INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONALINSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL

Escuela Superior de Ingeniería Mecánica Y Escuela Superior de Ingeniería Mecánica Y EléctricaEléctrica

Departamento de Ingeniería EléctricaDepartamento de Ingeniería Eléctrica

OBJETIVO GENERAL:• El alumno explicará los diseños, tipos y características de las diferentes formas de

operación y mantenimiento en las plantas generadoras de energía eléctrica como son: hidroeléctricas, termoeléctricas, termonucleares, así como la generación por geotermia, eólica, por medio de ondas solares, por biomasa y mareomotriz.

CONTENIDO SINTÉTICO:I.I. Sistema Eléctrico Nacional.Sistema Eléctrico Nacional.II.II. Fuentes de Energía Primaria.Fuentes de Energía Primaria.III.III. Plantas Hidroeléctricas.Plantas Hidroeléctricas.IV.IV. Plantas Termoeléctricas Convencionales.Plantas Termoeléctricas Convencionales.V.V. Plantas Generadoras no Convencionales.Plantas Generadoras no Convencionales.VI.VI. Generación por biomasa.Generación por biomasa.VII.VII. Generación de Emergencia. Generación de Emergencia.

ING. DANIEL ANTONIO MATA JIMÉNEZING. DANIEL ANTONIO MATA JIMÉNEZ

ASIGNATURA: FUENTES DE GENERACIÓNASIGNATURA: FUENTES DE GENERACIÓN

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INTRODUCCIÓNINTRODUCCIÓN

 El desarrollo de los Sistemas Eléctricos de Potencia, ha tenido gran auge en la actualidad debido a que representan un elemento de primordial importancia en el desarrollo de los países; se han hecho esfuerzos técnicos considerables para la creación de centros de Generación Eléctrica, Termoeléctrica, o de Energía Nuclear; así, como el diseño y construcción de Líneas de Transmisión de Extra Alta Tensión y operación automática de los Sistemas. 

En un Sistema de Potencia, desde la Generación hasta el consumo de la Energía Eléctrica, se requiere mantener el suministro de Energía Eléctrica en forma continua; es decir, con un mínimo de interrupciones y en la cantidad que los distintos tipos de usuarios requieran, esto con la calidad de servicio apropiada. 

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GENERACIÓN

TRANSMISIÓN

TRANSFORMACIÓN

CARGA

TRANSFORMACIÓN

DISTRIBUCIÓN

En una forma bastante simple, se puede decir que un Sistema Eléctrico se encuentra formado por varios elementos que se interconectan entre si de tal forma que permiten conseguir el objetivo deseado. En un Sistema Eléctrico de Potencia, los elementos principales que componen el sistema son: Las Fuentes de Energía Primaria (agua, carbón, petróleo, gas, material nuclear, etc.) los convertidores de energía Caldera, Turbina, Alternador, Transformadores, los dispositivos de Medición y Protección, las Líneas de Transmisión, Subtransmisión y Redes de Distribución. Físicamente estos sistemas pueden ser de gran complejidad y cumplir amplias zonas geográficas, pero en su forma más elemental pueden ser representados por diagramas de bloques; en donde se hace intervenir en forma genérica los elementos de control.

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CONSIDERACIONES GENERALESCONSIDERACIONES GENERALES

EL SISTEMA ELÉCTRICO DE POTENCIA (SEP) A grandes rasgos un SEP está formado por tres partes principales como son las Centrales Generadoras, las Líneas para el transporte de la Energía Eléctrica y los Consumidores. El sistema de potencia forma una enorme red de potencia eléctrica que casi cubre todo el territorio nacional.

El objetivo central del SEP es proporcionar Energía Eléctrica de la más alta calidad al usuario. Los índices principales de la Calidad de la Energía Eléctrica son: La continuidad del servicio o confiabilidad.La Frecuencia constante. La Tensión dentro de rango 10 %, en general debe estar lo más cerca posible al valor nominal.Forma de onda senoidal. El defasamiento entre las fases debe ser de 120°. Todo esto manteniendo la calidad de la Energía según los índices mencionados.

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La generación de energía eléctrica en la Comisión Federal de Electricidad se realiza en centrales hidroeléctricas, termoeléctricas, eólicas y nucleares.Al cierre del mes de diciembre de 2007, la CFE contó con una capacidad efectiva instalada para generar energía eléctrica de 49,854.19* Megawatts (MW), de los cuales: 11,456.90 MW son de productores independientes (termoeléctricas); 11,054.98 MW son de hidroeléctricas; 22,332.46 MW corresponden a las termoeléctricas de CFE; 2,600.00 MW a carboeléctricas; 959.50 MW a geotermoeléctricas; 1,364.88 MW a la nucleoeléctrica, y 85.48 MW a la eoloeléctrica.

GENERACIÓN DE ELECTRICIDAD GENERACIÓN DE ELECTRICIDAD

NOTA: Al cierre del 2013, la capacidad total instalada fue de 64,455.3 MW

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Desarrollo de la capacidad instalada y de la generación

Para cumplir el objetivo de CFE de cubrir las necesidades de energía eléctrica de la población, de la industria, la agricultura, el comercio y los servicios en México, la generación de electricidad ha ido en aumento, como se aprecia en la siguiente tabla:

1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007

Capacidad (MW)

CFE 33,944 34,384 34,839 34,901 36,236 36,855 36,971 38,422 37,325 37,470 38,397

PIE´S - - - 484 1,455 3,495 6,756 7,265 8,251 10,387 11,457

Total 33,944 34,384 34,839 35,385 37,691 40,350 43,727 45,687 45,576 47,857 49,854

Generación (TWh)

CFE 159.83 168.98 179.07 188.79 190.88 177.05 169.32 159.53 170.07 162.47 157.51

PIE´S - - - 1.20 4.04 21.83 31.62 45.85 45.56 59.43 70.98

Total 159.83 168.98 179.07 190.00 194.92 198.88 200.94 205.39 215.63 221.90 228.49

* Incluye 21 centrales de productores independientes de energía, (PIE) las cuales aparecen en el apartado de Centrales Generadoras. Información a diciembre de 2007.

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TRANSMISIÓN Y DISTRIBUCIÓN TRANSMISIÓN Y DISTRIBUCIÓN

Para conducir la electricidad desde las plantas de generación hasta los consumidores finales, CFE cuenta con las redes de transmisión y de distribución, integradas por las líneas de conducción de alta, media y baja tensión.

Transmisión. La red de transmisión considera los niveles de tensión de 400, 230 y 161 kilovolts (kV).  Al finalizar septiembre del año 2007, esta red alcanzó una longitud de 48,527 km.Longitud de líneas de transmisión (km) Nivel de

tensión (kV) 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007*

400 11,337 11,908 12,249 12,399 13,165 13,695 14,504 15,998 17,790 18,144 19,265 19,843

230 18,878 19,374 20,292 21,224 21,598 22,645 24,060 24,773 25,687 27,148 27,745 28,136

161 456 456 456 456 508 508 646 470 475 475 475 547

150 445 66 66 0 0 0 0 0 0 0 0 0

Total 31,116 31,804 33,063 34,079 35,271 36,848 39,210 41,241 43,952 45,767 47,485 48,527

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Transformación. La transformación es el proceso que permite, utilizando subestaciones eléctricas, cambiar las características de la electricidad (tensión y corriente) para facilitar su transmisión y distribución.

Ésta ha crecido en paralelo al desarrollo de la red de transmisión y distribución, contando a septiembre del año 2007 con 182,999 MVA, de los cuales 76.96% corresponde a subestaciones de transmisión y el restante 23.04% a subestaciones de distribución.

Capacidad en subestaciones (GVA = un millón de kVA) 

Tipo de Subestación 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007*

Transmisión 91.0 94.5 98.5 104.5 107.8 113.6 119.7 125.1 128.8 134.7 137.0 140.8

Distribución 26.2 27.1 28.2 29.9 31.7 33.1 36.2 37.7 38.8 39.7 41.0 42.2 Total 117.2 121.6 126.7 134.4 139.5 146.6 155.9 162.8 167.6 174.4 178.0 183.0

1_/ Incluye tensiones de 4.16 y 2.4 kV 2_/ El total incluye líneas de TransmisiónInformación actualizada a septiembre de 2007.

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Distribución. La red de distribución esta integrada por las líneas de subtransmisión con niveles de  tensión de 138, 115, 85 y 69 kilovolts (kV); así como, las de distribución en niveles de 34.5, 23, 13.8, 6.6, 4.16 y 2.4 kV y baja tensión. A septiembre de 2007, la longitud de estas líneas fue de 47,534 km y 612,651 km, respectivamente. Longitud de líneas de distribución (miles de km).

Nivel de tensión (kV)

1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007*

Subtransmisión

138 1.1 1.1 1.1 1.0 1.0 1.0 1.0 1.3 1.3 1.4 1.4 1.4

115 30.3 30.9 32.3 34.1 34.9 36.1 38.0 38.7 40.1 40.8 42.2 42.9

85 0.2 0.1 0.1 0.1 0.1 0.1 0.1 0.1 0.1 0.1 0.1 0.1

69 3,566 3.4 3.4 3.4 3.4 3.3 3.3 3.3 3.2 3.2 3.2 3.1

Subtotal 35,301 35.7 37.1 38.8 39.6 40.7 42.6 43.6 44.9 45. 6 46.9 47.5 Distribución

34.5 54.8 55.6 57.1 58.9 60.3 61.7 62.7 63.6 64.7 66.3 67.4 68.4

23 20.5 22.0 22.7 23.3 23.7 24.6 25.8 26.3 27.4 27.9 28.6 28.9

13.8 211.5 219.2 226.9 233.2 239.7 246.3 251.7 257.4 264.5 269.4 273.2 276.2

6.6 1_/ 0.6 0.6 0.6 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5

Baja tensión 196.9 205.9 208.7 211.9 215.3 221.0 222.1 225.1 230.2 233 236.6 238.7

Subtotal 484.5 503.5 516.1 528.1 539.7 554.3 563.0 573.2 587.5 597.1 606.3 612.7

Total de líneas 519.8 539.3 553.3 566.9 579.3 595.1 605.7 616.8 632.4 642.7 653.2 660.2

Total CFE 2_/ 550.9 571.1 586.3 601.0 614.6 632.0 644.9 658.0 676.4 688.4 700.7 708.7

Se entiende por un sistema eléctrico a los elementos, líneas e instalaciones, que en conjunto; forman el sistema de transporte de energía, comprendido desde las Centrales Generadoras o productoras hasta los propios abonados o consumidores.

Objetivos básicos de la operación del Sistema Eléctrico:

Seguridad.Continuidad.Calidad.Economía.

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El sistema interconectado nacional (SIN) va desde la península de Yucatán hasta Sonora, la única parte que falta de integrar es la península de Baja California. Como el territorio que cubre es demasiado grande y se tiene una estructura longitudinal (poco mallada), en Mazatlán, Sinaloa; el sistema normalmente esta separado de las líneas que van hacia Culiacán. La estructura longitudinal del sistema trae como consecuencia que sea un sistema de los llamados con enlaces “débiles”, o sea que en partes del sistema las líneas de transmisión no tienen suficiente capacidad de paso como para mantener la estabilidad. Cuando ocurren fallas en las líneas de 400 kV, el sistema puede perder la estabilidad.

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El SEN está constituido por redes eléctricas en diferentes niveles de tensión:

1)   La red troncal se integra por líneas de transmisión  y subestaciones de potencia en muy alta tensión (400 kV y  230 kV), que transportan grandes cantidades de energía entre regiones. Es alimentada por las centrales generadoras y abastece al sistema de subtransmisión, así como a las instalaciones de 400 kV y 230 kV de algunos usuarios industriales.2)  Las redes de subtransmisión en alta tensión (entre 161 kV y 69 kV) tienen una cobertura regional. Suministran energía a las de distribución en media tensión y a las cargas conectadas en esos voltajes.3) Las redes de distribución en media tensión (entre 34.5 kV y 2.4 kV) distribuyen la energía dentro de zonas geográficas relativamente pequeñas y la entregan a aquellas en baja tensión y a instalaciones conectadas en este rango de voltaje.4) Las redes de distribución en baja tensión (240 V o 220/127 V) alimentan las cargas de los usuarios de bajo consumo.5) La red de la extinta LyFC que suma un total de 74,413 km, de los cuales 40,606 km transmiten en tensiones de 6,6 kV a 400 kV – en este total se incluyen las líneas subterráneas – y 33, 807 km pertenecen a líneas de baja tensión (240 V o 220/127 V).

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LA CFE MANTIENE Y OPERA A DICIEMBRE DE 2005 EL SISTEMA DE GENERACION CON:

1 SUBDIRECCION DE ENERGETICOS.

1 SUDDIRECCION DE GENERACION.

5 GERENCIAS REGIONALES DE PRODUCCION.

8 SUBGERENCIAS TERMOELECTRICAS.

7 SUBGERENCIAS HIDROELECTRICAS.

GERENCIA DE PROYECTOS GEOTERMICOS.

GERENCIA DE CENTRALES NUCLEOELECTRICAS.

GERENCIA DE PRODUCTORES EXTERNOS.19

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Características del Sistema Eléctrico Nacional (SEN) Los principales centros de consumo se localizan en la parte central del País, destacando las ciudades de México, Monterrey, Guadalajara, Puebla, Veracruz y Mexicali. En la ciudad de México y su zona metropolitana se concentra cerca del 25% de la demanda total del país. Dado que la demanda cambia a cada instante es necesario variar continuamente la energía que producen las unidades generadoras, controlando las características de tensión y frecuencia, además de conservar los límites de operación de cada uno de los elementos del sistema (generadores, transformadores, líneas, etc.), vigilando que se cumplan los objetivos básicos de la operación.Para la producción de Energía Eléctrica se aprovechan las fuentes primarias de energía que se dispone (hidrocarburos, agua, carbón, nuclear, geotérmica y vientos), coordinando su operación para la producción del kWh al más bajo costo. Debido a la gran distancia entre los centros de generación y los centros de consumo, es necesario contar con una red de transmisión que nos permita enlazarnos y a la vez dar flexibilidad de asignar la generación más conveniente para satisfacer la demanda.

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ÁREADE CONTROL ENLACE NÚMERO

DE LÍNEASTENSIÓN

(kV)

BAJA CALIFORNIA NORTE EUA 2 230

NORESTE EUA 4 138

NORTE EUA 2 115

PENINSULAR BELICE 1 115

La interconexión de los Sistemas ha permitido las siguientes ventajas:

•Aprovechamiento óptimo de los recursos de generación y transmisión.•Asistencia mutua en caso de emergencia y contingencia.•Aprovechamiento de la diversidad de las cargas para satisfacer mejor la demanda máxima del sistema.•El despacho económico es centralizado, logrando así el más bajo costo de producción global.

La red nacional mantiene enlaces con redes eléctricas de Estados Unidos de Norteamérica (EUA) y Belice:

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FUENTES FUENTES DE DE

ENERGÍA ENERGÍA PRIMARIAPRIMARIA

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FUENTES CARACTERÍSTICA

Energía fósil

Los combustibles fósiles se pueden utilizar en forma sólida (carbón) o gaseosa (gas natural). Son acumulaciones de seres vivos que vivieron hace millones de años. En el caso del carbón se trata de bosques de zonas pantanosas, y en el caso del petróleo y el gas natural de grandes masas de plancton marino acumuladas en el fondo del mar. En ambos casos la materia orgánica se descompuso parcialmente por falta de oxígeno, de forma que quedaron almacenadas moléculas con enlaces de alta energía.

Energía hidráulicaLa energía potencial acumulada en los saltos de agua puede ser transformada en energía eléctrica. Las centrales hidroeléctricas aprovechan energía de los ríos para poner en funcionamiento unas turbinas que arrastran un generador eléctrico.

Energía de la biomasa

La biomasa, desde el punto de vista energético, se considera como el conjunto de la materia orgánica, de origen vegetal o animal, que es susceptible de ser utilizada con finalidades energéticas. Incluye también los materiales procedentes de la transformación natural o artificial de la materia orgánica.

Energía solar La captación de la radiación solar sirve tanto para transformar la energía solar en calor (térmica), como para generar electricidad (fotovoltaica).

Energía geotérmicaParte del calor interno de la Tierra (5.000ºC) llega a la corteza terrestre. En algunas zonas del planeta, cerca de la superficie, las aguas subterráneas pueden alcanzar temperaturas de ebullición, y, por tanto, servir para accionar turbinas eléctricas o para calentar.

Energía nuclearEl 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.

Energía gravitacional

La atracción del Sol y la Luna que origina las mareas puede ser aprovechada para generar electricidad.

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