MEXICO

COMPLEJO HÍBRIDO DE ENERGÍAS RENOVABLES CON PLANTA DE ALMACENAMIENTO EN LA FRONTERA NORTE ESPECIALIDAD: INGENIERÍA ELÉCTRICA

GERARDO HIRIART LE BERT DOCTOR EN INGENIERÍA MECÁNICA

26 de MARZO DE 2015 MÉXICO, D.F.

COMPLEJO HÍBRIDO DE ENERGÍAS RENOVABLES CON PLANTA DE ALMACENAMIENTO EN LA FRONTERA NORTE

Contenido 1. RESUMEN EJECUTIVO ......................................................................................................... 3 2. PALABRAS CLAVE ............................................................................................................... 5 3. INTRODUCCIÓN ................................................................................................................. 6 4. ENERGÍA GEOTÉRMICA....................................................................................................... 9 INNOVACIÓN EN ENERGÍA GEOTÉRMICA CON TECNOLOGÍAS BINARIAS, PERFORACIÓN HORIZONTAL E INCORPORACIÓN DE ENERGÍA SOLAR. ................................................................................................ 9 5. ENERGÍA EÓLICA .............................................................................................................. 15 LA RUMOROSA, UNA REGIÓN CON ALTO POTENCIAL EÓLICO. ................................................................ 15 6. ENERGÍA HIDRÁULICA ...................................................................................................... 17 APROVECHAMIENTO DE LA ENERGÍA HIDRÁULICA DE CANALES DE RIEGO. ................................................. 17 7. ENERGÍA MAREOMOTRIZ ................................................................................................. 23 APROVECHAMIENTO DE LAS MAREAS DEL ALTO GOLFO DE CALIFORNIA. UN ESQUEMA NO INVASIVO Y DE DESPACHO CONTROLADO DE LA ENERGÍA. ........................................................................................ 23 8. SISTEMA DE ALMACENAMIENTO DE ENERGÍA ................................................................... 32 APROVECHAMIENTO DEL VOLCÁN CERRO PRIETO EN UN SISTEMA DE ALMACENAMIENTO DE ENERGÍA............. 32 9. CONCLUSIONES ................................................................................................................ 38 10. REFERENCIAS ................................................................................................................. 39 11. BIBLIOGRAFÍA ................................................................................................................ 41 12. RECONOCIMIENTOS ....................................................................................................... 42 13. BREVE CURRÍCULUM VITAE ............................................................................................ 43

Especialidad: Ingeniería Eléctrica

2

COMPLEJO HÍBRIDO DE ENERGÍAS RENOVABLES CON PLANTA DE ALMACENAMIENTO EN LA FRONTERA NORTE

1. RESUMEN EJECUTIVO La abundancia de energías renovables en la frontera norte del país hace pensar que prácticamente toda la energía eléctrica producida en la zona pudiera ser limpia y sin emisiones. Sin embargo, no se ha desarrollado por tres razones principales: se desconoce el potencial y las tecnologías más modernas de varias de ellas; el costo de las renovables es más alto que las de ciclo combinado con gas natural y; la generación es generalmente intermitente, salvo la geotérmica. En este trabajo se presenta un arreglo híbrido basado en varios módulos: 10 MW de generación geotérmica combinada con solar, 10 MW de eólica, 4 MW de minihidráulicas y 9 MW de mareas, complementados con una planta de almacenamiento por rebombeo, capaz de generar 20 MW en las horas de máxima demanda. El alcance del trabajo no es definitivo, ya que no incorpora los estudios de impacto social y ambiental, que aunque son menores en estos casos, siempre revisten una faceta primordial en los proyectos. Tampoco presenta un detalle económico de las opciones, ya que primero es indispensable conocer la viabilidad técnica; pero sí hace énfasis en tres aspectos: i) las tecnologías, ii) la incorporación de importantes innovaciones tecnológicas y iii) el funcionamiento coordinado de las fuentes de generación para satisfacer una curva de demanda horaria de energía. Las tecnologías consideradas son: La geotérmica, ampliamente conocida en el país, reducida en este estudio a la instalación de una planta de ciclo binario de 10 MW para aprovechar la zona norte de Cerro Prieto I donde CFE ya dio de baja las centrales por decaimiento de la presión y temperatura del yacimiento. A esta planta modular, se le incorpora energía solar que concentra la radiación directa y la transfiriere directamente al fluido geotérmico que va del pozo a la central. La eólica, que abunda en la región, se describe como una tecnología tradicional pero se le incorporan avances recientes para predicción del viento semanal, diario, horario y 5 minutales, además de destacarse las aportaciones que las máquinas eólicas podrían eventualmente hacer a la estabilidad de la red eléctrica. La minihidráulica de los canales de riego de la zona, es analizada demostrándose que su máxima capacidad teórica no rebasa los 16 MW, ya que realistamente sólo se pueden obtener 4 MW. También se examina la posibilidad de extraer energía a filo del agua con máquinas desarrolladas para corrientes marinas. En energía de las mareas se muestra que el potencial de las mareas en el alto golfo es enorme, pero debido a sus impactos ambientales y su alto costo, el estudio se circunscribe a un caso particular, donde se desarrolla un novedoso sistema de generación que puede llegar a ser de Especialidad: Ingeniería Eléctrica

3

COMPLEJO HÍBRIDO DE ENERGÍAS RENOVABLES CON PLANTA DE ALMACENAMIENTO EN LA FRONTERA NORTE

9 MW en las horas de marea viva, y que mediante un manejo adecuado de compuertas, la generación se puede concentrar diariamente en los periodos de demanda máxima. En cuanto a la Planta de Rebombeo para almacenamiento de energía y su despacho y venta en las horas de máxima demanda (4 horas punta), se presenta un novedoso sistema que utiliza el cráter del extinto volcán de Cerro Prieto para almacenar 300,000 m3 de agua durante las horas de poca demanda y hacerla generar hasta 20 MW durante las 4 horas punta. Como embalse inferior, se plantea la construcción de un estanque o laguna con bordos de 5 m de alto en la zona arcillosa donde se ha comprobado que hay poca infiltración. Esta opción resultó sumamente atractiva, aunque requiere de estudios más finos de geología y mecánica de suelos. Se incorporan varias innovaciones muy prácticas. La combinación híbrida solar-geotérmica que consiste en espejos cilíndrico-parabólicos que concentran la radiación en un tubo central que calienta aceite térmico, el cual entrega su calor al circular por una tubería de poco diámetro por dentro del ducto de agua geotérmica que va del pozo a la central. Así se logra aumentar la generación de la planta en las horas de mayor calor. Se plantea incorporar a la explotación del campo la perforación de pozos horizontales, usando la tecnología desarrollada para el shale gas. El yacimiento geotérmico de Cerro Prieto I es sedimentario, poco profundo y acotado en su espesor, similar a los de shale. En el tramo horizontal se puede extraer más agua caliente que en uno vertical, pudiéndose duplicar la producción de los pozos. Para la eólica, se plantea el uso de programas de predicción del viento en el muy corto plazo (5 minutos). En la de mareas, la innovación planteada resulta muy atractiva ya que con el doble embalse se puede almacenar y despachar la energía y además lograr una sinergia mejorando la actividad turística en el embalse alto e intensificando la actividad de marisqueo en el bajo. Se considera ésta una innovación que va más allá de las fronteras del país. Finalmente, la incorporación del extinto volcán de Cerro Prieto para una planta de rebombeo, parece ser una innovación importante para tener una fuente adecuada de almacenamiento. Las conclusiones planteadas muestran una posibilidad interesante para aprovechar las energías renovables de la región para producir energía limpia y hacerla despachable a las horas de mayor consumo mediante una planta almacenadora de energía con rebombeo. El Complejo Híbrido planteado requerirá de esfuerzos de investigación e innovación de los Centros mexicanos (CEMIE’s), compartiendo los resultados en muchos temas con los centros e industrias del vecino del norte.

Especialidad: Ingeniería Eléctrica

4

COMPLEJO HÍBRIDO DE ENERGÍAS RENOVABLES CON PLANTA DE ALMACENAMIENTO EN LA FRONTERA NORTE

2. PALABRAS CLAVE Generación eléctrica, almacenamiento, rebombeo, geotermia, minihidráulica, eólica, mareomotriz.

Especialidad: Ingeniería Eléctrica

híbrido

solar,

5

COMPLEJO HÍBRIDO DE ENERGÍAS RENOVABLES CON PLANTA DE ALMACENAMIENTO EN LA FRONTERA NORTE

3. INTRODUCCIÓN En este trabajo se plantea la utilización de las energías renovables de la región fronteriza del noroeste del país, examinando todas las fuentes disponibles (salvo la biomasa) y combinándolas en módulos pequeños para conformar un complejo híbrido y una planta de almacenamiento de energía por rebombeo. La finalidad del trabajo es fundamentalmente mostrar, con bastantes aportaciones originales e innovadores, cómo se puede entregar un producto (energía eléctrica a la red) totalmente despachable, que atienda la demanda del momento y que a la vez optimice este despacho, según el precio de venta de la energía en ese momento, para lograr un desarrollo económicamente sustentable. Evidentemente al usar sólo fuentes de energía que no queman combustible, se está haciendo un bien enorme al medio ambiente. En el estudio se analizan como fuentes renovables las siguientes: La eólica, cuya efectividad ya ha sido demostrada en la Rumorosa y su tecnología está bien desarrollada, no podemos dejarla afuera en este complejo híbrido innovador ya que le estamos incorporando dos aspectos que serán de suma utilidad para el sistema: Un programa de análisis de la climatología de la zona para incorporarlo a un modelo de predicción del viento en los próximos 5, 10, 60 minutos, para operar adecuadamente el almacenamiento del complejo híbrido y una valoración de las aportaciones que pueden hacer las máquinas asíncronas de la eólica a la estabilización del voltaje y de la frecuencia en la red. La geotérmica (apoyada con solar), que abunda en la zona de Cerro Prieto y en otras áreas que no se han explorado a fondo, se plantea como una solución novedosa, aprovechar el área de Cerro Prieto I que CFE explotó con éxito durante más de 40 años y que ya ha perdido presión y temperatura, para explotarla con una planta de ciclo binario de 10 MW (usada como ejemplo para este caso) aprovechando que la tecnología binaria se ha diversificado con la competencia de nuevos fabricantes que se están posicionando en el mercado. Como una innovación importante y única, que se plantea en más detalle en el trabajo, se propone que durante las horas de mayor insolación, que coinciden con las de mayor demanda y peor eficiencia de la planta por el mal enfriamiento del ciclo, se incorpore la energía solar para aumentar la entalpía del fluido primario que va a la Central y así aumentar la potencia. Lo novedoso es que no se altera en nada el diseño y arreglo de la planta binaria ya que se usan espejos cilíndrico-parabólicos, a los costados de los ductos, para incrementar la entalpía del fluido geotérmico que viene de los pozos. También se plantea una innovación Especialidad: Ingeniería Eléctrica

6

COMPLEJO HÍBRIDO DE ENERGÍAS RENOVABLES CON PLANTA DE ALMACENAMIENTO EN LA FRONTERA NORTE

de bastante trascendencia al incorporar la tecnología de perforación horizontal (similar a la de shale gas), por primera vez en la geotermia. Se analiza la energía mini o micro hidráulica que eventualmente se pudiera utilizar aprovechando las caídas de agua que se producen en las obras derivadoras para el riego en el Valle de Mexicali. Se concluye que no es mucho lo que esta fuente de energía pudiera aportar, aunque se deja abierta la posibilidad de su implementación para el futuro, a pequeña escala. La energía de las mareas, por primera vez se incorpora como una posibilidad técnicamente factible a la matriz energética. Se describe un novedoso aprovechamiento de una laguna (Morúa), al Sur de Puerto Peñasco, para que mediante un juego de compuertas y un dique central con turbinas hidráulicas de poca carga, se genere energía eléctrica. Una bondad que es de resaltarse en este innovador arreglo es que se puede almacenar la energía aportada por las mareas y modular la generación para su despacho en las horas que más se requiera. Finalmente, una aportación muy importante de este trabajo es proponer el uso del cráter del extinto volcán de Cerro Prieto para almacenar allí 300,000 m3 de agua para generar en las horas punta, mediante una caída de 150 m y construyendo al pie del volcán en la zona arcillosa, un estanque para almacenarlos y volverlos a bombear hacia el cráter en horas de menos demanda. Sólo se requiere un volumen de agua inicial para llenar el sistema (un par de días bombeando desde el canal de riego) y luego esporádicamente un pequeño volumen para reponer las pérdidas por evaporación. Es importante resaltar que este no es un trabajo para usar a su máxima capacidad todas las fuentes renovales de la región (que son muchas) sino, más bien, un ejercicio piloto para demostrar que con módulos relativamente pequeños, de 10 MW, con una combinación adecuada de ellos se lograría un despacho eficiente de energía con grandes beneficios para la red. Conviene aclarar que este no es un anteproyecto donde se analicen los costos de cada tecnología. Estamos en la etapa previa, en donde lo que se demuestra es que las opciones son técnicamente viables, es decir que representan una solución posible, más aún si se le incorporan innovaciones. Se deja planteado el problema para que posteriormente se tomen en cuenta los aspectos socio-ambientales de cada una de ellas, se realicen los anteproyectos donde se utilice información más detallada de topografía, mecánica de suelos, de rocas, ingeniería de Especialidad: Ingeniería Eléctrica

7

COMPLEJO HÍBRIDO DE ENERGÍAS RENOVABLES CON PLANTA DE ALMACENAMIENTO EN LA FRONTERA NORTE

yacimientos, etc. y se definan todos los detalles constructivos (que no son sencillos), se haga un estudio de interconexión eléctrica real (con todo lo que esto implica), se definan los aspectos legales y administrativos de una obra de esta naturaleza que se asienta en tierras de diferente régimen jurídico y que se incorpore a los estudios al Gobierno Estatal de Baja California y Sonora para impulsarlo como obra rentable y de beneficio a la comunidad. También este puede ser el proyecto ancla para seguir buscando soluciones innovadoras en cada tecnología y lograr una optimización para hacer rentable cada proyecto. Para lo último se ha planteado que no se puede optimizar para el presente (hoy) ya que hay que considerar que la generación eléctrica evolucionará hacia tarifas móviles (cada 5 minutos) como está ocurriendo en California, donde el almacenamiento de energía es fundamental, ya sea por rebombeo, por aire comprimido o eléctrico con baterías de nuevo desarrollo. Como meta a más largo plazo de lo que aquí se ha planteado, se hace evidente que este Complejo Híbrido con Almacenamiento, puede ser una especie de Laboratorio de nuevas energías que aproveche el conocimiento y desarrollo que se ha logrado en los centros mexicanos de innovación (CEMIE’s), de manera similar que en el lado de EUA, para que se puedan lanzar programas de innovación conjunta, con reuniones de científicos y otras de tecnólogos para aterrizar con éxito este Complejo Híbrido y hacerlo extensivo a grandes escalas en el país.

Especialidad: Ingeniería Eléctrica

8

COMPLEJO HÍBRIDO DE ENERGÍAS RENOVABLES CON PLANTA DE ALMACENAMIENTO EN LA FRONTERA NORTE

4. ENERGÍA GEOTÉRMICA Innovación en Energía Geotérmica con Tecnologías Binarias, Perforación Horizontal e Incorporación de Energía Solar. El sistema de fallas que se ha ido produciendo en la parte norte del valle de Mexicali debido a la deriva de las placas tectónicas, ha permitido el ascenso del magma hasta cerca de la superficie formando abundantes recursos geotérmicos. En la región fronteriza del lado de Estados Unidos, son conocidos los campos del Valle Imperial donde hay instalados 732 MW. La extensión de esta anomalía térmica hacia el lado mexicano, sólo se explota en este momento en el Campo de Cerro Prieto, que llegó a tener 720 MW instalados y ahora, debido al decaimiento de su yacimiento, sólo produce entre 430 y 470 MW.

Figura 1. Campo geotérmico de Cerro Prieto.

Figura 2. Valle de Mexicali y Valle Imperial.

Al proponer la incorporación de una Central geotérmica de 10 MW a este proyecto híbrido, con la finalidad de minimizar la incertidumbre se propone su instalación en la parte norte de Cerro Prieto Uno (CPI), Especialidad: Ingeniería Eléctrica

9

COMPLEJO HÍBRIDO DE ENERGÍAS RENOVABLES CON PLANTA DE ALMACENAMIENTO EN LA FRONTERA NORTE

donde el nivel de los pozos se ha abatido y la temperatura del yacimiento ha decaído, lo que ha hecho imposible seguir explotando esa zona (que se aprovechó durante más de 40 años) con los métodos tradicionales de flasheo para suministrar vapor geotérmico a las turbinas. En un análisis posterior, habrá que estudiar a fondo otras zonas de interés en la región que comprende desde la Laguna Salada hasta la localidad de Los Algodones, para que con las nuevas tecnologías de exploración, se afinen los estudios existentes y se identifiquen nuevas zonas con potencial de aprovechamiento. Tecnologías de Explotación. Debido a la explotación de la zona norte del campo de Cerro Prieto por más de 40 años, las condiciones del yacimiento (temperatura y presión) llegaron a ser insuficientes para extraer el fluido de manera natural. Esto imposibilita obtener el fluido geotérmico en el cabezal del pozo en condiciones de ser explotado con un ciclo flash convencional, por otro lado, se tiene la experiencia del Valle Imperial (EUA) donde prácticamente todas las centrales geotérmicas son de ciclo binario; lo anterior lleva a proponer para este Complejo Híbrido una Central de ciclo Binario, cuyo funcionamiento ha sido ampliamente documentado (DiPippo, 2012) y se explica brevemente a continuación: La salmuera geotérmica caliente se extrae del yacimiento por medio de una bomba vertical que se introduce en el pozo; una vez en la superficie, el fluido se conduce mediante largos ductos aislados a la Central Binaria. Allí en un intercambiador de calor se evapora un fluido secundario (con un bajo punto de ebullición), el cual es conducido a una turbina o turbo-expansor (puede ser del tipo turbina axial o radial, e incluso expansor helicoidal o de paletas) que va acoplada a un generador eléctrico. Finalmente el vapor es descargado a un condensador enfriado por agua (vaso o torre de enfriamiento) y en algunos casos por aire (torre seca). En las plantas de ciclo binario, los condensadores trabajan a una presión ligeramente por encima de la atmosférica, por lo que los sellos de la turbina son más bien para evitar fugas hacia afuera y no filtración hacia el condensador, como ocurre en los ciclos con agua. Existe en la actualidad una gran oferta industrial en el mercado de plantas de ciclo binario, la más conocida es Ormat que utiliza turbinas axiales de dos etapas con isopentano como fluido de trabajo y cuya capacidad en tamaño modular es de 3 MW pero puede alcanzar los cientos de MW en algunas centrales. Recientemente han aparecido en el Especialidad: Ingeniería Eléctrica

10

COMPLEJO HÍBRIDO DE ENERGÍAS RENOVABLES CON PLANTA DE ALMACENAMIENTO EN LA FRONTERA NORTE

mercado otros fabricantes que utilizan turbinas radiales de alta velocidad (TAS, Exergy, entre otros), adoptadas de la industria del gas y de la refrigeración (Carrier) las que usan como fluido secundario refrigerantes seguros y amigables con el ambiente. Conviene resaltar que en la zona de Mexicali los cambios de la temperatura del aire son demasiado extremos de verano a invierno, alcanzándose rangos de temperaturas de más de 50°C hasta los 0°. Con estas variaciones es común que en verano, que es cuando más energía eléctrica se necesita, el rendimiento de las plantas baje notablemente. Actualmente, en ENAL se están estudiando tres sistemas netamente geotérmicos para apoyar el enfriamiento en el verano, aumentando así la generación (Hiriart, 2015). Dada la particularidad de que la radiación solar de la zona es muy buena y que por otro lado, el yacimiento de Cerro Prieto está alojado sobre una masa de rocas sedimentarias, tipo areniscas, es que se han incorporado a este estudio dos innovaciones bastante originales. La primera; el uso combinado de la energía solar con la geotermia tal como fue planteado por el autor (Hiriart, 1995), discutido y referenciado por Ronald Di Pippo (DiPippo, 2012, página 214-215) y presentado en detalle en el Congreso Mundial de Energías Renovables en Denver, 2004 (Hiriart, 2004). El segundo, es la incorporación de la tecnología de perforación horizontal, desarrollada para yacimientos petroleros de shale oil y gas. Energía Solar para Mejorar la Geotermia. Este sistema consiste en acoplar un sistema de espejos de concentración cilíndrico-parabólico para aprovechar los altos niveles de radiación solar directa de la zona. Con ello se logra calentar en un tubo que pasa por el foco de la parábola un fluido de trabajo (aceite) mismo que luego pasará por dentro del ducto que conduce el agua caliente a los intercambiadores de la Central Binaria, aumentando su entalpia. Al disponerse de este calor adicional, se aumentará la producción (evaporación) de vapor secundario con lo que, a pesar de la baja eficiencia por mal enfriamiento, se logra aumentar la potencia generada. Es de destacar en este arreglo que a la central no se le hacen grandes cambios, sólo se incrementa el tamaño del intercambiador y de la turbina, mientras que al sistema de acarreo de agua caliente a la Central, prácticamente no se le altera. Los canales parabólicos se pueden instalar como dos corridas, una a cada lado de la tubería que se quiere calentar. Ver figura 3 y 4. Especialidad: Ingeniería Eléctrica

11

COMPLEJO HÍBRIDO DE ENERGÍAS RENOVABLES CON PLANTA DE ALMACENAMIENTO EN LA FRONTERA NORTE

Figura 3. Arreglo de páneles solares y tubería de agua geotérmica.

Figura 4. Espejos concentradores.

Para formarse una idea del efecto de este arreglo en el verano, tomemos dos corridas de espejos parabólicos de 5 m de ancho y 1000 m de largo. La radiación al mediodía es de alrededor de 1 kW/m2 la que si se aprovecha con una eficiencia del 55% incorporaría al fluido geotérmico 5,500 kWt. Si en la tubería fluyen 200 toneladas por hora (55 Kg/s) de agua geotérmica caliente, su entalpía subiría (5,500/55) 100 Kj/kg. El uso de concentradores solares parabólicos es la manera más eficiente de aprovechar la radiación solar presente en Mexicali para aumentar la generación de esta planta geotermoeléctrica en las horas de mayor calor sin entrar en grandes alteraciones de los diseños tradicionales.

Especialidad: Ingeniería Eléctrica

12

COMPLEJO HÍBRIDO DE ENERGÍAS RENOVABLES CON PLANTA DE ALMACENAMIENTO EN LA FRONTERA NORTE

Perforación Horizontal La estrategia de explotación de yacimientos no convencionales de shale gas y shale oil implica la perforación y terminación de pozos horizontales para proporcionar un mayor acceso al gas atrapado en la formación productora. Aquí se plantea utilizar de manera experimental esta innovación tecnológica para la geotermia donde ya se usa la perforación direccional mas no la horizontal. Los pozos horizontales se perforan con los mismos equipos que utiliza la industria para la perforación de pozos verticales y éstos se seleccionan de acuerdo a los requerimientos de capacidad y potencia calculados en los correspondientes programas de perforación y con el equipamiento adicional necesario para fijar la orientación y trayectoria.

Figura 5. Esquema pozo horizontal.

Para realizar una perforación horizontal se realiza inicialmente una perforación vertical, hasta llegar a la profundidad de arranque de la perforación direccional o KOP (kick off point), lo que es familiar en geotermia, la cual estará determinada por la profundidad del punto elegido para entrar en la formación, que es el objetivo fijado. Existen diferentes tipos de tecnología para llevar la desviación dentro del pozo: a) El uso de los motores de fondo, el cual es accionado por la energía hidráulica proporcionada por el lodo de perforación. En donde para variar el azimut al motor se le incorpora un codo fijo, el cual produce el desvío de su eje longitudinal. b) El sistema RSS (Rotary Steerable System) el cual consta de tres almohadillas de direccionamiento colocadas cerca de la barrena para aplicar una fuerza lateral contra la formación. Especialidad: Ingeniería Eléctrica

13

COMPLEJO HÍBRIDO DE ENERGÍAS RENOVABLES CON PLANTA DE ALMACENAMIENTO EN LA FRONTERA NORTE

Figura 6. Uso de Motores de Fondo.

Figura 7. Sistema RSS.

Por medio de este tipo de tecnología, ampliamente conocida y utilizada en la industria petrolera, se propone perforar horizontalmente en la industria geotérmica para mejorar el área de producción de los pozos, ya que la zona productora del pozo (que es agua caliente y no vapor) se puede extender todo lo que se quiera dentro del yacimiento, aumentando así la producción. También se hace notar que dentro del tramo vertical del pozo se instala la bomba de pozo profundo para bombear el agua ya que en ciclo binario no se puede flashear en la cabeza del pozo por que se abate mucha temperatura. Conclusiones En este capítulo dedicado a la geotermia se ha planteado lo siguiente: 





Instalar una planta de ciclo binario de 10 MW en la zona norte de Cerro Prieto (CPI) para aprovechar el recurso geotérmico de baja entalpia que después del declive que ha sufrido el campo ya no es posible continuar explotándolo por el método de flasheo. Instalar un sistema integrado que combine la central geotérmica con un arreglo solar de concentración, de tal forma que se aprovechen las horas de máxima radiación solar para incrementar la generación aunque no se logre mejorar el bajo rendimiento del sistema de enfriamiento a esa hora. Demostrar como experimento de innovación a nivel mundial, la aplicación de la tecnología de perforación horizontal (sin fracturamiento) aprovechando la experiencia generada en la industria del petróleo y gas no convencional y adaptándola a la industria geotérmica.

Especialidad: Ingeniería Eléctrica

14

COMPLEJO HÍBRIDO DE ENERGÍAS RENOVABLES CON PLANTA DE ALMACENAMIENTO EN LA FRONTERA NORTE

5. ENERGÍA EÓLICA La Rumorosa, una Región con alto Potencial Eólico. La energía eólica ha sido utilizada en el mundo desde hace muchos siglos. Su aprovechamiento, a pesar de ser intermitente según sea la velocidad del viento instantánea, hoy es una de las mejores opciones de generación eléctrica debido a su bajo impacto ambiental, la certeza económica que este tipo de inversiones representan y principalmente por ser una energía renovable, inagotable y limpia. La región fronteriza de Baja California está considerada como una de las zonas de mayor potencial eólico en México. El sistema montañoso con alturas variables así como las extensas zonas desérticas al pie de las montañas, permiten un amplio desarrollo de proyectos de energía Eoloeléctrica. Por eso en 2010 la Comisión Estatal de Energía de Baja California (CEEBC), inauguró el primer parque eólico de 10 MW llamado Parque Eólico Rumorosa (PER I), para autoabastecimiento de alumbrado público del municipio de Mexicali. Este desarrollo también tuvo como fin demostrar, promover y atraer desarrollos de este tipo que aumenten la explotación del recurso así como el desarrollo del Estado en materia social y económica.

La Rumorosa (PER1) 10 MW Figura 8. Parque eólico La Rumorosa (PER1).

En 2014 se comenzó la construcción del segundo parque eólico llamado Energía Sierra Juárez, propiedad de un desarrollador privado con fines de exportación de electricidad a Estados Unidos, con una primera etapa de 155 MW en la zona de la Rumorosa. El factor de planta que se puede Especialidad: Ingeniería Eléctrica

15

COMPLEJO HÍBRIDO DE ENERGÍAS RENOVABLES CON PLANTA DE ALMACENAMIENTO EN LA FRONTERA NORTE

lograr en esta zona es en promedio de 33%, lo que es bastante atractivo. En este Complejo Híbrido se propone instalar un parque eólico de 10 MW, del que se espera una generación de unos 80 MWh al día y usar esta energía casi en su totalidad para el bombeo de agua en la estación de almacenamiento por bombeo que más adelante se describe. A pesar de tratarse de una instalación convencional, con tecnología ya bien desarrollada, en este artículo se plantea incorporarle, además del sistema de regulación por almacenamiento hidráulico, dos temas relativamente novedosos: La predicción a corto plazo y la mejora de la estabilidad de la red. El primero es incorporar en el sistema de despacho de energía métodos de predicción del viento en las horas y minutos siguientes adaptando programas de cómputo que ya existen en el mercado o desarrollando otros que se basen en la topografía y clima de la microrregión. (Ver por ejemplo el FORECAST y otros modelos). Con esta mejora en la predicción de la velocidad del viento en los próximos minutos y horas se puede mejorar la acreditación de carga o potencia firme para los sistemas eólicos y así lograr ser despachados a un precio más alto. El segundo es la mejora de la estabilidad de la red eléctrica que se puede obtener gracias a la inercia de estas máquinas que son asíncronas. De acuerdo a un estudio reciente realizado por el Departamento Nacional de Energías Renovables de EUA, Western Wind and Solar Integration Study Phase 3 - Frequency Response and Transient Stability (Miller, 2014), se plantea que es posible mejorar la regulación de la frecuencia y del voltaje con algunas plantas eólicas.

Especialidad: Ingeniería Eléctrica

16

COMPLEJO HÍBRIDO DE ENERGÍAS RENOVABLES CON PLANTA DE ALMACENAMIENTO EN LA FRONTERA NORTE

6. ENERGÍA HIDRÁULICA Aprovechamiento de la Energía Hidráulica de Canales de Riego. El Distrito de Riego 014, Rio Colorado localizado en la región noroeste de México, cuenta con una superficie total de 328,000 ha, de las cuales tienen infraestructura aproximadamente 250,000 ha, localizadas en los Municipios de Mexicali B.C, y San Luis Río Colorado Sonora (SLRC). El Tratado de Aguas Internacionales, celebrado entre México y los Estados Unidos el 3 de febrero de 1944, garantiza a México en condiciones normales, la entrega anual de 1,850.234 millones de metros cúbicos de agua del Río Colorado que nace en los Estados Unidos de América y desemboca en el Golfo de California en territorio mexicano, de los cuales 1,677.545 millones de metros cúbicos se entregan en el Lindero Internacional Norte en la Presa Morelos, y 172.689 millones de metros cúbicos en el Lindero Internacional Sur a través del Canal Sánchez Mejorada, en San Luis Río Colorado, Sonora. (Figura No.9)

Figura 9. Río Colorado y puntos de entrega del agua a México.

Por otra parte, el volumen de agua acordado que le corresponde a México, está controlado por la Presa Morelos en donde se despachan 1.7 millones de m3 al año para el territorio nacional. El agua se utiliza con fines agrícolas y de abastecimiento para la población. En el Valle hay 424 km de canales de riego primarios con más de 12 presas derivadoras y 2,152 secundarios. En este capítulo se dará a conocer, mediante una estimación gruesa, el potencial máximo teórico que hay para una posible generación miniEspecialidad: Ingeniería Eléctrica

17

COMPLEJO HÍBRIDO DE ENERGÍAS RENOVABLES CON PLANTA DE ALMACENAMIENTO EN LA FRONTERA NORTE

hidráulica con el agua de riego. Si comenzamos con que 1.7 millones de m3 al año son 55 m3/s promedio y que la altura de operación en la presa Morelos es de 42 m, se puede ver que el potencial máximo que se podría generar (en un arreglo idealizado, descargando al mar) es de: 𝑃𝑚𝑎𝑥 = 7𝑄Δℎ = 7 ∙ 55 ∙ 42 = 16 𝑀𝑊 En la Figura 10 se muestra la red principal de canales de riego y se destacan las principales estructuras derivadoras, cuya función es elevar el nivel del agua, para poder llevarla por gravedad, mediante canales secundarios, hasta las parcelas de riego. Estas estructuras sólo tienen compuertas para regular cuánta agua se deja pasar aguas abajo.

Figura 10. Red principal de canales de riego del distrito 014 y sus principales estructuras derivadoras. Fuente: GHS Desarrollos Sustentables, 2015.

En la Figura 11 se muestra una estación típica. En caso de que resultara rentable, se puede derivar el agua hacia una estructura lateral, junto a la actual, e instalar allí una turbina con compuertas para cumplir la misma función que la presa derivadora, Figura 12. En ese caso, en lugar de descargar el agua hacia abajo, dando un salto en el vertedor controlado por las compuertas desperdiciando su energía potencial, ésta se haría pasar por la turbina generando energía en lugar de disiparla. Especialidad: Ingeniería Eléctrica

18

COMPLEJO HÍBRIDO DE ENERGÍAS RENOVABLES CON PLANTA DE ALMACENAMIENTO EN LA FRONTERA NORTE

Figura 11. Estación típica.

Figura 12. Derivación de flujo a una turbina.

La potencia (en W) se obtiene multiplicando la eficiencia de la turbina (0.7), por la densidad del agua (1000 kg/m3), por la gravedad (9.81 m/ss), por el gastoQ en m3/s, y por la diferencia de altura Δh: 𝑃 = 0.7𝑔𝑄Δℎ [𝑘𝑊] En la figura 12 se muestra un juego de fotografías recientes de un recorrido realizado por personal de GHS (Hernández, 2015) en donde también se dan detalles de los canales y de las obras de riego.

Figura 13. Fotografías de los canales Reforma e Independencia.

En la Tabla 1 se han recopilado las principales estructuras que eventualmente se pudieran utilizar para extraerles energía eléctrica, y se ha calculado la potencia generable, (Hernández, 2015). Son valores aproximados (pero realistas) que varían bastante a lo largo del año.

Especialidad: Ingeniería Eléctrica

19

COMPLEJO HÍBRIDO DE ENERGÍAS RENOVABLES CON PLANTA DE ALMACENAMIENTO EN LA FRONTERA NORTE

Potencia Generable de Principales Estructuras Canal KM Q (m3/s) Δh (m) Potencia KW Reforma 15 56 3 1,176 Reforma 27+000 45 4 1260 Reforma 43+673 25 2 350 Reforma 43+842 20 2 280 Reforma 43+639 17 2 238 Reforma 43+585 16 2 224 Independencia 0+000 16 2 224 Independencia 8+560 16 2 224 Total 3,976 MW Tabla 1. Potencia generable de algunas de las principales estructuras.

Una interrogante que se presenta con frecuencia es si es técnicamente posible obtener energía del flujo de un canal (a filo de agua) instalando solamente algún elemento hidráulico para convertir la energía cinética en electricidad. Este tema ha tenido un gran auge en el aprovechamiento de las corrientes marinas, ya sea oceánicas (caso Canal de Cozumel) o de mareas (caso Canal del Infiernillo en el Mar de Cortez). En la Figura 14 se muestran tres aplicaciones.

a)

b)

c)

Figura 14. Dispositivos para aprovechar energía cinética; a) Hidrogenerador flotante con dos hélices verticales (QK, “La Cucaracha”); b) Arreglo con aspas tipo Gorlov; c) Turbina convencional sumergida. Especialidad: Ingeniería Eléctrica

20

COMPLEJO HÍBRIDO DE ENERGÍAS RENOVABLES CON PLANTA DE ALMACENAMIENTO EN LA FRONTERA NORTE

a) La primera es un hidrogenerador flotante con dos hélices verticales, desarrollado y patentado por el autor de este trabajo (Hiriart, 2007) y posteriormente mejorado en la UNAM en el programa IMPULSA (Alcocer e Hiriart, 2008). Es un diseño bastante eficiente ya que aprovecha las dos caras de las hélices para recibir el empuje de la corriente de agua, sin embargo la potencia que produce es demasiado pequeña (López, 2011). En uno de estos canales de Mexicali, donde la velocidad del agua es de 1 m/s, sólo se lograrían 3 o 4 kW en total. (Si la velocidad fuera el triple, la potencia aumentaría 27 veces). b) Se muestra un arreglo con ejes verticales que sujetan unas aspas, tipo Gorlov (Blue Energy, 2011). Se ve una instalación muy sencilla pero que tampoco genera mucho (2 a 3 kW) ya que la potencia es proporcional a la velocidad al cubo y ésta es muy baja en este caso. c) Finalmente, se muestra un par de turbinas convencionales sumergidas que se han instalado para prueba en el East River en la Isla de Manhattan en Nueva York (Verdant Power, 2014). Cada una genera 35 kW, pero nótese su inmenso tamaño al compararlas con la grúa de la foto y que la corriente en el sitio es 2.5 m/s. Como se puede ver, estos sistemas para extraer energía del agua del canal fluyente son de muy baja potencia. Si se calcula la “potencia cinética” que lleva el agua (energía cinética por el gasto) se tiene que: 1 𝑃 = 𝑄 𝑣 2 [𝑘𝑊] 2 Para nuestro caso donde la velocidad es igual a 1 m/s, la potencia cinética es de 20 kW como máximo. Conclusiones. Habiendo analizado el potencial de energía hidráulica que se tiene en las redes de canales de riego del Valle de Mexicali, se concluye lo siguiente:  

La máxima potencia teórica que se podría obtener con un arreglo idealizado, no rebasa los 16 MW. Si se quisiera aprovechar las estructuras derivadoras existentes para instalar allí turbinas con sus respectivas compuertas para

Especialidad: Ingeniería Eléctrica

21

COMPLEJO HÍBRIDO DE ENERGÍAS RENOVABLES CON PLANTA DE ALMACENAMIENTO EN LA FRONTERA NORTE



controlar los niveles requeridos para el riego y al mismo tiempo generar electricidad, se obtendrían alrededor de 4 MW. Si se pretende aprovechar la energía cinética del agua fluyendo en los canales, las potencias que se obtendrían son muy pequeñas. Esto principalmente debido a que la velocidad del agua es relativamente baja.

Especialidad: Ingeniería Eléctrica

22

COMPLEJO HÍBRIDO DE ENERGÍAS RENOVABLES CON PLANTA DE ALMACENAMIENTO EN LA FRONTERA NORTE

7. ENERGÍA MAREOMOTRIZ Aprovechamiento de las Mareas del Alto Golfo de California. Un Esquema no Invasivo y de Despacho Controlado de la Energía. En la parte alta del Golfo de California o Mar de Cortés, la marea tiene una amplitud bastante grande (de hasta 6m). Esto se debe principalmente a que existe resonancia de una de las armónicas de las mareas que se producen en la entrada del Golfo, frente a La Paz y Mazatlán. Es decir, la marea frente a La Paz sube y baja en periodos de aproximadamente 12 horas. Por otro lado, cualquier perturbación a la entrada del Golfo (como la marea, por ejemplo) que viaja a unos 200 km/h, llega a la parte alta del Golfo en 6 horas y regresa en otras seis aproximadamente. De manera muy simplificada, esta resonancia hace que se amplifique la marea del Océano frente a Los Cabos (donde es de unos 1.4m de amplitud máxima) llegando a sobrepasar los 6 metros de amplitud en la parte alta, en Santa Clara y la Isla de Montague. En otros artículos del autor (Hiriart, UNAM, 2009); (Hiriart, SGM, 2009), se ha reportado el potencial de estas mareas para generar electricidad. En ellos se destaca un potencial de decenas de miles de MW que se podrían (teóricamente) instalar en el Alto Golfo para generar electricidad con miles de turbinas y unos pocos kilómetros de cortinas. Desgraciadamente esta posibilidad se ve opacada principalmente porque esta región es un área protegida y segundo, porque no se conoce el espesor de los sedimentos que hay en el lecho marino; es decir, cuánto habría que dragar hasta llegar a la roca o suelo firme, capaz de soportar una estructura para las turbinas con 5 o 6 metros de diferencia de carga sobre ellas. En el presente reporte se describe la capacidad de generar energía con mareas en un caso muy particular. Se trata del estero o laguna de Morúa, donde se presenta una situación muy favorable por su morfología y porque se encuentra fuera del área protegida y no interfiere con la vida marina del Golfo. Se hace notar que lo que se presenta en este trabajo es el potencial de generación eléctrica muy aproximado, basada en cálculos de pre factibilidad (Andraca y Providell, 2015), sin entrar en detalles constructivos (que al parecer no son complicados en este caso), ni de aceptación de la comunidad (todo indica que el planteamiento aquí hecho beneficiaría el turismo y el cultivo de ostiones que es la actividad comercial local) ni de un análisis económico preciso (hay muchos Especialidad: Ingeniería Eléctrica

23

COMPLEJO HÍBRIDO DE ENERGÍAS RENOVABLES CON PLANTA DE ALMACENAMIENTO EN LA FRONTERA NORTE

aspectos que evaluar antes de dar números precisos de viabilidad económica). Descripción del Proyecto Se trata de aprovechar la amplitud de las mareas en la Laguna Morúa, Sonora, para generar energía eléctrica mediante un sistema de doble embalse que permita mantener una mitad de la laguna a un nivel lo más alto posible y la otra al nivel más bajo y mediante turbinas en la pared divisoria, generar electricidad. Para construir el embalse se requieren dos cortinas, una frontal de aproximadamente 490 m y una central de 800 m. En la cortina frontal se colocarían las compuertas de llenado y vaciado y en la central los hidrogeneradores que aprovecharían la diferencia de nivel entre las lagunas. En la Figura 15 se muestra el sistema descrito.

Figura 15. Configuración de doble embalse en la Laguna Morúa.

La entrada y salida de agua se controlaría mediante un juego de compuertas sencillas en la boca de la Laguna, éstas operan de tal manera que la laguna Norte o Laguna A se mantiene a un nivel lo más alto posible, mientras que la sur o Laguna B se mantiene permanentemente a un nivel lo más bajo posible. Esto se logra operando las compuertas de manera que sólo dejen entrar agua en la Laguna A y sólo la dejen salir en la Laguna B. El desnivel que se creará entre ambas lagunas se aprovecha para generar electricidad mediante turbinas de baja carga instaladas en la cortina central. Lo que hace atractivo este proyecto es que se aprovecha la geometría natural de la Laguna para construir esta sencilla infraestructura de compuertas y turbinas con cortinas cortas y fáciles de construir hincando pilotes en la arena y lo más importante, es que si se operan adecuadamente los dos embalses, se tendrá energía despachable (independiente de la hora del día y del nivel de la marea en ese Especialidad: Ingeniería Eléctrica

24

COMPLEJO HÍBRIDO DE ENERGÍAS RENOVABLES CON PLANTA DE ALMACENAMIENTO EN LA FRONTERA NORTE

momento). En el ejemplo final que se describe en este trabajo, se considera generar permanentemente alrededor de 1 a 5 MW en las horas punta de máxima demanda (y mejor precio). Si se opera de otra forma se pueden generar hasta 9 MW. Consideraciones. Para simplificar los cálculos (Andraca y Providell, 2015), se realizaron las siguientes simplificaciones:  Marea. Con base a los datos del CICESE (Centro de Investigación Científica y de Educación Superior de Ensenada) sobre la predicción de un mes de mareas en Puerto Peñasco, se ajustó una función analítica para simplificar los cálculos. (CICESE,2015) 

Geometría. Se consideró que el ancho de la laguna es constante 750 m; como la laguna es somera se consideró que la profundidad máxima es 7 m; en pleamar, el área de espejo de agua es de 8.7 km2; la longitud máxima es de 11.6 km. Esto se visualiza esquemáticamente en las Figuras 16 y 17.

Figura 16. Área de espejo en pleamar.

Figura 17. Diagrama esquemático del estero. Especialidad: Ingeniería Eléctrica

25

COMPLEJO HÍBRIDO DE ENERGÍAS RENOVABLES CON PLANTA DE ALMACENAMIENTO EN LA FRONTERA NORTE

El fondo de la laguna se idealizó con dos planos inclinados que se intersecan en el centro. 

Compuertas. La boca de entrada de la laguna se dividió en dos partes iguales y se supuso que el ancho total de compuertas es de 400 m, 200 m de compuertas de entrada y 200 m de compuertas de salida. Ver Figura 18.

Figura 18. Diagrama esquemático de compuertas.



Turbinas. Sin entrar en detalles del tipo de turbinas a utilizar, se supuso un área de cada una de ellas de 4 m2 (se considera que las turbinas están siempre totalmente sumergidas) y una eficiencia global del 70%.

Descripción de la Operación del Sistema de Embalses. La operación de las compuertas tiene la finalidad de maximizar la diferencia de nivel entre los embalses para que la potencia sea lo más alta posible. Para este efecto, las compuertas de entrada sólo dejarán entrar agua a la Laguna A cuando el nivel del mar sea más alto, en esos periodos las compuertas estarán abiertas totalmente. En cuanto comience a bajar la marea y el flujo en las compuertas de la Laguna A tienda a invertirse (vaciado), las compuertas se cerrarán. Para el caso de la Laguna B, las compuertas de salida permanecerán cerradas y sólo se abrirán cuando el nivel del mar sea inferior al de la laguna B. Las turbinas hidráulicas (de alto gasto y poca carga), resultaron de 1.2 MW cada una y se instalarían en la cortina central (alrededor de 15 turbinas) y se operarían mediante una estrategia que optimice la venta Especialidad: Ingeniería Eléctrica

26

COMPLEJO HÍBRIDO DE ENERGÍAS RENOVABLES CON PLANTA DE ALMACENAMIENTO EN LA FRONTERA NORTE

de energía. Es decir, este arreglo servirá de almacenamiento de energía durante las horas de bajo precio de venta y se generará un máximo razonable durante las horas de alta demanda (horarios punta) en que el precio aumenta notablemente. Al menos en el mercado de Estados Unidos así ocurre, en el mexicano se están preparando ajustes de tarifas para lograr una configuración tarifaria parecida. Cálculos Hidráulicos. La manera de calcular la operación del embalse es muy sencilla. El flujo de agua por las compuertas es: 𝑄 = 𝐶𝑑 𝐴√2𝑔∆ℎ Donde Cd es el coeficiente de contracción hidráulica de una compuerta (aquí se tomó constante e igual a 0.6); A es el área de paso del agua de entrada o salida y Δh es la diferencia de nivel entre la laguna respectiva y el mar. Para la turbina se calculó la velocidad del agua por la turbina como: 𝒗𝑡 = √2𝑔(∆ℎ𝑡 ) Donde Δht es la diferencia de nivel entre las lagunas. Como el área A es constante (4m2), el gasto unitario será: 𝑄 = 𝒗𝒕 𝐴 Y la Potencia unitaria se calcula mediante: 𝑃 = 𝜂𝑔𝑄Δℎ𝑡 Se consideró la eficiencia η igual a 0.7 para abarcar todas las pérdidas incluyendo las de la bocatoma, la descarga y la propia turbina. En todo momento el nivel de la laguna A como el de la B, se calculó cuantificando el volumen neto que entró (o salió) de cada laguna, dividido por el área del espejo de agua. La energía se calcula integrando respecto al tiempo la potencia generada por el total de turbinas. Modelo de Generación. En este estudio se plantea el despacho controlado de energía, es decir, generar energía con mayor potencia en los horarios de demanda máxima, conocidos como horarios punta, ya que en estos horarios el Especialidad: Ingeniería Eléctrica

27

COMPLEJO HÍBRIDO DE ENERGÍAS RENOVABLES CON PLANTA DE ALMACENAMIENTO EN LA FRONTERA NORTE

precio de la energía es mayor. Así que se plantea un modelo de generación que opere con el 100% de las turbinas instaladas en el horario punta, y fuera de este horario se opere solamente con un 20 % de las turbinas instaladas. Los horarios punta dependen de las necesidades de cada región, y se pueden consultar en el portal oficial de CFE. En este caso, el estado de Sonora pertenece a la región Noroeste y el horario punta depende de la temporada (verano o invierno), por lo tanto se plantearon dos escenarios, uno para invierno y otro para verano, y los horarios de operación son los siguientes: 1) De18:00-22:00 hrs operando al 100% de turbinas instaladas en invierno. 2) De 20:00-22:00 hrs operando al 100% de turbinas instaladas en verano. Para cada escenario es importante conocer la potencia máxima y la energía entregada dependiendo del número de turbinas instaladas, así que se busca determinar el número óptimo de turbinas instaladas, para el análisis se consideró la operación del sistema con 10, 15, 20 y 25 turbinas. Resultados La potencia va a depender del nivel de la marea cuya amplitud varía en periodos aproximados de medio mes. En la Figura 19 se muestra la potencia en 250 horas operando el sistema con 15 turbinas con el modelo de generación planteado para invierno.

Figura 19. Comportamiento de la Potencia.

En las Figuras 20 y 21 se muestran los resultados de la generación que se puede obtener si esta se incrementa durante dos o cuatro horas en el Especialidad: Ingeniería Eléctrica

28

COMPLEJO HÍBRIDO DE ENERGÍAS RENOVABLES CON PLANTA DE ALMACENAMIENTO EN LA FRONTERA NORTE

periodo de demanda punta, y se mantiene una generación básica mínima durante el resto de las horas. El ejercicio se repite variando el número de turbinas instaladas en la cortina central. Con este ejercicio se demuestra que es factible utilizar el arreglo de lagunas para almacenar energía y generar solamente en las horas de máxima demanda.

Figura 20. Potencia en 24 horas operando 4 horas al 100 %.

Figura 21. Potencia en 24 horas operando 2 horas al 100 %.

Discusión de Resultados. De manera natural, se podría pensar que entre más turbinas se coloquen se genera más energía, sin embargo entre más turbinas se coloquen el nivel entre los embalses tienden a igualarse los niveles más rápido. En las Figuras 22 y 23 se observa el nivel entre los embalses en un periodo de 24 horas operando con 15 turbinas, y se resalta el horario punta, en el cual se visualiza un cambio de pendiente en las curvas de nivel de las lagunas A y B, este cambio de pendiente indica que el flujo

Especialidad: Ingeniería Eléctrica

29

COMPLEJO HÍBRIDO DE ENERGÍAS RENOVABLES CON PLANTA DE ALMACENAMIENTO EN LA FRONTERA NORTE

entre las lagunas ha cambiado, esto se debe a que las turbinas están operando al 100% por lo tanto hay más flujo de un embalse a otro.

Figura 22. Nivel entre los embalses operando al 100% entre las 18:00 y 22:00 hrs.

Figura 23. Nivel entre los embalses operando al 100% entre las 18:00 y 22:00 hrs.

En general la potencia máxima es mayor en el modelo de verano, ya que al operar al 100% por dos horas, el área de paso entre los embalses se ha mantenido cerrada por más tiempo, así que la diferencia de altura entre los embalses es mayor. En la Figura 24 se muestra el promedio de generación anual, para los dos modelos de generación.

Figura 24. Comparación de generación entre los escenarios.

Especialidad: Ingeniería Eléctrica

30

COMPLEJO HÍBRIDO DE ENERGÍAS RENOVABLES CON PLANTA DE ALMACENAMIENTO EN LA FRONTERA NORTE

Para los casos analizados, la generación de energía es similar, sin embargo la relación no es tan directa ya que varios factores que dependen del tiempo como: el nivel de la marea y el nivel entre los embalses así que necesario evaluar puntualmente cada caso. Conclusiones. De este estudio de viabilidad técnica se concluye que una configuración favorable es la de 15 turbinas, en ambos escenarios (invierno y verano) se genera en promedio la misma energía (11.4 y 11.6 GWh anuales) y los resultados indican que se obtiene una potencia máxima en el horario punta de: 16 MW en verano y 10 MW en invierno. El siguiente paso es recalcular los escenarios con mayor precisión, para ello se requieren estudios adicionales, en particular se requiere un estudio de batimetría que describa el relieve del estero, y así poder calibrar el modelo de cálculo. Un segundo estudio que seleccione la turbina adecuada y así definir la eficiencia, el área de paso y la carga mínima. Y un tercer estudio que brinde datos reales sobre el nivel de la marea en el estero. Además se desprende la necesidad de otros estudios más específicos que permitan evaluar otros aspectos importantes como: • • • •

Más detalles sobre la factibilidad técnica; La factibilidad económica; Aspectos ambientales; y Aspectos sociales.

Para evaluar estos aspectos se requieren estudios específicos de varias áreas de estudio como la Oceanografía, Ing. Geológica, Ing. Mecánica, Ing. Civil, Biología y Sociología.

Especialidad: Ingeniería Eléctrica

31

COMPLEJO HÍBRIDO DE ENERGÍAS RENOVABLES CON PLANTA DE ALMACENAMIENTO EN LA FRONTERA NORTE

8. SISTEMA DE ALMACENAMIENTO DE ENERGÍA Aprovechamiento del Volcán Cerro Prieto en un Sistema de Almacenamiento de Energía. Cuando se trata de generar con energías renovables (sol o viento) el productor queda sujeto a la disponibilidad en ese instante de radiación solar y de intensidad del viento. Por otro lado, quien maneja la red está restringido por la demanda que haya en el sistema en ese momento. Evidentemente la oferta y la demanda no coinciden y menos aún en este caso donde la generación puede variar en orden de minutos o segundos. Es por ello que en muchos lugares se ha puesto mucho énfasis en diseñar sistemas para almacenamiento de energía adecuados en lugar de regular la generación de las centrales térmicas o hidráulicas. En Estados Unidos han logrado (con aportaciones de dinero del DOE) diseñar sistemas de almacenamiento con baterías (del orden de MW) y se han construido plantas piloto, como es el caso de Borrego Canyon al Sur de California. Como ejemplo de este fenómeno en la figura 25, se muestra la variación de la demanda horaria de la energía en un día del mes de marzo, lo que actualmente repercute cada 5 minutos en el precio al que el ISO la compra a los productores.

Figura 25. Variación de demanda horaria.

También se han ensayado métodos de almacenamiento comprimiendo aire durante las horas de exceso de energía y almacenándolo en cavernas subterráneas para grandes centrales eólicas o bien en tuberías o recipientes en la superficie del suelo para campos menores. Cuando la demanda de energía es máxima, se descarga el aire haciéndolo pasar por turbinas de aire para generar. Este sistema ha demostrado ser adecuado en pequeñas plantas generadoras aisladas.

Especialidad: Ingeniería Eléctrica

32

COMPLEJO HÍBRIDO DE ENERGÍAS RENOVABLES CON PLANTA DE ALMACENAMIENTO EN LA FRONTERA NORTE

Adicionalmente, las ruedas de inercia son muy útiles para instalaciones no muy grandes, en este caso, con la energía sobrante, mediante un motor eléctrico acoplado a la flecha, se hace girar una masa muy pesada, encapsulada en una cámara de vacío para disminuir pérdidas por fricción y durante la demanda máxima se toma carga del almacenador mediante un generador eléctrico acoplado a la misma flecha. Finalmente, el método tradicional más usado en el mundo que sirve para pequeñas y grandes almacenamientos es el de Plantas de Almacenamiento de Energía por Bombeo (PAEB) tal como lo describe el Ing. Javier Ramírez Otero en su trabajo de ingreso a la Academia de Ingeniería (Ramírez Otero, 2014). Es muy frecuente utilizar esta tecnología en presas ya existentes donde se bombea el agua del río de aguas abajo hasta la presa en horas de poca demanda eléctrica para ser turbinada nuevamente en las horas de mayor demanda. Sin embargo, hay otras opciones en las se puede construir una planta nueva, ex profeso para rebombeo, en sitios adecuados, tal es el caso que aquí se presenta en el volcán de Cerro Prieto en Baja California. Descripción del Sistema de Almacenamiento de Agua. Aprovechar la carga hidráulica entre un embalse alto, situado en el cráter del volcán, y un embalse bajo situado al pie del volcán, colocando turbinas hidráulicas que aprovechen el flujo descendiente y rebombear el agua a la cima del volcán y así tener la capacidad de generar energía en un horario determinado. En la Figura 26 se muestra el sistema de almacenamiento de energía utilizando el cráter del volcán de Cerro Prieto.

Figura 26. Sistema de almacenamiento de energía. Especialidad: Ingeniería Eléctrica

33

COMPLEJO HÍBRIDO DE ENERGÍAS RENOVABLES CON PLANTA DE ALMACENAMIENTO EN LA FRONTERA NORTE

En la Figura 27 se muestra el volcán, que se encuentra en las cercanías de la Central Geotérmica de CFE. Este es un volcán extinto, basáltico de 120 mil años de edad (Romero, 2015). En el estudio se realizó una inspección del cráter del volcán y aparentemente no hay fisuras que rellenar para hacerlo más impermeable. En todo caso, se requiere una prueba de permeabilidad realizada con cuidado y determinar los esfuerzos que resisten las paredes de roca al llenar de agua este vaso.

Figura 27. Localización del Complejo Volcánico Cerro Prieto.

Capacidad Volumétrica en el Cráter. En la cubicación hecha recientemente por Leslie Pelayo y Alejandro Montaño (Montaño, 2015) mostrado en la figura 28, se estima el volumen de agua que puede almacenar el cráter a diferentes alturas, en la Tabla 2 se muestran los resultados, se observa que en el cráter se pueden almacenar hasta 300,000 m3 de agua.

Figura 28. Cubicación del cráter de Cerro Prieto. Especialidad: Ingeniería Eléctrica

34

COMPLEJO HÍBRIDO DE ENERGÍAS RENOVABLES CON PLANTA DE ALMACENAMIENTO EN LA FRONTERA NORTE

Tabla 2. Volúmenes a diferentes alturas.

Cálculo de Potencial de Generación. Para evaluar el potencial se consideran conservadoramente sólo 275,000 m3 de agua, la carga que se puede tener para turbinar, varía de 144 m a 160 m dependiendo del nivel en los tanques, así que se considera una carga de 150 m para los cálculos. La potencia eléctrica generada se calcula considerando una eficiencia total de 70% mediante: 𝑃 = 7𝑄∆ℎ [𝑘𝑊] Donde Q es el caudal y Δh es la carga hidráulica. En la Tabla 3 se muestra la potencia eléctrica que se lograría, si se vacía el embalse superior en 1, 2, 3 ó 4 horas. Tiempo (hrs) 1 2 3 4

Gasto (m3/s) 76 38 25 19

Δh (m) 150 150 150 150

Potencia (MW) 80 40 27 20

Tabla 3. Potencia eléctrica con caudales diferentes.

Especialidad: Ingeniería Eléctrica

35

COMPLEJO HÍBRIDO DE ENERGÍAS RENOVABLES CON PLANTA DE ALMACENAMIENTO EN LA FRONTERA NORTE

Figura 29. Sección de planta de almacenamiento.

Rendimiento energético del almacenamiento. Almacenar energía no es gratis; se pierde mucha por ineficiencias que son inevitables. Antes de establecer conclusiones hay que resaltar que al operar un embalse de almacenamiento, se pierde mucha energía. Supóngase que en un embalse ideal se pudieran generar durante 1 hora 30 MW. Al generar en condiciones reales, con pérdidas en la toma, la descarga, las tuberías y la turbina, se logra una eficiencia global de 0.7x 30. Es decir unos 20 MW. Ahora bien, para bombear y subir el agua al tanque elevado en 1 hora, idealmente se requieren 30 MW, pero debido a las pérdidas y la ineficiencia de las bombas, se obtiene una eficiencia global del 70%, es decir la potencia real de bombeo sería 30/0.7=43 MW. Es de hacerse notar que la energía necesaria para llenar el tanque elevado (cráter) es de 18x8= 144 MWH al día. Esto es parecido a lo que genera la planta eólica de 10 MW (10x24x0.33=80 MW). Al optimizar el tamaño de la eólica, habría que tomar en cuenta este balance. Conclusiones. Esto lleva a considerar que el embalse superior se puede vaciar en cuatro horas, generando en ese periodo 20 MW, y se puede llenar, bombeando durante 8 horas, con una potencia de 18 MW, y bajo esta configuración se puede controlar el horario de generación para producir energía en horarios de demanda máxima (horario punta). Es muy importante precisar con más cuidado la eficiencia de las bombas y de las Especialidad: Ingeniería Eléctrica

36

COMPLEJO HÍBRIDO DE ENERGÍAS RENOVABLES CON PLANTA DE ALMACENAMIENTO EN LA FRONTERA NORTE

turbinas y afinando el diseño, seguramente se puede aminorar la potencia de bomb Es evidente que el volcán de Cerro Prieto no tiene un embalse natural al pie del cerro, afortunadamente el material que rodea el volcán es muy arcilloso (Romero, 2015) y el nivel freático de la zona es muy alto; lo anterior ayuda a que el estanque de almacenamiento que haya que construir, no requiera impermeabilización. El volumen deberá ser de aproximadamente 300,000 m3 (puede ser un rectángulo de 300 m por 300 m y 5 m de altura). La economía de este proyecto de almacenamiento va a depender del costo del embalse bajo, de las turbobombas de 18 MW, de las tuberías de elevación y caída del agua y evidentemente del precio de la energía en las 4 horas de punta y la de bombeo durante la noche o cuando haya exceso de generación.

Especialidad: Ingeniería Eléctrica

37

COMPLEJO HÍBRIDO DE ENERGÍAS RENOVABLES CON PLANTA DE ALMACENAMIENTO EN LA FRONTERA NORTE

9. CONCLUSIONES En este trabajo se ha planteado el aprovechamiento coordinado de las fuentes renovables de la zona noroeste del país combinándola con una planta de rebombeo para almacenar energía y despacharla en las horas más convenientes. Del trabajo se concluye que:  Se ha identificado como fuente de almacenamiento de energía proveniente de fuentes intermitentes el cráter del extinto Volcán de Cerro Prieto donde se puede generar 20 MW durante 4 horas de máxima demanda y rellenarlo durante 8 horas de poca demanda eléctrica.  Se ha incorporado por primera vez a la matriz de energías renovables el aprovechamiento de la energía de las mareas del alto Golfo, con un añadido muy valioso que es el almacenamiento de la energía de la marea en una Laguna al sur de Puerto Peñasco para despachar a las horas más conveniente sin tener necesariamente que usarse al momento de máxima amplitud de las mareas.  Se ha evaluado el potencial hidráulico máximo que se podría obtener de la red de canales del distrito de riego del valle de Mexicali y se han examinado los posibles aprovechamientos para generación.  Se ha propuesto una planta geotérmica de ciclo binario en la zona de Cerro Prieto para aprovechar el remanente de calor y agua que allí quedó al darse de baja la Central de Cerro Prieto I y se ha propuesto un novedoso sistema de apoyo de la generación con energía solar concentrada a las horas de máxima radiación y de calor en la zona; así como ensayar la perforación horizontal de pozo.  Se ha propuesto la incorporación de nuevas herramientas estadísticas para apoyar la generación eólica con predicciones del recurso disponible para los próximos 5, 10 y 60 minutos así como el aprovechamiento del potencial que podría tener esta tecnología para dar más estabilidad al voltaje y la frecuencia de la red.  Finalmente se plantea este Complejo Híbrido renovable como un proyecto ancla para aplicar y probar los resultados de los centros de innovación tecnológicos del país y de aprovechar la cercanía de los EUA para emprender investigaciones y desarrollos tecnológicos conjuntos.

Especialidad: Ingeniería Eléctrica

38

COMPLEJO HÍBRIDO DE ENERGÍAS RENOVABLES CON PLANTA DE ALMACENAMIENTO EN LA FRONTERA NORTE

10.

REFERENCIAS

a. Alcocer, S., Hiriart, G. (2008) “An Applied Research Program on Water Desalination with Renewable Energies”, American Journal of Environmental Sciences, Science Publications, EUA 2008. b. Andraca, F., Providell A. (2015) “Doble Embalse para la Generación de Energía Eléctrica en el Estero de Morúa, Puerto Peñasco, Sonora”, Reporte Grupo ENAL, México, febrero 2015. c. Blue Energy (2014) “VAHT – Vertical Axis Hydro Turbine”. www.bluenergy.com/vertical-axis-turbine/vaht/ d. DiPippo, Ronald. (2012) “Geothermal Power Plants: Principles, Applications, Case Studies and Environmental Impact, Solaraugmented Flash Plants”, Elservier, Tercera edición, EUA 2012. e. Hernández, Lourdes. (2015) “Informe de Evaluación para la Selección de Sitios Potenciales en el Abastecimiento de Agua Requerida para la Instalación de una Central Minihidráulica en el Distrito de Riego 014 del Río Colorado ubicado en el Valle de Mexicali, B.C.” GHS, Grupo ENAL, México, enero 2015. f. Hiriart, G., Gutierrez Negrín, Luis. (1995) “Calor del Subsuelo para Generar Electricidad: Combinación Solar-Geotermia”, Ingeniería Civil, No. 313, pp. 13-22, México 1995. g. Hiriart, Gerardo. (2004) “Hybrid Geothermal-Solar Generation”, World Renewable Energy Congress VIII (WREC), E.U.A. 2004. h. Hiriart, Gerardo, (2009) “Potencial Energético del Alto Golfo de California”, Boletín de la Sociedad Geológica Mexicana, Vol. 61, No. 1, pp. 143-146, México, 2009. i. Hiriart, Gerardo. (2009) “Potencial Energético de las Mareas para Generar Electricidad”, Revista Digital Universitaria-UNAM, Vol. 10, No. 6, México 2009. Disponible en: http://www.revista.unam.mx/vol.10/num8/art49/int49.htm j. Hiriart, Gerardo. (2015) “Tres Opciones para Mejorar el Enfriamiento de Centrales en Verano en Casos Extremos”, Grupo ENAL, México, febrero 2015. k. Hiriart, G. (2007) “Turbina Flotante Impulsada por Corrientes Marinas o Fluviales Generadora de Energía Eléctrica (QK, “La Cucaracha”)”, Patente No. 281513, México 2007. l. López González, José. (2011) “Desarrollo de un Dispositivo de Conversión de Energía de las Corrientes Marinas”, Tesis de Doctorado, Universidad Nacional Autónoma de México, México, mayo 2011. m. Montaño, Alejandro. (2015) “Parámetros Básicos de Diseño para una Central Hidroeléctrica Reversible con Capacidad de 30 MW en Especialidad: Ingeniería Eléctrica

39

COMPLEJO HÍBRIDO DE ENERGÍAS RENOVABLES CON PLANTA DE ALMACENAMIENTO EN LA FRONTERA NORTE

n.

o.

p. q.

Mexicali, Baja California”, Reporte Grupo ENAL, México, febrero 2015. Miller, N.W. “Western Wind and Solar Integration Study Phase 3 Frequency Response and Transient Stability”, National Renewable Energy Laboratory, EUA 2014. Disponible en: http://www.nrel.gov/docs/fy15osti/62906.pdf Ramírez Otero, Javier. (2014) “Instalación de Plantas de Almacenamiento de Energía por Bombeo y su Contribución para Mejorar la Eficiencia de las Centrales Termoeléctricas”, Academia de Ingeniería, Trabajo de Ingreso, México 2014. Disponible en: http://www.ai.org.mx/ai/index.php/9-uncategorised/501-ingresojro Romero, Francisco. (2015) “Complejo Volcánico Cerro Prieto, Baja California”, GHS, Grupo ENAL, México 2015. Verdant Power (2014) http://www.verdantpower.com/

Especialidad: Ingeniería Eléctrica

40

COMPLEJO HÍBRIDO DE ENERGÍAS RENOVABLES CON PLANTA DE ALMACENAMIENTO EN LA FRONTERA NORTE

11.

BIBLIOGRAFÍA

a. Cicese.edu.mx- Laboratorio del Nivel del Mar http://redmar.cicese.mx/nmar/predmar/ b. Comisión Federal de Electricidad – Disposiciones Complementarias http://www.cfe.gob.mx/casa/Conocetutarifa/Paginas/Disposicione s-complementarias.aspx c. Geology.com - Geoscience News and Information - Directional and Horizontal Drilling in Oil and Gas Wells. http://geology.com/articles/horizontal-drilling/ d. Nava, César; Hiriart, G. “Desalación de Agua con Energías Renovables”, Instituto de Ingeniería, Universidad Nacional Autónoma de México, México 2008. e. New Nouveau Brunswick - Drilling and Completing Shale Gas Wells Horizontal Drilling and Well Construction. http://www2.gnb.ca/content/dam/gnb/Corporate/pdf/ShaleGas/en /DrillingCompletion.pdf f. Prospectiva del Sector Eléctrico 2012-2026, Secretaria de Energía, México 2012. Disponible en: http://sener.gob.mx/res/PE_y_DT/pub/2012/PSE_2012_2026.pdf

Especialidad: Ingeniería Eléctrica

41

COMPLEJO HÍBRIDO DE ENERGÍAS RENOVABLES CON PLANTA DE ALMACENAMIENTO EN LA FRONTERA NORTE

12.

RECONOCIMIENTOS

Este trabajo es fruto de la experiencia acumulada en 25 años trabajando en geotermia en la Comisión Federal de Electricidad a la que le agradezco la oportunidad que me dio de aprender y de innovar. Un particular reconocimiento al destacado apoyo de mis colegas del Grupo ENAL que se han movido con diligencia y acierto en la recopilación de información, así como en la elaboración y revisión de los cálculos para logar este resultado. Para ellos queda la puerta abierta para seguir innovando con audacia e inteligencia en futuras tecnologías.

Especialidad: Ingeniería Eléctrica

42

COMPLEJO HÍBRIDO DE ENERGÍAS RENOVABLES CON PLANTA DE ALMACENAMIENTO EN LA FRONTERA NORTE

13.

BREVE CURRÍCULUM VITAE

Gerardo Hiriart Le Bert I Datos Generales  

Teléfonos: Fijo (52) 55 5662-9381; 5662-6005 Móvil 044 55 4035-8911 E-mail: [email protected]; [email protected]

II Estudios Profesionales  



1973: Doctor en Ingeniería Mecánica. Naval Postgraduate School. Monterey, California, EUA. 1970: Maestro en Ciencias (Especialidad en Mecánica de Fluidos y Transferencia de Calor). Naval Postgraduate School. Monterey, California, EUA. 1970: Ingeniero Mecánico Naval. Academia Politécnica Naval. Valparaíso, Chile.

III Experiencia Profesional 1 2009-actual: Director General. Energías Alternas, Estudios y Proyectos S.A. de C.V. (ENAL) México, D.F. 2 2008-2015: Integrante (Asesor Técnico) del Comité Técnico y de Administración del Fondo de Sustentabilidad Energética (CTAFSE) de la Secretaría de Energía (SENER), México D.F. 3 2012-actual: Secretario Técnico. Comité de Energía. Colegio de Ingenieros Civiles de México (CICM). México D.F. 4 2008-2012: Coordinador del Capítulo Energía Geotérmica del Informe Especial sobre Fuentes de Energía Renovable y Mitigación del Cambio Climático. Grupo Intergubernamental de Expertos sobre el Cambio Climático (IPCC). Programa de las Naciones Unidas para el Medio Ambiente (PNUMA). 5 2007-2014: Representante Alterno de México en el Acuerdo de Implementación sobre Energías del Océano (OES) de la Agencia Especialidad: Ingeniería Eléctrica

43

COMPLEJO HÍBRIDO DE ENERGÍAS RENOVABLES CON PLANTA DE ALMACENAMIENTO EN LA FRONTERA NORTE

Internacional de Energía (IEA). Designado por la Secretaría de Energía (SENER). 6 2005-2009: Director del Proyecto IMPULSA IV: “Desalación de Agua de Mar con Energías Renovables”. Instituto de Ingeniería de la Universidad Nacional Autónoma de México (UNAM). México D.F. 7 Director del Geothermal Resources Council (GRC). Sacramento, California. Reelecto en tres periodos consecutivos. 8 1993-2003: Gerente Nacional de Proyectos Geotermoeléctricos de la Comisión Federal de Electricidad (CFE). México, D.F. Dirección y coordinación de los siguientes proyectos: - Cerro Prieto IV, - Tres Vírgenes, - Los Azufres II - La Venta I (Proyecto eólico), - Agua Prieta (Ante proyecto solar híbrido coordinado con el Banco Mundial). 9 1980-1993: Jefe de la Oficina de Estudios y Evaluación de Yacimientos Geotérmicos; Jefe del Departamento de Factibilidad de Proyectos; Subgerente de Exploración. Área de Geotermia de la Comisión Federal de Electricidad (CFE). México D.F. 10 1975: Investigador Titular B. Instituto de Ingeniería de la Universidad Nacional Autónoma de México (UNAM), México D.F. IV Distinciones 

2006: Premio Nacional de Energías Renovables. Comisión Nacional para el Ahorro de Energía (CONAE), México D.F.



2006: Diploma de Honor. Comisión Federal de Electricidad (CFE). México D.F.



2000: Premio Los Pioneros, Geothermal Resources Council (GRC), Estados Unidos.



Medalla Benito Juárez. Comisión Federal de Electricidad (CFE), México D.F.

Especialidad: Ingeniería Eléctrica

44