Transporte y distribución de la energía eléctrica

El transporte de la energía eléctrica se realiza en alta tensión. En España, la empresa encargada de hacerlo es Red Eléctrica de España. La distribución de energía eléctrica se realiza en media tensión y son las compañías distribuidoras las propietarias y gestoras de estas líneas.

Se denomina alta tensión eléctrica a las tensiones superiores a 66 000 V, mientras que con media tensión nos referimos a las tensiones entre 1 000 y 36 000 V. La red de transporte es la parte del sistema encargada de llevar la energía eléctrica desde las centrales eléctricas hasta los grandes puntos de consumo, recorriendo enormes distancias. La red de distribución es la encargada de repartir la energía eléctrica dentro de los centros de consumo (poblaciones, grandes industrias, etc.) hasta la tensión de uso, que es baja tensión.

Unidad 2. ENERGÍA TECNOLOGÍAS 3º ESO

Transporte de grandes cantidades de energía

Para transportar grandes cantidades de energía eléctrica debemos tener en cuenta que:

  1. Cuanta más intensidad se transporte, los cables eléctricos deben tener mayor sección (mayor grosor) para soportarla.
  2. A mayor intensidad, gran parte de la energía eléctrica se pierde al transformarse en calor, porque al circular más intensidad hay más electrones y más choques entre ellos y el material del cable conductor.

Por tanto, puesto que la potencia (P) viene definida por P = V × I, si queremos transportar energía eléctrica de forma que las pérdidas de potencia sean mínimas, debemos aumentar la tensión y disminuir la intensidad.

Por ejemplo, si queremos obtener una potencia de 1200 MW, podemos transportar:

  • 76 000 V con una intensidad de 9 300 A.
  • 400 000 V con una intensidad de 1 700 A.

La potencia disipada por kilómetro de cable, en el primer caso (9 300 A) será 0,76 MW, y en el segundo caso (1 700 A), mucho menor: 0,025 MW.

Transformador

El elemento que nos permite cambiar la tensión y la intensidad de la corriente eléctrica es el transformador. Su característica principal, en un transformador ideal, es que el producto de tensión e intensidad a su entrada y a su salida es aproximadamente constante (V1 × I1 ≈ V2 × I2). El transformador puede ser elevador (sube la tensión y baja la intensidad) o reductor (baja la tensión y sube la intensidad).

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Centrales eléctricas convencionales

Centrales térmicas

Puedes hablar de dos tipos de centrales térmicas:

  • Centrales térmicas convencionales. El proceso es el siguiente:
    1. En la caldera se realiza la combustión de la fuente energética correspondiente (carbón, petróleo o gas). La energía térmica generada calienta un circuito de agua y la transforma en vapor de agua a alta presión y temperatura.
    2. El vapor se conduce hasta una turbina de vapor, donde la mueve y genera un movimiento rotacional del eje.
    3. El eje, unido al alternador, hace que éste genere energía eléctrica, la cual se transforma y se vierte a la red.
    4. Una vez que el vapor de agua mueve el conjunto turbina-alternador, se convierte en agua en el condensador y, a continuación, se enfría en la torre de condensación con el objetivo de reiniciar el ciclo.
  • Centrales térmicas de ciclo combinado. Son centrales que utilizan como combustible el gas natural y son más eficientes que las convencionales porque reutilizan la energía remanente de los gases de combustión. La energía térmica del combustible se transforma en electricidad mediante dos ciclos: el correspondiente a una turbina de gas y el convencional de agua/turbina de vapor:
    • En una turbina de gas se produce la combustión del gas. Los gases de combustión que se generan se conducen hasta una turbina de gas donde la energía se transforma en energía mecánica de rotación que se transmite al alternador acoplado, donde se produce la energía eléctrica.
    • A la salida de la turbina de gas, los gases de combustión, todavía a alta temperatura, se usan para generar vapor de agua, que será llevado a una turbina de vapor que, acoplada a otro alternador, producirá energía eléctrica.
    • Conviene señalar que el desarrollo actual de esta tecnología tiende a acoplar las turbinas de gas y de vapor al mismo eje, accionando así conjuntamente el mismo alternador.

Las centrales térmicas (o termoeléctricas) son aquellas que aprovechan la energía térmica (o calorífica) procedente de la combustión de fuentes energéticas como el carbón, el petróleo o el gas, para obtener energía eléctrica.

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Centrales nucleares

Los núcleos de algunos átomos, como el uranio, son inestables. Esto significa que, de forma natural y en un período de tiempo más o menos largo, acaban rompiéndose para formar otros átomos diferentes con núcleos más pequeños. Este fenómeno se denomina fisión nuclear.

Cuando se produce la fisión de un núcleo atómico se desprende una gran cantidad de energía que antes era utilizada por el núcleo para mantenerse unido. Las centrales nucleares son un tipo de central térmica que se diferencia de las anteriores en que la energía calorífica que mueve la turbina no procede de la combustión del carbón, el gas o el petróleo, sino de la fisión de átomos radiactivos. Se caracterizan por su gran potencia.

El sistema más usado para generar energía nuclear utiliza el uranio como combustible. En concreto se utiliza el isótopo U-235, que es sometido a fisión nuclear en los reactores. En este proceso el núcleo del átomo de uranio (U-235) es bombardeado por neutrones y se rompe, originando dos átomos de tamaño aproximado a la mitad del uranio y liberándose dos o tres neutrones que inciden sobre átomos de U-235 vecinos, que vuelven a romperse, originándose una reacción en cadena.

En esta reacción se libera una cantidad muy grande de energía calorífica que se puede aprovechar para generar electricidad y que, si no se controla adecuadamente, puede dar lugar a una explosión (así funcionan las bombas atómicas).

El mineral de uranio se encuentra en la naturaleza en cantidades limitadas. Es, por tanto, un recurso no renovable. Hay depósitos importantes de este material en Norteamérica (27,4% de las reservas mundiales), África (33%) y Australia (22,5%).

El funcionamiento de una central nuclear es similar al de una central térmica, pero en lugar de generarse el calor en una caldera por combustión, el calor se genera en un reactor nuclear. En el reactor se producen reacciones de fisión de los núcleos atómicos del combustible nuclear (generalmente uranio enriquecido). Estas reacciones liberan una gran cantidad de energía en forma de calor para calentar el agua y transformarla en vapor a presión que moverá las turbinas de un generador. Estas centrales son muy eficientes: proporcionan mucha energía con poco combustible. Además, no emiten gases contaminantes a la atmósfera, únicamente vapor de agua desde la torre de refrigeración.

Sin embargo, la energía nuclear tiene un grave inconveniente: genera residuos radiactivos que son difíciles de almacenar de forma segura y, además, existen riesgos de accidentes graves, como el ocurrido en Chernóbil (Ucrania) en 1986, cuando se incendió un reactor y escaparon sustancias radiactivas tóxicas que se extendieron por gran parte de Europa.

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Centrales hidroeléctricas

La potencia eléctrica de una central hidroeléctrica depende tanto del caudal turbinado como de la altura del salto. En función del caudal y la altura, el agua dispone de más energía potencial o más energía cinética, y ello permite distinguir dos tipos de centrales hidráulicas:

  • Centrales hidroeléctricas de agua fluyente. No cuentan con reserva de agua y, por lo tanto, turbinan el agua de la que disponen en cada momento. Son centrales con gran caudal pero poco salto. La construcción se realiza sobre el propio cauce del río.
  • Centrales hidroeléctricas de reserva. Necesitan la construcción de un embalse, donde se almacena energía potencial y, por lo tanto, permiten gestionar la producción. En este caso, el salto es mayor, mientras que el caudal es más pequeño.

Existen también las denominadas centrales de bombeo, cuya particularidad es que disponen de dos embalses, uno en la parte alta y otro en la baja. En las horas de mayor demanda energética la central turbina agua como una central embalsada, y en las horas de menor demanda el agua es bombeada al embalse superior para almacenarla y poder reutilizarla posteriormente.

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Energías alternativas

Además de las centrales convencionales estudiadas, existen otras instalaciones cuyo objetivo también es obtener energía eléctrica. Son las fuentes de energía alternativas, con menos repercusiones negativas para el medio ambiente.

Parques eólicos

Un parque eólico es una instalación en la que se aprovecha la energía cinética del viento para generar energía eléctrica. Está constituido por un conjunto de aerogeneradores en los que el movimiento de las aspas se aprovecha para obtener energía eléctrica.

La potencia de un aerogenerador depende fundamentalmente de la velocidad del viento, del área barrida por las aspas y de un coeficiente propio de cada aerogenerador. Existen diversos modelos, pero los que se utilizan para producción de energía eléctrica son de eje horizontal y disponen de tres palas, debido a que son los que más rendimiento proporcionan.

Las centrales hidroeléctricas se basan en el aprovechamiento de la energía potencial y/o cinética del agua de los ríos. El agua se lleva a una turbina, donde mueve los álabes y genera un movimiento de rotación de su eje; dicho eje está unido al alternador, el cual genera la energía eléctrica.

Las principales partes de un aerogenerador son:

  • Rotor: formado por varias palas unidas en un buje; cuando el viento incide sobre las palas, el conjunto gira.
  • Góndola: alberga el multiplicador y el alternador; acondiciona y transforma la energía mecánica en eléctrica.
  • Torre: soporta la góndola y mantiene el rotor elevado para aprovechar mejor el viento.

Otros elementos y funciones:

  • Anemómetro: mide la velocidad del viento.
  • Veleta: indica la dirección del viento.
  • Freno mecánico: permite parar el generador para reparaciones.
  • Mecanismo de guiado: orienta horizontalmente la góndola para poner las palas de cara al viento.
  • Alternador: genera la electricidad a partir del movimiento de giro.
  • Multiplicador: caja de engranajes que adapta la baja velocidad del rotor (alrededor de 20 vueltas/min) a la velocidad requerida por el alternador (aprox. 1 500 vueltas/min).
  • Ejes: eje principal y eje secundario transmiten el movimiento.
  • Cables: conducen la electricidad producida por el alternador hacia la red.

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Centrales solares

Podemos diferenciar dos tipos de centrales solares eléctricas dependiendo de cómo se realice la transformación energética: centrales termosolares y centrales solares fotovoltaicas.

1. Centrales termosolares

Las centrales termosolares son instalaciones similares a las centrales térmicas, pero con la diferencia de que la energía calorífica necesaria para mover la turbina se obtiene mediante la energía del Sol. La energía solar presenta una gran dispersión; por ello, para obtener densidades energéticas elevadas se necesitan grandes superficies de captación o sistemas de concentración de los rayos solares.

  • Central solar de torre: una gran cantidad de espejos (helióstatos) reflejan la radiación solar sobre un receptor por cuyo interior circula un fluido que, al calentarse, transfiere el calor a un generador de vapor que moverá la turbina.
  • Central de colectores cilindro-parabólicos: colectores que concentran la luz solar en un tubo central por el que circula un fluido (normalmente aceite térmico), que se calienta a una temperatura de unos 300 ºC. Este fluido se envía al edificio de turbinas, donde se utiliza para producir vapor de agua en un generador de vapor; posteriormente este vapor hace girar una turbina y el alternador generará energía eléctrica.

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2. Centrales solares fotovoltaicas

Algunos materiales emiten electrones cuando incide luz sobre ellos. La circulación de estas cargas eléctricas crea una corriente eléctrica; a este fenómeno se le llama efecto fotoeléctrico. Estos materiales forman las células solares o fotovoltaicas. Un panel solar está formado por varias células solares.

Los paneles fotovoltaicos generan corriente continua, pero la electricidad que se consume en las casas es de corriente alterna. Para transformar la corriente continua en alterna se utiliza un elemento llamado inversor o convertidor. La corriente eléctrica generada por los paneles puede consumirse en el momento o acumularse en un sistema de baterías para disponer de energía fuera de las horas de sol.

Para mejorar el rendimiento, los paneles suelen colocarse sobre un sistema que los orienta siguiendo la trayectoria del Sol, de modo que los rayos incidan lo más perpendicularmente posible sobre el panel.

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Energía de la biomasa

Podemos utilizar la biomasa de las siguientes formas:

  • Residuos forestales o agrícolas: mediante su combustión en una caldera doméstica o industrial se obtiene energía calorífica utilizable como calefacción o para mover una turbina de vapor y generar energía eléctrica en un alternador.
  • Residuos agrícolas o animales: mediante un proceso de fermentación podemos obtener gas metano o alcoholes utilizables como biocombustible. Por ejemplo, el 23% de los vehículos ligeros en Brasil están preparados para funcionar con etanol. Brasil lleva más de 30 años desarrollando la industria del etanol como combustible a partir de la caña de azúcar.
  • Residuos sólidos urbanos (RSU): las basuras que generamos pueden usarse para, mediante procesos bioquímicos, obtener biogás y, a partir de él, energía.

La biomasa energética es toda materia orgánica, originada en un proceso biológico, espontáneo o provocado, utilizable como fuente de energía.

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Energía geotérmica

El interior de la Tierra es una fuente continua de calor. En algunas zonas este calor aflora a la superficie y puede aprovecharse para calentar agua, producir energía eléctrica, etc. Esta fuente de energía se aprovecha sobre todo en zonas volcánicas, donde la diferencia de temperatura entre el interior terrestre y la superficie es mayor. La energía geotérmica también puede usarse para invernaderos y calefacción.

En Lanzarote se usa el calor procedente de una grieta volcánica (donde se alcanzan 400 ºC a pocos centímetros del suelo) para cocinar. En Islandia, la calefacción de la mayoría de las casas aprovecha la energía geotérmica. Desgraciadamente, la energía geotérmica solo se puede aprovechar de manera rentable en algunas regiones.

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Energía mareomotriz

Existen diversas formas de extraer energía del mar: de la fuerza de las olas, de los gradientes térmicos (diferencias de temperatura entre la superficie y las profundidades del océano) o de las mareas. La más desarrollada es la generación a partir de las mareas.

En aquellos lugares donde existe una diferencia de altura importante entre la marea alta y la marea baja se construyen grandes estuarios. Cuando la marea es alta se deja entrar agua en el estuario. Cuando baja la marea se suelta el agua a través de una turbina hidráulica, y el alternador unido a la turbina genera energía eléctrica.

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