEOTÉRMICA
“El interior de la Tierra está constituido por magma y materia incandescente, a una
profundidad de aproximadamente 6,370 km, se tiene un promedio de temperaturas cercano
a los 4,500 °C. Dado que la temperatura de la superficie es mucho menor, este calor tiende
a salir hacia la superficie en forma natural. Sin embargo, el calor se sigue produciendo al
interior de la Tierra por reacciones nucleares. Las erupciones volcánicas, géiseres, lagunas
calientes, volcanes de lodo o manantiales de aguas termales son pruebas de este flujo de
calor. En el interior de grutas o minas se percibe claramente un aumento de temperatura
Una vez localizado un reservorio geotérmico, que es un depósito de fluido a
temperaturas mayores a 200 °C y a una profundidad no mayor a 3.5 km, es necesario
perforar uno o varios pozos para poder extraer el fluido (vapor o mezcla de agua-vapor).
Una vez en la superficie, este fluido se separa en vapor y salmuera (agua con minerales), el
vapor a alta presión se conduce hacia una turbina haciéndola girar y ésta a su vez hace girar
a un generador de electricidad, ver figura 2, donde se observa que tanto la salmuera como el
[image:27.612.138.508.216.448.2]vapor condensado, son reinyectados al subsuelo”. [3]
Figura 2. Esquema de Planta Geotérmica.
FuenteNuevas energías renovables: una alternativa energética sustentable para México (análisis y propuesta)
1.3.5 ENERGÍA MAREMOTRIZ
“La energía del océano se manifiesta al menos de dos maneras: como energía mecánica
y energía térmica. La energía mecánica se presenta en forma de mareas y olas, la energía de
las olas es función directa de la cantidad de agua desplazada del nivel medio del mar que a
su vez depende de la velocidad del viento y el tiempo que está en contacto con él.
Las mareas se forman de la atracción gravitacional del Sol y la Luna, y de la rotación de
la Tierra. La energía de las mareas se deriva de la energía cinética del agua moviéndose de
convertirla en electricidad se le deja salir a través de turbinas que activan a un generador
eléctrico. Actualmente, la planta mareomotriz de mayor capacidad se encuentra en La
Rance al norte de Francia, la cual tiene 240 MW instalados.
En México existe un potencial mareomotriz todavía sin evaluar, se encuentra en el norte
del golfo de Baja California, entre la costa y la Isla de San Lorenzo, se forma un canal
marítimo con fuerte corriente en una sola dirección llamado “Salsipuedes”, donde tal vez se
pudieran instalar turbinas tipo Davis para generar electricidad”. [3]
1.3.6 ENERGÍA HIDRÁULICA
“La forma más común de hidroelectricidad consiste en el aprovechamiento de la energía
potencial al embalsar un río, debido a la diferencia de alturas se tiene agua a alta presión
que es conducida hacia una turbina hidráulica desarrollando en la misma un movimiento
giratorio que acciona un alternador donde se genera una corriente eléctrica.
Todas las plantas hidroeléctricas utilizan el agua pluvial como recurso renovable, sin
embargo la construcción de grandes plantas hidroeléctricas, las que tienen una cortina de
más de 15 m de altura, por lo general generan serios impactos ambientales y sociales
debido a la gran superficie que ocupa el embalse y a la necesidad de reubicar a la población
desplazada.
Debido a estos inconvenientes ambientales y a los altos costos que implica el mitigar
esos impactos la generación con grandes centrales hidroeléctricas es una opción a la que
cada vez se recurre menos.
En cambio, las pequeñas centrales hidroeléctricas, debido a su menor tamaño, generan
menos impactos ambientales y dado a sus beneficios sociales que incluye la prevención de
inundaciones, la disponibilidad de agua para riego y uso doméstico, usualmente tienen una
mejor aceptación social.
Según su capacidad instalada la generación a pequeña escala se divide en pequeñas
centrales hidroeléctricas (mayores a 5 MW y menores a 30 MW), mini hidroeléctricas
(entre 1 y 5 MW) y micro hidroeléctricas (menores a 1 MW).
La forma más utilizada para la producción de energía eléctrica a partir de la energía
consisten de un sistema de almacenamiento de agua que se forma al obstruir el paso de una
corriente superficial del fluido mediante una cortina, produciéndose un desnivel entre el
lecho del río y la superficie del agua embalsada. La energía potencial del agua almacenada,
se libera cuando es conducida a través de un sistema de ductos y se le da salida al lecho
bajo del río a través de una turbina hidráulica colocada cerca del fondo de la presa donde el
desnivel o tirante de la presa es máximo.
El agua a presión, al pasar por la turbina la hace girar, ésta fuerza mecánica a su vez
mueve a un generador, debido a que comparte el mismo eje de rotación con la turbina. Es
así como la energía potencial de la columna de agua se convierte en energía eléctrica”. [3]
1.3.6.1 DIFERENTES FORMAS DE APROVECHAMIENTO DE LA ENERGÍA HIDRÁULICA
“La utilización de la energía hidráulica es conocida desde la Antigüedad. En la Edad
Media se aprovechó la fuerza de los cursos fluviales y de los saltos de agua para la
obtención de energía. Progresivamente, gracias al uso de tecnologías adecuadas y del
avance de los conocimientos de ingeniería, de la energía propiamente motriz se pasó a la
producción de electricidad en grandes cantidades, con lo que las posibilidades de
aprovechamiento de la energía hidráulica fueron en aumento.
Con más de cien años de historia, la energía hidráulica es la tecnología más antigua para
la producción de electricidad. Se considera que aproximadamente la quinta parte de la
electricidad consumida en el mundo se obtiene por medio de esta fuente de energía. A
grandes rasgos, las centrales hidroeléctricas se pueden dividir en tres tipos: centrales de
agua fluyente, centrales de embalse y centrales de bombeo.
Las centrales de agua fluyente y las centrales de embalse se consideran a efectos
estadísticos de diferentes características que las centrales de bombeo. Las primeras, las
más utilizadas, aprovechan la energía producida por el caudal de ríos o de embalses y por
medio de una turbina pueden producir electricidad. De hecho, los molinos de las colonias
industriales del siglo XIX constituían elementales turbinas que en su caso producían
energía para accionar máquinas primero y obtener vapor más tarde, mientras que las
centrales de bombeo, necesitan de la ayuda de bombas que lleven el agua hasta las turbinas
A diferencia de las centrales de agua fluyente y de embalse, la central de bombeo trabaja
con dos depósitos de agua, uno inferior y otro superior, situados con el mayor desnivel
posible. Cuando la oferta de electricidad supera la demanda y los excesos de capacidad
están disponibles, el agua se bombea desde el depósito inferior hasta el superior, donde
queda depositada en espera de ser utilizada para la generación de corriente en los momentos
de carga máxima. Para el accionamiento del generador se emplean turbinas de impulso,
generalmente turbinas Pelton.
Aquí el agua, a través de una o varias toberas, se lanza a gran velocidad contra los álabes
del rodete.
En las centrales de alta presión, el agua procedente de un embalse circula a gran
velocidad por el interior de una tubería bajo presión y recala en una central situada a un
nivel inferior. Debido al gran salto que se produce, se crea una mayor presión en las
turbinas, que accionan el generador de corriente alterna”. [4]
“La central del estuario del río Rance es un excelente ejemplo de la coincidencia del
perfeccionamiento y la utilización de técnicas apropiadas y del aprovechamiento de las
fuerzas de la naturaleza.
El proyecto inicial, de 1921, marcó un hito decisivo en la técnica de centrales
mareomotrices y sigue estando entre las más importantes del mundo.
Los primeros ensayos, de 1924, se produjeron por parte de la empresa francesa Neyrpic
Sogreah que, a título de ensayo, construyó pequeñas centrales maremotrices en el estuario
de Saint Malo y en la bahía de Saint Servan, ambas en la Bretaña francesa, con el objetivo
de acometer la obra de mayor envergadura en el estuario del río Rance, de poco más de 100
kilómetros de longitud. En dicho estuario, situado en el Atlántico Norte, se unían unas
condiciones excepcionales y un régimen de mareas constante y de considerable amplitud.
Las primeras obras debieron esperar a 1961, cuando se perfeccionó la tecnología de los
sistemas de bombeo. La central que consta de 24 grupos de bombeo de doble dirección-
Desde entonces ha fabricado electricidad para abastecer el consumo de ciudades tan
importantes como Rennes, Saint-Brieuc –desde esa ciudad hasta Brest- y Laigle, desde
donde la línea se prolonga hasta la misma capital, París.
Aunque en un estadio de menor desarrollo tecnológico, se deberán tener en cuenta en
un futuro próximo otras fuerzas marinas escasamente exploradas, como la energía
producida por el oleaje y las ondas marinas, así como la energía maremotérmica, producida
por el gradiente térmico entre la superficie y el fondo marinos”.[4]
1.4 PLANTAS HIDROELÉCTRICAS EN MÉXICO
“Generación de energía por plantas hidroeléctricas en México
- Hay instaladas en el país 217 hidroeléctricas
La capacidad de generación es de 9618 MW
- En operación se cuenta con 78
- El porcentaje de utilización es de 26.53%
1.4.1 CLASIFICACIÓN DE PLANTAS HIDROELÉCTRICAS
Se definen las centrales en función de su capacidad menores de 30MW como:
Micro hidráulica.
Mini hidráulica
Pequeña central hidráulica
En México se tiene reconocidos la red de Minihidráulicas y Microhidráulicas divididas
en:
a). Microhidráulicas en operación de CFE
b). Microhidráulicas fuera de operación.
1.5 IMPACTO AMBIENTAL
“Seguramente las consideraciones medio ambientales sobre el uso hidroeléctrico
cambian radicalmente si nos referimos a los sistemas de pequeño tamaño (debajo de los
100 kW). Los sistemas pequeños son diferentes de los de elevada potencia, ya que están
caracterizados por modelos de organización diferentes, distribuidos en el territorio,
gestionados por pequeñas comunidades e integrados en un uso múltiple y equilibrado del
recurso agua.
El caso de la hidroeléctrica de dimensiones reducidas es emblemático en la
investigación de fuentes energéticas alternativas. Aunque no utilicen una fuente energética
o una tecnología del todo nueva (la técnica constructiva ha progresado mucho, pero el
aprovechamiento hidroeléctrico tiene orígenes antiguos), hoy en día los sistemas de
mini-hidráulica pueden contribuir al desarrollo sostenible del territorio en el que se ubican.
Los beneficios desde el punto de vista ambiental de los microsistemas hidroeléctricos
son notables: servicio a zonas aisladas o suministrada a través de obras de mayor impacto,
actuación de una política de regionalización de la producción, contribución a la
diversificación de las fuentes, disminución de la dependencia energética de fuentes
convencionales de la zona afectada por el proyecto, y disminución de emisiones de
sustancias contaminantes y causantes del efecto invernadero.
También los microsistemas hidroeléctricos pueden tener impactos negativos sobre el
medio ambiente, impactos que el proyectista/constructor tendrá que intentar minimizar.
Estos impactos negativos están relacionados sobre todo con la ocupación del terreno, la
transformación del territorio, la derivación y captación de recursos hídricos superficiales y
posibles alteraciones sobre la flora y la fauna, aunque son de mucha menor entidad que los
de sistemas de mayor tamaño. También para las micro-aplicaciones es importante mantener
un reflujo adecuado (caudal ecológico) para la conservación del ecosistema fluvial en el
CAPÍTULO II
CENTRAL MICRO Y MINI
HIDRAULICA
2.1 LAS INSTALACIONES HIDROELÉCTRICAS DE PEQUEÑO TAMAÑO
“La Ley del Servicio Público de Energía Eléctrica define a “un pequeño productor”
como aquel que instale en una central una potencia no mayor a 30 MW y aunque en la
figura de “Auto abastecedor” no existe un límite para construir una central generadora, la
potencia que requiere una industria mediana o grande es del orden de 2 a 5 MW. La
CONAE que ahora es llamado CONUEE utilizó en 1994 la siguiente clasificación para
definir a este tipo de las centrales:
Microhidro < 1 MW
Minihidro 1 < MW < 5
Pequeña 5 < MW < 30
Las diversas definiciones que utilizan algunos países, denota la variación de los límites y
que como ya lo apuntaba CONAE (CONUEE), no existe una definición universal al
respecto.
Con base en proyectos desarrollados en nuestro país y en otras partes del mundo en las
últimas décadas, se propone modificar los rangos utilizados por CONAE (hoy CONUUE)
para hacerlos más flexibles y más cercanos a las diferentes tecnologías y usos finales de la
energía.
Los nuevos límites propuestos son como sigue:
Microhidro < 100 kW
Minihidro 100 < kW < 1,000
Pequeña 1 < MW < 30.
Las microhidráulicas se desarrollan por lo regular para la conversión a energía mecánica
en el medio rural.
Las minihidráulicas se desarrollan para la conversión a energía mecánica y/o eléctrica.
Por lo general operan en red aislada.
Las pequeñas centrales se desarrollan para la conversión a energía eléctrica para auto
“El potencial hidroeléctrico en pequeña escala bien proporcionado y ubicado, resulta
económicamente competitivo respecto a las otras fuentes energéticas renovables y,
considerando los costos globales reales, también respecto a las fuentes energéticas
tradicionales.
Las instalaciones micro-hidráulicas representan por lo tanto una forma de energía
valiosa, porque con un impacto medioambiental muy bajo utilizan una fuente energética
renovable, que de otra manera se perdería.
Entre las ventajas de las micro-hidráulicas, podemos mencionar las siguientes:
- Aprovechan al máximo todos los recursos hídricos disponibles, ya que los
lugares de instalación son muy variados y su central es muy sencilla.
- Necesitan un limitado recurso hídrico para producir energía eléctrica.
- Producen energía eléctrica cerca del usuario”.[8]
2.2 CENTRAL MINIHIDRÁULICA
Componentes de una central mini-hidráulica
Captación de caudal (presa o embalse)
“Para este tipo de centrales de generación, normalmente no se almacena el agua, siendo
por lo tanto que el caudal turbinario y la potencia generada dependientes de la energía
cinética que tiene el agua al pasar, siendo en comparación con centrales de mayor magnitud
que cuentan con embalses las que si pueden controlar el caudal turbinario.
Canal
Partiendo de la presa, se hace un canal para transportar el agua desde la misma, hasta el
punto que tenga el desnivel deseado con el lecho original del río.
Cámara de carga
Es el depósito de regulación de agua, entre el punto de llegada del canal y el punto de
salida del tubo de presión.
Tubería de presión o tubería forzada
Casa de máquinas
Es el edificio donde se ha instalado la turbina, el generador, los automatismos y otros
elementos auxiliares.
Canal de aforo
Es la conducción que devuelve al río el caudal de agua, una vez que ha pasado por la
turbina.
La turbina
La turbina transforma la energía del agua en energía mecánica. Hay diversos tipos, y la
utilización depende del caudal y del salto previsto.
Para pequeños desniveles (de 2 a 10 m), se utilizan turbinas tipo hélice (Fig. 3) que
consisten, básicamente, en una cámara de entrada, un distribuidor, un tubo de aspiración y
un rodete con 4 ó 5 palas de tipo hélice.
La turbina Francis (Fig. 4) se utiliza para saltos medianos (de 5 a 100 m) y se caracteriza
porque tiene el rodete formado por una corona de paletas fijas, que constituyen una serie de
canales que reciben el agua radialmente y la orientan hacia la salida del rodete de forma
axial.
Cuando nos encontramos con saltos más elevados (de 50 a 400 m), se utiliza la turbina
Pelton (Fig. 5). Esta turbina tiene un rodete que, en la periferia, lleva montadas unas palas
en forma de doble cuchara, sobre las cuales incide un chorro de agua, dirigido por uno o
más inyectores. Los inyectores son los encargados de regular el caudal y, en consecuencia,
[image:37.612.220.418.266.417.2]
Figura 3. Esquema de turbina Kaplan o Hélice.[9]
Figura 4. Esquema de turbina Francis.[9]
[image:37.612.207.434.482.659.2]
2.3 APLICACIONES DE LA ENERGÍA MINIHIDRÁULICA
“Una mini central hidroeléctrica produce y comercializa un producto, la electricidad,
que no puede almacenarse y tiene que ser consumida en el momento de la producción.
Aunque se puede transformar, hay que ser consciente de la inversión que supone la
construcción de los medios de transporte, las redes eléctricas, y que el transporte origina
unas pérdidas de energía nada despreciables.
Así, según el uso final de la energía eléctrica, se puede distinguir:
Producción de electricidad para ser vendida a la red
En este caso, el sistema eléctrico, mediante la compañía distribuidora de la zona, compra
toda la energía eléctrica producida por la mini central a un precio y con unas condiciones
determinadas.
Electricidad para ser auto-consumida por la industria
Para industrias de determinados sectores (químico, siderúrgico, papeleras, textil,
cemento.), con un consumo elevado de electricidad, puede resultar interesante tener una
central mini-hidráulica, porque toda la electricidad producida puede ser utilizada en el
proceso de fabricación de la misma industria.
La situación ideal es una interconexión con la red, ya que además de mejorar el
equilibrio eléctrico entre producción y demanda de la instalación, posibilita vender el
exceso producido durante las horas que la fábrica está parada”. [9]
2.4 TIPOS DE TURBINAS
“La evolución de la turbina moderna a partir de las ruedas antiguas ha producido el
diseño y utilización de varios tipos diferentes de máquinas” [10], de las cuales algunas de
estas se han dejado de producir, pero aun siendo posible que en ocasiones todavía se
En general todas las turbinas del tipo hidráulico modernas pueden clasificarse en dos
grupos:
1. Turbinas tangenciales o de impulso
2. Turbinas de reacción
a) Tipo Francis (escurrimiento mixto)
b) Tipo de hélice o propela (escurrimiento axial)
2.4.1 TURBINA TANGENCIAL, ADMISIÓN PARCIAL O DE ACCIÓN (RUEDA PELTON)
Entra en funcionamiento cuando (Fig. 6) “recibe la energía de un chorro de agua
entregado por una boquilla en el extremo de una línea de tubería o tubería forzada. El
chorro se forma libre en el aire y se desplaza sobre la superficie de las cazoletas de
impulsión bajo la presión atmosférica. La energía de ese chorro es totalmente cinética y no
hay energía de presión o potencial utilizada. Esta turbina bien podría llamarse turbina de
energía cinética, pero el nombre de tangencial vino del hecho de que la línea de centro del
chorro es tangencial a la línea de centro del recorrido de las cazoletas. El termino impulso
se originó como producto de la consideración de que el impulsor era accionado por el
impulso de chorro. Con frecuencia se llama a esta turbina Rueda Pelton en honor de la
persona que introdujo primero la idea de la cazoleta actual de escurrimiento dividido. Con
Figura 6. Turbina de sobresaliente doble en la Planta Balch de San Joaquín Light and Power Co., California. Capacidad 40000 hp a 360 revoluciones por minuto. Carga
efectiva 2243 pies. (Cortesía de Allis-ChalmersMfg. Co.).[11]
Generalmente la turbina de impulso se utiliza para cargas muy altas, dependiendo la
cantidad de energía disponible en gran medida de la alta velocidad del escurrimiento que la
cantidad o gasto del mismo.
2.4.2 TIPOS DE TURBINAS DE ACCIÓN O PELTON
Microturbinas Pelton
“Se usan en zonas rurales aisladas donde se aprovechan los recursos hidroenergéticos
que existen en pequeños ríos o quebradas para transformarlos en energía eléctrica.
La turbina se ensambla en un sólido chasis construido con perfiles estructurales que
permiten el acoplamiento en un solo bloque, de esta forma se puede realizar un pre-montaje
Miniturbinas Pelton
Según las normas europeas las mini centrales hidroeléctricas son aquellas que están
comprendidas en el rango de 100kW a 1000 kW de potencia. Según la organización
Latinoamericana de Energía clasifica en el rango de 50kW a 500kW.
La turbina se ensambla en un sólido chasis construido con perfiles estructurales que
permiten el acoplamiento en un solo bloque. Previamente es posible realizar un pre-montaje
en el taller donde se fabrica, esto suele hacerse en el caso de turbinas más pequeñas, debido
a su bajo costo de instalación.
Picoturbinas Pelton
La aparición de picocentrales hidroeléctricas y consecuentemente de picoturbinas, tiene
apenas una década. El rango de picocentrales está por debajo de los 10kW.
Las picoturbinas se aprovechan por los recursos hidráulicos existentes en quebradas
muy pequeñas, manantiales u otras fuentes donde existen algunos chorros de agua y alguna
pequeña caída que podría transformarse en energía mecánica o eléctrica.
Las picoturbinas se diseñan en la actualidad como pequeños bloques compactos, donde
en una sola unidad se incluyen todas sus partes.
Se caracteriza principalmente por su pequeño tamaño, su versatilidad y por su facilidad
para el transporte e instalación”. [11]
2.4.2.1 PARTES DE LA TURBINA PELTON
En la figura 7 se pueden ver a grandes rasgos los aspectos y partes que componen a una
turbina tipo Pelton, las cuales son:
Tubería de alimentación: es el conducto por donde se lleva el agua hacia la turbina,
este puede tener modificaciones dependiendo las necesidades que se quieran cubrir al final
para modificar los valores con que se impulsa a la turbina, que en otras palabras esta
modificación es hacia las características del chorro de agua en la salida.
Boquilla: Es la parte final o el extremo de la tubería de alimentación, en la cual se
reduce el paso del agua, creando modificación directa en la energía potencial del recurso
Carcaza: es una cubierta que cubre y protege a toda la turbina, para que las partes y
componentes de la misma no interactúen tanto con el exterior así como el mismo interior.
Cazoletas (cangilones): son los elementos que van en la periferia del rodete, las cuales
reciben el agua de un chorro que tiene una línea de centro tangente al recorrido de las
cazoletas.
Aguja o punta de lanza: es un elemento que normalmente va en la boquilla de la
tubería, la cual sirve para modificar las características del chorro de agua, entre las cuales
está su presión y tamaño.
Chorro de agua: es el factor y recurso hidráulico que se necesita para poder hacer girar
[image:42.612.134.509.301.581.2]el rodete de la turbina y así tener generación de energía eléctrica.
Figura 7. Partes de una turbina Pelton.[16]
En relación al proyecto que se tiene, existen pequeñas diferencias en cuanto al esquema
general de cómo está compuesta la turbina pelton, ya que en este caso se tendría de igual
manera la tubería de alimentación (tubería de presión), la boquilla del mismo tubo, el
chorro de agua así como las cazoletas (alabes). En efecto lo que es la aguja o punta de
aplicaciones estas estarían ya aplicadas en el caudal del agua residual, ya que este resulta
ser constante, por lo que no existiría modificación alguna en la energía potencial del agua
residual.
2.4.3 TURBINA DE REACCIÓN (FRANCIS)
Básicamente es un rodete móvil circular, el cual consta de una serie de pasos, así como
de cazoletas o álabes los cuales están sujetos a una flecha central, “que reciben el agua de
conductos de paso fijos para guía, colocados concéntricamente con respecto a la periferia
Figura 8. La turbina de flujo axial, o de propela, es de origen comparativamente reciente, y la primera fue manufacturada en los EUA en 1916 de diseños propuestos
por Nagler en 1913.[10]
“Las turbinas modernas de reacción pueden clasificarse, en general, por sus rodetes, que
pueden ser de escurrimiento mixto y de escurrimiento axial. Las turbinas del primer tipo
generalmente se conocen como Turbinas Francis es la más antigua de las dos, y fue llamada
así en honor del señor James B. Francis, quien en 1849 diseño la primera turbina eficiente
con escurrimiento hacia adentro (Fig.9). Con el término escurrimiento hacia adentro se
quiere significar que el agua entra a la periferia exterior del rodete y se mueve hacia la
En general, el escurrimiento es hacia adentro en el punto de entrada, pero cambia
mientras está en el rodete hacia una dirección inclinada o paralela a la flecha. Por esta razón
se dice que el escurrimiento es mixto en dirección (Fig. 10a, b, c), el valor de ∅ varia aproximadamente de 0.58 a 1.0 o más para la turbina mixta, y de 1.0 a 2.0 o más para las
turbinas del tipo axial o de propela. Si el valor de ∅ se determina para un rodete móvil determinado por medio del calculo o por pruebas, la velocidad mas conveniente puede
fácilmente determinarse por cualquier valor de la carga. El tipo de hélice o propela, como
su nombre lo implica, tiene un rodete móvil de forma semejante a la hélice de un barco, y
una particular de agua que pasa por este rodete sigue un recorrido que es aproximadamente
equidistante en todos los puntos de la flecha o eje, y por esta razón, la turbina se clasifica
[image:45.612.222.419.307.523.2]como de escurrimiento axial (Fig. 10c)”. [12]
Figura 10. Ilustra las secciones parciales, ambas paralelas y normales de la flecha, a traves de cuatro tipos de rodetes moviles, en este caso se considera que los cuatro tipos
de rodetes tienen el mismo diametro D, y que funcionan aproximadamente con la misma carga.[10]
“La figura 10(a) muestra un rodete que se asemeja mucho a la rueda original de Francis,
que tiene las áreas de escurrimiento restringidas y valores tales para y que hacen a ∅ de valor bajo. El rodete es esencialmente de carga alta y de velocidad y capacidad
relativamente bajas. En 10(b) se muestra un rodete que tiene una capacidad ligeramente
mayor y, con la misma carga desarrollaria una potencia mayor. En este caso el valor de ∅ es tambien considerablemente mas grande, y representa una turbina de velocidad y capacidad
Esta especialmente adaptado para cargas bajas, donde unicamente pueden obtenerse
potencias grandes y altas velocidades con cantidades grandes del gasto de escurrimiento y
mantenimiento a (y por tanto a ∅) con un valor tan alto como sea posible. El rodete 10(d) es del tipo de hélice o propela y es el desarrollo mas extremo de la turbina de alta
velocidad y alta capacidad. El uso de este rodete esta principalmente restringido a las
plantas de carga baja.
Generalmente la turbina de hélice se aplica para cargas bajas y con grandes valores del
gasto de descarga; la turbina de impulso se usa con cargas extremadamente altas y con
valores del gasto de descarga relativamente pequeños; y la turbina Francis se usa en
condiciones o valores de la carga y del gasto que están comprendidos entre los valores
CAPÍTULO III
GENERACIÓN ELÉCTRICA
APROVECHANDO LOS FLUJOS DE
AGUAS RESIDUALES
3.1LA REALIZACIÓN DE UN SISTEMA MINI-HIDRÁULICO
“La realización de una micro-instalación hidroeléctrica depende mucho del tamaño
(expresado en términos de potencia) de la instalación misma. En términos de plantear una
metodología teórica para una evaluación previa de cálculos técnicos que indiquen una
probable factibilidad de un proyecto de este tipo, se deben considerar los siguientes
aspectos:
- Elección del lugar y estudio de parámetros (caudal y salto disponibles, potencia)
La elección del lugar se realiza basándose en:
- La accesibilidad del lugar (cuanto mayor es la accesibilidad al curso de agua,
menor será el impacto sobre el mismo provocado por las posibles
intervenciones);
- La evaluación de los parámetros de referencia (caudal y salto disponible).
Una vez elegido el lugar que cumpla los requisitos adecuados, se pasa a la
determinación del caudal (Q) de agua (litros/s) y del salto (H) en m.
Como hemos visto, los elementos que permiten elegir un lugar para la realización de una
instalación hidroeléctrica se refieren al salto y al caudal disponible. El producto de los dos
términos proporciona, teniendo en cuenta la aceleración de gravedad (9.81 m/s2) y el rendimiento medio global, la potencia de la instalación, considerando igual a la unidad el
peso específico del agua”. [13]
3.2 FLUJO DE CORRIENTE
El flujo de corriente se considera como la cantidad de agua que circula por un rio o canal
(figura 11), esto se toma por los litros de agua que pasan en un tiempo determinado es por
ello que se consideran los m3/s que fluyen a través de ese canal, ya que esto va a ser la energía que se necesita para poder mover la turbina que a su vez se acopla al generador
Figura 11. Flujo de corriente de arroyo o canal.[16]
Cabe mencionar que el flujo de corriente eléctrica tiene una variación con el tiempo en
un periodo de muchos años esto se debe realizar para que se logre estimar la disponibilidad
de la energía, para ello se debe registrar el flujo durante el año para estimar que meses del
año son los más apropiados, para ello se determina una curva de flujo para lograr
comprobar que tan constante fue la cantidad de agua que circulo a través de ese arroyo o
canal durante todo el año.
Para ello se realiza un estudio en un periodo de tiempo en el cual se muestra el
comportamiento de la precipitación pluvial en un año esta curva da como resultado que se
estime la potencia obtenida en los diferentes periodos que se llevaron a cabo.
3.2.1 CANALES DE DESAGÜE
Para el análisis de la aplicación se tomó en cuenta el Canal Rio de La Compañía así
mismo el Túnel Emisor Oriente ya que de estos dos medios se puede aprovechar el caudal
para la producción de energía eléctrica.
El túnel emisor oriente inicia en la confluencia del gran canal con el rio de los remedios
es ubicado en los límites del Distrito Federal y el Estado de México, concluyendo en el
municipio de Atotonilco en el Estado de Hidalgo. La obra del Túnel Emisor Oriente (TEO)
metropolitana del Valle de México esto para realizar un desalojo de hasta 150m3/s y con ello aumentar la capacidad de regulación en temporada de lluvias, está diseñado con una
longitud de 67 km con un desnivel de 100 m, una profundidad que va desde los 30 m hasta
[image:51.612.156.489.154.537.2]los 150 m con 24 lumbreras en todo su recorrido.
Figura 12. Túnel Emisor Oriente (TEO).[15]
Para el análisis se contempló la planta de bombeo “El Caracol”, la cual se conecta
directamente al túnel emisor oriente y este a su vez desemboca en la planta tratadora de
aguas residuales P.T.A.R. Atotonilco, la planta de bombeo “El Caracol” está ubicada en el
municipio de Ecatepec en el Estado de México, permite derivar un volumen de hasta 40
Figura 13. Ubicación de Planta de bombeo “El Caracol”.[15]
La planta de bombeo cuenta con dos cárcamos cada uno de ellos tiene un sistema de 20
bombas, capaz de desalojar 1m3/s en conjunto desaloja hasta 20m3/s uniendo ambos cárcamos el desfogue total que se tiene es de 40m3/s.
[image:52.612.168.472.457.657.2]
3.3 CÁLCULO DE LA POTENCIA EN DIVERSOS CANALES
Al momento de realizar un proyecto hidroeléctrico se debe considerar que se llega a
utilizar la potencia del agua para la generación de energía eléctrica, se debe tomar en cuenta
que la caída a través de cierta altura provoca que la energía producida es capaz de mover la
turbina la cual está acoplada a un generador, dicha potencia generada está dada por la
ecuación (3.1).
P = W Q H ῃ x 9.81x10-3 kW (3.1)
Donde:
W = Peso específico del agua en Kg/m3. Q = Flujo del agua en m3 / seg.
H = Altura de la caída o caída en m.
ῃ = Eficiencia global de operación. 3.4 POTENCIA EN EL RÍO DE LA COMPAÑÍA
El Rio de la Compañía en su tramo comprendido entre los municipios de los Reyes la
Paz, Netzahualcóyotl y Ecatepec, tienen un flujo de corriente de 40m3/s la altura comprende es de 1 m si considerar la eficiencia.
Por lo que su potencia se determina con la ecuación (3.1):
P = W Q H x 9.81x10-3 kW
P= (1000 kg/m3) (40m3/s) (1m) (9.81) (10-3)
P= 392.4 kW
Mientras que a una caída de 3 m considerando que se toma a la salida de la tubería
localizada en la entrada del vaso regulador, con un mismo flujo de corriente de 40m3/s se tiene:
P = W Q H x 9.81x10-3 kW
P= (1000 kg/m3) (40m3/s) (3m) (9.81) (10-3)
3.5 POTENCIA EN LA PLANTA DE BOMBEO EL CARACOL
Esta planta tiene un desfogue de hasta 40m3/s en temporada de lluvias y de 8m3/s en estiaje, con una altura de 50 m la cual será transferida al gran canal de desagüe, cuenta con
dos cárcamos de bombeo cada uno con una descarga de 20m3/s esto se lleva a cabo a través de 20 bombas con las que cuenta este sistema de bombeo,
De acuerdo a características vistas, cuando se tiene trabajando la planta a una capacidad
máxima que es cuando desfoga 40 m3/s, se vio que no es viable tener una sola turbina, debido a que sus dimensiones serian de gran valor y además que cuando se de
mantenimiento a la turbina se interrumpiría la generación en su totalidad, algo que no
sucedería si se aplicara una turbina para cada cárcamo, los cuales desfogan 20 m3/s, por lo que ahora en este caso se tendrían generando en dos turbinas siendo un factor interesante
debido a que estas al momento de tener mantenimiento podría sacarse de servicio una y
seguir generando la otra, otro aspecto importante es que las dimensiones de estas serían
menores.
En este caso se optó por aplicar dos turbinas en cada cárcamo, en los que a fin de
cuentas seria la mitad del caudal que se tiene cuando existe una potencia máxima, por lo
que la potencia generada será:
Potencia máxima
P = W Q H x 9.81x10-3 kW
P= (1000 kg/m3) (40m3/s) (50m) (9.81) (10-3)
P= 19620 kW=19.620 MW
Y al usar los dos cárcamos en los que se desfogan 20 m3/s se tiene una potencia de:
P = W Q H x 9.81x10-3 kW
P= (1000 kg/m3) (20m3/s) (50m) (9.81) (10-3)
P= 9810 kW=9.810 MW
De acuerdo a la potencia obtenida de 9,810 MW la cual es la que se ocupara para poder
determinar las características de la turbina y el generador, las cuales se observan en la tabla
[image:55.612.134.506.95.402.2]
Figura 15. Cárcamos de la planta de bombeo “El Caracol”.[10]
Mientras que la potencia que se genera cuando el desalojo es el mínimo considerado en
este caso 8m3/s la potencia obtenida es: Potencia mínima
P = W Q H x 9.81x10-3 kW
P= (1000 kg/m3) (8m3/s) (50m) (9.81) (10-3)
Figura 16. Vista del interior de los cárcamos de bombeo.[15]
La planta cuenta con un sistema de 20 bombas por cárcamo cada una de ellas desaloja 1
3.6 VELOCIDAD ESPECÍFICA
Es el valor característico de cualquier turbina hidráulica, el cual es geométricamente
semejante, este valor es independiente del tamaño ya que pueden tener modelos a escala.
Por ejemplo si n es bajo, suponiendo un valor de 2 la turbina se le llamara lenta y si es elevado suponiendo un valor de 30 la turbina se le llamara rápida. Cabe señalar que el usar
las palabras lenta o rápida no hacen referencia al número real de revoluciones, lo que por
consecuencia es frecuente ver que la turbina rápida gira a un número de revoluciones
menor que la lenta.
Estos se pueden obtener gracias a la formula (3.2) de la cual se obtienen las revoluciones
específicas de la turbina, por lo tanto se tiene:
(3.2)
Donde:
= Velocidad especifica en unidades métricas.
=Velocidad de la turbina RPM.
= Potencia en caballos de vapor (CV) o HP.
= Altura del salto disponible o caída específica, en metros.
Sustituyendo en la ecuación (3.2) los valores de la planta generadora, se tiene en la tabla
3 una comparación en la cual el cálculo de se hace considerando en Caballos de Vapor
contra HP.
Primero se hicieron las conversiones de los 9810 kW obtenidos por cada uno de los dos
cárcamos de la planta generadora a CV aplicando una regla de tres.
1 kW = 1.3596211551613 CV
9810 kW = 13337.88353 CV
Y después la conversión de los 9810kW a HP.
1 kW = 1.3410218586563 HP
![Figura 3. Esquema de turbina Kaplan o Hélice. [9]](https://thumb-us.123doks.com/thumbv2/123dok_es/4990477.76623/37.612.207.434.482.659/figura-esquema-turbina-kaplan-helice.webp)
![Figura 7. Partes de una turbina Pelton. [16]](https://thumb-us.123doks.com/thumbv2/123dok_es/4990477.76623/42.612.134.509.301.581/figura-partes-turbina-pelton.webp)
![Figura 9. Turbina original Francis. [10]](https://thumb-us.123doks.com/thumbv2/123dok_es/4990477.76623/45.612.222.419.307.523/figura-turbina-original-francis.webp)
