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1. GENERACIÓN DE ENERGÍA
ELÉCTRICA
CAPITULO 24

2. DEMANDA DE UN SISTEMA ELÉCTRICO

3.  a. Plantas de potencia base que suministran toda la potencia en todo
momento. Las plantas nucleares y plantas de carbón están
particularmente bien adaptadas para suministrar la demanda base.
 b. Plantas de potencia intermedia que pueden responder relativamente
rápido a cambios de demanda, casi siempre agregando o suprimiendo
una o más unidades de generación. Las plantas hidroeléctricas son muy
adecuadas para este propósito.
 c. Plantas de generación pico que suministran potencia durante
intervalos breves a lo largo del día: Estas plantas se deben poner en
servicio con mucha rapidez. Por consiguiente, están equipadas con
motores primarios tales como motores diesel, turbinas de gas, motores de
aire comprimido o turbinas de almacenamiento y bombeo que se
pueden arrancar en unos cuantos minutos.

5. Ubicación de la planta de generación

6. Tipos de plantas de generación
Plantas de generación térmicas

7. Plantas de generación hidroeléctricas

8. Plantas de generación nucleares

9. Control de equilibrio de potencia entre
generador y carga

10. Ventaja de los sistemas interconectados
 Mejora la estabilidad total, tienen una mayor reserva de
potencia que un sistema que trabaja solo.
 Proporciona una mejor continuidad de servicio
 Es más económico

11. Relojes de frecuencia y eléctricos
 La frecuencia de un sistema fluctúa conforme varía la carga, pero los
gobernadores de turbina siempre la regresan a 60 Hz. Debido a estas
fluctuaciones, el sistema gana o pierde unos cuantos ciclos durante el
día. Cuando la pérdida o ganancia acumulada es de
aproximadamente 180 ciclos, el error se corrige haciendo que todos los
generadores giren más rápido o más lento durante un breve periodo.
 La corrección de la frecuencia se realiza de acuerdo con instrucciones
del centro de despacho. De este modo, una red de 60 Hz genera
exactamente 5 184 000 ciclos en un periodo de 24 horas. Relojes
eléctricos conectados a la red indican el tiempo correcto hasta dentro
de 3 segundos, porque la posición de la segunda manecilla está
relacionada directamente con el número de ciclos transcurridos.

12. Potencia hidroeléctrica disponible

14. Tipos de plantas hidroeléctricas
 Desarrollo de caída alta: tienen caídas de más de 300 m y se
utilizan turbinas Pelton de alta velocidad. Estas plantas de
generación se encuentran en los Alpes y otras regiones
montañosas. La cantidad de agua embalsada generalmente es
pequeña.
 Desarrollo de caída mediana: tienen caídas de entre 30 m y 300 m
y se utilizan turbinas Francis de mediana velocidad. La planta de
generación es alimentada por un enorme embalse de agua
retenido por diques y una cortina. La cortina casi siempre se
construye a través del lecho de un río en una región relativamente
montañosa
 Desarrollo de caída baja tienen caídas de menos de 30 m y se
utilizan turbinas Kaplan o Francis de baja velocidad. Estas
plantas de generación a menudo extraen la energía de las
corrientes de los ríos

15. Composición de una planta hidroeléctrica

16.  Las cortinas hechas de tierra o concreto se construyen a través de
lechos de ríos para crear embalses de almacenamiento.
 Conductos, tuberías de presión y caja espiral. En grandes instalaciones,
los conductos conducen el agua del sitio de la presa a la planta de
generación.
 Tubo de aspiración y canal de descarga. El agua que ha pasado a
través del rotor fluye entonces a través de un canal vertical
cuidadosamente diseñado, llamado tubo de aspiración. Éste mejora la
eficiencia hidráulica de la turbina.
 La central eléctrica contiene los generadores síncronos, transformadores,
cortacircuitos, etc., y aparatos de control asociados. Los instrumentos,
relevadores y medidores están en un cuarto central desde donde toda
la planta puede ser monitoreada y controlada.

17. Eficiencia

18. Composición de una planta
de generación térmica
La estructura básica y los componentes principales de una planta de generación térmica se muestran en
la figura 24.17, y se detallan y describen a continuación.
• Una enorme caldera (1) actúa como horno,
transfiriendo calor del combustible que se quema
a los tubos de agua S1, los cuales rodean por
completo las llamas. Una bomba P1 mantiene
el agua circulando en los tubos.
• Un tanque (2) que contiene agua y vapor a
alta presión produce el vapor requerido por las
turbinas. También recibe el agua suministrada
por la bomba P3 de alimentación de la caladera.
El vapor pasa rápidamente hacia la turbina de
alta presión AP después de haber pasado por el
supe calentador S2. El supercalentador,
compuesto de una serie de tubos que rodean
las llamas, eleva la temperatura del vapor a
unos 200 °C. Este incremento de temperatura
garantiza que el vapor está absolutamente seco
y eleva la eficiencia global de la estación.
• Una turbina de alta presión (AP) (3) convierte la
energía térmica en energía mecánica dejando que el
vapor se expanda conforme pasa a través de sus
aspas. Por consiguiente, la temperatura y presión a la
salida de la turbina son menores que a la entrada.
Para elevar la eficiencia térmica y evitar la
condensación prematura, el vapor pasa a través de
una recalentador S3, compuesto de un tercer juego de
tubos calentados.

19. • La turbina de mediana presión (MP) (4) es
similar a la de alta presión, excepto que es
más grande para que el vapor pueda
expandirse aún más.
• La turbina de baja presión (BP) (5) consta
de dos secciones izquierda y derecha
idénticas. Las secciones de la turbina extraen
la energía restante disponible del vapor (Fig.
24.18). El vapor que fluye hacia afuera de la
turbina de baja presión se expande en un
vacío casi perfecto creado por el condensador
(6).
• El condensador (6) hace que el vapor se
condense dejando que fluya a través de tubos
de enfriamiento S4. En los tubos fluye agua
fría de una fuente externa, como un río o lago,
la cual arrastra el calor. Éste es el vapor
condensado que crea el vacío.
Una bomba de condensado P2 extrae el vapor
condensado tibio y lo dirige a través de un
recalentador (7) hacia una bomba de agua de
alimentación (8).

20. • El recalentador (7) es un intercambiador de calor.
Recibe vapor caliente, purgado de la turbina de
alta presión (AP), para elevar la temperatura del
agua de alimentación. Estudios termodinámicos
indican que la eficiencia térmica global mejora
cuando algo de vapor es purgado de esta manera,
en lugar de dejarlo que siga su curso normal a
través de las tres turbinas.
• Los quemadores (9) suministran y controlan la
cantidad de gas, aceite o carbón inyectada a
la caldera. El carbón es pulverizado antes de
ser inyectado. Asimismo, un espeso aceite es
precalentado e inyectado como un chorro
atomizado para mejorar la superficie de contacto
(y la combustión) con el aire circundante.
• Un ventilador de tiro forzado (10) suministra
las enormes cantidades de aire necesarias
para la combustión (Fig. 24.19).

21. • Un ventilador de tiro inducido (11) conduce los
gases y otros productos de combustión hacia un
aparato de limpieza, y de allí a la chimenea y al
aire externo.
• El generador (G), directamente acoplado a las
tres turbinas, convierte la energía mecánica en
energía eléctrica.
En la práctica, una planta de vapor tiene cientos
de componentes y accesorios más para garantizar
una alta eficiencia, seguridad y economía. Por
ejemplo, válvulas de control regulan la cantidad
de vapor que fluye hacia las turbinas; complejos
purificadores de agua mantienen la limpieza y
composición química requeridas del agua de
alimentación, y bombas de aceite mantienen los
cojinetes adecuadamente lubricados. Sin
embargo, los componentes básicos que
acabamos de describir nos permiten entender la
operación y algunos de los problemas básicos de
una planta térmica.

23. Turbinas
Las turbinas de baja, mediana y alta presión poseen
una serie de aspas montadas en la flecha motriz (Fig.
24.18). El vapor es desviado por las aspas, con lo que
se produce un poderoso par o momento de torsión.
Las aspas están hechas de un acero especial para que
soporten la alta temperatura y las intensas fuerzas
centrífugas.
Las turbinas de AP, MP y BP están acopladas juntas
para propulsar un generador común. Sin embargo,
en algunas instalaciones grandes la turbina de
AP impulsa un generador en tanto que las de MP y
BP impulsan otro de la misma capacidad.

24. Condensador
Hemos visto que casi la mitad de la energía producida
en la caldera tiene que ser extraída del vapor cuando
éste sale hacia el condensador. Por consiguiente, se requieren
enormes cantidades de agua de enfriamiento
para eliminar el calor. Por lo general, la temperatura
del agua de enfriamiento se incrementa de 5 a 10 °C a
medida que fluye por los tubos del condensador. El vapor
condensado generalmente tiene una temperatura
entre 27 y 33° y la presión absoluta correspondiente
muy cerca del vacío de aproximadamente 5 kPa. La
temperatura del agua de enfriamiento es de sólo unos
cuantos grados por debajo de la temperatura de condensado
(vea la figura 24.20).

25. Torres de enfriamiento
En el caso de una planta térmica, el agua caliente de
enfriamiento que sale del condensador es canalizada a
la parte superior de una torre de enfriamiento (Fig.
24.21), donde se descompone en pequeñas gotas. Conforme
las gotas caen hacia el depósito abierto de abajo,
ocurre la evaporación y las gotas se enfrían. El agua fría
es bombeada del depósito y redistribuida a través del
condensador, donde otra vez elimina el calor del vapor
pequeña porción consumida debido a las pérdidas en
el motor y la bomba.

26. Bomba de alimentación de la caldera
Impulsa el agua hacia el tanque de alta presión. La alta contrapresión junto con el gran volumen de
agua que fluye a través de la bomba hacen que sea necesario impulsarla mediante un motor muy
poderoso. En plantas de vapor modernas la potencia de bombeo representa aproximadamente el 1
por ciento de la salida del generador. Aunque ésta parece una pérdida significativa, hay que
recordar que la energía consumida en la bomba se recupera más tarde, cuando el vapor a alta
presión fluye a través de las turbinas. Por consiguiente, la energía suministrada al motor de la
bomba de alimentación en realidad no se pierde, excepto por la 24.24 muestra este modelo que
produce 12 MW de potencia eléctrica. Con este modelo podemos estimar las características de
cualquier planta de potencia térmica. Por ejemplo, una planta de 480 MW (40 veces más poderosa
que el modelo) tiene las siguientes características aproximadas:
Salida de potencia
eléctrica 40 × 12 MW 480 MW
Consumo de carbón 40 × 1 kg/s 40 kg/s

27. (Fig. 24.25). Está equipada con un
sistema de limpieza de gas de combustión
con filtros de tela
(Fig. 24.26). Los filtros de tela actúan
como enormes aspiradoras para eliminar
partículas de la corriente de gas de
combustión de la caldera. El filtro de tela
para cada caldera se compone de 48 000
bolsas filtrantes, cada una de 15 m de
largo y 16 cm de diámetro.
(Fig. 24.27). Cuando una
caldera opera a plena
capacidad, las bolsas
capturan partículas de
polvo a razón de 28 kg/s.

28. Diagrama de flujo de energía para una planta de vapor
Las modernas plantas de generación térmicas son muy similares en todo el mundo porque todos los
Diseñadores hacen lo posible por conseguir una alta eficiencia al costo más bajo. Esto significa que los
materiales son forzados a los límites de seguridad en cuanto a temperatura, presión y fuerzas centrífugas.
Debido a que los mismos materiales están disponibles para todos, las plantas de vapor resultantes son
necesariamente similares.
La figura 24.22 muestra un conjunto de turbina-generador típico de 540 MW, y a figura 24.23 es una
vista del cuarto de control.

29. Plantas térmicas y medio ambiente
Los productos de combustión de las plantas de generación térmicas son un tema de preocupación
creciente, debido a su impacto en el ambiente.
El bióxido de carbono (CO2), el bióxido de azufre (SO2) y el agua son los principales productos de
combustión cuando se quema aceite, carbón o gas. El bióxido de carbono y el agua no producen
efectos ambientales inmediatos, pero el bióxido de azufre crea sustancias que producen lluvia ácida.
El polvo y la ceniza suelta son otros contaminantes que pueden alcanzar la atmósfera. El gas
natural produce sólo agua y sólo un reacomodo de los átomos, sin afectar de ninguna manera sus
núcleos. Una planta nuclear es idéntica a una térmica, excepto que la caldera es reemplazada por
un reactor nuclear. El reactor contiene el material fisionable que genera el calor. Así, una planta
nuclear contiene un generador síncrono, una turbina de vapor, un condensador, etc., similares a los
encontrados en una planta térmica convencional. La eficiencia total también es similar (entre 30 y
40 por ciento), y debe contar con un sistema de enfriamiento.
Del mismo modo, en la naturaleza se encuentran dos isótopos de uranio: uranio 238 (238U) y uranio 235
(235U). Cada uno contiene 92 protones, pero el 238U tiene 146 neutrones y el 235U tiene 143. El uranio
238 es muy común, mientras que el isótopo 235U es raro. El uranio 235 y el agua pesada merecen nuestra
atención porque ambos son esenciales para la operación de los reactores nucleares que estamos a punto
de estudiar.

30. Composición de un núcleo atómico; isótopos
El núcleo de un átomo contiene dos tipos de partículas: protones y neutrones. El protón tiene una
carga positiva, igual a la carga negativa de un electrón. El neutrón, como su nombre lo indica, no
tiene carga eléctrica. Por lo tanto, los neutrones no son atraídos ni repelidos por protones y
electrones.

31. La fuente de uranio
¿De dónde viene el uranio? Se obtiene del mineral encontrado en minas de uranio. Este mineral
contiene el compuesto U3O8 (3 átomos de uranio y 8 átomos de oxígeno). Sucede que el U3O8 en
realidad está compuesto de 238UO8 y 235UO8 en la proporción relativamente precisa de 1398:10.
El proceso de convertir mineral de uranio en estos derivados de uranio se muestra en una forma
sumamente simplificada en la figura 24.28.

32. Energía liberada por fisión atómica
Cuando el núcleo de un átomo se fisiona, se divide en dos. Por lo general, la masa total de los dos átomos
formados de este modo es menor que la del átomo original. Si existe una pérdida de masa, se libera
energía de acuerdo con la ecuación de Einstein:
Se libera una enorme cantidad de energía porque, de acuerdo con está fórmula, una pérdida de masa
de un solo gramo produce 9 3 1013 J, lo cual equivale al calor emitido por la combustión de 3 mil
toneladas de carbón. El uranio es uno de esos elementos que pierden masa cuando se fisionan. Sin
embargo, el uranio 235 es fisionable, mientras que el uranio 238 no lo es, por lo que se han construido
grandes plantas de separación para aislar moléculas que contienen 235U de aquellas que contienen
238U.

33. Cuando inicia la reacción en cadena, la temperatura aumenta con rapidez. Para mantenerla a un nivel
aceptable, tiene que fluir rápidamente un líquido o gas a través del reactor para absorber el calor. Este
refrigerante puede ser agua pesada, agua ordinaria, sodio líquido o un gas como helio o bióxido de
carbono. El refrigerante caliente se mueve en un circuito cerrado que incluye un intercambiador de calor.
Este último transfiere el calor a un generador de vapor que impulsa las turbinas (Fig. 24.29).

34. Tipos de reactores nucleares
Existen varios tipos de reactores, pero los siguientes son los más importantes:
1. Reactor de agua a presión (PWR, por sus siglas en inglés). Se utiliza agua como
refrigerante y se mantiene a una presión tan alta que no puede hervir y convertirse en vapor.
Se puede utilizar agua ordinaria, como en los reactores de agua ligera, o agua pesada, como
en los reactores CANDU.*
2. Reactores de agua hirviente (BWR, por sus siglas en inglés). El refrigerante en este reactor
es agua ordinaria que hierve a alta presión y libera vapor. Esto elimina la necesidad de un
intercambiador de calor, porque el vapor circula directamente a través de las turbinas. Sin
embargo, como en todos los reactores de agua liviana, se puede utilizar bióxido de uranio
enriquecido que contenga aproximadamente 3 por ciento de 235U.
3. Reactor de gas a alta temperatura (HTGR, por sus siglas en inglés). Este reactor utiliza un
refrigerante de gas inerte, como helio o bióxido de carbono.
4. Reactor de alimentador rápido (FBR, por sus siglas en inglés). Este reactor tiene la
extraordinaria capacidad de generar calor y crear combustible nuclear adicional mientras está en
operación.

35. Ejemplo de un reactor de agua ligera
Los reactores que utilizan agua ordinaria como moderador son similares a los que utilizan agua pesada,
pero el combustible de bióxido de uranio tiene que ser enriquecido. Enriquecimiento significa que los
haces de combustible contienen entre 2 y 4 por ciento de 235U, y que el resto es 238U. Esto permite
reducir el tamaño del reactor para una salida de potencia dada. Por otra parte, el reactor se tiene que
apagar aproximadamente una vez al año para reemplazar el combustible consumido.
Una planta de energía nuclear típica (Figs. 24.30 y 24.31) posee un reactor de agua ligera.

36. Ejemplo de un reactor de agua pesada
con reactores CANDU.
Sala de control
Gestión de
combustible
Refrigerante
Agua pesada
Combustible
uranio
Barras de
control
Maquina de
combustible
Moderador
Agua pesada
Condensador
Agua fría en el
condensador
Red
Eléctrica
Transformador
Generador
Eléctrico
Turbina
de Vapor
Agua
Vapor
Blindaje
Núcleo del
reactor
Caldera
generador
de vapor

37. 8 reactors
12 intercambiadores de calor
12 bombas impulsadas por un motor de
1100kW
8 turbinas de vapor
Cada turbina impulsa un alternador
trifásico de 635 MVA, factor de potencia
de 85 por ciento, 24 kV, 1800 rev/min y
60 Hz

38. Este proceso se puede repetir hasta que se
extrae casi el 80 por ciento de la energía
disponible en el uranio. Esto es mucho más
eficiente que el 2 por ciento que ahora es
extraído por reactores convencionales.
El reactor de alimentador está particularmente
bien adaptado para complementar a los
reactores de agua ligera existentes.
Principio del reactor de
alimentador rápido Fusión nuclear
Trata de producir calor mediante la fusión de
dos elementos, y la bomba de hidrógeno es un
ejemplo de este principio. Por desgracia, se
presentan problemas casi insuperables al tratar
de controlar la reacción de fusión, como se
hace en un reactor nuclear.
Básicamente, los científicos aún no pueden
confinar y controlar partículas de alta velocidad
sin desacelerarlas al mismo tiempo.

39. PLANTAS DE GENERACIÓN EÓLICAS
 La energía eólica consiste en convertir la energía
que produce el movimiento de las palas de un
aerogenerador impulsadas por el viento en energía
eléctrica.
 La energía eólica sigue siendo la tecnología más
eficiente para producir energía de forma segura y
ambientalmente sostenible: sin emisiones,
autóctona, inagotable, competitiva y creadora de
riqueza y empleo.
Propiedades del viento
El viento posee energía
debido a su masa y
velocidad.
Potencia inherente del viento está
dada por la fórmula aproximada:

40. Potencia máxima que se puede extraer del viento es de 30 a 40% de la que resultó
mediante la ecuación anterior.

41. Producción de la potencia eólica.
Se utilizan principalmente cinco métodos para generar electricidad a partir del viento:
1. Turbina que impulsa un generador de cd.
2. Turbina que impulsa un generador asíncrono a velocidad constante
3. Turbina que impulsa un generador asíncrono a velocidad variable.
4. Turbina que impulsa un generador de inducción doblemente alimentado a
velocidad variable.
5. Turbina que impulsa un generador de imán permanente a velocidad variable.

42. Turbina eólica que impulse un generador de cd.
(1) Molino de viento simple soportado por un
alto mástil (2) que impulsa un generador de cd
(4). La caja de velocidades (3) multiplica 20 o 30
veces la velocidad del molino de viento, lo que
permite utilizar un generador relativamente
pequeño.
La energía suministrada por el generador es
almacenada en una batería (5), la cual actúa
como fuente de
potencia continua y confiable para la carga de cd
(6). La carga puede constar de unas cuantas
lámparas de 12 volts y un convertidor de cd/ca
para accionar un aparato de televisión.

43. Turbina que impulse un generador asíncrono a
velocidad constante.
Turbina eólica commercial (1) que impulsa un generador de inducción de jaula de ardilla (4) por
medio de una caja de velocidades (3). El estator del generador está conectado a la red de energía (7)
de la compañía de electricidad por medio de un transformador elevador (6). Como resultado, el flujo
magnético en el estator gira a una velocidad sincrónica correspondiente a la frecuencia de la red, y el
rotor gira un poco más rápido.
La potencia reactiva absorbida por el generador es suministrada por los capacitores (5).
La potencia de los
generadores asincrónicos
oscila entre 100 y 800 kW.

44. Turbina que impulse un generador asíncrono a
velocidad variable.
Estator del generador de inducción de jaula de ardilla está conectado a un convertidor (5) que genera una
frecuencia variable. Por consiguiente, la velocidad sincrónica del generador se puede variar a voluntad.
Se cambia de acuerdo con la velocidad del viento (capturada mediante un anemómetro) y de modo que
se extraiga la máxima cantidad de energía disponible. De hecho, imponiendo una velocidad óptima al
generador de inducción, automáticamente imponemos la velocidad óptima a la turbina eólica. El
convertidor (5) absorbe la potencia activa PT suministrada por la turbina y, al mismo tiempo, suministra
la potencia reactiva absorbida por el generador. El enlace de cd de voltaje constante entre el convertidor
(5) y el convertidor (6) transfiere la potencia activa al convertidor (6), donde es transformada en potencia
trifásica de 60 Hz (o de 50 Hz), y de allí a la red de la compañía de electricidad.

45. Turbina que impulse un generador de inducción
doblemente alimentado.
Turbina eólica que impulse un generador de inducción de
rotor devanado (4) mediante una caja de velocidades (3). Un
transformador (7) reduce el voltaje EG de la red de la
compañía de electricidad a un voltaje Es menor. El
convertidor (6) transforma el voltaje de línea en un voltaje de
cd Ed constante. Puede fluir potencia del lado de ca al lado
de cd del convertidor y viceversa. El convertidor (5)
transforma el voltaje de cd Ed en un voltaje ER cuya
magnitud, frecuencia, desplazamiento de fase y secuencia de
fase se pueden variar a voluntad. El estator del generador de
inducción de rotor devanado está conectado directamente a la
línea de potencia cuya frecuencia f es de 50 o 60 Hz. Por lo
tanto, el voltaje ES del estator y su frecuencia son iguales
que los del voltaje de línea. El rotor está conectado a un
convertidor (5) en el que se puede variar el voltaje de salida
trifásico ER y la frecuencia f2.

46. Turbina que impulse directamente un alternador
de imán permanente.
Turbina eólica conectada directamente a un alternador de imán permanente. La frecuencia f1 generada
por el convertidor (4) impone la velocidad de rotación óptima al generador La propulsión directa tiene
la ventaja de eliminar la caja de velocidades. Sin embargo, como la velocidad de la turbina es del orden
de 30 r/min o menos, el alternador tiene que ser mucho más grande que si estuviera diseñado para
funcionar, digamos, a 1200 r/min. No obstante, el alternador de imán permanente no requiere escobillas
y las pérdidas en el rotor son nulas.

47. Ejemplos de plantas de generación eólicas.
Cerro de Hula Parque
Eólico.
Cuenta con una potencia
para el periodo 2020-2021
de 126 MW y está
conformado por 63
aerogeneradores, lo que lo
posiciona como el parque
eólico más grande de
Centroamérica.
Su generación representa
el 4.7% de la demanda
energética del país y evitó
la emisión de 265,600
tonelada de CO2.