El consumo de energía eléctrica se ha duplicado
en los últimos 30 años a nivel mundial.
Este aumento se debe al incremento del consumo tanto en zonas urbanas o
residenciales como en los sectores industriales y servicios.
A lo largo de esta obra, visitaremos las centrales convencionales y renovables
explicando sus procesos, entrando en sus reactores
o calderas y viajando a través de sus instalaciones.
Lo que nos permitirá conocer su ubicación, funcionamiento,
características y repercusiones medioambientales.
Las centrales hidroeléctricas obtienen la energía eléctrica a partir del giro de un
alternador, solidario a la turbina, la cual es acciónada por la energía
cinética del agua de un río retenida en un embalse.
Dependiendo del tipo de presa, existen dos tipos de centrales.
Las centrales de presa de gravedad o rectas y las de presa de bóveda o curvas.
Hay que citar también las centrales hidroeléctricas de bombeo, que tienen una
aprovechamiento más eficaz de los recursos ya que pueden
funcionar generando o consumiendo energía eléctrica.
Una central térmica convencional obtiene energía eléctrica a partir de la
combustión, en una caldera de combustibles de origen fósil.
Esta energía convertirá en vapor el agua que circula por un circuito que consta
entre otros de la turbina y del generador eléctrico.
Las centrales térmicas de ciclo combinado constan de dos tipos de turbinas,
la de vapor y la de gas, siendo más eficientes que las centrales
convencionales ya que antes de transmitir el calor a la turbina de vapor aprovechan
el potencial de los gases de la combustión en la turbina de gas.
Una central nuclear es una central termoelectrica clásica, en la cual la
fuente de calor se consigue por la fisión de los núcleos de uranio en un reactor,
en vez de la combustión de carbón, gas o fueloil en una caldera.
Como elementos destacados de estas centrales están el reactor nuclear,
donde se genera el calor que es absorbido por
un circuito primario y el generador de vapor.
Donde se transfiere este calor al fluido que circula por el circuito secundario,
transformándolo en vapor que accionará el grupo turbina generador.
Las centrales eólicas transforman la energía cinética del viento en energía
mecánica y finalmente mediante un generador en energía eléctrica.
Actualmente, la mayor parte de los aerogeneradores son del tipo de eje horizontal.
Dichos aerogeneradores disponen de un número de palas
y un diámetro de rotor variable, según la potencia.
Para obtener potencias aceptables, estos aerogeneradores se agrupan en los
llamados parques eólicos, situados en zonas con vientos fuertes y regulares.
Las centrales solares de torre central transforman la radiación solar en energía
térmica, gracias a una caldera situada en lo alto de una torre.
Dicha caldera convierte en vapor el fluido que circula por un circuito térmico,
permitiendo así la generación de energía eléctrica.
Las centrales de colectores distribuidos calientan el fluido que circula por unos
tubos que se hayan en el eje focal de cada colector, generando
ese vapor que acciona a los grupos turbina alternador.
Otra forma de aprovechar la energía del sol es la que convierte esta energía
directamente en energía eléctrica mediante el efecto fotoelectrico, son las
denominadas centrales solares fotovoltaicas.
Las centrales de biomasa utilizan la materia orgánica de origen vegetal o
animal, sea natural o artificial para su conversión en calor mediante su combustión
en una caldera al estilo de las centrales térmicas clásicas.
El agua que circula por un circuito térmico se transforma en vapor en el
interior de la caldera, vapor que accionará los álaves
de una turbina solidaria a un generador eléctrico.
Las centrales de residuo sólidos urbanos
constituyen un caso singular dentro de la biomasa.
El aprovechamiento energético de estos residuos permite, en una primera fase,
el reciclado de los útiles, mientras que con los materiales de rechazo se generará
energía eléctrica, aparte de proceder a la eliminación de los mismos.
Las centrales marinas engloban cuadros formas distintas de aprovechar el
potencial energético de los mares y los océanos.
La energía de las corrientes marinas estaba en el desplazamiento de grandes
masas de agua por el interior de los mares, no mezclando
se por presentar diferencias en la temperatura y salinidad.
Interponiendo equipos turbina generador en estos
ríos marinos es posible generar el excricidad.
La energía marionotriz, quizás la más conocida, aprovecha la acción de las
mareas para embalzar agua en el interior de una baía.
Para posteriormente, con la maría baja, restituir el agua al mar, generando el
excricidad al estilo de una central hidroeléctrica.
La energía de las olas y las ondas genera energía eléctrica a partir del baiven de
las olas o las ondas, las cuales, origina en un flujo de aire ascendente
descendente, que al pasar por unas turbinas
reversibles, accionan un generador eléctrica.
La energía maremotérmica aprovecha el gradiente termocéánico que los mares
tropicales alcanzan los 20 grados centíeros.
Funcionan, bombeando, agua fría del fondo marino y agua caliente de la superficie,
creando así un ciclo térmico de carnuto.
La energía geotérmica aprovecha el calor interno de la tierra debido a la
desintegración radioactiva de algunas rocas de la corteza terrestre.
Este calor, si está cerca de la superficie, puede ser explotado mediante
un sistema de tuberías que extraen el calor, transferiéndola a un fluido que,
al convertirse en vapor, debido a las altas temperaturas, acciona un conjunto
turbina alternador generando energía eléctrica.
Cuando el gradiente termico es bajo y no es posible la generación de vapor que
acciónen las turbinas, se utilizan las centrales para la producción de calor.
Este recurso energético se aprovecha para la califacción
urbana, valnearios o para la producción de calor industrial.
Las pilas de combustible se forman directamente la energía química en energía
eléctrica, con un rendimiento mayor que el de
cualquier otro método de obtención de electricidad.
Una aplicación característica son los vehículos de hidrógeno, en los que el
proceso electroquímico consiste en combinar el oxígeno que llega del exterior
con el hidrógeno a través de una pila de
combustible para la generación de energía eléctrica.
Las pilas de combustible también pueden producir electricidad para uso doméstico o
industrial a través de las plantas eléctricas estacionarias.
Estas plantas ya se utilizan para la producción de electricidad para abastecer
a hospitales, hoteles, oficinas o industrias, con eficiencias superiores al
40 % llegando al 85% si el vapor que producen
es empleado en sistemas de cogeneración.
Una central hidróéctrica está formada por una presa ubicada en el hecho de un río.
Esta presa, bien regulada, permita acumular
una gran cantidad de agua formando un embalse.
Con el fin de originar un salto se situan las tomas de agua en el interior de la
presa, instalándose a cierta profundidad para
aprovechar al máximo el volumen del embalse.
Estas tomas constando una bocina de admisión, una regilla metálica que filtra
el agua y unas compuertas encargadas de regular el volumen de agua hacia una
tubería forzada, la cual atraviesa la presa llevando el
agua hasta las turbinas situadas en la sala de máquinas.
Al llegar a las turbinas, el agua hace girar sus rodetes, estando las turbinas
acupradas a leje de un alternador y de un generador de corriente continuo,
siendo el agua continuación restituida al río.
El generador de continua excita los electromagnes del rotor del alternador,
induciéndose en su estator una corriente alternada de alta intensidad.
Atendiendo al tipo de presa, existen varios tipos de centrales, siendo las más
frecuentes, las presas de bovedas y las presas de gravedas.
Las presas de bovedas basan su equilibrio y resistencia a
la sujeción de sus laterales sobre las laderas contiguas.
Por el contrario, las presas de gravedad pasan su equilibrio y resistencia al
propio peso de la presa, por lo que esta debe de ser de gran espesor.
Las presas de bovedas son curvas, altas y cortas, estando situadas en zonas
abruptas con materiales duros, mientras que las presas de gravedad son
rectas, bajas y largas, estando situadas en zonas con materiales blancos.
En zonas con escasos recursos hídricos, se utilizan las centrales de bombeo,
constando estas de dos embalses situados a diferentes altura.
Durante las horas con altas demandas energéticas, la central funciona
conduciendo el agua acumulada en el embalses superior a
través de una tubería forzada hasta la sala de máquinas.
El agua hará girar los rodetes de las turbinas, generando electricidad y
quedando posteriormente almacenada en el embals inferior.
Cuando la demanda energética es baja, se aprovecha la energía sobrante de las
centrales térmicas, para bombear el agua desde el embals inferior hasta el
superior, con lo que el agua vuelve a reiniciar el ciclo.
Para evitar los daños causados por la caída libre del agua desde los
aliviareros, se instalan cuencos de amortiguación en la base de la presa y
unos dientes fijados en el cauce del río, los cuales rompen y guía en la corriente.
Una central térmica genera energía eléctrica a partir de la
combustión en una caldera de combustibles de origen fósis.
Las centrales térmicas funcionan con combustibles sólidos líquidos o gaseosos,
se diferencian únicamente entre ellas por el tratamiento previo del combustible
antes de ser inyectado en la caldera, así como por el diseño de los quemadores.
El
carbón es conducido al molino, mediante cinta transportadoras para ser
triturado, pulverizado y posteriormente inyectado en la caldera.
Mezcrándose con aire caliente a presión para
obtener una mejor combustión en los quemadores.
Esta combustión da lugar a una energía calorífica que convierte en vapor a alta
temperatura el agua que circula por los miles de tubos que tapizan la caldera.
Para reducir los efectos de la combustión, las centrales térmicas poseen unos
precipitadores que retienen buena parte de las partículas y de los gaseos nocigos.
De la misma forma, también poseen una chimenea de gran altura que es parte de
los gaseos residuales en los estratos superiores de la atmósfera.
El vapor producido en la caldera y antes de ser enviado a las turbinas,
pasa por un desumidificador que retinen las minúsculas botas de agua en suspensión
que podrían erosionar las paletas de las turbinas de vapor.
Para aprovechar al máximo la fuerza del vapor, las
turbinas cuentan con tres cuerpos unidos por un mismo eje.
Los álaves de las turbinas disminuyen en número y aumentan en
tamaño a medida que pasamos a cuerpos con presiones menores.
Después de accionar las turbinas, el vapor se convierte en líquido en el condensador.
Sometiéndose esta agua a unas etapas de calentamiento antes de ser reiniectada de
nuevo en la caldera, con lo que se obtienen las mejores condiciones de
presión y temperatura y por tanto de rendimiento.
El circuito de agua de refrigeración del
condensador puede operar de dos formas distintas.
En sistema cerrado traslada el calor extraído a la atmósfera mediante torres de
refrigeración, en sistema abierto descarga directamente dicho calor al mar o a un río.
La energía eléctrica se obtiene mediante el giro del alternador y de un generador
de corriente contimo, unidos al eje de la turbina.
El generador excita los electromagnes del rotor del alternador, e inducen el estado
del mismo una corriente alternada de alta intensidad y baja tensión.
Los transformadores posteriormente se encargan de adecuar esta corriente para su
transporte mediante las líneas eléctricas de alta tensión.
Finalmente, si el sistema de refrigeración es cogido, es mediante una torre de
refrigeración, el agua provinente de los condensadores de
la central debe entrar en la misma a una altura determinada.
Una vez en la torre, el agua se distribuye por unas regillas y se convierte en una
fina lluvia, que al caer por su propio peso se encuentra
con el tiro natural ascendente de aire frío de la torre.
Esto origina una pérdida de calor en el agua, que una vez enfriada, puede retornar
al condensador volviendose inicial el ciclo.
Las centrales térmicas de gasificación de ciclo
combinado disponen de dos tipos de turbinas.
Las turbinas de gas, que utilizan como combustible el producto resultante de la
gasificación del carbono petróleo y las turbinas de vapor, que utilizan el calor
residual de los gases producidos en las propias turbinas de gas.
Son varios los edificios que componen un acentral de este tipo y están situados de
forma que permiten un recorrido óptimo a los combustibles,
para así asegurar la generación final de energía eléctrica.
El carbón llega hasta el parque de la central mediante camión más.
Desde este parque se envía el carbón a la planta de preparación de combustibles.
Aquí, es pulverizado, limpiado y secado mediante el nitrógeno
procedente de la unidad de fraccionamiento del aire.
En la unidad de tratamiento del agua, se toma agua del depósito de agua cruda y
se desmineraliza antes de ser aportada al ciclo
de vapor, con el fin de proteger sus componentes.
En la planta de preparación del aire, este se
limpia y enfria para obtener oxígeno y nitrógeno.
El nitrógeno se utilizará para aumentar el rendimiento
del grupo de gas y para secar el carbón triturado.
El oxígeno se enviará la unidad de gasificación.
El carbón triturado es secado mediante el flujo de nitrógeno.
Se introduce junto con el oxígeno y el vapor de agua en el gasificador,
produciendo así, en su parte inferior, un gas sintético a muy alta temperatura,
que transforma en vapor, el agua que circula por un circuito eternico.
El gasificador saldrá las cenizas de la combustión
para ser almacenadas y el gas sintético.
El gas obtenido en el gasificador, antes de ser quemado en el grupo de gas,
pasa por una unidad de desurforación, donde se extrae el azufre que contenía.
Al grupo de gas, le llegan nitrógeno y aire del
exterior y se produce la combustión en la cámara.
El gas es quemado y enviada la turbina de gas.
Aquí, los gases de la combustión se expanden y mueven el generador eléctrico.
A la salida de la turbina, los gases se aprovechan como calor residual,
mientras que los productos de la combustión son liberados al atmósfero.
El vapor procedente del circuito térmico del gasificador, después de pasar por la
unidad de recuperación de calor, es enviado a la turbina de vapor,
donde accionará sus alaves, volviendo una vez
condensado al circuito térmico del gasificador.
El circuito de refrigeración libera en la torre de refrigeración
el calor recibido del circuito de vapor de las turbinas.
Al igual que en el caso de la turbina de gas, la turbina
de vapor mueve un generador que produce energía eléctrica.
Esta energía es enviada a continuación al parque de
alta tensión y desde este a la red de transporte.
En definitiva, las centrales de gasificación de ciclo combinado permiten
un doble aprovechamiento de los combustibles de origen fósil.
Esto se consigue mediante el empleo de turbinas de gas y de vapor, con una
reducción de las emisiones de gases nocivos y un incremento del rendimiento.
Los edificios más importantes de una central nuclear son el edificio de
contención y los edificios de generación y control.
En cuanto al número de circuitos en una central con reactor
de agua presión son tres, dos térmicos y una de refrigeración.
El funcionamiento de una central nuclear con reactor de agua presión se inicia en
el reactor mediante el calor generado por las visiones de los átomos de combustible.
Este calor es transmitido al fluido del primer circuito térmico, normalmente agua,
que se mantiene en estado líquido debido a su gran presión.
Esta agua es conducida hacia los generadores de vapor, a la salida de estos
el agua regresa al reactor impulsada por unas bombas.
En los generadores de vapor, el agua del circuito térmico secundario se convierte
en vapor y se dirige al edificio de turbinas.
Aquí, accióna los alaves de las mismas.
El vapor de las turbinas es enfriado en el condensador
gracias a la acción de un tercer circuito de refrigeración.
El giro de las turbinas provoca el giro de un eje al que está coplado un alternador.
Se genera así energía eléctrica, que será
transformada antes de proceder a su transporte.
El reactor nuclear está formado por cuatro componentes, el combustible nuclear,
el moderador que regula la velocidad de la reacción de fision, las barras de control,
que regulan el nivel de potencia del reactor y el circuito térmico primario de
agua a presión, que extrae el calor generado
en el reactor hacia los generadores de vapor.
En el interior del reactor con combustible nuclear, el choque de un neutron con un
átomo fisionable produce neutrones libres, elementos de fision y calor.
Estos neutrones libres volverán a impactar sobre nuevos átomos fisionables,
de esta manera se reinicia al ciclo y se produce una reacción nuclear en cadena.
Las barras de control, que pueden ser de cambio, controlan el número de neutrones
libres que se producen en una reacción de fision.
Si las barras se introducen totalmente en el núcleo, la absorción de neutrones está
que la reacción en cadena no prospera, mientras que a medida que las barras son
retiradas, el número de neutrones libres aumenta.
Una visita virtual a una central nuclear nos permite comprobar sus componentes más
importantes, la característica torre de refrigeración.
El edificio de contención, que alberga entre otros, los compartimientos de
almacenamiento y distribución, tanto del combustible nuevo como del utilizado.
Y finalmente el reactor nuclear, con sus generadores de calor y presionadores anexos.
En el edificio auxiliar, se encuentran las salas de control, de mantenimiento y los
equipos de seguridad, así como el condensador
y los depósitos de agua de refrigeración.
En esta zona, también se dispone de los grupos turbina
alternador encargados de la generación de energía eléctrica.
Finalmente, el parque de salida con los transformadores y las líneas de
distribución terminan de configurar las instalaciones básicas de la central nuclear.
Las centrales nucleares están formadas por los edificios de contención, el edificio
auxiliar y la torre de refrigeración, integrados
todos ellos en un recinto cerrado de seguridad.
Observando los componentes de la central con más detalle, vemos que el
funcionamiento se inicie en el reactor, donde las continuas
fisiones de los átomos de combustible generan calor.
Este calor es transmitido al primer circuito térmico formado por agua a presión.
Esta agua es conducida mediante tuberías hacia los generadores de vapor.
En los generadores de vapor, el agua del circuito térmico secundario se convierte
en vapor y se dirige el edificio de turbinas donde acciona los álaves de las mismas.
El vapor que sale de las turbinas pasa de nuevo a estado líquido en el condensador
por la acción de un tercer circuito que descarga
este calor en la torre de refrigeración.
La energía cinética producida en la turbina se
convierte en energía eléctrica mediante un alternador.
Esta energía, para ser apta para el consumo, es convertida
en corriente alta tensión mediante un transformador.
Un parqueólico suele estar formado por multitud de aerogeneradores ocupando
grandes extensiones de terreno y colocados de forma que puedan
aprovechar al máximo el régimen de vientos locales de la zona.
Estos parques, por contra, disponen de pocos edificios auxiliares para la
transformación de la energía eólica en energía eléctrica.
Existen dos tipos de aerogeneradores.
Los deje vertical y los deje horizontal.
Los deje vertical disponen de menor rendimiento
y soportan peor las variaciones del viento.
En los aerogeneradores deje horizontal, la góndola está formada por el rotor de
palas con su mecanismo de orientación automática, los armarios de control,
un freno de disco, los engranajes unidos a la caja multiplicadora, el volante de
inercia y el generador eléctrico, el cual,
dispone de un sistema de bloqueo de seguridad.
Finalmente, una veleta nos indica la dirección e intensidad del viento.
La torre, aunque convencional, debe tener un diseño que tenga presente la
coplo mutuo de los modos de vibración de la propia torre y del rotor de palas.
Una vez generada la energía eléctrica por el movimiento del grupo turbina
alternador, es transportada mediante cables conductores hasta un centro de control.
Asimismo, debido a la altura la que se encuentra el generador y el arrozamiento
del aire al que está sumitido el sistema, es necesaria la conexión a tierra para
evitar la electricidad estática del sistema.
La energía, una vez alcanza el centro de control, es tratada y filtrada mediante
unos convertidores y unos armarios de control, derivándose parte de esta energía
hacia una fuente auxiliar formada por baterías.
Debido a carácter aleatorio del viento, las centrales eólicas disponen de una
fuente auxiliar de energía para tener garantizado
en todo momento el suministro eléctrico.
Esta fuente auxiliar actúa en doble dirección, almacenando energía eléctrica
en unas baterías cuando la central funciona correctamente, y devolviendo esta
energía la central cuando la generación es deficitaria.
Finalmente, la energía eléctrica, una vez controlada con las
correspondientes protecciones y transformada adecuadamente,
puede ser distribuida a los centros de consumo.
En los parques marinos, denominados offshore, la energía eléctrica generada en
cada una de las torres eólicas es transportada mediante conductores y
tuberías hasta un centro de control y transformación.
Estos emplazamientos están situados a pocos kilómetros de la costa, en zonas de
escasa profundidad, siendo adecuados debido a la alta intensidad y constancia
que presentan los vientos en estas zonas a lo largo del año.
Ese es el segundo, a la ausencia total de obstáculos.
A menudo, se situan los aerogeneradores en colinas dominando el paisaje circundante.
En estas zonas, siempre se aprecia en merocidades de vientos
superiores comparadas con las zonas bajas limitrofes.
Esto se debe a que el viento es comprimido en
la parte de la montaña que da avarlo vento.
Y una vez alcanza la cima, vuelve a expandirse al descender
hacia la zona de bajas presiones o ladera, a su tabento.
El viento se hace muy irregular al pasar a través del rotor de la aerogenerador.
El efecto tune consiste en un paso estrecho entre montañas, donde el aire se
comprime en la parte de la montaña que está expuesta al viento.
Y su velocidad crece considerablemente entre los obstáculos ofrecidos al viento.
Por eso, situar un aerogenerador en un túnel de este tipo es una forma de obtener
velocidades de viento superiores a las de las áreas colendantes.
Existen dos tipos de aerogeneradores de eje horizontal.
Los orientados a su tabento y los orientados a barlovento.
En los aerogeneradores con las palas situadas a su tabento, no se requieren
sistemas de orientación, ya que las fuerzas del
viento tienden a orientarlos de forma natural.
Aún así, en máquinas de gran tamaño, suelen utilizarse los sistemas de
orientación para evitar cabecios del rotor.
En los aerogeneradores con las palas a barlovento, es
necesario utilizar siempre sistemas de orientación automáticos.
Siendo estos para las máquinas pequeñas, las clásicas colas de orientación.
Mientras que para las máquinas grandes, se
utilizan sistemas servomecánicos más complejos.
Los aerogeneradores dejan tras de sí una estela de viento turbulenta y ralentizada.
En esta estela, la energía contenida en el viento es menor.
Por lo que para evitar turbulencias excesivas entre aerogeneradores,
como mínimo, se separan una distancia que
varía entre 5 y 9 veces el diámetro del rotor.
Solo una parte de la radiación emitida por el sol,
llega de forma efectiva a la superficie de la tierra.
El resto, es de nuevo reflejada o refractada por la atmósfera al espacio,
o es absorbida por las propias capas de la atmósfera.
La energía que alcanza la superficie de la tierra aún debe dividirse en dos tipos.
La radiación directa que se manifiesta en los objetos iluminados por el sol y la
radiación difusa que se manifiesta en el reflejo de la luz solar.
Solo la primera de ellas se aprovecha de forma efectiva.
Una central solar de torre central está formada por un campo de líos tatos,
una torre central, una caldera térmica y un edificio de generación y control.
Los rayos del sol alcanzan a cada uno de los líos tatos, que debido a su forma
reflejan y concentran esta radiación en la caldera térmica.
Situada sobre una torre a gran altura.
Los helios tatos son espejos direccionales de grandes dimensiones, capaces de
mediante dispositivos electrónicos, realizar un seguimiento de la trayectoria
del sol, concentrando así el máximo de energía hacia la caldera térmica.
En la caldera la energía calorífica portada por la
reflexión solar de todos los helios tatos es concentrada.
Mediante unas lentes, solo un circuito confluido térmico.
Este, a absorber el calor, se calienta o se transforma en vapor, dependiendo de la
naturaleza del fluido térmico empleado, sales fundidas, agua o aceite térmicos.
Este primer fluido térmico es conducido hasta el edificio de generación y control,
donde previamente pasa por un dispositivo de almacenamiento térmico, formado por
rocas térmicas, permitiendo así un flujo calorífico
constante hacia un intercambiador de calor.
Aquí, dicha energía, se da transferida a un segundo circuito térmico, transformando
en vapor el agua que circula por este circuito.
El vapor accionará los álaves de las turbinas, que al estar unidas al
alternador, permitirán la generación de energía eléctrica.
El fluido de este segundo circuito térmico es condensado
en un aerocondensador para volver a reiniciarse el ciclo.
La energía eléctrica deberá ser acondicionada y transformada en el centro
de transformación, el cual dispone de los sistemas de protección, en alta tensión y
de los transformadores, que permitirán adecuar la energía a
las condiciones de las líneas de transporte y distribución.
Los colectores solares utilizados en instalaciones domésticas están formados
por un cristal por donde penetra la radiación solar.
Una islante isotérmico protector.
Una placa de cobre que absorbe la radiación solar
y las tuberías del fluido térmico a calentar.
Su principio se basa en la propiedad del cristal, el cual deja pasar las
radiaciones solares de onda corta, mientras que impide la salida de las
radiaciones térmicas de onda larga, acumulándose
así energía calorífica en el interior del colector.
Las centrales solares de colectores distribuidos están formadas por un campo
de colectores, un edificio de generación y control y el centro de transformación que
adecuala energía eléctrica para su transporte.
El campo de colectores está constituido por muchos concentradores de formas
cilíndrica para boloide, situados en filas
paralelas alineadas en los ejes norte -sour.
En el eje de los colectores se concentra la radiación solar recibida.
Aquí se haya un tubo por el cual circula el fluido térmico, aceite mineral,
que al paso por cada colector va aumentando su temperatura
hasta alcanzar la necesaria para la producción de vapor.
Para asegurar la máxima radiación solar, los colectores
disponen de un sistema de seguimiento del sol de este a oeste.
Una vez que el fluido térmico ha aumentado su temperatura tras haber circulado por
los colectores, es conducido mediante tuberías hacia el interior del edificio de
generación y control, donde se transformará la energía térmica en energía eléctrica.
Algunas centrales disponen de equipos de almacenamiento térmico, incorporando un
segundo circuito térmico más constante que permite
una más duradera generación de energía eléctrica.
El fluido del primer circuito térmico trasfiere su calor en un intercambiador al
fluido del segundo circuito térmico, normalmente agua,
cada aumentar su temperatura se transforma en vapor.
De esta manera, acción un grupo turbina alternador
para la producción de energía eléctrica.
Las centrales fotovoltaicas están basadas en el efecto fotovoltaico, que consiste en
la generación de un flujo de electrones en el interior de un semi-conductor,
al incidir sobre el la luz solar.
Estas centrales están formadas por los paneles fotovoltaicos,
el edificio de control y el centro de transformación.
Los módulos fotovoltaicos están formados por un conjunto de paneles fotovoltaicos,
y cada uno de estos paneles, a sí mismo, está formado
por un conjunto de células o celdas fotovoltaicas.
La célula fotovoltaica consta de dos semi -conductores de signo opuesto,
y de dos grillas metálicas encargadas de captar la energía eléctrica generada.
A nivel atómico, la energía solar en forma de fotones, al incidir sobre la célula,
origina una energía que provoca una diferencia de potencial entre los dos semi
-conductores de signo supuestos, estableciéndose así un flujo de electrones.
Todo el proceso de la central se analizo desde el edificio de control, donde se
haya la estación meteorológica, la sala de motorización y la sala de control.
La energía eléctrica generada en los paneles es en forma de corriente contimo.
Por ello, por medio de unos inversores, esta corriente es convertida a corriente
alterna, pasando después por las protecciones de alterno.
Una vez convertida a alterno, la energía eléctrica es protegida con las
correspondientes protecciones eléctricas, para posteriormente y mediante el
transformador, adaptar sus condiciones para el transporte hasta los centros de consumo.
Una central de cogeneración con biomasa utiliza como combustible los residuos
forestales y los cultivos denominados energéticos.
Estos cultivos, una vez limpios tratados y secados, serán la base de una combustión
de la que se obtendrá por una parte vapor, caccionar a las turbinas y los generadores
eléctricos, y por otra parte calor industrial,
obtenido gracias a los recuperadores de calor.
Una serie de edificios instalaciones componen
las centrales de cogeneración de biomasa.
Estas instalaciones deben permitir la obtención
de un buen rendimiento energético de la planta.
El ciclo del combustible se inicia con la recolección de la materia primera,
siendo esta transportada a la central mediante
camiones para su posterior tratamiento y almacenaje.
Esta materia será sometida en primer lugar a un tratamiento de astillado,
con lo que se consigue reducir su tamaño.
A continuación, el combustible pasa a una
edificio de preparación y procesado del mismo.
Una vez procesado, este combustible se divide en fino y en
grueso, existiendo un dosificador para el combustible fino.
El
combustible fino es introducido en la caldera junto con
el fueloil procedente de los depósitos de almacenamiento.
Utilizando además, el aire necesario para la combustión.
Esta combustión genera unos gases altas temperaturas que transformarán en vapor el
agua que circula por las tuberías que tapizan la caldera.
El combustible grueso se introduce en una parrilla diferente a la del combustible
fino, produciéndose una segunda combustión.
El agua, antes de entrar en la caldera, pasa por un economizador donde es
precalentada por los propios gases de la combustión.
Estos gases son sometidos a un proceso de recirculación por la caldera para reducir
la cantidad de inquemados, y así aprovechará el máximo del poder energético
y reducir las emisiones atmosféricas y el porcentaje de cenizas.
Los gases provenentes de la caldera son depurados en un electro filtro,
donde las partículas son retenidas y almacenadas
junto con las cenizas de la combustión.
Estos gases son vertidos a la atmósfera a través de una chimenea.
El vapor generado en la caldera se expande en la turbina de vapor, moviendo un
generador eléctrico y volviendo una vez enfriado
en los condensadores al circuito de la caldera.
La energía eléctrica generada debe ser adaptada
mediante transformadores para su transporte.
De la turbina se extrae parte del vapor para mediante un intercambiador de calor
generar vapor industrial o agua caliente sanitaria.
El agua condensada en el intercambiador es recogida en el tanque de condensado,
pasando al tanque de alimentación y cerrándose así el ciclo de refrigeración.
Estas centrales en definitiva son denominadas de cogeneración, pues en ellas
se obtiene tanto electricidad como calor generado, siendo además renovables ya que
utilizan materias primeras como los residuos forestales
o los cultivos energéticos creados para tal fin.
Una central incineradora de residuos solidos urbanos utiliza como combustible
principal los residuos domésticos y urbanos.
Estos residuos, una vez clasificados, tratados y triturados, serán la base de
una combustión de la que se obtendraba por, mediante el cual se generará energía
eléctrica en los grupos turbina alternador.
Una serie de edificios e instalaciones componen
las centrales de residuos solidos urbanos.
Estas instalaciones optimizan el recorrido del combustible para
la obtención de un alto rendimiento energético de la planta.
Los residuos solidos urbanos llegan a la nave de descarga de la central
transportados por camiones.
En dicha nave, los camiones vierten su contenido en
un foso de donde una grúa va recogiendo los residuos.
Las basuras recogidas por la grúa son enviadas mediante
una cinta transportadora a la planta de selección.
En la zona de selección se separan los diferentes tipos de materiales
seleccionando aquellos que pueden tener utilidad o ser reciclados.
La materia orgánica se envía a unas playas de fermentación y los materiales
reciclables, botellas, metal, plástico y pilas,
se extraen y se almacenan para su transporte.
Finalmente, el material no aprovechable se envía a un tambor giratorio.
Después del tambor giratorio se produce una segunda selección.
Y una vez que se ha separado aquello que se considera todavía aprovechable o
reutilizable, el resto denominado rechazo, se envía a
un depósito situado junto al horno, donde será quemado.
En el centro de la central se realiza la combustión en un horno caldera con el
concurso del material de rechazo, una cantidad adecuada y variable de aire
filtrado y en algunas ocasiones con la edición de fueloil.
La combustión en el horno hace que el agua que circula por las tuberías de la caldera
se transforme en vapor, mientras que las cenizas
resultantes son recogidas en los depósitos.
Los gases de la combustión se hacen pasar por una unidad de depuración antes de ser
vertidos a la atmósfera a través de una chimenea, recogiéndose de nuevo las
cenizas se enquemados originados en esta unidad de depuración.
En estas centrales es importante el procesado de las cenizas y escorias,
así que antes de ser almacenadas son llevadas a una zona en la cual son tratadas.
El vapor generado en la caldera es llevado a los
diferentes cuerpos de la turbina de vapor según su presión.
La expansión del vapor en la turbina acionará un generador eléctrico.
A la salida de la turbina, el vapor es conducido a un
aerocondensador para que condense y se convierta en agua líquida.
Esta agua pasa por unos calentadores que la
precalientan antes de llegar de nuevo a la caldera.
La energía eléctrica generada debe de ser adaptada a las condiciones del transporte
mediante unos transformadores que adecúan sus
condiciones de tensión e intensidad a las de la red.
La materia orgánica es transportada tras pasar por un separador magnético que
retira los materiales férricos a unas playas de fermentación,
en las cuales permanecerá durante unos dos meses.
En estas playas la materia orgánica es aireada periódicamente y sometida a un
proceso de eliminación de impurezas para obtener así un abono denominado con pos.
En definitiva estas centrales, aunque en realidad son centrales térmicas,
son denominadas renovables, pues en ellas se obtiene electricidad mediante la
combustión de residuo sólidos urbanos, contribuyendo
de esta forma a la preservación del medio ambiente.
La energía geotérmica aprovecha el calor interno de la tierra, producido por la
desinterracción radioactiva de algunas rocas de su
corteza para la generación de energía eléctrica.
Estas centrales disponen de un campo de intercambiadores de calor, donde se extraa
la energía térmica de la tierra, de un edificio de
generación eléctrica y de un centro de transformación.
Un yacimiento geotérmico para ser apto para su explotación debe disponer de un
fluido portador de calor que exceda a los 200 grados
centígrados y debe encontrarse situado a poca profundidad.
Los campos geotérmicos presentan unas características geológicas comunes.
Así, solen estar formados por una fuente de calor, unas capas de roca impermeable y
un acuífero de donde se extraa el fluido portador de calor.
El funcionamiento se inicia con la extracción mediante
bombas y tuberías del fluido alta temperatura.
Después de pasar por unos filtros, se desucalora al circuito secundario en
los intercambiadores de calor, volviendo después al
interior del acuífero para reiniciarse del nuevo al ciclo.
El agua que circula por el circuito secundario se
transforma en vapor en los intercambiadores de calor.
Este vapor se conduce mediante tuberías hacia el
edificio de las turbinas y los generadores eléctricos.
De
control procedente del circuito secundario y acción a las turbinas.
A la salida de estas, el vapor es enfriado en el condensador,
retornando en forma líquida a los intercambiadores de calor.
Existe un tercer circuito de refrigeración, encargado de volver a
estado líquido el vapor a la salida del condensador.
Este tercer circuito se refrigera con el contacto
de la aire en las torres de refrigeración.
Finalmente, la transformación de energía geotérmica, en energía eléctrica,
se produce por el giro de un alternador solidario alégeo de las turbinas.
Una vez generada la energía eléctrica, son necesarias su protección y
transformación para permitir su distribución a los centros de consumo
mediante las correspondentes líneas eléctricas de alta tensión.
Los sistemas con vapor secos son poco frecuentes, aunque muy prácticos.
En este caso, un simple filtrado previo del vapor para extraer las impurezas y las
partículas en suspensión, es suficiente antes de ser utilizado el mismo para el
giro de los grupos turbina generadores eléctricos.
Los sistemas más frecuentes son aquellos en los que el fluido operante es al muera,
mezcla de vapor, agua y partículas sólidas.
En este caso, es necesario separar el vapor del
resto de componentes en un tanque de expansión.
Así, las partículas que el agua separadas son de vueltas al yacimiento, mientras que
el vapor se encargará del giro de las unidades turbina generador eléctrico.
En los sistemas en los que la temperatura del fluido operante es demasiado baja para
ser transformado en vapor, se utiliza un segundo fluido con bajo punto de buillición.
Así, el agua del yacimiento circula a través de un intercambiador de calor,
cediendo su energía térmica a este fluido con bajo punto de buillición, el cual ya
es acto para trabajar con presiones más elevadas.
De esta manera, se consigue el vapor que accionará
a las unidades turbina generador eléctrico.
Al contrario que en el caso anterior, existen yacimientos en los cuales el
fluido operante está temperaturas tan elevadas que permite dos expansiones antes
de ser de vuelta al interior del yacimiento.
De la primera expansión, se obtiene vapor a alta presión,
que accionará una turbina de vapor a alta presión.
De la segunda expansión, se obtiene vapor a baja
presión, que accionará a una turbina de baja presión.
Finalmente, todas las unidades de las turbinas accionarán al generador eléctrico.
Cuando la temperatura del fluido del yacimiento geotérmico es inferior a los
200 grados centígrados, ya no es posible la generación de energía eléctrica.
Por lo tanto, estos campos de baja entalpía se
utilizan para generar calor urbano e industrial.
En estas centrales, el agua geotérmica ya filtrada es bombeada y transportada
mediante tuberías hacia un intercambiador de calor, donde
transfiere su calor a un circuito térmico secundario.
Posteriormente, se reiniecta en el pozo de reserva para reiniciar el ciclo.
El circuito térmico secundario distribuye el calor en diversos circuitos con la
ayuda de intercambiadores y de distribuidores de calor, transferiéndose
este calor a los aspectivos sistemas de
calefacción, agua caliente o calor industrial.
Una vez se ha transferido el calor a cada uno de los circuitos, las tuberías de
retorno se encargan de cerrar estos circuitos para permitir nuevos ciclos.
Entre las principales aplicaciones de esta
generación de calor, están los procesos industriales.
Desde el secado de productos o materias primeras, hasta los complejos sistemas que
requieren altas temperaturas, conforman un amplio abanico de posibilidades,
que son abastecidas mediante este sistema a bajo coste.
Este sistema también permite obtener un importante ahorro en el consumo de energía
en zonas frías, en las cuales los sistemas de calefacción
deben funcionar frecuentemente a lo largo del año.
Una extensa rep de tuberías y distribuidores de calor permitirán en su
ministro tanto a zonas urbanas como avarios
residenciales de agua caliente sanitaria y calefacción.
Esto permite beneficiarse de esta económica fuente de calor, inagotable,
renovable y continua al no estar sujeta a variaciones estacionales.
En verano necesitamos un fluido a baja temperatura para extraer el calor de las
casas, así mientras en el exterior la temperatura ha aumentado en el interior
del terreno permanece prácticamente constante a lo largo del año.
Por lo que el fluido absorberá el calor del interior de las casas, para
transferirlo posteriormente al terreno que se haya a menor temperatura.
En invierno el proceso se invierte, ya que mientras en el exterior la
temperatura habrá descendido, en el interior del terreno la temperatura no
cambiará, con lo que será posible extraer calor de la tierra, para ser utilizado,
para calentar el agua y para calefacción de los edificios.
Así, el calor es transferido a un líquido que circula por las tuberías enterradas,
sediéndose este calor posteriormente al interior de los edificios.
En la tipología de bomba de calor en horizontal, se consigue la temperatura
deseada por el gran recorrido del fluido a igual profundidad,
por lo que es necesaria una gran superficie de terreno.
En la tipología de bomba de calor en vertical, se logra el gradiente térmico
deseado con poca superficie de terreno, aunque debemos buscar
este gradiente en vertical, es decir, a mayor profundidad.
Y finalmente, en la tipología de bomba de calor en espiral, se consigue el gradiente
térmico deseado a una profundidad enorme y con una menor superficie.
Esto es posible por el aumento de la superficie de contacto
con el terreno de la tubería al disponerse en espiral.
Las corrientes marinas son rios de agua que fluyen en el interior de los mares.
No se mezclan debido a sus diferencias de temperatura y densidad.
Una central de corrientes marinas aprovecha la energía
de estos rios para la generación de energía eléctrica.
Estas centrales están formadas por unas columnas en las que se instan en las
turbinas, las cuales, mediante unas guías, pueden
desplazarse hasta quedar totalmente sumercidas.
En las turbinas de las corrientes marinas, al igual
que en las eólicas, destacan las palas del rotor.
Los equipos mecánicos de transmisión, formados por el eje principal,
el freno de disco para el paro de la turbina ante situaciones de emergencia,
los ejes y engranajes de la caja multiplicadora y el volante de inercia,
que almacena y regula la energía mecánica.
Todos estos componentes están destinados a
permitir el giro mecánico del generador eléctrico.
La turbina también dispone de un bloqueo de seguridad, muy útil ante situaciones
marinas adversas, las cuales podrían dañar todo el sistema.
Las velocidades de las corrientes marinas son menores clas del viento, no obstante
debido a la alta densidad de la agua, a igualdad de potencia,
las turbinas son más pequeñas que sus equivalentes eólicas.
La energía eléctrica generada por cada uno de los alternadores es transportada hacia
el edificio de control mediante conductores y bajo unos conductos especiales.
Capaces de soportar las duras condiciones marinas.
En este edificio, la energía eléctrica se acondicionará y transformará para permitir
su posterior transporte hacia los centros de consumo.
Aunque son pocas las centrales actuales de corrientes marinas, se están estudiando
nuevas ubicaciones que permitirán aumentar en un futuro el potencial de esta energía,
que es capaz de sumilistrar con generadores
similares, 4 veces más energía que la eólica.
La energía eléctrica marina, producida por la acción
de las mareas, se denomina energía mareomotriz.
Las mareas son fluctuaciones periódicas del nivel del mar debido a la fuerza de
atracción que ejercer la luna y en menor medida el sol sobre las masas de agua.
Estas fuerzas se combinan con el movimiento de rotación de la tierra y con
la forma extensión y profundidad de las costas.
La explotación de la energía mariomotriz es limitada, ya que se requieren mareas
mínimas de 5 metros y además la costa debe disponer de una baía, ría o estuario donde
construir un dique y poder almacenar el máximo de agua durante la ple amar.
Una vez lleno el estuario, se aprovecha el desnivel creado entre el embalse y el mar,
en la baja mar, para producir electricidad
mediante las unidades de turbina alternador.
En estos diques, se dispone en serie el mayor número posible de unidades turbina
alternador, aumentándose de esta forma la potencia total suministrada por la central.
En la actualidad, las centrales mariomotrices pueden trabajar con tres
tipos de turbinas, las de bulbo, las estraflo y las ortogonales.
Existen además centrales de simple efecto, de doble efecto y con ciclos múltiples.
Cuando la marea baja, el nivel del mar es inferior al del embalse, provocando la
circulación del agua del embalse al mar, lo que provoca
el movimiento de las turbinas y del generador eléctrico.
Cuando la marea sube, el nivel del mar es superior al del agua del embalse,
con lo que al abrir las compuertas, el agua circula del mar al embalse.
Provocando también el movimiento de las turbinas y de los generadores eléctricos.
Las centrales de las olas yondas marinas aprovechan la energía almacenada por las
oscilaciones producidas por el viento sobre la
superficie marina, para convertirla en energía eléctrica.
Estas centrales pueden estar situadas tanto en la costa como en alta mar.
Los edificios que componen estas centrales son el dique de contención, en el cual se
hayan los conductos del agua y del aire, así como los grupos turbina alternador.
Sobre el dique se encuentra el edificio de control.
El funcionamiento de estas centrales consiste en una columna hostilante de
agua, que mediante una cámara cerrada de hormigón,
está conectada en su parte inferior con el mar.
Al llegar la ola, el agua comprime el aire de su interior,
el cual circula hacia una turbina reversible de baja presión.
Al retirarse la ola, se genera el vacío, lo que origina el giro contrario de la
turbina, la cual está unida a un generador eléctrico.
En zonas marinas donde el gradiente térmico es superior a los 20 grados
centígrados, es posible obtener energía eléctrica con un ciclo reversible de
karmot, utilizándose para ello las denominadas
centrales marimotérmicas de ciclo abierto.
Estas centrales aspiran agua marina superficial, que en los mares tropicales
se mantiene en unos 25 grados centígrados durante todo el año.
Posteriormente, los filtros separan las ales marinas y demás componentes sólidos.
Una vez limpia, el agua pasa por una válvula de expansión, que reduce su
presión y permite su vaporización a un contemporámer de 25 grados centígrados.
El vapor generado es enviado a un grupo turbina alternador, generándose energía
eléctrica, que es acondicionada para su transporte mediante un transformador.
El vapor, a la salida de la turbina, es condensado mediante la porte de agua
fría de las profundidades marinas, la cual,
posteriormente, es vertida de nuevo al mar.
Finalmente, el vapor condensado al ser agua
destilada, es aprovechado para el consumo humano.
Cuando el gradiente térmico del agua marina, no permite la generación de vapor
de agua, se utilizan las centrales marimotérmicas de ciclo cerrado.
En estas centrales, el fluido de trabajo es propano o
amoníaco, que presentan unas bajas temperaturas de vaporación.
Una vez calentado con el agua marina superficial, el fluido pasa por unos
filtros, transformándose posteriormente en vapor, gracias a una válvula de expansión.
Mueve
la turbina que está unida a un generador eléctrico, creándose así energía
eléctrica, que posteriormente, es acondicionada
para su transporte mediante el transformador.
A la salida de la turbina, el vapor va al condensador,
donde se enfría y vuelve a la fase líquida.
Los dos intercambiadores, evaporador y condensador, emplean agua del mar para
operar, el condensador, agua afiría de las profundidades y el evaporador,
agua templada de las capas superficiales.
Las pilas de combustible, convierte en la energía química de un combustible
directamente en energía eléctrica, calor y agua, con
una gran eficiencia y sin necesidad de una combustión.
Este trabajo eléctrico se obtiene mediante una reacción química que tiene lugar en un
solo sentido, encontrándose los reactivos almacenados fuera de la pila.
Las pilas producen trabajos siempre que haya un fluido de reactivos, además,
al ser modulares, permiten obtener un amplio intervalo de potencias.
Una aplicación característica son los vehículos de hidrógeno.
En los que el proceso electroquímico consiste en combinar el oxígeno que llega
del exterior con el hidrógeno, a través de una pila de
combustible para la generación de energía eléctrica.
Una pila de combustible está integrada por varias celdas de combustible.
Cada celda proporciona un voltaje de 0,7 voltios.
Connectadas eléctricamente en serio en paralelo
permiten producir el voltaje y la corriente deseados.
Las celdas están en contacto unas con otras y las propias placas sirven como
conexiones eléctricas entre celdas individuales.
También se ubican en las celdas los canales a
través de los cuales fluyen el fluel y el oxidante.
Las pilas de combustible constan de dos eléctrodos y un eléctrolito.
El oxígeno fluye sobre uno de los eléctrodos, el
catedo y el hidrógeno sobre el otro, el anudo.
Los siones que se mueven por el eléctrolito son los que dan lugar al producto agua.
En una celda de combustible, a medida que el combustible fluye en el interior del
anudo, el catalizador ayuda a separar el hidrógeno
en protones y ones de hidrógeno y eléctrones.
La capa central del eléctrolito permite únicamente
el paso hacia el catedo de los protones.
Los electrones circulan a través de un circuito externo,
este flujo externo da lugar a la corriente eléctrica.
A medida que el oxígeno fluye en el interior del catedo, el catalizador ayuda
a romper el oxígeno y facilita la reacción electroquímica que combina oxígeno,
protones y electrones para producir agua y calor.
Las celdas PAFC son las más desarrolladas a nivel comercial, utilizándose para
producir electricidad en hospitales, hoteles, oficinas o escuelas.
Estas celdas generan electricidad con una eficiencia de más del 40%, llegando al 85%
se el vapor que producen es empleado en cogeneración.
Los componentes básicos que forman una central eléctrica de hidrógeno son el
almacenamiento de combustible, la pila de
combustible y los equipos de control eléctricos.
El proceso electroquímico empieza en el tanque de metano, del que se obtiene el
hidrógeno, que despasar por unos filtros y ser
calentado es enviado a la pila de combustible.
Asi mismo, de unos tomas exteriores de aire se obtiene el oxígeno, que filtrado y
calentado por medio del circuito de agua caliente, procedente de la propia pila,
también será enviado al interior de la pila de combustible.
La electricidad obtenida con estas pilas debe pasar por unos inversores de
potencia, unos sistemas de control y protección y por un transformador que
adecuara sus condiciones eléctricas para su transporte.
Las pilas de combustible también pueden producir electricidad para uso doméstico o
industrial a través de las plantas eléctricas estacionarias, variando su
producción desde algunos kilobatios para uso doméstico hasta varios megabatios para
uso industrial, constituyendo así una buena opción de futuro.