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ASPECTOS TECNOLÓGICOS GENERALES
‐ INDUSTRIA ELÉCTRICA ‐
A continuación se presenta un resumen de aspectos tecnológicos que permitirán una
familiarización con las características particulares de los sistemas eléctricos y en especial con la
tecnología relativa a la generación de energía eléctrica, se intenta describir la tecnología
utilizada en esta rama de la industria y lograr una familiarización con su lenguaje. Muchas
veces el desconocimiento de algunos términos es la principal barrera para la introducción al
sector.
En relación a los aspectos tecnológicos, la eléctrica es una industria relativamente madura. Si
bien es cierto que continuamente se dan avances (especialmente en aspectos relacionados
con la electrónica de potencia), los principios básicos de funcionamiento, tanto de la
generación como del transporte de energía eléctrica, son esencialmente los mismos. Esta
estabilidad de la tecnología en el sector eléctrico posibilita que la vida útil de los equipos sea
muy larga. Esto, a la vez, permite que las inversiones en el sector sean muy intensas y sus
tiempos de maduración sean prolongados. Inversiones que por otro lado son de alta
especificidad e irreversibilidad.
Muy probablemente para algunos lectores que provengan del sector eléctrico, muchos de los
términos que se manejarán le serán familiares, sin embargo, servirá para uniformar la
terminología.
Al final se presentan algunos datos que caracterizan al sistema eléctrico boliviano.
Guía de Estudio
La lectura de este documento será objeto de su evaluación y análisis.
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CONTENIDO
1 Conceptos Básicos ................................................................................................................. 3
1.1 Termodinámica ............................................................................................................. 3
1.2 Química ......................................................................................................................... 5
1.3 Electricidad .................................................................................................................... 7
1.4 Máquinas eléctricas....................................................................................................... 9
1.5 Magnitudes Físicas y sus Unidades ............................................................................. 12
2 El Sistema Eléctrico ............................................................................................................. 14
2.1 Tecnologías de Generación ......................................................................................... 20
2.2 Ciclos térmicos y combustibles ................................................................................... 32
2.3 Generación distribuida ................................................................................................ 34
2.4 Co‐generación ............................................................................................................. 34
2.5 Aspectos ambientales de las tecnologías de generación ............................................ 34
2.6 Transmisión ................................................................................................................. 37
2.7 Distribución ................................................................................................................. 41
3 Operación y Expansión ........................................................................................................ 42
3.1 Operación Eléctrica del Sistema .................................................................................. 42
3.2 Operación Energética del Sistema .............................................................................. 46
3.3 La Expansión del Sistema ............................................................................................ 51
3.4 El Funcionamiento Conjunto ....................................................................................... 53
4 El sector eléctrico boliviano ................................................................................................ 56
3
1 Conceptos Básicos
1.1 Termodinámica
La Termodinámica es la rama de la Física que trata sobre la energía, particularmente sobre la
transformación de un tipo de energía en otra.
Para el entendimiento de la generación de energía eléctrica, es decir, la transformación de
otro tipo de energía en energía eléctrica, es importante tener presentes algunos de los
resultados de esta ciencia.
Toda la teoría de la Termodinámica clásica se basa en unos pocos postulados muy simples, de
aplicación muy general pero con consecuencias realmente notables.
El Primer Principio de la Termodinámica
Este postulado plantea simplemente la conservación de la energía. Dicho así, parece algo muy
sencillo, pero como en la Física la energía se define para que se conserve, el postulado pasa a
ser una trivialidad.
El asunto está entonces en qué se define como energía. Sin entrar en muchos detalles se dirá
que la energía adopta diversas formas pero la suma de éstas se mantiene constante.
Si se separa conceptualmente un sistema de su ambiente, los flujos de energía entre el sistema
y su ambiente podrán tomar la forma de calor o de trabajo.
El Segundo Principio de la Termodinámica
Este postulado es algo más difícil de entender que el primero y su enunciado tiene diversas
formulaciones. Intenta explicar hechos que se observan en la naturaleza y que no asombrarían
a nadie, como por ejemplo que si se ponen en contacto dos objetos a diferentes temperaturas,
y no se hace nada más que esto, no es posible que el objeto más frío se enfríe y el más caliente
se caliente.
Para los fines que interesa tratar más adelante simplemente bastará con un enunciado sencillo
y fácil de entender (y que por otro lado es equivalente a cualquier otro que se haga): No es
posible diseñar un dispositivo cuyo único resultado sea la transformación total del calor que se
le suministra en trabajo.
Como se notará, este postulado es esencial en los temas que se tratarán, ya que una de las
formas más habituales de obtener energía eléctrica es suministrando energía mecánica
(trabajo) a un generador y muy frecuentemente ese trabajo se obtiene de un proceso en el
cual lo que se suministra es calor.
Ciclos termodinámicos
En términos generales un ciclo es un proceso tal, que en forma periódica se restituyen todas
las condiciones iniciales. En la producción de energía eléctrica a partir de procedimientos
térmicos se utilizan ciclos termodinámicos en los cuales la sustancia que realiza el ciclo es un
fluido, generalmente aire, gases de combustión o agua.
Del segundo principio se desprende que mediante un proceso cíclico no será posible
transformar todo el calor suministrado en trabajo (no habría otros efectos, ya que se trata de
un proceso cíclico).
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Este resultado es absolutamente general: independientemente de cómo esté constituido el
sistema que opera cíclicamente, si se lo aísla mentalmente del resto del universo, a través de
esa frontera imaginaria por un lado ingresará calor y por otro lado se obtendrá trabajo e
indefectiblemente también calor; además la suma del calor y el trabajo que salen será
exactamente igual al calor que entra una vez completado el ciclo.
En términos prácticos el resultado de todo esto es que en cualquier instalación donde esté
produciéndose energía eléctrica mediante un proceso térmico (combustiones, reacciones
nucleares, calentamiento solar, etc.) debe indefectiblemente existir un lugar donde esté
desechándose parte del calor. Éste puede pasar inadvertido en el caso que, por ejemplo, se
utilice el agua de un curso cercano para lograr el enfriamiento o se expulsen gases calientes
directamente a la atmósfera, o puede ser muy visible cuando se utilicen torres de
enfriamiento.
Rendimiento termodinámico de un ciclo
En términos generales el rendimiento o eficiencia de un proceso es la relación que existe entre
lo que quiere obtenerse de éste y lo que se aporta para obtenerlo. Por lo tanto, para definir un
rendimiento es necesario tener bien definido a priori qué es lo que realmente quiere
obtenerse.
Es usual expresar un rendimiento como el cociente de lo que quiere obtenerse y lo que se
aporta para obtenerlo, expresados ambos en las mismas unidades. El resultado será entonces
un valor adimensional, que se expresará en por unidad o en porcentaje.
Mediante un ciclo termodinámico, muchas veces (y en particular en la generación de energía
eléctrica) lo que quiere obtenerse es trabajo y lo que se aporta es calor. (Es obvio, por el
primer principio de la termodinámica, que, si se divide todo lo que se obtiene entre lo que se
aporta el resultado es siempre 1.)
Se define entonces como rendimiento de un ciclo termodinámico al cociente del trabajo
obtenido en el ciclo y el calor aportado a éste. En primera instancia debe notarse que este
número, como resultado del segundo principio, es menor a uno.
Sadi Carnot (1796‐1832) ideó el siguiente ciclo para funcionar entre dos temperaturas dadas.
Una sustancia de trabajo describe los siguientes cuatro procesos:
a) una expansión reversible a temperatura constante T1
b) una expansión reversible sin intercambio de calor desde T1 a T2
c) una compresión reversible a temperatura constante T2
d) una compresión reversible sin intercambio de calor desde T2 a T1
El ciclo operando en este orden es un ciclo motor (entrega trabajo mecánico): En el proceso a)
se toma calor de la fuente caliente; en los procesos a) y b) el sistema entrega trabajo al
exterior; en el proceso c) el sistema entrega calor a la fuente fría; en los procesos c) y d) recibe
trabajo desde el exterior: el balance resultante es que el trabajo entregado por el sistema es
mayor que el recibido, habiéndose obtenido la diferencia por la transformación de parte del
calor entrante en trabajo.
El ciclo de Carnot tiene algunos inconvenientes para ser utilizado en aplicaciones prácticas,
pero tiene un gran valor teórico. (Más adelante se verán otros ciclos que son las
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esquematizaciones teóricas de los ciclos que se implementan en la realidad para obtener
energía mecánica a partir de calor.)
Puede calcularse que el rendimiento de este ciclo viene dado por:
donde T1 es la temperatura absoluta de la fuente caliente y T2 es la temperatura
absoluta de la fuente fría. (La temperatura absoluta o termodinámica es la que se
expresa en Kelvin o grados Rankine.)
Puede demostrarse que cualquier ciclo reversible que funciona entre dos temperaturas dadas
tiene el mismo rendimiento que el ciclo de Carnot. Por otro lado también se demuestra que
ninguna máquina termodinámica funcionando entre dos temperaturas dadas puede tener un
rendimiento superior al de Carnot (teorema de Carnot). El resultado importante de todo esto
es que existe un límite teórico a la cantidad de trabajo que puede obtenerse de un ciclo
térmico.
Por otro lado debe notarse que el rendimiento máximo alcanzable teóricamente aumenta con
el aumento de la temperatura de la fuente caliente y con la disminución de la temperatura de
la fuente fría.
Resumen de aspectos termodinámicos
Existe una equivalencia entre calor y trabajo mecánico.
En ningún caso puede obtenerse de un sistema que no varía internamente más
energía de la que se aporta.
No es posible transformar todo el calor aportado en trabajo mecánico.
Existe un límite teórico para el rendimiento de un ciclo térmico y éste está relacionado
con las temperaturas entre las cuales opera.
1.2 Química
Las consideraciones químicas se restringirán solamente a una noción básica sobre la
combustión, puesto que es el proceso por excelencia a partir del cual se obtiene calor para la
generación de energía eléctrica por medio de ciclos térmicos.
Combustión
La combustión es un proceso químico en el cual una sustancia (combustible) reacciona con el
oxígeno (comburente) para producir otras sustancias y ceder calor (reacción exotérmica).
Véase, por ejemplo, la combustión completa del metano, hidrocarburo que constituye la
mayor parte del gas natural:
Una molécula de metano, reacciona con una molécula de oxígeno para formar una molécula
de dióxido de carbono y dos moléculas de agua. La cantidad de calor cedida es una
característica de la reacción. Las proporciones en las cuales se combinan los diferentes
elementos son fijas.
En las combustiones que intervienen en los ciclos térmicos de generación de energía eléctrica,
el oxígeno proviene siempre de aire ambiente en cantidades suficientes como para garantizar
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una combustión completa. Las combustiones incompletas no son relevantes en procesos de
generación de energía.
Combustibles
Los combustibles que interesan desde el punto de vista de la industria eléctrica en las
tecnologías convencionales son el carbón, el gas natural y los derivados del petróleo.
En otras tecnologías menos habituales también puede interesar considerar otros combustibles
como alcoholes, gases derivados de procesos biológicos e industriales, materiales orgánicos de
origen vegetal y animal e hidrógeno gaseoso. En todos ellos, salvo en el hidrógeno gaseoso, el
carbono está presente y el resultado final será su conversión a dióxido de carbono. Lo
relevante de este hecho es que el dióxido de carbono es el principal gas causante del llamado
“efecto invernadero”. El hidrógeno, cuando está presente (lo que ocurre en la mayoría de los
casos), termina transformándose en agua.
En el caso de los llamados “combustibles nucleares” no son en realidad tales. Se emplea este
nombre por analogía con los otros procesos de producción de calor, pero no ocurre ningún
proceso de combustión con ellos; las reacciones que tienen lugar en este caso no son de
naturaleza química, sino de carácter físico a nivel de los núcleos de los átomos que forman la
materia.
Poder calorífico
La cantidad de energía liberada en forma de calor en una reacción química es una
característica de ésta. En una reacción de combustión completa la cantidad de calor producida
por unidad de masa del combustible se denomina poder calorífico del combustible.
Cuando hay hidrógeno en la composición del combustible, éste se transforma en agua durante
la combustión. Luego de ésta, el agua puede recogerse en estado líquido o en estado gaseoso.
Pero para pasar del estado líquido al gaseoso es necesario aportar energía (calor latente de
vaporización) y del mismo modo al pasar del estado gaseoso al líquido el agua cede energía al
ambiente.
Pueden definirse dos poderes caloríficos, según se incluya o no el calor latente de vaporización
del agua que interviene en la reacción. El poder calorífico superior es el que resulta cuando el
agua se recoge en estado líquido. El inferior es el que resulta cuando el agua se recoge en
estado gaseoso.
Es usual que el rendimiento de las máquinas térmicas que utilizan combustible se exprese
tomando como base el poder calorífico inferior, es decir, considerando a éste como energía
entrante. Por otro lado, en los combustibles para los cuales su precio se expresa en función de
unidades energéticas (algo muy habitual para el gas natural), esto se hace generalmente
tomando como base el poder calorífico superior.
Resumen de los aspectos químicos
La combustión es una reacción química en la cual un combustible se combina con
oxígeno y se libera calor.
Éste es uno de los métodos utilizados para obtener calor en los procesos térmicos de
generación de energía eléctrica.
Los combustibles que se utilizan habitualmente en los procesos de generación
eléctrica contienen todos carbono e hidrógeno en mayor o menor medida.
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El carbono de estos combustibles se transforma en dióxido de carbono y el hidrógeno
en agua.
Los poderes caloríficos superior e inferior de un combustible difieren en el calor
necesario para vaporizar el agua resultante de la combustión de éste.
1.3 Electricidad
El origen de la electricidad está en la naturaleza misma de la materia: La carga es una
propiedad de las partículas que componen la materia. Ésta puede tener signo positivo o
negativo. Experimentalmente se encuentra que cargas puntuales ejercen entre sí una fuerza
que las atrae si son de diferente signo o las repele si son de igual signo. Esta fuerza es
proporcional al producto de las cargas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia
que las separa, lo que se conoce como ley de Coulomb. (La unidad de la carga en el Sistema
Internacional es el Coulomb (C), en honor a C. A. Coulomb (17361806), quien estudió estos
temas.)
El movimiento de cargas eléctricas es una corriente eléctrica. Se define entonces intensidad de
corriente eléctrica como la velocidad a la cual una carga neta (diferencia entre cargas positivas
y negativas) atraviesa una superficie (una sección transversal de un conductor, por ejemplo).
También se verifica experimentalmente que se ejercen fuerzas entre conductores que llevan
una corriente eléctrica. Todo esto llevó a formular estos hechos en términos de campos, esto
es, en alteraciones de las propiedades del espacio causadas por las cargas y los movimientos
de éstas (es decir, las corrientes eléctricas) que causan fuerzas también sobre las cargas
(campo eléctrico) y sobre las corrientes (campo magnético.
Es también una constatación experimental que la variación en el tiempo del flujo de un campo
magnético a través de un circuito produce una fuerza electromotriz. Este resultado, conocido
como ley de inducción electromagnética o Ley de Faraday, es de fundamental importancia en
todo el campo de la electrotecnia, ya que en él se basa el funcionamiento de las máquinas
eléctricas como los generadores y los transformadores.
Electrotecnia
Se conoce como Electrotecnia a los aspectos de la producción y consumo de la energía
eléctrica en las aplicaciones usuales de iluminación y fuerza motriz (motores eléctricos). Desde
el punto de vista de la electrotecnia, como se trata de aplicaciones en corriente continua o de
frecuencia industrial (50 o 60 Hz), interesan solamente algunos resultados básicos de la teoría
electromagnética, donde pueden simplificarse las ecuaciones generales en razón de la baja
frecuencia.
La dependencia de algunas variables respecto de la variación en el tiempo de otras hacen que
una explicación detallada de los fenómenos que ocurren no sea sencilla y trascienda una
recopilación como esta. Simplemente se mencionan algunos resultados que pueden facilitar la
comprensión de otros temas:
Potencia eléctrica: La potencia eléctrica es instantáneamente igual al producto de la corriente
por la diferencia de tensiones aplicada. Pero en corriente alterna tanto la corriente como la
tensión aplicada varían constantemente en el tiempo. Y, puede suceder que la variación de
una presente un desfasaje respecto de la variación de la otra. Este desfasaje dependerá de las
características del circuito y puede expresarse como un ángulo si se representa a la corriente y
la tensión como vectores que giran.
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Factor de potencia: La potencia realmente entregada por un circuito es igual al producto de la
tensión por la corriente y un factor que dependerá del desfasaje entre ambas. Éste es
denominado factor de potencia y se demuestra que es igual al coseno del ángulo de desfasaje
entre la tensión y la corriente.
Potencia activa y potencia reactiva: Esta es una descomposición que tiene sentido desde el
punto de vista eléctrico. La potencia activa es la efectivamente entregada o tomada por un
circuito y será sobre ésta la que se tratará principalmente. La potencia activa es la que puede
transformarse de eléctrica en mecánica en los motores, o a la inversa en los generadores. La
potencia reactiva surge de consideraciones eléctricas, está vinculada con las intensidades de
corriente y tensión y no es posible convertirla en potencia mecánica ni a la inversa.
Ley de Ohm: Expresa una proporcionalidad entre la corriente que circula por un conductor y la
tensión eléctrica entre sus extremos. La constante de proporcionalidad es una propiedad física
del material conductor empleado (Resistencia eléctrica).
Valor eficaz: Una tensión que oscila en el tiempo, aplicada a un circuito absolutamente
resistivo (que cumple la ley de Ohm), producirá una corriente en él con la misma forma de
variación que la tensión. La potencia disipada será igual al producto de esta corriente por la
tensión, y también variará en el tiempo. Puede entonces definirse una potencia media en un
ciclo de variación que será igual a la corriente máxima por la tensión máxima por cierto factor
que dependerá de la forma de la onda de tensión. Se definen entonces valores eficaces de
tensión y corriente de manera tal que ese factor de forma quede incluido en ellos y por lo
tanto la potencia sea igual al producto de la tensión eficaz por la corriente eficaz. Es usual que
las tensiones generadas en alterna tengan una variación sinusoidal en condiciones normales, y
en esas condiciones la relación entre los valores eficaces serán los valores máximos divididos la
raíz cuadrada de 2.
Alterna versus continua
La utilización de altas tensiones para el transporte de la energía eléctrica ofrece ventajas. Esto
se debe a que para transportar la misma potencia, utilizando tensiones mayores se requieren
corrientes menores. Las pérdidas de potencia en un conductor (pérdidas óhmicas) estarán
dadas por las características del conductor y por la corriente que circula, dependiendo en
forma cuadrática de ésta. Existirá entonces un balance óptimo según las distancias y las
potencias a transportar entre los costos de los conductores, los costos de las pérdidas y los
costos de utilización de tensiones mayores (mayores aislaciones, mayores distancias, etc.).
Surgen así rangos de tensiones adecuados según las distancias y potencias. Estos cambios de
tensiones pueden lograrse con relativa sencillez mediante la utilización de transformadores.
Pero el funcionamiento de los transformadores requiere que las corrientes varíen en el
tiempo, se basan en la ley de Faraday. Esta es la causa fundamental para que los sistemas
eléctricos sean casi totalmente de corriente alterna. A nivel mundial1, los sistemas eléctricos
han evolucionado en dos frecuencias: 50 y 60 Hz.
La evolución de la tecnología y el abaratamiento en relación a la electrónica de potencia han
hecho que actualmente, para grandes distancias y potencias, el balance económico vuelva a
volcarse hacia la corriente continua. Esto es porque los sistemas de alterna normalmente son
trifásicos, y emplean 3 conductores, y los de continua emplean solamente 2 conductores.
1 Bolivia: 50Hz.
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Sistemas trifásicos
La utilización de sistemas trifásicos ofrece ventajas y esta es la forma que han tomado los
sistemas eléctricos en el mundo.
Un sistema trifásico puede verse como la superposición de tres sistemas monofásicos de igual
frecuencia cuyas tensiones se encuentran desfasadas en el tiempo un tercio de ciclo (o 120º, si
se las representa como vectores giratorios). La ventaja surge al notar que se puede utilizar un
conductor común a los tres sistemas, reduciéndose de seis a cuatro el número de conductores
necesarios para lograr lo mismo. Más aún, si el sistema se encuentra equilibrado, es decir si
hay simetría en las tres fases, las corrientes que circulan por ese conductor común son nulas y
por lo tanto se hace también innecesaria la presencia de ese cuarto conductor, denominado
neutro.
En definitiva, utilizando solamente tres conductores puede transmitirse el triple de potencia
que utilizando solamente dos. (Si se consideran las tensiones entre las fases, y no entre fase y
neutro, para la misma corriente, la potencia de un sistema trifásico es la raíz cuadrada de tres
veces superior que la que se transmite en un sistema monofásico.)
Además, generar en forma trifásica puede lograrse con relativa sencillez. Y en muchas
aplicaciones, la trifásica ofrece ventajas; particularmente en motores, ya que es muy fácil a
partir de corrientes trifásicas generar un campo magnético rotatorio en el espacio, principio
básico de funcionamiento de este tipo de máquinas.
Resumen de los aspectos eléctricos
La electricidad tiene su origen en la naturaleza misma de la materia.
Su comportamiento está regido por leyes conocidas, pero la solución general de las
ecuaciones involucradas es de gran complejidad.
La electrotecnia trata los aspectos de producción y consumo de la energía eléctrica en
las aplicaciones usuales de iluminación y fuerza motriz.
La utilización de corriente alterna presenta algunas ventajas, entre las que se destacan
la facilidad para generarla y la existencia de una máquina sencilla como es el
transformador para variar su tensión.
Las frecuencias utilizadas son 50 y 60 Hz.
La transmisión de energía eléctrica en forma trifásica presenta ventajas de costos
frente a la forma monofásica.
Los sistemas de corriente continua ofrecen ventajas a partir de grandes niveles de
tensión.
1.4 Máquinas eléctricas
Las máquinas que transforman energía eléctrica en energía mecánica son los motores
eléctricos y las máquinas que transforman la energía mecánica en energía eléctrica son los
generadores eléctricos.
Los principios de funcionamiento de los motores y los generadores son los mismos y en la
mayoría de los casos un motor puede teóricamente funcionar como generador y viceversa.
(También son los mismos principios que rigen el funcionamiento de los transformadores,
pudiendo considerarse estos últimos como generadores o motores “inmovilizados”.)
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Una corriente eléctrica genera un campo magnético, la variación del flujo de un campo
magnético produce una fuerza electromotriz. Además, un conductor por el cual circula una
corriente experimenta una fuerza cuando está sometido a un campo magnético. Asimismo, el
hierro y sus aleaciones, que se emplean en las máquinas eléctricas, experimentan fuerzas
cuando están sometidos a campos magnéticos. Estos hechos son los que se utilizan en el
funcionamiento de estas máquinas.
En el caso de los motores se logra un campo magnético rotatorio a partir de la alimentación de
corriente eléctrica de la red. Las fuerzas que se producen sobre el hierro y conductores por los
cuales circula corriente eléctrica resultan en un movimiento.
En el caso de los generadores se produce por algún mecanismo un campo magnético y se lo
hace girar por medio de un motor primario, es decir, una fuente de energía mecánica, como
una turbina o motor de combustión interna. La variación del flujo de este campo a través de
bobinados convenientemente dispuestos genera una fuerza electromotriz.
Se trata en general de máquinas rotativas que constan de dos partes: una fija (llamada estator)
y una móvil (llamada rotor). En un generador eléctrico, lo usual es producir un campo
magnético en el rotor y hacerlo girar mecánicamente mediante el motor primario para que
induzca una fuerza electromotriz en los devanados del estator.
Generadores de corriente continua (dínamos)
La obtención de corriente continua se logra conmutando las conexiones mediante un colector
sobre el cual rozan escobillas. Esto trae diversos problemas que hacer de estas máquinas
equipos costosos y con problemas de mantenimiento.
Salvo para aplicaciones de muy pequeña escala no conectadas a la red (principalmente carga
de baterías) estas máquinas no se emplean en la actualidad como generadores de potencia.
Cuando por algún motivo se requiere el uso de corriente continua lo usual es generar corriente
alterna y luego rectificarla (transformarla en continua) mediante elementos electrónicos de
potencia.
Generadores de corriente alterna (alternadores)
Se trata en general de máquinas trifásicas, ya que lo usual es que generen para redes trifásicas.
El principio para lograr generación trifásica es ubicar bobinados iguales desplazados en el
espacio en forma simétrica, es decir, formando 120º entre sí. El comportamiento será igual al
de tres generadores monofásicos pero las tensiones generadas estarán desfasadas la tercera
parte de un ciclo, puesto que los bobinados en los cuales se induce se encuentran separados
por un tercio de vuelta.
Generadores síncronos: Éstos llevan ese nombre porque el campo magnético gira a la misma
velocidad que el rotor de la máquina.
Velocidad de giro: La relación entre la frecuencia de la tensión inducida en un devanado de
una máquina eléctrica y la velocidad de giro de ésta estará dada por en número de pares de
polos magnéticos con los cuales se haya diseñado la máquina (aspecto constructivo del
bobinado/devanado). La relación que vincula la frecuencia de generación con la velocidad de
giro será:
f= n* v/ 60
donde:
11
f frecuencia de generación
n número de pares de polos
v velocidad de giro de la máquina en revoluciones por minuto (rpm).
Por lo tanto, los generadores síncronos conectados a la una red de 50 Hz girarán a 3000 rpm si
tienen un par de polos, a 1500 rpm si tienen dos pares de polos, a 1000 rpm si tienen tres
pares, etc. En redes de 60 Hz las velocidades serán 3600 rpm y sus submúltiplos.
Como regla general, los generadores diseñados para acoplarse a motores primarios rápidos
(por ejemplo turbinas de gas y de vapor) tendrán en general uno número bajo de pares de
polos y los diseñados para acoplarse a motores lentos (por ejemplo, turbinas hidráulicas y
eólicas) tendrán un alto número de pares de polos. De lo contrario deben utilizarse reductores
o aumentadores (multiplicadores) de la velocidad de giro, solución que generalmente será más
costosa y con mayores problemas de mantenimiento.
Generador síncrono de rotor bobinado: En éstos el campo magnético es producido por
electroimanes alimentados por alguna fuente de corriente continua. Esta corriente que
produce el campo magnético, llamada corriente de excitación, puede provenir de una fuente
externa y ser inyectada a los bobinados del rotor o puede ser generada y rectificada
directamente en el mismo rotor. En este último caso se evita el uso de sistemas de
alimentación de corriente a un sistema móvil, como por ejemplo anillos rozantes.
Éste es el tipo de máquina que se utiliza en la mayoría de los casos en la generación de
potencias desde medias hasta muy grandes.
Desde el punto de vista del sistema eléctrico en su conjunto, el tener control de las corrientes
de excitación tiene grandes ventajas, ya que permite el control de la potencia reactiva
suministrada por la máquina, es decir, permiten un control sobre la tensión de la red.
Generador asíncrono o generador de inducción: En estas máquinas el giro del campo
magnético no coincide con el movimiento físico del rotor. Aquí, el campo magnético es creado
por el estator al estar éste conectado a una fuente de tensión externa. La diferencia relativa
entre la velocidad de giro del rotor y la del campo magnético se denomina deslizamiento. Al
diferir éstas, desde el punto de vista del rotor, el campo magnético tendrá un giro relativo, lo
que provoca una variación del flujo magnético a través de los circuitos de éste. Se produce
entonces una fuerza electromotriz que, al estar estos circuitos cerrados producirá corrientes
en ellos.
Las características eléctricas de estos circuitos internos al rotor serán las que determinarán el
comportamiento entre el par mecánico y el deslizamiento, ya que de ellas dependerán las
corrientes inducidas en el rotor y de estas últimas, las fuerzas que se producen.
Si el rotor gira más lentamente que el campo magnético producido por el estator, la máquina
funcionará como motor, entregando potencia. En cambio, si se lleva al rotor, mediante un
motor primario, a girar más rápidamente que el campo magnético provocado por las tensiones
de la red, la máquina entregará potencia eléctrica y funcionará entonces como generador.
Los rotores de este tipo de máquinas pueden ser de dos tipos:
Jaula de ardilla: En este caso las espiras del rotor están constituidas simplemente por
barras conductoras unidas en los extremos de forma que constituyan circuitos
cerrados. No se tienen acceso desde el exterior a estos circuitos.
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Rotor bobinado: En este caso se puede tener acceso a los circuitos de los bobinados
del rotor con lo cual se puede modificar sus características eléctricas y por lo tanto
cambiar la respuesta del par en función del deslizamiento.
Por su simplicidad, los generadores asíncronos son de utilización mayoritaria en la generación
de energía eólica. Tienen como ventaja que no requieren de sincronización para ser
conectados a la red.
Su desventaja principal es que no son autónomos ya que necesitan de la propia red para
generar el campo magnético, por lo tanto no pueden ser utilizados en sistemas aislados.
Pérdidas en los generadores de energía eléctrica: En teoría, toda la potencia mecánica
suministrada en el eje a un generador podría ser convertida en potencia eléctrica en bornes de
éste. Sin embargo, en la realización práctica de los equipos existen pérdidas de potencia por
diversas causas. Por una parte, al tratarse de equipos con partes en movimiento aparecen
pérdidas mecánicas por rozamientos. Además, existen pérdidas de origen eléctrico: pérdidas
óhmicas por la circulación de corrientes por conductores que tienen cierta resistencia y
pérdidas debidas a la inducción de corrientes en zonas no deseadas de la máquina. Estas
pérdidas, en generadores grandes, son de apenas algún punto porcentual de la potencia
generada y se transforman en calor que debe ser evacuado de la máquina para evitar
aumentos de temperatura inadmisibles. Existen diversos sistemas de refrigeración,
dependiendo del diseño de la máquina. Usualmente se emplea algún fluido, que puede ser
desde aire, algún otro tipo de gas o inclusive agua. La utilización de hidrógeno, por sus buenas
propiedades en relación a la transferencia de calor, ha sido un método habitual de
refrigeración de grandes generadores.
Sincronización: El acoplamiento de una máquina generadora a una red en la cual ya hay otros
generadores funcionando requiere de cierto cuidado. Es necesario primero llevar a la máquina
a la velocidad de giro tal que la frecuencia generada sea la misma que la de la red. Además, se
requiere que las tensiones que genera la máquina coincidan dentro de cierto rango de
tolerancia con las tensiones de la red en el punto de conexión. Este proceso se conoce como
sincronización y es imperativo para los generadores síncronos. Existen dispositivos
automáticos que realizan completamente la sincronización o bien pueden ayudar a hacer una
sincronización “manual”.
Resumen de máquinas eléctricas
Los generadores eléctricos transforman la potencia mecánica entregada en su eje en
potencia eléctrica.
Los generadores de corriente continua se denominan dínamos y los generadores de
corriente alterna se denominan alternadores.
Los alternadores pueden ser síncronos o asíncronos.
Para grandes potencias el generador habitualmente utilizado es el alternador síncrono.
1.5 Magnitudes Físicas y sus Unidades
El Sistema Internacional de Unidades (SI)
El SI es un sistema de unidades para las magnitudes físicas adoptado como norma por la gran
mayoría de los países del mundo. En éste se divide a las unidades en básicas y derivadas.
Algunas unidades básicas, son:
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kilogramo (kg) masa
metro (m) longitud
segundo (s) tiempo
ampère o amperio (A) corriente eléctrica
kelvin (K) temperatura termodinámica
mol (mol) cantidad de materia
candela (cd) intensidad luminosa
Las unidades derivadas son las que se obtienen de las básicas por medio de multiplicaciones y
divisiones. A algunas de éstas se les ha dado nombres y símbolos específicos. Entre todas
forman un sistema coherente de unidades. Entre las que interesan particularmente se
encuentran las unidades referidas a la energía y magnitudes eléctricas:
hertz o hercio (Hz) frecuencia
Newton (N) fuerza
Joule o julio (J) energía
Watt o vatio (W) potencia
Volt o voltio (V) potencial eléctrico
ohm u ohmio (Ω) resistencia eléctrica
El SI define ciertos prefijos y sus correspondientes símbolos para formar los nombres de los
múltiplos y submúltiplos de las diferentes unidades. En particular interesa conocer los
siguientes:
Múltiplos:
tera (T): 1012
, giga (G): 109
, mega (M): 106
, kilo(k): 103
, hecto (h): 102
, deca (da): 101
Submúltiplos:
deci (d): 10‐1
, centi (c): 10‐2
, mili (m): 10‐3
, micro (µ): 10‐6
, nano (n): 10‐9
, pico (p): 10‐12
Entonces, por ejemplo, un megavatio o megawatt (MW) será equivalente a 1000000 vatios, un
kilovoltio o kilovolt (kV) será equivalente a 1000 voltios.
En el SI, la unidad de energía es el joule, que es la energía necesaria para desplazar un metro
una fuerza de un newton. Y la unidad de potencia es el Watt (W), equivalente a la tasa de
variación de un joule por segundo.
En la práctica, y principalmente en la industria eléctrica es usual utilizar como unidad de
energía el vatio‐hora (Wh) y sus múltiplos: kilovatio‐hora (kWh), megavatio‐hora (MWh),
gigavatio‐hora (GWh) y teravatio‐hora (TWh). Un vatio‐hora es la energía resultante de aplicar
una potencia de un vatio durante una hora.
(Nota: el vatio‐hora, el kilovatio‐hora, etc. son unidades de energía y se utilizan para expresar,
por ejemplo energía generada o consumida. Es así que uno puede decir “Este mes, en mi casa
consumimos 356 kWh (kilovatios‐hora)” y no es correcto decir “este mes consumimos 356 kW
(kilovatios)”, ya que el vatio y sus múltiplos y submúltiplos son unidades de potencia y no de
energía. Otro error muy común es utilizar como unidad para expresar energía el kilovatio “por”
hora (kW/h): “Este mes consumimos 356 kilovatios por hora (kW/h)”. Esto es erróneo, ya que
el “vatio por hora” sería, si se quiere, una unidad de tasa de variación de la potencia, algo que
sí tiene interpretación física, pero que sin dudas no es la que se quiere dar en este contexto.)
14
La caloría (cal): Una caloría es la cantidad de energía que hay que aportar para elevar en un
grado Celsius la temperatura de un gramo de agua. Puesto que la cantidad de calor que es
necesario aportar para variar la temperatura en un grado varía levemente dependiendo de la
temperatura desde la cual se parte, se han definido diversas calorías. Lo más usual es utilizar la
definición de caloría de las tablas internacionales de vapor, caloría IST: 1 cal = 4.1868 J
Tonelada equivalente de petróleo (TEP): Es aproximadamente la energía que aporta la
combustión de una tonelada de petróleo. Se define como 107
kcal.
La British Thermal Unit (btu): Se define de forma similar a la caloría. Es la cantidad de energía
que hay que aportar para elevar en un grado Fahrenheit una libra de agua. La equivalencia es
la siguiente: 1 btu = 1055.056 J
También en lo relativo a potencia se utilizan en ciertas ocasiones unidades diferentes al Watt:
Caballo de fuerza: Existen diversas definiciones de esta unidad. En principio debe tenerse en
cuenta que, a pesar que su nombre, es una unidad de potencia. Supuestamente se tomó como
base para su definición la potencia que puede ejercer un caballo (aparentemente uno
relativamente grande). Todas las definiciones dan valores cercanos. Puede tomarse el
siguiente equivalente: 1 hp= 746W
Será necesario ver algunas unidades de temperatura, ya que ésta es una magnitud relevante
en los ciclos de generación térmicos. Existen diversas escalas de temperatura de uso frecuente
en la actualidad: Escala Celsius: En esta escala de temperatura se asigna se asigna al 0ºC la
temperatura de 273.15 K, siendo la unidad la misma que el kelvin. Escala Rankine: Un grado
Rankine está definido como 5/9 de un kelvin. Escala Fahrenheit: La unidad es la misma que la
de la escala Rankine. Se le asigna el valor igual a 32 para la temperatura de 273.15 K (0ºC).
2 El Sistema Eléctrico
Técnicamente, en los sistemas eléctricos existen tres etapas bien diferenciadas: la generación,
la transmisión y la distribución. La primera se refiere a la producción de energía eléctrica. La
segunda trata sobre el transporte de esa energía desde el lugar de generación hasta los
centros de consumo. La tercera consiste en el reparto de la energía a cada consumidor
individual.
Demanda
Una característica muy particular de los sistemas eléctricos es la igualdad permanente entre la
oferta y la demanda de energía (igualdad entre la generación y la demanda).
Puede suponerse a la red eléctrica como una canalización pasiva a la cual se inyecta potencia
en unos puntos y que, al no poder acumularse la energía eléctrica en ésta, la misma cantidad
de potencia es retirada simultáneamente en otros puntos.
Estrictamente, desde un punto de vista eléctrico y considerando intervalos de tiempo muy
pequeños, esto no es exactamente así: la creación de los campos eléctricos y magnéticos que
intervienen en los procesos eléctricos requieren cierta energía y al variar constantemente
éstos (por tratarse mayoritariamente de sistemas de corriente alterna) existen transferencias y
acumulaciones de energía entre los diversos elementos de las redes. Pero los tiempos en los
cuales esto ocurre son los relacionados con la frecuencia del sistema: a 50 Hz, la duración de
los ciclos es de 20 ms; para 60 Hz es de 16.67 ms. En definitiva, siempre debe cumplirse el
primer principio de la termodinámica y como la red por sí misma no genera energía y tampoco
15
puede acumularla indefinidamente, la energía que se extrae de ella tiene que ser
indefectiblemente igual a la que se le inyecta en forma promedial.
Desde el punto de vista de la demanda es común utilizar indistintamente el término carga,
como sinónimo de potencia eléctrica consumida.
Pérdidas
La demanda a nivel del sistema de generación será igual a la agregación de las demandas
individuales más las pérdidas en el sistema de transporte desde el punto de generación hasta
el lugar de consumo. Las pérdidas serán consecuencia de los fenómenos eléctricos que
ocurren en la transferencia de energía desde un punto a otro. Ésta potencia se disipará en
forma de calor en los distintos elementos de las redes de transporte.
Diseño y operación del Sistema Eléctrico
Existen diversos aspectos a tener en cuenta en el diseño de un sistema eléctrico:
‐ Por un lado, el sistema debe poder inyectar instante a instante la potencia que se está
requiriendo.
‐ Por otro lado, el sistema debe estar diseñado de forma que esa potencia pueda ser
llevada desde los puntos en los cuales es inyectada a los puntos en los cuales es
demandada.
El primer aspecto puede a su vez dividirse en dos consideraciones: la existencia de los equipos
capaces de inyectar esa potencia y la existencia de los insumos necesarios para generarla. El
primer aspecto está relacionado con el diseño del sistema de generación y el segundo con los
diseños de las redes de transmisión y distribución.
En cualquier caso, el dimensionado del sistema se hace normalmente teniendo en cuenta el
requerimiento máximo.
Algunas características energéticas de la demanda de energía eléctrica
Desde el punto de vista energético, es decir, en términos de la potencia demandada interesa
conocer en primera instancia su variación a lo largo del tiempo. Una misma cantidad de
energía puede consumirse durante un período dado de muy diversas maneras. Puede
consumirse, por ejemplo, tomando una potencia constante durante todo el período o una
potencia muy pequeña durante la mayor parte del período y una potencia muy grande durante
un corto lapso. Tanto para su generación como para el diseño de las redes que la
transportarán, esta variación a lo largo del tiempo será relevante ya que por un lado la
generación deberá poder acompañar esta variación y por otra parte, deberá tanto poder
generarse como transportarse la potencia máxima requerida.
El consumo de energía eléctrica está estrechamente asociado a la actividad humana. Existirá
por un lado una variación, casi siempre un crecimiento a lo largo del tiempo del consumo, a
medida que aumenta el desarrollo y se intensifican ciertos usos eléctricos. Existirán además
variaciones estacionales el consumo. Por ejemplo, las cargas asociadas a calefacción y
refrigeración tendrán variaciones estacionales ya que dependerán fuertemente de la
temperatura ambiente y ésta tiene en la mayor parte de las regiones geográficas una variación
de este tipo. Los ciclos laborales semanal y diario también impondrán al consumo de energía
eléctrica una variación de este tipo.
16
Por otra parte interesa la distribución geográfica de la demanda. Desde el punto de vista de la
transmisión, interesará la ubicación de la demanda en relación a dónde se encuentran las
fuentes de generación. Esto tendrá impacto sobre el diseño de la red de transmisión e influirá
directamente sobre los costos de ésta. Desde el punto de vista de la distribución surge como
concepto relevante el de densidad de carga, es decir, cómo se distribuye la carga en relación a
la superficie geográfica donde se encuentra. Es obvio que tendrá costos mucho mayores
suministrar una demanda que está esparcida en un gran territorio que una demanda igual
desde el punto de vista energético, pero concentrada.
Una primera aproximación al modelado de un sistema eléctrico es el modelo uninodal o de
barra única. Se supone, en un modelo de este tipo, que toda la potencia del sistema se inyecta
y se extrae de un mismo nodo (o barra, en términos eléctricos). Esto equivale a despreciar
todos los efectos de la red de transmisión. Un modelo de este tipo es una muy buena
aproximación para el tratamiento de los aspectos económicos relativos al suministro de la
demanda.
Además de las características puramente energéticas de la demanda eléctrica, también
interesan obviamente los aspectos eléctricos de ésta.
Debe notarse que no hay una total independencia entre los aspectos energéticos y los
eléctricos del sistema, ya que, por ejemplo, las pérdidas, que son parte de las consideraciones
energéticas dependen de cuestiones eléctricas.
Desde el punto de vista de la estabilidad del sistema eléctrico puede ser relevante conocer,
por ejemplo, la dependencia de la carga a la tensión y la frecuencia.
Por otro lado, la misma demanda puede introducir perturbaciones desde el punto de vista
eléctrico al sistema que lo afecten en forma parcial o global y tengan impacto sobre la calidad
del servicio.
Curvas de carga
La forma usual de representar la demanda es mediante curvas de carga, es decir, gráficas de la
variación de la potencia demandada en función del tiempo. Éstas pueden representar la
demanda agregada de todo el sistema, la de un área geográfica, la de un sector de la
economía, la de una industria en particular o un hogar, etc.
A continuación se muestran algunos ejemplos de curvas de carga.
17
La curva de carga diaria representada es típica de una demanda en la que, por ejemplo, el
sector residencial tiene gran peso: aparece una punta durante el comienzo de la noche debida
a usos de iluminación y cocción y también un aumento de la potencia demandada hacia el
mediodía, debida también a cocción. Los consumos mínimos se dan durante la madrugada.
A continuación se aprecia la curva de carga del día de máxima demanda del sistema
interconectado nacional boliviano:
CURVA DE CARGA EN DÍA DE MÁXIMA DEMANDA (MW) JUEVES 17 DE DICIEMBRE DE 2009
En la curva de carga semanal se ve la repetición de las variaciones diarias junto con menores
consumos durante los fines de semana.
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
1,000
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24
18
Monótonas de carga:
Otra forma usual de representar la demanda es mediante curvas monótonas. Estas curvas se
dan para un período de tiempo (día, semana, mes, año, etc.) y muestran qué fracción del
período tiene potencias que superan cierto valor.
La siguiente es la monótona correspondiente a la curva semanal anterior:
En este caso, la secuencia temporal se pierde, pero una representación de este tipo puede ser
muy adecuada para el estudio del suministro de la demanda. El área bajo la curva obtenida de
este modo será igual al área bajo la curva original y por lo tanto representará la energía
consumida en el período.
Una representación aún más simplificada es mediante bandas o escalones. Ésta es solamente
una versión más simplificada de la curva monótona. Se trata de definir intervalos dentro del
período total y sustituir las potencias en cada intervalo por un valor representativo. Se obtiene
entonces una representación escalonada de la monótona de carga.
19
Es usual utilizar como valor representativo del escalón el valor medio de la potencia en el
intervalo del escalón. De esta forma, la energía durante el período será igual a la suma de cada
una de las potencias representativas multiplicadas por la duración de la banda o escalón.
La curva de carga queda entonces caracterizada la potencia representativa de cada banda y la
duración de ésta. Generalmente se toma un número pequeño de bandas, entre 2 y 4, según
bloque horarios representativos de la demanda.
Como el propósito de una representación en bandas o escalones es dar, aunque en forma
simplificada, cierta información sobre la curva de carga, y sobre este aspecto lo más relevante
es la potencia máxima ya que ésta condiciona las dimensiones del sistema, se toma en general
una duración relativamente breve para la banda de mayor carga. De esta forma, el valor
representativo de ésta será muy próximo al valor máximo de potencia en el período.
Una representación de este tipo es adecuada para un modelado energético del sistema
eléctrico, ya que por un lado se obtiene una representación sencilla que facilita los cálculos y
por otro se conservan exactamente los valores de energía y en forma razonable las
características relativas a la potencia.
Factor de carga
Es el cociente entre la energía suministrada en un período y el producto de la potencia máxima
en el período por la duración de éste. Es el parámetro más sencillo utilizado para caracterizar
una demanda, ya que mediante un único número se obtiene una idea de la forma de la curva
de carga.
Una curva de carga absolutamente plana, es decir, con una potencia constante, tiene un factor
de carga igual a 1. A medida que la curva de carga va empuntándose, el factor de carga
disminuye.
Predicción de la demanda
20
Dada esa característica especial de los sistemas eléctricos respecto a que en cada instante la
oferta (generación) debe ser igual a la demanda, la predicción de ésta adquiere una
importancia fundamental.
Tanto para la operación como para la planificación de los sistemas eléctricos es usual que se
cuente con diversos modelos para estimar el comportamiento de la demanda.
Para la operación interesan las variaciones de la demanda en el corto y el cortísimo plazo. Se
utilizan en generalmente en este caso modelos de series temporales univariantes u otros
modelos estadísticos que toman en cuenta algunas variables relevantes como la temperatura y
la luminosidad. También pueden usarse técnicas matemáticas más complejas (redes
neuronales, sistemas expertos, etc.) para las estimaciones de muy corto plazo, alimentándose
estos modelos directamente con los valores de la operación obtenidos de los sistemas
automáticos de adquisición de datos.
Para la planificación de la expansión de los sistemas interesa la evolución de la demanda en el
largo plazo. Es usual en estos casos proceder en etapas: Se estima mediante métodos
econométricos la evolución, por ejemplo anual o trimestral del consumo de energía eléctrica,
explicándolo a partir otras variables relevantes de la economía, por ejemplo el producto
interno bruto. (Obviamente en estos casos, se deberá contar además con estimaciones de esas
variables explicativas o con modelos para estimarlas.) Posteriormente se reparte esa energía
en curvas de carga estimadas a partir de otras técnicas.
Gestión de la demanda
Las llamadas políticas de gerenciamiento (o gestión) de la demanda tienen como objetivo la
racionalización del uso de la energía eléctrica. El objetivo es la reducción de las inversiones
requeridas en el suministro, pero actuando desde el lado de la demanda.
Por una parte se refiere a un uso más eficiente de la energía. Se entiende aquí por eficiencia la
obtención de las mismas prestaciones con menor consumo de energía. Por otro lado, hay un
enfoque relativo a una mejor utilización de las instalaciones existentes tanto a nivel de
generación como de redes. Esto se logra mediante un “aplanado” de las curvas de carga, es
decir, aumentando los factores de carga.
Existen muy variadas formas de actuar en este sentido. Por ejemplo, puede estimularse la
compra de equipamiento más eficiente desde el punto de vista de la demanda (iluminación,
calefacción, refrigeración, etc.). Para lograr la mejora en el factor de carga pueden pasarse
señales tarifarias a la demanda de forma de desestimular el consumo en los horarios de punta.
2.1 Tecnologías de Generación
Es necesaria la descripción general de las diversas tecnologías para la generación de energía
eléctrica. En la mayoría de los casos el proceso general es similar: a partir de una fuente de
energía primaria se utiliza un motor para obtener energía mecánica. Esta energía mecánica es
utilizada para mover un generador que produce la energía eléctrica.
En varias de las tecnologías, los motores primarios utilizados son turbinas, por lo que conviene
hacer alguna aclaración respecto de éstas: Una turbina es una máquina rotatoria a través de la
cual transita un fluido sin ser en ningún momento totalmente confinado (turbomáquina) y que
transforma la energía mecánica que tiene ese fluido en energía mecánica que se extrae por el
eje. Las turbinas son por lo tanto motores: suministran energía mecánica en el eje de la
máquina. No es una turbina una máquina que hace la función inversa: transferir energía desde
21
el eje hacia el fluido: las turbomáquinas que hacen esta función inversa se denominan
turbocompresores, turboventiladores o turbobombas, pero no turbinas.
2.1.1 Hidroenergía
La energía disponible en cierto volumen de agua (o cualquier otro cuerpo) en reposo en el
campo gravitatorio terrestre (energía potencial) es proporcional su masa y a la altura a la cual
se encuentra.
La potencia máxima que puede entonces obtenerse será entonces proporcional al gasto (masa
de agua que circula por unidad de tiempo) y al salto (diferencia de alturas entre las cuales se
desplaza el volumen de agua). Una central hidráulica consiste en algún método de represar un
curso de agua de forma de mantener una diferencia de niveles y canalizarlo a través de una
turbina para poder extraer la energía resultante de esa diferencia de alturas.
Desde el punto de vista del sistema energético, la clasificación en tres tipos que sigue es
relevante:
Centrales de pasada:
De manera general se denominan así las que no cuentan con un embalse. En éstas, al no haber
posibilidad de acumular el agua afluente, la única decisión posible será utilizar el agua que
llega para generar energía (turbinarla) o dejarla pasar (verterla).
Centrales con embalse:
En éstas, el agua afluente tiene la posibilidad de ser acumulada antes de ser turbinada. Por lo
tanto, en éstas puede decidirse acumular el agua que llega en lugar de turbinarla o verterla.
Por otro lado, en caso que no haya aportes de agua, puede utilizarse agua acumulada
anteriormente para generar energía igualmente.
En la operación de este tipo de centrales se dan embalsados y desembalsados que permiten
transferir energía en el tiempo de forma relativamente independiente a los aportes de agua.
Estas centrales estarán caracterizadas por el tamaño del embalse con que cuentan. Este
tamaño será relevante, más que en términos de su capacidad volumétrica, en términos de su
capacidad energética y una forma de expresar esto será en relación a la potencia que tiene
instalada la central. Una forma usual de expresar esta relación es en función del tiempo de
vaciado: suponiendo que el embalse se encuentra lleno y que no llega agua a él, el tiempo de
vaciado será lo que tarda en agotarse si la central turbina a pleno, es decir, utilizando
totalmente su capacidad instalada. Existirán pues embalses diarios, semanales, mensuales,
anuales o plurianuales, según su tiempo de vaciado. Las centrales con embalses horarios
(pequeños), se clasifican con centrales de pasada.
Centrales de bombeo:
Son centrales hidráulicas que cuentan con dos embalses a distintas alturas. Pueden generar
energía eléctrica turbinando el agua desde el embalse superior al inferior o acumular energía
bombeando agua desde el embalse inferior al superior. Esto puede lograrse teniendo turbinas‐
generadores y bombas‐motores independientes o máquinas reversibles que pueden actuar
como ambas cosas a la vez. Este tipo de centrales permite un seguimiento de la curva de
demanda cuando la generación efectiva no es lo suficientemente flexible para lograrlo. Los
ciclos de operación (diarios, semanales, etc.) dependerán de las características del sistema
eléctrico en el cual estén instaladas y de las características de la propia central. Debe tenerse
22
en cuenta que la energía que puede recuperarse de un sistema de este tipo es una fracción de
la energía aportada, ya que existe por un lado un rendimiento en el turbinado al recuperar la
energía y por otro un rendimiento en el bombeo (en general menor que el de turbinado) al
almacenarla.
Existen muy diversos diseños de centrales hidráulicas y las potencias de éstas pueden ir desde
unos pocos kilovatios hasta superar la decena de gigavatios (ejemplo: Itaipú: 18 turbinas
Francis de 700 MW). Es usual que una central hidráulica cuente con más de una turbina
instalada. También es usual que exista más de una central sobre un mismo curso de agua
(centrales en cascada).
En muchos casos, al menos dentro de cierto rango, el caudal de agua vertido también es una
variable controlable por el operador de la central.
Para saltos pequeños se utilizan turbinas de flujo axial, con rotor de hélice. Salvo para
potencias muy pequeñas lo usual en este caso es el empleo casi exclusivo de turbinas tipo
Kaplan. Éstas son turbinas de paso variable: cuentan con un mecanismo que permite variar el
ángulo de las palas de forma coordinada con el sistema de control de caudal a través de la
turbina (distribuidor). De esta forma se consigue un rendimiento óptimo de la máquina para
diferentes condiciones de funcionamiento.
Para saltos intermedios se utilizan turbinas tipo Francis (de reacción), dentro de las cuales el
agua sigue un curso en parte radial y en parte axial.
Para grandes saltos se utilizan turbinas conocidas como de acción, tipo Pelton. En este tipo de
máquinas, mediante toberas se obtienen chorros de agua de alta velocidad que inciden sobre
una rueda con elementos en forma de cucharas, haciéndola girar.
2.1.2 Ciclos de Vapor
El ciclo termodinámico mediante el cual se obtiene potencia mecánica a partir de calor
mediante una turbina de vapor es el conocido como Ciclo Rankine.
Consta de las siguientes etapas:
‐Calentamiento y vaporización de un fluido
‐Expansión del vapor, realizando trabajo
‐Condensación del vapor cediendo calor
‐Elevación de la presión del líquido condensado, mediante el aporte de trabajo
En la implementación práctica de este ciclo se utilizan los siguientes elementos:
‐ El fluido (en casi todos los casos agua) es calentado y evaporado a alta presión en un
generador de vapor o caldera.
‐ El vapor resultante se expande en una turbina diseñada para funcionar con vapor,
mediante la cual se obtiene la potencia útil.
‐ Luego de la expansión el vapor es condensado en un intercambiador de calor llamado
condensador.
‐ El agua obtenida al condensar el vapor es enviada nuevamente a la caldera, elevándole
la presión mediante una bomba (bomba de alimentación). En esta parte del ciclo se
aporta potencia, pero en cantidad mucho menor a la que se obtiene en la turbina.
23
Este tipo de máquinas se conocen como motores de combustión externa: la combustión se
produce en forma externa al ciclo y el calor obtenido de ésta es transferido al fluido que realiza
el ciclo.
Generadores de vapor (calderas):
El diseño básico de éstos consta de un recinto (hogar) en el cual se produce la combustión y un
sistema de intercambio de calor entre los gases calientes generados por la combustión y el
agua.
Desde el punto de vista del generador de vapor como elemento aislado, existirá una eficiencia
en relación a la cantidad de calor que se genera en la combustión y la que realmente se
aprovecha al generarse el vapor. En la práctica existe una limitante a esta mejora de la
eficiencia de intercambio.
En todo ciclo térmico que transforma calor en trabajo mecánico existe una parte de ese calor
que no puede ser utilizada. En los ciclos de vapor este calor se extrae a través del
condensador. Éste es simplemente un intercambiador de calor que condensa el vapor
proveniente de la salida de la turbina utilizando para esto agua a temperatura ambiente. El
condensado obtenido es inyectado nuevamente al generador de vapor mediante la bomba de
alimentación.
Cuando no existe un curso de agua importante en las cercanías de la central o cuando la
cantidad de calor que debe desecharse es tal que provocaría un aumento de la temperatura
ambientalmente inadmisible en el curso de agua que existiera, se utilizan torres de
enfriamiento. El agua de enfriamiento recorre entonces un circuito cerrado, tomando calor en
el condensador y enfriándose luego en la torre. No debe confundirse esta agua de
refrigeración con el agua que cumple el ciclo.
24
El agua que se utiliza en un ciclo de vapor (la que efectivamente cumple el ciclo) debe tratarse,
por un lado para quitarle las sales que pudieran causar incrustaciones en las superficies de
intercambio y por otro lado para eliminar el oxígeno disuelto en ésta que puede provocar
corrosión. La existencia de otros gases en el circuito también puede causar problemas. Deben
existir por lo tanto equipos para eliminar sales en el agua que sea necesario reponer al ciclo así
como equipos para eliminar otros gases del circuito de vapor.
Existen múltiples variantes del ciclo Rankine empleadas para mejorar el rendimiento.
El rendimiento global de una central de generación de energía eléctrica en general se define
como el cociente entre la potencia eléctrica obtenida en bornes del transformador de máquina
y la potencia térmica aportada por el combustible utilizado para generarla (expresada en
función de poder calorífico de éste, generalmente el inferior). En este rendimiento se incluyen
entonces el rendimiento de intercambio en el generador de vapor, el rendimiento real del ciclo
utilizado y los rendimientos eléctricos del generador y el transformador de máquina.
Estos valores son menores al 40% para centrales de ciclo de vapor convencionales, pudiendo
llegar hasta aproximadamente 45% en centrales de ciclos supercríticos.
Particularidades de la operación de ciclos de vapor:
La operación de un ciclo de vapor es algo complejo. A continuación se resaltarán algunas de las
características técnicas de la central de ciclo de vapor desde el punto de vista del sistema
eléctrico.
Lo usual es acoplar directamente un generador síncrono a la turbina. Al ser estas últimas
máquinas de elevada velocidad de giro, el generador será de un bajo número de pares de
polos, generalmente uno.
Tiempos de arranque: Tanto en el generador de vapor como en las primeras etapas de la
turbina se utilizan temperaturas muy elevadas para el funcionamiento de los ciclos de vapor.
En particular los generadores de vapor son grandes estructuras que deben ser llevadas a las
temperaturas de operación a velocidades relativamente lentas para evitar deformaciones
causadas por calentamientos no uniformes. Por lo tanto es usual que, entre que se inicia el
arranque de una máquina de este tipo hasta que se puede generar la máxima potencia,
transcurran varias horas.
Variación de la carga y funcionamiento a cargas parciales: Se trata de máquinas diseñadas para
funcionar con rendimiento óptimo a una potencia dada. Sin embargo, admitiendo una
degradación del rendimiento pueden funcionar a cargas parciales. De todas formas existe
siempre una potencia mínima por debajo de la cual la máquina no puede operar.
2.1.3 Turbinas de Gas
La máquina turbina de gas consta básicamente de tres partes:
compresor
cámara de combustión
turbina propiamente dicha
Su nombre deriva de que el fluido que realiza el ciclo termodinámico es un gas (básicamente
aire) y no está relacionado con el combustible utilizado, que puede ser de diversos tipos.
25
El ciclo teórico de funcionamiento de estas máquinas es el conocido con el nombre de Ciclo
Brayton, Ciclo Joule o Ciclo Joule‐Brayton y consta de las siguientes etapas:
‐Una compresión del gas
‐Un calentamiento del gas a presión constante
‐Una expansión del gas
‐Un enfriamiento a presión constante
Para lograr el proceso de compresión debe aportarse trabajo al fluido. En el proceso de
calentamiento se aporta calor. Durante la expansión se obtiene trabajo del fluido. En el
enfriamiento se obtiene calor de él.
Al tratarse de un proceso cíclico, la suma neta total del trabajo y el calor aportados es nula (el
fluido vuelve a las mismas condiciones luego de culminar el ciclo), pero el trabajo obtenido en
la expansión es mayor que el requerido para la compresión (en una cantidad igual a la
diferencia entre el calor aportado en la etapa de calentamiento y el obtenido en la etapa de
enfriamiento).
En la práctica, este ciclo se implementa de la siguiente forma: El aire atmosférico es tomado
por el compresor y comprimido hasta cierta presión que puede llegar a las decenas de
atmósferas. Mediante la inyección de combustible en la cámara de combustión, el aire es
calentado a alta temperatura. Posteriormente el aire (junto con los gases de combustión
formados) se expande en una turbina, mediante la cual se extrae potencia mecánica. Parte de
esta potencia mecánica es utilizada para mover el compresor que forma la máquina y el resto
es potencia mecánica útil que se utiliza para mover el generador. Se obtienen un rendimientos
del orden del 35%.
La máquina turbina de gas es lo que se conoce como un motor de combustión interna, ya que
la combustión ocurre dentro de la misma máquina que realiza el ciclo termodinámico. Este
tipo de ciclos son los que se conocen como ciclos abiertos, ya que el ciclo se “cierra” en la
atmósfera: los gases de escape de la turbina no son enfriados directamente y vueltos a ser
inyectados en el compresor, sino que se expulsan a la atmósfera y el compresor toma aire
nuevo de ésta.
26
Existen diversos diseños de estas máquinas: El diseño más sencillo es el que el compresor, la
turbina de gas y el generador están todos sobre un mismo eje.
En algunos otros diseños la turbina de gas es doble: una primera etapa que está directamente
acoplada al compresor y una segunda etapa que es solidaria con el generador. El conjunto de
compresor y turbina de gas acoplado se conoce como generador de gases calientes, ya que lo
que hacen es producir los gases que luego serán expandidos en la turbina que mueve el
generador.
En otros diseños todavía, existe una etapa inicial de compresión que es mecánicamente
alimentada por la turbina acoplada al generador y existen un compresor y una turbina
intermedios, acoplados entre sí, que giran libremente a una velocidad diferente a la del
conjunto solidario al generador.
La tecnología de turbinas de gas tuvo un gran desarrollo con la industria aeronáutica, ya que el
principio mediante el cual se generan los gases de propulsión de los aviones a reacción es el
mismo que se describe aquí. Es así que mediante algunas adaptaciones, los fabricantes de
turbinas de gas han utilizado los mismos modelos de turbinas aeronáuticas para aplicaciones
industriales, incluida la generación eléctrica. Estos diseños son los que se conocen como
turbinas aeroderivadas.
El rendimiento teórico de un ciclo de turbina de gas estará dado por la relación de compresión.
En la práctica, la limitación técnica a la obtención de mayores rendimientos está dada por la
resistencia de los materiales a las altas temperaturas del ciclo. Este problema se da
fundamentalmente en los álabes de la primera etapa de la turbina, ya que éstos deben
soportar las temperaturas más altas del ciclo y además resistir enormes esfuerzos dinámicos.
Todo el desarrollo en relación a turbinas de gas ha estado centrado en la obtención de
materiales capaces de resistir estas temperaturas y esfuerzos.
Desde el punto de vista del sistema eléctrico, los ciclos abiertos de turbina de gas son capaces
de arrancar y llegar a su potencia máxima en un tiempo muy corto, generalmente entre diez y
treinta minutos.
Tanto la potencia máxima que pueden producir como su rendimiento tienen una relación
sensible con la temperatura ambiente. A medida que ésta aumenta tanto la potencia máxima
como el rendimiento disminuyen. Las turbinas de gas tienen malos rendimientos a cargas
parciales y son fuertemente afectadas por la altura sobre el nivel del mar a la que operan.
2.1.4 Ciclos Combinados
27
Puesto que la temperatura a la cual salen los gases una turbina de gas es elevada (del orden de
los 500 ºC) surge la idea de aprovechar estos gases calientes para seguir obteniendo energía
mecánica. Un ciclo combinado es pues la combinación de un ciclo de turbina de gas con un
ciclo de vapor: los gases calientes a la salida de la turbina de gas son utilizados como fuente de
calor de un ciclo de vapor.
Se utiliza una caldera de recuperación, que es simplemente un intercambiador en el cual los
gases de escape se enfrían calentando agua y generando vapor para alimentar el ciclo de
vapor.
El ciclo de gas de un ciclo combinado es igual al ciclo de gas abierto: se utilizan las mismas
máquinas. Lo mismo ocurre con el ciclo de vapor: será igual al visto anteriormente con la única
salvedad que el generador de vapor el lugar de tener un hogar donde se realiza una
combustión, obtendrá los gases calientes de la salida de ciclo de gas. Esto permite obtener
rendimientos del orden del 55%.
En grandes números, del total de la potencia obtenida de un ciclo combinado, dos tercios se
obtienen del ciclo de gas y un tercio del ciclo de vapor. Obsérvese que con el mismo consumo
de combustible, además de obtenerse una potencia similar a la que se obtiene con un ciclo
abierto de turbina de gas, se genera la potencia del ciclo de vapor. Es de allí que proviene el
aumento de rendimiento.
Las configuraciones que existen son muy variadas. Por ejemplo pueden utilizarse uno o más
módulos de ciclo de gas.
28
Los generadores eléctricos pueden ser únicos (en el caso de máquinas mono eje) o pueden
estar dispuestos uno o más para los módulos de turbina de gas y otro movido por la turbina de
vapor.
El tiempo de arranque de estas máquinas está determinado por el ciclo de vapor, por lo tanto
no son máquinas de arranque rápido como las turbinas de gas.
En relación a los tiempos de construcción, dependiendo de la configuración adoptada puede
hacerse secuencialmente, construyéndose primero el ciclo de gas y posteriormente
combinándolo con el ciclo de vapor, dejando en la primera etapa una chimenea de para
desviar los gases sin que pasen por la caldera de recuperación y así permitir la utilización del
ciclo de gas únicamente.
2.1.5 Energía Nuclear
Las centrales nucleares de generación eléctrica son centrales térmicas en las cuales la fuente
de calor es un proceso termonuclear. Manteniendo controlado un proceso de fisión nuclear en
un reactor se obtiene calor. Existen diversos diseños de reactores nucleares, estando las
diferencias entre ellos, en términos muy generales, básicamente en dos aspectos:
cómo se mantiene controlada la reacción nuclear
cómo se transfiere el calor generado al ciclo termodinámico
En lo restante se trata simplemente de un ciclo de vapor (ciclo Rankine) que contará como
cualquier otro ciclo de vapor con una turbina que moverá un alternador y un condensador con
algún método para eliminar el calor no aprovechable.
Por las características particulares de los procesos utilizados, los rendimientos termodinámicos
de los ciclos implementados son relativamente bajos, generalmente apenas superiores al 30%.
Ésta es una tecnología que presenta fortísimas economías de escala, por lo que las plantas
nucleares existentes están construidas para generar potencias muy grandes, del orden de
varias centenas de megavatios.
Desde el punto de vista del sistema eléctrico las centrales nucleares se diseñan para generar
una potencia relativamente constante, por lo que no son adecuadas para adaptarse a las
variaciones de la demanda.
2.1.6 Energía Geotérmica
La generación de energía eléctrica en base a energía geotérmica consiste en la utilización en
un ciclo termodinámico del calor que se encuentra bajo la superficie terrestre. Aquí también el
motor primario es una turbina de vapor.
Cuando existe, puede emplearse directamente vapor de agua que aflora a la superficie para
alimentar turbinas de vapor. Más habitual es la utilización de depósitos naturales subterráneos
de agua caliente presurizada: en este caso, al disminuir la presión, parte del agua se
transforma en vapor que es posteriormente expandido en una turbina. El remanente de agua y
el condensado del vapor vuelven a reinyectarse al depósito.
También, y particularmente cuando las temperaturas obtenibles son relativamente bajas,
pueden utilizarse ciclos de vapor con otros fluidos diferentes al agua en un circuito cerrado
que intercambian calor con el medio geotérmico.
29
Esta tecnología es obviamente aplicable solamente en lugares donde geológicamente se
dispone del recurso.
2.1.7 Motores Reciprocantes
Estos son motores en los cuales el trabajo se realiza por medio del desplazamiento de pistones
dentro de cilindros y finalmente se obtiene en un eje por medio de bielas y un cigüeñal.
La implementación que se hace de ellos es como motores de combustión interna (el aporte de
calor se hace por medio de una combustión que tiene lugar dentro del mismo motor) y en
ciclos abiertos (el ciclo se cierra en la atmósfera).
El Ciclo Otto: El esquema de funcionamiento de estos motores fue inventado por Nicholas
Otto (1832‐1891). El ciclo teórico consiste en:
‐una compresión
‐un calentamiento a volumen constante
‐una expansión
‐un enfriamiento a volumen constante
Éste es el ciclo de funcionamiento teórico de los motores de gasolina de los automóviles: Se
admite en el cilindro una mezcla de aire y combustible, se comprime ésta por medio de la
acción del pistón (impulsado por los otros pistones o simplemente por inercia en los casos de
motores mono‐cilindro), se produce entonces una chispa que enciende la mezcla y el
calentamiento producido por la combustión impulsa el pistón en una carrera en la que entrega
potencia.
El Ciclo Diesel: Este ciclo fue inventado por Rudolf Diesel (1858‐1913) y su intención inicial era
la de utilizar como combustible carbón pulverizado. El ciclo teórico consiste en:
‐una compresión
‐un calentamiento a presión constante
‐una expansión
‐un enfriamiento a volumen constante
Éste es el ciclo de funcionamiento de teórico de los motores de los automóviles Diesel: Se
admite en el cilindro aire, se comprime éste, se inyecta el combustible de forma gradual para
lograr una combustión a presión aproximadamente constante mientras el pistón es empujado,
finalmente se abren las válvulas de escape para desechar los gases de combustión.
El rendimiento teórico de ambos ciclos depende de la relación de compresión, es decir, del
cociente entre volumen al comienzo de la carrera de compresión y el volumen final de ésta.
Puede demostrarse que para una misma relación de compresión, el rendimiento del ciclo Otto
es mayor que el del ciclo Diesel. Sin embargo, razones técnicas (básicamente la auto ignición
de la mezcla de combustible y aire) hacen que en los motores de ciclo Otto no se pueda llegar
a relaciones de compresión tan altas como las que se obtienen en ciclos Diesel (donde los que
se comprime es solamente aire). Por lo tanto, para tecnologías de fabricación comparables, los
motores Diesel tienen mayores rendimientos que los motores Otto, ya que los primeros tienen
mayores relaciones de compresión.
30
Motores de dos y de cuatro tiempos: Tanto los motores de ciclo Otto como los de ciclo Diesel
pueden ser de dos o cuatro tiempos. En los motores de dos tiempos los gases resultantes de la
combustión luego de la carrera de expansión son barridos por el nuevo fluido entrante. La
denominación proviene del hecho que todo el ciclo ocurre en dos movimientos del pistón: una
carrera de compresión y una de expansión. En los motores de cuatro tiempos el mismo pistón
barre los gases luego de la combustión. Existen por lo tanto para un ciclo cuatro carreras del
pistón: la de compresión, la de expansión, una de expulsión y una de admisión. Un motor de
dos tiempos tiene mayor potencia que un motor de cuatro tiempos de similar tamaño.
En los motores de ciclo Otto, al ser el fluido de entrada una mezcla de aire con combustible,
durante el barrido, al estar simultáneamente abiertas las válvulas de admisión y de escape
parte de la mezcla con combustible escapa a la atmósfera, lo que tiene como consecuencia
tanto problemas de rendimiento como ambientales.
En cambio, en el ciclo Diesel el fluido que se admite es solamente aire. Por lo tanto, salvo para
potencias muy pequeñas o en casos en que la relación tamaño‐potencia es crítica, no se
utilizan motores de ciclo Otto de dos tiempos. En cambio, es usual que los motores de ciclo
Diesel de grandes potencias sean de dos tiempos.
La potencia que puede obtenerse en estos motores está básicamente limitada por la cantidad
de aire que pueda meterse en el cilindro (mientras los elementos mecánicos resistan las
fuerzas resultantes), ya que será la cantidad de oxígeno lo que limite la reacción de
combustión y por lo tanto el calor de entrada al ciclo.
Para aumentar entonces la potencia por unidad de tamaño puede entonces incrementarse la
cantidad de aire en la admisión comprimiéndolo. Para esto es habitual utilizar en los motores
Diesel un compresor en la admisión. La potencia requerida para mover este compresor es
obtenida por medio de una turbina que es accionada por los gases de escape.
Desde el punto de vista de la generación de energía eléctrica los motores reciprocantes tienen
la ventaja de que el tiempo de arranque es extremadamente corto. En general se los utiliza
como sistema de respaldo, aunque también existen sistemas de generación centralizados que
utilizan esta tecnología.
Para grandes potencias, utilizando ciclos Diesel, se logra alcanzar rendimientos superiores al
45%. Los ciclos Otto tienen rendimientos de entre 30 y 40%, por lo que no se los utiliza para
grandes potencias. Por otro lado el combustible requerido para estos últimos requiere
propiedades tales que lo hacen de mayor costo.
2.1.8 Energías no convencionales
La energía eólica
Consiste en el aprovechamiento de la energía cinética del aire atmosférico (obtención de la
energía del viento). Ésta puede ser de aplicación directa (ejemplo: bombeo de agua) y en este
caso el impacto sobre el sector eléctrico será indirecto, a través de una reducción de la
demanda eléctrica.
En lo relativo a generación de energía eléctrica, la tecnología eólica ha tenido un gran
desarrollo en los últimos años. Su aplicación se ha dado a nivel tanto de sistemas autónomos
como de generación conectada a la red.
31
Para la generación de energía eléctrica el diseño más habitual es el de la máquina axial (eje de
giro en la misma dirección que el viento) y los rotores de tres palas.
Existen comercialmente aerogeneradores de muy diversos tamaños:
Microturbinas:
Son los aerogeneradores de potencia menor a los 3 kW. Se trata en general de
máquinas con generadores síncronos de imanes permanentes que se utilizan para
cargar baterías, valiéndose de un sistema de rectificación (transformación de la
corriente alterna generada en corriente continua).
Pequeños aerogeneradores:
Son los de potencias menores a 50 kW. Su utilización se restringe al suministro de
energía eléctrica a pequeños centros poblados aislados de la red eléctrica, en
combinación con algún otro tipo de generación, por ejemplo, motores reciprocantes.
Grandes aerogeneradores:
Son los de potencias hasta 1 MW. Se utilizan para inyectar potencia directamente a la
red. Tienen diámetros que varían entre 25 y 55 m. En ellas se utilizan casi
exclusivamente generadores asíncronos usualmente acoplados al la turbina eólica
mediante un sistema de multiplicación de velocidad. Se diseñan de forma que la
velocidad de giro esté entre 15 y 50 revoluciones por minuto, según su diámetro, ya
que se intenta que la velocidad de punta de pala no sea alta para evitar problemas de
ruido. Generalmente se los instala en grupos en terrenos adecuados respecto de las
condiciones del viento, formando los llamados parques o granjas eólicas.
Generadores de potencia superior a 1 MW:
Últimamente se han desarrollado máquinas de grandes potencias para ser utilizadas
en instalaciones off‐shore. Existen en operación en la actualidad generadores que
superan los 4 MW de potencia.
Energía Solar
La radiación solar que llega a nivel de la superficie terrestre en un día despejado es del orden
de los 1000 W/m2.
Aplicación directa: La utilización directa de la energía solar en el acondicionamiento térmico y
lumínico de edificios tiene como efecto la reducción de la demanda de energía eléctrica
Generación de energía eléctrica: Puede ser de dos tipos:
Fotovoltaica: Es la transformación de la energía solar directamente en energía eléctrica. Se
utilizan para esto paneles recubiertos de algún material (generalmente cristales de silicio o
silicio amorfo) que al ser expuesto a la radiación solar genera una diferencia de potencial y
permite mantener una corriente eléctrica, obteniéndose así energía eléctrica. El rendimiento
de éstos es relativamente bajo, no superándose para los de fabricación estándar el 15%, en
relación a la energía de la radiación solar incidente. Por otro lado, su costo es extremadamente
alto por unidad de potencia. Su uso está restringido a aplicaciones puntuales, aisladas y de
baja potencia. Dado que la potencia obtenida depende de la radiación solar incidente se
requiere de medios de acumulación de energía si se requiere un uso continuo. Para esto
habitualmente se utilizan baterías, lo que por un lado aumenta más los costos de la instalación
32
y por otro degrada aún más su rendimiento. La energía resultante se utiliza directamente
como corriente continua o se emplean elementos electrónicos para su transformación en
corriente alterna.
Térmica: Consiste en la utilización en algún ciclo termodinámico del calor proveniente de la
radiación solar. Se utilizan colectores y concentradores que calientan directamente el fluido
del ciclo o algún otro fluido intermedio de intercambio.
Celdas de Combustible
Las celdas de combustible (fuel cells) son dispositivos en los que se realiza el proceso inverso a
la electrólisis del agua, obteniéndose a partir de hidrógeno y oxígeno energía eléctrica y, como
subproductos, agua y calor.
Aquí no hay motores primarios ni generadores eléctricos como en las otras tecnologías vistas:
la transformación se hace directamente de energía química a energía eléctrica. La energía
eléctrica se obtiene de ellas en forma de corriente continua.
Una celda consiste en dos electrodos separados por un electrolito: El hidrógeno se suministra
sobre el ánodo y el oxígeno sobre el cátodo. Los electrones del hidrógeno circulan por el
circuito eléctrico mientras que los protones migran a través del electrolito y se combinan con
el oxígeno para formar agua.
Además de las celdas de combustible en sí, un equipo de generación que las emplee puede
contar con un módulo de tratamiento del combustible, donde se obtiene el hidrógeno.
La tecnología de las celdas de combustible se conoce desde mediados del siglo XIX, aunque su
desarrollo en aplicaciones prácticas recién tuvo lugar en la segunda mitad del siglo XX con la
tecnología espacial. Al no tener partes móviles son de operación silenciosa y pueden agruparse
de forma de obtener amplios rangos de potencias generadas.
Por el momento es una tecnología que está siendo desarrollada. Las aplicaciones industriales
son solamente experimentales. En un futuro podrían tener fuerte aplicación en generación
distribuida, utilizándose además su capacidad de generar calor.
2.2 Ciclos térmicos y combustibles
Salvo en caso de la energía nuclear y los ciclos termodinámicos que utilizan calentamiento
solar o geotérmico, en el resto de los procesos en los cuales se obtiene energía eléctrica a
partir de calor, este último se genera a partir de una combustión. A continuación se hace una
breve descripción de los combustibles más utilizados y de la aptitud que tienen para su uso en
las distintas tecnologías de generación.
Carbón
Hay variedades y calidades muy diversas de carbones, algunas de las cuales son aptas para la
producción de vapor en un generador de vapor y por ende para la producción de energía
eléctrica. Se trata de un recurso no renovable, pero del cual existen reservas muy grandes a
nivel mundial. Desde el punto de vista económico es un combustible relativamente poco
costoso, aunque existe una gran dispersión de precios según su calidad y el costo de su
transporte puede ser significativo en relación al costo total. Sin embargo, aspectos
ambientales hacen que las inversiones necesarias para mantener las emisiones contaminantes
resultantes de su combustión dentro de rangos razonables sean relativamente altas.
33
La forma de obtener energía eléctrica a partir de carbón es casi exclusivamente a través de
ciclos de vapor.
Petróleo y sus derivados
El petróleo es básicamente una mezcla de hidrocarburos (compuestos formados por cadenas
de átomos de carbono a los cuales se unen átomos de hidrógeno). Mediante procesos de
destilado (topping) se pueden obtener de éste distintas fracciones que variarán en sus
propiedades químicas y físicas (densidad, viscosidad, etc.). También, mediante procesos
térmicos y químicos en presencia de catalizadores se puede variar la estructura de los
hidrocarburos obtenidos. Es posible así obtener desde gases hasta compuestos sólidos a partir
del petróleo crudo.
Serán las propiedades de los derivados resultantes los que facilitarán o dificultarán el uso de
éstos en las diversas tecnologías de producción de energía eléctrica. Por otro lado, las
cantidades obtenibles a partir del crudo así como los procesos necesarios para obtenerlos
determinarán costos muy diversos para los diferentes derivados.
Motores reciprocantes: En ciclos Otto pueden utilizarse las los destilados livianos del petróleo,
sin embargo, en ciclos Diesel, que son los que se utilizan habitualmente para la generación de
energía eléctrica a partir de potencias medias, puede utilizarse prácticamente cualquier
derivado del petróleo.
Ciclos de vapor: También en éstos puede utilizarse casi cualquier tipo de derivado de petróleo.
Turbinas de gas: En general se utilizan solamente fracciones livianas como combustible en este
tipo de máquinas. Las fracciones pesadas suelen contener proporciones más elevadas de
impurezas que afectan el funcionamiento de éstas.
Ciclos combinados: Valen los mismos comentarios que para turbinas de gas en ciclo abierto,
puesto que éstas constituyen una parte del ciclo combinado.
Gas natural
Se trata de una mezcla de gases formada mayoritariamente (más del 80% en volumen) por
metano (CH4) y en forma minoritaria por otros hidrocarburos, dióxido de carbono y nitrógeno.
Aparece en la naturaleza en yacimientos subterráneos sólo o junto con petróleo. Se trata por
lo tanto de un recurso no renovable. Su transporte desde los yacimientos hasta los sitios de
uso se hace comprimiéndolo y enviándolo por cañerías (gasoductos).
También puede ser transportado en forma líquida a presión atmosférica: Gas Natural Licuado
(GNL ó LNG). Existen buques especialmente diseñados para el transporte del GNL. Para lograr
la licuefacción es necesario llevarlo a una temperatura de ‐162 ºC. Se obtiene entonces una
reducción del volumen en más de 600 veces. El proceso de licuado es costoso tanto en las
inversiones necesarias como en la energía necesaria para lograrlo (se utiliza para obtenerla el
mismo gas y llega a consumirse aproximadamente el 10% de éste). Además son necesarias
instalaciones especiales para volver a gasificarlo antes de su utilización.
En relación a su uso en la generación de energía, se trata de un combustible de excelentes
prestaciones: es fácil de quemar y su combustión es muy limpia. Puede ser quemado para
producir vapor, utilizado en motores reciprocantes o inyectado en turbinas de gas, tanto en
ciclos abiertos como combinados.
34
Es especialmente adecuado para ser utilizado en ciclos combinados ya que al no poseer azufre
permite alcanzar temperaturas de chimenea menores y por lo tanto lograr altos rendimientos.
Su desventaja principal está en las complejidades de su transporte.
Biomasa y Biogás
Se trata de la utilización de recursos de origen biológico para la generación de energía. Éstos
pueden ser desechos de algún proceso agrícola o industrial (desechos forestales, cáscaras de
granos, residuos domiciliarios o industriales, etc.) o especialmente cultivados con fines
energéticos. Se trata por lo tanto recursos renovables.
Alcoholes y aceites
Estos pueden obtenerse por algún proceso físico‐químico a partir del material orgánico. Tienen
utilización energética en procesos diferentes a los de la industria eléctrica (ejemplo: biodiesel y
etanol como combustibles de la flota automotriz). Su utilización en la generación de energía
eléctrica es a través de su quema en motores reciprocantes.
2.3 Generación distribuida
Es la generación que está conectada directamente a las redes de distribución. Se trata de
generación en pequeña escala (potencias de unos pocos MW como máximo).
Al disminuirse la utilización de las redes de transmisión se reducen las pérdidas en el sistema,
siendo ésta la principal ventaja de la distribución de la generación.
Es principalmente aplicable a las tecnologías renovables que no utilizan combustible (eólica,
solar, microhidráulica) así como a pequeños generadores que utilizan combustibles de
producción local (biomasa, etc.) y también a autoproductores, que por otras razones tienen ya
la generación instalada.
2.4 Co‐generación
La co‐generación consiste en la producción conjunta de energía eléctrica y calor. El calor puede
ser utilizado en un proceso industrial o en calefacción. En procesos industriales, el vapor es el
medio de transferencia de calor más utilizado, por lo que la cogeneración a partir de ciclos de
vapor es la más usual.
2.5 Aspectos ambientales de las tecnologías de generación
Energía hidráulica
El impacto mayor que tiene esta tecnología es la inundación de los terrenos en el lugar de su
construcción. Dependiendo de la topografía del emplazamiento las áreas inundadas serán
menores o mayores. El otro impacto que tiene esta tecnología es el causado directamente al
curso de agua que se interrumpe. Se pueden así afectar tanto los recursos naturales como
ciertas actividades humanas, por ejemplo, la navegabilidad del curso, el manejo del recurso
ictícola, etc.
Generalmente los emprendimientos hidráulicos son multipropósito y tienen otros objetivos
además del de generación de energía (reserva de agua potable, control de crecidas, etc.). De
todas formas la construcción de una central de generación hidráulica causa un cambio notorio
y permanente en el medio en el cual se instala.
Ciclos térmicos en general
35
Común a todos los ciclos térmicos existe el problema de que parte del calor generado no
puede ser transformado en energía eléctrica y debe ser desechado. Cuanto mayor sea el
rendimiento del ciclo, menor será este calor desechado.
En los ciclos abiertos este calor se expulsa a la atmósfera en forma de gases calientes. Estos
gases, desde el punto de vista térmico podrían llegar a tener alguna consecuencia sobre las
aves, por ejemplo, aunque se trata en general de un efecto menor. En cambio, en ciclos de
vapor, se utiliza generalmente agua para eliminar este calor. En los casos en que se utilizan
cursos de agua cercanos para lograr la refrigeración, el calentamiento producido en éstos
puede tener consecuencias importantes a nivel del ecosistema.
Otro aspecto ambiental a tener en cuenta en estos procesos es el de las emisiones sonoras. Se
producen ruidos por un lado de origen mecánico. Pero básicamente son los movimientos de
los fluidos intervinientes los que causan mayores problemas: admisiones de aire para
combustión y escape de humos en los procesos con combustión, escapes de vapor en los
procesos que lo utilizan, etc.
Ciclos con combustión
Cuando el calor de los ciclos térmicos se obtiene por combustión aparecen todos los
problemas derivados de los productos resultantes de ésta.
Dióxido de carbono: El problema principal es el de la generación de dióxido de carbono (o
anhídrido carbónico), CO2, ya que éste es el principal de los llamados gases de efecto
invernadero. Por lo tanto el efecto ambiental cuando existe combustión ya no es local sino
global. En realidad, en todos los procesos de combustión relevantes está presente el carbono.
En principio puede decirse que la cantidad de CO2 producida por unidad de energía generada
depende directamente de la cantidad relativa de carbono presente en el combustible e
inversamente del poder calorífico del combustible y del rendimiento global del proceso de
generación. Por lo tanto, manteniendo iguales las prestaciones desde el punto de vista de la
energía generada, la mejor forma de disminuir las emisiones de CO2 será el aumento del
rendimiento del proceso de generación.
En el caso de la biomasa, se trata de compuestos orgánicos, constituidos mayormente por
hidrógeno, oxígeno, carbono y nitrógeno. Por lo tanto, la combustión de ésta también dará
como resultado la formación de dióxido de carbono a partir del carbono que contiene. Pero en
la formación de la biomasa, el carbono proviene de un proceso inicial de fotosíntesis en el cual
se obtuvo del dióxido de carbono presente en el aire. Es así que, en los casos de combustión
de biomasa, a pesar de haber una emisión local de dióxido de carbono, el balance global (y
éste es el relevante en relación a los gases de efecto invernadero), es nulo.
Óxidos de azufre: Los óxidos de azufre, dióxido (SO2) y trióxido (SO3) se forman a partir de la
combustión del azufre contenido en el combustible. A mayor contenido de azufre en el
combustible, más grave será este problema: es casi inexistente en la combustión de gas
natural, de carácter moderado en la combustión de derivados del petróleo y pueden ser de
fuerte impacto en la combustión de carbón. Estos gases son causantes de lluvia ácida.
Óxidos de nitrógeno: A diferencia de los óxidos de azufre, los de nitrógeno, (monóxido (NO) y
dióxido (NO2), genéricamente nombrados como NOX) no solamente se generan con el
nitrógeno que pudiera llegar a contener el combustible, sino también con el que compone la
fracción mayor del aire utilizado para suministrar el oxígeno a la reacción. Las reacciones de
36
formación de esto óxidos a partir del nitrógeno gaseoso del aire ocurren a altas temperaturas,
superiores a los 1300 ºC. Estos gases son también causantes de lluvia ácida. Por otro lado, en
presencia de la radiación ultravioleta solar, generan ozono (a nivel de la superficie de la tierra,
no en las altas capas de la atmósfera) que es un contaminante. Además, en particular, el NO2
es también un gas de efecto invernadero, y su efecto es muy superior al del dióxido de
carbono.
Cenizas y otros desechos: Un último aspecto ambiental de la combustión que debe ser tenido
en cuenta es el relativo a las cenizas y otros productos remanentes de ésta. En relación a las
cenizas, en muchos combustibles la formación de éstas es casi despreciable, pero en otros
(carbón, biomasa) puede ser importante y su disposición final puede provocar problemas
ambientales.
Energía nuclear
La energía nuclear en particular tiene dos aspectos que deben tenerse en consideración desde
el punto de vista ambiental:
el riesgo de un accidente catastrófico en el cual se libere material radioactivo al
ambiente
la disposición final del material fisible ya agotado
Son estos aspectos ambientales los que han provocado el rechazo existente a la instalación de
esta tecnología por parte de algunos sectores de la opinión pública.
Energía eólica
En este caso existen fundamentalmente dos aspectos a tener en cuenta:
el impacto visual
la generación de ruido
Impactos ambientales (fauna y terreno)
Puesto que en general, desde el punto de vista de las condiciones del viento, los lugares más
propicios para la instalación de generadores eólicos son sitios elevados o grandes planicies, las
instalaciones eólicas son visibles desde grandes distancias. Como ya se mencionó, para
disminuir el efecto sonoro se diseñan los aerogeneradores de forma de lograr una velocidad
de punta de pala relativamente baja: entre 65 y 70 m/s.
A favor de esta tecnología puede decirse que los aspectos negativos son de alcance
únicamente local. Por otro lado, la fuente de generación utilizada es absolutamente renovable.
Hidrógeno y celdas de combustible
Podría pensarse que la solución a los problemas ambientales, en particular en lo referido al
dióxido de carbono y el efecto invernadero, es la utilización con fines energéticos del
hidrógeno. Sin embargo el hidrógeno no es una fuente primaria de energía, ya que no se
encuentra en la naturaleza en forma gaseosa en cantidades apreciables.
En la práctica los procesos de obtención de hidrógeno presentan ciertas ineficiencias que
hacen que el balance energético, teóricamente nulo, sea negativo, es decir que la energía útil
obtenida al final del proceso será siempre menor que la aportada en la obtención del
hidrógeno. Desde este punto de vista, la aplicación que puede tener el hidrógeno es
simplemente la de acumulación y transporte de energía.
37
2.6 Transmisión
En general, los centros de producción de energía eléctrica se encuentran separados de los
centros de consumo. Por lo tanto es necesario transportar la energía eléctrica desde el lugar
de generación hasta donde está la demanda. Por otra parte, resulta beneficiosa la
interconexión de varios generadores y diversos centros de demanda. Se logra de esta forma un
mejor aprovechamiento de los recursos.
La topología del sistema de transmisión dependerá de la ubicación de la demanda, de la
ubicación de la generación y de las características de seguridad que se le requiera al sistema.
Es usual esquematizar las redes de transmisión mediante esquemas unifilares como el que (en
forma simplificada) se muestra a continuación.
Las estaciones (o las barras de éstas) se representan mediante líneas gruesas. En estas están
conectados los generadores y transformadores que será de donde estará conectada la
demanda. Líneas y cables unen las diferentes estaciones. Esquemas de este tipo permiten
describir fácilmente la topología de las redes de transmisión.
Se describen a continuación diversos elementos que componen los sistemas de transmisión.
Líneas y Cables
La forma menos costosa de transportar la energía eléctrica desde un punto a otro es mediante
líneas de transmisión, que consisten en conductores desnudos separados entre sí y sujetos
mediante elementos aislantes (aisladores) a cierta altura sobre el nivel del suelo. En la mayor
parte de las aplicaciones la energía eléctrica se transmite en forma de corriente alterna
trifásica. Por lo tanto, para éstas aplicaciones se utilizan como mínimo tres conductores para
cada línea. Para algunas aplicaciones específicas (grandes potencias a través de distancias muy
grandes) puede ser conveniente económicamente transmitir la energía eléctrica en forma de
corriente continua. En este caso son necesarios solamente dos conductores por línea.
Los conductores de las líneas de transmisión están constituidos por un material de baja
resistividad eléctrica (cobre o aluminio, actualmente casi exclusivamente por este último por
razones de costo) muchas veces reforzados internamente con acero, para soportar mayores
solicitaciones mecánicas.
Como aisladores se utilizan en general cadenas formadas por platos de vidrio o cerámicos
enganchados entre sí. Este tipo de aislador tiene como ventaja que mediante elementos
38
iguales pueden lograrse cadenas de diferentes longitudes para las diferentes tensiones (a
mayor tensión, mayor la longitud necesaria del aislador).
Para altas tensiones, como torres de las líneas de transmisión se utilizan casi exclusivamente
estructuras metálicas reticuladas. Los diseños de las torres dependerán de los esfuerzos
mecánicos que éstas deban soportar.
La disposición geométrica de los conductores entre sí puede ser muy variada. Debe tenerse en
cuenta que los campos eléctricos y magnéticos generados por los conductores interactúan
entre sí y con la tierra. Por lo tanto, las características eléctricas de la línea de transmisión en
corriente alterna estarán dadas por la geometría en la cual estén dispuestos los conductores
tanto entre sí como respecto del suelo. En algunos casos se utilizan las mismas torres para
llevar más de una línea de transmisión.
Además de los conductores, los aisladores y las torres que conforman las líneas de transmisión
de energía eléctrica se utilizan otros elementos en éstas, como: Herrajes, Hilo de guardia,
Elementos de balizamiento, Elementos de amortiguamiento de vibraciones, Elementos anti‐
aves, Haces de conductores y otros.
La otra forma de transmitir energía eléctrica es mediante cables. Éstos son conductores
recubiertos por un material aislante que se utilizan en instalaciones de transmisión
subterráneas. El costo de utilización de cables para la transmisión de energía eléctrica es varias
veces superior al de utilización de líneas de transmisión.
Los diseños (longitudes, grosores, separaciones, posiciones relativas de los conductores,
materiales, etc.) determinarán los parámetros eléctricos de las líneas y cables de transmisión y
serán éstos los que determinarán su comportamiento en la red.
Estaciones o Subestaciones
Los nodos de la red de transmisión de energía eléctrica están constituidos por las estaciones
de transmisión. Éstas permiten mediante equipos de maniobra cambiar las características del
sistema de transmisión. En ellas también se encuentran los elementos de medida y protección
del sistema.
Pero los elementos centrales de las estaciones de transmisión son, a pesar de su simplicidad,
las barras colectoras o simplemente barras. Se trata de conjuntos de conductores (no
necesariamente rígidos, a pesar de lo que su nombre pueda sugerir) que sirven de conexión
común a las distintos circuitos de la estación. Una estación, según su diseño, podrá tener uno o
más juegos de barras, estando cada juego (al tratarse de instalaciones trifásicas) formado por
tres conductores, uno para cada fase. Mediante los equipos de maniobra se conectarán y
desconectarán los distintos elementos (líneas, transformadores, generadores, etc.) a las
barras, modificándose así las características de funcionamiento del sistema eléctrico.
Básicamente existen dos formas de construcción de estaciones de transmisión de energía
eléctrica:
con equipos aislados en aire (AIS: air insulated switchgear)
con equipos aislados en gas (hexafluoruro de azufre) (GIS: gas insulated switchgear)
Obviamente el costo de los equipos de las estaciones aisladas en gas es superior a las aisladas
en aire. En la elección entre una u otra entrarán en juego parámetros como los relacionados al
impacto visual y al costo y disponibilidad de los terrenos de emplazamiento.
39
Existe una amplia gama de diseño de estaciones. Estos diseños (en el sentido de circuitos
eléctricos) son aplicables tanto a estaciones aisladas en aire como aisladas en gas, aunque la
diferencia constructiva entre ambas es muy notoria.
El tipo de configuración a elegir dependerá de las prestaciones y la flexibilidad requerida: a
mayor flexibilidad, mayor número de elementos de maniobra y medida y por lo tanto, costos
mayores.
En caso de una falta (cortocircuito) pueden aparecer en las estaciones corrientes muy altas
que generan fuerzas mecánicas muy grandes. Los elementos de la estación deben estar
diseñados para resistir estos esfuerzos mecánicos.
Transformadores
En un sistema de transmisión generalmente coexisten diversas tensiones. Esto dependerá de
consideraciones económicas: para el transporte a grandes distancias es más conveniente
utilizar tensiones mayores que para el transporte a corta distancia. Serán los transformadores
los que permitirán conectar entre sí circuitos de diferentes tensiones. Además, tanto la
generación como el consumo de energía eléctrica se realizan a tensiones menores que las
utilizadas para el transporte. Por lo tanto también se utilizarán transformadores para entregar
la potencia al sistema de transmisión como para tomar carga desde los sistemas de
distribución. El transformador es una máquina eléctrica que básicamente consiste en el
acoplamiento magnético de dos circuitos.
En el caso de transformadores de potencia en sistemas trifásicos hay dos posibilidades:
construir un único transformador trifásico, con los bobinados dispuestos sobre un mismo
núcleo de hierro o tener tres transformadores monofásicos y conectar uno a cada fase (banco
de transformadores monofásicos). En general el primer esquema es de menor costo que el
segundo, pero en caso de avería requeriría tener en reserva un transformador trifásico igual,
mientras que en el segundo esquema, bastaría que tener un cuarto transformador monofásico
para sustituir la fase defectuosa.
Autotransformadores: En algunos casos los transformadores se construyen de forma que el
bobinado de alta y el de baja son comunes en una parte. La diferencia básica desde el punto
de vista eléctrico entre un transformador y un autotransformador es que en este último no
existe separación eléctrica entre ambos circuitos. Este tipo de construcción resulta
económicamente conveniente cuando la diferencia entre las tensiones requerida es pequeña.
La relación entre las tensiones de alta y de baja del transformador (relación de transformación)
dependerá de la relación entre el número de vueltas de sus bobinados. En general los
transformadores de potencia se construyen de forma tal que en uno o ambos de los bobinados
existen diversas tomas (puntos, o taps en inglés) con relaciones de transformación algo
diferentes.
Cambiadores de punto bajo carga: Son elementos que permiten pequeñas variaciones de la
relación de transformación estando el transformador en funcionamiento. Éstos juegan un
importante papel en el control de tensión de la red y consecuentemente en la distribución de
los flujos de potencia a través de ella.
Los transformadores son máquinas de muy alto rendimiento, definido éste como la potencia
que transmiten en relación a la que les llega. La diferencia entre ambas potencias son las
pérdidas.
40
Existen dos fuentes de pérdidas en un transformador: las pérdidas resistivas en los bobinados,
que dependen de las corrientes que circulan por ellos y las pérdidas debidas a corrientes
inducidas en el hierro (corrientes de Foucault o corrientes parásitas).
En general, las pérdidas en los transformadores son del orden del 1%. De todas formas, dada la
magnitud de la potencia que pasa a través de un transformador de potencia, a pesar de ser
porcentualmente pequeñas las pérdidas, en magnitud absoluta son de consideración y el calor
resultante debe ser evacuado. Es por esto que se requieren, en grandes transformadores de
potencia, sistemas auxiliares para su refrigeración:
Para potencias relativamente pequeñas se fabrican transformadores del tipo seco, pero para
potencias mayores el diseño habitual es el de inmersión en aceite de los bobinados. El aceite,
además de sus propiedades dieléctricas (evita la circulación de corriente eléctrica) es un medio
de refrigeración muy adecuado. El calor que se genera en los bobinados y en el hierro se
transmite al aceite y éste se enfría hacia el exterior, directamente a través de las paredes de la
cuba (carcasa metálica) o en intercambiadores (radiadores) diseñados a tal propósito. Para
mejorar la transferencia de calor puede forzarse tanto el flujo de aceite como el del aire
exterior. Pueden fabricarse transformadores de potencia de casi cualquier tamaño. El tamaño
de éstos en general está acotado por las posibilidades de transporte desde el lugar de
fabricación hasta el lugar de instalación.
Equipos de Maniobra
Disyuntores (interruptores): Son dispositivos que permiten interrumpir corrientes eléctricas,
incluso las de falta (cortocircuito). Su funcionamiento se basa en la separación rápida de los
contactos y en algún método que permita extinguir rápidamente el arco que se forma al
hacerlo. Se caracterizan por su poder de corte (expresado en corriente o potencia aparente),
es decir, la máxima corriente que pueden cortar con seguridad.
Seccionadores: Son dispositivos que permiten aislar eléctricamente tramos o equipamiento de
una estación, pero que no tienen poder de corte: solamente pueden ser accionados cuando no
está circulando corriente por ellos.
Equipos de Medida, Control y Protección
Transformadores de medida: Éstos son de dos tipos, y en algunos casos pueden estar
combinados ambos tipos en un único aparato:
Transformadores de corriente: Se utilizan para obtener corrientes proporcionales a las que
circulan por un conductor con el fin de medirlas.
Transformadores de tensión: Se utilizan para obtener una tensión proporcional a la de un
elemento del sistema con el fin de determinar indirectamente el valor de la primera. En
algunos casos estos elementos también forman parte de los sistemas de comunicaciones a
través de las líneas de transmisión (onda portadora).
Descargadores o pararrayos: Se trata de resistencias no lineales que permiten descargar a
tierra tensiones peligrosas que pueden ocurrir por maniobras o descargas atmosféricas, sin
necesidad de indisponer la instalación. Se conectan entre los elementos bajo tensión y la
tierra.
Relés de protección: Son equipos, mayoritariamente electrónicos en la actualidad, que toman
información sobre distintos parámetros y actúan sobre los disyuntores según ciertas
41
consignas. Por ejemplo, existen relés de sobrecorriente que actúan cuando un valor de
corriente supera cierto límite. Los relés diferenciales toman las medidas de corriente en dos
puntos y actúan si existe una diferencia entre éstas.
Otros equipos
Con el fin de modificar ciertos parámetros eléctricos de los circuitos, pueden encontrarse en
los sistemas de transmisión otros equipos como por ejemplo bancos de condensadores y
reactores.
Comunicaciones
La coordinación de los sistemas de protecciones requiere la comunicación de señales entre
distintos puntos. Por otro lado, toda la operación del sistema eléctrico requiere gran
coordinación entre las maniobras realizadas: los diversos elementos de operación pueden ser
accionados localmente o ser telecomandados, pero en cualquier caso se requiere un
importante flujo de información entre los distintos puntos de un sistema que puede ser
topológicamente muy complejo y además muy extenso. Es así que todo sistema eléctrico
tendrá superpuesto un sistema de comunicaciones para llevar esta información. Los métodos
utilizados con este fin son muy variados y en general coexisten en un mismo sistema varios de
ellos. Entre éstos puede citarse los cables pilotos (cables de comunicaciones entre distintos
puntos del sistema), los sistemas de onda portadora (sistemas que permiten enviar señales a
través de las mismas líneas eléctricas), sistemas de microondas, las fibras ópticas que pueden
ir junto con los conductores de las líneas, etc.
Aspectos ambientales de la transmisión
Uno de los aspectos más relevantes desde el punto de vista ambiental de los sistemas de
transmisión eléctrica es el relativo al impacto visual. Líneas aéreas y estaciones aisladas en aire
pueden tener dimensiones relativamente grandes y ser visibles desde grandes distancias. Este
problema puede ser minimizado utilizando cables y estaciones aisladas en gas, pero los costos
asociados a esto son mucho más altos.
Otro problema ambiental de la transmisión de energía eléctrica es el relativo a los campos
electromagnéticos y su posible efecto sobre la salud humana. No existe unanimidad respecto
al efecto que puede tener la exposición a campos electromagnéticos de muy baja frecuencia
como los provocados por líneas, cables y otros equipos de transmisión. De todas formas
existen recomendaciones internacionales respecto a los máximos admisibles de exposición a
estos campos y es un aspecto a tener en cuenta en el diseño de los sistemas eléctricos.
Un tercer problema es el relativo a los dieléctricos usados. Por sus excelentes propiedades
dieléctricas se utilizó durante mucho tiempo compuestos clorados en diversos equipos de los
sistemas de transmisión: transformadores, condensadores, disyuntores. Estos compuestos
resultaron ser altamente perjudiciales para la salud.
2.7 Distribución
La última etapa del camino de la energía desde el lugar en que es generada al consumidor final
es la de distribución. Desde las estaciones de transmisión hasta cada uno de los consumidores
existirán redes que cubrirán áreas geográficas más o menos extensas. Aquí el parámetro
relevante será la densidad de carga, es decir la potencia a suministrar por unidad de área.
42
La distribución se hace en media tensión (MT: mayor o igual a 1 kV y menor o igual a 60 kV) y
en baja tensión (BT: menor a 1 kV). Dependiendo de criterios económicos podrán existir
diversos niveles de tensión en cada sistema.
Según el nivel de seguridad en el abastecimiento que se requiera, la red podrá ser más o
menos mallada; lo será más en los niveles de tensión mayores. En los tramos finales también
podrá haber cierto grado de redundancia, pero la operación será casi siempre radial.
Desde el punto de vista eléctrico, la diferencia principal entre las redes de transmisión y las de
distribución estará dada por las tensiones empleadas. En las redes de distribución las
complejidades de la aislación serán por lo tanto menores. Ya no serán necesarias grandes
distancias entre los elementos con tensión y la aislación de conductores puede lograrse a
costos mucho menores para las tensiones de distribución.
La alimentación final de cargas pequeñas, por ejemplo residenciales, casi seguramente se hará
en forma monofásica, tomando de forma alternada entre dos fases del sistema trifásico.
Cargas pequeñas lejanas, por ejemplo rurales, probablemente sea económicamente
conveniente incluso alimentarlas con un solo conductor y retorno por tierra.
Las subestaciones de distribución también podrán tener diferentes diseños según las
prestaciones requeridas. Un diseño habitual es el de una única barra, agrupando las salidas en
celdas, cada una con elementos de corte y medida. El diseño constructivo de éstas también
puede ser muy variado e ir desde instalaciones expuestas a la intemperie hasta la ejecución
mediante celdas modulares revestidas en metal.
3 Operación y Expansión
3.1 Operación Eléctrica del Sistema
La gestión de un sistema eléctrico se hace teniendo en cuenta dos criterios:
minimización de costos
seguridad del sistema (desde el punto de vista de abastecimiento)
Estudios requeridos2
Desde el punto de vista del usuario final, los sistemas eléctricos son sistemas de tensión y
frecuencia constantes. Esto implica que mientras el usuario tome (dentro de ciertos límites)
cualquier potencia eléctrica de la red, ésta no varíe apreciablemente ni su tensión ni su
frecuencia. En general se configura el sistema bajo criterios de seguridad respecto de la
continuidad del abastecimiento.
Un criterio usual en este sentido es que en caso que un elemento (por ejemplo una línea, un
transformador, etc.) salga de servicio, el resto del sistema continúe funcionando
correctamente.
Estudios en estado de régimen: En estado de régimen, suponiendo conocida la distribución
espacial de las cargas y dada una topología de la red de transmisión, en un instante dado
interesa conocer al menos las respuestas a las siguientes preguntas:
2El Comité Nacional del Despacho de Carga (CNDC), establecen el alcance de los estudios técnicos que deben realizarse antes de la conexión a la red eléctrica boliviana.
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suponiendo que ciertos generadores están en servicio, ¿pueden éstos generar la
potencia necesaria? (recuérdese que la potencia inyectada a la red debe ser igual a la
potencia demandada de ésta, incluyendo las pérdidas)
¿son admisibles los niveles de tensión en todos los puntos de la red?
las corrientes que se establecen ¿pueden ser soportadas por los equipos a través de
los cuales pasan?
en caso de una falta (cortocircuito) en algún punto del sistema ¿son los equipos aptos
para despejarla?
¿qué contingencias llevarían al sistema a no soportar los transitorios que se
produjeran y a tornarse inestable?
Para responder a estas cuestiones se modela el sistema teniendo en cuenta las características
relevantes en cada caso y se utilizan algoritmos matemáticos implementados
computacionalmente para calcular los valores de diversos parámetros que se darían en la
realidad.
Flujos de Carga: Basándose en las leyes de Kirchhoff mediante un modelado de las
características eléctricas de la red y tomando como dadas las inyecciones y extracciones de
potencia de ésta se determina, si existe, el perfil de tensiones compatible con éstas. A partir de
éste pueden determinarse las corrientes que ocurren en la red. Por lo tanto, con programas de
este tipo puede calcularse cómo se distribuyen los flujos de potencia y puede determinarse si
las tensiones están dentro de los rangos admisibles así como verificarse si las corrientes
Estudios de Cortocircuito: Un cortocircuito es un evento en el cual el sistema queda
alimentando una carga de impedancia muy baja. Dado que los sistemas eléctricos están
diseñados para intentar mantener tensiones aproximadamente constantes, un evento de este
tipo ocasiona la circulación de corrientes muy altas, que pueden llegar a ser varias decenas de
veces superiores a las corrientes nominales para las cuales están diseñados los equipos. Los
efectos térmicos de éstas pueden ocasionar la destrucción de los equipos en segundos ya que
las altísimas temperaturas que se desarrollarían lograrían quemar los aislantes y fundir los
conductores. Por otro lado, estas altísimas corrientes tiene como consecuencia la aparición de
intensos esfuerzos mecánicos sobre los conductores.
Los cortocircuitos se dan por fallos en la aislación de algún elemento del sistema. Es por lo
tanto indispensable excluir de inmediato del sistema el elemento en cortocircuito.
Es aquí donde actúan lo sistema de protección: los elementos de medida detectan las altas
corrientes y los relés envían señales de apertura a los disyuntores (interruptores) que
permiten sacar del sistema el elemento en falta.
Estos disyuntores deben cortar las corrientes de cortocircuito y por lo tanto deben tener el
poder de corte para lograrlo. Es por lo tanto indispensable conocer de antemano cuáles serían
las corrientes en caso de faltas y verificar que los disyuntores tienen el poder de corte
suficiente para despejarlas.
Para esto se utilizan programas computacionales que modelan las características eléctricas de
la red y calculan las corrientes provocadas por diferentes tipos de cortocircuitos en diversos
puntos de ésta.
44
De todas las configuraciones posibles de un sistema es probable que existan algunas que no
son admisibles porque en caso de cortocircuito los equipos instalados no serían aptos para
cortar las corrientes que se producirían.
Estudios dinámicos: Ciertos eventos en el sistema pueden dar lugar a la aparición de
fenómenos transitorios. El estudio de éstos es de gran complejidad técnica que requieren un
modelado detallado del sistema, teniendo en cuenta especialmente las características
electromecánicas de los generadores y las características electromagnéticas del sistema de
transmisión.
La frecuencia
Regulación de frecuencia: Al aumentar la potencia eléctrica demandada a un generador, éste
tenderá a frenar al motor primario. Contrariamente, al disminuirse la potencia demanda, el
grupo tenderá a acelerarse. Los motores primarios de las máquinas de generación están
equipados con reguladores de velocidad que, frente a una variación de la velocidad de giro,
toman las medidas necesarias para revertir la situación:
En las máquinas hidráulicas se actuará sobre los distribuidores de forma de variar el
caudal turbinado.
En las turbinas de gas y en los motores de ciclo diesel se actuará sobre la inyección de
combustible.
En las máquinas de vapor se actuará sobre la admisión de vapor a la turbina.
Nótese que para lograrse esto deben existir además otros esquemas de control
complementarios: Por ejemplo, en el caso de un ciclo de vapor, una variación de la demanda
de vapor provocará también cambios en todos los equipos implicados en la generación de
éste: las bombas de alimentación de la caldera, la alimentación de combustible, el suministro
de aire para lograr la combustión correcta, etc.
Los esquemas de control implementados en los distintos tipos de máquina son de gran
complejidad, pero en principio interesa aquí cómo varía la potencia entregada por la máquina
en función de la velocidad de giro. Esta característica viene dada por el regulador de velocidad
de la máquina. El funcionamiento en forma independiente de todos los reguladores de
velocidad logra mantener la frecuencia del sistema estable (con mínimas variaciones) a pesar
de la variación constante de la demanda. Ésta es la llamada regulación primaria de frecuencia.
En principio podría pensarse en reguladores de velocidad que mantuvieran una consigna de
velocidad de giro constante independientemente de la potencia demanda. Este tipo de
reguladores (isócronos) pueden ser útiles si solamente existe un generador en todo el sistema.
Pero cuando hay más de un generador funcionando en el sistema este tipo de regulación no es
adecuado, ya que se producirían inestabilidades en el control de frecuencia del sistema.
Se utilizan entonces reguladores que varían la potencia entregada en forma lineal, en el
sentido opuesto a las variaciones de frecuencia. Esto permite que el sistema por sí mismo
encuentre el equilibrio.
En general se ajustan los reguladores de velocidad de las máquinas intervinientes en el control
primario de frecuencia de forma que las mismas variaciones de frecuencia provoquen iguales
variaciones porcentuales respecto de las potencias nominales de cada máquina. Esto permite
que el sistema, ante una variación de la carga responda repartiendo el déficit o superávit de
potencia entre todas las máquinas intervinientes en forma proporcional a su potencia nominal.
45
Este esquema de funcionamiento permite un control automático y descentralizado de la
frecuencia: En cada máquina del sistema se fija una potencia de referencia de forma tal que la
suma de estas potencias sea igual a la demanda prevista a nivel de generación. Estas potencias
de referencia serán tales que, si la frecuencia del sistema es la de referencia (50 o 60 Hz, según
el sistema), las potencias entregadas serán exactamente esas.
Ahora bien, si la potencia demanda difiere, supóngase, por ejemplo, que es mayor que la
generada, los generadores tenderán a frenar a los motores primarios, disminuyendo así la
frecuencia del sistema. Entonces actuarán los reguladores de velocidad en cada máquina,
aumentando la potencia entregada. La consecuencia de un sistema de control de este tipo es
que luego de una variación de carga en el sistema la nueva frecuencia de equilibrio presentará
un desvío respecto de la frecuencia objetivo.
Para corregir este desvío se asigna a ciertas máquinas del sistema la capacidad de variar la
potencia entregada al sistema de forma tal que en una segunda instancia el sistema vuelva a la
frecuencia objetivo. Esta frecuencia serán los 50 o 60 Hz, dependiendo del sistema (o valores
muy próximos a éstos). Ésta es la llamada regulación secundaria de frecuencia. También se
realiza de forma automática, pero solamente algunas máquinas del sistema intervienen en
este control.
Tanto la regulación primaria de frecuencia como la secundaria requieren que las máquinas
tengan cierto margen para actuar en caso de variación de la frecuencia de la red: para
responder a descensos de la frecuencia deben estar operando a potencias inferiores a las
nominales, es decir, operando con cierto margen de reserva.
Para los casos en los cuales los desbalances entre la potencia generada y la demanda no
pueden ser compensados por los mecanismos de regulación de frecuencia, deben
implementarse mecanismos de desconexión selectiva de las cargas y los generadores. Estos
mecanismos también son de actuación automática y, por ejemplo, en caso de perderse
intempestivamente parte de la generación del sistema, si el resto de los generadores no
pueden responder adecuadamente, debe aliviarse la carga del sistema de forma controlada
para evitar un colapso generalizado. Esta desconexión de la carga se hace mediante relés que
miden la frecuencia y la variación de ésta y actúan cuando se cae fuera de ciertos rangos. Los
esquemas de desconexión tanto de carga como de generación son complejos y deben ser
estudiados e implementados cuidadosamente teniendo en cuenta las características dinámicas
del sistema.
Frente a este tipo de contingencias, desde el punto de vista del sistema de generación, otro
punto importante a tener en cuenta es la capacidad de “arranque en negro” (black start) de las
unidades. Se trata de la capacidad de comenzar a generar y llegar hasta la plena carga sin
recibir ningún aporte de energía eléctrica desde el resto de la red. Esto tiene relevancia para
recomponer el sistema en caso de un colapso total o parcial. Los sistemas de control pueden
mantenerse por medio de bancos de baterías pero para otros sistemas que requieren mayores
potencias será necesario disponer de generadores auxiliares.
Para hacer frente a variaciones inesperadas de la demanda, el sistema debe contar con
capacidad de generación remanente. Esta capacidad de reserva se divide generalmente en
dos: la que puede ser convocada en pocos segundos (reserva rotante) y el resto. La asignación
de la reserva de generación del sistema, tanto en cantidad como en localización dependerá de
consideraciones tales como la probabilidad de los distintos eventos de falla del sistema.
46
La reserva rotante es el margen de generación que tiene el sistema respecto de las máquinas
que están en sincronismo (acopladas al sistema). Una máquina que esté aportando a la reserva
rotante no estará entonces generando a su potencia nominal. Esto tendrá como consecuencia
probablemente que su rendimiento no será el óptimo.
Las otras reservas son los generadores que a pesar de no estar conectados al sistema, están
disponibles y pueden ponerse en sincronismo y llegar a la potencia máxima en un lapso
relativamente breve. Existen diversas clasificaciones y denominaciones para estas reservas, y
en general se las ordena por el tiempo en el cual puede lograrse la potencia máxima. Las
reservas de tiempos más breves estarán constituidas en general por máquinas hidráulicas.
Luego seguirán los ciclos diesel y las turbinas de gas.
La tensión
El otro parámetro de importancia a controlar en el sistema eléctrico es la tensión. Éste, a
diferencia de la frecuencia, no es un parámetro global y único para toda la red interconectada,
sino que se trata de valores en cada uno de los nodos de la red. Se habla entonces de un perfil
de tensiones. Éste dependerá de las características y ubicación en la red de la carga y de la
generación, y de las características de la misma red de transmisión.
Desde el punto de vista de la red de transmisión se pueden lograr modificaciones de los
perfiles de tensión actuando sobre las relaciones de transformación de los transformadores en
los cuales esto es posible. Dentro de un mismo nivel de tensión el perfil de tensiones
dependerá de las características de los elementos de transmisión. En ciertos casos estas
características pueden alterarse insertando y desconectando reactores y bancos de
condensadores en la red (compensación de potencia reactiva). Esta conexión y desconexión
puede ser manual y escalonada o lograrse en forma continua utilizando elementos de
electrónica de potencia. Desde el punto de vista de la generación, el control de tensión se
logra actuando sobre la excitación de los alternadores.
Desde una perspectiva eléctrica, el control de tensión puede verse como el consumo o entrega
de potencia reactiva por los distintos elementos del sistema eléctrico.
De manera general las instituciones responsables de la operación de los sistemas eléctricos,
establecen condiciones de desempeño mínimo (códigos de red) para los principales
parámetros del suministro que deben ser cumplidos por los participantes de la industria3.
3.2 Operación Energética del Sistema
Tecnologías y costos
Para las diferentes tecnologías de generación existirán por un lado los costos relacionados a las
inversiones, es decir para la compra e instalación de las máquinas de generación, y por otro
lado los costos en los cuales se incurre al operar las máquinas. De estos últimos, los más
relevantes son, cuando existen, los costos de combustible, es decir los costos de suministro del
combustible necesario para obtener la energía eléctrica.
En los problemas relativos al despacho, los únicos que interesan son los costos operativos, ya
que las inversiones ya están hechas y por lo tanto no hay decisión a tomar en la cual
3 La Autoridad de Electricidad (AE), aprueba el documento de Condiciones de Desempeño Mínimo para el sistema eléctrico boliviano.
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intervengan estos costos. Cuando se considera la expansión del sistema de generación, sí se
tienen en cuenta ambos costos.
Costos operativos: Los costos operativos se dividen básicamente en dos: los costos de
combustible y los demás costos operativos. Obviamente, solamente tendrán costos de
combustible las máquinas térmicas que utilizan combustibles. En una primera aproximación
puede suponerse que los costos de operación de un equipo de generación son directamente
proporcionales a la energía generada.
Costos de combustible: El costo de combustible dependerá del precio del combustible y del
rendimiento global del equipo de generación. Los precios de los combustibles pueden
expresarse de diversas formas. Es usual que para combustibles líquidos estos valores se den en
unidades monetarias por unidad de masa o de volumen: por ejemplo dólares por tonelada
(USD/t) o dólares por metro cúbico (USD/m3). En el caso de combustibles sólidos puede
expresarse por unidad de masa. Para combustibles gaseosos se expresa por unidad de
volumen, a ciertas condiciones de presión y temperatura o, más comúnmente, en unidades
monetarias por unidades energéticas. En este último caso, lo usual es expresar el precio en
función del poder calorífico superior. Como ya se dijo, es usual expresar el rendimiento en
función del poder calorífico inferior del combustible.
Costos de mantenimiento: Una parte del mantenimiento requerido por los equipos de
generación dependerá de las horas de funcionamiento. Por lo tanto, los costos asociados a
este tipo de mantenimiento pueden suponerse que son esencialmente proporcionales a la
cantidad de energía generada. Por lo tanto, también pueden expresarse por unidad de energía
eléctrica generada (USD/MWh). En las máquinas térmicas, éstos son generalmente muy
pequeños en relación a los costos de combustible y muchas veces hasta pueden despreciarse,
aunque si llegaran a ser relevantes, expresados en esta forma pueden ser sumados a los costos
de combustible.
En general se encuentra que existe una relación inversa entre los costos variables de una
tecnología y los costos de inversión. Por ejemplo, las tecnologías hidráulicas no tienen costo
variable pero sus costos de inversión son altísimos. En el otro extremo se ve que tecnologías
como las de turbinas de gas en ciclo abierto tienen unos costos de inversión relativamente
bajos, pero sus costos operativos son muy altos.
Despacho
Es usual encontrar una división de este problema en dos partes: el despacho económico y la
asignación de unidades (unit commitment).
El primer problema consiste en distribuir la potencia generada entre las máquinas que están
generando de forma de minimizar los costos asociados a esa generación. El problema de la
asignación de unidades de generación consiste en elegir de un conjunto de máquinas
disponibles para generar de forma que los costos de generación sean mínimos. Este último
problema es mucho más complejo, pudiendo considerarse al primero como un sub‐problema
de éste.
En lo que sigue se hablará de los problemas de despacho en términos generales, intentando
simplemente mostrar las variables que intervienen y las complejidades involucradas. Un
estudio pormenorizado de estos temas requiere un conocimiento detallado de ciertas técnicas
matemáticas.
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Desde un punto de vista general, los problemas de despacho son problemas de optimización
con restricciones: consisten en elegir para un conjunto de variables de control, los valores que
minimicen (o maximicen) cierta función conocida de antemano, teniendo en cuenta que
además se cumplan algunas relaciones entre las variables. En este caso, el planteo es en
general el de una minimización donde el objetivo (función a minimizar) será la suma de los
costos de suministrar la demanda y una de las restricciones que habrá que cumplir siempre
será la de demanda: que la potencia generada sea igual a la potencia demandada.
Costos de falla
Diseñar un sistema eléctrico de forma que la probabilidad de falla sea nula o casi nula puede
ser terriblemente costoso. Lo que se hace habitualmente es establecer un costo social de no
suministrar la energía. Es usual fijar estos costos en forma escalonada, crecientes con la
profundidad de la falla.
Desde el punto de vista del despacho, esta energía no suministrada puede modelarse
exactamente igual que máquinas térmicas con costos variables iguales a los costos de la
energía no suministrada y con potencias tales que puedan cubrir toda la demanda.
Características de las unidades frente al despacho
Además de la restricción de demanda, existen otras condiciones que deben cumplirse en
cualquier problema de despacho. En relación a las unidades de generación, una restricción
obvia que estará presente en cualquier planteo del problema será la relativa a las potencias:
ninguna máquina puede generar por encima de su potencia máxima.
A continuación se mencionan otras características de las unidades de generación que pueden
ser relevantes en el problema de despacho. Dependiendo del grado de detalle con que se
plantee el problema, estas restricciones podrán despreciarse o no.
Tiempos de arranque y variación de carga: Para ciertas unidades existen restricciones
importantes en relación a cómo puede variar su carga y especialmente respecto a los tiempos
que son necesarios para llegar a la potencia máxima desde que se da la orden de arranque.
Estos tiempos son particularmente prolongados en los ciclos de vapor, puesto que, la
generación de vapor requiere el calentamiento de grandes estructuras, y éste debe ser gradual
para lograr dilataciones uniformes.
En éstos, desde que se comienza el arranque hasta la generación a potencia nominal pueden
transcurrir varias horas. Generalmente, para este tipo de máquinas existen rampas de toma de
carga, es decir, curvas que indican la potencia que pueden ir generando en función del tiempo.
Mínimos técnicos: En general, para todas las unidades de generación existe un límite mínimo
de potencia por debajo del cual no es posible generar.
Variación de los rendimientos: En general, las unidades de generación se diseñan para tener el
máximo rendimiento a la potencia nominal de operación. En algunas tecnologías, pequeños
apartamientos de esta potencia provocan caídas importantes del rendimiento.
Costos de arranque: en muchos casos existen costos asociados a la puesta en funcionamiento
de una unidad de generación. Para unidad es hidráulicas, estos costos son prácticamente
nulos, pero pueden ser importantes en el caso de unidad es térmicas. Por ejemplo, para el
arranque de algunas unidades, puede ser necesario por razones técnicas utilizar un
combustible más costoso. En otros casos, particularmente en ciertos tipos de turbinas de gas,
49
cada arranque equivale, en términos de vida útil de la máquina, a varias horas de
funcionamiento.
Restricciones de combustible: Por el lado de los combustibles en el caso de las máquinas
térmicas, también puede haber ciertas restricciones a considerar. Por ejemplo, si la capacidad
de almacenamiento no es infinita, los stocks de combustibles y los tiempos de reposición
pasan a ser variables relevantes. Esto dará lugar a sub‐problemas relativos al abastecimiento
de combustible.
Un caso particular son los contratos take‐or‐pay de combustible: se trata de contratos de
compra de combustible en los cuales el comprador se compromete a pagar por cierta cantidad
mínima de combustible, independientemente de si la consume o no. Pasada la cantidad
mínima, el combustibles tendrá un costo variable dado por la cantidad que supere el mínimo.
(Este tipo de contrato es muy habitual en el suministro de gas natural.)
Existen diversas variantes de estos tipos de contrato, pero desde el punto de vista del
despacho interesa hacer notar las complejidades que introduce: los costos de despacho de las
unidades en un momento dado dependerán de la cantidad de combustible consumida, y por lo
tanto de la historia de su despacho, y del momento en el cual se esté respecto del vencimiento
de las obligaciones de toma del mínimo.
Otras restricciones
En el caso de sistemas de generación hidráulicos puede existir una gran variedad de
restricciones a considerar. Muchas obras hidráulicas se construyen con múltiples propósitos,
dentro de los cuales, la generación de energía eléctrica es apenas uno, y a veces, ni siquiera el
más importante. Pueden existir por lo tanto, restricciones que provengan de estos otros usos e
influyan sobre la generación de energía eléctrica. Por ejemplo, restricciones relativas a los
niveles de los embalses y a los caudales erogados.
Por otro lado, cuando existe más de una central sobre un mismo curso de agua o sobre cursos
afluentes, deberán respetarse además los balances hidráulicos, es decir, el vínculo que existe
entre la cantidad de agua erogada por una central y la que le llega a la que está aguas abajo.
Se dará entonces una situación de acoplamiento hidráulico, es decir, algunas de las variables
de decisión estarán vinculadas a través de las restricciones de balance hidráulico (además del
vínculo existente por la restricción de demanda). Si los tiempos de tránsito (el tiempo que el
agua tarda en llegar de una central a otra) son relevantes, el problema se torna mucho más
complejo aún.
En resumen, el problema del despacho de la generación puede llegar a ser muy complejo.
Cada sistema eléctrico tiene sus peculiaridades y dependiendo de la importancia relativa que
tengan algunas restricciones y del grado de precisión deseado en el modelado, se incluirán
éstas o no en el problema particular.
Sistemas térmicos
Si se desprecian la variación de los rendimientos de las máquinas con la potencia generada y la
existencia de mínimos técnicos así como los costos de arranque y parada, la solución de este
problema es bastante sencilla:
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Se ordenan las máquinas según costos variables crecientes y en todo momento se asignan las
unidades en ese orden, de forma tal que la suma de sus potencias cubra toda la potencia
demandada, ésa será la solución más económica.
La resolución de este problema puede tornarse muy compleja en los casos en los que alguno
de los hechos mencionados tenga relevancia y no pueda despreciarse.
Sistemas Hidrotérmicos y Valor del Agua
La existencia de unidades hidráulicas puede plantear un problema adicional al despacho: Es
evidente que, salvo que el agua tenga una valorización externa al sistema hidroeléctrico, su
utilización no tiene un costo directo.
En el caso de centrales hidráulicas a filo de agua (de pasada) o centrales hidráulicas cuya
operación no está definida por los usos energéticos es obvio que entre utilizar el agua para
generar energía o no utilizarla, la decisión será la de utilizarla: Respecto del agua en sí no hay
decisión para tomar (viene impuesta desde fuera del sistema, ya sea por la naturaleza o por los
usos alternativos) y salvo que la energía generable con ella supere a la energía demandada, se
la usará toda para generar, ya que su utilización desplazará otras fuentes y por lo tanto
disminuirá (o al menos no incrementará) el costo de abastecimiento.
Estas consideraciones también son válidas en otros casos, como por ejemplo para la energía
eólica: la utilización del viento no tiene costo. Dado que los generadores eólicos están
instalados no tiene sentido dejar de utilizarlos cuando hay viento.
Pero ocurre algo diferente cuando la central hidráulica considerada tiene un embalse. En este
caso es posible, o bien utilizar inmediatamente el agua que llega a la central, o bien embalsarla
para utilizarla en el futuro. Supóngase que se decide utilizarla inmediatamente sustituyéndose
así generación costosa. En el futuro puede ocurrir que no haya aportes a la central. En ese caso
no se podrá generar energía eléctrica con esa central hidráulica y deberá utilizarse generación
costosa. Incluso, si la demanda no puede abastecerse totalmente sin ninguna contribución de
la central hidráulica, se incurrirá en costos de energía no suministrada (costos de falla).
Por otro lado, supóngase que se decide en el momento actual no utilizar la energía de la
central hidráulica y acumular el agua que llega en el embalse. Para esto será necesario
suministrar la demanda con otros recursos más costosos. Puede ocurrir entonces que en el
futuro siga llegando agua a la central y no sea posible acumularla puesto que ya no habrá más
capacidad de embalse. Se habrá incurrido en un costo innecesario al utilizar las unidades
costosas en el primer momento.
Claramente se puede anticipar que, por un lado, plantear el problema de esta forma es
extremadamente complejo. Por otro lado, difícilmente se conozcan con exactitud los aportes a
la central hidráulica para cada paso de tiempo futuro. Por lo tanto será necesario utilizar
criterios estadísticos para luego determinar los valores más probables de las variables
resultantes. Esto incrementaría aún más el tamaño y la complejidad de resolución del
problema.
En general, para tratar este tipo de problemas se plantea un método de resolución en dos
partes:
En una primera etapa se valoriza el agua de los embalses para cada paso de tiempo teniendo
en cuenta los ahorros futuros que se lograrían por disponer de una unidad más (1 metro
51
cúbico, por ejemplo) de agua en el embalse. Se obtienen así valores del agua, que son los
costos de oportunidad de ésta.
Para esto se utilizan técnicas matemáticas de resolución de problemas de optimización
conocidas como programación dinámica.
Estas técnicas de cálculo en general se tornan rápidamente muy complejas
computacionalmente a medida que el número de centrales con embalse aumenta, por lo que
en grandes sistemas es usual agrupar varios embalses en embalses equivalentes.
En la segunda etapa se utilizan esos valores de agua para resolver los problemas de cada paso
de tiempo, considerando a las máquinas hidráulicas de forma similar que las máquinas
térmicas, utilizando un “combustible” cuyo valor será el valor del agua calculado en la etapa
anterior. De esta forma quedan desacoplados los problemas en cada paso de tiempo,
llevándose la información sobre el futuro mediante los valores del agua. Por lo tanto, en cada
paso de tiempo, el problema será similar al del despacho de un sistema totalmente térmico.
Situaciones similares a éste pueden también aparecer cuando existen otras condiciones que
vinculan problemas que están separados en el tiempo. Esto se da, como ya se mencionó,
cuando existen combustibles con capacidad de almacenamiento restringida o, lo que es
similar, contratos de compra de éstos en la modalidad take‐or‐pay.
Influencia de la red
La introducción de la red de transmisión a los problemas de despacho los torna aún más
complejos. La existencia de pérdidas en las redes de transmisión hacen que la conveniencia o
no de utilizar cierto generador dependa de su ubicación en la red.
Pero estas pérdidas dependerán a la vez de la forma en la cual están despachados los
generadores. Y estas dependencias no son sencillas.
El modelado conjunto del sistema de generación y la red de transporte es posible y es lo que
se conoce como flujos óptimos de carga. Implican resolver conjuntamente las ecuaciones que
rigen los flujos de potencia por la red y el problema económico del despacho de las unidades.
3.3 La Expansión del Sistema
El problema de la expansión del sistema es de gran complejidad e involucra aspectos muy
variados, tanto si lo ve desde la perspectiva de un planificador central que controla
absolutamente el sistema, como desde la perspectiva de generadores independientes que
deciden sus inversiones o desde el punto de vista de la regulación, en relación a pasar las
señales adecuadas.
Se trata básicamente de un problema de toma de decisiones bajo incertidumbre. Ésta tiene
diversas fuentes y dependiendo del entorno en que se realiza la expansión, algunas tendrán
más impacto que otras:
Por un lado existe la incertidumbre relativa a la demanda eléctrica. Las inversiones en
generación tienen vidas útiles muy prolongadas, que pueden ir desde los 15 a los 50 años o
más, para el caso de centrales hidráulicas, por ejemplo. Por lo tanto, cualquier proyecto e
inversión en generación deberá hacer hipótesis medianamente razonables respecto de varias
variables para plazos relativamente largos. Es cierto que la tasa de descuento utilizada al
evaluar el proyecto hará que la importancia de los valores lejanos en el tiempo sea cada vez
52
menor. Pero de todas formas es usual estudiar los proyectos para períodos largos,
generalmente de alrededor de 20 años.
Entre las variables a tener en cuenta, una de las principales es la demanda a ser abastecida.
Otro aspecto sin lugar a dudas importante que es también fuente de incertidumbre es el
precio de los combustibles. En el caso de sistemas hidrotérmicos también entrará en juego
como fuente de incertidumbre la hidrología.
Por otro lado se trata de un complejo problema financiero: los montos de las inversiones a
nivel de generación son muy importantes y la obtención de los fondos requiere de análisis
cuidadosos.
Independientemente de si de trata de una expansión centralizada o en manos de agentes
privados, la operación del sistema sí es habitualmente hecha en forma centralizada con el
objetivo de lograr la operación de mínimo costo. En cualquiera de los casos es importante pues
conocer en detalle los criterios con los cuales se hace este despacho, ya que de él dependerán
los resultados de cada generador en el sistema.
Metodología general
La metodología de expansión es a grandes rasgos como sigue:
‐ Se hacen ciertas hipótesis sobre los parámetros sobre los cuales hay incertidumbre y
se los modela, utilizando usualmente técnicas de escenarios.
‐ En base a las reglas de despacho se simula el funcionamiento del sistema en el período
considerado.
‐ En el caso de generadores independientes existirá un esquema de remuneraciones
conocido. Según éste se remunerarán probablemente tanto la energía suministrada al
sistema como otros servicios que el generador brinde al sistema. (Está en el diseño de
este sistema de remuneración la clave para lograr una expansión adecuada del
sistema.) A partir de esta información se evalúa el flujo de ingresos que tendría el
proyecto en cada escenario.
‐ En el caso de un planificador central, el objetivo será la minimización de los costos
totales.
Costos de inversión
Es usual que, dentro de ciertos límites, cada tecnología tenga un costo de inversión
aproximadamente constante por unidad de potencia instalada. Suele caracterizarse entonces
cada tecnología por un costo de potencia instalada expresada en unidades monetarias por
unidad de potencia (USD/kW).
Los rangos de valores de inversión para diversas tecnologías, solo indicativos:
Costos de Inversión aproximados
Tecnología USD/kW instalado
Hidráulica 2000
Ciclo de gas 400 ‐ 600
Ciclo de vapor (derivados petróleo) 900
Ciclo de vapor (carbón) 1400 – 1600
Ciclo Combinado 600 – 800
Motores Reciprocantes 850 – 1000
53
Eólico 1500 ‐ 2500
Nuclear >2500
Los sistemas de aprovisionamiento de combustible, las redes eléctricas necesarias, los
elementos de mitigación de contaminantes entre otros, pueden tener un peso muy
significativo en las inversiones asociadas a las diferentes tecnologías y su magnitud será
función de cada proyecto particular. Por lo tanto estos números pueden variar
significativamente de una instalación a otra.
Potencia instalada y energía firme
Se define como energía firme de un generador a la cantidad de energía que éste puede
suministrar en un período de tiempo con una alta probabilidad (generalmente definida para
valores de alrededor del 95% y 98%). Es usual expresarla como potencia media, dividiendo la
cantidad de energía entre la duración del período considerado y hablar entonces de potencia
firme.
Los generadores térmicos, salvo que se encuentren indisponibles por alguna causa, pueden
generar a su potencia nominal durante cualquier período (siempre que dispongan de
combustible). Por lo tanto, la potencia firme de éstos será igual a su potencia nominal
disminuida mediante cierto coeficiente que represente la indisponibilidad ya sea por
mantenimientos programados o forzados por fallas fortuitas del equipamiento.
Esto no es así en el caso de generadores hidráulicos o eólicos, que dependen de recursos
aleatorios para poder generar. En éstos, la potencia firme puede presentar estacionalidad y en
algunos casos puede ser muy inferior a la potencia instalada.
3.4 El Funcionamiento Conjunto
Existen diferentes horizontes temporales en los cuales se desarrollan los procesos de toma de
decisiones para la gestión del sistema eléctrico bajo los criterios antes mencionados.
Esta división temporal puede hacerse de la siguiente manera:
Operación en tiempo real: El sistema debe estar diseñado y configurado para adaptarse a los
pequeños desajustes que pueden ocurrir entre la demanda esperada y la real. Por otro lado,
en caso de que ocurra algún problema con alguno de los equipos tanto de generación como de
transmisión, el sistema debe poder soportar esa contingencia con consecuencias nulas o al
menos éstas deben ser minimizadas.
El corto plazo: En esta etapa se toman las decisiones respecto de la entrada en servicio y salida
de servicio de distintas unidades de generación así como respecto de las configuraciones más
adecuadas de la red de transmisión. Decisiones del uso del recurso hídrico, en especial de
aprovechamientos en cascada, pueden ser incluidas en esta etapa.
El mediano plazo: Aquí se toman las decisiones relativas al mantenimiento de las unidades de
generación y de los equipos de transmisión. Además de las decisiones de del aprovechamiento
de embalses.
El largo plazo: Es aquí donde se toman las decisiones relativas la expansión del sistema en
todos sus componentes:
El crecimiento de la demanda y las modificaciones en las características de ésta
determinarán las necesidades de nueva generación.
54
La ubicación geográfica de las nuevas fuentes de generación a utilizar y la distribución
geográfica de la demanda determinará la expansión del sistema de transmisión y los
sistemas de distribución de energía eléctrica.
Resumen
Con el objetivo de familiarizar y uniformar la terminología, se intentó dar una visión general
sobre los aspectos técnicos de los sistemas eléctricos.
Se enunciaron ciertos aspectos de las ciencias básicas que están relacionados con la industria
eléctrica y más específicamente con la generación de energía eléctrica. En relación a los
aspectos termodinámicos se destacó la conservación de la energía (primer principio) y la
imposibilidad de transformar todo el calor suministrado a un sistema en energía mecánica
(segundo principio). Por otro lado se describió la naturaleza de la energía eléctrica y las leyes
que rigen su comportamiento. Se resumieron algunos resultados de la electrotecnia y como
finalización de esta parte se describieron los generadores de energía eléctrica.
Se destacó una de las características básicas de los sistemas eléctricos: el necesario ajuste
entre la oferta (generación) y la demanda (consumo) en todo momento, debido a la
imposibilidad práctica de acumular la energía eléctrica luego de generada.
En relación a la demanda se mencionó su variabilidad y se mostraron diversas formas de
describirla.
Se hizo un repaso de las tecnologías convencionales de generación: hidroenergía y generación
térmica. Dentro de esta última se describieron tanto los ciclos teóricos como su
implementación práctica.
También se mencionaron algunas tecnologías no convencionales como son la eólica, la solar y
la de celdas de combustible, ya que es de suponer que éstas irán teniendo mayor importancia
en el futuro.
En virtud de esta estrecha relación existente entre la generación de energía eléctrica y su
transporte se describieron los distintos elementos que componen los sistemas de transmisión.
Finalmente se mencionó en esta parte la última etapa entre las que se divide la industria
eléctrica: la distribución.
Se intentó dar una visión general sobre la operación del sistema eléctrico y, someramente,
sobre la expansión de éste. Se destacó que los sistemas eléctricos están diseñados de forma
que a nivel de la demanda, la tensión y la frecuencia sean constantes y se indicó cómo se logra
esto.
Se listaron además diversos aspectos que deben tenerse en cuenta en la operación de los
sistemas eléctricos y se mostraron las complejidades del despacho de las unidades.
Guía de Estudio
La lectura de este documento será objeto de su evaluación y análisis.
Bibliografía
Power Generation Operation and Control (Allen J. Wood, Bruce F. Wollenberg)
Estaciones transformadoras y de distribución (G. Zoppetti)
Fundamentos de la teoría electromagnética (J. R. Reitz, F. J. Milford, R. W. Christy)
55
Introducción a la Termodinámica en Ingeniería Química (J. M. Smith, H.C. Van Ness)
Análisis de Sistemas de Potencia (J. J. Grainger, W. D. Stevenson Jr.)
56
4 El sector eléctrico boliviano
Como referencia general a continuación se presentan algunos datos del sector eléctrico
boliviano extraídos de los informes del Comité Nacional de Despacho de Carga (CNDC),
institución encargada de la operación y administración del Mercado Eléctrico Mayorista (MEM)
del Sistema Interconectado Nacional.
Sistema Interconectado nacional (SIN)
El Sistema Interconectado Nacional (SIN), es un sistema eléctrico conformado por instalaciones
de generación, transmisión y distribución, cuyo propósito es suministrar energía eléctrica en
los departamentos de La Paz, Santa Cruz, Cochabamba, Oruro, Potosí y Chuquisaca. La
demanda total en el SIN equivale aproximadamente al 90% de la demanda del país.
Una de las características principales del SIN, consiste en tener tres áreas explícitamente
definidas: Norte (La Paz), Oriental (Santa Cruz) y Centro – Sur (Oruro, Cochabamba, Potosí,
Chuquisaca).
Cada área cuenta con generación local, en el área Norte (La Paz) predominan las centrales
hidroeléctricas de pasada, en el área Oriental las centrales termoeléctricas y en el área Centro‐
Sur las centrales hidroeléctricas de embalse y termoeléctricas. La red de transmisión se utiliza
principalmente para intercambios de energía y potencia que optimizan el despacho de carga
del SIN.
57
Demanda de Potencia
La demanda del SIN está representada por la demanda de los Consumidores Regulados, en su
mayoría residenciales, que son atendidos por las empresas de Distribución y por la demanda
de los Consumidores No Regulados o Grandes consumidores.
Las Empresas Distribuidoras que participaron durante la gestión 2009, fueron: CRE en Santa
Cruz, ELECTROPAZ en La Paz, ELFEC en Cochabamba, ELFEO en Oruro, CESSA en Chuquisaca y
SEPSA en Potosí. Los Consumidores No Regulados que participaron en el MEM durante la
gestión 2009, fueron: Empresa Metalúrgica Vinto, Coboce, Empresa Minera Inti Raymi,
Empresa Minera San Cristóbal.
Durante el año 2009, el consumo de energía eléctrica en el SIN presentó un crecimiento de 5.0
% con relación al consumo de energía registrado el año 2008; el consumo de energía
registrado en la gestión 2009, alcanzó el valor de 5,397.0 GWh.
COMPRAS DE ENERGÍA EN EL MEM (GWh) ‐ AÑO 2009
La demanda máxima de potencia del SIN en la gestión 2009, alcanzó los 939.4 MW; la misma,
ocurrió el día jueves 17 de diciembre a horas 20:00, presentando un incremento del 4.5%
respecto a la registrada en la gestión 2008.
PARTICIPACIÓN EN LA DEMANDA MÁXIMA DEL SIN (MW) ‐ AÑO 2009
CRE35.2%
CESSA3.5%ELFEC
16.4%
SEPSA5.3%
ELECTROPAZ24.1%
ELFEO6.0%
NO REGULADOS9.4%
CRE38.07%
CESSA3.61%
ELECTROPAZ24.74%
SEPSA4.50%
ELFEC16.50%
ELFEO5.62%
NO REGULADOS6.95%
( )
58
Oferta de generación
El parque hidroeléctrico está compuesto por centrales de pasada, centrales con embalse y una
central cuya operación depende del abastecimiento de agua potable.
El parque termoeléctrico está compuesto por turbinas a gas natural de ciclo abierto, una
turbina a vapor que opera con bagazo de caña de azúcar, motores a gas natural y unidades
Dual Fuel que utilizan gas natural y diesel oíl.
En el siguiente gráfico se muestra la capacidad de generación durante el año 2009
considerando los diferentes tipos de centrales eléctricas.
CAPACIDAD DE GENERACIÓN POR TIPO DE CENTRAL (MW) ‐ AÑO 2009
El siguiente gráfico muestra la producción bruta de energía, clasificada según el tipo de
central: centrales termoeléctricas a gas, a vapor y dual fuel y centrales hidroeléctricas de
embalse y de pasada.
GENERACIÓN BRUTA POR TIPO DE CENTRAL (GWh) ‐ AÑO 2009
H. Pasada25.7%
H. Embalse15.3%
T. D‐Fuel1.2%
T. Gas56.0%
T. Vapor1.8%
Hidro Embalse16.7%
Hidro Pasada1,295.7
24.1%
T. Vapor1.1%
T. Gas3,047.1
56.7%
T. Dual Fuel0.3%
