Sistema elèctric

El sistema elèctric de qualsevol país del mon està composat per unes instal·lacions de generació elèctrica, uns conductors pel transport i distribució i al final de tot una seria de consumidors.

La electricitat en el mon actual es un dels pilars bàsics pel desenvolupament de qualsevol societat, l’augment del consum d’electricitat és un indicatiu del creixement que experimenta un país.

Cada part del sistema elèctric disposa d’una sèrie d’elements indispensables. La generació elèctrica té lloc en les centrals elèctriques. Aquí tenim diferents tipus de centrals elèctriques, la major part són hidràuliques i tèrmiques, i dins les tèrmiques tenim les convencionals formades per les de carbó, de fuel, de gas, de cicle combinat i de cogeneració i també tenim les tèrmiques nuclears. En l’actualitat s’estan desenvolupant en força centrals basades en energies renovables fonamentalment les eòliques, les fotovoltaiques o termosolars.

El sistema elèctric no té forma d’emmagatzemà de forma massiva la corrent elèctrica, per tant tota l’energia produïda s’ha de consumir al moment, per tant el sistema ha d’estar dimensionat per fer front a les puntes de consum elèctric que és poden produir, això comporta disposar d’un sistema flexible de gernació d’electricitat. La única forma d’emmagatzemar energia que tenim, amb un bon rendiment o de tenir poques pèrdues, son les centrals hidràuliques reversibles.

Una central elèctrica transforma una energia primària en elèctrica, convencionalment l’energia primària serveix per fer girar una turbina que esta lligada sòlidament a un alternador que al girar genera energia elèctrica. Els alternadors produeixen tensió en mitja tensió, de 6 kV a 30 kV. La generació és genera en corrent alterna (CA) excepte la fotovoltaica i alguns generadors eòlics que ho fa en corrent continua (CC) i tenen una freqüència estendard de 50 Hz a Europa i de 60 Hz a Amèrica. La tensió a la sortida de la central s’eleva mitjançant un transformador per el seu transport.

La xarxa de transport i distribució està formada per línees elèctriques d’alta tensió que enllacen les centrals elèctriques amb els consumidors portant l’energia d’un punt a un altre. La xarxa de transport elèctrica està mallada aconseguint una reducció de pèrdues, la corrent pot circular en qualsevol sentit i en cas de fallada en un punt, sempre que les proteccions elèctriques estiguin ben dimensionades i en bon estat, la corrent elèctrica segueix arribant a la major part dels abonats. Les tensions més habituals en xarxa de transport a Espanya són 400, 220, 132 i 110 kV. En les connexions de diferents línees entre si, els anomenem nus de malles i les interconnexions les realitzem mitjançant subestacions que són plantes on tenim transformadors, elements de control i protecció.

En les subestacions també redueixen tensions a nivells de distribució a mitja tensió, les més comuns són 13,2 kV, 15 kV, 20 kV y 30 kV arribant als 66 kV o a nivells de Baixa Tensió pel consum dels usuaris a 1 kV o 400 kV, això mitjançant transformadors o autotransformadors.

Un cop desglossat la part física del sistema elèctric, desgranarem una mica l’estructura del mercat elèctric espanyol. Tenim cinc actors principals, el govern com a creador de normes, així en la Llei 54/1997 del sector elèctric en teoria el mercat elèctric s’exercirà amb les principis de objectivitat, transparència i lliure competència (no diu lliure mercat), el segon actor seria els generadors d’electricitat, el tercer el que realitzen el transport i el quart seria els distribuïdors o venedors d’electricitat, el cinquè som tot els consumidors.

El mercat elèctric té una estructura oligopolística i en que la lliure competència per ara és un desig que amb sort a la llarga s’aconseguirà.

En la generació d’electricitat tenim quatre o cinc companyies molt grans que dominen la producció d’electricitat a Espanya, són Endesa, E.ON, Iberdrola, Gas Natural Fenosa i HC que representen més del 60% del la potencia instal·lada i més de 70% de la potencia generada segons la informació de les companyies. A Espanya tenim instal·lats a l’any 2013 un total de 102.169 MW segons les dades de Red Eléctrica de Espanya (REE)

http://www.ree.es/es/publicaciones/indicadores-y-datos-estadisticos/series-estadisticas

Segons els mateixos operadors, la potencia instal·lada que tenen és la següent:

                  Endesa: 22.027 MW

                  Iberdrola: 20.048 MW

                  Gas Natural: 15.468 MW

                  E ON: 4.600 MW

                  Hidrocantabrico: 5.235 MW

La gestió del transport és un monopoli que s’encarrega de gestionar REE. La lògica d’aquest monopoli és que duplicar les línees de transport no és productiu, del tot raonable, però la gestió monopolística d’una companyia privada que ha de donar beneficis als seus accionistes va en contraposició d’un sistema de mercat que ofereix els millors preus. Els beneficis sempre han d’augmentar i en un estadi on l’economia creix no hi ha problema, però en una economia depressiva la única forma de pujar els beneficis, és ser més productiu (lligat a la inversió i gestió a mitja i llarg termini) o recórrer a pujades de tarifes que només aprova el govern. Normalment s’estira per la pujada de preus, ja que la inversió i gestió normalment dona resultats a llarg termini.

En la distribució o comercialització d’electricitat tornem a tenir les mateixes 5 companyies que dominen el mercat a Espanya, són Endesa, E.ON, Iberdrola, Gas Natural Fenosa i HC.

La demanda elèctrica va baixar un 3,0 % en el període 2008-2012, amb una demanda total d’uns 251.710 GWh, dels quals segons els mateixos productors Endesa va tenir una producció elèctrica de 74.484 GWh, Gas Natural-Fenosa 55.978 GWh i Iberdrola 54.361 GWh.

El mercat explicat de forma simplificada en una auca seria, uns pescadors que porten a la llotja del peix el seu producte, la llotja cobra per la posada a la venta del peix (transport) i uns compradors que en la majoria de casos són els mateixos pescadors que és compren el peix, per vendre’l a les peixateries. Tot plegat comporta que el preu no el decideix el mercat, el preu el decideix el productor gràcies a la mala legislació del govern al no separar productors i comercialitzadors de forma efectiva. Les companyies generadores i distribuïdores finalistes són dos diferent, Endesa distribución, SL i Endesa Producción, SL, diferents companyies una mateixa matriu. L’altre actor important de l’auca és l’estat amb la normativa i aplicant recàrrecs a la factura de la electricitat, recàrrecs pel tema del carbó, les nuclears o les energies renovables.

Centrals Elèctriques

La central elèctrica són instal·lacions on es transforma una energia primària en energia elèctrica. La classificació de les centrals elèctriques seria:

Centrals Hidroelèctriques

Centrals Témiques

Convencionals

Cicles combinats

Nuclears

Centrals d’energia renovable

Eòliques

Solars

Geotèrmiques

Les Centrals Hidroelèctriques es basen en l’aprofiten de la energia potencial gravitatòria u/o cinètica que té un cert cabal d’aigua per transformar-la mitjançant el moviment provocat pel flux d’aigua en una turbina hidràulica i a l’hora al un alternador lligada al seu eix per produir energia elèctrica. La energia potencial s’aconsegueix creant un desnivell o be mitjançant una presa o un canal. Les centrals hidroelèctriques les classificarem segons l’emplaçament en tres classes, centrals de derivació, centrals d’acumulació i centrals de salt mixt, i també podem fer una classificació pel la forma de funcionament, les convencionals i les de bombeig.

Les centrals d’acumulació el seu funcionament bàsic és una presa que permet acumular o emmagatzema aigua, elevant el nivell de la mateixa. Al augmentar el nivell de l’aigua ens permet disposar d’una augment d’energia potencial degut a l’alçada guanyada amb l’acumulació, l’alçada guanyada és la diferència que tindrem entre el peu de la presa i la quota superior de l’aigua. Al alliberar aquesta aigua, l’energia potencial la convertim en energia cinètica permetent impulsar el conjunt de turbina-alternador creant l’energia elèctrica. En una mateixa central poden existir varis grups de turbina-alternador.

Els elements per fer-ho possible són una presa, que mitjançant una cambra amb comporta protegida per un reixa, regulem el cabal d’aigua que entra a la canonada forçada o de pressió, La reixa serveix per evitar l’entrada de troncs, pedres, fulles d’arbre o porqueria que podrien provocar danys a la turbina. La canonada forçada porta l’aigua a pressió des de l’embassament fins l’entrada de la turbina.

L’aigua a pressió de la canonada forçada va transformant la seva energia potencial en cinètica, al anar perdent alçada i adquirint velocitat. Al arribar a les màquines, actua sobre els àleps de la turbina hidràulica, transformant la seva energia cinètica en energia mecànica de rotació. L’entrada de l’aigua segons el tipus de turbina és fa mitjançant un distribuïdor. L’eix de la turbina està unit al del generador elèctric síncron que, en girar, indueix en l’estator una corrent altern, convertim energia potencial en cinètica, la cinètica en rotatòria la rotatòria en energia elèctrica. El balanç d’energia de la canonada forçada queda descrit per la formula de Bernuilli.

La sortida de l’aigua es realitza mitjançant un difusor donant sortida a l’aigua que té poca velocitat però una gran pressió. L’aigua surt aigües avall de la central.

Les centrals de derivació o salt, consisteixen en desviar l’aigua en un punt de la llera del riu mitjançant un petit embassament, l’aigua circularà per un canal, normalment obert, i amb una mínima pendent per conservar el màxim de l’energia potencial així amb la distància recorreguda pel canal guanyem desnivell respecte la llera del riu. L’aigua la dirigim a una cambra de pressió de la que surt la canonada forçada que porta l’aigua fins al grup o els grups de turbina-alternador, es a dir la central elèctrica. Quan no tenen embassaments per emmagatzemar aigua també és diuen centrals fluents. Aquestes centrals és dona en les parts dels rius on en trams curts perd molta alçada u/o desnivell, com passa als rius en les valls de muntanya. El seu principal inconvenient és que no garanteixen el subministrament elèctric, ja que dependrà del règim hidrològic del moment poc constant en els climes mediterranis. El benefici és que no requereix de grans obres ni hi ha alteració del medi natural.

Les centrals de sal mixt, s’utilitza una presa per embassar l’aigua, que posteriorment la portem fins a una central. La central elèctrica està més o menys allunyada de la presa.
Les aigües són conduïdes mitjançant un canal o canonada de pressió a poca velocitat, gràcies a un lleuger desnivell en ambdós extrems guanyant alçada respecte la llera del riu, fins arribar a un petit dipòsit anomenat cambra de càrrega o de pressió. D’aquí arrancarà la canonada forçada que va a parar a la sala de turbines-alternadors. Posteriorment, l’aigua és retornada riu avall, mitjançant un canal de descàrrega. S’aconsegueixen desnivells més grans que en les centrals anteriors. També tenim una xemeneia d’equilibri o cambra de pressió, a partir de la qual la conducció té un declivi més pronunciat, seria quan passaríem del canal de conducció a la canonada forçada. Aquesta xemeneia d’equilibri és un simple conducte vertical que evita que es perdi energia durant la conducció i amorteix el cop d’ariet. Les avantatges respecte les dues anteriors són que podem emmagatzemar aigua i guanyar el desnivell de la presa, així com guanyar desnivell mitjançant la conducció a pressió. Normalment els desnivells en aquest tipus de central solen ser majors comparats amb els que es troben en els tipus anteriors de centrals.

Les centrals de bombeig o reversibles, tenen dos embassaments situats a diferents quotes d’alçada, permetent el funcionament com una central convencional transformant l’energia potencial de l’aigua en electricitat i té la capacitat de bombejar aigua d’una quota inferior a una quota superior fent guanyar energia potencial a l’aigua mitjançant l’energia elèctrica. Aquest funcionament l’aconseguim fent funcionar les turbines com a bombes o les bombes com a turbines. Les centrals de bombeig permeten aprofitar les hores de menys demanda (hores vall) per bombar l’aigua de l’embassament inferior a l’embassament superior, aprofitament per acumular aigua, i en les hores de major demanda o caiguda de centrals de gran potència (nuclears) turbina l’aigua des de l’embassament superior amb gran alçada de salt, funcionant llavors la màquina elèctrica reversible com alternador. Les centrals hidroelèctriques tenen un temps de posada en funcionament molt petit, i podent posar-se en funcionament a ple rendiment en un temps curt i les de bombeig tenen un rendiment de 70% aproximadament.

El benefici que s’aconsegueix és la diferència entre el preu de l’energia en hores punta i hores vall. La seva utilització per acumular energia pot ser molt interessant per donar suport a centrals que no poden acumular, com les solars o eòliques. Les turbines i les bombes poden ser màquines diferents, però la majoria de cops són reversibles, turbina–alternador quan genera electricitat i bomba-motor quan bombeja l’aigua.

Tenim dos tipus de centrals de bombeig pur i de bombeig mixta. Les de bombeig mixt té dos embassaments que funcionaria com una central hidroelèctrica convencional que té certa potencia de bombeig. Les de bombeig pur l’embassament superior se substitueix per un gran dipòsit l’única aportació d’aigua és la que bomba de l’embassament inferior.

Dins les centrals hidràuliques podem fer una distinció segons la seva potència, per sota d’uns 10 MW sent diu minicentrals hidràuliques, que s’inclouen dins les centrals d’energies renovables.

Temin altres tipus de centrals hidràuliques però per la seva implantació a dia d’avui són marginals o en fase d’implantació de prototipus, són les centrals mareomotrius i les centrals que aprofiten l’energia de les ones, aquestes últimes estan en fases molt inicials.

L’energia mareomotriu és la que resulta d’aprofitar les marees, quan s’eleva la marea s’obren les comportes del dic ingressant l’aigua a l’embassament, movent les turbines-alternadors tipus bulb (semblants a les kaplan però són reversibles). Després quan arriba al seu nivell màxim l’embassament, es tanquen les comportes. Després, quan la marea baixa per sota del nivell de l’embassament aconseguint la seva amplitud màxima entre aquest i el mar s’obren les comportes deixant passar l’aigua per les turbines-alternadors.

L’element bàsic d’una central hidroelèctrica són les turbines hidràuliques, que són les que aprofiten l’energia de l’aigua que passen a traves dels deus àleps per produir moviment de rotació. La utilització d’un tipus de turbina u altre vindrà donada pel rendiment possible en les condicions donades pel salt d’aigua. Distingim tres grans grups de turbines, la Pelton, la Francis i la Kaplan.

Turbina Pelton: no deixa de ser una evolució dels molins d’aigua o roda hidràulica i les utilitzem en salts de poc cabal d’aigua i gran alçada, també és la que té millors característiques per alçades a partir dels 1.500 metres. L’aigua incideixen sobre unes pales en forma de bol, situades a l’exterior del rodet, que impulsen la turbina. L’aigua probe de les canonades de pressió i és fa inserir sobre els bols mitjançant d’una a quatre vàlvules d’agulla o injectors en forma de tovera, podent arribar fins a 6 toveres, que fem servir per augmentar la velocitat del flux d’aigua. El seu rendiment és elevat arribant al 90% funcionant molt be a carreges parcials.

Turbina Francis: es la primera turbina de reacció de flux intern que combina conceptes tant de flux radial com de flux axial. L’aigua és dirigeix cap al rodet mitjançant una carcassa en forma d’espiral i uns àleps aerodinàmics. El rodet de la turbina té una àleps que recullen l’aigua que els hi arriba radialment i desvien aquesta aigua en un angle recte paral·lel a l’eix. La sortida de l’aigua és fa pel tub d’aspiració. En l’entrada al rodet l’energia que tenim és una suma d’energia cinètica i de pressió, convertint aquesta energia en mecànica. La sortida de l’aigua és fa mitjançant el tub d’aspiració que recupera pressió del rodet, ja que dins el rodet baixa per sota de l’atmosfèrica. El rendiments poden està per sobre del 90% quan treballa en carregues de treball altes.

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. 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. Podem mantenir rendiments alts amb variacions del cabal nominal canviant la posició de les pales del rodet . S’utilitza per a petits salts i grans cabals, com els dels embassaments.

Centrals tèrmiques

Les centrals tèrmiques convencionals produeixen electricitat a partir de combustibles fòssils com el carbó, fueloil  o gas natural, mitjançant un cicle termodinàmic d’aigua vapor, diferenciant-les de les centrals nuclears i les de cicle combinat.

L’energia elèctrica la generem a partir de combustibles fòssils, l’energia solar atrapada per la fotosíntesis en el seu moment, és converteix en compostos formats majoritàriament per carboni i hidrogen per la transformació de la matèria orgànica acumulada en sediments del passat geològic. Aquest compostos produeixen una gran quantitat d’energia calorífica al cremar.

Les centrals tèrmiques clàssiques i les nuclears comparteixen el procés bàsic basat en el cicle termodinàmic aigua/vapor. Aquest procés té quatre parts principals:

  1. Generador de calor (pot ser una caldera per cremar carbó, fuel, gas, biogàs, biomassa o residus urbans, o bé un reactor nuclear). En aquest primer pas tenim aigua a pressió que la dirigim cal al generador.
  2. Circuit tancat per on circula el fluid que porta l’energia cinètica necessària (aigua en fase líquida i en fase de vapor). El generador de vapor té una gran superfície de contacte per facilitar la transferència de calor de la caldera. (A les centrals de gas de cicle combinat , el fluid és el propi gas en combustió). L’aigua a pressió l’escalfem fins a tenir temperatures de fins a 550 ºC i pressions a l’entorn dels 150 bar o una mica superiors.
  3. La turbina converteix el vapor «viu» en moviment rotatori mitjançant l’expansió del vapor a alta temperatura i pressió dins de la mateixa. Les rodes de paletes es disposen una per una, amb diferents configuracions, per aprofitar tota l’energia continguda en el vapor a pressió a mesura que s’expandeix i perd força. El generador converteix el gir en corrent elèctric, gràcies al procés d’inducció electromagnètica.
  4. Condensador o circuit de refredament on es converteix el vapor «mort » de baixa densitat en aigua líquida d’alta densitat, apta per a ser convertida de nou en vapor «viu». La calor residual del vapor » mort» es transfereix a un altre mitjà (generalment un riu o un embassament). A la sortida de la turbina el vapor té menys d’1 bar de pressió, un cop condensat, mitjançant una bomba augmentem la pressió de l’aigua novament per començar novament el cicle.

El cicle termodinàmic aigua/vapor també és conegut coma cicle de Rankine, i el procés descrit segueix l’esquema d’aquest cicle. El cicle ha estat millorat al llarg del temps a través de:

  • Disminuir la pressió en el condensador.
  • Augmentar la pressió a la caldera.
  • Emprar vapor sobreescalfat.
  • Emprar reescalfador intermedi.
  • Preescalfar l’aigua d’alimentació.
  • Emprar cicles binaris.

Això a implicat la divisió de la turbina en dos o tres esglaons, un d’alta pressió, un de mitja pressió i un de baixa pressió. Aquesta divisió ens permet reescalfar el vapor quan passa d’un esglaó a un altre. També reescalfem l’aigua d’alimentació de la caldera mitjançant intercanviadors de calor, el calor el traíem la turbina (petites extraccions de vapor d’aigua).

Les principals parts d’una central d’aquest tipus es podria dir que són :

Emmagatzematge del combustible: el combustible el tenim emmagatzemat en dipòsits situats als voltants de la central (carbó o gasoil), el qual entrarà a la caldera per a ser cremat. En el cas de gas natural, normalment no cal emmagatzematge ja que arriba directament del gasoducte. El gasoil l’emmagatzeríem en dipòsits que han de complir una normativa rigorosa ( MI-IP-03) per els seus perills.

Injector del combustible: en el cas de gas, el combustible s’introdueix mitjançant els injectors, aprofitant la pròpia pressió de subministrament. En els combustibles líquids s’utilitzen diversos sistemes per a la seva polvorització, de manera que es creïn microgotes de combustible que faciliten la seva barreja amb l’aire. El tipus més estès és el de polvorització mecànica mitjançant una bomba de combustible moguda conjuntament pel mateix motor del ventilador. Els injectors de carbó, prèviament s’ha de triturar el calor amb molinets fins a convertir-lo en una pols fina, e igual que el gasoil s’introdueix a raig amb aire calent.

Caldera/Cremador: el cremador, que es troba dins de la caldera, essent  l’encarregat de cremar el carbó, el gasoil o el gas natural. Normalment el cremador està dissenyat exprés per cada combustible. A partir d’aquí el procés és quasi el mateix. La caldera és on és produeix l’energia calorífica que es cedeix a l’aigua que circula per milers de tubs anomenats serpentins que densament la recobreixen completament. En els serpentins es transforma l’aigua en vapor

Cendrers: són la part del fons de la caldera on es recullen les escòries que posteriorment seran transportades a una sitja de recollida i emmagatzematge, estan situats a la part inferior de la llar. La seva forma més habitual és la d’un tronc de piràmide rectangular invertit.

Turbines: les turbines estan formades per unes sèrie d’àleps de diferents grandàries que aprofiten la pressió del vapor d’aigua per fer girar la turbina sòlidament acoblada a l’eix del generador per produir l’electricitat. Aquestes turbines poden estar dissenyades per suportar una temperatura d’uns 600 º C i una pressió d’uns 350 bars. En la turbina el vapor s’expandeix fent girar el seu rotor

Generador/Alternador: és la màquina unida sòlidament a l’eix que travessa la turbina, que amb el moviment d’aquest eix provocat per les turbines (energia mecànica), el transforma en elèctrica mitjançant inducció electromagnètica. Les centrals elèctriques transformen l’energia mecànica de l’eix en un corrent elèctric trifàsic i altern, que va al parc elèctric de la central per la seva distribució.

Condensador: és l’encarregat de condensar el vapor que s’encarrega de moure la turbina perquè pugui tornar a ser utilitzat. És un canviador de calor latent que converteix el vapor (en estat gasós) a vapor en estat líquid. El tipus de condensador més emprat en centrals termoelèctriques és el que utilitza aigua com a fluid refrigerant, però quan no disposem d’aigua s’utilitzen aerocondensadors, més car i provoca una pèrdua de rendiment. Condensem el vapor per aprofita el vapor a la sortida de la turbina, tancant el cicle de l’aigua, reduïm la pressió a la sortida per sota de l’atmosfèrica, de manera que el salt de pressió és més gran i per tant el rendiment i la potència de la turbina augmenten.

Xemeneies: les altes xemeneies que es troben a la caldera s’encarreguen d’expulsar a l’atmosfera dels gasos produïts durant la combustió. És posen diferents filtres per evitar que les cendres surtin directament a l’atmosfera. A més tenen una gran alçada per evitar contaminar les zones dels voltants a la central (a més alçada, la dispersió de la contaminació és fa en una àrea major).

Torres de refrigeració: s’encarreguen de refrigerar l’aigua calenta que be del circuit de refrigeració que baixa la temperatura del condensador. L’aigua és refredada a les torres de refredament en entrar en contacte amb l’aire fred que circula a través d’elles. Tenim torres de circulació natural o provocat mecànicament per ventiladors.

Altres: la central té multitud d’altres sistemes que garanteixen el seu bon funcionament, canonades, bombes, ventiladors, el parc elèctric de distribució o centre de control amb tots els dispositius de control situats en tota la central.

L’impacta ambiental d’aquestes centrals han portat una sèrie de millores per mitigar o disminuir els seus perjudicis. Els precipitadors electrostàtics per retenir les partícules sòlides mitjançant la ionització d’aquestes. Per minimitzar l’emissió de gasos sulfurosos o nitrosos s’instal·len equips de dessulfuració i catalitzadors. Tots aquestes mesures dependran del tipus de combustible, no és al mateix el gas, que el gasoil o algun de les diferents classes de carbó.

Algunes centrals tèrmiques poden provocar l’escalfament de les aigües del riu o del mar i utilitzarem sistemes de refrigeració, per refredar l’aigua a temperatures semblants a les normals per al medi ambient.

 

Les centrals de cicle combinat són centrals basades en dos cicles termodinàmics, el cicle Bryton en la turbina de gas i el cicle Rankine en turbina d’aigua/vapor, tenim dos grups de turbines el grup de gas i el grup de vapor.

Tenim dos parts diferenciades, la turbina de vapor convencional que està a la sortida de la turbina de gas sent les parts que composen aquesta les següents:

Compressor: la seva missió és la compressió de l’aire a alta pressió per barrejar-lo dins la cambra de combustió amb el gas.

Cambra de combustió: es barreja el gas natural amb l’aire a pressió, produint la combustió. Els gasos produïts per la combustió surten per impulsar a la turbina a altes temperatures i gran velocitat. La temperatura de sortida està limitada als 1.300 ºC o una mica més  per les limitacions dels materials dels àleps, podent arribar dins la cambra  de combustió a 1.400 ºC. La màxima temperatura dependrà de la quantitat de combustible barrejat amb l’aire.

Turbina de gas: aquí és produeix l’expansió de gasos que provenen de la cambra de combustió. El rendiment de la turbina augmenta amb la temperatura d’entrada dels gasos, tenint normalment tres etapes d’expansió, l’entrada està al voltant de 1.300 º C sortint de la turbina a temperatures superiors als 600 º C. Els àleps transformen l’energia cinètica en energia mecànica de rotació que és transmet a l’eix acoblat a l’alternador

La temperatura de 600ºC és la que fem servir en les centrals convencionals pel cicle vapor/aigua, per tant aprofitant aquesta temperatura és col·loca una cambra de recuperació, que funciona com en les centrals convencionals.

El més normal e habitual és que les dues turbines estiguin acoblades al mateix eix accionant el mateix generador/alternador. El rendiment d’aquestes centrals pot arribar al 60%, mentre que les centrals convencionals no arriben al 40%.

La utilització de gas natural ofereix l’avantatge de menys emissions de CO2 en relació als kWh produïts, això be del poder calorífic del gas natural és major que el totes les classes de carbó però menor que el petroli, tampoc no produeix quasi cendres ni escòries, així com menors emissions de gasos contaminants (SO2, CO2, NOx i CH4) per unitat d’energia produïda.

Poder Calorífic dels diferents tipus de carbó:

 

 

PCI (kJ/kg)

PCS (kJ/kg)

Carbó

Torba

21.300

22.500

 

Lignit

28.400

29.600

 

Hulla

30.600

31.400

 

Antracita

34.300

34.700

Gas Natural

 

39.900

44.000

Petroli

Petroli Brut

40.895

47.970

 

Fuel-oil

40.600

42.695

PCI: Poder Calorífic Inferior

PCS: Poder Calorífic Superior

 

Les Centrals Nuclears és una instal·lació capaç de controlar la fissió nuclear mitjançant el seu reactor nuclear. No és diferencien molt de les centrals tèrmiques convencionals al tenir el mateix cicle d’aigua/vapor o cicle Rankine, la diferència està en la caldera on abans cremàvem combustible per generar calor i vapor ara tenim un reactor nuclear, on utilitzem la fissió dels nuclis d’urani per produir calor i vapor.

L’energia de la fissió nuclear utilitza elements pesants com el U235 o Pu239 per extraure energia mitjançant el trencament dels enllaços interiors que uneixen els àtoms. El nucli d’urani-235 és bombardejat per un neutró provocant el trencament del nucli en dos fragments, fissionant l’àtom. En aquest procés alliberem neutrons i energia, però també raig gamma generalment en forma de fotons, partícules alfa (nuclis d’heli) i partícules beta (electrons i positrons d’alta energia). En tot aquest procés tenim una pèrdua de massa complint l’equació E = mc2, ideada i proposada per Einstein. En aquest procés provoquem una reacció exotèrmica, desprenent energia en forma de calor i també en forma d’energia cinètica. La variació d’entalpia és negativa. Aquesta reacció és produeix en cadena, ja que iniciar el procés requereix de molta energia, però un cop iniciada la reacció en cadena n’obtenim molta més.

Contenidor: serveix per contenir el reactor nuclear, servin per contenir i evitar la fuga a l’exterior de les radiacions produïdes per la fissió nuclear que són les radiacions gamma , les partícules alfa i les partícules beta, així com els neutrons del reactor. Està construït de plom, formigó d’alta densitat i acers entre altres aliatges metàl·lics.

Refrigerants: serveix per absorbir el calor del reactor generat per la fissió nuclear i transportar-lo. Els refrigerants depenen del tipus de central, i els més usuals són l’aigua lleugera, aigua pesada, l’anhídrid carbònic o l’heli. Les característiques que s’han de tenir en compte pel seu us són que tinguin una gran capacitat calorífica, tenir propietats anticorrosives i finalment la disponibilitat i el preu.

Moderador: no existeixen en tots els tipus de reactor nuclears , i la seva funció és disminuir la velocitats del neutrons ràpids generats per la fissió. Com més energia cinètica tingui un neutró menys probable és la fissió amb un àtom, reduint la velocitat aconseguim més reaccions en cadena. Els moderadors més emprats són l’aigua lleugera, l’aigua pesada i el grafit.

Elements de control o barres de control: la seva missió és absorbir neutrons, controlant la quantitat de neutrons i amb aquesta absorció podem controlar la recció de la fissió nuclear. Normalment tenen forma de barres d’aliatge de plata, indi i cadmi que té gran capacitat d’absorció de neutrons, d’hafni o aliatges de bor, el bor i el cadmi són dos elements amb molt potencial d’absorció de neutrons. Pujant les barres de control facilitem la reacció dins el reactor i a l’inrevés disminuïm les reaccions, com a conseqüència del control exercit sobre els neutrons amb els materials absorbents dels mateixos. Amb les barres de control baixades tindríem el reactor en parada segura.

Combustible nuclear: és un element fissionable en capacitat de mantenir una reacció nuclear en cadena. Normalment s’utilitza O235 en forma d’òxid d’urani, on O235 està present en una mica menys de l’1% a la terra, també és pot utilitzar  O233 i Pu239 que són isòtops artificials. El material està en cilindres petits combustible, que s’apilen tots junts formant barres de diversos metres de llarg i recobertes per materials com zirconi o alumini, que absorbeixen pocs neutrons. Han de tenir canalitzacions per on circuli el refrigerant.

La perillositat de les centrals nuclears deriva de la possible pèrdua del control de la fissió nuclear com a passat en alguns cops ja sigui per causes naturals al Japó o per causes humanes a Rússia. I també dels residus nuclears que cal albergar en dipòsits especialitzats . D’altra banda no produeix contaminació atmosfèrica de gasos derivats de la combustió que produeixen l’efecte hivernacle.

 

Les Centrals d’energies renovables inclouen varies formes de transformació de l’energia en corrent elèctrica, i són aquelles que aprofiten en cicle natural de la terra i els seus processos de transformació de l’energia primària solar, per realitzar una conversió d’aquesta energia explotant-la sostingudament al llarg del temps. La única que no s’enquadraria dins la transformació de l’energia primària solar seria l’energia geotèrmica.

L’energia solar és dispersa, poc concentrada, per tant els mètodes per la seva transformació són extensius, es a dir, per obtenir 1 kilowatt d’energia renovable necessitarem molt més espai físic que per obtenir 1 kilowatt d’energies tradicionals. L’altre vector a tenir en compte és la seva variabilitat o aleatorietat en el temps.

Les energies renovables, més habituals al nostre país, per la producció d’energia elèctrica a patir de l’energia primària solar serien l’eòlica, la mini hidràulica i la solar.

N’hi ha d’altres com la geotèrmica, l’emmagatzemada en la biomassa, la mareomotriu i les de les ones, que en l’actualitat no tenen tanta implantació.

 

L’energia eòlica converteix l’energia del vent, cinètica, en energia elèctrica mitjançant la transformació  d’un aerogenerador. Els aerogeneradors són molins de vent dotats normalment de tres aspes/hèlix/pales que provoquen el gir d’un eix multiplicador lligat a una turbina d’eix horitzontal connectada al rotor d’un generador per produir energia elèctrica. Tot i que la majoria són d’eix horitzontal, en tenim d’eix vertical. Les grans turbines solen disposar d’un sensor de vent acoblat a un servomotor per posicionar correctament la turbina.

 Els aerogeneradors s’agrupen en parcs eòlics, concentrant l’energia en els transformadors de sortida de la central.

El vent com a font renovable és fruit de diversos fenòmens com el moviment de rotació de la terra, les diferencies tèrmiques entre masses d’aire o dit d’altre forma el desigual escalfament de l’atmosfera  i el relleu de la superfície terrestre. Els vents més forts i sostinguts els trobarem com mes amunt de la superfície estiguem, i els més lents i desiguals com més a prop del terra ens trobem per causa de la fricció de vent amb el terra.

El grandària de les turbines és important per tenir el màxim rendiment, com més alta és la torre, accedim a vents més sostinguts i forts, però la grandària també va relacionada amb la resistència dels materials, pes e impacte visual. Els avenços tecnològics busquen torres més altes, més llargues i més lleugeres. Els aerogeneradors “offshore” són més grans que els terrestres, GE Energies Renovables ofereix pels primers alternadors de fins 6 MW i pels “onshore” 4,8 MW. Les longitud de les torres determinada per la longitud de les pales poden arribar als 160 metres en l’actualitat.

Les petites turbines, d’uns pocs o uns quants quilowatts, s’utilitzen per telecomunicacions, bombes d’aigua o per habitatges normalment allunyats de la xarxa elèctrica.

El principi de funcionament és senzill, el vent aporta l’energia cinètica que mou unes hèlix subjectes a un rotor. El rotor està connectat a l’eix principal, movent amb l’energia mecànica el rotor per moure un generador de corrent elèctrica. Si al rotor li poses al final una pedra podríem tenir un moli de farina, per tant el funcionament dels molins s’assimila als del Quixot o els molins d’Holanda.

Els aerogeneradors és divideixen en dos grups, d’eix horitzontal i d’eix vertical, els primers amb tres aspes són els més habituals per la construcció de parcs eòlics. En l’actualitat la majoria de parcs eòlics estant situats en terra ferma, però en els propers anys la tecnologia eòlica “offshore” per fer parcs eòlics en grans masses d’aigua creixerà força. Una gran part dels recursos marins es troben en aigües profundes on el desenvolupament de plataformes eòliques flotants encara no és unta tecnologia madura.

Les turbines van equipades amb un fre per evitar els danys que provocaria en elles els vents forts. El rang de velocitat de rotació va d’unes poques rpm (revolucions per minut) fins a 30 rpm, a velocitats més altes mes desgast de les hèlix. Tenim una amplia varietat d’opcions dins una turbina, des de motors de CC a motors de CA, amb caixa de canvis o sense, turbines de velocitat constant o velocitat variable etc… Les turbines convencionals d’eix horitzontal i 3 hèlix disposen dels següents elements com a més importants:

Pales del rotor: dissenyada aerodinàmicament capturen la velocitat cinètica del vent i el transfereixen en forma d’energia mecànica al rotor mitjançant la boixa. Estan fetes de polímers amb un reforç de fibra de vidre o carbono per dotar-les de més resistència.

Boixa: està unida al rotor  i en la majoria de casos té elements mecànics de pas variable per variar l’angle que presenten les hèlix al vent, modulant així la velocitat i acceleració de gir del rotor, que al mateix moment permet controlar la potència entregada. També hi ha de pales de pas fixa.

Gòndola: és l’estructura on està acoblada la boixa i té tots els mecanismes de l’aerogenerador. La gòndola col·locada sobre la torre pot girar mitjançant d’una corona dentada per posar-se encarada al vent.

Eix de baixa velocitat – eix d’alta velocitat: connecta la boixa del rotor a la caixa d’engranatges o caixa de canvis, d’on surt un l’eix d’alta velocitat. En el cas que tinguéssim un motor síncron de dos pols  la velocitat seria 1.500 rpm.

Generador elèctric: podem tenir generadors Síncrons o Asíncrons, connectats de forma directa o indirectament a la xarxa. Els motors síncrons no tenen caixa de canvis.

Controlador elèctric: actualment el molins estan totalment automatitzats mitjançant ordinadors. Aquest controla tots els paràmetres, vent exterior (anemòmetre), orientació de la gòndola i variació de l’angle de les pales, tot per la major optimització de la generació elèctrica.

Sistema de frenat: tenim el mecànic i l’aerodinàmic, el mecànic és el freno d’estacionament un cop s’ha parat l’aerogenerador, i l’aerodinàmic que consisteix en girar les pales del rotor 90º al voltant de l’eix longitudinal. 

Torre: és l’estructura de suport de l’aerogenarador, cònica, d’acer i buida per dins. Pel forat de la torre podem accedir a la gòndola per realitzar el manteniment i reparació, i baixen els cables elèctrics.

En un parcs eòlic, tenim un transformador per injectar l’electricitat a la tensió de xarxa. Com podem veure com mes grans siguin les hèlix més potencia podem obtenir, per tant la capacitat d’un aerogenerador és proporcional a l’àrea capaç de cobrir les hèlix, i l l’energia a sostreure dependrà de la velocitat del vent.

 

L’energia fotovoltaica solar és fonamenta en la conversió dels fotons de la llum solar en electricitat mitjançant un procés fotoelèctric consistent en que els fotons en incidir en determinats materials semiconductors com són el Silici o el Germani creant una carga elèctrica. Aquesta conversió és produeix en la cèl·lula fotovoltaica.

Les cèdules estan fetes de silici cristal·lí, policristal·lí o amorf, però també podem trobar-ne de Germani u d’altres materials. El departament d’Energia del EEUU estima que el 90% dels mòduls venuts són de silici, que és el segon material més abundant a la terra. El grossor és d’uns quants micròmetres de gruix produint un corrent continu d’entre 1 o 2 watts de potència. Per augmentar la tensió o intensitat de les cèl·lules les podem ajunta en sèrie o paral·lel creant un panell fotovoltaic que contactarem a la xarxa mitjançant un inversos CC/CA o un camp fotovoltaic, amb inversors i connectat a xarxa mitjançant un transformador. L’estructura modular per adjuntar cèl·lules permet satisfer necessitats d’una ampli ventall d’energia, petita, mitjana o gran.

El funcionament es basa en la incidència d’un foto d’energia sobre un semiconductor, provocant el salt/arrencada d’un electró creant un buit/forat en el material semiconductor. Aquest electró i  forat  l’obliguem a avançar cap al costat per evitar que recobreixi ell mateix, creant una diferència de potencial i així obtenir un pila/bateria elèctrica. Per produir-se l’efecte fotovoltaic necessitem que el foto tingui una energia més gran que un valor mínim determinat, anomenat banda prohibida Eg, aquest valor mínim denominat “gap” en el cas del silici s’estima en 1,11 eV (electró-volts) i pel Germani 0,66 eV. Com més gran el Eg, més aprofitem l’energia.

Les cèl·lules per crear aquesta diferència de potencia és fan amb unions PN, on la capa de silici dopat N té mes electrons lliures que una capa de silici pur i la capa de silici dopat N te una mitjana d’electrons menor que una capa de silici pur. La capa N té càrregues negatives i la capa P carreges positives creant un camp elèctric en que la corrent va en la direcció de N cap a P, els electrons lliures de la capa N van als forats de la capa P, per tant els buits de la capa N només van cap a la capa P. El funcionament és com el de un díode i per produir el màxim de corrent tenim la banda prohibida dels semiconductors a nivell d’energia dels fotons.

Posant els contactes elèctrics que connectin la capa negativa a la positiva, deixem passar l’electricitat i tenim una font elèctrica. La llum solar incidirà sobre la part N de la unió. La intensitat de la corrent serà proporcional a la llum incident i de la seva qualitat (intensitat i longitud d’ona) i l’eficiència de la cèl·lula l’obtenim de la quantitat d’energia produïda dividida per l’energia de la llum solar.

Les cèl·lules treballen millor amb temperatures baixes, la temperatura elevada provoca canvis en les propietats dels semiconductors augmentant poc la corrent i disminuint més la tensió. Una part de la llum del sol és transforma en calor, si aconseguim reduir l’augment tèrmic millorarem l’eficiència i la vida útil. A les cèl·lules li posarem antireflectants i superfícies texturitzades per disminuir la reflexió.

Les cèl·lules fotovoltaiques estan muntades en un mòduls sobre un suport i marc metàl·lic que els dona resistència mecànica. També una coberta superior i exterior que els proporciona protecció contra els agents ambientals (pols, pluja…) i un aïllament elèctric. I un material encapsulant.

Els panells fotovoltaics poden anar muntats sobre mecanismes de seguiment solar de un o dos eixos o ser estàtics, depenent de la opció el panell ens proporcionarà més energia. Els mecanismes d’un eix solen fer un seguiment del sol d’est a oest i els de dos eixos apuntant directament al sol.