PRODUCCIÓ I DISTRIBUCIÓ D'ENERGIA

Centrals elèctriques productores d'energia

Les centrals elèctriques són les instal·lacions productores d'energia elèctrica, on hi ha un conjunt de màquines motrius i aparells que s'utilitzen per generar energia elèctrica.

A Espanya trobem 9 centrals nuclear, 182 termoelèctriques convencionals i altres tipus de generació d'energia. La central elèctrica amb més potència és la d'Ascó I i II (Tarragona), es nuclear i produeix una potència de 1860 MW.

Producció, transport i consum d'energia

L'element principal de qualsevol central generadora d'energia (excepte les centrals fotovoltaiques) és el generador elèctric o alternador, que transforma l'energia mecànica en elèctrica.

Per transportar l'energia elèctrica des de les centrals fins als centres de consum s'utilitza la xarxa elèctrica, que consta de línies elèctriques de transport, estacions transformadores i línies de distribució.

El principal inconvenient de l'energia elèctrica que es produeix a les centrals és que no es pot emmagatzemar.

Tipus de centrals

• Centrals de base o centrals principals: Estan destinades a subministrar energia elèctrica de manera contínua.

• Centrals de punta: Projectades per cobrir demandes d'energia a les hores punta.

• Centrals de reserva: El seu objectiu és substituir total o parcialment la producció d'una central de base, en cas d'avaria.

• Centrals de bombeig: Son centrals hidroelèctriques que aprofiten l'energia sobrant en les hores de vall, per bombejar aigua al embassament superior i a les hores punta l'aprofiten per donar energia a la xarxa.

Centrals hidroelèctriques

Les centrals hidroelèctriques es basen en l'aprofitament de l'energia de l'aigua que transporten els rius per convertir-la en energia elèctrica, utilitzant turbines acoblades als alternadors

Transformacions d'energia que es realitza en les centrals hidroelèctriques:

Embassament Canonades Turbina Alternador

• Centrals d'aigua fluent: es construeixen a llocs en què l'energia hidràulica disponible pot utilitzar-se directament per accionar les turbines. Són centrals de poc rendiment.

• Centrals d'aigua embassada: S'acumula l'aigua en un pantà, que aprofita la central segons les seves necessitats d'energia elèctrics. I depenent de la disposició ortogràfica hi ha dos models:

• Centrals de derivació: consisteix a desviar les aigües del riu per mitjà d'una petita presa cap a un canal, amb el mínim desnivell possible. En un punt adequat es construeix un petit dipòsit anomenat cambra de càrrega o de pressió que és la que alimenta una canonada forçada, que es la que condueix l'aigua fins a la turbina situada molt per sota del nivell del canal i després de la turbina es retornada al riu amb un canal de descàrrega.

• Centrals d'acumulació: es construeix la presa en un tram del riu on hi ha un desnivell i que produeix un embassament. I contra més altura tingui l'aigua, tindrà més energia potencial. A mitjana alçada es troba la sortida d'aigua emmagatzemada, ja que aquesta aigua alimentarà les turbines situades al peu de la presa.

Components d'una central hidroelèctrica

La presa

És una construcció de formigó que s'aixeca sobre la llera del riu i perpendicular a la seva direcció, amb l'objectiu de retenir l'aigua per elevar el seu nivell i formar un embassament. Es poden classificar en dos tipus:

• Presa de gravetat: La força de l'aigua emmagatzemada és contrarestada amb el mateix pes de la presa. I necessita gran quantitat de material.

Perfil de presa de gravetat Perfil de presa de contraforts

• Presa de volta o d'arc senzill: La planta de la presa forma un arc que ha d'estar fortament encarat a les parets laterals del riu, on transmet les forces que provoquen la contenció de l'aigua. Es necessita menys material per construir-la.

Perfil de pres de volta

Els conductes d'aigua

Són les comportes que tenen les empreses per regular el cabal que alimenta les turbines, i estan protegides per unes reixes per a que no entrin branques, troncs, etc. que les poden deteriorar.

Les preses també regulen el cabal de l'aigua hi existeixen sobreeixidors i a peu de presa trobem els esmorteïdors de l'energia adquirida per l'aigua quan cau. I els desaigües serveixen per buidar la presa sense necessitat d'haver de passar per les turbines.

La sala de màquines

És on es troben els grups turboalternadors. Depenen de l'altura de salt i del cabal s'utilitzen varis tipus de turbines:

• Turbines Pelton: en salts de gran altura i cabal regular.

• Turbines Francis: en salts intermedis i cabal variable.

• Turbines Kaplan: en salts de poca altura i cabal molt variable.

Transformadors i parc de distribució

Els transformadors eleven el corrent elèctric obtingut en els alternadors a un valor adequat per al seu transport per evitar pèrdues. En el parc de distribució, la central es connecta a la xarxa de transport.

Moltes centrals estan interconectades per la xarxa de transport i han d'estar molt sincronitzades en la producció d'energia. I així si s'avaria una central la substitueix l'altra.

Funcionament d'una central hidroelèctrica

Aigua

Centrals de bombeig o reversibles

Racionalitzen la producció d'energia elèctrica a la demanda existent. Consumeixen els excedents d'energia a les hores vall i subministren energia al sistema a les hores punta.

Per bombejar l'aigua disposen de grups motobomba o de grups turbina-alternador, que poden funcionar com alternador o motobomba.

Hi ha dos tipus de centrals de bombeig:

Centrals de bombeig pur

R

S

T

Riu

Centrals de bombeig mixt

Riu

R

S

T

Riu

Minicentrals hidroelèctriques

Són centrals d'una potència entre 250 i 5000 kW, i subministren energia a petits nuclis rurals i fàbriques situades al costat del riu.

Les centrals hidroelèctriques i el medi ambient

Avantatges

• No emeten partícules contaminats a l'atmosfera i no generen residus directes. Es creu que cada kWh produït evita l'emissió a l'atmosfera d'1kg de diòxid de carboni (CO2), 7 g de òxid de sofre (Sox) i 3 g de òxids de nitrogen (NOx).

• Eviten inundacions i també assegura un cabal mínim en cas de sequera; l'aigua es pot aprofitar per regar o proveir el consum de les poblacions.

Inconvenients

• Pèrdua de terrenys fèrtils i poblacions en ser cobertes per les aigües.

• Alteració del cabal dels rius i problemes d'erosió.

• Modificació de la vegetació i la fauna de la zona.

• Possible acumulació de matèria orgànica provocada pels vessaments d'aigües residuals, amb la finalitat d'emetre gas metà a l'atmosfera.

• La construcció de grans embassaments pot variar el clima, i comporta una greu modificació en l'ecosistema.

Centrals tèrmiques convencionals

A les centrals tèrmiques convencionals es genera energia elèctrica a partir de l'energia tèrmica produïda per la combustió de carbó, fuel o gas natural.

S'anomenen convencionals per diferenciar-les de les altres centrals que fan en energia mitjançant turbines de vapor, però empren una altra font d'energia com pot ser la nuclear, solar, etc.

Transformacions d'energia que hi ha a les centrals tèrmiques convencionals.

Combustible Caldera Vapor Turbina Alternador

Components i funcionament d'una centrals tèrmica

Components

- Emmagatzematge del combustible: Si el combustible és carbó té un recinte per guardar-lo i amb provisions de sobres. Si és gas es fan unes canalitzacions directes. O bé si es fuel s'emmagatzema en grans dipòsits que tenen reserves.

- La caldera: el tipus de caldera més utilitzat és la de radiació ja que transmet la calor per radiació

- Reescalfadors: són les parts de la caldera destinats a eliminar les petites gotes d'aigua del vapor, per convertir-lo en vapor sec.

- Economitzadors i preescalfadors: aprofiten el calor residual dels gasos emesos per fer un escalfament previ a l'aigua que alimenta la caldera, i també a l'aire que hi entra en la combustió.

- Turbines: són màquines que transformen l'energia cinètica del vapor en energia cinètica rotatòria. Estan formades per tres etapes: alta, mitja i baixa pressió.

- Condensador: Refreda el vapor que prové de les turbines, abans d'entrar a la caldera.

- Torre de refrigeració: Refrigera l'aigua refrigerant del condensador. Els circuits poden ser oberts o tancats, en els tancats és imprescindible refredar l'aigua per tornar-la a utilitzar. En els oberts es refreda l'aigua que ha de tornar al riu per a que no afecti la fauna.

- Xemeneia: Evacua els gasos de la combustió.

- Equip elèctric principal: Està format per l'alternador, els transformadors i el parc de distribució.

- Sala de tractament de l'aigua d'alimentació: Són instal·lacions de tractament de les aigües, que, amb addició de substàncies químiques, contraresten les sals que conté l'aigua i eviten els fangs i les incrustacions.

Les centrals termoelèctriques i el medi ambient

Contaminació atmosfèrica

Els combustibles fòssils comporten la producció de CO2 i vapor d'aigua, causants de l'efecte hivernacle. La mala combustió originen emissions de SOx i NOx, causants de la pluja àcida. Aquests òxids, juntament amb l'emissió d'hidrocarburs, partícules sòlides i metalls pesants, desencadenen les boires fotoquímiques.

El carbó és el més contaminant.

La contaminació tèrmica de les aigües es soluciona amb l'utilització de les torres de refrigeració.

Contaminació acústica

Són els sorolls que emeten els ventiladors forçats, les vàlvules de purga, etc. I s'eviten aïllant els elements més sorollosos i construint pantalles acústiques.

Noves tecnologies

• Sistemes de dessufuració dels combustibles

• Gasificació del carbó. Són recursos que s'obté el carbó en forma de gas i es menys contaminant.

• Combustió en llit fluid. És crema el carbó a menys temperatura, ja que permet que la majoria de contaminants romanguin amb els residus de la combustió i no s'emetin a l'atmosfera.

• Centrals de cicle combinat.

Centrals de cogeneració

Cogeneració és la producció simultània d'energia elèctrica i tèrmica en el mateix lloc de consum.

A causa de l'expansió del gas natural s'implantes les noves tecnologies de cogeneració que fan servir mòduls de cogeneració que treballen en paral·lel, ja que permet flexibilitzar la producció a les necessitats energètiques del moment.

Els mòduls de cogeneració estan formats per la màquina motriu i l'alternador. Els tipus més utilitzats son:

• Turbines de gas. Es fan servir per a potències elevades. Els mòduls són d'1 MW fins a 2 MW.

• Motors de cicle diesel. Els mòduls són de 70 kW fins a 2 MW.

Funcionament d'una central de cogeneració

Fums

Combustible

Cremador auxiliar

Centrals nuclears

L'any 1942 l'equip físic italià de la Universitat de Chicago, Enrico Fermi, construí el primer reactor de fissió nuclear. La primera central nuclear entrà en funcionament l'any 1954 a la Unió Soviètica. A España la primera central nuclear entrà en funcionament l'any 1969 a Zorita.

Una central nuclear és una central termoelèctrica en què la font d'energia tèrmica s'obté de la fissió dels àtoms d'urani i de plutoni.

Transformacions d'energia en una central nuclear:

Combustible Reactor Vapor Turbina Alternador

Reactor nuclear i parts del reactor

El reactor és el sistema que permet de produir i controlar reaccions en cadena sostingudes.

Parts del reactor

• Vas del reactor: forma el nucli del reactor i està format per un recipient d'acer pur, que conté dos elements: una font de neutrons (inicien la reacció en cadena) i el combustible nuclear (materials fèrtils i fissionables).

• Moderador: redueix la velocitat dels neutrons emesos en les reaccions de fissió. Utilitzen com a moderadors l'aigua, l'aigua pesant i el grafit.

• Barres de control: estan formades per materials que absorbeixen neutrons. Tenen la missió de regular el nombre de fissions que es produeixen a l'interior del nucli per unitat de temps. Estan fabricades amb aleacions de bor, cadmi i hafni.

• Refrigerant: refrigera el reactor evitant el sobreescalfament i transporta la calor generada en el nucli, directament o a través d'un circuit secundari, al grup turbina alternador.

Principals tipus de centrals nuclears

Centrals amb reactor d'aigua a pressió (PWR)

Centrals amb reactor d'aigua en ebullició (BWR)

La principal diferència amb els reactors PWR és que només utilitzen un circuit de refrigeració.

Centrals amb reactor d'aigua d'ebullició

El reactor no utilitza moderador. El refrigerant ha de ser molt eficaç i s'utilitza el sodi líquid. S'anomenen reactors reproductors, ja que en teoria s'obté més combustible del que es gasta. Es poden obtenir rendiments fins a 60 vegades superiors als dels reactors tèrmics.

Els reactors reproductors acostumen a tenir un circuit primari de refrigeració, un circuit secundari també de sodi líquid i un circuit terciari en què s'obté el vapor d'aigua per accionar el grup turbina-alternador.

Equipament d'una central nuclear

• Edifici de contenció: conté el reactor i el conjunt d'elements del circuit primari.

• Edifici de turbines: Allotja el grup turbina alternador, els reescalfadors i els condensadors de vapor i els preescalfadors de l'aigua d'alimentació.

• Edifici del combustible: S'utilitza per a l'emmagatzematge dels combustible de recàrrega del reactor i del combustible ja utilitzat en espera de ser enviat a reprocessar. El combustible es desa en piscines de formigó folrades amb xapa d'acer.

• Edifici de control: Allotja la sala de control.

• Edifici auxiliar: Disposa de components dels sistemes auxiliars i de seguretat, així com els sistemes de tractament de residus radioactius de baixa activitat, l'equip de filtratge i d'aire condicionat propi i de l'edifici de contenció.

Les centrals nuclears i el medi ambient. Sistemes de seguretat

Els principals problemes de la contaminació radioactiva són les emissions i la gestió dels residus. I es necessita una màxima seguretat tant en els disseny, la construcció i l'explotació de les centrals nuclears.

La seguretat màxima implica que els sistemes de control estiguin duplicats i que existeixin diferents barreres que impedeixin les fuites radioactives a l'exterior.

Distribució de l'energia

El transport a gran distància del corrent altern, s'ha de realitzar a unes tensions de 110 kV fins a 400 kV, per disminuir les pèrdues d'energia i augmentar la capacitat de transport de les línies.

3 · ρ · L · I2

P = 3 · RL · I2 =

s

p = potència perduda en els tres conductors per efecte joules, en W.

RL = resistència d'un conductor de la línia en Ω.

I = intensitat de la línia en A.

L = longitud de la línia en m.

s = secció de la línia en mm2.

Ρ = resitivitat del conductor en Ω mm2/m.

Circuit trifàsic

P

I =

√3 · V · cosφ

Línies elèctriques

• Aèries. Els conductors es mantenen a una certa alçada del terra, amb l'ajut d'aïlladors i de suports apropiats a la tensió de la línia. Els conductor són alumini, amb una làmina d'acer; o coure. Són molt econòmiques.

• Subterrànies. Els conductors van enterrats a terra directament o dintre de canalitzacions. Són de coure i d'alumini i han d'estar aïllats. Tenen un elevat preu d'instal·lació.

Estacions elèctriques

Són instal·lacions destinades a la transformació i/o disminució d'energia elèctrica i a la connexió entre dues o més línies.

Segons la seva funció poden ser:

• Estacions transformadores primàries (ET I). Eleven la tensió de l'energia elèctric produïda en la central a 110 o 400 kV.

• Estacions d'interconnexió. Asseguren la unió entre diferents línies de transport.

• Estacions receptores o estacions transformadores secundàries (ET II). Redueixen la tensió entre 6 i 66 kV .

• Casetes transformadores o estacions transformadores terciàries (ET III). Redueixen la tensió a 220 V i 380 V per distribuir l'energia als centres de consum.

• Estacions distribuïdores. Interconnecten les ET II.

Estructura del sistema elèctric

LDP

ET I

LT

ET LT ET II ET III

LT LT

400kV/66kV 66kV

LT

66kV

Subsistema Subsistema

De producció de transport Subsistema de distribució

49

Transformadors

Generador

Turbines

Cambra de pressió

Canonada forçada

Canal de derivació

Par de distribució

Central

Canal de descàrrega

Presa

Utilització

Energia

elèctrica

Energia cinètica de rotació

Energia

cinètica

Energia

potencial

Línies de transport

Aigua

Presa

Canonades forçades

Reixes filtradores

Eix de turbina

Riu

Embassament

superior

Turbina

bomba

Embassament

inferior

Alternador

bomba

Transformador

Transformador

Alternador

bomba

Embassament

inferior

Turbina

bomba

Embassament

superior

Utilització

Energia

elèctrica

Energia

cinètica

Energia

tèrmica

Energia

química

Energia cinètica de rotació

G

G

Caldera de

recuperació

de calor

Combustible

Generador

Aire

Turbina de vapor

Compressor Turbina de gas Condensador

Generador

Caldera

Turbina

Generador

Dipòsit d'aigua calenta

Radiador

Condensador

Energia cinètica de rotació

Utilització

Energia

elèctrica

Energia

cinètica

Energia

nuclear

Energia

tèrmica

A la torre de refrigeració

Condensador

Línies de transport

Transformador

Generador

Edifici de contenció

Barres de Intercambiador

contenció

Turbina

Vapor

Aigua

Bomba

Bomba

Aigua calenta 170 at

A la torre de refrigeració

Condensador

Línies de transport

Transformador

Generador

Reactor Vapor

Turbina

Aigua

Bomba

Bomba

Barres de

control

C. nuclear

C. hidroelèctrica

C. tèrmica

20kV

6kV

20kV

1

2

3

4

5

6

7

8