Generación de Energía Eléctrica: Tipos y Funcionamiento

Centrales Térmicas Convencionales

Partes de una Central Térmica Convencional

• Caldera: Aprovecha el calor del combustible para calentar agua (hasta 500 ºC) y generar vapor.
• Turbinas: Aprovechan la fuerza del vapor para girar.
• Generador-Alternador: Conectado a las turbinas, produce corriente eléctrica al girar.
• Transformador: Eleva el voltaje de la corriente para su transporte.
• Condensador: Recoge el vapor de las turbinas y lo enfría para que el agua pueda regresar a la caldera.
• Torre de refrigeración: Enfría el agua utilizada en el condensador. La refrigeración puede ser de circuito abierto (devolviendo el agua al mar, río o lago) o de ciclo cerrado (empleando una torre de refrigeración). El sistema de ciclo abierto genera contaminación térmica en el ecosistema acuático, mientras que en el segundo, el calor se disipa en la atmósfera.

Recorrido del Agua y Optimización del Rendimiento

El agua que se emplea es siempre la misma (salvo adiciones por pequeñas fugas). Está tratada químicamente para evitar problemas de corrosión en las tuberías y en los álabes de las turbinas, cuya fabricación es costosa. Por lo tanto, el agua circula por un circuito cerrado. El rendimiento real de una central térmica ronda entre el 25% y el 35%. Existen varios métodos para aumentar el rendimiento de la central:

• Precalentar el aire de la combustión con los gases de la chimenea.
• Precalentar el agua que entra en la caldera con los gases de la chimenea.
• Aplicar técnicas especiales de combustión.

Reducción de Contaminación y Impacto Ambiental

Para disminuir la contaminación y el impacto ambiental de la combustión, se implementan las siguientes medidas:

• Instalar filtros electrostáticos en las chimeneas para evitar la salida de partículas en suspensión.
• Aplicar técnicas de captura y confinamiento de CO2.
• Tratar el combustible para eliminar el azufre.
• Mejorar las técnicas de control de la combustión para emplear menos aire y producir menos gases derivados del nitrógeno del aire quemado.

Centrales Térmicas de Ciclo Combinado

El proceso de funcionamiento es, en su conjunto, similar al de una central convencional. La diferencia esencial es que este tipo de centrales utiliza gas como combustible y emplea dos ciclos de extracción de energía del gas, lo que aumenta significativamente su rendimiento. En un primer ciclo, el gas es quemado y la presión generada en la combustión se aprovecha para hacer girar una turbina de gas. Posteriormente, estos gases (que aún conservan gran cantidad de calor) pasan por una caldera, generando vapor de agua que se utiliza para mover una turbina de vapor. Tanto la turbina de vapor como la de gas están acopladas al mismo eje del generador para producir electricidad. La ventaja esencial de estas instalaciones es que las emisiones de CO2 por kWh producido son menos de la mitad que las de una central convencional de carbón.

Centrales Nucleares

Las centrales nucleares basan su producción de energía eléctrica en el uranio y plutonio como materiales que se fisionan en los reactores nucleares, generando grandes cantidades de energía que se aprovechan para generar vapor, mover una turbina y, a su vez, el alternador que producirá la energía eléctrica. Estas centrales comparten similitudes con las térmicas convencionales en cuanto a turbinas, condensador, alternador y sistema de refrigeración del agua para el condensador. Las diferencias fundamentales radican en la generación de energía y la gestión de los residuos post-proceso.

Elementos del Reactor Nuclear

• Barras de combustible: Contienen las pastillas de uranio.
• Barras de control: Permiten controlar la radiación y detener la central si fuese necesario.
• Material refrigerante: Generalmente agua a presión.

Medidas de Seguridad y Contención

Para contener la posible radiación, se emplean varias barreras:

• Los tubos donde se contienen las pastillas de uranio, que se introducen posteriormente en el reactor nuclear.
• La vasija del reactor, construida de acero, con un espesor de entre 10 y 15 cm.
• El edificio de contención que alberga el reactor y los intercambiadores de calor, construido de hormigón armado de hasta 1 metro de espesor, y preparado para soportar impactos de aviones, terremotos, etc.

Muchos elementos y máquinas están duplicados, para que si un elemento falla, pueda entrar en funcionamiento un segundo elemento de emergencia. Si no hay fallos, la radiación queda perfectamente confinada dentro de la vasija del reactor.

Gestión de Residuos Radiactivos

Para contener los residuos de las centrales se emplean piscinas en las cuales quedan sumergidos los restos procedentes de la fisión. El agua actúa como material que filtra la radiación e impide su salida al exterior. Permanecen el tiempo necesario en las piscinas para enfriarse parcialmente y, posteriormente, son trasladados a centros especiales de contención de residuos de alta radiactividad.

Situación Actual de la Energía Nuclear

En España tenemos 5 centrales en funcionamiento, con una potencia instalada de 7416 MW, todas construidas entre las décadas de los 70 y 80, y 3 centrales en proceso de desmantelación. En el mundo existen más de 500 centrales nucleares.

Transporte y Distribución de Energía Eléctrica

La energía eléctrica es transportada y distribuida mediante conductores (hilos metálicos) de sección variable, según la capacidad y la importancia de la línea, y en número variable, según el tipo de corriente (continua o alterna, monofásica o trifásica). La energía eléctrica no puede almacenarse fácilmente; por ejemplo, un televisor agota la batería de un coche en 2 horas. Los acumuladores solo solucionan parcialmente el problema, por lo que la energía eléctrica debe producirse en el momento en que se demanda. La producción, el transporte y la distribución de energía eléctrica deben ser flexibles y adaptarse a la demanda. Por ejemplo, los excedentes de energía nuclear o hidráulica fluyente que se producen fuera de las horas punta se almacenan en centrales hidroeléctricas de bombeo.

Pérdidas en el Transporte: Ley de Joule

Las pérdidas de calor en los conductores aumentan con la intensidad de corriente. Según la Ley de Joule: Q = I² × R. Para evitar las pérdidas de energía, se aumenta fuertemente la tensión, disminuyendo la intensidad para conseguir la misma potencia (P = V × I).

Uso Eficiente de la Energía: Ahorro y Sostenibilidad

Energía en la Vivienda

Es mucho más racional y menos contaminante ahorrar energía que asumir los costes de generar nuevas instalaciones.

Medidas de Ahorro Energético en el Hogar

• Evitar despilfarros innecesarios.
• En el consumo por calefacción y aire acondicionado, son muchas las medidas que se pueden tomar. Existe una normativa de obligado cumplimiento sobre aislamiento térmico en edificios, para controlar el aislamiento térmico en las viviendas, con el fin de reducir al mínimo los intercambios térmicos con el exterior, tanto en verano como en invierno. Otras medidas pueden ser:
  • El cierre de puertas y ventanas debe ser hermético; se deben usar persianas adecuadas.
  • Se deben usar ventanas de doble acristalamiento (tipo Climalit).
  • Se debe tener en cuenta la orientación del edificio para conseguir un máximo apantallamiento solar en verano y una máxima insolación en invierno.
  • Se deben aislar convenientemente conductos, tuberías, chimeneas, etc.
  • Se deben instalar sistemas adecuados de regulación tanto de la calefacción como del aire acondicionado.
  • Se deben adaptar las potencias de calderas y aparatos de aire acondicionado a las necesidades de consumo.
  • Se deben realizar mantenimientos preventivos.
  • Es recomendable cerrar los radiadores en habitaciones no utilizadas.
• Uso adecuado de electrodomésticos:
  • Buscar y comprar electrodomésticos de alta eficiencia energética.
  • Usar los electrodomésticos a plena carga.
  • En el frigorífico, controlar su posición para una adecuada ventilación, evitar la formación de escarcha y evitar mantener la puerta abierta.
• Limitar el consumo de electricidad a los usos imprescindibles: Cocinar con gas contamina menos que la producción de la energía equivalente necesaria en una central térmica. Pérdidas: Q gas → electricidad → transporte → Q alimento // Q gas → Q alimento.
• Uso racional de la luz artificial:
  • Apagar las luces no utilizadas.
  • Realizar limpiezas periódicas de las luminarias.
  • Diseñar la iluminación teniendo en cuenta la orientación del edificio para maximizar la luz natural.
  • Utilizar tonos claros que reflejen la luz.
  • Utilizar lámparas de alta eficiencia energética.

Aislamiento Térmico y la Ley de Fourier

La Ley de Fourier nos da la cantidad de calor que pasa a través de un material que separa dos medios a distintas temperaturas. La transmisión por conducción en una sección S es directamente proporcional al gradiente térmico e inversamente proporcional al espesor atravesado. La fórmula es: Q = λ × S × (ΔT / e).

λ es el coeficiente de conductividad térmica por conducción, que varía un poco con la humedad y con la temperatura, pero se usan estos valores si las temperaturas no son extremas.

Capas límite: En los bordes el calor se transmite por convección, no por conducción, pero a efectos de cálculo, se toma como si a cada lado de la pared existiera una capa aislante de aire de 1 mm de espesor.

Energía en el Transporte

El desarrollo de nuestra sociedad ha provocado un aumento significativo de los desplazamientos. Esto conlleva un mayor gasto energético y un incremento de la contaminación. Actualmente, el consumo energético del transporte supera al del sector industrial.

Factores que Condicionan el Consumo Energético

• Tipo de combustible: El consumo varía según el combustible utilizado, así como las emisiones a la atmósfera.
• Motor: Su rendimiento se define por la relación entre la energía aprovechada (potencial) y la introducida en forma de carburante (consumo). La energía no aprovechada se disipa en forma de calor a través de la refrigeración y el escape.
• Cadena cinemática: Conjunto de elementos que transmiten la potencia del motor a las ruedas (caja de cambios, embrague, árbol de transmisión).
• Aerodinámica: Resistencia que opone el aire al paso del vehículo, dependiente de su forma, sección frontal y velocidad.
• Resistencia a la rodadura: Fuerza que debe ejercer un vehículo sobre sus ruedas. A menor presión en los neumáticos, mayor resistencia a la rodadura. Este factor también depende del peso del vehículo.
• Velocidad media: A alta velocidad, el consumo aumenta en función de v², principalmente debido a la resistencia aerodinámica.

Formas de Ahorro en el Transporte

Dado el elevado gasto energético del transporte, es fundamental utilizar el transporte público siempre que sea posible, ya que consume menos energía y contamina menos. Para trayectos cortos, se debe evitar el uso del coche. Al usar el transporte privado, se puede ahorrar combustible, teniendo en cuenta lo siguiente:

• No superar los 100 km/h, ya que el consumo aumenta un 35% al pasar de 100 a 120 km/h.
• Evitar bajar las ventanillas en marcha.
• No utilizar la baca portaequipajes sin carga, ya que aumenta el consumo un 16%.
• Mantener el motor y los neumáticos a punto, con la presión adecuada.
• No mantener el motor al ralentí más de 2 minutos, pues se consume menos al arrancar.

Energía en la Industria

La industria es un sector de gran consumo energético. Generalmente, se buscan sistemas de menor consumo, ya que reducen los costes operativos y aumentan la competitividad de la empresa.

Medidas para Reducir el Consumo Energético Industrial

• Usar iluminación natural siempre que sea posible; controlar la limpieza de los cristales y limpiar las luminarias frecuentemente para aumentar su rendimiento.
• Utilizar maquinaria y equipos con la tecnología más avanzada, ya que suelen presentar consumos más bajos.
• Aprovechar las horas de menor demanda energética, cuando el kilovatio hora es más económico, mediante una programación eficiente de la producción.
• Es crucial evitar la dispersión de la contaminación, lo que reduce los costes de depuración y eliminación de contaminantes.
• Mejorar el aislamiento térmico de los edificios reduce significativamente los costes de calefacción y aire acondicionado.
• Se deben emplear sistemas de cogeneración siempre que sea posible.
• Se deben reciclar los subproductos en la medida de lo posible.