Aumento-de-potencia-en-central-hidroelectrica-la-Boquilla

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INSTITUTO TECNOLÓGICO Y DE ESTUDIOS SUPERIORES DE MONTERREY 
CAMPUS CHIHUAHUA 
 
 
 
 
Formulación de proyecto de aumento de potencia de la Central Hidroeléctrica 
Boquilla ubicada en el municipio de San Francisco de Conchos, Chihuahua. 
 
PROYECTO DE OPTIMIZACIÓN DE ENERGÍA 
 
Equipo 40: 
 
Integrantes Matrícula Ubicación CVU 
Jesús Manuel García Burrola A01682536 San Fco. de Conchos, Chih. 788378 
Ramiro Bejarano Raygoza A00738952 Nuevo Casas Grandes, Chih. 791463 
Alfredo Calderón Martínez A01682608 Cd. Cuauhtémoc, Chih. 788395 
 
Profesor Titular: DR. FERNANDO MARTELL CHÁVEZ 
Profesor Tutor: MTRO. EDUARDO FRANCISCO TORRES PUENTE 
 
Esta investigación (tesis/ proyecto de campo) es un producto del proyecto 266632 “Laboratorio para la 
Gestión Inteligente de la Sustentabilidad Energética y la Formación Tecnológica” financiado a través 
de Fondo CONACYT SENER de Sustentabilidad Energética (S0019201401). 
 
 
México, a 12 de noviembre 2018 
Contenido 
1. Objetivo ................................................................................................................................................. 3 
2. Antecedentes ........................................................................................................................................ 3 
3. Resumen de las medidas de eficiencia energética ............................................................................... 5 
4. Plan de medición y verificación ............................................................................................................ 6 
5. Comentarios y conclusiones ................................................................................................................. 8 
6. Referencias ............................................................................................................................................ 9 
 
 
1. Objetivo 
 
Incrementar la capacidad de generación de energía eléctrica de la planta 
hidroeléctrica Boquilla por lo menos en un 10% a través de la modernización de 
los equipos instalados actualmente, se plantea un plazo de ejecución de 3 años 
una vez autorizado el proyecto por el consejo de administración de la CFE, con el 
fin de maximizar el aprovechamiento de agua no turbinada. 
 
2. Antecedentes 
Nombre de la empresa: 
Comisión Federal de Electricidad, Central Hidroeléctrica Boquilla. 
 
Ubicación y/o dirección del sitio: 
Av. 20 de noviembre s/n, col Amado Nervo. 
Poblado la Boquilla, Municipio de San Francisco de Conchos, Chihuahua 
 
Tipo de inmueble: 
Central Generadora Hidroeléctrica. 
 
Fecha de construcción y/o remodelación más reciente: 
Inicio de operación comercial en 1915, rehabilitada en 1993. 
 
Número de personas que utilizan el inmueble: 
10 trabajadores permanentes. 
 
Insumos energéticos utilizados: 
Fuente de energía primaria: agua de embalse. 
 
La central hidroeléctrica Boquilla, inició sus operaciones en el año de 1915, su función 
principal era el abasto de energía eléctrica a las minas de la ciudad de Hidalgo del Parral, 
en el estado de Chihuahua, con una planeación de operación de todo el año, por lo que 
su diseño de carga era el adecuado, sin embargo, con el crecimiento de la red eléctrica 
nacional, el periodo de generación fue acotado a los meses de riego agrícola, al cambiar 
su función principal de productor de energía eléctrica a vaso de almacenamiento de agua 
para el sistema de riego 005 en la región centro sur del estado de Chihuahua. A pesar 
de que la extracción anual es similar al volumen mensual extraído, éste aumentó en los 
meses de marzo a septiembre, y se eliminó en los meses de otoño invierno. Es necesario 
por este motivo que en los meses de riego sea pasada agua por chorro hueco, sin ser 
aprovechada para la generación de electricidad. 
 
Además, debido a su antigüedad, las turbinas, los generadores y el equipo de 
comunicaciones, protección y control son de tecnología obsoleta, teniendo una gran área 
de oportunidad en su modernización, al buscar equipos de mayor eficiencia para 
incrementar la capacidad instalada, con modificaciones mínimas a la casa de máquinas 
y a la obra de toma de la central, con evaluación de las diferentes tecnologías 
disponibles. 
 
Principalmente se busca el reemplazo de las turbinas actuales, las cuales son del tipo 
Francis unidas por el mismo eje en tándem y los generadores eléctricos, ya que estos 
equipos son los originales desde el inicio de operación, la configuración actual de 2 
turbinas unidas en el mismo eje horizontal es un arreglo que es de baja eficiencia. 
El proceso de generación hidroeléctrica se basa en el aprovechamiento de la energía 
potencial de una columna de agua que esta almacenada en un vaso y es retenida por 
una cortina, el conjunto en si es la presa la Boquilla. La presión del agua golpea la turbina 
haciéndola girar, un gobernador posiciona la apertura para controlar la velocidad del eje. 
El eje transmite su potencia al generador en el que un campo magnético creado es 
atravesado por un conductor, existiendo una diferencia de potencial que es la energía 
eléctrica, ésta sale por conductores trifásicos a un transformador que eleva el voltaje 
haciendo que la corriente disminuya para poder transmitir la energía a través de las torres 
hacia los centros de consumo. 
 
3. Resumen de las medidas de eficiencia energética 
Características 
Situación Actual Situación Proyectada 
Equipos existentes 
Equipos existentes 
que permanecen 
Equipos nuevos 
No. Turbinas 4 2 2 
Tipo 
Francis Horizontal con 
doble rodete 
Francis Horizontal 
con doble rodete 
Francis Vertical 
Caudal unitario (m3/s) 13 13 20 
Potencia unitaria (MW) 6.25 6.25 11.30 
Caudal total (m3/s) 52 66 
Potencia instalada (MW) 25 35.1 
Salto (m) 67.7 67.7 62.1 
Salto mínimo (m) - - 42.0 
Sumergencia (m) 6.5 6.5 3.9 
Capacidad para turbinar, 
Ene-Dic 2017 (m3/s) | 
BASELINE 
40 
Generación Ene-Dic 2017 
(GWh) | BASELINE 
100.883 
Energía Entregada 
(MWh/año) 
87,880 136,430 
Incremento de Energía 
(año) | (MWh) 
 48,630 
Precio de venta 
($/año) MXP 
141,445,800.00 219,788,730.00 
Valor de la energía 
aumentada (pesos/año) 
 78,342,930.00 
Precio del Nodo ($/MWh) 1,913.17 1,913.17 
Costo unitario Total 
($/MWh) 
280.40 280.40 
Importe total del proyecto 
| (pesos 2018) 
 530,524,500.00 
VPN | (pesos 2018) 54,653,599.00 
Relación Beneficio/Costo 1.10 
Tasa Interna de Retorno | 
( % real ) 
 13.6% 
Periodo de Recuperación 
Simple (años) 
 6.8 
Costo nivelado de la 
energía ahorrada | (pesos 
2018 / MWh) 
 1,460,538.00 
4. Plan de medición y verificación 
De acuerdo con el plan IPMVP (“International Performance Measurementand 
Verification Protocol”) para la determinación confiable de los ahorros de una medida de 
eficiencia energética o de un programa de energía es necesaria la medición y verificación 
de los procesos. 
 
Una vez realizada la evaluación económica de nuestro proyecto y para dar confiabilidad 
y certeza al proceso de evaluación, es necesario asegurar que los beneficios utilizados 
en la ingeniería económica sean reales y confiables mediante el proceso de M&V 
(medición y verificación). 
 
En nuestro caso, el proyecto propuesto consiste en una medida de mejora energética la 
cual busca optimizar la utilización del agua de la Central Hidroeléctrica Boquilla, 
aprovechando el caudal que no es turbinado actualmente e incrementando la eficiencia 
de la planta generando más energía por m3 de agua turbinada. 
 
Después del análisis del recurso hídrico disponible el equipo concluyó que la central 
hidroeléctrica Boquilla, con cuatro turbinas de 13 m3/s cada una puede ser repotenciada 
considerando que hay caudal suficiente para el funcionamiento simultáneo de dos turbo-
grupos existentes de 6.25 MW y dos turbo-grupos nuevos de 11.3 MW. Las unidades 
nuevas serian de 20 m3/s, con esta opción se lograría turbinar hasta 66 m3/s y un menor 
costopara el proyecto con un nivel de generación óptimo de 35.1 MW totales. 
 
Los indicadores energéticos implicados en el proyecto son: 
 
a. Consumo específico de agua (indicador energético).- el cual mejorará de 
7.48(m3/s)/MWh a 6.92(m3/s)/MWh con la medida de mejora energética. 
 
b. Mejora en la Eficiencia (indicador de éxito).- la eficiencia de los turbo-grupos 
pasaría de un 75% a un 87% combinado entre las 2 unidades viejas y las 2 
unidades nuevas. 
 
c. Incremento en la Energía Suministrada (indicador de éxito).- la cual pasaría de 
87.88GWh generados anualmente a una generación anual de 136.43GWh con 
el proyecto. 
 
Dado que las dos unidades que no se reemplazarán recibirán también un retrofit 
mediante la modernización del control de unidad y de turbina (gobernador digital), así 
como de los dispositivos de comunicaciones y control, es que mediremos de manera 
integral la mejora en todas las variables de la planta. 
 
Por tanto, de acuerdo con el plan IPMVP y las condiciones descritas, la opción indicada 
para nuestro proyecto es la (c) Verificación de toda la instalación; pues todos los 
indicadores energéticos que representan el desempeño de la planta se modificarán 
favorablemente con el proyecto. 
 
 
 
 
I. Identificación de las variables involucradas en el proceso 
 
Las variables que están directamente ligadas al proyecto para su medición y 
verificación son: 
 
Variables a medir: 
 
a. Consumo especifico de agua [(m3/s)/MWh], este es el volumen de agua 
necesario para poder generar energía eléctrica. Entre menor es el consumo 
especifico de agua significa que se requiere menor cantidad de agua para la 
producción de electricidad. 
 
b. Energía suministrada (MWh), es la energía que es entregada al sistema 
eléctrico nacional. Es la razón de ser de la central, el suministro de energía a la 
red eléctrica con las características de voltaje y frecuencia requeridos. 
 
Variables a estimar: 
 
a. Eficiencia de las unidades generadoras en %, indica la capacidad de utilizar la 
energía primaria para producir energía eléctrica. La eficiencia está ligada a los 
equipos principales y su degradación ya que cada transformación de energía 
es una caída de eficiencia. 
 
Variables independientes: 
 
a. Nivel de almacenamiento de la presa, ya que este indicador indica la potencia 
de la energía primaria almacenada en el vaso de la presa. 
 
 
II. Determinación del límite de medida 
 
Las variables que serán incluidas en el límite de medida son el consumo especifico 
de agua en (m3/s)/MWh, en esta variable para las unidades nuevas se deberá de 
comprobar la mejora de un 25% y un 5% en las unidades modernizadas. El valor meta 
de este indicador es de 6.92 (m3/s)/MWh. 
 
En la energía suministrada en MWh, la mejora deberá de ser mayor de 25% de la energía 
generada sin proyecto, ya que el principal objetivo de este proyecto es aprovechar el 
agua que no está siendo turbinada actualmente y a la vez mejorar la relación de consumo 
(m3/s)/MWh. El valor objetivo es de 136.43 GWh anuales de generación. 
 
Un posible efecto cruzado de esta mejora es la disminución en el consumo de 
combustible utilizado por otras fuentes de generación para satisfacer la demanda de 
energía de la red eléctrica. Sin embargo, lo más probable es que dicha disminución no 
se dé, ya que las instalaciones de generación actuales se encuentran al tope de su 
capacidad y esta mejora solo vendría a satisfacer la creciente demanda de energía 
eléctrica. 
 
De la misma forma que el efecto anterior se podría generar una disminución en cuanto a 
la emisión de gases de efecto invernadero derivada del decremento del uso de 
combustibles fósiles empleados por otras fuentes de generación. Pero nuevamente, no 
se tiene la certeza de este decremento ya que la demanda de energía eléctrica es 
creciente. 
 
Ambos efectos cruzados no serán tomados en cuenta ya que su probabilidad de 
ocurrencia no depende de las mejoras implementadas en este proyecto. 
 
 
III. Selección del periodo de medida 
 
El periodo de prueba debe ser un periodo de un año, lo que se considera un ciclo, 
con el nivel de la presa suficiente para tener la capacidad de generar durante todo el 
periodo tomando en cuenta todas las variables implicadas a lo largo del ciclo de riego y 
el nivel de precipitación pluvial anual. Las evaluaciones de los indicadores serán diarias 
y con seguimiento mensual, semestral y anual. 
 
Este periodo de medida permitirá conocer efectivamente el porcentaje de mejora en la 
eficiencia energética al poder comparar los indicadores históricos de eficiencia contra los 
nuevos parámetros obtenidos con la implementación del proyecto. 
 
 
5. Comentarios y conclusiones 
El proyecto trae una gran cantidad de beneficios a la empresa y a la sociedad; es 
sustentable, ya que no agrede al medio ambiente utilizando la estructura que ya existe y 
el mismo vaso de almacenamiento, aunado a que el recurso hídrico es renovable, 
aumentando la confiabilidad, operatividad y disponibilidad de la central, aportando 
energía con un mejor precio. 
Con el análisis financiero, se puede deducir que el proyecto es viable, factible y 
rentable, ya que el tiempo de retorno de la inversión es menor a la vida del proyecto, la 
relación costo beneficio es mayor que uno, el valor presente neto es positivo y la tasa 
interna de retorno es mayor a la tasa de descuento. 
Aunado a lo anterior se producirán otros beneficios como los son la generación de 
empleos en la región, producción de CEL’s y se conseguirá el distintivo de Empresa 
Socialmente Responsable. Todo esto conservando el valor histórico del inmueble. 
 
 
 
 
6. Referencias 
▪ Alcaraz, M. (2011). Tesis – Maestro en Ingeniería, Ingeniería Civil - Hidráulica. Recuperado 
el día 25 de agosto de 2018 de: 
http://www.ptolomeo.unam.mx:8080/xmlui/bitstream/handle/132.248.52.100/4493/te
sis.pdf.pdf?sequence=1 
 
▪ CFE, (1990). Prontuario de Datos Técnicos, Central Hidroeléctrica “Boquilla”. Región de 
Generación Termoeléctrica Centro Norte, Gerencia de Generación y Transmisión. 
 
▪ Camargo, L. (2015). Protocolo Internacional de Medición y Verificación del Desempeño 
(IPMVP) [PDF file] Tecnológico de Monterrey. Recuperado el 29 de octubre de 2018 de: 
https://miscursos.tec.mx/ultra/courses/_141685_1/cl/outline 
 
▪ Camargo, L. (2015). Protocolo Internacional de Medición y Verificación del Desempeño 
(IPMVP) [video file] Tecnológico de Monterrey. Recuperado el 29 de octubre de 2018 de: 
https://miscursos.tec.mx/ultra/courses/_141685_1/cl/outline 
 
▪ Garcia, H. Nava, A. (2013) Selección y dimensionamiento de turbinas hidráulicas para 
centrales hidroeléctricas. UNAM, Facultad de Ingeniería. Recuperado el 10 de octubre de 
2018 de: 
http://www.ingenieria.unam.mx/~deptohidraulica/publicaciones/pdf_publicaciones/SEL
ECyDIMENSIONAMIENTOdeTURBINAS.pdf 
 
▪ Voith (2013). Voith francis turbines PDF file SIEMENS, recuperado el 10 de octubre de 
2018 de: http://voith.com/corp-en/industry-
solutions/hydropower.html?78074%5B%5D=1 
 
▪ CENACE, (2018). Precios marginales locales. Recuperado el 26 de octubre de: 
https://www.cenace.gob.mx/SIM/VISTA/REPORTES/PreEnergiaSisMEM.aspx 
 
http://www.ptolomeo.unam.mx:8080/xmlui/bitstream/handle/132.248.52.100/4493/tesis.pdf.pdf?sequence=1
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https://miscursos.tec.mx/ultra/courses/_141685_1/cl/outline
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http://www.ingenieria.unam.mx/~deptohidraulica/publicaciones/pdf_publicaciones/SELECyDIMENSIONAMIENTOdeTURBINAS.pdf
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