CAPÍTULO 1.- INTRODUCCIÓN A LAS CENTRALES DE GENERACIÓN.pdf

CENTRALES DE GENERACIÓN ELÉCTRICA
BIENVENIDOS
Ing. Daniel Contreras R. Msc
DOCENTE DE INGENIERIA ELECTRICA

CAPÍTULO I
INTRODUCCIÓN A LAS CENTRALES
DE GENERACIÓN
1. Componentes de una central de generación.
2. Análisis de las centrales Base, Pico y Reserva.
3. Costos anuales de operación, fijos y variables.
4. Tipos de Centrales.

INTRODUCCIÓN A LAS CENTRALES DE GENERACIÓN
Los sistemas de energía eléctrica o también llamados Sistemas
Eléctricos de Potencia (SEP), se estructuran en la etapas de:
• Generación
• Distribución
Transmisión

La Generación o producción de energía eléctrica tiene lugar en
las CENTRALES DE GENERACIÓN, las mismas que se clasifican
según:
▪ El tipo de conversión de energía.
▪ La función en el sistema eléctrico.
La central eléctrica se la define como un conjunto de máquinas
motrices, generadores, sistemas auxiliares, sistemas de
comandos, sistema de protección, sistema de control, etc, que
todos ellos en conjunto sirven para la producción de energía
eléctrica.

En forma general las CENTRALES DE GENERACIÓN, son
aquellas que se caracterizan por:
 Ser instalaciones que convierten la energía mecánica en
energía eléctrica.
 Se construyen en los lugares donde se tienen las condiciones
óptimas, considerando la localización de la carga, la facilidad
para el transporte de combustible y la obtención del recurso
primario (agua, gas, derivados del petróleo, uranio, energía
solar, etc).

LAS CENTRALES DE GENERACIÓN DE ELECTRICIDAD
Se caracterizan por:
 Aprovechar un recurso energético para transformarlo en
electricidad.
 Pueden ser de diferentes fuentes primarias, pero con un mismo
objetivo común.
 Existen centrales de generación de fuentes renovables y no
renovables.
 Pueden trabajar acopladas a un gran sistema o de forma
aisladas.
 Abastecen a las redes de distribución eléctricas.

FUENTE DE ENERGÍA Y DEMANDA DE ENERGÍA ELÉCTRICA
Es importante recordar:
 El consumo de energía eléctrica de un país, constituye el mejor
índice del bienestar humano y de desarrollo industrial, siendo la
tasa de crecimiento del consumo de energía eléctrica una real
señal de progreso.
 La energía primaria es aquella que está disponible directamente
en la naturaleza y es hidráulica, de los combustibles fósiles
(sólido, líquido y gaseoso), eólica, solar, nuclear y geotérmica.
 Desde la fuente de energía primaria hasta la obtención de la
energía eléctrica se realizan varias conversiones de energía e
intervienen varios componentes.

1.- Componentes de una central de generación.
Una central eléctrica es un poco como una línea de producción de
energía. La energía primaria entra por un lado y la electricidad sale
por el otro.
¿Qué sucede en el medio?
Vamos a investigarlo con ayudas de información bibliográficas
y de videos disponibles.

https://www.youtube.com/watch?v=9qhx6Y9u14g&t=266s

1.- Componentes de una central de generación (TIPOS)
▪ Centrales hidroeléctricas
▪ Centrales de turbina de vapor
▪ Centrales de turbina de gas
▪ Centrales de ciclos combinados
▪ Centrales nucleares
▪ Centrales de Biomasa
▪ Centrales de incineración de residuos sólidos urbanos
▪ Centrales eólicas
▪ Centrales solares (fotovoltaicas y termosolares)
▪ Centrales mareomotrices
▪ Centrales geotérmicas

Centrales de generación.-Clasificación
Según el tipo de conversión de energía.- Toman el nombre en
función del recurso primario que utilizan:
Hidroeléctricas Para hacer funcionar estas centrales,
el agua es retenida en los embalses,
encauzada y controlada. Las turbinas
hidráulicas son accionadas por el
agua como consecuencia de la
energía cinética que ha desarrollado
en su descenso.
El costo de construcción de estas
centrales es elevado pero se
compensan con los bajos gastos de
explotación y mantenimiento luego la
puesta en marcha de las mismas.

Según el tipo de conversión de energía.-
Termoeléctricas
Funcionan con distintos combustibles sólidos (carbón mineral);
líquidos (gas-oil y fuel-oil, originados en la refinación del petróleo
crudo); y gaseosos (gas natural). La energía eléctrica surge como
consecuencia:
• MCI.- Accionadas debido a la energía térmica de combustión.
• TURBINAS DE VAPOR.- Accionadas por el vapor de agua
producido en una caldera.
• TURBINA DE GAS.- Accionadas debido a la combustión del gas
natural.

Según el tipo de conversión de energía.- Termoeléctricas

Eólicas Estas centrales utilizan el viento o
corrientes de aire para generar la
energía eléctrica.
Su utilización se limita a situaciones
especiales debido a que la obtención
de energía eléctrica a través de estas
centrales, tiene un elevado costo.
El viento puede ser aprovechado a
partir de ciertas velocidades (mínima
6 m/s), solo en las centrales eólicas
de un tamaño considerable.

Solares Fotovoltaicas
En un primer procedimiento, la energía luminosa y térmica
proveniente del Sol en forma de radiación electromagnética es
transformada en energía eléctrica mediante el empleo de células.
La irradiación solar equivale a 1 kW/m2, siempre que el tiempo se
encuentre despejado. La obtención de este tipo de energía es muy
irregular, debido a que depende de las variaciones horarias y
estacionales y de las modificaciones en la nubosidad.

Geotérmicas
Las altas temperaturas que existen en el interior de la tierra,
producen un vapor natural a 200°C aproximadamente. Esta
energía térmica acciona directamente las turbinas de vapor de las
centrales geotérmicas.
El subsuelo terrestre es una reserva de energía prácticamente
inagotable, pero es de difícil acceso y por lo tanto poco
aprovechable.

Geotérmicas
Las altas temperaturas que existen en el interior de la tierra, producen un
vapor natural a 200°C aproximadamente. Esta energía térmica acciona
directamente las turbinas de vapor de las centrales geotérmicas.
Proyecto GEOTERMICO CHACHIMBIRO – Prov. Imbabura
El subsuelo terrestre es una
reserva de energía
prácticamente inagotable,
pero es de difícil acceso y
por lo tanto poco
aprovechable.

Mareomotrices
La energía eléctrica es consecuencia del cambio de nivel periódico
y las corrientes de agua de mares, océanos, lagos, etc.
Cuando la marea está alta, se retiene agua del mar en la zona de
embalse; al bajar la marea, el agua retorna al mar a través de las
maquinas, haciendo funcionar las mismas.
El conjunto de "máquina motriz – generador" se denomina grupo-
bulbo y en su interior se ubican un generador, los equipos
correspondientes y una hélice (turbina eléctrica del tipo Kaplan de
eje horizontal o inclinado).

Biomasa
Biomasa es una forma de energía, como resultado del crecimiento
de las plantas o microorganismos, la cual incluye toda la materia
orgánica excepto los combustibles fósiles.
Algunos ejemplos de biomasa disponible como combustible son:
• Residuos y cosechas agrícolas
• Desechos orgánicos animales y humanos
• Plantas acuáticas, algas y microorganismos.

Nucleares
La producción de energía se logra mediante la transformación
previa de la energía nuclear. Entre los combustibles nucleares, el
uranio, siendo el Uranio 235, el que se encuentra disponible en la
naturaleza.
Un reactor nuclear reemplazan a los combustibles y a la caldera
de la central térmica. En el reactor tiene lugar la fisión del uranio
(rotura en cadena de los núcleos de los átomos de este elemento
químico), que al liberar una gran cantidad de energía origina el
calor preciso para la obtención del vapor de agua. Las centrales
nucleares o termonucleares utilizan las turbinas de vapor como
maquinas motrices.

Se va a tomar como ejemplo una Central Hidroeléctrica, sus principales
elementos son los siguientes:
• PRESA
• DESAGUE DE LOS EMBALSES
• CANAL DE DERIVACION
• CHIMENEA
• TUBERIA DE PRESION
• TURBINA
• CASA DE MAQUINAS
• CANAL DE DESAGUE
Tubería de
desagüe
~
Chimenea de
equilibrio
Embalse
Presa
Canal de
derivación
Tubería de
presión
Casa de
máquinas
DISPOSICION GENERAL DE LA
CENTRAL HIDRAULICA
Grupo
Turbina – Generador
Transformador

Las componentes de una central de generación termoeléctrica: En
forma general serán:
 Tanque de combustible
 Horno
 Caldera
 Turbina de vapor
 Torre de refrigeración
 Generador
 Cables eléctricos
 Transformador elevador

Una central eléctrica de generación, en forma general se la
definió como un conjunto de máquinas motrices,
generadores, sistemas auxiliares, sistemas de comandos,
sistema de protección, sistema de control, etc, que todos
ellos en conjunto sirven para la producción de energía
eléctrica.
Una central de generación, básicamente es una instalación
que convierte la energía mecánica en energía eléctrica.
Qué es la energía?
La energía es la capacidad de los cuerpos para realizar un trabajo,
es decir, la energía es la capacidad de hacer funcionar las cosas.
Su unidad el Joule (J)

La energía se manifiesta de diferentes maneras, recibiendo
así diferentes denominaciones según las acciones y los
cambios que puede provocar, entre ellas: química, hidráulica,
mecánica, eléctrica, etc.
Nos interesa conocer sobre la energía mecánica, en razón
que los generadores eléctricos, convierten energía
mecánica en energía eléctrica.
La energía mecánica está relacionada con el movimiento del
cuerpo y la posición en el espacio:
• El movimiento del cuerpo.- Energía cinética
• La posición.- Energía potencial

Energía cinética.- Se manifiesta cuando los cuerpos se mueven, es decir
que es la energía asociada a la velocidad de cada cuerpo.
E c= ½ m • v 2 , Donde:
m: masa (Kg),
v: velocidad (m/s),
𝑬𝒄: energía cinética (J=Kg·m 2 /s 2 ).
Energía potencial.- Se refiere a la energía debido a la posición que
ocupa una masa en el espacio.
E p= m • g • h , Donde:
m: masa (Kg),
g: gravedad de la tierra (9,81 m/s 2 ),
h: altura (m),
𝑬𝒑: energía potencial (J=Kg·m 2 /s 2 ).
E m = E p + E c Donde E m es la energía mecánica (J)

Energía mecánica.-
E m = E p + E c Donde E m es la energía mecánica (J), en el eje de la
turbina.
Energía eléctrica.- Entregada por el generador es conocido también como
alternador), el mismo que transforma la energía mecánica en eléctrica, a través
del acople entre el eje de la turbina y el rotor del Generador. Su unidad
Energía eléctrica.-
Energía mecánica

2.- Análisis de las centrales Base, Pico y Reserva.
Las CENTRALES DE GENERACIÓN, como parte de un Sistema
Eléctrico, cumplen sus objetivos, si tienen la capacidad para
suplir la demanda y las pérdidas que se producen en el mismo,
es decir satisfacer la curva diaria de carga del sistema al que
sirven.

Curva de duración de carga.- La curva de duración de carga se
construye ordenando de mayor a menor las cargas que se
presentaron en un período de tiempo, normalmente se
consideran días, meses o años, la cual permite una clasificación
de las plantas como: centrales de generación bases, intermedias
y de punta o pico.
200 400 600 800
876
0
Pmax
MW
ENERGIA
PUNTA
ENERGIA BASE
HORAS
CURVA DE DURACION DE LA CARGA

ENERGÍA BASE
ENERGÍA
DE
PUNTA
REGULACIÓN
INTERMEDIA

▪ Centrales de Base o centrales principales
Su función es suministrar energía eléctrica en forma permanente; la
instalación suele estar en marcha durante largos períodos de tiempo y
no debe sufrir interrupciones de la instalación. Este tipo de centrales se
caracterizan por su alta potencia, y generalmente, se trata de centrales
nucleares, térmicas e hidráulicas. Se consideran las más modernas y de
menor costo de operación.
▪ Centrales de Pico o punta
Estas centrales tiene como principal función cubrir la demanda de
energía eléctrica cuando existen picos de consumo, o sea horas de
demanda máxima. Trabajan en espacios cortos de tiempo durante
determinadas horas, su funcionamiento es periódico.
Este tipo de centrales, sirven de apoyo a las centrales de base.

▪ Centrales de Reserva
El concepto de reserva económica implica la disponibilidad de
instalaciones capaces de sustituir, total o parcialmente, a las centrales
de base en las siguientes situaciones: escasez o falta de materias
primas (agua, carbón, fuel-oil, etc.).
El concepto de reserva técnica comprende la programación de
determinadas centrales para reemplazar a las centrales de producción
elevada en el caso de fallas en sus maquinarias.
Las centrales a las que se suele recurrir en esos casos son las turbinas
de gas debido a la rápida capacidad de respuesta.

Capacidad de reserva.-
Para disponer de la capacidad de reserva es necesario que la capacidad
instalada de generación sea superior a la demanda máxima.
La capacidad de reserva puede ser de dos tipos:
Reserva rodante.- Que corresponde a la generación en giro que
sustituye a las centrales que salen de servicio por mantenimiento
correctivo.
Reserva fría.- Que corresponde a la generación que entra en servicio
para sustituir a las centrales en indisponibilidad por mantenimiento
preventivo o correctivo.

Cuando tenemos que abastecer la demanda de energía eléctrica de un
sistema eléctrico, el mismo tiene la característica, tal como se muestra en
la curva de duración de la carga:
Su abastecimiento, se puede dar básicamente mediante 2 alternativas.
200 400 600 800
8760
Pmax
MW
ENERGIA
PUNTA
ENERGIA BASE
HORAS
a) Una sola central de generación.
b) Por lo menos 2 centrales.

2.- Análisis de las centrales de Base, Pico y Reserva.
Esta central eléctrica, debe tener una capacidad nominal ≥ a la
demanda máxima. La central opera con la capacidad nominal
solamente un corto tiempo al año y en el resto del tiempo se
desaprovecha capacidad instalada de generación.
200 400 600 800
8760
Pmax
MW
ENERGIA
PUNTA
ENERGIA BASE
HORAS
a) Una sola central de generación.

Lo más adecuado es suministrar la energía que se requiere, por lo
menos con dos centrales eléctricas.
b.1) La central de base, suministra la energía de base que es
constante y continua durante el año, y se caracteriza por ser de
gran capacidad, elevado costo de inversión y bajo costo de
operación y mantenimiento, por ejemplo las centrales hidráulica y
térmica a vapor son de base.
b.2) La central de punta, para que suministre la energía de punta,
opera pocas horas durante el día y se caracteriza por ser de
pequeña capacidad, bajo costo de inversión y alto costo de
operación y mantenimiento, por ejemplo la central a gas.
La entrada en operación de las centrales se realiza o se administra
mediante una programación o despacho económico.
b) Por lo menos 2 centrales de generación.

FACTORES DE SERVICIO DE LAS CENTRALES ELECTRICAS
Los factores de servicio relacionados con generación de energía
eléctrica son:
• Factor de capacidad de planta,
• Factor de demanda
• Factor de carga.
Factor de capacidad de planta.- Es la relación entre la demanda
media y la capacidad nominal instalada en la central de
generación. Dicho en otras palabras es la energía efectivamente
producida (kWh) en relación a la máxima energía posible que
podría haberse producido, basada en la capacidad instalada, para
un período de tiempo.

Factor de demanda.- El factor de demanda es la relación entre la
demanda máxima y la capacidad instalada de generación.

Factor de carga.- Mide el grado de utilización de la demanda
máxima de la carga conectada.
La potencia media, Pmedia es:
Donde: KWh, energía suministrada en el tiempo T.
Para una central, Qué es conveniente que Factor de carga sea
alto o bajo?
T
KWh
Pmedia =

Para una central, Qué es conveniente que factor de
carga sea alto o bajo?
Para una central eléctrica es favorable que el factor de carga
sea alto, ya que ello indica que su capacidad instalada está
siendo bien aprovechada, la central opera gran parte del
tiempo.

GENERACIÓN.-Datos técnicos de PAUTE INTEGRAL(Mayo 2019)

FACTORES TÉCNICOS DE LAS CENTRALES ELECTRICAS
• Potencia media
• Factor de capacidad
• Factor de operación.
Factor de capacidad.- Representa el grado de
aprovechamiento de una máquina en condiciones de
funcionamiento real. Si es < 1. (No trabaja a plena carga o
sufrió averías, salió en mantenimiento).

FACTORES TÉCNICOS DE LAS CENTRALES ELECTRICAS
• Potencia media
Factor de operación.- Representa el aprovechamiento
estricto de la máquina, eliminando del factor de capacidad
los tiempos de avería.

FACTORES TÉCNICOS DE LAS CENTRALES
ELECTRICAS
• Potencia media
ANÁLISIS DE LOS FACTORES.

GENERACIÓN.-Datos técnicos de PAUTE INTEGRAL
TAREA 1.1 – CENTRALES DE GENERACIÓN ELÉCTRICA G-1
GRUPO __ _______________ ________________ ____________________
El Taller 1.1, consiste en la revisión de información técnica del Proyecto
Hidroeléctrico Paute Integral, disponible en las páginas oficiales de los Agentes
del Sistema Eléctrico Ecuatoriano y presentar:
Ejemplo: www.celec.gob.ec

GENERACIÓN ELÉCTRICA EN ECUADOR.-

2. Análisis de las centrales de Base, Pico y Reserva.
Sistema de Generación en el Ecuador

2. Análisis de las centrales de Base, Pico y Reserva.
Sistema de Generación en el Ecuador
Tabla elaborada,.- Estadísticas del ARCONEL 2016.
SECTOR
Energía consumida Clientes
CONSUMO
PROMEDIO
(Kwh/cliente)
Gwh % No. % Anual Mensual
R 7.104,85 37,60 4.333.914 88,00 1.639 137
C 3.838,26 20,31 470.042 9,54 8.166 680
I 4.778,08 25,28 44.567 0,90 107.211 8.934
AP 1.127,10 5,96 504 0,01 2.236.310 186.359
Otros 2.049,14 10,84 75.825 1,54 27.025 2.252
Total 18.897,43 100,00 4.924.852 100,00

Antes de hablar de los costos anuales de operación, tanto fijos
como variables, los cuales abordaremos cuando se analicen cada
uno de los tipos de centrales en los capítulos siguientes, tenemos:
COSTOS DE LA ENERGÍA

Nos referiremos a los costos internos de operación (propios
del sistema), entre los que tendremos fijos y variables.

Qué nos dice la NORMATIVA ECUATORIANA, referente a:
Costos anuales de operación, fijos y variables.
• https://www.regulacionelectrica.gob.ec/wp-
content/uploads/downloads/2019/09/023-19-Aprob-
An%C3%A1lis-y-Determ-Costos-SPEE-para-periodo-ene-
dic-2020.pdf
• https://drive.google.com/drive/folders/1LEtMkMPdKv9iyqC
p4g_kM8YAmGGDXQ64

En las secciones anteriores se habló en forma general de los tipos de
centrales, entre ellos:
• Centrales Hidroeléctricas
• Centrales Termoeléctricas
MCI.- (energía térmica de combustión).
TURBINAS DE VAPOR.- (vapor de agua producido en una caldera).
TURBINA DE GAS.- (combustión del gas natural).
• Centrales Eólicas
• Centrales Solares fotovoltaicas
• Centrales geotérmicas
• Centrales maretomotrices
• Centrales nucleares (reactores + turbinas de vapor)

EN FORMA RESUMIDA – TRANSFORMACIONES ENERGÉTICAS

RESUMEN – EQUIPOS EMPLEADOS
EN TRANSFORMACIONES ENERGÉTICAS

TAREA 1.2 – CENTRALES DE GENERACIÓN ELÉCTRICA
INTEGRANTES DEL GRUPO: …………… ……………….. …………………
La tarea es GRUPAL y tendrá 2 partes:
• Investigación
• Exposición.

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