Tecnologia Industrial 1

INS Frederic Mompou

Producció i distribució d’energia elèctrica

Producció i distribució d’energia

elèctrica

• Centrals elèctriques productores d’energia

• Centrals hidroelèctriques

• Centrals termoelèctriques convencionals

• Centrals nuclears

• Distribució de l’energia elèctrica

Producció elètrica a Catalunya (2010)

Centrals elèctriques productores

d’energia

Centrals elèctriques: instal·lacions que disposen

d’un conjunt de màquines motrius i aparells que

s’utilitzen per generar energia elèctrica

(transformen l’energia primària en energia

elèctrica)

Reben el nom genèric de l’energia primària que

utilitzen: centrals termoelèctriques (de carbó, de

gas, de fuel), centrals nuclears, centrals

hidroelèctriques, centrals eòliques, centrals

geotèrmiques….

Centrals elèctriques productores

d’energia

A l’any 2010 a Espanya hi havia en funcionament unes

500 centrals elèctriques, de les quals aprox 400 eren

hidroelètriques, 100 termoelèctriques convencionals i 8

nuclears.

Producció, transport i consum

d’energia L’element principal de qualsevol central

generadora d’energia (tret de les fotovoltaiques)

és el generador elèctric o alternador, que

transforma l’energia mecànica en energia

elèctrica.

Potència instal·lada: és la potència que pot

generar l’alternador amb un factor de potència

determinat.

Per transferir l’energia elèctrica de les centrals

generadores fins als centres de consum

s’utilitza la xarxa elèctrica, que consta de línies

elèctriques de transport, estacions

transformadores i línies de distribució.

Producció, transport i consum

d’energia

L’inconvenient principal

de l’energia elèctrica

produïda a les centrals

és que no es pot

emmagatzemar; per

tant, si no es

consumeix, es perd.

Per això cal regular-ne

la producció i ajustar-la

al consum.

Tipus de centrals Segons el servei que proporcionen en el consum global de la xarxa,

les centrals es classifiquen:

• Centrals de base o principals: estan destinades a

subministrar energia elèctrica de manera contínua. Tenen una

potència elevada i normalment són nuclears, grans

termoelètriques i hidroelèctriques.

• Centrals de punta: estan projectades per cobrir demandes

d’energia a les hores punta. Treballen en paral·lel amb les

principals.

• Centrals de reserva: tenen com objectiu substituir total o

parcialment la producció d’una central de base, en cas d’avaria,

manteniment o reparació.

• Centrals de bombeig: són centrals hidroelèctriques que

aprofitant l’energia sobrant a les hores vall, per bombar aigua a

un embassament superior, i a les hores punta l’aprofiten per

proporcionar energia a la xarxa.

Centrals hidroelèctriques Les centrals hidroelèctriques es basen en l’aprofitament de l’energia de

l’aigua que transporten els rius per convertir-la en energia elèctrica,

utilitzant turbines acoblades al alternadors.

Centrals hidroelèctriques La primera central hidroelèctrica es va construir l'any 1880 a Northumberland,

Gran Bretanya. El principal impuls de la energia hidràulica es produí pel

desenvolupament del generador elèctric, seguit del perfeccionament de la

turbina hidràulica i degut l'augment de la demanda d’electricitat a principis del

segle XX. L'any 1920 les centrals hidroelèctriques generaven ja una part

important de la producció total d'electricitat.

Centrals hidroelèctriques Canadà obté un 60% de la seva electricitat de centrals hidràuliques. En tot el

món la hidroelectricitat representa aproximadament la quarta part de la

producció total d’electricitat, i és molt important en països com Noruega (99%),

Zaire (97%) i Brasil (96%).

La central de Itaipú, en el riu Paraná, està situada entre Brasil i Paraguay; es

va inaugurar el 1982 i genera uns 14000MW.

Com a referència, la presa Grand Coulee, als Estats Units, genera uns 6.500

MW i és una de les més grans del món.

Les tres gorges, riu Yangtsé (Xina) 2003-2009:

22500MW

Centrals hidroelèctriques: centrals

d’aigua fluent

De centrals hidroelèctriques n'hi ha de diferents tipus:

Centrals d'aigua fluent

•Es construeixen en llocs en que l'energia hidràulica ha de ser

utilitzada en l'instant que es disposa d'ella per a accionar les

turbines hidràuliques.

•Són centrals de poc rendiment, atès que no es pot regular el

cabal de l'aigua que porta el riu, i per tant, pot ser molt irregular

segons l'època de l'any.

Centrals hidroelèctriques: centrals

d’aigua embassada

Centrals d'aigua embassada

• L'aigua s'acumula en un llac artificial o pantà i la central l'anirà

utilitzant en funció de les necessitats d'energia elèctrica.

• La disposició orogràfica del terreny on és situada la central

determinarà les característiques constructives de l'aprofitament

hidràulic.

• Bàsicament es concreten en dos models, amb diferents variants:

les centrals d'aprofitament per derivació de les aigües o

centrals d'aprofitament per acumulació de les aigües.

Centrals hidroelèctriques: centrals

d’aigua embassada Centrals de derivació

Es desvien les aigües del riu per mitjà d'una petita presa cap a un canal,

amb el mínim desnivell possible. La diferència de nivell entre les aigües

del canal de derivació i el riu anirà augmentant en funció de la longitud

del canal. En un punt apropiat es construeix un petit dipòsit anomenat

cambra de càrrega o de pressió que alimenta una canonada forçada que

condueix l'aigua fins a la turbina situada molt per sota del nivell del canal

(sala de màquines de la central). A la sortida de la turbina l'aigua és

retornada al riu, aigües avall, amb una canonada, situada al peu de la

presa.

Centrals hidroelèctriques: centrals

d’aigua embassada

Centrals d'acumulació

Se situen en un tram de riu amb desnivell apreciable, i s'hi

construeix una presa que obstaculitza el pas de les aigües,

produint un embassament. El nivell de l'aigua se situarà en un

punt proper a l'extrem superior de la presa que, en funció de la

seva alçada, adquireix més o menys energia potencial. A mitja

alçada de la presa, per aprofitar el volum de l'aigua

emmagatzemada, hi ha la sortida d'aigua que alimentarà les

turbines de la central, situades al peu de la presa.

Components d’una central

hidroelèctrica

Els elements més característics d’una central hidroelèctrica són: la

presa, els conductes d’aigua, la sala de màquines, els transformadors i

el parc de distribució.

La presa

La presa és una construcció, normalment de formigó, que s'alça

sobre el terra del riu perpendicular a la seva direcció, amb la

finalitat de retenir l'aigua, per a elevarla a un nivell suficient i formar

un embassament o llac artificial.

Depenent de les característiques orogràfiques i del seu ubicament,

es triarà entre un tipus de presa o una altre.

Tipus de preses

Hi ha 4 tipus diferents de preses, són les

següents:

De gravetat, la força de l'aigua

emmagatzemada és contrarestada amb el

mateix pes de la presa. El perfil

transversal és triangular i es necessita

una gran quantitat de material per a la

seva construcció. Una variant és la presa

de contraforts.

De contraforts, formades per una paret

impermeable situada aigües adalt, i

contraforts resistents per a la seva

estabilitat, situats aigües avall. Aquest

tipus de presa, gràcies a la seva

disposició, permeten un estalvi important

del material utilitzat en la seva construcció

Tipus de preses

De gravetat de contraforts

Tipus de preses

De volta o arc senzill, estan construïdes

de manera que la planta de la presa forma

un arc que ha d'estar fortament ancorat a

les parets laterals del riu, on transmet les

forces que provoquen la contenció de

l'aigua. El seu perfil és més esvelt que el de

les preses de gravetat, de manera que el

material necessari per construir-la es

redueix molt.

De terra, disposen d'un nucli de material

argilós, que a vegades és tractat

químicament amb ciment.

Tipus de preses

D’arc senzill o de volta de terra

Els conductes d’aigua

Per tal d’alimentar les turbines, les

preses tenen unes comportes que

permeten regular el cabal i estan

protegides per uns reixats metàl·lics

que impedeixen que branques,

troncs,… puguin deteriorar-les.

Com que la majoria de preses també

tenen la funció de regular el cabal

dels rius, han de permetre l’evacuació

d’aigua sense passar per la turbina;

per això utilitzen sobreeixidors

equipats amb comportes, i a peu de

presa es construeixen uns elements

esmorteïdors de l’energia adquirida

per l’aigua quan cau. A la part més

fonda de la presa hi ha desguassos,

que permeten el buidatge de tot el

pantà.

La sala de màquines

A la sala de màquines hi ha les màquines motrius de la central, els

anomenats grups turboalternadors. En funció de l’altura de salt i

del cabal d’aigua s’utilitzen diferents tipus de turbines:

– Turbines Pelton: en salts de gran altura (50-400m) i cabal regular

– Turbines Francis: en salts (5-100m) mitjans i cabal variable

– Turbines Kaplan: salts de poca altura (2-10m) i cabal molt variable

Tipus de turbines: turbina Pelton

Una turbina Pelton es una de les més eficients

dels tipus de turbines hidràuliques.

La turbina Pelton és el que s'anomena una turbina

"d'acció", ja que l'element impulsor (normalment

aigua) s'aplica directament sobre ella per a fer-la

moure.

Al voltant de tot el rodet, hi ha els catúfols amb

forma de cullera doble i que són d'una gran

eficiència. L'aigua es fa arribar en la direcció més

idònia cap a aquests àleps a una pressió altíssima

a través d'uns injectors (amb una agulla interior

que en regula el cabal).

És el tipus de turbina més apropiada per a grans

salts d'aigua i petits o mitjans cabals, com els que

hi ha a les petites centrals hidroelèctriques del

Pirineu, tot i que són capaces de generar potències

gens menyspreables.

Tipus de turbines: turbina Kaplan

Les turbines Kaplan són turbines d'aigua

de reacció de flux axial, amb un rodet que

funciona de manera semblant a l'hèlix d'un

vaixell.

S'empren en salts de petita alçària. Les

àmplies pales o àleps de la turbina són

impulsades per aigua a alta pressió

alliberada per una comporta.

L'aigua hi circula en el mateix sentit a l'eix.

A més de poder regular la inclinació dels

deflectors, també es pot regular la dels

àleps del rotor, de manera que la turbina

s'adapta a les necessitats de potència de

cada moment.

S'utilitza per a petits salts i grans cabals,

com els dels embassaments

Tipus de turbines: turbina Francis

La turbina Francis va ser desenvolupada per

James B. Francis.

La turbina Francis és el que s'anomena una

turbina "de reacció", ja que l'element impulsor

(normalment aigua) s'aplica a través d'ella, i és la

pròpia circulació de l'element impulsor allò que la

fa moure.

Consta d'una part fixa, amb unes guies corbades

anomenades deflectors (o distribuidor), i d'una

part mòbil amb àleps, també corbats,

anomenada rotor.

La inclinació dels deflectors es pot regular per

ajustar el cabal aplicat als àleps, regulant així la

velocitat de la turbina.

És un tipus de turbina molt apropiat per salts

mitjans-alts amb cabals mitjans, èssent capaces

de produïr potències elevadíssimes.

Transformadors i parc de distribució

La tensió del corrent elèctric obtinguda als alternadors és igual o inferior

a 20kV. Per elevar la tensió a un valor adequat per al seu transport als

centres consumidors s’utilitzen els transformadors. Amb aquesta

elevació de tensió s’eviten pèrdues d’energia.

En el parc de distribució, la central es connecta a la xarxa de

transport. Aquest transport es realitza mitjançant les línies d’alta tensió.

La majoria de les centrals estan interconnectades a través de la xarxa de

transport, i per tant, han d’estar sincronitzades.

Funcionament d’una central

hidroelèctrica

Funcionament d’una central

hidroelèctrica

① Aigua.

② Presa.

③ Comportes i reixats.

④ Canonada forçada.

⑤ Turboalternadors.

⑥ Turbines.

⑦ Rotor de l'alternador.

⑧ Generador.

⑨ Xarxa elèctrica.

⑩ Transformadors.

Centrals de bombeig o reversibles

Tenen la finalitat de racionalitzar la producció d'energia elèctrica a la demanda

existent. Suposen un estalvi energètic important al sistema general, ja que

consumeixen els excedents d'energia a les hores vall i subministren energia al

sistema a les hores punta.

Disposen de dos embassaments, el superior, per alimentar la central, i l'inferior, que

recull l'aigua que utilitza la central. A les hores punta, quan la demanda d'energia és

màxima funcionen com a centrals hidroelèctriques normals, produint energia elèctrica

en alimentar els grups turboalternadors amb l'aigua de l'embassament superior. A les

hores vall, quan a la xarxa sobra energia, aquesta és utilitzada per bombejar aigua de

l'embassament inferior al superior.

Existeixen 2 tipus de centrals de bombeig:

Centrals de bombeig pur- Per produir energia elèctrica és condició indispensable

haver bombejat prèviament aigua a l'embassament superior, ja que només rep l'aigua

de l'inferior.

Centrals de bombeig mixt- Poden produir energia indistintament amb o sense

bombeig previ, perquè l'embassament superior també està alimentat per un riu.

http://www.unesa.es/images/bombeo.swf

Minicentrals hidroelèctriques

Són centrals de potència compresa entre 250 i 10MW. Aquestes centrals

eren les subministradores d'energia elèctrica de petits nuclis rurals i de

fàbriques situades al costat dels rius.

Avui en dia, amb els problemes mediambientals que hi ha es veuen les

coses des d'una altre perspectiva. Això ha fet que es vagin recuperant

infrastructures abandonades proporcionant-li nous aparells automatitzats i

turbines d'alt rendiment. En conseqüència, l'impacte mediambiental no és

més del que ja existia o com a mínim inferior al de una gran central

hidroelèctrica. Aquestes instal·lacions amb una potència inferior als 10MW

se les denomina mini-hidràuliques.

Les minicentrals hidroelèctriques estan condicionades per les

característiques del lloc on estan situades. La topografia del terreny influeix

en l'obra civil i en la selecció del tipus de màquina.

Les centrals hidroelèctriques i el medi

ambient

• Avantatges

– No emeten partícules contaminants i no generen residus directes

– Efecte regulador del cabal

• Inconvenients

– Pèrdua de terrenys fèrtils i moviment població

– Alteració de cabals i erosió

– Modificació fauna i flora

– Acumulació de matèria orgànica

– La construcció de grans embassaments pot variar el clima, modificant l’ecosistema

Centrals termoelèctriques

convencionals Les centrals termoelèctriques convencionals (o tèrmiques) generen

energia elèctrica a partir de l’energia tèrmica produïda per la

combustió del carbó, fuel o gas natural

Centrals termoelèctriques

convencionals

L'emplaçament de les centrals tèrmiques convencionals dependrà

del tipus de combustible utilitzat. Així, les que utilitzen carbó nacional

se situen a prop de les mines per evitar costos de transport, i les que

utilitzen carbó importat ho fan prop dels centres de consum, però el

més lluny possible de la població. Les que utilitzen fuel també se

situen prop de la costa i, preferentment, de les refineries

Les centrals termoelèctriques convencionals o tèrmiques generen energia elèctrica a

partir de l’energia tèrmica produïda per la combustió de carbó, fuel o gas natural.

Components d’una central

termoelèctrica

Els elements característics d’una central termoelèctrica són:

• Magatzem de combustible

• Caldera

• Turbines

• Condensador

• Torre de refrigeració

• Xemeneia

• Equip elèctric principal

• Sales de tractament d’aigua d’alimentació

Components d’una central

termoelèctrica

Components d’una central

termoelèctrica

Components d’una central

termoelèctrica

Si el combustible és carbó, la central disposa d'un recinte per

dipositar-lo i disposar d'una reserva permanent. El carbó es tritura en

forma de pols fina per facilitar-ne la combustió. Del molí és enviat als

cremadors de la caldera mitjançant corrents amb aire preescalfat.

En el cas del fuel, s’emmagatzema en grans dipòsits que tenen

reserva per a un o dos mesos. El fuel és preescalfat perquè fluïdifiqui i

s'injecta als cremadors. Si utilitza gas natural, que normalment arriba

a la central en gasoductes a alta pressió, que, mitjançant una estació

reductora de pressió, s'adequa a les característiques de funcionament

dels cremadors

Les centrals que estan dissenyades per utilitzar diferents

combustibles, per exemple carbó i gas natural, s'anomenen

termoelèctriques mixtes.

Components d’una central

termoelèctrica

Caldera

Hi ha molts tipus de calderes. Les més utilitzades són les de radiació,

anomenades així perquè la transmissió de la calor és per radiació. Les

calderes disposen de cremadors adequats al tipus de combustible que

utilitzen i una cambra de combustió rodejada d'infinitat de tubs pels

quals hi circula l'aigua per vaporitzar.

Els reescalfadors són les parts de la caldera destinades a eliminar les

petites gotes d'aigua que acompanyen el vapor, per convertir-lo en vapor

sec.

Els economitzadors i pre-escalfadors aprofiten la calor residual dels

gasos emesos per fer un escalfament previ a l'aigua que alimenta la

caldera, al combustible quan és necessari i a l'aire utilitzat en la

combustió.

Components d’una central

termoelèctrica

Turbines

Són les màquines motrius que transformen l'energia cinètica del

vapor d'aigua en energia cinètica rotatòria en el rodet. Per obtenir el

màxim rendiment de la transformació estan formades per tres parts:

alta, mitja i baixa pressió.

El vapor a alta temperatura i pressió procedent del reescalfador

s'introdueix a la turbina en el cos d'alta pressió formada per

centenars d'àleps petits. A mesura que el vapor s’expandeix i perd

pressió, va cap a la zona d'àleps més grans. Així, en la part de mitja

pressió els àleps són més grans que en la d'alta i en la baixa encara

en són més.

Components d’una central

termoelèctrica

Condensador

Per augmentar el rendiment termodinàmic de la transformació, l'aigua

per vaporitzar ha d'entrar a la caldera en estat líquid. En el condensador,

el vapor procedent de les turbines es condensa abans de tornar a entrar

a la caldera per tal de repetir el cicle.

Torre de refrigeració

Serveix per refredar l'aigua del condensador. Els circuits de refrigeració

poden ser oberts o tancats, en funció de les disponibilitats de l'aigua. En

els circuits tancats és imprescindible refredar l'aigua per tornar-la a

utilitzar. En els circuits oberts, que utilitzen aigua del riu, és necessari,

per no afectar la fauna, que es retorni al riu amb la temperatura més

semblant possible a la de l'aigua del riu. El seu funcionament és molt

simple: es provoca una pluja molt fina de l'aigua per refrigerar perquè

ofereixi una bona superfície de contacte amb l'aire que circula en sentit

contrari.

Components d’una central

termoelèctrica

Xemeneia

Té la funció de crear una depressió dins la caldera perquè circulin els

gasos despresos a la combustió i poder-los evacuar a l'atmosfera.

Poden ser xemeneies de tir natural en què la circulació dels gasos és

provocada per la geometria de la mateixa xemeneia, o de tir forçat quan

la circulació és ajudada per mitjà d'impulsors mecànics.

En funció del combustible utilitzat disposen de filtres més o menys

sofisticats per eliminar al màxim possible les partícules sòlides en

suspensió i els elements contaminats abans d'alliberar els gasos a

l'atmosfera.

Components d’una central

termoelèctrica

Equip elèctric principal

Està format per l'alternador, els transformadors i el parc de distribució.

Sala de tractament de l'aigua d'alimentació

L'aigua utilitzada a la caldera és quasi sempre aigua natural que conté

diferents sals minerals i gasos dissolts. Aquestes sals es precipiten

formant fang i incrustacions en els tubs. El bon funcionament de la

caldera depèn en gran part de la qualitat de l'aigua; per tant, les centrals

van equipades amb instal·lacions de tractament de les aigües, que, amb

addició de substàncies químiques, contraresten les sals que conté

l'aigua i eviten els fangs i les incrustacions. També se n'augmenta el pH

per evitar el seu efecte corrosiu.

.

Funcionament d’una central

termoelèctrica

Des del recinte d’emmagatzematge del carbó, una cinta transportadora (1)

el diposita en una tremuja (2) que alimenta el molí triturador (3), on es

convertit en una pols molt fina per facilitar-ne la combustió. La pols de carbó

es barreja amb aire pre-escalfat i s'injecta en els cremadors de la caldera

(4), on es produeix la combustió.

La calor despresa en la combustió escalfa l'aigua dels tubs i produeix vapor,

i en el reescalfador (6) es eliminada la humitat i augmentada la temperatura;

en aquestes condicions s'introdueix a la turbina d'alta pressió, a la de mitja

pressió amb un rescalfament previ (7) i a la de baixa pressió. El vapor

s'expandeix en els diferents cossos de la turbina i cedeix energia cinètica al

rotor de la turbina, que, en girar arrossega el rotor de l'alternador (19) on es

produeix l'energia elèctrica que, a través dels transformadors (11), el parc de

distribució i les línies de transport, arriba als centres consumidors.

Funcionament d’una central

termoelèctrica

A la sortida de les turbines el vapor passa al condensador (15), es refreda i

es condensa. L'aigua condensada se sotmet a diferents etapes de pre-

escalfament (18) i s'introdueix a la caldera a través de l'economitzador (8)

amb les condicions de pressió i temperatura més adequades per obtenir un

màxim rendiment de cicle.

L'aigua de refrigeració utilitzada en el condensador cedeix la calor extreta

del condensador a l'atmosfera per mitjà de les torres de refrigeració (17).

Els gasos de la combustió, en sortir de la caldera aspirats per la xemeneia

s'utilitzen per escalfar l'aire de la combustió (9), i amb els precipitadors (10)

es reté la major part possible de partícules sòlides contaminants, i surten

seguidament per la xemeneia, que normalment són de molta alçada per tal

de dispersar els contaminants no eliminats a les capes altes de l'atmosfera.

Funcionament d’una central

termoelèctrica

Les centrals termoelèctriques i el medi

ambient DEGUT A LA

COMBUSTIÓ A LA

CALDERA

Grans quantitats de CO2 EFECTE

HIVERNACLE

Depenent del combustible

emprat, es poden produir

diferents compostos tòxics.

Carbó el sofre PLUJA ÀCIDA i

SMOG

Fuel

ÒXIDS DE

NITROGEN

Gas

natural

No produeix tòxics a la combustió

Si fa servir torre de refrigeració Consum de grans quantitats

d’aigua

Si fa servir l’aigua del mar o

d’un riu

Alteracions de la temperatura de

l’aigua

Impacte produït per l’extracció i transport dels combustibles

Impacte produït per les instal·lacions, dipòsits, canalitzacions, línies

elèctriques…

Noves tecnologies

Per tal minimitzar els efectes contaminants de les centrals tèrmiques i

millorar-ne la seva eficiència, s’estan desenvolupant noves tecnologies:

•Sistemes de dessulfuració de combustibles: permeten transformar

els òxids de sofre en compostos solubles de fàcil eliminació.

•Gasificació del carbó: el gas és molt menys contaminant.

•Combustió en llit fluid: combustió del carbó a menys temperatura –la

majoria dels contaminants romanen amb els residus, no s’emeten a

l’atmosfera-. Més rendiment

•Centrals de cicle combinat: utilitzen gas natural. Rendiment del 60%

(les convencionals tenen un rendiment del 35%). En aquestes centrals,

la combustió es duu a terme a la cambra de combustió d’una turbina de

gas, que arrossega directament un generador elèctric. Els gasos

emesos s’utilitzen per escalfar una caldera que produeix vapor que

acciona una turbina convencional amb el seu generador.

Noves tecnologies: central de cicle

combinat

Noves tecnologies: central de cicle

combinat

Les centrals de cicle combinat utilitzen gas natural. Tenen rendiments de fins

al 60%, molt superiors als de les centrals tèrmiques (35%).

Noves tecnologies: central de

cogeneració

S’entén per cogeneració la producció simultània d’energia elèctrica i

tèrmica en la mateixa instal·lació.

Una central de cogeneració na produeix energia elèctrica utilitzant

un combustible i aprofita la calor residual per a l’obtenció d’aigua

calenta per a calefacció, vapor, fluids escalfats, etc., segons les

necessitats de la zona on hi ha la central.

Els sistemes de cogeneració tenen molta aplicació en indústries, centres

hospitalaris, hotels, etc., en què les necessitats d’energia tèrmica s´n tan

importants com les d’energia elèctrica.

Noves tecnologies: central de

cogeneració

El rendiment d’aquestes instal·lacions pot arribar al 90%.

Poden produir fins a 2MW de potència amb motors dièsel, i

fins a 10MW si funciona amb turbines de gas.

Són poc contaminants, ja que el seu rendiment energètic és

molt alt.

Noves tecnologies: central cogeneració En aquesta figura hi ha representat l'esquema de funcionament d'una central de

cogeneració. El combustible es crema en un generador de vapor (1) i el vapor produït

acciona un grup turbina-alternador (2 i 3) per obtenir energia elèctrica (4). El vapor

procedent de la turbina escalfa una caldera (5) que proporciona aigua calenta per a

serveis domèstics o processos industrials (6) després l'aigua calenta és retornada al

generador de vapor per tornar a iniciar el cicle. Si el vapor no disposa de suficient

energia tèrmica per escalfar l'aigua de la caldera. s'obté amb un cremador auxiliar.

① Generador de vapor.

② Turbina.

③ Alternador.

④ Energia elèctrica.

⑤ Caldera.

Centrals nuclears

Centrals nuclears L'any 1942 l'equip del físic Italià Enrico Fermi de la Universitat de

Chicago, va construir el primer reactor de fissió nuclear. És el punt de

partida amb què els científics comencen a treballar per obtenir sistemes

d'aprofitament de l'energia tèrmica obtinguda en la fissió dels àtoms. Un

dels principals objectius va ser l'obtenció d'energia elèctrica.

Una central nuclear és una central termoelèctrica en què la font

d'energia tèrmica s'obtè de la fissió dels àtoms d'urani i de plutoni.

Les centrals nuclears actuen com a centrals base en el sistema

elèctric, ja que el seu disseny requereix un funcionament amb

parades mínimes a una càrrega al més constant possible.

Reacció de fissió

Video: representació reacció de fissió

Centrals nuclears: el reactor

nuclear

És la part més important de les

centrals nuclears. El reactor és el

sistema que permet de produir i

controlar reaccions en cadena

sostingudes, de manera que fa

possible l'aprofitament de l'energia

tèrmica obtinguda per l'obtenció de

vapor d'aigua que acciona la

turbina solidària al generador

elèctric

Parts del reactor:

Vas.

Moderador.

Refrigerant.

Centrals nuclears: el reactor nuclear

PARTS DEL REACTOR NUCLEAR

El reactor nuclear està constituït pel vas del reactor. el moderador, les

barres de control i el refrigerant.

Vas del reactor: Forma el nucli del reactor i és un recipient d'acer pur que

conté una font de neutrons (que permet iniciar la reacció en cadena) i el

combustible nuclear (material fèrtil i fissionable, com ara l'urani natural o/i

enriquit i el plutoni).

Moderador: Té la funció de reduir la velocitat dels neutrons emesos en les

reaccions de fissió, per assegurar el seu impacte sobre els altres nuclis

d'urani. Utilitzen com a moderadors l'aigua, l'aigua pesant(formada per dos

àtoms de deuteri i un d'oxigen) i el grafit. Un tipus de reactors, els reactors

ràpids, no disposen de moderador i utilitzen sempre urani enriquit.

Centrals nuclears: el reactor nuclear

PARTS DEL REACTOR NUCLEAR (2)

Barres de control: estan formades per materials que absorbeixen

neutrons. Tenen la misió de regular el nombre de fissions que és

produeixen a l'interior del nucli per unitat de temps. Quan les barres de

control hi estan totalment introduïdes, la reacció en cadena s'atura. A

mesura que en van sortint, la reacció va augmentant fins a arribar al nivell

que la potència del reactor requereix. El reactor disposa d'un sistema de

control de la temperatura que actua sobre el posicionador de les barres de

control, introduint-les més o menys en funció de la temperatura de la zona

controlada ( la temperatura és directament proporcional al nombre de

fissions). Les barres de control estan fabricades amb aleacions de bor,

cadmi i hafni.

Centrals nuclears: el reactor nuclear

PARTS DEL REACTOR NUCLEAR (3)

El refrigerant: té la funció de refrigerar el reactor evitant el

sobreescalfament i transportar la calor generada en el nucli, directament o

a través d'un circuit secundari, al grup turbina alternador, per tornar

després al reactor i repetir el cicle. El recorregut del refrigerant del reactor

s'anomena circuit primari. Els refigerants utilitzats poden ser líquids, com

ara l'aigua, l'aigua pesant, el sodi i el potassi, o gasosos, com ara el diòxid

de carboni, l'heli, l'hidrogen i el nitrogen.

Tipus principals de centrals nuclears

Les centrals nuclears utilitzen diferents tecnologies en funció del tipus de

reactor instal·lat. El reactor es caracteritza pel combustible, el refrigerant i

el moderador utilitzats, i determina la configuració de les instal·lacions de

la central.

• Centrals amb reactor d’aigua a pressió (PWR)

• Centrals amb reactor d’aigua en ebullició (BWR)

• Centrals amb reactors de neutrons ràpids

Central Nuclear Potència (MWe)

Sta. María de Garoña 466

Almaraz I 977

Almaraz II 980

Ascó I 1032,5

Ascó II 1027,2

Cofrentes 1092

Vandellós II 1087,1

Trillo 1066

TOTAL 7727,8

Potència nuclear a Espanya

Tipus principals de centrals nuclears:

centrals amb reactor d’aigua a pressió

(PWR)

Utilitzen com a combustible urani enriquit i aigua com a refrigerant i

moderador alhora. La calor produïda en el nucli es transfereix a través

del circuit primari de refrigeració fins al circuit secundari per produir

vapor.

Tipus principals de centrals nuclears:

centrals amb reactor d’aigua a pressió

(PWR)

El circuit primari, situat a l'interior de l'edifici de contenció, està format per

diferents llaços en paral·lel, en què el refrigerant és impulsat per una

bomba a través de reactor i els corresponents pressionador i intercanviador

o generador de vapor. El generador manté la pressió a 17,22 MPa, i evita,

d'aquesta manera, que l'aigua entri en ebullició (la funció del generador de

vapor és transferir la calor del circuit primari al secundari) .

L'aigua del circuit secundari convertida en vapor a l'intercanviador

s'introdueix en els reescalfadors per tal d'eliminar-ne la humitat i fins que

resta vapor sec, en condicions per entrar a la turbina. De la turbina passa

el condensador per entrar de nou en forma líquida al generador de vapor i

repetir el cicle. Les barres de control situades entre els elements de

combustibles s'introdueix per la part superior del reactor.

El reactor PWR és el més utilitzat del 50% de les centrals en funcionament

el tenen instal·lat.

Tipus principals de centrals nuclears:

centrals amb reactor d’aigua en ebullició

(BWR)

Utilitzen urani enriquit i aigua però, a diferència amb els reactors PWR,

només utilitzen un circuit de refrigeració, ja que el vapor s'obté dintre del

reactor; com que l'aigua està a menys pressió entra en ebullició. Per tant,

el circuit primari és més simple

Tipus principals de centrals nuclears:

centrals amb reactor d’aigua en ebullició

(BWR)

En el recorregut aigua-vapor, l'aigua és impulsada per una bomba, des

del nucli del reactor als separadors i assecadors de vapor, a la turbina i al

condensador, per tornar a arribar en forma líquida al reactor. Només una

petita quantitat d'aigua que travessa el nucli es converteix en vapor; la

resta, en els reactors més moderns, es fa recircular forçadament amb

una bomba situada a la part inferior del reactor.

En el reactor BWR, l'edifici de turbines ha d'estar protegir per evitar

emissions a l'exterior, ja que el vapor que ha estat en contacte directe

amb el combustible és radioactiu.

El vas del reactor és similar als PWR, però es necessita més espai per

als separadors i assecadors de vapor que estan situats sobre el nucli;

per això les barres del control s'introdueixen per la part inferior.

Aproximadament un 25% de les centrals utilitzen reactors BWR

Tipus principals de centrals nuclears:

centrals amb reactor de neutrons ràpids

El reactor no utilitza moderador; per tant, les fissions es fan amb

neutrons ràpids. Per què la reacció nuclear es mantingui és necessari

que la quantitat de combustible per unitat de volum sigui molt superior a

la dels tèrmics.

Tipus principals de centrals nuclears:

centrals amb reactor de neutrons ràpids

La potència tèrmica obtinguda és molt elevada, i el refrigerant ha de ser

molt eficaç. S'hi utilitza el sodi líquid.

El combustible és U-235 o Pu-239, tot ell recobert per U-238, que en

absorbir neutrons es converteix en Pu-239. Per això s'anomenen

reactors reproductors, ja que en teoria s'obté més combustible del que

es gasta. Es considera que es poden obtenir rendiments fins a 60

vegades superiors als dels reactors tèrmics.

Els reactors reproductors acostumen a tenir un circuit primari de

refrigeració, un circuit secundar també de sodi líquid i un circuit terciari

en què s'obté el vapor d'aigua per accionar el grup turbina-alternador.

Hi ha molt poques centrals d'aquest tipus en funcionament, ja que es

tracta d'una tecnologia molt recent en procés d'experimentació.

Tipus principals de centrals nuclears: noves

tecnologies

Existeixen altres tipus de reactors amb una implantació escassa: els de

gas que utilitzen gas com a refrigerant i grafit com a moderador, en els

seus diferents tipus CGR, AGR, HTGR, i els d'aigua pesant, que la

utilitzen com a refrigerador i moderador.

Equipament d’una central nuclear

Una central nuclear consta d'una sèrie d'instal·lacions situades en

diferents edificis.

Edifici de contenció: Conté el reactor i el conjunt d'elements del

circuit primari, format per tres llaços en paral·lel; cada un d'ells disposa

de bomba, pressionador i generador de vapor. És cilíndric, acabat en

cúpula amb forma de casquet esfèric, fet amb uns murs gruixuts de

formigó especial folrats d'acer en el seu interior, per tal d'evitar

qualsevol emissió de radiació a l'exterior en cas d'accident i dissenyat

per resistir els efectes dels moviments sísmics.

Edifici de turbines: Allotja el grup turbina alternador, els

reescalfadors i els condensadors de vapor i els preescalfadors de

l'aigua d'alimentació. En les centrals amb reactors BWR, en arribar el

vapor directament del reactor, aquest edifici ha d'estar protegit de

possibles emissions i basaments d'aigua radioactiva.

Equipament d’una central nuclear Edifici de combustible: S'utilitza per a l'emmagatzematge del

combustible de recàrrega del reactor i del combustible ja utilitzat en

espera de ser enviat a reprocessar. El combustible es desa en

piscines de formigó folrades amb xapa d'acer, i el que ja ha estat

utilitzat, cobert d'aigua. Aquest edifici està connectat directament amb

el reactor per poder efectuar la recarrega anual de combustible, sense

sortir de la zona de màxima protecció radiològic de la central.

Edifici de control: Allotja la sala de control, que és el centre neuràlgic

de la central. Aquí hi arriben els senyals i les mesures de

funcionament de tots els equips i sistemes de seguretat i en surten les

ordres de comandament. Aquest procés és totalment automatitzat i

coordinat per l'ordinador central.

Edifici auxiliar: En el seu interior es disposa de components dels

sistemes auxiliars i de seguretat (salvaguardes tecnològiques), així

com els sistemes de tractament de residus radioactius de baixa

activitat, l'equip de filtratge i d'aire condicionat propi i de l'edifici de

contenció.

Funcionament d’una central nuclear

Funcionament d’una central nuclear

Les centrals nuclears i el mediambient.

Sistemes de seguretat Impactes comuns als de les centrals hidroelèctriques convencionals:

• contaminació tèrmica de les aigües de refrigeració

• contaminació química de les aigües residuals

• contaminació acústica

Contaminació radioactiva:

• emissions

• gestió de residus

Seguretat màxima: els sistemes de control duplicats, i existeixen

diferents barreres que impedeixen les fuites radioactives a l’exterior.

Les centrals nuclears i el mediambient.

Sistemes de seguretat

A Espanya qui s’encarrega de controlar la construcció, disseny,

etc. És un organisme CSN (Consell de Seguretat Nuclear).

Una central nuclear requereix, per tant:

- Personal molt qualificat.

- Revisió anual exhaustiva del reactor i del circuit primari.

- Control constant de tots els equips i manteniment programat.

- Control radioactiu de totes les emissions.

- Vigilància radiològica ambiental de la zona.

Les centrals nuclears i el mediambient.

Sistemes de seguretat

Les barreres estan formades

per l’estructura ceràmica del

combustible, juntament amb les

beines que el contenen, el vas

del reactor o barrera de pressió,

els sistemes de protecció del

reactor i del circuit de

refrigeració primària i, finalment,

l’edifici de contenció totalment

estanc.

Distribució de l’energia elèctrica Perquè l’energia elèctrica arribi des dels centres de producció fins els

centres de consum és necessària una infraestructura formada per dues

grans xarxes de línies elèctriques: la xarxa de transport (alta tensió) i la

xarxa de distribució (mitja i baixa tensió).

Distribució de l’energia elèctrica L’energia elèctrica generada a les centrals va de 6 a 20KV. Es transporta a

tensions de 110 a 400KV per tal de disminuir les pèrdues d’energia i

augmentar la capacitat de transport de les línies. Les pèrdues de potència

són:

RL = resistència del conductor, es mesura en Ohms (Ω).

I = intensitat de la línia, es mesura en Ampers (A).

P = potència produïda, es mesura en Watts (W).

L = longitud de la línia, es mesura en metres (m).

s = secció de la línia, es mesura en mil·límetres quadrats (mm²).

ρ = resistivitat del conductor, es mesura en Ωmm²/m.

cosV3

PI

s

LI3IR3p

22

L

Distribució de l’energia elèctrica:

línies elèctriques Línies elèctriques: són el conjunt conductors, aïlladors i

accessoris destinats al transport i a la distribució d’energia

elèctrica.

Poden ser:

-Aèries, les quals són de fàcil instal·lació i molt manteniment, ja

que estan sotmeses al vent, la pluja o la neu. Normalment els

conductors són nusos d’alumini o de coure amb una ànima d’acer.

Els cables no estan aïllats.

- Subterrànies. Són costoses d’instal·lar. Són conductors d’alumini

i de coure sempre aïllats, dins d’un conducte o bé dins de

construccions. Són molt fiables perquè estan sotmeses a pocs

agents, són fàcils de mantenir però molt cares.

Distribució de l’energia elèctrica:

estacions elèctriques Estacions elèctriques

També s’anomenen subestacions. Tenen com a funció transformar i/o

distribuir l’energia elèctrica i connectar dues o més línies.

Poden ser:

-Est. transformadores primàries (ETI) eleven la tensió a 110, 132, 220 o

400KV.

-Est. d’interconnexió(EI) uneixen diferents línies, ja siguin de la mateixa

tensió o de diferent tensió, mitjançant un transformador.

-Est. transformadores secundàries (ETII) redueixen la tensió a valors de 6 a

66KV, per tal d’alimentar les línies de distribució primàries.

- Casetes transformadores o est. transformadores terciàries (ETIII) redueixen

la tensió a 220 o 380V

Distribució de l’energia elèctrica

LT: línies de transport.

LDP: línies de distribució primària.

LDS: línies de distribució secundària.

Exercicis

2

2

76

350

028,0

000.501

000.1·50

85,0cos

10·31

10·30

000.2201

000.1·220

mms

m

mm

mmk

mmkL

WWM

WWMP

VVK

VVKV

Determina la pèrdua en una línia trifàsica de 220KV que ha de transformar

30MW amb un factor de potència de 0,85 a 50km, si està formada per

conductors d’alumini de resistivitat 0,028 Ωmm²/m de 350mm² de secció.

Wp

mm

Amm

mm

s

LIp

AV

W

V

PI

57,941.102

350

)62,92·(000.50·028,0·33

62,9285,0·000.220·3

10·3

cos3

2

22

2

7