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DESARROLLO DEL PROGRAMA:
GENERACIÓN DE ENERGÍA
ELÉCTRICA MEDIANTE FUENTES
ALTERNAS EN LA CARRERA DE
INGENIERÍA ELÉCTRICA.
Martín Castillo Sánchez Ma. De Jesús Velázquez Vázquez
Juan Daniel Rivas Martínez
Eje Temático:
Noviembre2016
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DESARROLLO DEL PROGRAMA: GENERACIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA
MEDIANTE FUENTES ALTERNAS EN LA CARRERA DE INGENIERÍA ELÉCTRICA
Castillo Sánchez Martín, Velázquez Vázquez Ma. De Jesús, Rivas Martínez Juan
Daniel.
Instituto Politécnico Nacional, ESIME Z. Unidad Profesional “Adolfo López Mateos”,
Col. Lindavista, C.P. 07738, Delegación Gustavo A. Madero, D.F. Edif. 2, Cubículo
2101, Academia de Mecánica.
Aportes teóricos y metodológicos a la construcción del campo de la EAS
RESUMEN El presente trabajo presenta la propuesta e impartición del programa desarrollado
para la materia de ingeniería eléctrica en una escuela de educación superior, dicho
programa se propuso como materia de tópicos en le carrera mencionada, fue
aprobado e impartido en el ciclo educativo 2015-2016, se presentó una gran
demanda por parte de los estudiantes de los dos semestres terminales de la carrera,
al concluir el ciclo, el 98% de los estudiantes termino su trabajo de titulación,
presentándose trabajos que abarcaron las áreas de generación de energía eléctrica
mediante paneles fotovoltaicos para solucionar problemáticas en diferentes lugares,
generación mediante sistemas eólicos, generación con biogás, utilización de
hidrogeno como combustible para generar energía eléctrica en un vehículo
automotor, centrales minihidráulicas aplicadas a satisfacer a comunidades rurales,
así como sistemas para ahorrar energía en casas habitación y negocios.
Palabras Clave: Energías alternas, fuentes renovables, fotovoltaico, aerogeneración,
biogás, celdas de hidrógeno, minihidráulica.
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ABSTRACT
This paper presents the proposal and delivery of the program developed for the field
of electrical engineering at a school of higher education, the program was proposed
as a matter of topics in her career mentioned, was approved and taught in the
education cycle 2015-2016 is presented a great demand from students of the two
terminals semesters of the race, at the end of the cycle, 98% of students finish their
degree, presenting works covering the areas of power generation using photovoltaic
panels solve problems in different places, generation by wind systems, generation
with biogas, use of hydrogen as fuel to generate electricity in a motor vehicle, mini-
hydraulics plants applied to satisfy rural communities and systems to save energy in
dwellings and businesses.
Key words: alternative energy, renewable, photovoltaic, wind generation, biogas,
hydrogen fuel cells, small hydraulics
INTRODUCCIÓN
El sector de Energías Renovables (ER) está constituido por todas las formas de
energía que se renuevan de forma continua. Algunas de éstas son: el sol, el viento,
el agua, la biomasa y el calor proveniente del núcleo de la Tierra.
Eólica: es la energía del viento transformada en energía mecánica o eléctrica.
Solar: la energía proveniente de la radiación del sol, se divide, de acuerdo a la
tecnología utilizada, en: Fotovoltaica: es la transformación de la radiación solar en
electricidad a través de paneles, celdas, conductores o módulos fotovoltaicos,
elaborados principalmente de silicio y formados por dispositivos semiconductores.
Solar de alta concentración: paneles parabólicos que concentran la radiación solar
para transformarla en energía eléctrica.
Hidráulica: es la generación de electricidad a partir de la energía producida por el
agua que corre al salvar el desnivel natural o artificial existente entre dos puntos.
4
Biomasa: es la energía que se obtiene de residuos animales y vegetales. Como
energético, la biomasa se puede aprovechar de dos maneras: quemándola para
producir calor o transformándola en combustible (sólido, líquido o gaseoso).
En 2012, la capacidad instalada para la generación de energía eléctrica con fuentes
renovables fue de 14,501 MW7, de los cuales, el 86% son para servicio público y el
14% para permisionarios. Se estima que para 2026, se alcanzará una capacidad total
instalada superior a 30,000 MW8 para la generación de electricidad a partir de ER.
Se prevé un incremento de 20,544 MW (2012-2026) en la capacidad instalada
existente, liderado por las energías eólica e hidráulica con una participación de 59 y
28% respectivamente. Este pronóstico incluye las modalidades de servicio público,
autoabastecimiento y generación distribuida. Para satisfacer la demanda total de
energía eléctrica a 2026, la CFE estima un incremento de 44,532 MW9 en el Sistema
Eléctrico Nacional (SEN). El sector público planea instalar 8,531 MW en ER, lo que
representa el 19.2% del total nacional de la red eléctrica. El país tiene 253 centrales
en operación y en construcción para la generación de energía eléctrica con fuentes
renovables. Los proyectos de ER tienen presencia en el 90% de las entidades
federativas del país; sin embargo, Oaxaca y Veracruz son los estados con mayor
número de proyectos, eólicos y de bioenergía respectivamente.
México cuenta con una capacidad de 5,951 MW, tomando en cuenta las centrales en
operación y en construcción. Los estados de Oaxaca, Baja California, Tamaulipas y
Veracruz concentran cerca del 75% de la capacidad. Es importante señalar que por
ley, la participación privada en proyectos hidroeléctricos sólo se permite en aquellos
con capacidad instalada de hasta 30 MW. México cuenta con una capacidad de
5,951 MW, tomando en cuenta las centrales en operación y en construcción. Los
estados de Oaxaca, Baja California, Tamaulipas y Veracruz concentran cerca del
75% de la capacidad. Es importante señalar que por ley, la participación privada en
proyectos hidroeléctricos sólo se permite en aquellos con capacidad instalada de
hasta 30 MW.
La capacidad instalada de energía eólica en operación alcanzó los 1,289 MW en
2012, de los cuales sólo el 7% es operado por la CFE, mientras que el resto es
operado a través de permisionarios bajo esquemas de autoabastecimiento,
5
pequeños productores y productores independientes. México cuenta con una
capacidad instalada de 36.8 MW en proyectos solares fotovoltaicos, principalmente
en aplicaciones de electrificación rural e industrial. Actualmente se encuentran en
construcción diferentes proyectos, que tendrán una capacidad instalada total de
141.66 MW. En 2012, se registraron más de 62 proyectos en operación para la
cogeneración y autoabastecimiento de energía eléctrica. La bioenergía cuenta con
una capacidad instalada en operación de 645 MW, de los cuales 598 MW provienen
de bagazo de caña y el resto de biogás (SENER, ProMéxico. 2013).
Para el Ingeniero Electricista es muy importante, conocer el funcionamiento, diseño y
operación de los diferentes sistemas de generación de energía eléctrica existentes
en nuestro país y en el mundo entero, para poder competir y desarrollar fuentes
renovables de generación de energía eléctrica que nos proporcionen una vida útil y
de progreso. En México se comienza a implementar tecnología en materia de
energías renovables (a partir del viento, del sol y de la biomasa), lo cual es un factor
importante para evitar el deterioro ambiental y un instrumento útil en la búsqueda de
un desarrollo sustentable. La producción de energía eléctrica a partir de fuentes
renovables (ER) requiere conocimiento de las mismas, sistemas flexibles de
contratación, condiciones comercialmente atractivas para generadores privados en la
venta de electricidad a terceros, un acceso continuo y no discriminatorio a las redes
de transmisión y distribución, el involucramiento de empresarios y de empresas
privadas, universidades y centros de investigación (E. Lorenzo, 2014, Corrado Magrí,
2011),
Diferentes tecnologías como la energía solar, eólica, o de la biomasa, por mencionar
sólo algunas, son promisorias como fuentes alternas de energía, pero requieren de
un considerable impulso en investigación para que puedan ser tecnológicamente
aprovechables en gran escala y económicamente accesibles. Este desarrollo sólo
puede llevarse a cabo si el Ingeniero Electricista, desde su formación, va creando no
sólo una conciencia sobre la importancia del desarrollo sustantivo de estas fuentes
alternas de energía, sino que también se prepare con los conocimientos y
habilidades necesarios para la innovación, construcción, instalación y mantenimiento
de sistemas y dispositivos que aprovechen tales tecnologías. La consistencia del
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programa radica en la secuencia lógica de sus temas, empezando por el estudio del
aprovechamiento de la energía solar que de algún modo, es el origen de todas las
demás; se continúa con el análisis de la energía eólica o de los vientos; la energía de
la biomasa y la producción de biogás que son fuentes alcanzables aun para
pequeñas comunidades rurales, como también lo son la minihidráulica y
microhidráulica; y así mismo, el aprovechamiento de la energía contenida en el mar y
los océanos, para terminar con una introducción a una fuente de alta tecnología y en
pleno proceso de desarrollo como lo es el de las celdas de combustible de hidrógeno
(Solís García, 2012, Baca Urbina, 2000).
DESARROLLO UNIDAD DE APRENDIZAJE: Tópicos selectos de Ingeniería: Generación de energía
eléctrica mediante fuentes alternas
PROPÓSITO GENERAL
Desarrollar un anteproyecto para la manufactura de un prototipo de ingeniería que
sirva para la solución de un problema especifico donde aplique los conocimientos
adquiridos en las unidades de aprendizaje previamente cursadas considerando sus
inquietudes personales, innovando procesos o sistemas dentro de un área en
particular de la ingeniería eléctrica, realizando al mismo tiempo un estudio de
factibilidad, desarrollo económico, sustentabilidad con el medio ambiente y la
innovación de soluciones tecnológicas en el contexto de la unidad de aprendizaje.
OBJETIVO GENERAL
Desarrollar un anteproyecto para la generación de energía eléctrica utilizando alguno
de los diversos métodos de obtención de la misma a partir de fuentes renovables
como son la energía solar, energía eólica, biomasa, biogás, hidráulica, maremotriz y
celdas de hidrógeno tomando en cuenta sus ventajas y desventajas
7
CONTENIDOS:
I. Metodologías y técnicas de investigación
II. Energía eléctrica fotovoltaica, solar, aerogenerada
III. Energía eléctrica obtenida de biomasa y biogás, celdas de hidrógeno
IV. Energía maremotriz, minihidráulica y microhidráulica
IV. Conformación del anteproyecto
Tiempos asignados
Horas teoría/semana: 1.5
Horas práctica/semana: 3
Horas teoría/semestre: 27
Horas práctica/semestre: 54
Horas totales/semestre: 81
Descripción de las unidades de aprendizaje
I. Metodologías y técnicas de investigación
Contenidos Metodología de la investigación
Métodos y técnicas de identificación y recolección de información
Normatividad y legislación vigente
Plan de trabajo (cronograma)
Estructura de objetivos (general y específico), metas y estrategias.
Elementos para plantear una justificación
Elaboración del marco general (índice).
Panorama general de la generación de energía mediante fuentes alternas.
Total de horas: 6
8
II. Energía eléctrica fotovoltaica, solar, aerogenerada
Contenidos Energía solar, evaluación del recurso solar, colectores y concentradores solares,
aplicaciones de la energía solar
Celdas fotovoltaicas, almacenamiento
Energía Eólica y el recurso eólico, clasificación de sistemas de aprovechamiento
eólico, evaluación del potencial eólico, aplicaciones de la energía eólica
Cálculo y selección de aerogeneradores
Aspectos económicos de la generación de energía eléctrica eólica
Total de horas: Teoría 9.0 Práctica: 18
III. Energía eléctrica obtenida de biomasa y biogás, celdas de hidrógeno
Contenidos Biomasa y biomasa para usos energéticos, procesos y aplicaciones, biogás,
digestores anaeróbicos, proceso de digestión anaeróbica, criterios de diseño de una
planta de biogás y operación de un sistema de biogás.
Aplicaciones tecnológicas del biogás en la producción de energía eléctrica
El hidrógeno y usos energéticos del hidrógeno
Fuentes de hidrógeno, celdas de combustible de hidrógeno, Principios de operación,
tecnología y aplicaciones en ingeniería eléctrica
Total de horas: Teoría 5.0 Práctica: 12
IV. Energía maremotriz, minihidráulica y microhidráulica
Contenidos Recursos Hidráulicos, Minihidráulica y Microhidráulica, aplicaciones y tecnología,
economía y su aprovechamiento, desarrollo y aplicaciones actuales.
La energía del mar, energía mareomotriz, energía de las olas.
Tecnología maremotriz y equipos, aplicaciones en generación de energía eléctrica
9
Total de horas: Teoría: 7.0 Práctica: 12
V. Conformación del anteproyecto.
Contenidos
Alternativas de solución y selección de la metodología técnica más viable y su
implementación.
Planteamiento de objetivos y justificación del proyecto.
Factibilidad del anteproyecto (técnico-económico, social, ambiental y comercial),
según el caso.
Desarrollo del anteproyecto y elaboración de carpetas técnica y económica.
Total de horas: Práctica: 12
En la tabla 1, se muestra la Relación de Prácticas.
BIBLIOGRAFÍA
Las referencias sugeridas para consulta en este curso se enlistan a continuación.
1 O. Perpiñán, A. Colmenar y M. Castro (2012). Diseño de Sistemas Fotovoltaicos.
España: Ed. CENSOLAR.
2 N. Martín (2011). Integración de la Energía Fotovoltaica en Edificios. España:
Ed. CENSOLAR.
3 E. Lorenzo (2014). Ingeniería Fotovoltaica. España: Ed. CENSOLAR.
4 Gurevich Yuri (2010). Fenómenos de contacto y sus aplicaciones en celdas
solares. México: Ed. FCE (Fondo de Cultura Económica).
5 Corrado Magrí (2011). Manual de energía eólica. España: Bubook.
6 Miguel Villarrubia (2009). Energía Eólica. España: Ed. CEAC.
10
7 Paul Harris, Bamenda (2009), Biogas Notes, Sponsored by The Crawford Fund,
Supported by AFEST. Australia: The University of Adelaide and IOBB.
8 PUJA (2011). Appropriate Technology Sourcebook, Energy: Biogas. England:
Ed. Villageearth.
9
Omar Solorza Feria, Elvira Ríos Leal, y Héctor M. Poggi Varaldo (2009).
Energías renovables biológicas- hidrógeno - pilas de combustible. Estado de
México. México: Ed. Libros de Ciencia y Tecnología N° 1, Tecnológico de
Estudios Superiores de Ecatepec.
10 Jesús Solís García (2012). Hidrogeno y Energías Renovables. México: Ed.
Trillas.
11 Rifkin Jeremy (2012). Economía del hidrogeno, la creación de la red energética
mundial y la redistribución del poder en la tierra. España: Ed. PAIDOS.
12 Baca Urbina Gabriel (2000). Evaluación de Proyectos. México: Mc. Graw Hill.
13 Bunge, Mario (1989). La ciencia. Método y Filosofía. México. Editorial Nueva
Imagen.
14 Eco, Humberto (2001). Cómo se hace una tesis. Técnicas y procedimientos de
investigación, estudio y escritura. Barcelona: Editorial Gedisa.
15 Bunge Mario (2002). La investigación científica. México: Editorial Siglo XXI.
16 Krick, E. V. (1998). Introducción a la ingeniería y al diseño en ingeniería. México,
D. F. Limusa, Noriega Editores.
17
Travis Bradford (2006). The economic Transformation of the global Energy
Industry. London England: Cambridge Massachusetss.
18 Considine, Douglas (2008). Tecnología de las energías solar, hidráulica,
geotérmica y combustibles químicos. México-Barcelona: Marcombo.
19 Fulford, David (1988). Running a biogas programme. Gran Bretaña: Intermediate
Technology Publications.
11
20 Mandujano, Ma. Isabel y otros. (2009). Biogás, energía y fertilizantes a partir de
desechos orgánicos. México: OLADE-I.I.E.
21 Ristinen, Robert A. / Jack J. Kraushaar. (2005). Energy and the Environment.
NY: Editorial Willey and sons.
RESULTADOS Inicialmente se inscribieron 60 alumnos, finalmente el grupo se conformo con 42
alumnos, los cuales presentaron los siguientes trabajos finales:
• Simulación e implementación de un inversor de CC-CA, alimentado por
fuentes de generación eléctrica alternas, controlado por PWM.
• Selección de una planta generadora mini hidroeléctrica para el abastecimiento
de energía eléctrica, al poblado de santo domingo Tehuantepec en el estado
de Oaxaca.
• Calculo y selección de celdas fotovoltaicas para alimentar una casa Habitación
con local comercial.
• Implementación de aerogeneradores para el abastecimiento de energía
eléctrica en Huazalingo estado de Hidalgo.
• Implementación de paneles solares a una casa habitación en Netzahualcóyotl
estado de México.
• Generación de energía eléctrica a través de un biodigestor en la comunidad
Álvaro Obregón en Oaxaca.
• Generación de energía eléctrica a partir de hidrogeno obtenido por medio de
electrolisis para su uso en un automotor.
• Diseño de una mini central hidroeléctrica en la zona agrícola y ganadera la
Mezquitera estado de Morelos.
• Iluminación por medio de energía fotovoltaica del centro histórico puerto
príncipe Haití denominado Champ de Mars
12
• Proyecto de cálculo y selección de un sistema eólico para abastecer de
energía eléctrica al municipio de Villa González Ortega en el estado de
Zacatecas.
• Implementación de un sistema fotovoltaico a las oficinas de la empresa
COMIP Contratistas S.A de C.V. ubicada en el distrito federal.
• Obtención de energía eléctrica utilizando fotodiodos
• Electrificación de una casa rural mediante celdas fotovoltaicas.
• Generación de energía eléctrica por medio de baldosa piezo eléctrica para
alimentar un sistema de iluminación de bajo consumo energético.
De estos trabajos finales tres no resultaron viables o bien fundamentados, por lo cual
no se acepto su consecución para titulación.
CONCLUSIONES
El programa de tópicos en generación de energía eléctrica mediante fuentes
alternas, fue un éxito, implico la mayor cantidad de estudiantes que un tópico pudiera
atraer.
Las tesis presentadas abarcaron toda la gama de temas propuestos en el programa.
Los estudiantes de ingeniería eléctrica crearon conciencia sobre la importancia de
explotar este tipo de fuentes de generación, así también, los profesores de la misma
adquirieron una visión nueva sobre la implementación de generadores de energía
eléctrica mediante fuentes no contaminantes.
De los trabajos presentados, algunos se implementaron en la práctica.
Los alumnos que concluyeron el curso y se graduaron con tesis en las cuales se
aplicaron en casos reales las fuentes de generación de energía mediante fuentes
alternas no contaminantes, cambiaron drásticamente su visión en torno al respeto y
13
la protección al medio ambiente, esto basado en el hecho de que, estas fuentes
evitan la quema de combustibles fósiles las cuales emiten cientos de toneladas de
gases contaminantes al medio ambiente, las cuales se evitaran al utilizar las
energías alternas.
Los alumnos ya formados como ingenieros, saben que en cualquier demanda de
energía eléctrica tienen varias opciones no contaminantes que pueden implementar,
sin que estas contaminen el medio ambiente.
REFERENCIAS Secretaria de Economía, ProMéxico, energías renovables, unidad de inteligencia de
negocios, mayo de2013,
file:///e:/energias%20renovablesii/130726_ds_energias_renovables_es.pdf,
consultado 5 de mayo del 2015.
Lorenzo E. (2014). Ingeniería Fotovoltaica. España. Ed. Censolar.
Corrado Magrí (2011). Manual de energía eólica. España. Ed. Bubook.
Solís García Jesús (2012). Hidrógeno y Energías Renovables. México. Ed. Trillas.
Baca Urbina Gabriel. (2000). Evaluación de Proyectos. México. Mc. Graw Hill.
Tabla 1. Relación de Prácticas
Práctica
no.
Nombre
de la práctica
Unidades
temáticas Duración
Lugar
de
realización
1
2
3
4
5
6
7
8
9
Colectores solares
Celdas fotovoltaicas
Energía Eólica I
Energía eólica II
Biogás I
Biogás II
Minihidráulica
Microhidráulica
Maremotriz
II
II
II
II
III
III
IV
IV
IV
3.0
3.0
3.0
3.0
3.0
3.0
3.0
3.0
3.0
Todas las prácticas se
realizaran en el laboratorio de
resistencia de materiales y
mecánica.
Total de horas 27