1.2.3. GENERACIÓN, TRANSFORMACIÓN, USO Y TIPOS DE LA ENERGÍA. Energía
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1.2.3. GENERACIÓN, TRANSFORMACIÓN, USO Y TIPOS DE LA ENERGÍA. Energía El consumo de energía ha estado asociado siempre con el hombre. El hombre primitivo, al igual que los animales, ha dependido de su propia energía -energía animal - para su subsistencia. El uso artificial del fuego empezó a diferenciar al hombre de los animales. Ha sido, y es, tan importante el uso de energía para el hombre, que un índice para medir el nivel de desarrollo de una nación es su consumo por habitante. La humanidad desde las más remotas épocas, en los albores de la civilización, ha usado alguna forma artificial de energía en todas sus actividades. El tiro del arado con animales, el caballo para el acarreo y el transporte aprovechaban la energía animal, los troncos con los que primitivamente se transportaba aprovechaban la energía Hidráulica de los ríos. Con el tiempo el hombre fue aprendiendo gradualmente a aprovechar otras fuentes de energía que le brindaba la naturaleza y en la época moderna aparecieron diferentes formas más sofisticadas de aprovecharla en montajes mas complejos denominados Plantas de generación. PLANTA DE GENERACIÓN DE EXERGÍA Una planta de generación de exergía es un complejo creado por el hombre destinado a transformar la proveniente de alguna fuente de la naturaleza en una forma de energía útil para el hombre. ENERGÍA ÚTIL es energía que se encuentre en alguna de las formas: cinética, potencial, trabajo –o energía mecánicas - o energía eléctrica. Modernamente a la energía útil se ha dado en llamarla Exergía y aquella forma de energía completamente incapaz de transformarse en trabajo, Anergía. La planta de generación de energía viene a ser un complejo destinado a obtener exergía de alguna fuente de energía de la naturaleza. Ejemplos de plantas de generación de exergía son: Las centrales termoeléctricas, las instalaciones fotovoltaicas, las centrales hidroeléctricas, los automotores etc. todas dedicadas a transformar energía de una fuente en alguna forma de energía útil ya sea trabajo, energía cinética, electricidad etc. Fuentes de energía Figura 7-1 > Fuentes de energía en el mundo en 1991 Combustibles fósiles.- Los combustibles fósiles son el carbón, el petróleo y el gas. Han sido los grandes protagonistas del impulso industrial desde la invención de la máquina de vapor hasta nuestros días. De ellos depende la mayor parte de la industria y el transporte en la actualidad. Entre los tres suponen casi el 90% de la energía comercial empleada en el mundo. Un combustible fósil esta compuesto por los restos de organismos que vivieron hace millones de años. El carbón se formó a partir de plantas terrestres y el petróleo y el gas natural a partir de microorganismos y animales principalmente acuáticos. Son, en definitiva, una acumulación de energía solar, porque las plantas convierten la radiación que viene del sol en biomasa, gracias a la fotosíntesis, y los animales se alimentan de las plantas. La energía se obtiene al quemar estos productos, proceso en el que se forman grandes cantidades de anhídrido carbónico y otros gases contaminantes que se emiten a la atmósfera. Estos combustibles han permitido un avance sin precedentes en la historia humana, pero son fuentes de energía que llamamos no renovables. Esto significa que cantidades que han tardado en formarse miles de años se consumen en minutos y las reservas de estos combustibles van disminuyendo a un ritmo creciente. Además, estamos agotando un recurso del que se pueden obtener productos muy valiosos, como plásticos, medicinas, etc., simplemente para quemarlo y obtener energía. (Agregar figuras) Energía nuclear.- Otra de las fuentes de energía no renovable que se estudian en este capítulo es el uranio que se usa en las centrales de energía nuclear. El uso de la energía nuclear tiene importantes repercusiones ambientales. Algunas positivas, por lo poco que contamina, pero algunos de los problemas que tiene son muy importantes. En la opinión pública causó una gran impresión el accidente de Chernobyl y la contaminación radiactiva que se dispersó por medio mundo y, como veremos con detalle, la industria nuclear produce residuos radiactivos muy peligrosos que duran miles de años, cuyo almacenamiento definitivo plantea muy graves problemas. Energías renovables.- Las fuentes de energía renovables o alternativas no consumen un recurso finito como un combustible fósil o una sustancia radiactiva y además, en general, causan menos impactos ambientales negativos. Entre estas energías tenemos: Energía hidroeléctrica Energía solar Energía de la biomasa Energía obtenida de los océanos Energía geotermal El principal obstáculo que frena a estas fuentes de energía renovables es el económico, porque normalmente son más caras que los combustibles fósiles o la energía nuclear. Aunque desde otro punto de vista, no es tan claro que las energías tradicionales sean más baratas, porque si incluyéramos el costo que supone limpiar la contaminación que provocan o disminuir sus daños ambientales, el precio de la energía obtenida del petróleo, carbón, gas o uranio, sería bastante más alto del que tienen en el mercado. Lo que sucede es que los estados, por motivos políticos, son los que pagan esos costes indirectos y subvencionan, directa o indirectamente, las energías no Renovables. Cuando, a partir de 1973, el precio del petróleo subió, la investigación y el uso de estas fuentes alternativas creció, pero desde que el uso de energía se ha estabilizado en bastantes países desarrollados y el precio de las fuentes clásicas de energía ha bajado, se ha perdido parte del interés por estas energías renovables. Se sigue investigando, sobre todo en aquellos aspectos que las pueden hacer económicamente rentables. CLASIFICACION DE LAS PLANTAS DE GENERACION DE EXERGIA La primera clasificación de estas plantas se puede hacer tomando como base el tipo de fuente de energía que utilice. De esta manera se tendrán: 1. Plantas térmicas. 1. Solares 2. De combustión 3. Atómicas Plantas térmicas: En este grupo caben todas las que utilizan como fuente primaria el calor proveniente de los combustibles o el calor del mar o del sol. De esta forma pueden ser de combustión o de no combustión. Las Solares térmicas (las que usan el calor del sol) también están aquí. Las de combustión pueden ser de combustión directa o de combustión indirecta. Usos posibles de la energía solar. En una lista parcial de posibles usos de la energía solar, figuran: Calefacción domestica Refrigeración Calentamiento de agua Destilación Generación de energía Fotosíntesis Hornos solares Cocinas Evaporación Acondicionamiento de aire Control de heladas Secado De combustion Generación Termoeléctrica Termoeléctrica Geotermoeléctrica Turbogás Carboeléctrica Ciclo combinado Combustión interna En el proceso termoeléctrico existe una clasificación de tipos de generación, según la tecnología utilizada para hacer girar los generadores eléctricos, denominándoseles como sigue: Vapor Con vapor de agua se produce el movimiento de una turbina acoplada al generador eléctrico. Turbogás Con los gases de combustión se produce el movimiento de una turbina acoplada al generador eléctrico. Combustión Interna Con un motor de combustión interna se produce el movimiento del generador eléctrico. Ciclo Combinado Combinación de las tecnologías de turbogás y vapor. Constan de una o más turbogás y una de vapor, cada turbina acoplada a su respectivo generador eléctrico. Otra clasificación de las centrales termoeléctricas corresponde al combustible primario para la producción de vapor, según: o Vapor (combustóleo, gas natural y diesel) o Carboeléctrica (carbón) o Dual (combustóleo y carbón) o Geotermoeléctrica ( vapor extraído del subsuelo) o Nucleoeléctrica (uranio enriquecido) Una central termoeléctrica de tipo vapor es una instalación industrial en la que la energía química del combustible se transforma en energía calorífica para producir vapor, este se conduce a la turbina donde su energía cinética se convierte en energía mecánica, la que se transmite al generador, para producir energía eléctrica. Esquema de una central termoeléctrica tipo vapor Secuencia de transformaciones de energía Centrales termoeléctrica tipo vapor Estas centrales utilizan el poder calorífico de combustibles derivados del petróleo (combustóleo, diesel y gas natural), para calentar agua y producir vapor con temperaturas del orden de los 520°C y presiones entre 120 y 170 kg/cm², para impulsar las turbinas que giran a 3600 r.p.m. Energía nuclear La energía nuclear procede de reacciones de fisión o fusión de átomos en las que se liberan gigantescas cantidades de energía que se usan para producir electricidad. Producción de electricidad en la central nuclear Una central nuclear tiene cuatro partes: 1. El reactor en el que se produce la fisión 2. El generador de vapor en el que el calor producido por la fisión se usa para hacer hervir agua 3. La turbina que produce electricidad con la energía contenida en el vapor 4. El condensador en el cual se enfría el vapor, convirtiéndolo en agua líquida. La reacción nuclear tiene lugar en el reactor, en el están las agrupaciones de varillas de combustible intercaladas con unas decenas de barras de control que están hechas de un material que absorbe los neutrones. Introduciendo estas barras de control más o menos se controla el ritmo de la fisión nuclear ajustándolo a las necesidades de generación de electricidad. En las centrales nucleares habituales hay un circuito primario de agua en el que esta se calienta por la fisión del uranio. Este circuito forma un sistema cerrado en el que el agua circula bajo presión, para que permanezca líquida a pesar de que la temperatura que alcanza es de unos 293ºC. Con el agua del circuito primario se calienta otro circuito de agua, llamado secundario. El agua de este circuito secundario se transforma en vapor a presión que es conducido a una turbina. El giro de la turbina mueve a un generador que es el que produce la corriente eléctrica. Finalmente, el agua es enfriada en torres de enfriamiento, o por otros procedimientos. Figura 7-5 > Esquema del funcionamiento de una central nuclear Plantas hidráulicas, Plantas Hidroeléctricas Es un sistema de generación que utiliza el agua como fuente de energía para producir electricidad, para lo cual transforma la energía de movimiento del agua (energía hidráulica), en energía eléctrica a través de los generadores. Esto se logra al tomar el agua de una o varias fuentes (ríos, lagos, etc.) que se retienen en un embalse (como energía potencial), en un sitio con mayor elevación con respecto a la casa de máquinas. Estas aguas se dirigen por medio de la fuerza de la gravedad, a través de un sistema de conducción (túneles, canales, tuberías, tanques de oscilación, etc.), hasta llegar a casa de máquinas, lográndose convertir la energía potencial en energía cinética (de movimiento) o energía hidráulica. Con su masa y velocidad, el agua hace girar las turbinas (tipo Pelton, Francis o Kaplan), ubicadas en casa de máquinas, las cuales transforman la energía hidráulica en energía rotacional. Los generadores, que se encuentran acoplados a las turbinas por un eje en común, son los encargados de transformar la energía rotacional en energía eléctrica, la cual se traslada a la subestación elevadora (ubicada cerca de la casa de máquinas); ésta se encarga de elevar la tensión o voltaje para que la energía llegue a los centros de distribución con la debida calidad. Todo esteproceso es administrado desde la sala de control de la casa de máquinas. Plantas eólicas: Son todas las que utilizan la energía contenida en el viento, que no es más que capas en movimiento gracias a presentar entre ellas diferente temperatura y densidad. Plantas Solares: El sol es la fuente de energía más importante para la tierra. Gracias a ella existen todos los organismos y se ponen en acción, en última instancia, los procesos terrestres. La energía solar viene en forma de ondas electromagnéticas o fotones. Las plantas vegetales mediante el mecanismo de la fotosíntesis, desde los comienzos de la existencia de la vida misma sobre la faz de la tierra, la han venido capturando en sus hojas y transformándola en energía química como “pegamento” de la estructura molecular en sus tejidos. Los combustibles mismos, no son sino energía del sol acumulada en los tejidos de la estructura molecular y atómica de los seres sobre la tierra, animales y vegetales, actuales o ya desde hace tiempo sepultados (petróleo, carbón, gas natural) como combustibles fósiles. El hombre ha venido intentando imitar los procesos de captura de energía solar que se hacen en la naturaleza y ha logrado montar plantas térmicas de generación de energía, ya sea aprovechando la componente térmica de la radiación solar o la energía electromagnética de los fotones en las plantas fotovoltaicas después de descubrir y utilizar el efecto fotoeléctrico con las celda Solares. Plantas geotermales: Las plantas geotérmicas aprovechan el calor generado por la tierra. A varios kilómetros de profundidad en tierras volcánicas los geólogos han encontrado cámaras magmáticas, con roca a varios cientos de grados centígrados. Además en algunos lugares se dan otras condiciones especiales como son capas rocosas porosas y capas rocosas impermeables que atrapan agua y vapor de agua a altas temperaturas y presión y que impiden que éstos salgan a la superficie. Si se combinan estas condiciones se produce un yacimiento geotérmico. Una vez que se dispone de pozos de explotación se extrae el fluido geotérmico que consiste en una combinación de vapor, agua y otros materiales. Éste se conduce hacia la planta geotérmica donde debe ser tratado. Primero pasa por un separador de donde sale el vapor y la salmuera y líquidos de condensación y arrastre, que es una combinación de agua y materiales. Esta última se envía a pozos de reinyección para que no se agote el yacimiento geotérmico. El vapor continúa hacia las turbinas que con su rotación mueve un generador que produce energía eléctrica. Después de la turbina el vapor es condensado y enfriado en torres y lagunas Consumo de energía Otro tema importante que analizaremos con detalle es la gran diferencia entre la energía consumida en los países desarrollados y en los que están en vías de desarrollo. Con datos de 1991, el 22,6% de la población que vivimos en los países desarrollados consume el 73% de la energía comercial usada en todo el mundo. Esto se traduce en que, de media, cada uno de los habitantes de los países desarrollados usa unas diez veces más energía que una persona de un país no desarrollado. La mitad de la población mundial todavía obtiene la energía principalmente de la madera, el carbón vegetal o el estiércol. En los países más desarrollados el consumo de energía se ha estabilizado o crece muy poco, gracias a que la usamos cada vez con mayor eficiencia. Pero, como hemos dicho, las cifras de consumo por persona son muy altas. En los países en vías de desarrollo está creciendo el consumo por persona de energía porque, para su progreso, necesitan más y más energía. Para hacer frente a los problemas que hemos citado, los países desarrollados quieren frenar el gasto mundial de petróleo y otros combustibles fósiles, pero los países en vías de desarrollo denuncian que eso frena su desarrollo injustamente. La primera forma útil de la energía para el hombre fue la energía calórica y casi inmediatamente la energía mecánica. Posteriormente, al descubrirse la energía eléctrica y sus bondades para su transporte y utilización ésta pasó a ser una de las presentaciones más importantes de la energía para el hombre. El hombre primitivo, sin comprenderlo exactamente, estaba usando una propiedad que tiene la energía de transformarse de una forma a otra. Lo que el hombre primitivo hacía inconscientemente, y el hombre moderno ha venido haciendo conscientemente, es transformar un tipo de energía que le brinda la naturaleza, en un tipo de Energía útil o energía que le permite hacer algún trabajo. Modernamente se reconoce como Energía útil, cualquier tipo de ella que sea posible de convertir completamente en trabajo. Los depósitos de energía en la naturaleza son las llamadas Fuentes de Energía, las Plantas de transformación la convierte en energía útil para que pueda ser utilizada por Los consumidores. CONFIGURACIÓN GENERAL DE UNA PLANTA DE GENERACIÓN DE EXERGÍA Una planta de éstas tiene como finalidad producir un tipo de energía útil para un consumidor a partir de una fuente que contiene alguna clase de energía aprovechable. Esto significa que en el comienzo de la cadena conducente a surtir de energía a un consumidor, está la fuente de energía aprovechable y al final estará el consumidor o usuario final. En forma general cualquier Planta de generación de exergía debe ser comprendida conceptualmente y en términos generales, como conformada por las siguientes partes: 1. Acumulador de energía. 2. Convertidor o Transformador de Energía. 3. Acumulador de Exergía. 4. Distribuidor de Exergía. 5. Descargador de Energía desechada. Al comienzo de la cual estará la fuente de energía aprovechable, que le puede proporcionar la energía, y al fina el consumidor, el cual impone una demanda, que para la planta será su carga. 1. Acumulador de energía: La energía proveniente de una fuente y contenida en un material físicamente identificado, sobre todo cuando se trate de fuentes de energías tradicionales, (carbón, gas natural y petróleo) después de haber sido procesada es enviada por algún medio a los sitios donde se va a consumir. En este caso una Planta de generación de Exergía. Ya en la planta como en el caso de estos materiales combustibles, deben ser almacenados para ser usados en el momento conveniente. Las represas de las plantas hidráulicas cumplen esa finalidad. En el caso de fuentes de energía diferentes, es claro que esta parte de acumulación no necesariamente está perfectamente diferenciada. En el caso del viento, por ejemplo, para las plantas eólicas, la energía disponible está en toda la atmósfera y no es claro el oficio ni la presencia del acumulador de energía. Si lo será, y muy importante, en el caso de la energía hidráulica, en las cuales las presas (o represas) son los verdaderos acumuladores de energía. Es claro pues que esta parte es donde será acumulada la energía como materia prima para ser transformada en la siguiente etapa. 2. Convertidor o Transformador de Energía: Es el que dentro de la planta se encarga de obtener la energía necesaria para el consumidor. Es una parte muy compleja de las plantas de exergía. Está constituido por varios sistemas cada uno encargado de una labor sobre un cuerpo diferente. De esta manera y para el caso de las plantas de combustión, se contará con los siguientes sistemas: 1. Sistema de conversión de energía. 2. Sistema combustible – combustión. 3. Sistema aire – humos o sistema de gases. 4. Sistema de enfriamiento o de refrigeración. 5. Sistema de extracción de cenizas. 6. Sistema eléctrico y de servicios. 7. Sistema de regulación y control. 8. Sistema de tratamiento de agua de reposición. 9. Sistema de tuberías y ductos. 10. Sistema de protección ambiental. El sistema de extracción de cenizas estará presente solo en el caso de los combustibles sólidos. Cada uno de estos sistemas es objeto de estudio en este trabajo. Para el caso de los otros tipos de plantas de generación los sistemas pueden ser diferentes de acuerdo con la finalidad que deban cumplir.
