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

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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.

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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.

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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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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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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.

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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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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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– 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

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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:
–

–

–
–
–
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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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.