Proyecto de un aprovechamiento de energías renovables en particular la generación undimotríz

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INSTITUTO POLITÉCNICO

NACIONAL

ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA

UNIDAD PROFESIONAL “ADOLFO LÓPEZ MATEOS”

TESIS:

“PROYECTO DE UN APROVECHAMIENTO DE ENERGÍAS RENOVABLES EN PARTICULAR LA GENERACIÓN UNDIMOTRÍZ”

QUE PARA OBTENER EL TÍTULO DE:

INGENIERO ELECTRICISTA

PRESENTA:

VÍCTOR MANUEL ESTRADA OLVERA

ASESORES

ING: RUBEN NAVARRO BUSTOS

M EN C: RUBEN ORTIZ YAÑEZ

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AGRADECIMIENTOS:

A ti mi Dios por haberme permitido cumplir con esta meta trazada, por permitir a las personas que elegiste para que me acompañen en este proyecto, no tengo con que pagarte todo lo bueno que me has dado.

A Mayra Alejandra, por ser la compañera ideal, por ser un apoyo sincero, constante y un aliente en mi vida, por ser parte de mis triunfos sueños y metas.

A Dennys y Melanne, con todo cariño para mis hijas, que son dos seres tan hermosos para mi vida.

A mi Madre, por haberme dado el ser y la vida, por sus sabios consejos y por la crianza que me dio, y a ti Papá gracias por todo ojala hubieras estado conmigo en estos momentos, por siempre gracias.

A mis hermanos: Martha, Blanca, Aarón, Angélica, María De Jesús, por ser parte de este logro, por esos momentos de sueños y por todos esos momentos que compartimos en nuestra infancia.

A mis maestros por haberme enseñado el camino del éxito.

A mis asesores por haber confiado en mí, y por todo el apoyo que me brindaron.

A mi ESIME gracias por haberme permitido entrar bajo su techo, porque gracias a ello tengo muchas satisfacciones profesionales y personales.

A todos mis amigos y personas que directamente o indirectamente estuvieron presentes en este proyecto.

Página 3 INDICE:

GENERALIDADES DEL PROYECTO...13

CONCEPTO DE DISEÑO PARA LA CENTRAL DE GENERACIÓN UNDIMOTRÍZ ...17

INTRODUCCIÓN ...19

PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA ...20

JUSTIFICACIÓN ...21

OBJETIVO ...22

ALCANCE ...23

CAPITULO No. 1 ANTECEDENTES ...24

1.1 ENERGIAS RENOVABLES Y ENERGIAS CONVENCIONALES ...31

1.2 ENERGIA ...34

1.3 ENERGIA ALTERNATIVA...34

1.4 ENERGIA NUCLEAR ...35

1.5 RECURSOS RENOVABLES ...35

1.6 RECURSOS NO RENOVABLES ...36

1.7 IMPACTO AMBIENTAL ...36

1.8 EVOLUCIÓN HISTORICA...36

1.9 CLASIFICACIÓN ...37

1.10 ENERGIA HIDRAULICA ...38

1.11 BIOMASA...39

1.12 ENERGIA SOLAR...39

1.13 ENERGIA EOLICA ...39

1.14 ENERGIA GEOTERMICA...39

1.15 ENERGIA AZUL ...40

1.16 ENERGIA DE LOS OCEANOS ...40

CAPITULO No. 2 EL MAR COMO FUENTE DE ENERGIA ...41

2.1 COMO SE MIDE LA MAREA ...43

2.2 QUE SON LAS MAREAS VIVAS Y LAS MAREAS MUERTAS ...44

2.3 EXISTEN OTRAS CAUSAS AJENAS A LA MAREA ...45

2.4 LAS MAREAS EN MEXICO ...45

2.5 LAS OLAS ...46

2.6 CLASIFICACIÓN DE LAS OLAS...48

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2.8 ECUACIÓN DE LA POTENCIA DEL MAR...50

2.9 TEORIA DE ONDA LINEAL ...51

2.10 EXTRAPOLACIÓN DE VELOCIDAD DE MAREAS SEMIDIURNA...55

CAPITULO No. 3 CONVERTIDOR UNDIMOTRÍZ ...61

3.1 GENERALIDADES Y DEFINICIONES ...62

CAPITULO No. 4 CRITERIOS DE DISEÑO MECANICO ...67

4.1 CRITERIOS DE DISEÑO ELECTRICO ...72

4.2 CRITERIOS DE DISEÑO INSTRUMENTACIÓN Y CONTROL ...122

4.3 CRITERIOS DE DISEÑO DE PLANTA ...132

4.4 CRITERIOS DE DISEÑO DE INGENIERIA CIVIL ...133

4.5 CRITERIOS DE DISEÑO PROTECCIÓN AMBIENTAL ...140

4.6 SEGURIDAD, SALUD E HIGIENE EN EL TRABAJO ...140

CAPITULO No. 5 PROCESO CONSTRUCTIVO...141

5.1 PROCEDIMIENTO CONSTRUCTIVO ...143

CAPITULO No. 6 PRUEBAS Y PUESTA EN SERVICIO ...164

CAPITULO No. 7 ESTUDIO ECONOMICO ...167

7.1 VENTAJAS DEL USO DE LA ENERGIA UNDIMOTRÍZ ...168

7.2 DESVENTAJAS DEL USO DE LA ENERGIA UNDIMOTRÍZ...169

CONCLUSIONES ...170

RECOMENDACIONES ...172

BIBLIOGRAFIA ...173

INDICE DE FIGURAS: FIGURA NO. 1 MAR MOTOR ...19

FIGURA NO. 2 MANERA AMPLIFICADA DE UN FLUJO DE SUMUNISTRO ELECTRICO ...26

FIGURA NO. 3 CAPACIDAD Y GENERACIÓN AUTORIZADA PARA EL SECTOR PRIVADO ...27

FIGURA NO. 4 CAPACIDAD INSTALADA EN MW ...28

FIGURA NO. 5 ENERGIAS RENOVABLES Y ENERGIAS CONVENCIONALES ...34

FIGURA NO. 6 EVOLUCIÓN HISTORICA ...37

FIGURA NO. 7 CLASIFICACIÓN ...38

FIGURA NO. 8 FUERZAS Y DESPLAZAMIENTOS DE LAS MAREAS DE AGUA DEBIDAS A LA FUERZA DE LA LUNA. ...42

FIGURA NO. 9 EQUIPOS DE MEDICIÓN DE MAREAS ...43

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FIGURA NO. 11 TIPOS DE MAREAS ...45

FIGURA NO. 12 RANGOS DE MAREAS ...46

FIGURA NO. 13 VARIACIÓN DE LA OLA PARA DIFERENTES PROFUNDIDADES ...47

FIGURA NO. 14 PERFIL DE LA OLA SINOSIDAL...47

FIGURA NO. 15 REPRESENTACIÓN ESQUEMATICA DE LA ENERGIA PRESENTADA EN CADA TIPO DE OLA...48

FIGURA NO. 16 EJEMPLO DE UN REGISTRO DEL NIVEL DEL MAR ...50

FIGURA NO. 17 OLA LINEAL MANERA AMPLIFICADA DE UN FLUJO DE SUMUNISTRO ELECTRICO ...51

FIGURA NO. 18 PERFIL DE MAREA EN UN DÍA LUNAR (24 HORAS 50 MINUTOS) ...56

FIGURA NO. 19 VELOCIDAD DE MAREAS EN UN DÍA CON MAREA VIVA Y CON MAREA MUERTA ...58

FIGURA NO. 20 VARIACIÓN DE LA VELOCIDAD DE CORRIENTE DE MAREA DURANTE UN MES ...59

FIGURA NO. 21 DISTRIBUCIÓN MENSUAL DE LA POTENCIA PARA UNA VELOCIDAD MÁXIMA DE 2.5 MTS ...59

FIGURA NO. 22 POTENCIA DE ENERGIA MARITIMA EN KW/M ...60

FIGURA NO. 23 CONVERTIDOR UNDIMOTRÍZ ...61

FIGURA NO. 24 DIAGRAMA ELÉCTRICO DEL TRANSFORMADOR DE SERVICIOS PROPIOS...77

FIGURA NO. 25 DIAGRAMA UNIFILAR TABLERO SERVICIOS GENERALES (CTO 1) ...82

FIGURA NO. 26 DIAGRAMA UNIFILAR CUARTOS DE MAQUINAS ...92

FIGURA NO. 27 ARREGLO TABLERO METAL CLAD ...93

FIGURA NO. 28 LOCALIZACIÓN DEL PARARRAYOS SOBRE EL CUARTO DE MAQUINAS ...98

FIGURA NO. 29 AREA PARA LA INSTALACIÓN DEL SISTEMA DE TIERRAS...100

FIGURA NO. 30 DIAGRAMA DE BLOQUES SIMPLIFICADO ...116

FIGURA NO. 31 DIAGRAMA DE BLOQUES REDUCIDO...107

FIGURA NO. 32 ARREGLO DE LA CENTRAL UNDIMOTRIZ VISTA EM PLANTA ...109

FIGURA NO. 33 DIAGRAMA UNIFILAR DE LA PLANTA DE GENERACIÓN UNDIMOTRÍZ ...110

Página 6 INDICE DE TABLAS:

TABLA NO. 1 ARTÍCULOS DE LA LEY GENERAL DEL EQUILIBRIO ECOLÓGICO Y LA

PROTECCIÓN AMBIENTAL...30

TABLA NO.2 VENTAJAS Y DESVENTAJAS DE LAS ENERGÍAS RENOVABLES Y ENERGÍAS CONVENCIONALES ...32

TABLA NO. 3 CARACTERÍSTICAS Y CONDICIONES DE DISEÑO GENERALES PARA LA CENTRAL ...62

TABLA NO. 4 CUADRO DE CARGAS TABLERO GENERAL DEL TRANSFORMADOR DE SERVICIOS PROPIOS ...76

TABLA NO. 5 TENSIONES DEL SISTEMA DE CD ...115

TABLA NO. 6 VARIABLES ELÉCTRICAS Y VARIABLES CLIMATOLÓGICAS ...131

TABLA NO. 7 ACABADOS CASETA CENTRAL ...138

TABLA NO. 8 COSTOS DE PROYECTO...167

TABLA NO. 9 COSTOS ENERGÍAS RENOVABLES ...168

INDICE FOTOGRAFICO: FOTOGRAFÍA NO. 1 PREPARACIÓN CAMINOS DE ACCESO ...150

FOTOGRAFÍA NO. 2 HINCADO DE PILOTES ...150

FOTOGRAFÍA NO. 3 CUARTO DE CONTROL ...151

FOTOGRAFÍA NO. 4 CUARTO DE MAQUINAS ...152

FOTOGRAFÍA NO. 5 COLOCACIÓN BANCO DE DUCTOS Y COLOCACIÓN DE REGISTROS ...153

FOTOGRAFÍA NO. 6 GENERADOR DE IMANES PERMANENTES ...153

FOTOGRAFÍA NO. 7 INTERRUPTOR DE MEDIA TENSIÓN ...154

FOTOGRAFÍA NO. 8 MONTAJE DE TRANSFORMADOR ...154

FOTOGRAFÍA NO. 9 CONEXIÓN DE TRANSFORMADOR ...155

FOTOGRAFÍA NO. 10 MONTAJE DE TURBO GRUPO ...156

FOTOGRAFÍA NO. 11 SISTEMA DE CAPTACIÓN DE ENERGÍA ...157

FOTOGRAFÍA NO. 12 MONTAJE DE TABLEROS PROTECCIÓN, CONTROL Y MEDICIÓN ...157

FOTOGRAFÍA NO. 13 TENDIDO Y CONECTADO CABLE DE CONTROL ...158

FOTOGRAFÍA NO. 14 COLOCACIÓN Y CONEXIÓN DEL SISTEMA DE TIERRAS ...159

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FOTOGRAFÍA NO. 16 COLOCACIÓN DEL SISTEMA VS INCENDIO ...161

FOTOGRAFÍA NO. 17 MONTAJE BANCO DE BATERÍAS ...161

FOTOGRAFÍA NO. 18 COLOCACIÓN DE DUCTOS ELÉCTRICOS VISIBLES Y OCULTOS ...162

FOTOGRAFÍA NO. 19 COLOCACIÓN TABLEROS DE SERVICIOS PROPIOS ...163

FOTOGRAFÍA NO. 20 ROTULACIÓN DE TABLEROS Y ÁREAS ENERGIZADAS ...163

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GLOSARIO:

MARMOTOR En 1885 D. José Barrufet y Veciana patentó un ingenio, denominado “Mar

motor” para obtener energía eléctrica de las olas del mar, e intento la construcción de un prototipo funcional en Barcelona sobre la playa llamada de la Mar Vieja.

WAVE DRAGÓN (“Dragón de las olas” en inglés) es un sistema de conversión de energía

Undimotríz, el primero que funciona en alta mar.

AGUABUOY Estas boyas tienen la capacidad de convertir el componente vertical de la

energía cinética de las olas en agua presurizada, mediante unas bombas presurizadoras especialmente diseñadas. El agua a presión es introducida en un mecanismo de conversión compuesto por una turbina y un generador eléctrico. La energía generada por el sistema es transmitida a tierra firme por medio de cables submarinos.

PELAMIS El sistema Pelamis o serpiente acuática, consiste en una serie de

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UNDIMOTRÍZ Es la energía que permite la obtención de electricidad a partir de energía

mecánica generada por el movimiento de las olas.

CFE Comisión Federal de Electricidad

SEN Sistema Eléctrico Nacional

LSPEE Ley del Servicio Público de Energía

RLSPEE Reglamento de la ley del Servicio Público de Energía Eléctrica

CRE Comisión Reguladora de Energía

ONU La Organización de las Naciones Unidas

UNFCCC Convención regulada por Naciones Unidas, que establece un marco legal

para el cambio climático.

PROTOCOLO DE KIOTO Reducir las emisiones de gases contaminantes

responsables del calentamiento global de la Tierra es el objetivo del Protocolo de Kioto que entró en vigor el 16 de febrero de 2005 con el compromiso de 187 países para reducir el uso de combustibles fósiles.

OSMOSIS Es un fenómeno físico relacionado con el movimiento de un solvente a través

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ELECTROLISIS Es el proceso que separa los elementos de un compuesto por

medio de la electricidad. En ella ocurre la captura de electrones por los cationes en el cátodo (una reducción) y la liberación de electrones por los aniones en el ánodo (una oxidación).

EPRI El Electric Power Research Institute (EPRI) (en español: “Instituto de

Investigación de Potencia Eléctrica”) realiza investigaciones sobre temas de interés de

la Industria de la energía eléctrica en Estados Unidos. El EPRI es una organización independiente sin fines de lucro, fundada por la organizaciones de producción, distribución y con intereses en la industria eléctrica. Si bien EPRI es básicamente una organización norteamericana, en la misma participan también empresas y otras organizaciones extranjeras. Las áreas de interés que abarca EPRI comprenden la mayoría de los temas relacionados con la Generación de energía eléctrica, la distribución de electricidad y su uso.

TISEC Administración sociedad de responsabilidad limitada

LAPEM El Laboratorio de Pruebas Equipos y Materiales (LAPEM) es una

organización de la Comisión Federal de Electricidad que tiene como objetivo atender las necesidades del sector eléctrico

NMX-J-284-ANCE Norma oficial Mexicana para la fabricación de transformadores

tipo subestación

NMX-J-169-ANCE Norma oficial Mexicana transformadores y autotransformadores

de distribución y potencia-Métodos de Prueba

NFPA Es la National Fire Protection association y es el referente

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NORMAS OFICIALES MEXICANAS

NOM-001-SEMARNAT-1996. Establece los límites máximos permisibles de contaminantes en las descargas de aguas residuales en aguas y bienes nacionales.

NOM-041-SEMARNAT-2006. Establece los límites máximos permisibles de emisión de gases contaminantes provenientes del escape de los vehículos automotores en circulación que usan gasolina como combustible.

NOM-045-SEMARNAT-2006. Establece los niveles máximos permisibles de opacidad del humo proveniente del escape de vehículos automotores en circulación que usan diesel o mezclas que incluyan diesel como combustible.

NOM-50-SEMARNAT-1993. Establece los niveles máximos permisibles de emisión de gases contaminantes provenientes del escape de los vehículos automotores en circulación que usan gas licuado de petróleo, gas natural u otros combustibles alternos como combustible.

NOM-052-SEMARNAT-2005. Establece las características de los residuos peligrosos, el listado de los mismos y los límites que hacen a un residuo peligroso por su toxicidad al ambiente.

NOM-053-SEMARNAT-1993. Establece el procedimiento para llevar a cabo la prueba de extracción para determinar los constituyentes que hacen a un residuo peligroso por su toxicidad al ambiente.

NOM-054-SEMARNAT-2005. Establece el procedimiento para determinar la incompatibilidad entre dos o más residuos considerados como peligrosos por la norma oficial mexicana NOM-052-SEMARNAT-1993.

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NOM-080-SEMARNAT-1994. Establece los límites máximos permisibles de emisión de ruido proveniente del escape de los vehículos automotores, motocicletas y triciclos motorizados en circulación y su método de medición.

NOM-081-SEMARNAT-1994. Establece los límites máximos permisibles de emisión de ruido de las fuentes fijas y su método de medición.

NOM-131-SEMARNAT-1998. Establece los lineamientos y especificaciones para el desarrollo de actividades de observación de ballenas, así como aquellos relativos a su protección y conservación del hábitat en diversas áreas del país. Es de carácter permanente y de observancia obligatoria, adicionalmente, regula las actividades de observación de ballenas con otros fines, como los científicos, educativos y publicitarios.

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GENERALIDADES DEL PROYECTO:

La central de Generación Undimotríz del tipo boyas flotantes planta piloto, es el primer proyecto de su tipo instalado en costas mexicanas.

La Energía Undimotríz es la energía cinética de las olas, debido a su movimiento puede ser utilizada para mover boyas y generar electricidad.

Tomando como referencia los estudios realizados en la Central Rance de Francia, Central de Kislaya en Rusia y la Central Piloto Pelamis en Noruega. Es continuar en la búsqueda de nueva formas de generar energía eléctrica limpia sin contaminar

El proyecto eléctrico será diseñado conforme a las normas y en apego estricto a lo establecido en la NOM-001-SEDE-2012, Norma Oficial Mexicana relativa a las Instalaciones Eléctricas (Utilización). Destinadas al Suministro y uso de la Energía Eléctrica.

El objetivo de esta NOM es establecer las disposiciones y especificaciones de carácter técnico mínimas, con las que deben cumplir las instalaciones destinadas a la utilización de la energía

eléctrica para salvaguardar la seguridad de los usuarios e instalaciones y bienes materiales.

Para la ejecución del proyecto de instalación eléctrica se tomara en cuenta las normas citadas anteriormente, además de lo relativo a la definición de materiales y equipos que corresponden a los aprobados por esta dependencia, con el fin de ofrecer las condiciones de seguridad y servicio a las personas e instalaciones. A continuación se indican algunos de los artículos de la NOM-001-SEDE-2012 Instalaciones Eléctricas (Utilización) aplicados en este trabajo.

Requisitos de las instalaciones eléctricas Art: 110. Este artículo abarca los requisitos generales para inspección y aprobación, instalación y uso, acceso y espacios alrededor de, los ductos y equipos eléctricos; involucrados destinados al ingreso de personal e instalaciones en túneles.

Uso e identificación de los conductores puesta a tierra Art: 200. Este artículo establece los requisitos para identificación de las terminales, conductores puesta a tierra en el sistema de alambrado de las edificaciones, y identificación de los conductores puesta a tierra.

Página 14 Acometidas Art: 230. Este artículo cubre a los conductores de acometida y equipos de recepción del suministro, dispositivos para el control medición y protección de las acometidas así como de los requisitos para su instalación.

Protección contra sobre corriente Art: 240. Se cubren todos los requisitos generales para la protección y dispositivos de protección contra sobre corriente, tanto para conductores y equipos de circuitos derivados y alimentadores.

Puesta a tierra y unión Art: 250. Este artículo cubre los requisitos generales para la puesta a tierra y unión de instalaciones eléctricas y los requisitos específicos indicados en; sistemas, circuitos y equipos en los que se exige, se permite o no se permite que estén puestos a tierra en sistemas en sistemas puesta a tierra. Tipos y tamaños de los conductores de unión y de puesta a tierra y electrodos de puesta a tierra. Métodos de puesta a tierra y unión condiciones bajo los cuales los protectores, la separación o el aislamiento eléctrico pueden ser sustituidos por la puesta a tierra.

Apartarrayos de más de 1000 volts Art: 280. Este artículo comprende los requisitos generales, los requisitos de instalación y los requisitos de conexión para apartarrayos instalados en sistemas de alambrado de inmuebles, de más de 1000 volts.

Métodos de alambrado y materiales Art: 300. Este artículo comprende los métodos de alambrado para todas las instalaciones de alambrado.

Conductores para alambrado en general Art. 310. Este artículo trata de los requisitos generales de los conductores y de sus denominaciones de tipo, aislamiento, marcado, resistencia mecánica, capacidad y usos. Este artículo es fundamental en la selección de conductores ya que nos indica diversos factores de corrección que deben a no aplicarse dependiendo de las condiciones de la instalación.

Cajas, cajas de paso y sus accesorios utilizadas para salidas, empalmes, unión o jalado Art. 314. Este artículo cubre la instalación y el uso de todas las cajas utilizadas. Este artículo también incluye los requisitos de instalación para los accesorios empleados para unir canalizaciones y para conectar canalizaciones, cables y a las cajas.

Cable de media tensión Art: 328. Este artículo trata del uso, instalación y especificaciones de construcción del cable de media tensión.

Página 15 Tubo conduit de polietileno de alta densidad tipo HDPE Art: 353. Este artículo trata del uso, instalación y especificaciones de construcción para el tubo conduit de polietileno de alta densidad (HDPE) y accesorios asociados.

Charolas porta cables Art: 392. Este artículo trata de los sistemas de charolas porta cables, incluidos los tipos escalera, canal, ventiladas, fondo ventilado, fondo solido, tipo malla y otras estructuras similares.

Tableros de distribución y tableros de alumbrado y control Art: 408. Este artículo trata sobre los tableros de distribución y tableros de alambrado y control.

Luminarios, portalámparas y lámparas Art: 410. Este artículo trata de los luminarios, luminarias portátiles, porta lámparas, colgantes, lámparas de filamento, incandescente, lámparas de arco, lámparas de descarga eléctrica, productos para alambrado decorativo, accesorios de alambrado para uso festivo, temporal o de acuerdo a las estaciones, productos para alumbrado flexible portátil y del alambrado y equipos que forman parte de tales productos e instalaciones de alambrado.

Motores, circuitos de motores y controladores Art: 430. Este artículo trata sobre los motores, los conductores de los alimentadores y circuitos derivados de los motores y de su protección, sobre la protección contra sobrecargas de los motores, sobre los circuitos de control de los motores, de los controladores de los motores y de los centros de control de motores.

Generadores Art: 445. Este artículo contiene la instalación y los requisitos para los generadores.

Equipos de aire acondicionado y de refrigera Art: 440. Las disposiciones de este artículo se aplican a los equipos de aire acondicionado y de refrigeración accionados por motor y a los circuitos derivados y controladores de dichos equipos. En este artículo se establecen las consideraciones especiales necesarias para los circuitos de alimentación de moto compresores herméticos de refrigeración y de todos los equipos de aire acondicionado o refrigeración alimentados desde un circuito derivado que alimenta un moto compresor hermético de refrigeración.

Transformadores y bóvedas para transformadores Art: 450. Este articulo trata sobre la instalación de todos los transformadores.

Página 16 Sistemas eléctricos eólicos pequeños Art: 694. Las disposiciones de este articulo aplica a sistemas eléctricos eólicos pequeños (turbinas) que consisten de uno o mas generadores eléctricos de viento con generadores individuales que tienen una potencia nominal hasta e incluyendo 100 kilowatts. Estos sistemas pueden incluir generadores, alternadores, inversores y controladores.

Sistemas de emergencia Art: 700. Los requisitos de este articulo se aplican a la seguridad eléctricas de la instalación, para la operación y mantenimiento de los sistemas de emergencia constituidos por circuitos y equipos, destinados para alimentar, distribuir y controlar la energía eléctrica para iluminación o energía , o ambas cuando se interrumpe el suministro eléctrico normal de energía eléctrica.

Fuentes de generación de energía eléctrica Art: 705. Este articulo trata de la instalación de una o más fuentes de generación de energía eléctrica que operan en paralelo con una o más fuentes primarias de electricidad.

Sistemas de alarma contra incendio Art: 760. Este articulo trata de la instalación del alambrado y de los equipos de los sistemas de alarma contra incendios, incluidos todos los circuitos, controlados y alimentados por el sistema de alarmas contra incendio.

Cables canalizaciones para fibra óptica Art: 770. Las disposiciones de este articulo se aplican a la instalación de cables de fibra óptica, canalizaciones y ensambles estructurados de cables.

Sistemas de comunicación Art: 800. Este articulo cubre los requerimientos para circuitos y equipos de comunicaciones.

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CONCEPTO DE DISEÑO PARA LA CENTRAL DE GENERACIÓN UNDIMOTRIZ:

SEGURIDAD

Al proyectar una instalación eléctrica, se debe tener particular cuidado tanto en las instalaciones como en los equipos que suministran, distribuyen o demandan energía eléctrica, con el objeto de que partes peligrosas quedan perfectamente protegidas y sean colocadas en lugares adecuados, para evitar accidentes y salvaguardar la vida de los usuarios.

FLEXIBILIDAD

El sistema de generación debe protegerse de tal manera que proporcione la flexibilidad requerida en el sistema del que forma parte. La disposición de equipos, tableros e interruptores debe permitir hacer cambios en la instalación eléctrica o realizar mantenimientos, sin interrumpir o afectar otras áreas del sistema, teniendo la capacidad de poderse acoplar a otras fuentes sin ocasionar perturbaciones al sistema según necesidades futuras.

CONTINUIDAD EN EL SERVICIO

El sistema de generación undimotríz tipo boyas flotantes, no puede suspender la generación de energía eléctrica, salvo hechos fortuitos o causas de fuerza mayor. Se debe contar con elementos (personal, equipos y refacciones) para cualquier imprevisto que pueda poner en riesgo la generación de energía eléctrica.

EFICIENCIA

La eficiencia depende del buen funcionamiento de los equipos de generación y de las mismas instalaciones, conectando adecuadamente y suministrando la tensión adecuada.

SIMPLICIDAD

La operación de la central de generación debe ser sencilla como sea posible para satisfacer los requerimientos del sistema.

ACCESIBILIDAD AL EQUIPO E INSTALACIONES

Se debe prever el fácil acceso a todos los equipos e instalaciones, dando el espacio requerido para el mantenimiento, supervisión y operación, sin interferir en otros equipos o servicios.

CAPACIDAD PARA EXPANSIÓN O AMPLIACIÓN

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BAJO COSTO INICIAL

El bajo costo de una instalación es importante, pero al momento de abatirlo se debe tener mucho cuidado de no hacerlo en detrimento de la calidad de los equipos e instalaciones. Lo que impactaría los costos de operación y mantenimiento.

BAJO COSTO DE MANTENIMIENTO

Página 19 INTRODUCCIÓN

La energía Undimotríz u ola motriz, como se denomina, es la energía producida por el movimiento de las olas.

La obtención de energía a partir de las olas es un estudio antiguo data del siglo XIX. Realizado por el español Don José Barrufet patentó una máquina para el aprovechamiento de las olas del mar a la que denominó “Mar motor” (figura 1).

La máquina estaba formada por una serie de boyas que subían y bajaban con las olas, transmitiendo ese movimiento a unos generadores eléctricos. Aseguraba que el sistema era capaz de suministrar un mínimo de potencia de 0,36 Kw, sin el uso de energías fósiles.

Figura 1. Mar motor.

La mayor parte de la contaminación ambiental es el producto de la quema generada por los combustibles fósiles, tanto por los vehículos como por los procesos industriales y la generación de energía eléctrica.

La energía Undimotríz se circunscribe en las denominadas “Energías Verdes”, “Energías Alternativas”, “Energías Renovables”, debido a su poco o ningún impacto ambiental.

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PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA

Por el uso indiscriminado de los combustibles fósiles, ha ocasionado el debilitamiento de la capa de ozono y la destrucción de las masas forestales. Este proceso está favoreciendo el aumento de la temperatura de la tierra, provocando cambios drásticos en el clima, la energía convencional contamina es limitada, generan emisiones de residuos peligrosos y son finitas. El protocolo de Kioto es reducir las emisiones de gases contaminantes responsables del calentamiento global, el cual entro en vigor el 16 de febrero de 2005 con el compromiso de 187 países para reducir el uso de combustibles fósiles. Las energías renovables proceden del sol, del viento, del agua de los ríos, del mar, del interior de la tierra y de los residuos, son energías limpias e inagotables, son seguras sin daño al medio ambiente, no generan residuos peligrosos.

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JUSTIFICACIÓN

Nuestro país necesita de nuevas fuentes de energías renovables limpias y seguras. Para disminuir el índice de contaminación provocado por el uso de combustibles fósiles utilizados para la generación de energía eléctrica.

Este trabajo pretende dar a conocer otra alternativa distinta para la generación de energía eléctrica. La Energía Undimotríz producida por el movimiento de las olas del mar, la cual será transformada para la Generación de Energía Eléctrica, México tendrá instalada la primera planta piloto del tipo de boyas flotantes, en la Central Termoeléctrica Presidente Benito Juárez en Rosarito Baja California con una capacidad de 3 Mega watts interconectada a la red de Comisión Federal de Electricidad en un sistema de 13,800 Kv.

En tal virtud el presente trabajo se encamina a desarrollar las bases técnicas del proyecto el cual contempla:

 Antecedentes

 El mar como fuente de energía

 Criterios de diseño: Mecánico, Eléctrico, Instrumentación y Control,

 Diseño de Planta, Diseño de Ingeniería y Protección Ambiental

 Proceso constructivo

 Pruebas y Puesta en Servicio

 Estudio Económico

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OBJETIVO

Determinar el procedimiento constructivo, montaje pruebas y puesta en servicio de una Central de Generación Undimotríz del tipo boyas flotantes. El lugar donde será construida la planta depende de los estudios realizados por la comunidad internacional [ver la figura No. 22

Potencial de energía marina kw/m] el lugar más conveniente para generar energía eléctrica por

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ALCANCE

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CAPITULO No: 1

ANTECEDENTES

SECTOR ELÉCTRICO MEXICANO

Conforme a lo establecido en el artículo 27 de la Constitución Política de los Estados Unidos Mexicanos, corresponde exclusivamente a la nación generar, conducir, transformar, distribuir y abastecer energía eléctrica que tenga por objeto la prestación de servicio público. La Comisión Federal de Electricidad (CFE), es la empresa estatal encargada del suministro de la energía eléctrica a los usuarios del servicio público, empleando para ello el Sistema Eléctrico Nacional (SEN), y cobrando por su servicio una tarifa regulada.

Con el objetivo de incentivar la participación del sector privado en la expansión del sistema eléctrico, en 1992 el congreso de la unión ha modificado la ley del servicio público de energía eléctrica (ISPEE), incorporando las modalidades de: autoabastecimiento, cogeneración, productor independiente, pequeña producción y exportación e importación de energía eléctrica.

AUTOABASTECIMIENTO

Es la generación de energía eléctrica para fines de autoconsumo siempre y cuando dicha energía se destine a satisfacer las necesidades de personas físicas o morales y no resulte inconveniente para el país.

(ART. 36 FRACCIÓN I LSPEE; ART. 101 SIGUIENTES RLSPEE)

COGENERACIÓN

 Es la producción de energía eléctrica conjuntamente con vapor u otro tipo de energía térmica secundaria, o ambas;

 Es la producción directa e indirecta de energía eléctrica a partir de energía térmica no aprovechada en los procesos de que se trate.

Página 25 Para esta modalidad es necesario que la electricidad generada se destine a la satisfacción de las necesidades de establecimientos asociados a la cogeneración, entendidos por tales, los de las personas físicas o morales que:

 Utilizan o producen el vapor, la energía térmica o los combustibles que dan lugar a los procesos base de la cogeneración, o;

 Sean copropietarios de las instalaciones o miembros de la sociedad constituida para realizar el proyecto.

(ART. 36 FRACCIÓN II LSPEE; ART. 77, 103 -106 RLSPEE)

PRODUCCIÓN INDEPENDIENTE

Es la generación de energía eléctrica proveniente de una planta con capacidad mayor de 30 Mw, destinada exclusivamente a su venta a la CFE o a la exportación.

(ART. 36 FRACCIÓN III LSPEE, ART. 108 – 110 RLSPEE)

PEQUEÑA PRODUCCIÓN

Es la generación de energía eléctrica destinada a:

 La venta a CFE de la totalidad de la electricidad generada, en cuyo caso los proyectos no podrán tener una capacidad total mayor de 30 Mw. en un área determinada.

 El autoabastecimiento de pequeñas comunidades rurales o áreas aisladas que carezcan del servicio de energía eléctrica, en cuyo caso los proyectos no podrán exceder de 1 Mw.

 La exportación, dentro del límite máximo de 30 Mw.

(ART. 36 FRACCIÓN IV LSPEE, ART. 111 -115 RLSPEE)

EXPORTACIÓN

Página 26 obtengan permiso de la Comisión Reguladora de Energía (CRE) para realizar dicha actividad en la modalidad de que se trate.

(ART. 36 FRACCIÓN V LSPEE, ART. 116-119 RLSPEE)

IMPORTACIÓN

Es la adquisición de energía eléctrica proveniente de plantas generadoras establecidas en el extranjero mediante actos jurídicos celebrados directamente entre el abastecedor de la energía eléctrica y el consumidor de la misma.

(ART. 36 FRACCIÓN V, ART. 3 FRACCIONES III Y IV DE LA LSPEE; ART. 120 SIGUIENTES DEL RLSPEE)

En la siguiente Ilustración (figura No. 2 Manera simplificada de un flujo de suministro

Eléctrico) se visualiza de manera simplificada los flujos del suministro de energía eléctrica

hacia los consumidores y sus correspondientes contraprestaciones desde la perspectiva de los permisionarios de las modalidades: autoabastecimiento, cogeneración, pequeña producción, productor independiente de energía y exportación.

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CAPACIDAD Y GENERACIÓN AUTORIZADA POR PERMISOS VIGENTES (SECTOR PRIVADO)

En mayo de 2012, la Comisión Reguladora De Energía contaba con permisos vigentes en operación de una capacidad de 22.149,7 Mw. y una generación de 188,124 GWH/año autorizado (figura No.3 Capacidad y Generación Autorizada por el sector privado).

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CAPACIDAD TOTAL INSTALADA EN MÉXICO

Hasta Agosto de 2012 la capacidad total instalada (servicio público y sector privado figura

No. 4) para la generación de energía eléctrica en México es de 60.795 Mw. La mayor parte es

aportada por plantas termoeléctricas con un total de 43,231 Mw ó 71% del total. Según la definición de fuentes de energías renovables del programa especial para el aprovechamiento de energías renovable, lo cual no contempla plantas hidroeléctricas con una capacidad mayor a 30 Mw, se cuenta con una capacidad instalada a partir de dichas fuentes de 2,365 Mw ó 4%.

**Excluye Exportación E Importación

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LEY DE AGUAS NACIONALES

ARTICULO 41. El ejecutivo Federal podrá declarar o levantar mediante decreto la reserva total o parcial de las aguas nacionales para los siguientes propósitos:

II.- Generación de energía eléctrica para servicio público.

ARTICULO 80. Las personas físicas o morales deberán solicitar concesión a la “Comisión Nacional del Agua (Conagua)” cuando requieran de la explotación, uso o aprovechamiento de aguas nacionales con el objeto de generar energía eléctrica, en los términos de la ley aplicable en la materia.

SECRETARIA DE ESTADO DE MEDIO AMBIENTE Y RECURSOS NATURALES

Título II De la fase de evaluación de impactos, diseño, instalación, construcción y remodelación /reconstrucción.

ARTICULO 5. Todo proyecto propuesto deberá realizar un análisis ambiental de alternativas de ubicación que permita seleccionar el lugar donde los efectos adversos al medio ambiente sean los menores, priorizando la utilización de predios que hayan sido impactados previamente para desarrollar marinas o expandir marinas ya existentes. Este análisis de alternativas de ubicación deberá ser sometido a la Secretaria de Estado de Medio Ambiente y Recursos Naturales como primer paso en el proceso de obtención del Permiso Ambiental.

ARTICULO 6. Todo proyecto propuesto debe considerar la ubicación teniendo en cuenta la protección de la biodiversidad marina y otros ecosistemas y hábitat acuático y ribereño.

ARTICULO 7. Todo proyecto propuesto de marina debe considerar la ubicación de forma tal que las mareas y/o corrientes contribuyan en la circulación de las aguas de la marina provocando que estas se renueven regularmente.

Página 30 ARTICULO 10. Todo proyecto propuesto deberá evaluar la calidad del agua como parte del diseño y ubicación del mismo para establecer líneas bases y obtener los datos necesarios para valorizar los futuros impactos.

ARTICULO 14. Todo proyecto propuesto deberá analizar varias alternativas de tecnologías, construcción, protección ambiental, etc., así como las posibles medidas de prevención y compensación para los impactos no prevenibles. Deberán considerarse los impactos en todas las etapas del proyecto incluyendo los de largo plazo (impactos tardíos).

LEY GENERAL DEL EQUILIBRIO ECOLÓGICO Y LA PROTECCIÓN AL AMBIENTE (LGEEPA)

La LGEEPA es reglamentaria de las disposiciones de la Constitución Política de los Estados Unidos Mexicanos que se refieren a la preservación y restauración del equilibrio ecológico, así como a la protección al ambiente, en el territorio nacional y las zonas sobre las que la nación ejerce su soberanía y jurisdicción. Sus disposiciones tienen por objeto propiciar el desarrollo sustentable [ver tabla No. 1 Principales artículos de la LGEEPA].

Principales artículos de la LGEEPA aplicables al Proyecto

Artículos Referencia

38 Referente a la autorregulación y auditorías ambientales 111 al

116 Referentes a las emisiones a la atmósfera 150 al

153 Referentes a los residuos peligrosos

(Tabla No.1 Principales artículos de la LGEEPA)

 Ley General de la Vida Silvestre

 Ley General para la Prevención y Gestión Integral de los Residuos.

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REGLAMENTOS

Derivan de las Leyes generales señaladas, y deben ser acatados en la totalidad de su contenido durante la ejecución del Proyecto, en todo el conjunto de obras y actividades, los que a continuación se enuncian, aunque no de manera limitativa:

 Reglamento de la LGEEPA en materia de Evaluación del Impacto Ambiental.

 Reglamento de la LGEEPA en materia de Prevención y Control de la Contaminación de la Atmósfera.

 Reglamento para la Protección del Ambiente Originada por la Contaminación Originada por Ruido.

 Reglamento de la Ley General para la Prevención y Gestión Integral de los Residuos.

 Reglamento de la Ley General de Vida Silvestre.

1.1 ENERGÍAS RENOVABLES Y ENERGÍAS CONVENCIONALES

En los últimos 50 años, las concentraciones de gases invernadero están creciendo rápidamente como consecuencia de la acción humana. El uso generalizado de los combustibles fósiles, el debilitamiento de la capa de ozono y la destrucción de las masas forestales están favoreciendo el aumento de la temperatura de la tierra, provocando cambios drásticos en el clima mundial y haciéndolo cada vez más impredecible.

Ante esta perspectiva, los gobiernos acordaron en 1997 el protocolo de Kyoto del convenio marco sobre cambio climático de la ONU (UNFCCC siglas del panel (“Convención sobre Cambio Climático de las Naciones Unidas”), que marca objetivos legalmente obligatorios para que, durante el periodo 2008-2012, los países industrializados reduzcamos un 5,2 % –sobre los niveles de 1990– las emisiones de los principales gases de efecto invernadero. Y cada uno de nosotros podemos contribuir en alcanzar esta meta, utilizando energías renovables y fomentando el ahorro energético.

A medida que una sociedad es más desarrollada consume más energía. Pero la energía que se obtiene del carbón, del petróleo y del gas no se renueva y se va agotando año tras año. Lo inteligente es ir aprovechando otras fuentes de energía que están a nuestro lado: viento, sol, residuos, los mares, etc. las cuales son renovables año tras año, no se agotan y además no contaminan el ambiente, lo que significa una doble ventaja para los ciudadanos.

Página 32  Las energías no renovables se van agotando

 Pueden producir impactos negativos en el medio ambiente

 No aseguran el abastecimiento energético desde el exterior

Las energías renovables proceden del sol, del viento, del agua de los ríos, del mar, del interior de la tierra, y de los residuos. Hoy por hoy, constituyen un complemento a las energías convencionales fósiles (carbón, petróleo, gas natural) cuyo consumo actual, cada vez más elevado, está provocando el agotamiento de los recursos y graves problemas ambientales

[Figura No. 5 Energías Renovables y Energías Convencionales].

Se pueden destacar las siguientes ventajas de las energías renovables respecto a las energías convencionales [VerTabla No. 2]

Tabla No. 2 Ventas y desventajas de las energías renovables y energías convencionales

Diferencias

Energías Renovables Energías Convencionales

Son limpias Contaminan

Sin residuos Generan emisiones y residuos

Inagotables Son limitadas

Autóctonas Provocan dependencia

exterior

Equilibran desajustes in territoriales

Utilizan tecnología importada

Las energías renovables no producen emisiones de CO2 y otros gases contaminantes a la atmósfera.

Las energías producidas a partir de combustibles fósiles (petróleo, gas y carbón) sí los producen.

Las energías renovables no generan residuos de difícil

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Ventajas Medioambientales tratamiento residuos que suponen durante

generaciones una amenaza para el medioambiente.

Las energías renovables son inagotables

Los combustibles fósiles son finitos.

Ventajas Estratégicas

Las energías renovables son autóctonas.

Los combustibles fósiles existen sólo en un número limitado de países.

Las energías renovables disminuyen la dependencia exterior.

Los combustibles fósiles son importados en un alto porcentaje.

Ventajas Socioeconómicas

Las energías renovables crean cinco veces más puestos de

trabajo que las

convencionales.

Las energías tradicionales crean muy pocos puestos de trabajo respecto a su volumen de negocio.

Las energías renovables contribuyen decisivamente al equilibrio interterritorial porque suelen instalarse en zonas rurales.

Las energías tradicionales se sitúan en general cerca de zonas muy desarrolladas.

México está ingresando al desarrollo de tecnologías propias.

Las energías tradicionales

utilizan mayormente

tecnología importada

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Figura No. 5 Energías Renovables y Energías Convencionales.

1.2 ENERGÍA

El término energía del griego energía, actividad, operación es una fuerza de acción o fuerza trabajo, tiene diversas acepciones y definiciones con la idea de una capacidad para obrar, transformar o poner en movimiento. En física “energía” se define como la capacidad para realizar un trabajo. En tecnología y economía “energía” se refiere a un recurso natural (incluyendo a su tecnología asociada) para extraerla, transformarla y darle un uso industrial o económico [1].

1.3 ENERGÍA ALTERNATIVA

Se denomina energía alternativa, o más propiamente fuentes de energía alternativas, a aquellas fuentes de energía planteadas como alternativa a las tradicionales clásicas.No obstante, no existe consenso respecto a qué tecnologías están englobadas en este concepto, y la definición de “energía alternativa” difiere según los distintos autores: en las definiciones más restrictivas, energía alternativa sería equivalente al concepto de energía renovable o energía verde, mientras que las definiciones más amplias consideran energías alternativas a todas las fuentes de energía que no implican la quema de combustibles fósiles (carbón, gas y petróleo); en estas definiciones, además de las renovables, están incluidas la energía nuclear o incluso la hidroeléctrica.

Página 35 Por otra parte, la quema de estos combustibles libera a la atmósfera grandes cantidades de CO2, que ha sido acusado de ser la causa principal del calentamiento global.

Las energías alternativas se dividen en 2 grandes grupos:

 Fuentes de energía renovable (eólica, solar, biomasa, etc.)

 Energía nuclear

No todos coinciden en clasificar la energía nuclear dentro de las energías alternativas, pues al igual que los combustibles fósiles, se trata de un recurso finito, y además presenta problemas medioambientales importantes, como la gestión de los residuos radioactivos o la posibilidad de una tragedia nuclear. Sin embargo, la reducida emisión de CO2 de esta tecnología, y la todavía

insuficiente capacidad de las energías renovables para sustituir completamente a los combustibles fósiles, hacen de la energía nuclear una alternativa sujeta a fuerte polémica.

Energía verde es un término que describe la energía generada a partir de fuentes de energía primaria respetuosas con el medio ambiente. Las energías verdes son energías renovables que no contaminan, es decir, cuyo modo de obtención o uso no emite subproductos que puedan incidir negativamente en el medio ambiente [2].

1.4 ENERGÍA NUCLEAR

El núcleo atómico de elementos pesados como el uranio, puede ser desintegrado (fisión nuclear) y liberar energía radiante y cinética. Las centrales termonucleares aprovechan esta energía para producir electricidad mediante turbinas de vapor de agua. Se obtiene al romper los átomos de minerales radiactivos en reacciones en cadena que se producen en el interior de un reactor nuclear.

Una consecuencia de la actividad de producción de este tipo de energía, son los residuos nucleares, que pueden tardar miles de años en desaparecer y tardan mucho tiempo en perder la radiactividad [3].

1.5 RECURSOS RENOVABLES

Son todos aquellos que tienen la capacidad de renovarse, pero si la explotación es excesiva no tienen tiempo de hacerlo, a causa de este desgaste pueden desaparecer. Estos recursos se encuentran en la naturaleza en cantidades limitadas y se distribuyen de manera desigual en el planeta. El suelo, la flora y la fauna son recursos renovables.

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1.6 RECURSOS NO RENOVABLES

Son los que están disponibles en una cantidad que es fija, o bien varía en escalas de tiempo muy grandes, por lo que en la práctica se pueden considerar como fijas. El carbón, el petróleo y el gas natural son fuentes de energía No Renovables, que tardan muchos miles, o millones de años en generarse. Los materiales radiactivos no se regeneran [5].

1.7 IMPACTO AMBIENTAL

Se entiende por impacto ambiental al efecto que produce una acción sobre el medio ambiente en sus distintos aspectos. El concepto puede extenderse, con poca utilidad, a los efectos de un fenómeno natural catastrófico. Técnicamente, es la alteración de la línea de base, debido a la acción antrópica o a eventos naturales. Las acciones humanas, son los principales motivos que han producido que un bien o recurso natural sufra cambios negativos. Ahora los recursos naturales se encuentran amenazados en todos los sentidos, el agua, el suelo, el aire son recursos que están siendo afectados por medidas o acciones sin previos estudios que permitan mitigar estos impactos, la minimización del impacto ambiental es un factor preponderante en cualquier estudio que se quiera hacer en un proyecto o acción a ejecutar, con esto se logrará que los efectos secundarios pueden ser positivos y, menos negativos [6].

1.8 EVOLUCIÓN HISTÓRICA

En la [figura No. 6 Evolución Histórica] Las energías renovables han constituido una parte

Página 37 Hacia la década de años 1970 las energías renovables se consideraron una alternativa a las energías tradicionales, tanto por su disponibilidad presente y futura garantizada (a diferencia de los combustibles fósiles que precisan miles de años para su formación) como por su menor impacto ambiental en el caso de las energías limpias, y por esta razón fueron llamadas energías alternativas.

Actualmente muchas de estas energías son una realidad, no una alternativa, por lo que el nombre de alternativas ya no debe emplearse. Según la Comisión Reguladora de

Energía Mexicana en el 2010 la venta de energía se agrupo de la siguiente manera, la energía solar, eólica, biomasa se ha multiplicado en un 4%, un 71,0% de energía termoeléctrica, un 2% nucleoeléctrica, un 5,0% carboeléctrica, un 18,0% hidroeléctrica. Las energías eólicas y fotovoltaicas son las que tienen más crecimiento [ver capacidad total instalada en México] [7].

Figura No. 6 Evolución Histórica

1.9 CLASIFICACIÓN

Las fuentes renovables de energía pueden dividirse en dos categorías: No Contaminantes O Limpias Y Contaminantes. Entre las primeras:

 La llegada de masas de agua dulce a masas de agua salada: energía azul.

 El viento: energía eólica.

 El calor de la tierra: energía geotérmica.

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 Los mares y océanos: energía mareomotriz.

 El sol: energía solar.

 Las olas: energía Undimotríz

Las contaminantes se obtienen a partir de la materia orgánica o biomasa, y se pueden utilizar directamente como combustible (madera u otra materia vegetal sólida), bien convertida en bio-etanol o biogás mediante procesos de fermentación orgánica o en biodiesel, mediante reacciones de trans-esterificación y de los residuos urbanos [figura No.7 Clasificación] [8].

Figura No. 7 Clasificación

1.10 ENERGÍA HIDRÁULICA

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1.11 BIOMASA

La formación de biomasa a partir de la energía solar se lleva a cabo por el proceso denominado fotosíntesis vegetal que a su vez es desencadenante de la cadena biológica. Mediante la fotosíntesis las plantas que contienen clorofila, transforman el dióxido de carbono y el agua de productos minerales sin valor energético, en materiales orgánicos con alto contenido energético y a su vez sirven de alimento a otros seres vivos. La biomasa mediante estos procesos almacena a corto plazo la energía solar en forma de carbono. La energía almacenada en el proceso fotosintético puede ser posteriormente transformada en energía térmica, eléctrica o carburantes de origen vegetal, liberando de nuevo el dióxido de carbono almacenado [10].

1.12 ENERGÍA SOLAR

La energía solar es una fuente de vida y origen de la mayoría de las demás formas de energía en la tierra. Cada año la radiación solar aporta a la tierra la energía equivalente a varios miles de veces la cantidad de energía que consume la humanidad. Recogiendo de forma adecuada la radiación solar, esta puede transformarse en otras formas de energía como energía térmica o energía eléctrica utilizando paneles solares [11].

1.13 ENERGÍA EÓLICA

La energía eólica es la energía obtenida de la fuerza del viento, es decir, mediante la utilización de la energía cinética generada por las corrientes de aire. Se obtiene a través de una turbinas eólicas son las que convierten la energía cinética del viento en electricidad por medio de aspas o hélices que hacen girar un eje central conectado, a través de una serie engranajes (la transmisión) a un generador eléctrico [12].

1.14 ENERGÍA GEOTÉRMICA

La energía geotérmica es aquella energía que puede ser obtenida por el hombre mediante el aprovechamiento del calor del interior de la tierra.

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1.15 ENERGÍA AZUL

La energía azul o potencia osmótica es la energía obtenida por la diferencia en la concentración de la sal entre el agua de mar y el agua de río. El residuo en este proceso es únicamente agua salobre. Esta fuente de energía renovable presenta un gran potencial en regiones con ríos caudalosos de más de 3300 m³ de agua dulce por segundo desembocan en el mar como promedio. El potencial energético es por lo tanto de 3300 Mw., suponiendo 1 mw/m³ de agua fresca por segundo [14].

1.16 ENERGÍA DE LOS OCÉANOS

Los océanos son una de las fuentes de energía no convencionales no explotadas a nivel nacional, pese a ser una fuente inagotable de energía cinética y estar presente lo largo de todo el país. Los océanos pueden proveernos de energía principalmente mediante tres maneras: a) el movimiento de las olas (energía Undimotríz); b) las mareas (energía mareomotriz); c) las corrientes que se producen por diferencia de temperatura entre las capas o zonas del océano.

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CAPITULO No. 2

EL MAR COMO FUENTE DE ENERGÍA

LAS MAREAS

Las mareas son producto de la interacción entre las fuerzas de atracción gravitacional de la tierra con la luna y el sol, esta fuerza se define según la ley de gravitación de newton. Las mareas son procesos periódicos que pueden variar de acuerdo a la interacción entre los efectos gravitacionales de la luna y el sol, los movimientos de estos y otras peculiaridades geográficas. Durante el ciclo de mareas se destacan los momentos en que el agua del mar alcanza su máxima altura, conocido como marea alta o pleamar, y los momentos opuestos, en que el mar alcanza su menor altura, denominado marea baja o bajamar.

Dependiendo de la geografía del lugar y el tipo de vientos predominantes existen tres tipos de mares, clasificadas según las frecuencias de las pleamares y las bajamares. La marea es una ondulación suave de la superficie del mar, imperceptible a simple vista, que en las cuencas oceánicas gira cíclicamente con periodos de 12.45 horas y/o 24.84 horas, aproximadamente. En términos estadísticos, la marea se manifiesta a lo largo del litoral como la oscilación vertical del promedio de la amplitud del oleaje que llega a la costa. En la playa, cuando se observa un lento acercamiento del rompiente (zona donde rompen las olas) y se ve la invasión de agua y espuma sobre porciones de ella cada vez mayores, es porque la marea está subiendo.

Cuando la marea baja, se nota que el rompiente se retira hacia el mar y que decrece notablemente la porción de la playa inundada por la resaca del oleaje. Técnicamente, la marea es, en cada localidad del litoral, el periódico sube-y-baja del nivel del mar que se registra cuando se filtra la rápida oscilación irregular del oleaje local, referido a un “banco de nivel” establecido en tierra firme. En cada ciclo de marea la “pleamar” ocurre cuando esta alcanza su mayor altura, y la “bajamar” cuando llega a su nivel mínimo.

Página 42 La marea es el resultado de las fuerzas gravitacionales e inerciales que actúan sobre cada porción del océano [figura No. 8 esquema de desplazamiento de las mareas]. Además del

campo de fuerza gravitacional de la tierra que lo mantiene adherido a ella, el océano siente el efecto gravitacional a distancia de los cuerpos celestes, particularmente de la luna, por su cercanía, y del sol, por su gran masa. Se suman a éstos las fuerzas inerciales debidas a los movimientos de rotación de los sistemas tierra-luna y tierra-sol, que giran, cada uno, en torno a un centro de masa común.

Así, cada porción de fluido del océano está sujeto a fuerzas que nunca están en equilibrio. La fuerza resultante, la suma vectorial de todas ellas, es la que genera la marea; la “fuerza generadora (o generatriz) de la marea”

La geometría de las fuerzas cuya suma (“resultante”) genera la marea tiene una simetría cónica con respecto a la luna. Una simetría equivalente se da con respecto al sol.

En la figura No.8 Esquema de fuerzas y desplazamientos de las mareas de agua debidas a la fuerza de la luna.

El efecto dinámico gravitacional e inercial de la luna sobre cada porción del océano se descompone en dos direcciones coplanares naturales: una “radial”, a partir del centro de la tierra, y la otra “tangencial”, paralela a la superficie de la tierra. Las componentes radial y tangencial de las fuerzas gravitacional e inercial se dan sobre cada plano que pasa por el eje del cono de simetría.

Página 43 el hemisferio que ve a la luna, o hacia el punto “anti lunar, si está en el hemisferio opuesto a la luna.

Esta condición dinámica produce, teóricamente, un movimiento del fluido dirigido hacia dos puntos de convergencia. La consecuencia es la formación de dos abultamientos en la superficie del océano, con “alturas” máximas en los puntos sublunar y anti lunar, alineados siempre en dirección a la luna. Pero la tierra gira alrededor de su propio eje polar mucho más rápido que la luna alrededor de la tierra, lo que provoca que los abultamientos se desplacen en sentido opuesto al giro de la tierra.

El efecto dinámico gravitacional e inercial del sol sobre cada porción del océano se somete a un análisis similar y se obtienen resultados equivalentes, con la diferencia de que la magnitud de las componentes solares (radial y tangencial) es casi la mitad de la de las componentes lunares. Es decir, el forzamiento lunar de la marea es casi dos veces más intenso que el forzamiento solar [16].

2.1 COMO SE MIDE LA MAREA

El instrumento con el que se mide la marea se denomina “Mareógrafo” y los hay de muy diversos tipos [figura No.9 Equipo de Medición de Mareas]. Desde una simple regla graduada,

fija y sumergida en el agua, atendida por un observador que ve el nivel del agua en la graduación de la regla y manualmente anota su observación en un cuaderno de registros, hasta un dispositivo electro acústico encapsulado y conectado a una computadora, con comunicación hacia algún satélite y totalmente automatizado.

Página 44 En la figura anterior se puede apreciar un mareógrafo tradicional, así como un mareógrafo moderno con transmisión de información por satélite.

Los parámetros indispensables en la medición de la marea son:

 La altura del nivel del mar y su continua evolución temporal con respecto a un nivel de referencia fijo, una vez que se ha eliminado el efecto del oleaje local.

 El tiempo (momento) en que se realiza cada medición de la altura del nivel del mar, referido al sistema internacional de medición del tiempo.

 Las coordenadas geográficas tridimensionales precisas, latitud, longitud y altura con respecto a un “nivel de referencia fijo” con relación al cual se mide localmente el nivel del mar.

 Las coordenadas geográficas tridimensionales precisas, latitud, longitud y altura con respecto a un “nivel de referencia fijo” con relación al cual se mide localmente el nivel del mar [17].

2.2 ¿QUE SON LAS MAREAS VIVAS Y LAS MAREAS MUERTAS?

Cada dos semanas, aproximadamente, el sol, la tierra y la luna están alineados, lo que implica que los puntos “subsolar” y “anti solar” se alinean con los puntos lunares correspondientes (lunar y anti lunar). Cuando ello ocurre, se dice que la marea está en fase porque los abultamientos lunar y solar coinciden y las amplitudes se superponen. Esta es la “marea viva”. Una semana después del alineamiento, el sol y la luna se encuentran en direcciones perpendiculares con respecto a la tierra, los abultamientos están completamente fuera y las amplitudes correspondientes se contraponen. La amplitud de la marea es mínima en esta situación y por ello se le denomina “marea muerta” [figura No. 10 Mareas vivas mareas

muertas] [18].

Página 45

2.3 EXISTEN OTRAS CAUSAS, AJENAS A LA MAREA, QUE PRODUCEN UN CAMBIO EN EL NIVEL DEL MAR

Si, la presión atmosférica, la marejada que produce el viento, las corrientes marinas y los movimientos verticales de la tierra firme del litoral. Ninguna de estas causas tiene una periodicidad tan precisa como la marea y por ello se pueden separar sus efectos a partir de los registros de nivel del mar. Los procedimientos matemáticos requieren de una cantidad suficiente de datos de nivel del mar para dar resultados estadísticamente aceptables. Bajo tales condiciones la información mareo gráfica sirve no sólo para conocer y predecir la evolución de la marea local, sino también para conocer, estudiar y entender otros fenómenos oceanográficos, meteorológicos y geofísicos, regionales y locales, que dejan su huella en los datos de nivel del mar [19].

2.4 LAS MAREAS EN MÉXICO

En términos muy generales, podemos decir que la marea observada en mareógrafos de las costas del pacifico y Caribe mexicanos es mixta con predominancia semidiurna (a excepción de la parte central del golfo de california con predominancia diurna), en tanto que la marea en el golfo de México es mixta con predominancia diurna. [La siguiente figura No. 11 tipos de

mareas] representa el tipo de marea para cada estación. La escala indica el número de veces que

la contribución diurna/semidiurna es predominante sobre la otra. El punto medio (mixta) indica el tipo de marea mixta con 50% de contribución diurna y semidiurna.

Página 46 En cuanto al rango (suma de las contribuciones diurnas y semidiurnas), encontramos una amplificación importante en el norte del golfo de california (del orden de 3.5 Mts). el pacifico mexicano tiene rangos del orden de 50 a 120 cms; en el mar Caribe se observa un rango mínimo del orden de 50 cms y el golfo de México tiene rangos de 30 a 40 cms, la siguiente [figura No.

12 Rango de mareas] presenta el rango de mareas para cada estación [20].

Figura No. 12 Rangos de marea

2.5 LAS OLAS

Las olas se trasladan, pero no las partículas del agua, que se mueven en trayectoria elíptica o circulares como muestra la [figura No. 13 Variación de la ola a diferentes profundidades], si no

existe suficiente profundidad, el fondo puede afectar al desplazamiento vertical de las órbitas que tendrán forma de elipse [figura No. 13] y si la profundidad es demasiado pequeña, el

movimiento vertical queda totalmente impedido y las trayectorias de las partículas serían horizontales como muestra la [figura No.14 Perfil de la ola sinusoidal]. Este movimiento

oscilatorio es mayor en la superficie y disminuye exponencialmente con la profundidad según la relación siguiente:

Siendo ro el radio orbital superficial, que coincide con la semi altura h/2 de la ola; la longitud de onda definida como la distancia entre dos puntos de la ola y h la profundidad. De esto es

Página 47

Figura: 13: variación de la ola para diferentes profundidades

Es posible clasificar el perfil del las olas de acuerdo a la relación como sigue:

a) cuando la relación es muy pequeña, del orden de 1/50 o menor; este tipo de olas poseen una altura h pequeña, gran longitud de onda y períodos t altos. siguen un movimiento sinusoidal, por lo que es posible aplicar la teoría de ondas lineal [21].

Página 48

2.6 CLASIFICACIÓN DE LAS OLAS

La [figura No. 15 Representación esquemática de la energía presente en cada tipo de ola]

muestra un esquema representativo de los distintos tipos de ondas que existen y de la energía relativa contenida dentro de cada frecuencia. Si se clasifica las ondas según su tipo es posible encontrar:

 Ondas capilares, con periodo menores a los 0,1 segundos, son las que se crean en el momento en el que sopla viento sobre la superficie del mar.

 Ondas de ultra gravedad, con periodo entre los 0.1 y 1 segundo.

 Ondas de gravedad, con periodo entre los 1 y 30 segundos.

 Ondas de infra gravedad, con periodo entre los 30 segundos y 50 minutos.

 Ondas de largo periodo. Con periodo entre los 5 minutos y las 24 horas.

 Ondas gigantes, con periodo superior a las 24 horas.

Las ondas de gravedad, denominan así debido a que la gravedad es la principal fuerza que hace que el fluido vuelva a su posición de equilibrio (denominada fuerza restauradora principal), es donde se aprecia la mayor cantidad de energía, siendo la de mayor interés para la generación.

Página 49 Si se clasificación se realiza según la fuerza perturbadora que origina el movimiento de las ondas, se tienen:

 Ondas generadas por el viento, donde el viento es el principal causante del oleaje comenzando por la formación de ondas capilares que van creciendo si el viento sigue soplando.

 Ondas generadas por terremotos o sistemas de tormentas.

 Ondas generadas por la atracción de los astros (sol y luna), como son las mareas. Según la fuerza restauradora, es decir la fuerza que tiende a anular el movimiento ondulatorio destacan:

 Tensión superficial.

 Gravedad

 Fuerza de coriolis, la que influye negativamente sobre las mareas [22].

2.7 DESCRIPTORES DE LAS OLAS

Debido a la poca regularidad que poseen las olas en el océano, el uso de la teoría lineal, que considera las olas como ondas sinusoidales, no se ajusta completamente bien a la realidad, es por esto que se debe utilizar un análisis estadísticos del oleaje. Se obtiene una muestra consistente en una serie de datos representando las características de cada una de las olas. Con esto se obtienen los parámetros estadísticos que representan el estado del mar, como la altura de la ola significativa, la altura de la ola media, periodo de paso por cero, etc.

 Altura significativa de la ola (Hs), que puede ser considerada como la media del tercio de las olas mayores. Si el registro esta ordenado de mayor a menor y tiene N olas, la altura significativa es:

Página 50

 Altura de la ola media (h), es la media de las alturas de ola simples.

 Periodo de paso por cero (t2), periodo de paso de dos olas consecutivas por una línea imaginaria a la mitad de la distancia entre la cresta y el valle [23]

2.8 ECUACION DE LA POTENCIA

La potencia del oleaje real depende de una serie de factores como la frecuencia de las olas, su dirección la profundidad del mar, la celeridad del grupo de las olas, etc. obteniendo finalmente la relación aproximada para la potencia en términos del largo de la ola.

Si se considera un registro como el de la [figura No.16 Ejemplo de un registro del nivel del mar] con altura significativa (hs) de 4 metros y un periodo de paso por cero (t2) de 8 segundos

es posible obtener una potencia de:

Es decir que habría aproximadamente 64 kilowatts de potencia por metro de frente de onda o largo de la ola [24].

Página 51

2.9 TEORÍA DE ONDA LINEAL

Las olas características de esta teoría son denominadas olas cortas y son aquellas en las que la velocidad c es independiente de la profundidad del mar H, pero dependiente de la propia

longitud de onda λ. Ondas de este estilo son las de viento, es decir, las olas características del mar.

Para el desarrollo de esta teoría se considera que las olas presentan un movimiento sinusoidal, para lo cual se describen los siguientes parámetros y características.

a) Desplazamiento vertical de la ola: La oscilación de la superficie libre, o desplazamientos vertical de la ola, un sistema de coordenadas (x, y), obedecen a la ecuación de la [figura No. 17].

(17)

Cuyo esquema se representa en la figura (17).

Figura No. 17 Ola lineal

b) Periodo: El período T de las olas es el tiempo trascurrido para que por un punto pasen

dos crestas o valles sucesivos de un mismo tren de olas. El período de la ola sinusoidal es:

(17.1)

Página 52 En las olas largas el período T queda determinado por (17.2):

(17.2)

Como no se conoce a priori λ no es posible dar explícitamente el valor para T.

c) Longitud de onda: La longitud de onda λ de las olas viene dada por la expresión [figura No.

14 perfil de la ola sinusoidal ( menor o igual 1/50)]

(17.3)

Para aguas profundas (h> λ/2) y para aguas poco profundas o someras (h ˂ 0.05λ) la ecuación se transforma respectivamente en:

d) Velocidad de traslación: La velocidad de traslación c de la onda (celeridad) permite diferenciar las ondas cortas de las largas y obedece a la ecuación (17.11)

(17.4)

Para aguas poco profundas la ecuación de velocidad de traslación no depende del período ni de la longitud de onda, si no depende de la profundidad h como muestra la ecuación (17.11)

(17.5)