Producción de Energía Eléctrica – 3º ESO NOMBRE:………………………………………………………………….. Introducción 1 CURSO:………... “La energía no se crea ni se destruye sólo se transforma” La energía puede manifestarse de muy diversas formas: Energía mecánica: es la asociada al movimiento Energía térmica o calorífica: relacionada con la temperatura, como calentar agua Energía química: asociada a reacciones químicas, como la combustión de la gasolina en el motor de un coche Energía nuclear: procedente de la desintegración de sustancias reactivas como el uranio Energía lumínica: relacionada con la luz Energía eléctrica: asociada al movimiento de las cargas eléctricas, como por ejemplo, el electrón Con respecto a esta última, se llama electricidad al movimiento ordenado de los electrones por el interior de un cuerpo. Existen dos tipos de corriente eléctrica: La corriente continua (DC). Se produce cuando los electrones se desplazan desde el polo negativo al polo positivo, siempre en la misma dirección y en la misma cantidad. La corriente alterna (AC): Se produce cuando en una corriente eléctrica los electrones cambian muchas veces de sentido a lo largo de su recorrido, a intervalos regulares de tiempo (50 Hz en Europa, esto significa que cambian 100 veces de sentido, 50 van en un sentido y 50 en el otro). Existen varias formas de generar corriente eléctrica: Por fricción. Al frotar dos cuerpos entre sí puede producirse una acumulación de cargas en ellos. Cuando la diferencia de potencial es lo suficientemente alta o el cuerpo se pone en contacto con otro, se produce una descarga eléctrica. Este es el caso de los rayos en días de tormenta o cuando frotamos un bolígrafo contra un suéter de lana y luego lo acercamos a unos trocitos de papel. Mediante reacciones químicas. Cuando se sumergen dos metales diferentes en una disolución apropiada, y dichos metales se conectan mediante un hilo conductor, se producen reacciones químicas entre los metales y la disolución al mismo tiempo que se genera una corriente eléctrica. Este fenómeno es el fundamento de las pilas y las baterías electroquímicas. A partir de la luz. Algunos metales desprenden electrones cuando incide luz sobre ellos. Si estos electrones se hacen circular por un hilo conductor se puede obtener una corriente eléctrica. Este fenómeno, conocido como efecto fotoeléctrico, es el fundamento de las células fotovoltaicas. Por calentamiento. Cuando se calienta una soldadura de dos metales diferentes aparece una pequeña tensión eléctrica. Esta tensión puede aprovecharse para generar y mantener pequeñas corrientes eléctricas. El fenómeno se aprovecha para la fabricación de dispositivos como el termopar, que permite medir las variaciones de temperatura. Por presión. Cuando se estiran o se comprimen ciertos materiales, como los cristales de cuarzo, aparecen pequeñas tensiones eléctricas en sus superficies. Este fenómeno, conocido como piezoelectricidad, sirve para generar pequeñas corrientes y se emplea en dispositivos como el reloj de cuarzo y el micrófono. Por inducción electromagnética. Cuando se mueve un conductor en el interior de un campo magnético, en dicho conductor aparece una corriente eléctrica. Dicha corriente se mantiene mientras el conductor o el imán, o ambos, sigan en movimiento. Este fenómeno es el fundamento de los alternadores eléctricos y las dinamos. Los alternadores y dinamos son dispositivos que tienen dos partes: Una fija y que no se mueve que se llama estátor Otra móvil y que gira dentro del estátor que se llama rotor En condiciones adecuadas, cuando el rotor se mueve dentro del estator se genera electricidad. Página 1 de 6 Producción de Energía Eléctrica – 3º ESO En nuestros días, la forma más importante con diferencia de producir electricidad es mediante la inducción electromagnética así que la mayor parte de las centrales eléctricas que vamos a estudiar se basan en buscar la mejor manera y la más barata de hacer mover el rotor del generador dentro del estátor. Sólo las centrales solar-fotovoltaica se basan en un procedimiento totalmente diferente, el efecto fotovoltaico. 2 Fuentes de energía A los elementos de la naturaleza que pueden suministrar energía se les denomina fuentes de energía. Existen varias formas de clasificar a las fuentes de energía: ⋆ Según su origen las fuentes de energía pueden ser renovables o no renovables: o Son fuentes renovables aquellas que son inagotables o que se renuevan a un ritmo mayor al que se consumen, por ejemplo, el Sol, el agua o el viento. o Son fuentes no renovables aquellas que no se renuevan a corto plazo y, por tanto, se agotan, por ejemplo, el petróleo, el carbón o el uranio. ⋆ Según su utilización las fuentes de energía pueden ser convencionales o alternativas: o Son fuentes convencionales aquellas que proporcionan la mayoría de la energía en los diferentes países o Son fuentes alternativas aquellas cuya utilización está menos extendida si bien cada vez adquieren más importancia En la siguiente tabla se puede ver la clasificación de las centrales eléctricas según el origen y la utilización de la fuente de energía: SEGÚN SU ORIGEN Renovables Hidráulica Solar-térmica Solar-fotovoltaica Eólica Geotérmica Maremotriz Biomasa 3 SEGÚN SU UTILIZACIÓN No renovables Térmicas de combustión Nuclear Convencionales Hidráulica Térmica de combustión Nuclear Alternativas Minihidráulica Solar-térmica Solar-fotovoltaica Eólica Geotérmica Maremotriz Biomasa Fuentes de energía convencionales 3.1 Centrales hidroeléctricas Las centrales hidroeléctricas emplean la fuerza del agua del caer desde una altura para hacer girar turbinas que están conectadas al rotor de generadores eléctricos. Aunque es una energía limpia, la construcción de grandes embalses provoca un grave impacto ambiental, ya que se pierden tierras y se acumula una enorme cantidad de sedimentos en el fondo. Por ello, han adquirido relevancia las llamadas centrales minihidráulicas, que son instalaciones hidroeléctricas de baja potencia que no necesitan grandes embalses y, por tanto, ocasionan un menor impacto ambiental. Estas minicentrales suelen tener dos embalses: uno en la parte superior y otro al final para recoger el agua que ha pasado por las turbinas y reenviarlas al embalse superior para que vuelva a ser utilizada. Página 2 de 6 Producción de Energía Eléctrica – 3º ESO 3.2 Central térmica de combustión Independientemente del tipo de combustible fósil que se utilice (carbón, petróleo, gas…) la producción de energía eléctrica sigue en todos los casos el siguiente esquema: 1. Se genera calor quemando el combustible. Este calor se emplea para calentar agua en una caldera. Esta agua se convierte en vapor a alta presión. 2. Este vapor de agua se dirige hacia unas turbinas para hacerlas girar. 3. Estas turbinas están conectadas a los rotores de unos generadores eléctricos de manera que cuando las turbinas giran por la acción del vapor a alta presión éstas mueven los rotores produciendo la electricidad. 4. Los generadores están conectados a un transformador que convierte la corriente eléctrica en alta tensión para que se distribuya por los tendidos eléctricos hacia los núcleos de consumo. 5. Después de pasar por las turbinas, el vapor de agua se hace pasar por un sistema de refrigeración que la vuelve a convertir en líquida para que se pueda volver a utilizar en el proceso de generación de energía eléctrica. Las centrales térmicas de combustión tienen dos grandes inconvenientes: ▹ La contaminación que producen los gases emitidos a la atmósfera tras la combustión en la caldera. ▹ La utilización de combustibles fósiles ya que éstos son finitos, es decir, que algún día se agotarán y, mientras tanto, su precio no para de subir. 3.3 Central nuclear Una central eléctrica nuclear es una instalación en la que la energía necesaria para mover el rotor del generador, y por tanto obtener la energía eléctrica, se obtiene a partir del vapor formado al hervir el agua en un reactor nuclear. El calor que produce este vapor se obtiene a partir de unas reacciones nucleares llamadas fisión nuclear. La fisión nuclear consiste en romper los núcleos de algunos átomos como el uranio lográndose, por un lado, una gran cantidad de calor y, por otro, átomos más pequeños. Página 3 de 6 Producción de Energía Eléctrica – 3º ESO Una central nuclear consta de tres partes: El reactor. Es el edificio en forma de cúpula en el que tiene lugar la reacción de fisión y donde se transmite el calor desprendido en ella a un caudal de agua para convertirla en vapor de agua a alta presión. El generador. En el que el vapor producido se hace pasar a través de las turbinas. El giro de los álabes de la turbina hace girar el rotor del alternador al que está conectada generándose la corriente eléctrica. El circuito de refrigeración. Se encarga de enfriar el vapor de agua para reutilizarla La principal ventaja de estas centrales es que son muy eficientes, es decir, proporcionan mucha energía con poco combustible, o sea, que la electricidad conseguida con ellas es bastante barata, pero tienen dos graves e importantes inconvenientes: Son muy peligrosas: En caso de algún fallo las consecuencias para la vida pueden ser catastróficas en un área muy grande alrededor de la central: muertes, enfermedades, malformaciones, etc. Generan residuos radiactivos que siguen siendo muy peligrosos durante muchísimos años. 4 Fuentes de energía alternativas 4.1 La energía eólica La energía eólica es proporciona la fuerza del viento. la que En la actualidad, la energía eólica se utiliza para producir electricidad mediante aerogeneradores, aislados para uso particular o agrupado en parques eólicos con fines comerciales. Los parques eólicos disponen de centros de control que regulan el funcionamiento y orientación de los aerogeneradores en función del viento y controlan el suministro de energía eléctrica a la red general. Estos centros pueden estar en el propio parque o a muchos kilómetros de él. Los aerogeneradores son máquinas dotadas de paletas que, al ser impulsadas por el viento, producen un movimiento circular. Este movimiento se multiplica mediante sistemas de engranajes que lo transmiten al rotor de un alternador que se encarga de producir la corriente eléctrica. Finalmente esta corriente eléctrica se envía a un transformador que la convierte en alta tensión antes de ser enviada a través del tendido eléctrico a los núcleos industriales y de población. Los aerogeneradores o las turbinas eólicas se clasifican, según la posición del eje del rotor en: Sistemas de eje horizontal. Son los más empleados, peto tiene el inconveniente de que hay que orientarlos al viento. Para orientarlos se emplean timones o motores dirigidos por sistemas informáticos. Sistemas de eje vertical. No necesitan ser orientados al viento y permiten instalar el generador eléctrico en tierra, pero su producción de energía es menor y necesitan un motor para la puesta en marcha del aerogenerador. Página 4 de 6 Producción de Energía Eléctrica – 3º ESO 4.2 Energía Solar La energía solar procede de las radiaciones del Sol que llegan a la Tierra. El Sol calienta la atmósfera y hace posible la vida. Proporciona dos tipos diferentes de energía: Calor, es decir, energía térmica Luz, es decir, energía fotovoltaica 4.2.1 La energía solar-térmica Los sistemas de aprovechamiento activo de la energía solar-térmica se clasifican en: Sistemas de baja temperatura: Utilizan paneles solares planos que llevan en su interior una placa metálica de color negro mate para absorber la máxima radiación solar. Esta placa está atravesada por tubos en cuyo interior circula agua. La parte superior del panel está cubierta por un cristal o plástico transparente para producir efecto invernadero y evitar las pérdidas de calor. Estos sistemas alcanzan temperaturas entre 35º C y 60º C y se aplican en la calefacción de viviendas, suministro de agua caliente sanitaria, climatización de invernaderos, piscinas, etc. pero no para producir electricidad. Sistemas de media temperatura: En estos sistemas, los colectores son espejos curvos parabólicos que reflejan la radiación solar y la concentran en un receptor que contiene un fluido que se calienta. Los colectores pueden estar dotados de dispositivos que los orientan constantemente hacia el Sol. Estas instalaciones alcanzan los 300º C y se dedican a la producción de vapor para generar energía eléctrica. Sistemas de alta temperatura: Estos sistemas permiten alcanzar temperaturas superiores a los 2000º C y pueden ser: o o o 4.2.2 De grandes espejos parabólicos que concentran la radiación solar. De centrales de torre instaladas en un campo de espejos llamados helióstatos que reflejan los rayos del Sol sobre una caldera situada encima de una torre central. De hornos solares constituidos por un gran espejo parabólico que recoge la radiación solar que reflejan otros espejos y la concentra en un punto en el que se puede llegar a una temperatura de 4000º C. La energía solar-fotovoltaica La energía solar-fotovoltaica se basa en el efecto fotovoltaico que se produce cuando la luz solar incide sobre materiales semiconductores, como por ejemplo, el silicio, generando un flujo de electrones en su interior y, en condiciones adecuadas, una corriente eléctrica. Para transformar la energía solar en electricidad se utilizan las células fotovoltaicas, formadas por dos capas de silicio con diferente concentración de electrones. Cuando la célula recibe la radiación solar se genera una pequeña corriente eléctrica, que se puede extraer situando en cada cara de la célula unos contactos metálicos. Como la tensión producida es muy pequeña, se han de conectar varias células en serie para obtener una tensión aceptable. Comercialmente se construyen módulos o paneles fotovoltaicos de 36 células, que proporcionan una tensión máxima de 18 voltios. El excedente de energía producida se puede volcar en la red eléctrica general y las compañías eléctricas están obligadas a pagarla, con lo que estas instalaciones proporcionan al usuario ingresos extras. Página 5 de 6 Producción de Energía Eléctrica – 3º ESO 4.3 Energía maremotriz La energía maremotriz es la que se obtiene de los océanos Existen tres modos diferentes de aprovechar la energía maremotriz basándose en la fuerza de las mareas y en el movimiento de las olas Las mareas se producen debido a las fuerzas gravitatorias que ejercen el Sol y la Luna sobre las aguas marinas. Estas fuerzas hacen subir y bajar el nivel del agua durante la marea alta y la marea baja respectivamente. Este movimiento de subida y bajada de las aguas se aprovecha para impulsar turbinas colocadas en conductos situados en el interior de una barrera que cierra la entrada de una bahía o estuario de la siguiente manera: Durante la marea alta o pleamar, el agua entra en la bahía, mueve las hélices de las turbinas haciendo girar el rotor del alternador. Durante la marea baja o bajamar, el agua sale de la bahía por los mismos conductos y hace girar nuevamente las hélices de las turbinas con lo que se sigue produciendo electricidad. El aprovechamiento de las olas se encuentra en estudio y experimentación. Se han hecho varios diseños basados en flotadores, boyas, etc. Pero los rendimientos que se han obtenido han sido bajos. 4.4 Energía geotérmica La energía geotérmica es la que proporciona el calor interno de la Tierra. Esta energía se manifiesta en fenómenos naturales como los volcanes, los géiseres o las aguas termales. Por debajo de los 150º C no es posible aprovechar el agua para producir electricidad con un rendimiento aceptable; por ello, la energía geotérmica obtenida con estas aguas se emplea en sistemas de calefacción de viviendas individuales, en grupos de viviendas, en industrias o en invernaderos. Otro modo de obtener este tipo de energía es realizando perforaciones de varios kilómetros de profundidad hasta alcanzar una cavidad natural donde la temperatura de las rocas sea muy elevada. A través de una tubería se envía a esta cavidad agua a presión que, al entrar en contacto con las rocas calientes, se convierte en vapor, que sube por una segunda tubería que lo conduce hasta la turbina de un generador. 4.5 Energía de la Biomasa La biomasa energética es el conjunto de materia orgánica de origen vegetal o animal susceptible de ser utilizada para producir energía. La parte de la biomasa que se aprovecha para usos energéticos corresponde a residuos agrícolas, forestales, ganaderos y cultivos energéticos. La conversión de la biomasa en combustible se puede hacer mediante: Métodos bioquímicos. Se basan en la fermentación del azúcar de las plantas para obtener alcohol y en la fermentación de las basuras y de las aguas residuales para obtener biogás. Métodos termoquímicos. Someten biomasa a diversas transformaciones en condiciones determinadas de presión y temperatura, para obtener combustibles sólidos, líquidos o gaseosos. Los procesos más empleados son la combustión, la gasificación y la pirólisis. Página 6 de 6