Por: Ing. Gilberto Rosas Govea.
Estos Proyectos de generación de energía eléctrica, tienen por objeto cubrir parte de la demanda de la Región La Paz en Baja California Sur, el cual es un Sistema eléctrico no conectado al Sistema Eléctrico Nacional, sustentados por tres tipos de Centrales con energía limpia; es decir, no contaminantes y amigables con el medio ambiente :
1).- Hidroeléctrica con rebombeo
2).- Fotovoltaíca para generar la energía consumida en el rebombeo.
3).- Geotérmica de base.
Sin conocer aún las características de la curva de demanda eléctrica en esa Zona, podemos apoyar el crecimiento de la misma con energía limpia, iniciando con capacidades modestas pero con opción a crecer en capacidad en cada una de las Centrales propuestas.
Las características y principios de operación que a continuación se indican, son estimados y las cifras finales dependerán del comportamiento de las condiciones de la Zona, de los permisos y requisitos que planten las leyes secundarias de la nueva Ley Energética y en particular los enunciados de las reglas de operación que se aprueben en materia de energía eléctrica, así como de los sitios seleccionados para realizar el Proyecto integral.
Conforme se vaya avanzando en la definición de sitios y capacidades de las Centrales de generación de energía eléctrica, se afinarán los detalles de estos anteproyectos.
DESCRIPCIÓN DE LOS TIPOS DE CENTRALES PROPUESTAS
1).-HIDROELÉCTRICA CON REBOMBEO.
1.1.- Central Hidroeléctrica.
El principio fundamental de una Central Hidroeléctrica, es el aprovechamiento de la energía potencial que tiene todo peso (en nuestro caso el agua) al estar en un punto con altura superior en relación a un punto inferior de referencia (piso en la Casa de Máquinas donde se aloja el equipo de la Central). Al hacer fluir esa agua a través de un conducto (tubería) a esa Casa de Máquinas, gana energía cinética o de velocidad. Esta energía es aprovechada en unos equipos llamados turbinas hidráulicas, las cuales convierten esa energía en energía mecánica o de movimiento rotatorio. Esta a su vez, se transforma en energía eléctrica de corriente alterna al acoplarse esta turbina a un alternador o generador, que la entrega a tres fases y a una tensión o voltaje adecuado para su aportación al Sistema Eléctrico en una Subestación donde se instalan los dispositivos para tal fin, tales como: interruptores o conectadores, cuchillas, aparta-rayos, transformadores de voltaje para que dicha energía eléctrica generada en la Central pueda ser elevada e interconectada a las líneas de transmisión que la transportan a los centros de consumo mediante otras Subestaciones que reducen el voltaje a los valores usuales para el consumidor de energía eléctrica.
Se ha considerado, para fines de cálculos iniciales, que la Central propuesta tenga una caída nominal de 407 metros y una capacidad de 10Mw.
Esta Central operará con agua desalada. Con embalse superior e inferior. La capacidad del embalse superior sería la correspondiente a la operación de la central durante 5 horas a su capacidad nominal.
En la parte sur de la península, hay una sierra con altura superior a los 600 m, en una parte conveniente de ésta, cercana a la planicie, afectando lo menos posible al medio ambiente. Si aceptamos que con 407 metros de caída producimos 1 kwh por cada metro cúbico, el flujo o gasto de la hidroeléctrica sería de:
Q= P/Hn x 9.8068 x Etg, donde:
Q = Gasto en m3/s
P = Potencia en kw
Hn = Altura o diferencia de nivel en metros.
9.8068= Aceleración de la gravedad
Etg= Eficiencia del grupo turbina-generador (0.92 x 0.98 )
Sustituyendo:
Q = 10,000 / 407 x 9.8068 x 0.92 = 2.723 m3/s.
El volumen útil del embalse superior, en su fase inicial sería: 2.723 x 3600 x 5 = 49,014 m3; es decir: un embalse de 150 x 150m por lado y 3m de alto, será suficiente para esta etapa.
El embalse inferior, tendría una superficie preferentemente mayor, para que su variación no afecte el nivel de descarga de la turbina o turbinas (puede ser una de 10Mw o dos Unidades generadoras de 5 Mw cada una ).
Este embalse sería para la toma de las bombas que descargarían en la tubería a presión de la Central.
Sin poder precisar la longitud de la tubería a presión, que es la que baja el agua del embalse superior hasta la Central Hidroeléctrica, (pues mayor diámetro baja las pérdidas de carga hidráulica, pero aumenta el costo) se estima que con una velocidad de 4.5 m/s es suficiente para obtener el diámetro económico-comercial de la misma.
Si consideramos que Q = 2.723 y la velocidad v= 4.5m/s, el área de la tubería sería: A = Q/v, sustituyendo: A= 2.723/4.5 =0.605 m2. Para obtener el diámetro de la tubería, tenemos que A= 0.7854 x d2; d2= A/0.7854 y = 0.877m = 34.55” ; es decir que una tubería de 36” de diámetro (comercial), tendríamos menores pérdidas.
La o las turbinas, serían tipo Pelton y sus características se afinarían sabiendo el salto real y si instalamos una o dos unidades generadoras.
1.2.-CASA DE BOMBAS
Como la energía eléctrica generada no se puede almacenar económicamente, se requerirá de un número económico de motobombas centrífugas que eleven el agua del embalse inferior al superior para la posterior operación de la Central Hidroeléctrica durante las horas de mayor demanda y que en ciertas tarifas tiene un costo mayor.
Se instalaría en Casa de Bombas, 6 grupos de 1500 kw cada bomba con motores eléctricos a 6,600 v, con arrancadores especiales para arranque con rampa de aceleración, con las siguientes características generales:
Q= P x Emb/Hd x 9.8068 donde:
Q = Gasto en m3/s
Emb= Eficiencia combinada bomba-motor
Hd = presión de descarga (en este caso, la presión de descarga deberá ser superior a la carga hidráulica estimada para la turbina, ya que el nivel máximo del embalse inferior deberá situarse 1.5 metros debajo de la parte inferior de la rueda Pelton) y tomar en cuenta la tubería adicional de conexión de las descargas de las moto-bombas a la tubería a presión = 412m.
Si los motores fueran de 1500 kw, el gasto por bomba sería:
Q= 1500 x 0.85/412 x 9.8068 =0.315 m3/s = 1136.92 m3/h.
Como se requieren 49,000 m3, se cubrirían con 43 horas-bomba; si tenemos 5 bombas para operar y una de repuesto, 5 motobombas durante 7.5 horas (de 9:30 a 17:00 hrs) 42,634.5 m3 al día, equivalente a 4 horas 15 minutos de generación en la Central Hidroeléctrica. El consumo de energía eléctrica sería de 54,375kwh por día. La generación en esas 4h-15 min sería de 42,500 kwh/día. Luego por cada kwh consumido para bombear al embalse superior, obtendríamos 0.78 kwh en la Central hidroeléctrica, sin contar con el consumo de la Desaladora, por lo que en la realidad pudiéramos esperar 0.72 a 0.75 kwh, dependiendo de las eficiencias reales de los equipos, de la ubicación de la Central hidroeléctrica con relación a los embalses, de la longitud de la tubería a presión, evaporación y filtraciones.
La Casa de Bombas deberá estar al menos 5m abajo del nivel mínimo del embalse inferior para efectos de la carga positiva de succión.
Es posible que el bombeo se realice en dos etapas con la mitad de capacidad, pues estas bombas son más comerciales y ya tenemos en México motobombas instaladas con similares capacidades de gasto y descarga en el Sistema Cutzamala y en el acueducto Mexicali-Tijuana, con sus respectivas torres de succión positiva.
1.3.- PLANTA DESALADORA.
El proceso de desalar el agua de mar es necesario, pues tomarla directamente implicaría:
a).- CORROSIÓN. El agua de mar propicia la corrosión por oxidación al estar en contacto alterno agua de mar-aire, afectando las partes metálicas como: tuberías, turbinas, válvulas, etc.
b).- INCRUSTACIONES. Las velocidades del agua en la tubería a presión, ya sea al operar las bombas o la turbina, son muy bajas (máxima de 14.5km/h) lo que propiciaría la incrustación de conchuela y otros parásitos marinos que incrementarían la fricción y con ello las pérdidas por fricción y los continuos paros para su limpieza, usando equipo costoso y con alto grado de dificultad y peligro.
Se comenta que otra alternativa sería el de inyectar cloro al agua de mar y evitar la desalación; sin embargo, estaríamos exponiendo a un daño ambiental en caso de purgas necesarias para bajar las concentraciones de sales por evaporación .
c).- OBRA DE TOMA EN EL MAR. La obra de toma implicaría una rejilla metálica que evite la introducción de peces y algas, además del señalamiento para las personas y embarcaciones pequeñas, con los correspondientes costos de mantenimiento al estar sujeta a los inconvenientes antes indicados.
Se tomará agua de un pozo o foso cercano a la orilla del mar ( de 100 a 500m de la orilla), a fin de no tomar directamente del mar el agua; ( agua salobre con la mitad de sólidos totales) este deberá aportar de 20 a 30 lts/s como mínimo para pasarlo por bombeo a la Planta desaladora, la cual se instalará en módulos de 5 o 10 litros por segundo con descarga separada del agua de rechazo al mar. El llenado del tanque inferior a media capacidad y el superior a nivel medio para pruebas se deberán abastecer con anticipación a la Puesta en Servicio de la Central generadora; es decir, primero entraría en operación la planta desaladora, luego la de Bombas y por último la Central Hidroeléctrica de generación.
La planta desaladora será bajo el proceso de ósmosis inversa; es decir, el agua salobre se toma como antes se indicó y se inyecta a presión a un proceso de nano-filtración que separa todos los sólidos disueltos en esa agua, dejando pasar prácticamente agua pura. Se fabrican por módulos y el agua concentrada de rechazo, es devuelta al mar sin ningún problema. El agua tratada se descarga al embalse inferior y de inicio, se están considerando para la Planta desaladora, 3 módulos de 5 l/ s., suponiendo moderadas fugas por filtración en los embalses y pérdidas por evaporación. Se requerirán más de 50 días de operación de la Desaladora previos a la operación de las motobombas para el llenado del embalse inferior y de la Central Hidroeléctrica.
2.- CENTRAL FOTOVOLTAICA.
Al incidir los rayos solares sobre los paneles, los cuales son tableros con celdas, transforman la energía solar en energía eléctrica. Estas celdas están construidas de un material semiconductor (silicio) de cierto grado de pureza que, cuando está expuesta a la luz solar, absorbe fotones de luz con suficiente energía para producir un ”salto de electrones”; es decir, energía eléctrica que en cuadrículas fijadas a los paneles, producen energía eléctrica como las de las pilas o baterías (corriente directa).
Cada panel tiene un alto número de celdas y al interconectarse estas, entrega 270 volts nominales a 17⁰C pero suponiendo la temperatura máxima de 50⁰C la potencia real neta sería de 207w promedio en las horas de sol.
Para dimensionar esta Planta, deberán considerarse los consumos de energía que consumió la Casa de Bombas, la cual se estimó en 54,375 kwh por día y esta sería la producción esperada de la Central Fotovoltaica. Si consideramos 4.7 hrs de sol, equivalente a 4 hrs – 42 min de potencia efectiva (potencia pico) durante las 7 hrs de sol, deberíamos generar cerca de 55,000 kwh/día medio incluyendo el consumo para la producción de agua desalada, lo que se estima se cubrirán con 11,900 kw instalados, ya que si tomamos como referencia un posible 0.195 de factor de Planta, podíamos espera 11,900 x 24 x 0.195= 55,692 kwh/día medio.
Para la instalación de la Planta a base de paneles de 300wp con dimensiones 
similares a las que ofreció MAETEL para Zitácuaro, se requerirá de un terreno, de preferencia plano, con drenaje y cercana a las líneas de transmisión actuales o en Proyecto próximo. Como se indicó en el análisis anterior y si aceptamos una potencia pico de 300w por panel, con dimensiones de 1.966 x 0.992= 1.95m2/panel; se requerirán de 39666 paneles en bastidores de 20 paneles por bastidor y una superficie aproximada de 185,000m2 (18.5 has) incluyendo subestación principal, estaciones de inversores y transformación de media tensión, oficinas, bodegas, caseta de vigilancia, caminos de acceso, drenes pluviales y estacionamiento
3.- CENTRAL GEOTÉRMOELÉCTRICA.
Las Centrales Geotermoeléctricas usan vapor o agua caliente a presión, obtenida del subsuelo, a profundidades y en sitios previamente estudiados, que al bajarle la presión, se convierte en vapor. Este alimenta una turbina que descarga dicho vapor a un condensador el cual tiene una presión muy baja, casi vacío, lo que se aprovecha para obtener mayor potencia (diferencia de presión de entrada con relación a la de descarga). Al condensarse el vapor y convertirse en agua, esta se inyecta nuevamente al pozo para integrar un ciclo cerrado. Esta energía mecánica se transmite por acoplamiento directo a un alternador o Generador eléctrico, con las conexiones y Subestación similar a la comentada para las Centrales antes comentadas.
Ante el panorama actual, es conveniente seleccionar el pozo que si bien en la primera etapa nos aporte el vapor para los 3Mw que se nos dice, podría aceptar el Sistema actual como energía de base, debería preverse su expansión futura.
Habrá que localizar en el programa de computadora, los sitios estudiados por CFE, estimando la conveniencia de algunos sitios que ofrezcan las ventajas que requerimos, para definir el más atractivo desde el punto de vista técnico-económico.
CONCLUSIONES: Este ensayo, está basado en tratar de mantener, en lo posible, energía eléctrica compatible con el propósito de usar preferentemente energía limpia para esa zona netamente turística y pesquera, manteniendo la Central Diesel-eléctrica solo como reserva, usando el calor de los gases de escape para producir agua potable.
Las capacidades de las fuentes de energía limpia para convertirlas en electricidad, dependerán del desarrollo de la demanda eléctrica.
Nos debe quedar claro que habrá ( hay ) tratamiento de aguas residuales para riego de campos de golf y otros usos. La obtención de agua potable, requerirá igualmente de energía eléctrica y/o calor.
Si bien los precios del petróleo han bajado y los precios de la energía limpia no tanto, estas alternativas son viables por el beneficio al medio ambiente en una región del país que debe ser cuidada, tanto por su valor turístico como el beneficio al medio ambiente.
agua&ambiente 