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PJ – CI – 80 – QZ Eco Energía 360


Categoría: Pandilla Juvenil (1ro. 2do. y 3ro. de nivel Secundaria)
Área de participación: Ciencias de la ingeniería

Equipo: Eco energía 360

Miembros del equipo:
Kathia Dafne López Santillan
Alexa Guadalupe Reyes Montero
Vanessa Salinas Olivares

Asesor: María de la Paz Triana Alcázar

Escuela: Instituto Acatitlan

Resumen

El proyecto aborda la pobreza energética en México, donde, aunque el 99% de los hogares tiene conexión eléctrica, un 36.7% enfrenta deficiencias en calidad, disponibilidad o fiabilidad del servicio. Esto está relacionado con la dependencia de combustibles fósiles y la ineficiencia de la infraestructura energética, lo que también contribuye significativamente a las emisiones de gases de efecto invernadero. El objetivo del proyecto es diseñar un sistema de generación de electricidad utilizando una rueda adaptable a diversas fuentes de energía cinética, como el viento, agua y gravedad, para ofrecer una solución sostenible en diferentes entornos.

Se construyó un prototipo de sistema generador basado en una rueda conectada a un generador eléctrico, y se realizaron pruebas en entornos simulados de viento, agua y gravedad. Los resultados mostraron que el sistema puede generar electricidad de manera efectiva en cada uno de estos escenarios, con el LED como indicador de éxito. El prototipo demostró ser eficiente y adaptable, destacando su potencial para mejorar el acceso a electricidad en áreas rurales y urbanas con recursos limitados, promoviendo el uso de energías renovables y contribuyendo a la reducción de la pobreza energética.

Pregunta de Investigación

Planteamiento del Problema

La pobreza energética en México es una problemática que afecta a nivel nacional, ya que un alto porcentaje de hogares enfrenta limitaciones significativas en el acceso a energía eléctrica suficiente para satisfacer sus necesidades básicas. Aunque el 99% de los hogares mexicanos cuentan con conexión eléctrica, el 36.7% de las familias experimenta deficiencias en la calidad, disponibilidad o fiabilidad del servicio, lo que impacta directamente su calidad de vida. Esta situación está vinculada a factores como el desbalance entre la generación y la demanda de energía, las altas tarifas derivadas del uso de combustibles fósiles, y la dependencia hacia insumos energéticos con precios volátiles, como el gas natural y el carbón, que incrementaron en un 180% y 64%, respectivamente, en 2021. Además, los constantes apagones, como los ocurridos en el mismo año dejaron a 4.7 millones de personas sin electricidad en el norte de México, evidencian la falta de un sistema energético confiable y eficiente. Esta situación empeora con el hecho de que el sector energético en México contribuye con más de la mitad de las emisiones de Gases de Efecto Invernadero (GEI), derivado de la prevalencia de combustibles fósiles en la matriz energética. (1)

Antecedentes

Infraestructura eléctrica en México.

En México, la Comisión Federal de Electricidad (CFE) es la entidad responsable de la generación, transmisión, distribución y comercialización de energía eléctrica. En 2011, la capacidad instalada para generar electricidad era de 52.5 GW, generando un total de 254.7 TWh anuales. La mayor parte de la electricidad se produjo en centrales termoeléctricas (45.1%) que utilizan hidrocarburos. Otros métodos de generación incluyen las hidroeléctricas (21.9%), las carboeléctricas (5.1%), y la única central nucleoeléctrica (2.7%). También hay fuentes renovables como las geotermoeléctricas (1.7%) y las eoloeléctricas (0.20%). Un 23.3% de la capacidad provino de productores independientes, principalmente termoeléctricas. La mayor parte del suministro eléctrico se destinó a la industria (52.81%) y a sectores residenciales y comerciales.

Este sistema refleja una fuerte dependencia de los combustibles fósiles para la generación eléctrica, con un uso limitado de fuentes renovables, lo que resalta la necesidad de diversificar las fuentes de energía hacia alternativas más sostenibles. (3)

 

Energías renovables.

Las energías renovables provienen de fuentes naturales que se reponen rápidamente, como la luz solar, el viento y el agua. A diferencia de los combustibles fósiles (carbón, petróleo, gas), que tardan millones de años en formarse y emiten gases contaminantes al quemarse, las energías renovables producen mucho menos emisiones, siendo esenciales para combatir el cambio climático. (4)

Algunas fuentes comunes de energía renovable son:

  • Energía solar: la más abundante, que se aprovecha mediante paneles fotovoltaicos para generar electricidad.
  • Energía eólica: utiliza turbinas impulsadas por el viento, tanto en tierra como en el mar, para producir electricidad.
  • Energía geotérmica: extrae calor del interior de la Tierra para generar energía.
  • Energía hidroeléctrica: aprovecha el movimiento del agua en embalses o ríos para producir electricidad.
  • Energía oceánica: aún en desarrollo, utiliza las olas y las corrientes marinas.
  • Bioenergía: generada a partir de biomasa como madera o residuos agrícolas, con menores emisiones que los combustibles fósiles.

 

Sistemas híbridos de generación de electricidad

Los sistemas híbridos son una solución importante para América Latina y el Caribe, donde aún existen brechas en el acceso a electricidad. Estos sistemas combinan fuentes de energía renovable y generación fósil, ofreciendo una alternativa más sostenible y económica para las comunidades aisladas. Tradicionalmente, estas comunidades han dependido de la generación con combustibles fósiles, que es costosa y tiene impactos ambientales negativos.

Los sistemas híbridos permiten reducir el uso de combustibles fósiles, disminuyen costos operativos y el impacto ambiental, y pueden incluir baterías para almacenar la energía producida. Aunque las fuentes renovables presentan variabilidad en su generación, los sistemas híbridos ofrecen una solución flexible y eficiente para mejorar el acceso a la energía en la región de manera más sostenible. (5)

Casos de éxito con energías renovables

El éxito en la adopción de energías renovables ha sido impulsado por varias empresas y países que destacan por su innovación y compromiso con la sostenibilidad. Tesla ha revolucionado la industria automotriz y energética mediante vehículos eléctricos eficientes y soluciones de almacenamiento de energía como el Powerwall. Vestas es líder en la producción de turbinas eólicas, demostrando la viabilidad de la energía eólica para reducir emisiones de carbono. SolarCity, ahora parte de Tesla, ha facilitado el acceso a la energía solar mediante modelos innovadores de financiamiento. Orsted, pionera en energía eólica marina, ha demostrado el potencial de esta tecnología para generar grandes cantidades de electricidad limpia. Por último, Alemania ha liderado la transición energética, mostrando que es posible depender en gran medida de energías renovables a través de políticas favorables y tecnología avanzada, logrando así beneficios ambientales y económicos. (6)

Objetivo

Diseñar e implementar un sistema de generación de electricidad utilizando una rueda como mecanismo principal, capaz de adaptarse a diversas fuentes de energía cinética (como el flujo de agua, viento o caída de peso) para ofrecer una solución eficiente y sostenible en diferentes entornos, promoviendo el uso de energías renovables en áreas rurales y urbanas.

Objetivos específicos.

  • Investigar y seleccionar los materiales y tecnologías más adecuados para la construcción de un sistema de generación eléctrica basado en una rueda.
  • Construir el prototipo del sistema generador de electricidad con la rueda.
  • Comprobar la eficiencia del sistema.

Justificación

El acceso a energía eléctrica es un derecho básico y un elemento esencial para mejorar la calidad de vida y el desarrollo socioeconómico de las personas. Sin embargo, la pobreza energética sigue afectando a un gran porcentaje de la población en México, limitando su capacidad de progreso y aumentando las desigualdades sociales. La dependencia hacia fuentes de energía costosas y contaminantes como los combustibles fósiles, dificultan el acceso a energías limpias y competitivas, poniendo en riesgo tanto el medio ambiente como el bienestar de la población.

Por lo tanto, es urgente implementar soluciones que promuevan una transición hacia energías sostenibles, confiables y asequibles. Invertir en fuentes de energía renovables no solo reduciría las emisiones de GEI, sino que también mejoraría la estabilidad del suministro energético en áreas rurales y urbanas, reduciendo la dependencia hacia combustibles fósiles y mitigando el impacto de las fluctuaciones de precios en los insumos energéticos. Un proyecto que aborde la pobreza energética en México mediante la promoción de energías renovables tiene el potencial de cerrar las brechas de desigualdad, mejorar la calidad de vida de millones de personas y contribuir a un desarrollo más justo y sostenible para el país. (2)

Hipótesis

Se espera que la implementación del sistema de generación eléctrica basado en una rueda, maximice el aprovechamiento de diversas fuentes naturales de energía (como el viento, el agua o la caída de peso), permitiendo el acceso a electricidad en entornos rurales y urbanos con recursos limitados, contribuyendo a la reducción de la pobreza energética.

Método (materiales y procedimiento)

  1. Diseño del Generador

El diseño del generador eléctrico consiste en una rueda adaptable que puede aprovechar diversas fuentes de energía cinética, como el flujo de agua, el viento y la energía potencial gravitacional (caída de peso). El sistema se compone de una rueda central conectada a un eje, el cual se encuentra vinculado a un generador eléctrico. Este generador convierte el movimiento rotacional de la rueda en energía eléctrica utilizable. El diseño busca maximizar la eficiencia de la captación de energía en distintos entornos.

  1. Selección y Preparación de Materiales

Rueda: Se diseñó una rueda de tamaño adecuado, que puede ser fabricada específicamente, resistente al desgaste por agua o viento.

Eje y baleros: Un eje que soporte las fuerzas generadas por la rotación de la rueda. Se utilizarán baleros para facilitar el movimiento fluido.

Generador: Se usará un motor en forma de generador de corriente continua para el prototipo, esperando que se realice el cambio para corriente alterna dependiendo del uso en un futuro.

Estructura: La estructura que sostiene la rueda debe ser resistente y dependerá de las condiciones de humedad o viento del lugar.

 

  1. Montaje Inicial del Sistema de Rueda y Generador

El montaje inicial consiste en conectar la rueda al eje, asegurando que gire sin fricción innecesaria. El generador se acopla al eje de tal manera que cada rotación de la rueda produce electricidad. Se verifica que las conexiones mecánicas sean firmes y que el movimiento de la rueda no tenga restricciones.

  1. Preparación del Sistema Eólico

Se añadirá a la rueda una serie de aspas o paletas para captar la energía del viento. Estas aspas pueden ser de plástico, metal ligero o madera, dependiendo de los materiales disponibles. El ángulo y la cantidad de aspas se ajustarán para optimizar el flujo de aire y la velocidad de rotación.

  1. Preparación del Sistema Hidráulico

Para aprovechar el flujo de agua, la rueda se coloca en un entorno donde el agua en movimiento, como un arroyo o canal, pueda golpear las paletas de la rueda. Se agregan pequeños acumuladores para capturar la fuerza del agua de manera eficiente.

  1. Sistema de Peso Gravitacional

Se diseña un sistema en el que un peso elevado se deja caer lentamente, impulsando la rotación de la rueda a través de una polea conectada al eje. El peso puede ser ajustable para modificar la velocidad de rotación.

 

  1. Montaje Final y Verificación

Después de haber probado y ajustado cada uno de los sistemas, se realiza el montaje final, asegurando que el generador y la rueda funcionen correctamente en cada configuración (eólica, hidráulica o gravitacional). Se verifica que las conexiones eléctricas y mecánicas sean seguras y que el sistema pueda adaptarse fácilmente a diferentes entornos.

 

Galería Método


Resultados

Se llevaron a cabo pruebas en tres maquetas diferentes, cada una representando uno de estos ambientes, utilizando un motor de corriente directa para convertir la energía en electricidad y un LED como indicador de generación de energía.

Prueba en el entorno eólico

En esta configuración, se añadieron aspas a la rueda para captar la energía del viento. Durante las pruebas, se comprobó que la rueda comenzó a girar con viento moderado, generando suficiente energía para encender el LED. El prototipo mostró un buen rendimiento en condiciones de viento estables, logrando una rotación constante y la conversión efectiva de la energía cinética en electricidad.

Prueba en el entorno hidráulico

Se colocó la rueda en un entorno simulado con flujo de agua controlado, como si fuera un arroyo o canal. Al entrar en contacto con las paletas de la rueda, el agua provocó la rotación de la rueda de manera efectiva, generando también suficiente energía para encender el LED. El sistema hidráulico demostró ser eficiente en la captación de la energía del agua, mostrando que el prototipo puede adaptarse bien a este tipo de fuente.

Prueba en el entorno gravitacional

Para aprovechar la energía potencial gravitacional, se diseñó un sistema con un peso conectado a una polea que hacía girar la rueda lentamente al caer. El peso utilizado generó suficiente rotación para activar el generador y encender el LED. A pesar de ser un entorno más controlado, el prototipo mostró que la rueda puede generar electricidad con este método de aprovechamiento de energía.

Galería Resultados


Discusión

Las pruebas realizadas con el prototipo confirmaron que la rueda puede adaptarse eficientemente a los tres ambientes de captación de energía: viento, agua y gravedad. En todas las configuraciones, el LED se encendió, demostrando la generación exitosa de electricidad. Si bien el sistema está en su fase inicial, los resultados indican que esta tecnología tiene el potencial de ofrecer una solución versátil para la generación de electricidad en áreas rurales o urbanas con recursos limitados.

Conclusiones

Las pruebas realizadas con el prototipo confirmaron que la rueda puede adaptarse eficientemente a los tres ambientes de captación de energía: viento, agua y gravedad. En todas las configuraciones, el LED se encendió, demostrando la generación exitosa de electricidad. Si bien el sistema está en su fase inicial, los resultados indican que esta tecnología tiene el potencial de ofrecer una solución versátil para la generación de electricidad en áreas rurales o urbanas con recursos limitados.

Bibliografía

 



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Summary

Research Question

Problem approach

Background

Objective

Justification

Hypothesis

Method (materials and procedure)

Method Gallery

Results

Results Gallery

Discussion

Conclusions

Bibliography