Centrales Electricas
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Un resumen de varias centrales de generación de energía.
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CENTRALES HIDRÁULICAS O HIDROELÉCTRICAS
El costo de construcción de estas centrales es elevado pero se compensan con los
bajos gastos de explotación y mantenimiento luego de la puesta en marcha de las mismas.
Como consecuencia de esto, las centrales hidráulicas son las más rentables en comparación
con los restantes tipos.
Estas centrales suelen ubicarse lejos de los grandes centros de consumo y el lugar de
asentamiento de las mismas está condicionado por las características del terreno.
Las turbinas hidráulicas son accionadas por el agua como consecuencia de la
energía cinética o a la energía de presión que ha desarrollado en su descenso.
Anteriormente, el agua es retenida, canalizada y controlada.
Los modelos más relevantes de estas máquinas motrices son las turbinas pelton, francis,
kaplan y de hélice.
Turbina Pelton
Una turbina Pelton es uno de los tipos más eficientes de turbina hidráulica. Es
una turbo máquina motora, de flujo radial, admisión parcial y de acción. Consiste en una
rueda (rodete o rotor) dotada de cucharas en su periferia, las cuales están especialmente
realizadas para convertir la energía de un chorro de agua que incide sobre las cucharas.
Las turbinas Pelton están diseñadas para explotar grandes saltos hidráulicos de bajo caudal.
Funcionamiento
La tobera o inyector lanza directamente el chorro de agua contra la serie de paletas
en forma de cuchara montadas alrededor del borde de una rueda, el doble de la distancia
entre el eje de la rueda y el centro del chorro de agua se denomina diámetro Pelton. El agua
acciona sobre las cucharas intercambiando energía con la rueda en virtud de su cambio
de cantidad de movimiento, que es casi de 180°.
Imagen de una Turbina Pelton
Turbina Francis
Las turbinas Francis son turbinas hidráulicas que se pueden diseñar para un amplio
rango de saltos y caudales, siendo capaces de operar en rangos de desnivel que van de los
dos metros hasta varios cientos de metros. Esto, junto con su alta eficiencia, ha hecho que
este tipo de turbina sea el más ampliamente usado en el mundo, principalmente para
la producción de energía eléctrica en centrales hidroeléctricas.
Funcionamiento
Se utilizan para producción de electricidad. Las grandes turbinas Francis se diseñan
de forma individual para cada aprovechamiento hidroeléctrico, a efectos de lograr el
máximo rendimiento posible, habitualmente más del 90%. Son muy costosas de diseñar,
fabricar e instalar, pero pueden funcionar durante décadas.
También pueden utilizarse para el bombeo y almacenamiento hidroeléctrico, utilizando dos
embalses, uno a cota superior y otro inferior (contraembalse); el embalse superior se llena
mediante la turbina (en este caso funcionando como bomba) durante los períodos de baja
demanda eléctrica, y luego se usa como turbina para generar energía durante los períodos
de alta demanda eléctrica.
Turbinas Kaplan
Las turbinas Kaplan son uno de los tipos más eficientes de turbinas de agua de
reacción de flujo axial, con un rodete que funciona de manera semejante a la hélice del
motor de un barco, y deben su nombre a su inventor, el austriaco Viktor Kaplan.
Funcionamiento
Se emplean en saltos de pequeña altura y grandes caudales. Las amplias palas o
álabes de la turbina son impulsadas por agua a alta presión liberada por una compuerta.
Clasificación de las Centrales Hidroeléctricas
Centrales de Pasada
El rio es desviado en una zona alta mediante una presa y el agua se conduce a una
pequeña cámara de carga desde donde se lanza hasta la turbina por una tubería forzada que
aumenta se energía cinetica y mantiene constante el caudal. Una vez que el agua mueve la
turbina es devuelta al cauce normal del rio.
Centrales de Agua Embalsada
Estas centrales utilizan el agua que llega oportunamente regulada, desde un lago o
pantano artificial, denominados embalses, logrados a partir de la construcción de presas.
Un embalse tiene la capacidad de acumular los caudales de los ríos afluentes. El agua
almacenada se utiliza mediante los conductos que la dirigen hacia las turbinas.
Según sea la altura del salto de agua existente, o desnivel, las centrales también pueden
clasificarse en:
Centrales de alta presión
Son aquellas centrales que tienen un valor de salto hidráulico mayor a los 200 m
aproximadamente. Los caudales desalojados a través de estas centrales son pequeños, de
solo 20m3/s por máquina.
El lugar de emplazamiento suele ser en zonas de alta montaña, debido que
aprovechan el agua de torrentes que desemboca en los lagos naturales.
Estas centrales sólo emplean turbinas Pelton y turbinas Francis, las cuales reciben el agua
mediante conductos de extensa longitud.
Centrales de media presión
Los saltos hidráulicos que forman estas centrales, poseen una altura de entre 200 y
20 m aproximadamente. Esta característica les permite desaguar caudales de hasta 200 m3/s
por cada turbina. El funcionamiento de estas centrales está condicionado por embalses de
gran tamaño, formados en valles de media montaña.
En estas centrales, las turbinas empleadas son de tipo Francis y Kaplan; en el caso
de los saltos de mayor altura, puede que sean utilizadas turbinas Pelton.
Centrales de baja presión
Se consideran como tales, las centrales que poseen saltos hidráulicos inferiores a
20m. Suelen asentarse en valles amplios de baja montaña y cada turbina está alimentada
por caudales que superan los 300 m3/s.
Debido a las alturas y a los caudales deben utilizarse turbinas de tipo Francis y Kaplan.
Presas
Una presa es una estructura cuya función es servir de barrera, impidiendo el curso del agua
por sus cauces normales. Su disposición está condicionada al relieve del lugar de
emplazamiento.
Las presas tienen un doble propósito
· La creación de un salto. Cuanto mayor sea la altura de éste, superiores serán las potencias
logradas en la central nutrida por dicho salto.
· La construcción de un depósito con el fin de almacenar y controlar el empleo del agua.
Galerías de Inspección
Estas galerías transitan la estructura de la presa en diferentes sentidos, con el
propósito de revisarla interiormente. Además permiten llegar a las maquinarias que en ella
existen (motores, bombas de agotamiento, etc.).
La principal ventaja de las galerías de inspección radica en que permiten la
vigilancia y el control de las filtraciones y juntas en el hormigón. De hallarse algunas de
éstas, se introducen drenes en los que tiene lugar aforos y extensómetros que individualizan
las juntas entre bloques de hormigón.
También se utilizan captores de temperaturas, péndulos para localizar movimientos
o irregularidades en la presa y piezómetros vigilar presiones de agua, etc.
Escala de Peces
Mediante este canal abierto ubicado en una de las márgenes, se comunica la
superficie de aguas abajo con la de aguas arriba de la presa. Su ancho es menor a 1,5 m.
Tomas de Agua
Se entiende por toma de agua, al área de la obra donde se recoge el agua requerida
para el accionar de las turbinas.
Las aberturas, por donde ingresa el agua, están resguardadas por rejillas. La limpieza de
estas últimas se realiza a través de un medio mecánico o manual consistente en un rastrillo,
denominado raedera o mano de hierro.
Torres de toma
Corresponde tal denominación, a las estructuras colocadas hacia el interior del
embalse, cuya función es tomar el agua de alimentación. En estas torres es donde se
emplazan todos los sistemas y equipamientos requeridos para controlar el acceso de agua a
las turbinas.
Las torres de toma reciben el nombre de torres de rejillas, cuando la construcción
sólo comprende a estos elementos, encargados de filtrar el agua.
Tuberías Forzadas o Tuberías de Presión
Se trata de conducciones forzadas, como consecuencia de las altas presiones en la
totalidad de su superficie, por encontrarse repletas de agua, y desplazarse ésta por la acción
de la presión y no por la pendiente.
La función de las tuberías es la conducción del agua directamente desde el punto de
alimentación hasta las turbinas ubicadas en la central.
Canales, Túneles y Galerías
Estas denominaciones se emplean para referirse a las diferentes clases de conductos
artificiales, construidos para encarrilar el agua.
Un conducto abierto abarca los conductos en los que, la superficie libre de una masa
líquida, se encuentra en contacto directo con la atmósfera. El desplazamiento del líquido se
logra por efecto de gravedad por estar sometido al efecto de la presión atmosférica. Esta
conducción trabaja a régimen libre.
Chimeneas de Equilibrio
Estos dispositivos también se conocen como cámaras de presión, tanques de
equilibrio o depósitos de compensación.
Su función primordial es menguar, al máximo, las consecuencias perjudiciales que originan
los golpes de ariete.
Se trata de pozos piezométricos, ubicados sobre los conductos, estando unidos a
éstos por su parte inferior. En estos pozos, el nivel del agua oscila, según los valores de
presión que existen en dichas conducciones
Las chimeneas de equilibrio cuentan con cámaras de expansión, que se encargan de
absorber las sobrepresiones que se producen en las columnas de agua que llenan los
conductos.
DEFINICIÓN DE CENTRAL TERMOELÉCTRICA
Una central térmica es una instalación que produce energía eléctrica a partir de la
combustión de carbón, fuel-oil o gas en una caldera diseñada al efecto. El funcionamiento
de todas las centrales térmicas, o termoeléctricas, es semejante.
El combustible se almacena en parques o depósitos adyacentes, desde donde se
suministra a la central, pasando a la caldera, en la que se provoca la combustión. Esta
última genera el vapor a partir del agua que circula por una extensa red de tubos que
tapizan las paredes de la caldera. El vapor hace girar los álabes de la turbina, cuyo eje rotor
gira solidariamente con el de un generador que produce la energía eléctrica; esta energía se
transporta mediante líneas de alta tensión a los centros de consumo. Por su parte, el vapor
es enfriado en un condensador y convertido otra vez en agua, que vuelve a los tubos de la
caldera, comenzando un nuevo ciclo.
El agua en circulación que refrigera el condensador expulsa el calor extraído a
la atmósfera a través de las torres de refrigeración, grandes estructuras que identifican estas
centrales; parte del calor extraído pasa a un río próximo o al mar.
Las torres de refrigeración son enormes cilindros contraídos a media altura
(hiperboloides), que emiten de forma constante vapor de agua, no contaminante, a la
atmósfera. Para minimizar los efectos contaminantes de la combustión sobre el entorno, la
central dispone de una chimenea de gran altura (llegan a los 300 m) y de unos
precipitadores que retienen las cenizas y otros volátiles de la combustión. Las cenizas se
recuperan para su aprovechamiento en procesos de metalurgia y en el campo de
la construcción, donde se mezclan con el cemento.
Esquema de una central térmica convencional de carbón.
CARACTERISTICAS Y FUNCION DE LOS COMPONENTES DE UNA CENTRAL
TERMOELECTRICA:
COMPONENTES DE UNA CENTRAL
TERMOELECTRICA
CARACTERÍSTICAS – FUNCION
TURBOGENERADOR
En él tienen lugar las siguientes
conversiones de energía:
Energía calorífica del vapor a energía
cinética en las toberas de la turbina.
Energía cinética del vapor a energía
mecánica en los álabes, la que se recoge
en la flecha de la turbina.
Energía mecánica o energía eléctrica, de
la flecha al embobinado del generador.
GENERADOR DE VAPOR
El término de generador de vapor o
caldera se aplica normalmente a un
dispositivo que genera vapor para
producir energía, para procesos o
dispositivos de calentamiento. Las
calderas se diseñan para transmitir calor
de una fuente externa de combustión a
un fluido (agua) contenido dentro de
ella
La caldera está compuesta por equipos
como ventiladores de aire y gases,
precalentadores de aire, ductos,
chimenea, economizador, domo, hogar,
sobrecalentador, recalentador,
quemadores, accesorios, instrumentos,
etc.
CONDENSADOR
La condensación el vapor de escape de
la turbina y drenes se efectúa en el
condensador, además de la extracción
de algunos gases inconfensables.
TORRE DE ENFRIAMIENTO
Las torres de enfriamiento son
dispositivos de enfriamiento artificial de
agua. Se clasifican como cambiadores
de calor entre un volumen en circuito
cerrado de agua y aire atmosférico.
Básicamente las torres de enfriamiento
son cambiadores de calor de mezcla,
efectuando la transmisión de calor por
cambio de sustancia y convección entre
los medios. El agua cede calor al aire
sobre todo por evaporación, lo hace
también por convección, pero en forma
secundaria.
BOMBAS
De acuerdo con el mecanismo que
mueve el flujo, las bombas se clasifican
en:
centrífugas
rotatorias
alternativas
CAMBIADOR DE CALOR
Después de la resistencia de
los materiales, los problemas que
involucran flujo de calor son los más
importantes en la ingeniería.
el calor se transfiere mediante aparatos
llamados cambiadores de calor; los
principales de éstos equipos, son los
siguientes:
calentadores de agua de alimentación
calentadores de combustible
generador de vapor / vapor
evaporadores
enfriadores de agua
enfriadores de aceite
enfriadores de hidrógeno
condensador
generador de vapor
Los códigos o normas sobre diseño de
recipientes o tanques tienen como
objeto principal que la fabricación se
TANQUES
haga con la seguridad requerida a
una economía razonable. Todos los
tanques estarán provistos con los
aditamentos necesarios para cumplir con
su funcionamiento y los reglamentos de
seguridad;
Usos de los tanques
Almacenamiento de condensado
Servicio diario de aceite combustible
Almacenamiento de aceite combustible
Almacenamiento de agua
desmineralizada o evaporada
Almacenamiento de agua cruda
Servicio de aceite ligero
Tanque para columna de agua de
enfriamiento
Tanque de mezcla de sustancias
químicas
Drenes limpios fríos
Tanque de purgas (blow off tank)
COMPRESORES DE AIRE
El aire comprimido se utiliza en las
plantas termoeléctricas para
instrumentos, control, servicio,
sopladores de la caldera y subestación
eléctrica.
La alimentación de agua a la caldera
constituye, desde el punto de vista
químico, uno de los principales
problemas de operación: influencia en la
confiabilidad decisiva.
En las plantas termoeléctricas, la
TRATAMIENTO Y MONITOREO DE
AGUA
alimentación a la caldera es
principalmente de condensado de la
turbina (alrededor de 95 a 99%); las
pérdidas por purgas, fugas de vapor y
condensado, atomización de
combustible, etc., deben compensarse
con agua de repuesto cuyo volumen
varía de 1 a 5%.
El agua de repuesto proviene de fuentes
naturales de superficie o pozos
profundos; en ninguno de los dos casos
se encuentra en estado puro.
TUBERÍAS Y AISLAMIENTO
La aplicación de tuberías en plantas
termoeléctricas y nucleares, refinerías y
plantas químicas, etc., se basa
normalmente en idénticas ( o muy
similares) consideraciones de diseño. En
su construcción se usan materiales de
las mismas propiedades físicas y
mecánicas, composición química
y estructura metalúrgica; los procesos
de fabricación como doblado, formado,
soldado y tratamiento térmico
involucran procedimientos idénticos que
no dependen de la aplicación, sino de la
calidad final deseada.
Son aquéllas cuyo fluido de trabajo
sufre un cambio de densidad
considerable a través de su paso por la
máquina.
TURBINAS TÉRMICAS Estas se suelen clasificar en dos
subconjuntos distintos debido a sus
diferencias fundamentales de diseño:
Turbinas a vapor: su fluido de
trabajo puede sufrir un cambio de
fase durante su paso por el rodete;
este es el caso de las turbinas a
mercurio, que fueron populares en
algún momento, y el de las turbinas
a vapor de agua, que son las más
comunes.
FUNCIONAMIENTO DE UNA CENTRAL TERMOELECTRICA:
En las centrales térmicas convencionales, la energía química ligada por el combustible
fósil (carbón, gas o fuel -óil) se transforma en energía eléctrica. Se trata de un proceso de
refinado de energía. El esquema básico de funcionamiento de todas las centrales térmicas
convencionales es prácticamente el mismo, independientemente de que utilicen carbón, fuel
-óil o gas.
Las únicas diferencias sustanciales consisten en el distinto tratamiento previo que sufre
el combustible antes de ser inyectado en la caldera y el diseño de los quemadores de la
misma, que varía según el tipo de combustible empleado.
El vapor de agua se bombea a alta presión a través de la caldera, a fin de obtener el mayor
rendimiento posible. Gracias a esta presión en los tubos de la caldera, el vapor de agua
puede llegar a alcanzar temperaturas de hasta 600 ºC (vapor recalentado).
Este vapor entra a gran presión en la turbina a través de un sistema de tuberías. La
turbina consta de tres cuerpos; de alta, media y baja presión respectivamente. El objetivo de
esta triple disposición es aprovechar al máximo la fuerza del vapor, ya que este va
perdiendo presión progresivamente. Así pues, el vapor de agua a presión hace girar la
turbina, generando energía mecánica. Hemos conseguido transformar la energía térmica en
energía mecánica de rotación.
El vapor, con el calor residual no aprovechable, pasa de la turbina al condensador. Aquí, a
muy baja presión (vacío) y temperatura (40ºC), el vapor se convierte de nuevo en agua, la
cual es conducida otra vez a la caldera a fin de reiniciar el ciclo productivo. El calor latente
de condensación del vapor de agua es absorbido por el agua de refrigeración, que lo entrega
al aire del exterior en las torres de enfriamiento.
La energía mecánica de rotación que lleva el eje de la turbina es transformada a su vez en
energía eléctrica por medio de un generador asíncrono acoplado a la turbina.
CLASIFICACION:
- CENTRALES TERMOELECTRICA CLASICAS O CONVENCIONALES:
Centrales Térmicas de Carbón
Las centrales térmicas que usan como combustible carbón, pueden quemarlo en trozos
o pulverizado. La pulverización consiste en la reducción del carbón a polvo finísimo
(menos de 1/10 mm de diámetro) para inyectarlo en la cámara de combustión del generador
de vapor por medio de un quemador especial que favorece la mezcla con el aire
comburente.
Con el uso del carbón pulverizado, la combustión es mejor y más fácilmente controlada. La
pulverización tiene la ventaja adicional que permite el uso de combustible de desperdicio y
difícilmente utilizado de otra forma. En estas se requiere instalar dispositivos para separar
las cenizas producto de la combustión y que van hacia el exterior, hay incremento de efecto
invernadero por su combustión, altos costos de inversión, bajo rendimiento y arranque
lento.
Centrales Térmicas de Fuel-Oil
En las centrales de fuel, el combustible se calienta hasta que alcanza la fluidez óptima para
ser inyectado en los quemadores. Las de fuel-óil presentan como principal inconveniente
las oscilaciones del precio del petróleo y derivados, y a menudo también se exigen
tratamientos de desulfuración de los humos para evitar la contaminación y la lluvia ácida.
El consumo de un millón de litros de gasolina emite a la atmósfera 2,4 millones de
kilogramos de Dióxido de Carbono (CO2), el principal causante
del cambio climático mundial. Arranque lento y bajo rendimiento.
Centrales Térmicas de Gas Natural
En vez de agua, estas centrales utilizan gas, el cual se calienta utilizando diversos
combustibles (gas, petróleo o diesel). El resultado de ésta combustión es que gases a altas
temperaturas movilizan la turbina, y su energía cinética es transformada en electricidad por
un generador.
El uso de gas en las centrales térmicas, además de reducir el impacto ambiental, mejora
la eficiencia energética. Menores costos de la energía empleada en el proceso de
fabricación y menores emisiones de CO2 y otros contaminantes a la atmósfera. La
eficiencia de éstas no supera el 35%.
CENTRALES TERMOELECTRICA NO CONVENCIONALES:
Centrales Térmicas de Ciclo Combinado
Un ciclo combinado es, la combinación de un ciclo de gas y un ciclo de vapor. Sus
componentes esenciales son la turbina de gas, la caldera de recuperación la turbina de vapor
y el condensador. El ciclo de gas lo compone la turbina de gas, y el ciclo de vapor está
constituido por la caldera de recuperación, la turbina de vapor y el condensador.
La tecnología de las centrales de ciclo combinado permite un mayor aprovechamiento del
combustible y, por tanto, los rendimientos pueden aumentar entre el 38 por ciento normal
de una central eléctrica convencional hasta cerca del 60 por ciento. Y la alta disponibilidad
de estas centrales que pueden funcionar sin problemas durante 6.500-7500 horas
equivalentes al año.
Uno de los principales problemas que plantean las centrales térmicas es que se trata de un
proceso relativamente complejo de conversión de energías. Utilizan combustible de alto
grado de calidad. Provocan contaminación con la alta emisión de gases.
Esquema de una Central Térmicas de Ciclo Combinado
Centrales Térmicas de Combustión de Lecho Fluidizado
Consiste en quemar carbón en un lecho de partículas inertes, a través del cual se hace
pasar una corriente de aire. Esta soporta el peso de las partículas y las mantiene en
suspensión, de modo que da la impresión de que se trata de un líquido en ebullición.
Permitiría obtener rendimientos de hasta el 50%, disminuyendo al mismo tiempo la emisión
de anhídrido sulfuroso.
Su eficiencia es de 40 a 42% en ciclos combinados En la tecnología de lecho fluidizado se
inyecta caliza directamente dentro de la caldera para capturar y remover el azufre del
combustible como un subproducto seco.
La temperatura del gas dentro de la caldera va de los 820°C a los 840°C, lo cual determina
su diseño y el arreglo de las superficies de transferencia de calor. Este tipo
de calderas puede ser atmosférico o presurizado.
Centrales Térmicas Gicc Gasificación de Carbón Integrada en ciclo combinado
La gasificación del carbón es un proceso que transforma el carbón sólido en un gas
sintético compuesto principalmente de CO e hidrógeno (H2). El carbón es gasificado
controlando la mezcla de carbón, oxígeno y vapor dentro del gasificador.
La potencia media de estas centrales viene a ser de 300 MW, muy inferior todavía a la de
una térmica convencional.
Las ventajas medioambientales que ofrecen estas centrales se fundamentan en los
bajos valores de emisión de óxidos de azufre y otras partículas.
En la actualidad las IGCC alcanzan eficiencias de 45%, una eliminación de 99% de azufre.
Bajos costos de combustible, admite combustible de bajo grado de calidad, bajo grado de
emisiones, alto rendimiento, tecnología sin completa prueba de eficiencia, altos costos de
inversión, plantas complejas, arranque lento.
Criterios de selección y diseño
El diseño conceptual incluye la descripción de la localización, forma y bases del
diseño de la planta general, como intemperie o cubierta, grado de utilización, combustible
(incluyendo previsión de cambios), tipo y enlaces de la subestación eléctrica, suministro
y sistemas de agua, accesos, condiciones y características del sitio, orientación, arreglo
general, elementos principales, condiciones de diseño y características de construcción.
CARACTERÍSTICAS DEL SITIO
*Topografía y drenaje
*Accesos
*Geología
*Proximidad a bancos de préstamos (obtención de material combustible)
*Meteorología. Condiciones climatológicas del sitio
CONDICIONES GENERALES DE DISEÑO
*Temperatura del aire anual promedio
*Presión barométrica
*Nivel base de la planta
*Coeficientes sísmicos: para estructuras, para bardas, para chimeneas.
*Resistencia del terreno
SELECCIÓN DEL TAMAÑO DE UNIDADES
La selección del tamaño involucra un compromiso entre varios factores, sin embargo se
sabe que económicamente la mejor solución es instalar unidades del 5 al 10% de la
capacidad de los sistemas.
*Especificaciones del turbogenerador, del generador de vapor, y optimización del sistema
de agua de circulación.
*Suministro de agua asegurada para el presente y para el fututo.
*Ubicación por razón de disponibilidad del carbón o combustibles, cerca de las fuentes del
mismo, o sea lo que corrientemente se conoce como Central de Boca de Mina.
*Ubicación por razón de otros factores, como proximidad a los centros de carga, a fuentes
de agua para refrigeración, o a sitios de fácil acceso para la maquinaria y equipos pesados.
La ubicación del lugar debe ser en un sitio con vías de acceso muy buenas y al uso de
equipos especiales de transporte.
*Costos de la propiedad, de construcción, de puesta en función, de mantenimiento.
*Impacto- socio económico.
*Facilidades de transportación.
MATERIALES DE CONSTRUCCION
Estos varían de acuerdo al equipo utilizado, los más utilizados son los siguientes:
Para paredes, pisos y cubierta o techo de los tanques, se emplean los aceros A283 grado C y
D y A285 grado C.
Acero al carbón
Acero inoxidable
Teflón en los compresores de aire
Aleaciones de acero
Aleaciones de latón
Vidrio
Hule
Plásticos
Concreto
Ladrillo Refractario
CENTRALES SOLARES
La energía solar
El Sol es una esfera gaseosa formada, fundamentalmente, por helio, hidrógeno y
carbono. Su masa es 330.000 veces la masa de la Tierra y se estima que su edad es de unos
6.000 millones de años.
El Sol se comporta como un reactor nuclear que transforma la energía nuclear en energía de
radiación, energía que llega a la Tierra. Sin embargo, no toda la energía que se produce en
el Sol llega a la superficie terrestre. Al atravesar la atmósfera, la radiación pierde intensidad
a causa de la absorción, la difusión y la reflexión por acción de: gases, vapor de agua y
partículas en suspensión de la atmósfera.
Así, la radiación que la tierra recibe del Sol se puede dividir en:
Radiación directa: es la que atraviesa la atmósfera sin sufrir ningún cambio en su
dirección.
Radiación dispersa o difusa: es la que recibimos después de los fenómenos de reflexión y
difusión.
Podríamos decir que a la Tierra llega una gran cantidad de energía solar en forma de
radiaciones. Por eso, la energía solar es un recurso energético importante a tener en cuenta.
¿Qué es una central solar?
Las centrales solares son instalaciones destinadas a aprovechar la radiación del
Sol para generar energía eléctrica. Existen 2 tipos de instalaciones con las que se puede
aprovechar la energía del Sol para producir electricidad: En la central termosolar se
consigue la generación eléctrica a partir del calentamiento de un fluido con el cual,
mediante un ciclo termodinámico convencional, se consigue mover un alternador gracias al
vapor generado de él.
En la instalación fotovoltaica la obtención de energía eléctrica se produce a través de
paneles fotovoltaicos que captan la energía luminosa del Sol para transformarla en energía
eléctrica. Para conseguir la transformación se emplean células fotovoltaicas fabricadas con
materiales semiconductores.
Centrales termosolares
El principio básico común a las centrales termosolares es el uso de sistemas de espejos
parabólicos concentradores en los denominados campos fotovoltaicos, que disponen de una
gran superficie y que concentran la radiación solar en un receptor. Todos ellos tienen que
orientarse hacia el Sol para poder concentrar la radiación directa. Esta radiación se
convierte, primero, en energía térmica, a una temperatura de entre unos 200 hasta más de
1000 °C (según el sistema).
A continuación, la energía térmica puede convertirse en electricidad como en las
centrales convencionales de turbinas de vapor o gas y, en caso necesario, también puede
utilizarse para otros procesos industriales, por ejemplo, para la desalinización, la
refrigeración o, en un futuro próximo, para la producción de hidrógeno.
Debido a este principio, las centrales termosolares también destacan por el hecho de
que el calor generado es relativamente fácil y económico de almacenar, pudiendo generar
electricidad incluso durante las horas de menos radiación solar o inexistente. De este modo,
pueden contribuir de forma decisiva a la producción de energía planificada según la
demanda en un futuro mix energético con una gran cuota de energías renovables.
Hay dos tipos de sistemas de espejo concentrador, los lineales y los puntuales, y dentro de
estos sistemas existen cuatro configuraciones distintas:
SISTEMAS DE ESPEJO CONCENTRADOR LINEALES
Central cilindro-parabólica:
Unos espejos de forma parabólica, dispuestos en largas hileras en los campos
solares de la central, reflejan la radiación solar incidente concentrándola en un
punto hasta 80 veces sobre un tubo absorbedor, en el que un aceite térmico que
actúa como caloportador es calentado a más de 400° C. A continuación, en un
intercambiador de calor alojado en bloque central de la instalación, se produce el
vapor que impulsa las turbinas convencionales y genera la electricidad.
Colectores Fresnel:
Consiste en la utilización de una serie de espejos lineales que pueden rotar
alrededor de su eje para dirigir los rayos reflejados hacia un receptor lineal
situado por encima de ellos, que puede ser único o doble. Los espejos suelen ser
planos o de una ligera curvatura. Generalmente, estos sistemas se están
proponiendo para la generación directa de vapor de baja temperatura, acoplados
directamente a turbinas de vapor o para el precalentamiento de agua de
alimentación a la caldera de centrales térmicas convencionales.
La temperatura de operación de los primeros proyectos ronda habitualmente los
300˚C, lo que permite utilizar receptores eficaces y fiables, aunque, algunos
promotores de esta tecnología trabajan a temperaturas próximas a los 500˚C, para
poder acoplar estos sistemas a turbinas de alto rendimiento.
SISTEMA DE ESPEJOS CONCENTRADORES PUNTUALES
Torres solares:
Consiste en un campo solar integrado por helióstatos (grandes espejos de
seguimiento individual) que se utilizan para concentrar la luz solar en un
receptor central situado en la parte superior de una torre. Un medio de
transmisión de calor situado en este receptor central absorbe la radiación muy
concentrada reflejada por los helióstatos y la transforma en energía térmica con
objeto de generar vapor, el cual se expande en una turbina acoplada a un
generador para la producción de electricidad.
Disponen de un conjunto de espejos direccionales de grandes dimensiones
que concentran la radiación solar en un punto. El calor es transferido a un fluido
que circula por el interior de la caldera y lo transforma en vapor, empezando así
un ciclo convencional de agua-vapor.
Instalaciones de disco-Stirling:
Un reflector con forma de antena parabólica se utiliza para concentrar la luz
solar en un receptor situado en el punto focal del plato.
Este absorbe la energía reflejada por los concentradores, lo que permite que el
fluido en el recipiente se caliente hasta unos 750 º C. Esto se utiliza para generar
electricidad en un pequeño motor, por ejemplo el motor Stirling o una micro
turbina, conectado al receptor.
Parques Fotovoltaicos
El efecto fotovoltaico es un fenómeno físico que consiste en la conversión de la energía
luminosa en energía eléctrica. La energía de radiación (fotones) que incide sobre una
estructura heterogénea de material (célula fotovoltaica) es absorbida por electrones de las
capas más externas de los átomos que forman este material, eso crea una corriente eléctrica
interior de una tensión determinada.
Las células se conectan en serie para formar un módulo fotovoltaico.
El elemento básico de un parque fotovoltaico es el conjunto de células fotovoltaicas que
captan la energía solar, transformándola en corriente eléctrica continua. Las células
fotovoltaicas están integradas en módulos que, al unirse, formarán placas fotovoltaicas.
La corriente continua generada se envía, en primer lugar, a un armario de corriente continua
donde se producirá la transformación con la ayuda de un inversor de corriente y, finalmente
se lleva a un centro de transformación donde se adapta la corriente a las condiciones de
intensidad y tensión de las líneas de transporte de la red eléctrica.
Puedes conocer más acerca del funcionamiento de los parques fotovoltaicos en el siguiente
juego.
La energía solar fotovoltaica se basa en la captación de energía solar y su transformación en
energía eléctrica por medio de celdas fotovoltaicas.
Principio de funcionamiento
La conversión fotovoltaica se basa en el efecto fotoeléctrico, es decir, en la conversión de la
energía lumínica proveniente del sol en energía eléctrica.
Consiste en la captación de la energía radiante procedente del sol, equivalente a 3,8 E20
MW.
Es emitida por su superficie a la temperatura de 13 millones de grados (producida por las
fusiones de átomos de Hidrógeno para formar Helio).
Se transmite por el espacio en forma de fotones de luz. Estos fotones atraviesan la
atmósfera terrestre perdiendo parte de su energía por los impactos con la misma. Esta
pérdida de energía será función de la distancia que recorre (latitud y altitud del sol) y del
tipo de atmósfera que atraviesen (clara o nublada) hasta alcanzar la superficie de la Tierra.
Cuando fotones de un determinado rango de energía chocan con átomos de ciertos
materiales semiconductores (el Silicio es el más representativo) les ceden su energía
produciendo un desplazamiento de electrones que es en definitiva una corriente eléctrica.
Estos fotones se caracterizan por su energía y su longitud de onda (que forman lo
que se llama espectro solar). Solo una parte de este espectro (que depende del material
semiconductor) es aprovechada para el desplazamiento de los electrones.
Los materiales semiconductores, para su utilización en celdas fotovoltaicas, han de
ser producidos en purezas muy altas, normalmente con estructura cristalina.
Estos cristales se cortan en rebanadas muy finas (del orden de micras) y se dopan unas con
elementos químicos para producir huecos atómicos, lado “p”, (en el caso del Si con Boro) y
otras con otros elementos para producir electrones móviles, lado “n”,(con Fósforo también
en el caso del Si).
La unión de una rebanada “n” con una rebanada “p” (ambas son transparentes y por
tanto dejan pasar los fotones) cada una con un conductor eléctrico metálico, forman así una
célula fotoeléctrica, la cual bajo la incidencia de fotones, crea una corriente de electrones
corriente eléctrica continua- a través del circuito eléctrico al que estén conectados los dos
conductores de la celda.
Celdas o células fotovoltaicas
Son dispositivos formados por metales sensibles a la luz que desprenden electrones
cuando los fotones inciden sobre ellos. Convierten energía luminosa en energía eléctrica.
Están formados por células elaboradas a base de silicio puro con adición de
impurezas de ciertos elementos químicos, siendo capaces de generar cada una de 2 a 4
Amperios, a un voltaje de 0,46 a 0,48 V, utilizando como materia prima la radiación solar.
Las celdas solares comerciales se fabrican con lingotes de silicio de alta pureza (material
muy abundante en la arena). El lingote es rebanado en forma de placas delgadas llamadas
obleas. El espesor típico usado es del orden de 300 nm (0.3 mm). Una fracción muy
pequeña de tal espesor (del orden de 0.5 nm) es impregnado con átomos de fósforo. A esta
capa se le conoce como tipo-n.
El resto de la oblea es impregnado con átomos de boro y se forma la capa conocida
como tipo-p. Estas capas forman un campo eléctrico (voltaje interno construído) dentro de
la oblea y cerca de la superficie que recibe la luz del sol. Dicho voltaje es el responsable de
separar a las cargas fotogeneradas positivas (huecos) y negativas (electrones).
La celda cuenta con dos terminales que se conectan a un circuito externo para
extraer la corriente eléctrica producida. La cara de la oblea expuesta a la luz, posee un
enrejado metálico muy fino (plata y/o aluminio), el cual colecta los electrones
fotogenerados. Esta capa corresponde a la terminal negativa. Sobre este enrejado está
conectado uno de los conductores del circuito exterior. La otra cara cuenta con una capa
metálica, usualmente de aluminio. Esta corresponde a la terminal positiva ya que en ella se
acumulan las cargas positivas. Sobre esta capa está conectado el otro conductor del circuito
exterior. También la celda esta cubierta con una película delgada anti reflejante para
disminuir las pérdidas por reflexión.
Limitaciones de los parques fotovoltaicos
Las tecnologías disponibles se han de optimizar para que la eficiencia de las células
fotovoltaicas pueda mejorar hasta llegar a cifras del orden del 18-20%.
España es un país pionero en desarrollo de esta tecnología y se facilitan ayudas económicas
a este tipo de producción eléctrica.
Impacto sobre el medio ambiente de las centrales solares
Desde el punto de vista medio ambiental, la producción de electricidad a partir de este tipo
de sistemas tiene grandes ventajas:
No genera ningún tipo de emisiones atmosféricas.
No produce fluentes líquidos.
Evita el uso de combustibles fósiles.
A pesar de esto, las grandes centrales termosolares pueden generar un gran impacto sobre el
paisaje y necesitan grandes superficies para colocar los espejos direccionales.
Cabe mencionar también que una vez han terminado su vida útil, las placas fotovoltaicas
dejan residuos que deben ser tratados específicamente.
PARTES PRINCIPALES DE LA CENTRAL.
FUNCIONAMIENTO:
Helióstatos:
Son varios espejos orientables, en los que se refleja la luz del Sol, haciendo que converjan
en la caldera.
Caldera: Es la parte de la central solar en la que convergen los rayos solares reflejados por
los helióstatos, alcanzando una gran temperatura. Al alcanzar esa gran temperatura, calienta
el agua que pasa por ella y la transforma en vapor.
Turbina:
El vapor generado en la caldera mueve la turbina, la cual está unida al generador para que
éste reciba su movimiento.
Generador o alternador:
Es el encargado de generar energía eléctrica; gracias al movimiento rotatorio de la turbina,
el generador transforma ese movimiento en energía eléctrica mediante inducción.
Acumulador:
Almacena la energía calorífica que no ha sido utilizada, ejemplo de los clásicos termos de
agua caliente, para su posterior empleo en ausencia de radiación solar.
Transformador:
Se encarga de transformar la energía eléctrica generada en el alternador para hacerla llegar
a la red eléctrica.
Condensador:
Es donde se convierte el vapor (proveniente de la turbina) en agua líquida. Ello es debido a
que en el interior del condensador existe un circuito de enfriamiento encargado de enfriar el
vapor, transformándose en agua líquida.
Bomba:
Es la encargada de impulsar el agua de nuevo hasta la caldera.
Centro de control:
Es donde se controla todo el proceso de transformación de la energía solar en energía
eléctrica.
ENERGÍA MAREOMOTRIZ
La energía mareomotriz es la que se obtiene aprovechando las mareas,
transformando la energía mareomotriz en energía eléctrica. Con un promedio
aproximado de 4Kilometros de profundidad los océanos cubren las tres cuartas partes
de la tierra conformando un enorme depósito de energía siempre en movimiento, el
viento es el encargado de formar las olas que pueden alcanzar los 12 metros en
condiciones normales, y las temperaturas (entre -2º C a 25º) generan corrientes y por
último la conjugación tanto en la superficie como en el fondo, de las atracciones solar y
lunar.
Las mareas, es decir, el movimiento de las aguas en el mar, producen una energía
que se transforma en electricidad en las centrales mareomotrices. Se aprovecha la
energía liberada por el agua de mar en sus movimientos de ascenso y descenso de las
mareas (flujo y reflujo). El sistema consiste en aprisionar el agua en el momento de la
alta marea y liberarla, obligándola a pasar por las turbinas durante la bajamar.
Cuando la marea sube, el nivel del mar es superior al del agua del interior. Abriendo
las compuertas, el agua pasa de un lado a otro del dique, y sus movimientos hacen que
también se muevan las turbinas de unos generadores de corrientes situados junto a los
conductos por los que circula el agua.
Cuando por el contrario, la marea baja, el nivel del mar
MÉTODOS DE GENERACIÓN
APROVECHAMIENTO DE LA ENERGÍA DE LAS ONDAS Y LAS OLAS.
Ya se ha dicho que los vientos imprimen a las capas superficiales del mar movimientos
ondulatorios de dos clases: las ondas y las olas.
Las primeras se pueden observar en el mar, incluso en ausencia del viento; son
masas de agua que avanzan y se propagan en la superficie en forma de ondulaciones
cilíndricas. Es bastante raro ver una onda marina aislada; generalmente se suceden
varias y aparecen en la superficie ondulaciones paralelas y separadas por intervalos
regulares. Cuando una barca sube sobre la cresta de la onda perpendicularmente a ella,
la proa se eleva, y cuando desciende sobre el lomo, la proa se hunde en el agua. Es el
característico cabeceo.
Los elementos de una onda son: su longitud, esto es, la distancia entre dos crestas
consecutivas; la amplitud o distancia vertical entre una cresta y un valle; el período,
esto es el tiempo que se separa el paso de dos crestas consecutivas por delante en un
punto fijo; y la velocidad.
El movimiento de las ondas en el mar se puede comparar con el de un campo de
trigo bajo la acción del viento. Las espigas se inclinan en el sentido del viento, se
enderezan y se vuelven a inclinar; de modo análogo, por la acción de la onda, una vena
fluida y vertical, se contrae y se engruesa en el movimiento momento que se forma el
valle, en tanto que se adelgaza y alarga en correspondencia con la fase de cresta o
elevación. Parece, pues, que oscila a un lado y otro en un punto fijo, amortiguándose
rápidamente este movimiento oscilatorio que se profundiza en el mar.
La energía que desarrollan las ondas es enorme y proporcional a las masas de aguas
que oscilan y a la amplitud de oscilación. Esta energía se descompone en dos partes, las
cuales, prácticamente, son iguales: una energía potencial, la cual provoca la
deformación de la superficie del mar, y una energía cinética o de movimiento, debida al
desplazamiento de las partículas; en suma, de la masa de agua. Si la profundidad es
pequeña, la energía cinética es transportada con una velocidad que depende de
determinadas características de la onda. Se ha calculado que una onda de 7,50 metros de
altura sobre el nivel de las aguas tranquilas y de 150 metros de longitud de onda,
propagándose con una velocidad de 15 metros por segundo, desarrolla una potencia de
700 caballos de vapor por metro lineal de cresta; según esto, una onda de las mismas
características que tuviese 1Km. De ancho desarrollaría la considerable potencia de
700.000 caballos de vapor. Esto explica los desastrosos efectos que producen las
tempestades marinas.
Las ondas marinas se forman únicamente en puntos determinados de nuestro planeta
y desde ellos se propagan radialmente. Por su importancia mencionaremos uno: el área
de las islas de Azores, situadas casi frente al Estrecho de Gibraltar y a unos 1800 Km.
Al Oeste de él, centro de un área ciclónica casi permanente. Las grandes ondas marinas
que se forman en las islas mencionadas, recrecidas por el empuje de los fuertes vientos
aumentan considerablemente su altura, masa y velocidad del avance.
Sencilla es la técnica utilizada para captar las energías desarrolladas por las ondas
marinas en sus oscilaciones verticales. Basta para ello disponer de varios flotadores
provistos de un vástago que se desliza a lo largo de unas guías y cuyos movimientos
verticales se transmiten mediante el vástago a generadores eléctricos. La realización
práctica de este tipo de máquina es, sin embargo, muy difícil, pues, a la corta o a la
larga, estas máquinas acaban por ser destruidas por el exceso de la potencia que deben
captar.
Las olas se forman en cualquier punto del mar por la acción del viento. En un día de
calma, por la mañana, la superficie del mar está absolutamente tranquila. Pero cuando
comienza soplar una brisa suave se forman en la superficie tranquila de las aguas
pequeñas elevaciones, olas minúsculas: el mar se "riza". A medida que aumenta la
velocidad del viento, las olas crecen en altura y en masa más rápidamente que la
longitud, en profundidad, de la ola. Finalmente, cuando el viento sopla con violencia,
las olas alcanzan tamaño gigantesco y por el impulso de aquél corren sobre la superficie
marina a gran velocidad y descargan toda su potencia sobre los obstáculos que
encuentran en su camino. Los efectos de estos choques son enormes y la cantidad de
energía disipada en ellos es considerable.
Los efectos de tan tremendos choques se hacen visibles en puertos y escolleras; se
citan casos en que bloques artificiales de cemento de más de dos o tres toneladas de
peso han sido levantados de su asiento y lanzados a varios metros de distancia.
Se han proyectado numerosos aparatos y dispositivos para aprovechar la energía del
oleaje, pero ninguno hasta hoy ha dado resultados prácticos. La energía de las olas es
salvaje, difícil de domesticar. En 1929 se llevó a la práctica el primer proyecto para
utilizar la fuerza horizontal de las olas, empleándose para ello el rotor de Savonius,
rueda formada por dos semicilindros asimétricos montados sobre un mismo chasis. El
aparato funcionó por varios meses en Mónaco. La acción corrosiva del agua del mar lo
inutilizó.
Éstas y otras técnicas se han aplicado a la utilización de la energía horizontal o de
traslación de las ondas. La inconstancia de éstas limita, por una parte, su empleo.
El fracaso de los intentos reseñados y muchos otros llevados a cabo, parece querer
demostrar que es vana la esperanza de aprovechar la energía de las ondas y las olas.
Pero el hombre no se ha resignado a contemplar como se pierde tanta energía cinética,
continua, eterna, que le ofrece la Naturaleza gratuitamente; en vista del fracaso de la
utilización de la energía de las ondas y las olas, los técnicos orientaron sus esfuerzos a
utilizar la que se deriva de la variación del nivel del mar, esto es, la de las mareas y la
del calor de las aguas marinas.
De los sistemas propuestos, para fijar la energía de las olas, se puede hacer una
clasificación, los que se fijan en la plataforma continental y los flotantes, que se instalan
en el mar.
Ventajas:
Auto renovable. No contaminante. Silenciosa.
Bajo costo de materia prima. No concentra población.
Disponible en cualquier clima y época del año.
Desventajas:
Impacto visual y estructural sobre el paisaje costero. Localización puntual.
Dependiente de la amplitud de mareas. Traslado de energía muy costoso.
Efecto negativo sobre la flora y la fauna. Limitada.
CÓMO FUNCIONA LA ENERGÍA MAREOMOTRIZ
La energía mareomotriz se produce gracias al movimiento generado por las mareas, esta
energía es aprovechada por turbinas, las cuales a su vez mueven la mecánica de un
alternador que genera energía eléctrica, finalmente este último está conectado con una
central en tierra que distribuye la energía hacia la comunidad y las industrias.
Al no consumir elementos fósiles ni tampoco producir gases que ayudan al efecto
invernadero. Se le considera una energía limpia y renovable. Dentro de sus ventajas el
ser predecible y tener un suministro seguro con potencial que no varía de forma
trascendental anualmente, solo se limita a los ciclos de marea y corrientes.
La instalación de este tipo de energía se realiza en ríos profundos, desembocaduras
(estuarios) de rió hacia el océano y debajo de este último aprovechando las corrientes
marinas.
ENERGÍA GEOTÉRMICA
La geotermia no es más que el calor interno de la Tierra. Este calor interno calienta
hasta las capas de agua más profundas: al ascender, el agua caliente o el vapor producen
manifestaciones, como los géiseres o las fuentes termales, utilizadas para calefacción
desde la época de los romanos. Hoy en día, los progresos en los métodos de perforación
y bombeo permiten explotar la energía geotérmica en numerosos lugares del mundo.
La Tierra posee una importante actividad geológica. Esta es la responsable de la
topografía actual de nuestro mundo, desde la configuración de tierras altas y bajas
(continentes y lechos de océanos) hasta la formación de montañas. Las manifestaciones
más instantáneas de esta actividad son el vulcanismo y los fenómenos sísmicos.
El núcleo de nuestro planeta es una esfera de magma a temperatura y presión
elevadísimas. De hecho, el calor aumenta según se desciende hacia el centro de la
Tierra: en bastantes pozos petrolíferos se llega a 100 grados centígrados a unos 4
kilómetros de profundidad. Pero no es necesario instalar larguísimos colectores para
recoger una parte aprovechable de ese calor generado por la actividad geológica de la
Tierra. Puede ser absorbido de colectores naturales, como por ejemplo géisers o simples
depósitos de aguas termales.
Puede considerarse que hay dos tipos de yacimientos geotérmicos, que se podrían
llamar:
De agua caliente: Estos yacimientos pueden formar una fuente o ser subterráneos,
contenidos en un acuífero.
Los que forman fuentes, se aprovechan desde tiempos muy antiguos como baños
termales. En principio podrían aprovecharse enfriando el agua antes de utilizarla, pero
suelen tener caudales relativamente reducidos.
En cuanto a los subterráneos, yacimientos de aguas termales muy calientes a poca o
media profundidad, sirven para aprovechar el calor del interior de la tierra. El agua
caliente o el vapor pueden fluir naturalmente, por bombeo o por impulsos de flujos de
agua y de vapor. El método a elegir depende del que en cada caso sea económicamente
rentable.
.De roca caliente Seca o estimulados. : En este caso, hay una zona bajo la tierra, a
profundidad no excesiva, con materiales o piedras calientes, en seco. Se inyecta agua
por una perforación y se recupera, caliente por otra, se aprovecha el calor, por medio de
un intercambiador y se vuelve a reinyectar como en el caso anterior.
Según su temperatura se clasifican los tipos de yacimientos
Energía geotérmica de alta temperatura. La energía geotérmica de alta temperatura
existe en las zonas activas de la corteza. Esta temperatura está comprendida entre 150 y
400 °C, se produce vapor en la superficie y mediante una turbina, genera electricidad.
Energía geotérmica de temperaturas medias. La energía geotérmica de temperaturas
medias es aquella en que los fluidos de los acuíferos están a temperaturas menos
elevadas, normalmente entre 70 y 150 °C. Por consiguiente, la conversión vapor-
electricidad se realiza con un rendimiento menor, y debe explotarse por medio de un
fluido volátil.
Energía geotérmica de baja temperatura. La energía geotérmica de temperaturas
bajas es aprovechable en zonas más amplias que las anteriores; por ejemplo, en todas
las cuencas sedimentarias. Es debida al gradiente geotérmico. Los fluidos están a
temperaturas de 50 a 70 °C. aguas termales.
Energía geotérmica de muy baja temperatura. La energía geotérmica de muy baja
temperatura se considera cuando los fluidos se calientan a temperaturas comprendidas
entre 20 y 50 °C. Esta energía se utiliza para necesidades domésticas, urbanas o
agrícolas, como la climatización geotérmica (bomba de calor geotérmica).climatización
de viviendas y edificios mediante de bonbas geotérmica.
Proceso de generación
CENTRAL EÓLICA:
El parque eólico es una central eléctrica donde la producción de la energía eléctrica
se consigue a partir de la fuerza del viento, mediante aerogeneradores que aprovechan
las corrientes de aire. El viento es un efecto derivado del calentamiento desigual de la
superficie de la Tierra por el Sol.
En la actualidad, la energía eólica es utilizada principalmente para
producir electricidad mediante aerogeneradores, conectados a las grandes redes de
distribución de energía eléctrica. Los parques eólicos construidos en tierra suponen una
fuente de energía cada vez más barata, competitiva o incluso más barata en muchas
regiones que otras fuentes de energía
Aerogenerador
Un aerogenerador es un generador de electricidad activado por la acción del viento. El
viento mueve la hélice y a través de un sistema mecánico de engranajes hace girar el
rotor de un generador, que produce la corriente eléctrica.
Los principales componentes de un aerogenerador son:
La góndola: es la carcasa que protege los componentes clave del aerogenerador.
Las palas del rotor: capturan el viento y transmiten su potencia hacia el buje. Tienen
una longitud de 20m.
El buje: es un elemento que une las palas del rotor con el eje de baja velocidad.
Eje de baja velocidad: conecta el buje del rotor al multiplicador. Gira muy lento, a 30
rpm.
El multiplicador: permite que el eje de alta velocidad que está a su derecha gire 50
veces más rápido que el eje de baja velocidad.
Eje de alta velocidad: gira aproximadamente a 1.500 rpm, lo que permite el
funcionamiento del generador eléctrico.
El generador eléctrico: en los aerogeneradores modernos la potencia máxima suele
estar entre 6 y 12MW.
El controlador electrónico: es un ordenador que continuamente monitoriza las
condiciones del aerogenerador y controla el mecanismo de orientación.
La unidad de refrigeración: contiene un ventilador eléctrico utilizado para enfriar el
generador eléctrico.
La torre: soporta la góndola y el rotor. Generalmente es una ventaja disponer de una
torre alta, dado que la velocidad del viento aumenta a medida que nos alejamos del
nivel del suelo
El anemómetro y el panel: las señales electrónicas del anemómetro conectan el
aerogenerador cuando el viento tiene una velocidad aproximada de 5m/s.
Tipos de aerogeneradores
Eje vertical: su característica principal es que el eje de rotación se encuentra en
posición perpendicular al suelo.
Eje horizontal: son los más habituales y en los que se ha invertido un mayor esfuerzo
para su mejora en los últimos años.
Funcionamiento del aerogenerador
Para producir electricidad con una central eólica es necesario que el viento sople a una
velocidad de entre 3 y 25m/s.
El viento hace girar las palas al incidir sobre ellas, convirtiendo así la energía cinética
del viento en energía mecánica que se transmite al rotor. Esta energía se transmite
mediante un eje de baja velocidad a la caja del multiplicador, de donde sale a una
velocidad 50 veces mayor. Es entonces cuando se puede transmitir aleje del generador
eléctrico para producir energía eléctrica.
Ventajas
Es una energía renovable
Crea un elevado número de puesto de trabajo
Las centrales no tardan mucho tiempo en construirse.
La materia prima, que es el viento, no se agota y además es gratuita
Es una tecnología accesible para todos los países.
Su construcción no es costosa ni complicada y su coste de manipulación y
mantenimiento es bajo
¿QUÉ ES LA BIOMASA?
La palabra biomasa describe los materiales provenientes de seres vivos animales o
vegetales. Es decir, toda la materia orgánica (materia viva) procedente del reino animal y
vegetal obtenida de manera natural o procedente de las transformaciones artificiales.
Toda esta materia se convierte en energía si le aplicamos procesamientos químicos.
La energía de la biomasa proviene en última instancia del Sol. Los vegetales absorben y
almacenan una parte de la energía solar que llega a la tierra y a los animales en forma de
alimento y energía. Cuando la materia orgánica almacena la energía solar, también crea
subproductos que no sirven para los animales ni para fabricar alimentos pero sí para hacer
energía de ellos.
La biomasa era la fuente energética más importante para la humanidad hasta el
inicio de la revolución industrial, pero su uso fue disminuyendo al ser sustituido por el uso
masivo de combustibles fósiles.
Tipos de biomasa
La biomasa se puede clasificar en tres grandes grupos:
Biomasa natural: es la que se produce a la naturaleza sin la intervención humana.
Biomasa residual: son los residuos orgánicos que provienen de las actividades de las
personas (residuos sólidos urbanos, RSU, por ejemplo).
Biomasa producida: son los cultivos energéticos, es decir, campos de cultivo donde se
produce un tipo de especie con la única finalidad de su aprovechamiento energético.
¿Quieres saber más? Accede al juego interactivo sobre los tipos de biomasa.
3. Conversión de la biomasa en energía
Existen diferentes formas para transformar la biomasa en energía que se pueda aprovechar,
pero hay dos de
ellas que hoy en día
se utilizan
más:
Métodos termoquímicos
Es la manera de utilizar el calor para transformar la biomasa. Los materiales que funcionan
mejor son los de menor humedad (madera, paja, cáscaras, etc.). Se utilizan para:
Combustión: existe cuando quemamos la biomasa con mucho aire (20-40% superior al
teórico) a una temperatura entre 600 y 1.300ºC.
Es el modo más básico para recuperar la energía de la biomasa, de donde salen gases
calientes para producir calor y poderla utilizar en casa, en la industria y para producir
electricidad.
Pirólisis: se trata de descomponer la biomasa utilizando el calor (a unos 500ºC) sin
oxígeno. A través de este proceso se obtienen gases formados por hidrógeno, óxidos de
carbono e hidrocarburos, líquidos hidrocarbonatos y residuos sólidos carbonosos. Este
proceso se utilizaba hace ya años para hacer carbón vegetal.
Gasificación: existen cuando hacemos combustión y se producen diferentes elementos
químicos: monóxido de carbono (CO), dióxido de carbono (CO 2), hidrógeno (H) y metano
(CH 4), en cantidades diferentes. La temperatura de la gasificación puede estar entre 700 y
1.500ºC y el oxígeno entre un 10 y un 50%.
Según se utilice aire u oxígeno, se crean dos procedimientos de gasificación distintos. Por
un lado, el gasógeno o “gas pobre” y por otro el gas de síntesis. La importancia de este es
que puede transformar en combustibles líquidos (metanol y gasolinas). Por eso se están
haciendo grandes esfuerzos que tienden a mejorar el proceso de gasificación con oxigeno.
Co-combustión: consiste en la utilización de la biomasa como combustible de ayuda
mientras se realiza la combustión de carbón en las calderas. Con este proceso se reduce el
consumo de carbón y se reducen las emisiones de CO 2.
Métodos bioquímicos
Se llevan a cabo utilizando diferentes microorganismos que degradan las moléculas. Se
utilizan para biomasa de alto contenido en humedad. Los más corrientes son:
Fermentación alcohólica: técnica que consiste en la fermentación de hidratos de carbono
que se encuentran en las plantas y en la que se consigue un alcohol (etanol) que se puede
utilizar para la industria.
Fermentación metánica: es la digestión anaerobia (sin oxígeno) de la biomasa, donde la
materia orgánica se descompone (fermenta) y se crea el biogás.
4. Sistemas de aprovechamiento de la biomasa
Si a la gran variedad de biomasa existente aplicamos distintas tecnologías podemos
transformar esta energía para usarla en:
Producción de energía térmica
Son sistemas de combustión directa. Se utilizan para dar calor, que se puede utilizar
directamente para, por ejemplo, cocinar alimentos o secar productos agrícolas.
También se pueden aprovechar para hacer vapor para la industria o para generar
electricidad.
El inconveniente, sin embargo, es la contaminación.
Producción de biogás
La finalidad es conseguir combustible, principalmente el metano, muy útil para
aplicaciones térmicas para el sector ganadero u agrícola, subministrando electricidad y
calor.
Producción de biocombustibles
Son una alternativa a los combustibles tradicionales del transporte y tienen un grado de
desarrollo desigual en los diferents países. Existen dos tipos de biocombustibles:
Bioetanol: substituye a la gasolina. En el caso del etanol, y en cuanto a la producción de
materia prima, actualmente se obtiene de cultivos tradicionales como el cereal, el maíz y la
remolacha.
Biodiesel: su principal aplicación va dirigida a la substitución del gasoil. En un futuro
servirá para variedades orientadas a favorecer las calidades de producción de energía.
Producción de energía eléctrica
La electricidad se puede producir por combustión o gasificación y se pueden obtener
potencias de hasta 50MW.
¿Qué es una central de biomasa?
Es una instalación industrial diseñada para generar energía eléctrica a partir de recursos
biológicos. Así pues, las centrales de biomasa utilizan fuentes renovables para la
producción de energía eléctrica.
Funcionamiento de una central de biomasa de generación eléctrica
El proceso de funcionamiento de una central eléctrica de biomasa es el siguiente:
En primer lugar, el combustible principal de la instalación y los residuos forestales se
almacenan en la central. Allí se tratan para reducir su tamaño, si fuera necesario.
A continuación, pasa a un edificio de preparación del combustible, donde se clasifica en
función de su tamaño y finalmente se llevan a los correspondientes almacenes.
Seguidamente son conducidos a la caldera para su combustión, eso hace que el agua
de las tuberías de la caldera se convierta en vapor debido al calor.
El agua que circula por las tuberías de la caldera proviene del tanque de alimentación,
donde se precalientamediante el intercambio de calor con los gases de combustión aún
más lentos que salen de la propia caldera.
Del mismo modo que se hace en otras centrales térmicas convencionales, el vapor
generado a la caldera va hacia la turbina de vapor que está unida al generador eléctrico,
donde se produce la energía eléctrica que se transportará a través de las líneas
correspondientes.
El vapor de agua se convierte en líquido en el condensador, y desde aquí es
nuevamente enviado al tanque de alimentación cerrándose así el circuito principal agua-
vapor de la central.
Impacto ambiental de una central de biomasa
La biomasa es la única fuente de energía que aporta un balance de CO 2 favorable,
siempre y cuando la obtención de la biomasa se realice de una forma renovable y
sostenible, de manera que el consumo del recurso se haga más lentamente que la
capacidad de la Tierra para regenerarse. De esta manera, la materia orgánica es capaz de
retener durante su crecimiento más CO 2 del que libera en su combustión, sin
incrementar la concentración de CO 2.
Aunque el potencial energético existente en el planeta sería suficiente para cubrir
todas las necesidades energéticas, esta no se puede utilizar en su totalidad, ya que
exigiría el aprovechamiento a gran escala de los recursos forestales. Esto haría
imposible mantener el consumo por debajo de la capacidad de regeneración, lo cual
reduciría muy considerablemente la energía neta resultante y conduciría a un
agotamiento de dichos recursos a la vez que daría lugar a efectos medioambientales
negativos.
Los efectos producidos serian tales como la deforestación y el aumento notable de
emisiones de CO 2, lo que implicaría una contribución al cambio climático.
Energía nuclear
La idea de que el núcleo de un átomo es inestable si tiene demasiados neutrones se
aplica también a elementos muy grandes como el uranio. El uranio natural contiene
pequeñas cantidades de uranio 235, que es inestable y, por tanto, radiactivo, con lo que
emite partículas alfa. No obstante los descubrimientos efectuados en 1939, demostraron que
si se añade un neutrón más al núcleo de uranio 235, éste se vuelve extremadamente
inestable y se desintegra violentamente. Esta reacción, que se desencadena bombardeando
el uranio 235 con neutrones es la famosa reacción de fisión.
Esta desintegración del uranio 235 provoca la división del núcleo en dos fragmentos
aproximadamente iguales, cada uno de los cuales es un elemento más ligero. Durante la
reacción se libera una gran cantidad de energía y puede producirse un calor muy elevado en
una explosión muy rápida de un gran número de estas reacciones, produciéndose varios
neutrones adicionales. Sí uno de estos neutrones es absorbido por otro núcleo de uranio
235, el proceso de fisión puede continuar como reacción en cadena. De esta forma, una
reacción conduce a otra y este proceso constante de fisión es la clave del funcionamiento de
un reactor nuclear.
El primer reactor nuclear hecho por el hombre empezó a operar en 1942, pero no fue
el primero en la Tierra, puesto que se cree que hace unos 1.700 millones de años, en un
depósito de uranio en África se produjo espontáneamente una reacción de fisión en cadena.
Central nuclear
En una central nuclear, como en una central térmica (carbón, fuel o gas) se transforma la
energía liberada por un combustible, en forma de calor, en energía mecánica, y después en
energía eléctrica; el calor producido permite evaporar agua que acciona una turbina que
lleva acoplado un alternador.
El vapor que alimenta la turbina puede ser producido directamente en el interior de la vasija
del reactor (en los reactores de agua en ebullición) o en un cambiador denominado
generador de vapor (en los reactores de agua a presión).
Partes de una central nuclear
Las principales partes de las centrales nucleares son la misma que en una central
térmica, con la diferencia de que poseen un reactor en vez de un quemador. Además no
poseen chimeneas ya que no expulsan gases a la atmósfera.
- Reactor
Es la parte de la central donde se produce la fisión de los átomos de uranio, radio o
plutonio. Como en este proceso se libera mucho calor se podría considerar al reactor como
el encargado de provocar la evaporación del agua.
- Turbinas
Las turbinas pueden considerarse como la parte mas importante de la central ya que son las
encargadas de mover el generador para producir la electricidad.
Estas turbinas están diseñadas para soportar una temperatura de unos 600º C y una presión
de unos 350 bares.
Las turbinas están formadas por una serie de álabes de distintos tamaños que aprovechan la
presión del vapor de agua para hacer girar la turbina.
- Generador
Es el encargado de producir la electricidad.
- Condensador
Es el encargado de condensar el vapor que se encarga de mover la turbina para que pueda
volver a ser utilizado
- Torres de refrigeración
Se encargan de mantener baja la temperatura del condensador, garantizando el
correcto funcionamiento de la central.El agua que refrigera el condensador es enfriada en
las torres de enfriamiento al entrar en contacto con el aire frío que circula a través de
ellas.Otras partes de la central, también importantes para garantizar un buen
funcionamiento, serían todas las tuberías y bombas que transportan toda el agua a través de
toda la central.
Aquí podemos ver, con un sencillo dibujo, el funcionamiento y las partes de una central
nuclear.
Reactor de fisión:
Reactor Nuclear. Un reactor nuclear es una instalación capaz de iniciar, mantener y
controlar las reacciones de fisión en cadena, con los medios adecuados para extraer el calor
generado. Un reactor nuclear consta de varios elementos, que tienen cada uno un papel
importante en la generación del calor. Estos elementos son:
El combustible, formado por un material fisionable, generalmente un compuesto de
uranio, en el que tienen lugar las reacciones de fisión, y por tanto, es la fuente de
generación del calor.
El moderador, que hace disminuir la velocidad de los neutrones rápidos, llevándolos
a neutrones lentos o térmicos. Este elemento no existe en los reactores denominados
rápidos. Se emplean como materiales moderadores el agua, el grafito y el agua pesada.
El refrigerante, que extrae el calor generado por el combustible del reactor.
Generalmente se usan refrigerantes líquidos, como el agua ligera y el agua pesada, o gases
como el anhídrido carbónico y el helio.
El reflector, que permite reducir el escape de neutrones de la zona del combustible,
y por tanto disponer de más neutrones para la reacción en cadena. Los materiales usados
como reflectores son el agua, el grafito y el agua pesada.
Los elementos de control, que actúan como absorbentes de neutrones, permiten
controlar en todo momento la población de neutrones, y por tanto, la reactividad del
reactor, haciendo que sea crítico durante su funcionamiento, y suscritico durante las
paradas. Los elementos de control tienen formas de barras, aunque también pueden
encontrarse diluido en el refrigerante. El blindaje, que evita el escape de radiación gamma y
de neutrones del reactor. Los materiales usados como blindaje son el hormigón, el agua y el
plomo.
Tipos de Reactores Nucleares
Los reactores nucleares se clasifican, de acuerdo con la velocidad de los neutrones
que producen las reacciones de fisión, en: reactores rápidos y reactores térmicos.
A su vez, los reactores térmicos se clasifican, de acuerdo con el tipo de moderadores
empleado, en: reactores de agua ligera, reactores de agua pesada y reactores de grafito. Con
cada uno de estos reactores está asociado generalmente el tipo de combustible usado, así
como el refrigerante empleado.
Los reactores más empleados en las centrales nucleoeléctricas son:
Reactor de agua a presión (PWR), que emplea agua ligera como moderador y
refrigerante; óxido de uranio enriquecido como combustible. El refrigerante circula a una
presión tal que el agua no alcanza la ebullición, y extrae el calor del reactor, que después
lleva a un intercambiador de calor, donde se genera el vapor que alimenta a la turbina.
Reactor de agua en ebullición (BWR), que emplea elementos similares al anterior, pero
ahora el refrigerante, al trabajar a menor presión, alcanza la temperatura de ebullición al
pasar por el núcleo del reactor, y parte del líquido se transforma en vapor, el cual una vez
separado de aquél y reducido su contenido de humedad, se conduce hacia la turbina sin
necesidad de emplear el generador de vapor.
Reactor de agua pesada (HWR), que emplea agua pesada como moderador. Existen
versiones en las que el refrigerante es agua pesada a presión, o agua pesada en ebullición.
Puede emplear uranio natural o ligeramnte enriquecido como combustible.
Reactor de grafito-gas. Este tipo de reactores usan grafito como moderador y CO2 como
refrigerante. Mientras que los primeros reactores de este tipo emplearon uranio natural en
forma metálica, los actuales denominados avanzados de gas (AGR) utilizan óxido de uranio
enriquecido; y los denominados reactores de alta temperatura (HTGR), usan helio como
refrigerante.
Reactor de agua en ebullición (RBMK), moderado por grafito, desarrollado en la Unión
Soviética, que consiste en un reactor moderado por grafito, con uranio enriquecido, y
refrigerado por agua en ebullición. Este tipo de reactores no se han empleado en Europa
occidental.
Principio de funcionamiento
Circuito primario
El reactor y su circuito de refrigeración están contenidos dentro de un recinto
hermético y estanco, llamado "Contención" consistente en una estructura esférica de acero
de 53 m de diámetro, construida mediante planchas de acero soldadas de 40 mm de espesor
y que se soporta sobre una estructura de hormigón en forma de cáliz que se apoya sobre la
losa de cimentación de 3'5 m de espesor.
La Contención está ubicada en el interior de un segundo edificio, también de
hormigón y cuyas paredes exteriores tienen un espesor de 60 cm, llamado edificio del
Anillo del Reactor. Este tiene forma cilíndrica y está rematado por una cúpula semiesférica,
que sirve de blindaje biológico
El funcionamiento del circuito primario se complementa con la presencia de una serie de
sistemas auxiliares que aseguran el control de volumen, purificación y desgasificación del
refrigerante.
La salida al exterior tanto de la radiación como de productos radiactivos es imposible por
tres barreras físicas, asegurando cada una de ellas, que la hipotética rotura de una barrera
sea soportada por la siguiente.
1ªBarrera:
Las vainas que albergan el combustible.
2ªBarrera:
La propia vasija del reactor integrada en el circuito primario.
3ªBarrera:
El recinto de contención, estructura esférica de acero recubierto de hormigón.TRUYS
Circuito Secundario. La Generación de Electricidad
En el circuito secundario, el vapor producido en los generadores se conduce al
foco frío o condensador, a través de la turbina que transforma la energía térmica
(calor) en energía mecánica. La rotación de los álabes de la turbina acciona
directamente el alternador de la central y produce energía eléctrica.
El vapor de agua que sale de la turbina pasa a estado líquido en el condensador,
retornando, mediante el concurso de las bombas de condensado, al generador de vapor
para reiniciar el ciclo.
Sistema de refrigeración
Mediante un caudal de agua de 44.600 kg/s aportado por un tercer circuito semi-
abierto, denominado "Sistema de Circulación", se realiza la refrigeración del
condensador. Este sistema consta de dos torres de refrigeración de tiro natural, un canal
de recogida del agua y las correspondientes bombas de impulsión para la refrigeración
del condensador y elevación del agua a las torres.
El caudal de agua evaporado por la torre es restituido a partir de la toma de agua en un
azud de un río próximo.
Combustibles nucleares
Este término puede referirse al material por sí mismo o al conjunto que ha sido
elaborado y utilizado finalmente.
El combustible nuclear más utilizado está formado por elementos fisibles como el
Uranio, que genera reacciones en cadena que son controladas en los reactores nucleares
de las centrales nucleares. El isótopo más habitual en este proceso (la fisión) es
el 235U.Hay otro tipo de proceso nuclear que es la fusión. En este proceso el
combustible utilizado son los isótopos ligeros como por ejemplo el tritio o el
deuterio.Hay diferentes tipos de combustibles nucleares que se dividen en combustibles
para reactores de fisión nuclear y combustibles para reactores de fusión.
Los primeros nombrados(combustibles para reactores de fisión nuclear) se dividen de la
siguiente manera:
1 Combustibles a base de óxidos
Dióxido de Uranio(UO2)
Óxidosmixtos(MOX)
2 Combustibles para reactores nucleares de investigación
- Sales fundidas
- Sales acuosas de Uranio.
- Nitraro de uranio.
- Carburo de uranio.
Seguridad
Como cualquier actividad humana, una central nuclear de fisión conlleva riesgos y
beneficios. Los riesgos deben preverse y analizarse para poder ser mitigados. A todos
aquellos sistemas diseñados para eliminar o al menos minimizar esos riesgos se les
llama sistemas de protección y control. En una central nuclear de uso civil se utiliza
una aproximación llamada defensa en profundidad. Esta aproximación sigue un diseño
de múltiples barreras para alcanzar esepropósito. Una primera aproximación a las
distintas barreras utilizadas (cada una de ellas múltiple), de a fuera adentro podría ser:
Autoridad reguladora: es el organismo encargado de velar que el resto de barreras se
encuentren en perfecto funcionamiento. No debe estar vinculado a intereses políticos ni
empresariales, siendo sus decisiones vinculantes.
Normas y procedimientos: todas las actuaciones deben regirse por procedimientos y
normas escritas. Además se debe llevar a cabo un control de calidad y deben estar
supervisadas por la autoridad reguladora.
Primera barrera física (sistemas pasivos): sistemas de protección intrínsecos basados
en las leyes de la física que dificultan la aparición de fallos en el sistema del reactor.
Por ejemplo el uso de sistemas diseñados con reactividad negativa o el uso de edificios
de contención.
Segunda barrera física (sistemas activos): reducción de la frecuencia con la que
pueden suceder los fallos. Se basa en la redundancia, separación o diversidad
de sistemas de seguridad destinados a un mismo fin. Por ejemplo las válvulas de
control que sellan los circuitos.
Tercera barrera física: sistemas que minimizan los efectos debidos a sucesos externos
a la propia central. Como los amortiguadores que impiden una ruptura en caso
de sismo.
Barrera técnica: todas las instalaciones se instalan en ubicaciones consideradas muy
seguras (baja probabilidad de sismo o vulcanismo) y altamente despobladas.
Ventajas e inconvenientes
Ventajas
- Estas centrales producen mucha energía eléctrica
- No contaminan directamente a la atmósfera
- No dependen de los combustibles fósiles
Inconvenientes
- Estas centrales producen residuos tóxicos y radiactivos que pueden causar
enfermedades
- Daña al medio ambiente debido a las partículas radioactivas de los residuos
- El almacenamiento de residuos radioactivos es un gran problema
Nuevas tecnologías de investigación.
Reactor de fusión.
Instalación destinada a la producción de energía mediante la fusión nuclear. Tras
más de 60 años de investigación en este campo, se ha logrado mantener una reacción
controlada, si bien aún no es energéticamente rentable.La mayor dificultad se halla en
soportar la enorme presión y temperatura que requiere una fusión nuclear (que sólo es
posible encontrar de forma natural en el núcleo de una estrella. Además este proceso
requiere una enorme inyección de energía inicial (aunque luego se podría auto
mantener ya que la energía desprendida es mucho mayor). Actualmente existen dos
líneas de investigación, el confinamiento inercial y el confinamiento magnético.
El confinamiento inercial consiste en contener la fusión mediante el empuje de
partículas o de rayos láser proyectados contra una partícula de combustible, que
provocan su ignición instantánea.
