Propuesta de mejora basada en el cálculo exergoeconómico del grupo electrógeno de Barredera

Avenida XX Aniversario, Vía Guardalavaca, Piedra Blanca, Holguín, Cuba. Telf. 48 2501- 48 2380 www.uho.edu.cu Resumen En el presente trabajo se hace una breve exposición de las características generales de los Grupos electrógenos, así como las específicas de la central eléctrica diesel de Barrederas que será el objeto de estudio, además se muestran los resultados del análisis termoeconómico, cuyo objetivo general es la propuesta de acciones para mejorar el costo exergo económico del proceso energético que tiene lugar en el mismo para lo cual se tiene en consideración la metodología para la aplicación del análisis exergético, la eficiencia exergética y costo exergético unitario. Para el desarrollo del trabajo se utilizaron los métodos de investigación teóricos: histórico-lógico, análisis y síntesis y empíricos: la revisión de documentos.

Avenida XX Aniversario, Vía Guardalavaca, Piedra Blanca, Holguín, Cuba. Telf. 48 2501- 48 2380 www.uho.edu.cu Abstrac Presently work is made a brief exhibition of the general characteristics of the Groups electrógenos, as well as the specific of the power station electric diesel of Barrederas that it will be the study object, the results of the analysis economic water heater are also shown whose general objective is the proposal of actions to improve the cost economic exergo of the energy process that takes place in the same one for that which one has in consideration the methodology for the application of the analysis exergético, the efficiency exergética and cost unitary exergético. For the development of the work the theoretical investigation methods were used: historical-logical, analysis and synthesis and empiric: the revision of documents.

Avenida XX Aniversario, Vía Guardalavaca, Piedra Blanca, Holguín, Cuba. Telf. 48 2501- 48 2380 www.uho.edu.cu Introducción

La producción de energía industrial está relacionada con las demandas de energía que tienen las naciones y estas varían en los países, en las diferentes épocas y meses del año, así como durante las diferentes horas del día, su comportamiento determina la forma de producción de energía eléctrica

Para responder a esas demandas se requieren producciones apropiadas y esto no siempre ocurre en los países, de ahí que en determinadas épocas y horarios, se producen picos eléctricos que, en ocasiones, no son posibles de asumir y en los países en desarrollo, que generalmente no poseen la reserva de producción necesaria para responder a las alzas en las demandas eléctricas, se generan los apagones, que significan la incapacidad de la industria de dar respuesta al incremento excesivo de consumo eléctrico. En este aspecto desempeña un papel importante las estrategias energéticas que se tenga en función del tipo de producción de que se dispone. La Política Energética cubana ha estado encaminada, desde el triunfo de la Revolución, a la satisfacción de las necesidades de todos los cubanos ya que es un factor fundamental tanto para la subsistencia como para el desarrollo, por lo que se hace imprescindible ahorrar energía, acabar con el derroche y emprender programas de ahorro de combustibles, sobre la base de una cultura energética encaminada al logro de un desarrollo independiente, seguro y sostenible, con el máximo ahorro en su uso final y la utilización de tecnologías de alta eficiencia.

La Eficiencia Energética en el ámbito empresarial implica lograr un nivel de producción o servicios, con los requisitos de calidad establecidos por el cliente, con los menores consumos y costos energéticos posibles, la cual puede alcanzarse con una mejor gestión energética.

La generación eléctrica nacional se realiza fundamentalmente con plantas centralizadas que no rebasan el 31 % de eficiencia con veinte o más años de explotación y concentradas en pocas regiones del país; para transmitir esa potencia se necesitan líneas de transmisión y subtransmisión vulnerables a

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Avenida XX Aniversario, Vía Guardalavaca, Piedra Blanca, Holguín, Cuba. Telf. 48 2501- 48 2380 www.uho.edu.cu diversos fenómenos.

En Mayo del 2004 el Sistema Electro-energético Nacional se vio seriamente afectado, al producirse una avería durante un mantenimiento planificado de la termoeléctrica Antonio Guiteras causando severas afectaciones a la economía nacional. En ese contexto surge, la llamada Revolución Energética. Esta se basó en un programa de sustitución de las viejas Centrales termoeléctricas por generadores eléctricos, a fin de disponer de un sistema eléctrico sin fallas y suficiente para la nación. Sin embargo, lo que comenzó como solución a un problema crítico se ha convertido en una estrategia de empleo racional de la energía. El objetivo fundamental de este proceso era transformar radicalmente el proceso de generación y ahorro de electricidad, el cual se inició aceleradamente en el 2005 con la introducción de la Generación Distribuida.

La Generación Distribuida tiene como principal aplicación la interconexión descentralizada de unidades en diversas zonas del país para cubrir el déficit de generación con mayor rapidez y al más bajo costo que pronto se tradujo en bienestar y calidad de vida para la población y el sector estatal para lo cual se tienen identificados los sistemas que componen los grupos electrógenos así como las fallas más frecuentes en los mismos.

La exergía se puede destruir a causa de las irreversibilidades y también se puede transferir hacia o desde un sistema; el uso eficiente de los recursos energéticos va asociado a la destrucción y pérdida de exergía en los sistemas, siendo el objetivo del análisis exergético el localizar, cuantificar e identificar éstas causas mediante el cálculo del grado de perfección termodinámica de los procesos de trabajo de las instalaciones energéticas y la indicación de las vías para incrementar el ahorro de combustible o energía eléctrica suministrada a las instalaciones.

De lo planteado anteriormente se hace necesario conocer el costo exergético del grupo electrógeno para demostrar cómo influye el consumo de combustible para garantizar un funcionamiento eficiente de la instalación. La no existencia de

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3 Avenida XX Aniversario, Vía Guardalavaca, Piedra Blanca, Holguín, Cuba. Telf. 48 2501- 48 2380 www.uho.edu.cu estudios de ese tipo constituye la situación Problémica de la presente investigación de donde se puede deducir el siguiente problema de investigación:

Problema de investigación:

La no existencia de un análisis exergoeconómico que permita evaluar la eficiencia de la instalación teniendo en cuenta el consumo de combustible.

Se propone la siguiente hipótesis:

La realización del análisis exergoeconómico al Grupo Electrógeno de Barrederas permitirá diseñar un plan de acciones para reducir sus costos de explotación y lograr una planificación de recursos primarios más adecuada a su desempeño.

Se plantea como objetivo de esta investigación: Mejorar el costo exergético del Grupo Electrógeno de Barredera.

Campo de acción: El costo económico del Grupo Electrógeno de Barredera en relación a la exergía.

Objeto de investigación: Comportamiento del costo exergoeconómico del Grupo Electrógeno de Barredera.

Los objetivos específicos de la investigación son los siguientes:

1. Revisión bibliográfica actualizada sobre el tema. 1. Recopilación de información sobre los parámetros reales de explotación. 2. Determinación del costo exergo económico de su desempeño. 3. Proponer un plan de medidas para disminuir su costo exergoeconómico.

Avenida XX Aniversario, Vía Guardalavaca, Piedra Blanca, Holguín, Cuba. Telf. 48 2501- 48 2380 www.uho.edu.cu CAPÍTULO 1. Marco teórico conceptual de la investigación. (Estado del arte)

1.1 Grupos electrógenos

Un grupo electrógeno se define como una máquina que mueve un generador de electricidad a través de un motor de combustión interna. Son comúnmente utilizados cuando hay déficit en la generación de energía eléctrica de algún lugar, o cuando son frecuentes los cortes en el suministro eléctrico.

1.1.1 Características generales de los grupos electrógenos.

Motores alternativos: –

– Motores Diesel: Llamado así en honor del ingeniero alemán nacido en Francia Rudolf Diesel, funciona con un principio diferente y suele consumir gasoil. Motores Otto: Cuyo nombre proviene del técnico alemán que lo inventó, Nikolaus August Otto, es el motor convencional de gasolina.

Generalmente los motores Diesel son los más utilizados en los grupos electrógenos por sus prestaciones mecánicas, ecológicas y económicas.

Los equipos electrógenos diesel están designados para suministrar corriente eléctrica al Sistema Electroenergético Nacional, ya sea alimentando a una parte del sistema, o suministrando a toda la red nacional. Los GE están compuestos principalmente por: – Motor de Combustión Interna Diesel, con sus sistemas de combustible, lubricante, aire de admisión y agua de enfriamiento: Es el equipo encargado de producir energía mecánica.

– Generador Eléctrico: Es el que transforma la energía mecánica producida en el motor en energía eléctrica.

– Sistema de Control. Este sistema es el que se encarga del control automático de todo el proceso en el conjunto Motor – Generador.

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Avenida XX Aniversario, Vía Guardalavaca, Piedra Blanca, Holguín, Cuba. Telf. 48 2501- 48 2380 www.uho.edu.cu De forma general los grupos electrógenos se caracterizan por:

Tabla1. Características generales de los Grupos Electrógenos. 1.1.1.1 Descripción Funcional del Generador

Un alternador o generador sincrónico es una máquina eléctrica giratoria diseñada para convertir la energía mecánica rotatoria en energía eléctrica de corriente alterna (CA).

El principio de funcionamiento del generador sincrónico se basa en la inducción electromagnética el cual plantea, que si se hace mover un conductor en un campo magnético de manera tal que este corte las líneas de flujo, en el mismo se inducirá una fuerza electromagnética (FEM). De igual manera ocurriría si el conductor se encuentra fijo y se mueve un campo magnético sobre él.

Partes fundamentales del generador sincrónico

– Devanado inducido o Estator, se encuentra ubicado en el cuerpo o casco de la máquina, distribuido en las ranuras del material ferromagnético.

– Devanado inductor o Rotor, se encuentra ubicado en el rotor de la máquina, formando polos magnéticos.

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Avenida XX Aniversario, Vía Guardalavaca, Piedra Blanca, Holguín, Cuba. Telf. 48 2501- 48 2380 www.uho.edu.cu 6 – La Excitatriz, Está compuesta por el estator de la excitatriz que se encuentra ubicado en la carcasa de la máquina y el rotor de la excitatriz se ubica sobre el eje o rotor. – Los Cojinetes, Son los apoyos del rotor en la parte fija o estator. Accesorios del generador – Regulador automático de voltaje (AVR), realiza la función de estabilización del voltaje, durante el régimen de funcionamiento en vacío a plena carga y durante la ocurrencia de cortocircuitos. Además, permite la acción sobre él, para la regulación del voltaje durante la operación de sincronización. – Transformador de Corriente, son usados para la medición de las corrientes de la carga durante el funcionamiento del grupo electrógeno, para la visualización de los parámetros de trabajo y la acción de las protecciones, control de los datos y el estado del GE. – Transformador de Tensión o de Potencial, son usados para la medición de los voltajes de trabajo durante el funcionamiento del grupo electrógeno, para la visualización de los parámetros de trabajo y el control de los datos y el estado del GE. – Ventilador, su función es la de mantener una temperatura de trabajo adecuada para el funcionamiento correcto del GE. 1.2 Generación distribuida en Cuba. La GD es una técnica conocida por la humanidad desde finales del siglo IX. Se inicia con plantas que enviaban a la atmósfera el calor residual. Edison construyó la primera planta en CHP en 1886 cerca de Manhattan y envió el vapor de escape a los edificios cercanos. En el caso cubano la electrificación se introduce en 1889 en las ciudades de Cárdenas y la Habana. Y, se puede considerar, que la GD se inicia en la primera mitad del siglo XX por la industria azucarera cuando se hacen notorias las

Avenida XX Aniversario, Vía Guardalavaca, Piedra Blanca, Holguín, Cuba. Telf. 48 2501- 48 2380 www.uho.edu.cu ventajas de las máquinas y accionamientos eléctricos frente a los tradicionales de vapor. En esa época las redes eléctricas no tenían la potencia, diseminación y estabilidad suficiente para asimilar las cargas de esta industria. Así y ya desde el 1930, se instalan plantas de generación propia para servicios de alumbrado y fuerza en los centrales más avanzados. Estos sistemas pretendían lograr el abastecimiento total energético desde perspectivas de sistemas aislados. Con el programa de la Revolución Energética desarrollado en Cuba en el año 2005 donde la dirección del país decide pasar de una Generación Concentrada a una Generación Distribuida a base de motores de combustión interna diesel se obtiene los siguientes beneficios: –

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– – – Los niveles de emisión de los gases contaminantes incluyendo el CO2 de las nuevas tecnologías son del 70 al 100 % menor que el de los sistemas convensionales. Los clientes son beneficiados incrementando la confiabilidad del servicio eléctrico, la calidad de la energía y disminución del número de interrupciones. Menor tiempo de instalación. Disminuye las pérdidas en la transmisión. Respecto a la modularidad pueden ser ajustados adicionando o quitando unidades.

La generación distribuida se puede operar de dos modos en Isla (Isócrono) o Sincronizado (Paralelo).

Durante la operación en Isla se trabaja de forma independiente o si hay más de una unidad, paralelas entre sí, pero separadas del Sistema Electroenergético Nacional donde es la máquina la que fija los parámetros de Voltaje, Frecuencia y Factor de potencia.

Cuando se trabaja sincronizado al Sistema Electroenergético Nacional es el sistema el que fija los parámetros de Voltaje, Frecuencia y Factor de potencia.

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8 Avenida XX Aniversario, Vía Guardalavaca, Piedra Blanca, Holguín, Cuba. Telf. 48 2501- 48 2380 www.uho.edu.cu La entrada de los grupos electrógenos al Sistema Electroenergético Nacional se realiza por orden directa del Despacho Provincial de Carga que a su vez se subordina al Despacho Nacional de Carga, la misma se realiza por déficit de generación, averías o en los horarios picos de demanda. Se operan al 75 % y ante necesidades del sistema se suben hasta el 100 %.

1.3 Métodos de análisis termodinámico de procesos

Uno de los aspectos fundamentales de la valoración económica es la definición de los fines de la instalación analizada, en particular qué se quiere obtener y a partir de qué se obtendrá. Con la aplicación de métodos termodinámicos (exergéticos, entrópicos y termoeconómicos) se conocerán a fondo las potencialidades de la planta para obtener una mayor eficiencia energética y realizar valoraciones técnicas y económicas.

Los balances de exergía proporcionan una poderosa herramienta para la detección de los puntos de un proceso en los cuales las pérdidas de energía y la destrucción de exergía dentro de las fronteras de los sistemas hacen a los procesos reales alejarse de la perfección termodinámica. Nada dicen, al menos de manera directa, acerca de las implicaciones económicas de dichas imperfecciones termodinámicas. Éstas están relacionadas también con los valores de las corrientes energéticas así como con los costos no energéticos implicados en la instalación de transformación y en su operación.

El objeto de la termoeconomía radica en el análisis económico de los sistemas productivos energointensivos (en que estén implicados principalmente los flujos de energía

Algunos de los aspectos más generales de la Termoeconomía son aplicables a procesos productivos de cualquier tipo pues se puede partir de la base de que todo objeto artificial (manufacturado) es en última instancia producto de transformaciones energéticas de los recursos naturales primarios.