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Energía y su Transformación

10 febrero, 2011

Las energías renovables se caracterizan porque, una vez utilizadas, tienen la capacidad de en condiciones normales, regenerarse de forma continua posibilitando que el proceso de producción pueda reiniciarse constantemente. Son energías poco contaminantes, por ello, desde el punto de vista medio ambiental, el desarrollo equilibrado de estas formas de energía presenta un alto interés ecológico y social.

1-      FUENTES DE ENERGIAS / TIPOS* VENTAJAS E INCONVENIENTES.

2-      ENERGIAS RENOVABLES

3-      CENTRALES ELECTRICAS

4-      TRANSPORTE DE LA CORRIENTE ELECTRICA

5-      DISTRIBUCION DE LA ENERGIA ELECTRICA / INSTALACIONES ELECTRICAS DE ENLACE.

1 – FUENTES DE ENERGIAS / TIPOS* VENTAJAS E INCONVENIENTES.

En primer lugar, las clasificaremos en dos grandes grupos, energías renovables y energías no renovables. De ambas efectuaremos un breve análisis de sus ventajas e inconvenientes, posteriormente describiremos algunas  de las energías renovables más usuales (solar, eólica), etc. En segundo lugar, estudiaremos qué es una central térmica y analizaremos los sistemas y circuitos empleados en estas centrales, también veremos las características principales de las centrales hidroeléctricas, térmicas y nucleares. Finalmente estudiaremos los principios técnicos en los que se basa el transporte y distribución de la energía eléctrica. La energía se puede definir como la capacidad para un trabajo que, generalmente, produce cambio o transformaciones en los cuerpos. El ser humano consume energía cuando camina, realiza un trabajo o simplemente cuando piensa, también cuando obtiene calor tras la combustión del petróleo, el gas, la madera, el carbón, etc. Vemos que la energia se puede manifestar de formas distintas: energía quimica, energía nuclear, energía solar, etc. Las fuentes de energía las podemos clasificar atendiendo al criterio de si estas son o no renovables. Las energías renovables se caracterizan por ser poco contaminantes y además, tienen en común que o bien se regeneran rápidamente  como es el caso de la biomasa, o son una fuente inagotable como ocurre con la energía solar. Las energías no renovables se caracterizan porque suelen producir mayores deterioros medioambientales y sus reservas son limitadas, ya que éstas no se renuevan  a corto plazo, por ello se suele decir que se agotan a medida que se utilizan. Las más usadas son los recursos energéticos fósiles, como el carbón, el petróleo y el gas natural, asi como la energía nuclear (uranio).

  • Energía nuclear: Sistema que permite obtener grandes cantidades de energía, que presenta graves problemas como la eliminación de residuos, cuya actividad puede perdurar miles de años o el riesgo de accidentes, cuyos efectos son impredecibles.

  • Energía hidroeléctrica: Los embalses de agua cuplen una doble mision, sirven de reserva de agua para cubrir las necesidades del ser humano en epoca de sequía y producen energía  eléctrica.

  • Energía solar: En aquellas regiones del planeta donde disponen de un elevado número de horas de exposición, la energía solar es una alternativa viable de producción de energía eléctrica.

  • Energía biocombustible: La materia orgánica mediante las bacterias anaerobias, se descompone en subproductos que, recogidos convenientemente, pueden ser utilizados como combustible y generar energía.

  • Energía maremotriz: En algunas regiones, donde las mareas son importantes, es posible aprovechar los desplazamientos del agua para la obtención de energía eléctrica.

  • Energía de la combustión: Los combustibles sólidos (leña y carbón) junto con los combustibes líquidos derivados del petróleo, proporcionan en la actualidad la mayor parte de la energía utilizada por ser humano.

  • Energía geotérmica: El calor de algunas zonas del interior de la tierra es tan intenso que se puede aprovechar utilizando directamente su energía calorífica o transformándola en electricidad.

  • Energía eólica: En ciertos lugares donde los vientos son fuertes y persistentes, éstos se pueden aprovechar para producir energía eléctrica, drenar el terreno, moler el grano  o impulsar barcos.

ENERGÍAS

Energías NO RENOVABLES Energías RENOVABLES
Petróleo Energía Solar
Carbón Energía Eólica
Gas Natural Energía Hidroeléctrica
Uranio Energía Maremotriz
Energía Geotérmica


2 – ENERGÍAS RENOVABLES

Las energías renovables se caracterizan por no ser contaminantes, más baratas y además por regenerarse rápidamente o ser incluso inagotables. Analicemos, brevemente, algunas de ellas. La energía que emite el sol se debe a las reacciones termonucleares que se producen en su interior. A nuestro planeta llega solo una pequeña cantidad ya que la mayor parte se pierde por el camino. El sol proporciona en un solo año a la tierra una cantidad de energía unas 12.000 veces superior a la que el ser humano consume en todas sus actividades. Por ello, muchos especialistas piensan que puede ser la energía del futuro.

Ventajas: Es gratuita, limpia, inagotable y no contamina.

Inconvenientes: Es una energía estacionaria e intermitente, ya que por la noche no produce energía.

Para más información: APS Valencia

La energía solar llega a la tierra  en forma de luz y calor. Por tanto, el calor lo podemos aprovechar de forma pasiva para  calentar  espacios,  por ejemplo: un invernadero, agua , etc. O bien nos servirnos  de ella, de forma activa para generar energía térmica de baja, medida y alta temperatura a través de colectores planos, campos termosolar con heliostatos y hornos solares. Igualmente la luz solar puede aprovecharse mediante una captación fotónica (centrales fotovoltaicas) o mediante una captación fotoquimica (biomasa).

  • radiación solar ala atmosfera y las nubles reflejan y absorben una parte de las radiaciones solares que llegan a la terra.

  • la radiacion directa

  • Energias Alternativas

A/CAPTACIÓN TÉRMICA

A continuación se muesta una instalación desalinizadora como ejemplo de aprovechamiento pasivo de la energía solar y el esquema de funcionamiento de un colector solar plano para el aprovechamiento activo del calor del sol a baja temperatura .

  • Método pasivo :Instalación desalinizadora.Con el calor del sol se provoca la evaporación del agua del mar, que se condensa y precipita en el canal.De este modo se obtienen por separado agua dulce y sal.
  • Método activo:Colector solar plano.Está formado por una tubería en forma de serpentín por la que circula agua .Esta tubería se pinta de negro para que absorba mejor la radiación solar.Este sistema se utiliza para aclimatar piscinas,invernaderos,agua sanitaria,etc.

  • método activo

  • Método pasivo

B/CAPTACIÓN FOTÓNICA Y FOTOQUÍMICA

La luz solar (fotones) puede aprovecharse de dos formas,principalmente,mediante captación fotónica propiamente dicha o mediante captación fotoquímica.

  • Captación fotónica.Centrales fotovoltaicas

En estas instalaciones se convierte directamente la luz del sol en electricidad,para lo cual se utilizan células solares o fotovoltaicas,formadas básicamente por un material semiconductor,el cilicio,que al absorber fotones (luz solar) proporciona una corriente de electrones,es decir,una corriente eléctrica.Las ventajas de estas centrales son que no contaminan y que necesitan un mantenimiento mínimo,lo que permite su ubicación en zonas donde no hay red eléctrica.Lo único que se necesita el la luz del Sol.Esnaña,por su situación geográfica,es un país con enormes posibilidades para el aprovechamiento de este tipo de energía.La mayor central solar fotovoltaica del Estado español está situada en Puebla de Montalbán (Toledo),existen otras de menor potencia en Menorca,Caravaca(Murcia)y Almería.

Sacar de Internet un foto de célula fotovoltaica(cada célula fotovoltaica genera 0.58 voltios .Las células se conectan en serie,siendo necesarias 36 células para obtener una tensión final de 18 voltios.

  • CAPTACIÓN FOTOQUIMÍCA.BIOMASA

El conjunto de toda la materia orgánica se denomina biomasa y puede ser utilizada para producir energía.Aunque existen diversos métodos para utilizar parte de energía acumulada en la biomasa.solo vamos a analizar el biocombustible como modelo de proceso bioquímico,y los residuos sólidos urbanos como ejemplo de proceso termoquímico.

Biocombustible:Los residuos orgánicos pueden transformarse poe la acción de las bacterias y otros procesos químicos en biofueles ( es decir,en combustibles biológicos)líquidos o gaseosos . Un ejemplo de éstos es el biogás. En China se utiliza desde hace siglos este gas en las casas , lo obtenían de los excrementos de los animales domésticos, que almacenaban en dispositivos enterrados al pie de las granjas.

Residuos sólidos urbanos(RSU)

Son los generados por la actividad doméstica en los núcleos de población.Laadquisición de determinados hábitos de vida en la sociedad actual ha incrementado la cantidad de residuos generados por habitante. La población ha tomado conciencia de que es necesario practicar una recuperación selectiva y un tratamiento posterior de los residuos que genera. La presencia cada vez mayor en las basuras de componentes combustibles, como el papel o el cartón, ha inducido a plantear la reutilización de la energía obtenida mediante su combustión, bien para producir calor o bien transformarla en energía eléctrica. Otro procesote reutilización de los RUS consiste en someterlos a un proceso de fermentación controlada transformándolos en un abono denominado compost.

-La figura muestra de forma esquemática el proceso de gestión que suele aplicares actualmente a los RSU.

3- CENTRALES ELÉCTRICAS

Las centrales eléctricas son instalaciones diseñadas por el ser humano para la producción de energía eléctrica. En general, todas ellas suelen aprovechar la fuerza proporcionada por el agua a presión, vapor de agua, aire etc. Para provocar la rotación de una turbina, palas, etc. Que hacen girar solidariamente a un alternador-generador que, a su vez, transforma la energía mecánica de rotación en energía eléctrica.En los apartados siguientes  analizaremos los sistemas y circuitos de las centrales eléctricas más usuales, al tiempo que estudiaremos los principios técnicos empleados para el aprovechamiento y transformación en energía eléctrica de algunas de las energías renovables más utilizadas.

A/CENTRALES HIDROELÉCTRICAS

El agua contenida en los embalses suele cumplir una doble finalidad  ya que,además de utilizarse como elemento regulador de este bien cada vez más escaso, se aprovecha su energía potencial para obtener energía eléctrica. En la figura puedes apreciar  los elementos  fundamentales de una central  hidroeléctrica.

turbina Pelton

turbina Kaplan

  • Turbinas hidráulicas

Las turbinas hidráulicas se emplean para aprovechar la energía del agua en movimiento. La turbina Kaplan es semejante a la hélice de un barco. Las amplias palas o álabes de la turbina son impulsadas por agua a alta presión liberada por una compuerta. La rueda Pelton es un modelo del siglo XIX cuyo funcionamiento es más parecido al de un molino de agua tradicional. La rueda gira cuando el agua procedente del conducto forzado golpea sus paletas o álabes. El agua sale a gran presión por la tobera e impulsa los álabes que hacen girar un eje.

  • Algunas de las ventajas de la energía hidroeléctrica son: no contamina ,es barata casi no precisa mantenimiento y. además,permite el aprovechamiento del agua  para otros usos.
  • Presenta también algunas desventajas :constituye una barrera arquitectónica para la fuana y flora de la zona ,puede alterar sensiblemente los ecosistemas e,incluso, el microclima,favorece  la sedimentación e impide  que parte de los nutrientes continúen  distribuyéndose a lo largo del curso del rio .

Estos inconvenientes,unidos a las grandes inversiones que requieren  y al rechazo social que suele provocar este tipo de construcción,han impedido un mayor desarrollo.

central hidroeléctrica . cuando se abren las compuertas del embalse ,la energía potencial del agua almacenada se transforma en cinética al discurrir el torrente por la tubería .este hace mover a las turbinas que ,a su vez ,arrastran al generador –alternador transformado la energía cinética de rotación en energía eléctrica.

central-hidroelectrica

B / ENERGÍA TÉRMICA .CENTRALES TÉRMICAS CLÁSICAS

Las centrales térmicas clásicas son instalaciones que transforman la energía calorífica de los combustibles fósiles (gas natural, carbón o gasóleo ).

  • Funcionamiento

El gas, carbón o fuel se introduce y se quema en la caldera.La energía obtenida hierve agua para generar vapor a presión ,éste llega a las turbinas y las hace girar a gran velocidad. Aquí se ha transformado la energía térmica en mecánica.Entonces, el giro de turbina se transmite al rotor del generador de corriente alterna y de esta forma la energía mecánica pasa ser eléctrica.

La energía obtenida por el generador se condoce a un transformador, cuya tensíon aumenta hasta alcanzar valores del ordende 400000 voltios, los necesarios para transportarla hasta los puntos de consumo con las menores pérdidas de energía, como veremos más adelante.

Mientras, el vapor de agua utilasado para mover las turbinas se enfría en el condensador y en las torres de refrigeración , y desde allí regresa a la caldera para comenzar otro ciclo.Uno de los mayores inconvenientes que presentan las centrales térmicas es que pueden afectar al medio ambiente.La contaminación que producen depende , principalmente, del tipo de combustible utilizado y de su calidad.Las que más perjudican al medio ambiental son las que utilizan el carbón:emiten gases y partículas sólidas procedentes de la combustión, además del daño que generan por los procesos de almacenamiento, extracción y eliminación de residuos.

Este tipo de instalaciones suponen un reto tecnológico para el sector eléctrico, que está realizando grandes esfuerzos y elevadas inversiones para reducir su impacto.

Esquema de funcionamiento de una central térmica

  • PARA SABIR MÁS…

En España existen más de cincuenta centrales térmicas.Las de carbón de mayor potencia son la de puentes de García Rodriguez (A Coruña) ,la de Compostilla (León),y la de Teruel, mientras que otras, como la de Castellón de la Plana (capital de Castillón),y de la de Santurce (Vizcaya), utilizan fueloil.

C/ ENERGÍA NUCLEAR. CENTRALES NUCLEARES

La energía nuclear es la energía que se genera al provocar la ruptura de un núcleo atómico de material radiactivo , esto es la  que produce la fisión.Cada vez se escinde el núcleo de un átomo se libra toda la energía que lo mantenía unido.Los neutrones librados por el impacto salen despedidos, directos a estrellarse contra los núcleos de los átomos adyacentes ,los cuales, a su vez, también estallan y disparan sus neutrones.Este fenómeno se conoce como reacción en cadena , porque va generando explosiones en progresión geométrica : son pequeñas al inicio  pero dada la precipitación con que se sucede esta reacción y los miles de millones de átomos a los que afecta, acaban liberando casi instantáneamente enormes cantidades de energía.Esto es lo que comúnmente conocemos como explosión atómica , Por este motivo, es necesario saber controlar esta reacción para aprovechar sin peligro y de forma controlada toda esta ptencia, en principio tan fácil de generar.

Reacción en cadena producida por fisión nuclear

Reactor nuclear

  • Generación del vapor

La energía que inicialmente aprovechamos es el calor que se genera en el núcleo del reactor.Éste se utiliza para hervir el agua,que al convertirse en vapor, moverá las turbinas y así generará, finalmente, corriente eléctrica.

Según el tipo de generador de vapor,podemos clasificar las centrales nucleares en centrales con reactor de agua a presión(PWR)y centrales con reactor de agua en ebullición (BWR).

1-Reactores de agua a presión (PWR)diponen de dos circuitos, uno primario y otro segundario. El agua a prisión que circula por el primario, utiliza como moderador y refrigerador, atraviesa un intercambiador de calor ,cediendo la energía calorífica al circuito segundario, que es el encargado de produje el vapor para mover la turbina.

2-Reactores de agua en ebullición(BWR). Solo disponen de un circuito de agua que actúa como moderador y refrigerante en vapor en núcleo del reactor. Este vapor es el encargafo de mover las turbinas .Posterioemente, el vapor se refrigera antes de iniciarse nuevamente el ciclo.

Funcionamiento de una central PWR(reactor de agua preción)

Si bien el coste de la energía obtenida es bajo , no lo son los enormes costes sociales: la posibilidad de fugas y escapes de materiales, el riesgo de un accidente como el de la central de Chernobil( Ucrania) en 1986 ,Los residuos radiactivos generados (que pueden permanecer acivos durante más de 20000 años) el elevado coste de construcción y su continuo mantenimiento. La energía nuclear es, en suma la mas conflictiva.En la  actualidad, se ha paralizado la construcción de centrales en prácticamente todos los países del mundo,y en el recibo de la luz que pagamos existe un impuesto destinado al desmantelamiento de algunas instalaciones y a reducir su impacto.Todavia existe un gravísimo problema para confinar los residuos generados t un temor creciente a las catastróficas consecuencias que tendría un accidente.

Residuos radiactivos

confinamiento de residuos radiactivos.Algunos residuos se almcenan en bidones y contenedores especiales .Posteriormente, se introducen en contenedores de hormigón que se depositan en lugares geológicamente estables.

D/ENERGÍA MAREOMOTRIZ

La generación de energía a partir de la fuerza maremotriz es un sistema poco utilizado actualmente porque exige una inversión inicial muy alta . Ademas, en ocasiones, los posibles problemas  sociales desaconsejan la construcción de este tipo de centrales.

Por otro lado, los cambios bruscos en el nivel del mar no se producen por igual en todos los lugares y dependen de las fases de la luna,lo que complica la explotación regular de la instalación.

En Francia e Inglaterra existen centrales mareomotriz situadas en estuarios(entrada de un brazo de mar en al tierra) Alli se construye una presa que permite retener el agua cuando la marea alcanza su nivel más alto. En estos lugares la diferencia entre la bajamar y la pleamar puede alcanzar entre 7 y 10 metros .

Esquema de Una Central Mareomotriz

E/ENERGÍA EÓLICA

La energía eólica aprovecha la velocidad del viento, asi los antiguos molinos de viento han sido sustituidos por aerogeneradores. La fuerza del viento hace girar a las palas provocando la rotación de la dinamo que transforma la energía cinética de rotación en energía eléctrica.

Este tipo de energía parece tener mucho futuro y ha experimentado un gran desarrollo un los últimos años.Entre sus ventajas se encuentra el hecho de que es una energía limpia y  barata.

Por el contrario ,presenta como inconvenientes la dependencia de la climatología y el impacto medioambiental que produce (contaminación acústica y visual, peligro para las aves, erosión del terreno circundante,etcétera).

Esquema de Funcionamiento de una Central Eólica

F/ENERGÍA GEOTÉRMICA

El calor que existe en el interior de la tierra es también una forma de energía. En algunas zonas de globo terrestre (regiones volcánicas ,etc) se alcanzan grandes temperaturas a poca profundidad . Si un acuífero subterráno se encuentra próximo a estas zonas, es posible que  éste surja de forma natural en forma de vapor de agua (géiser) o emanaciones de agua caliente ,Aunque también puede quedar confinado en el interior de la Tierra si no encuentra una salida al exterior.

El aprovechamiento energético del yacimiento depende de la temperatura alcanzada en éste .El caldeo de locales, instalaciones y procesos industriales se realiza en yacimientos que alcalzan temperaturas entre 100 y 150 grados y, a partir de 200 grados se electricida.

Un ejemplo de este tipo de instalaciones los podemos encontrar en Géiser (California) , capaces de producir más de 500 MW.

Esquema del Funcionamiento de una Central Geotérmica

4/TRANSPORTE DE LA CORRIENTE ELÉCTRICA

El transporte de la corriente eléctrica require la utilización de conductores,los cuales ofrecen una cierta resistencia al paso de corriente que ,por el efecto de joule, se transforma en calor o lo que es lo mismo , en pérdidas de potencia o energía.Teniendo en cuenta que las pérdidas por calor generadas en el transporte de la electricidad dependen tanto de la intensidad de corriente que circula por el conductor como de su resistencia , y dado que la resistencia de los conductores es un parámetro que no podemos modificar ,sólo será posible reducir las pérdidas de energía actuando sobrs el voltaje , o lo que es lo mismo, disminuyendo la intensidad de corriente eléctrica que circula por el conductor .Como puedes comprobar en el aparato de (para saber mas) para trnasportar una determina potencia eléctrica de un ponto a otro a través de un conductor ésta se puede transmitir a alto voltaje y baja intensidad o viceversa. De ello se deduce que lqs pérdidas por calor serán mínimas cuanto mayor sea la tensión de suministro , siendo éste el motivo por el que el transporte de la corriente eléctrica se realiza a alto voltaje que, posteriormente , debe reducirse para poder utilizarlo de forma segura y eficaz.

A / LOS TRANSFORMADORES

El transformador es una máquina eléctrica estática capaz de transformar mediante un campo electromagnético la energía eléctrica transmitida (primaria) en otra de distintas características (segundaria) elevando o reduciendo la tensión y la intensidad de la corriente alterna que recibe.

ü  Funcionamiento

Cuando su bobinado primario se conecta a un generador de corriente alterna de tensión Vp circula una corriente /p que creará un flojo magnético variable a lo largo del hierro ( chapas magnéticas ). Si al otro lado del hierro se encuentra otra bobina (circuito segundario ) cuyos extremos están conectados a un receptor , se inducirá en ésta una tensión de valor Vs y de intensidad Is

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