Cómo funciona una turbina de vapor?
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35. ¿Cuáles son los equipos usados para las transformaciones energéticas? PREGUNTAS Y RESPUESTAS SOBRE LA ENERGÍA El cuadro muestra todos los equipos utilizados en la actualidad para transformar la energía primaria en energía final. Energía solar Células fotovoltaicas Panel solar Energía nuclear Motor combinado Turbina de gas Pila de combustible Energía cinética Energía térmica Reactor nuclear Caldera vapor Quemador de gas Energía química Usuario final Turbina hidráulica Turbo eólica Turbina vapor Máquina vapor Energía mecánica Usuario final Generador Eléctrico Motor Eléctrico Energía eléctrica Usuario final 36. ¿Cómo funciona una caldera de vapor? PREGUNTAS Y RESPUESTAS SOBRE LA ENERGÍA Básicamente una caldera es un recipiente donde se hace hervir agua al suministrarle calor mediante la combustión de un combustible que puede ser carbón, petróleo, gas, biomasa, etc. (o uranio fisionable, en las centrales nucleares). Conceptualmente y desde el punto de vista energético una caldera de vapor es un sistema que convierte la energía electrostática (energía química) contenida en las moléculas de petróleo, gas, carbón, etc., y oxígeno del aire, en energía cinética (energía térmica) contenida en las moléculas de vapor de agua y de CO2 producidas en la combustión fuertemente agitadas (calientes). O2 Aire Petróleo Carbón Caldera de vapor H2O Agua Vapor de agua (alta temperatura) (alta presión) CO2 (Caliente) PREGUNTAS Y RESPUESTAS SOBRE LA ENERGÍA 36. ¿Cómo funciona una caldera de vapor? En la práctica, una caldera de vapor consta de un contenedor en el interior del cual existe una red de tubos que tamizan las paredes de la caldera en forma de serpentín por donde circula el agua. Sobre el exterior de los tubos se aplica la llama y el calor del combustible ardiendo. Con ello, el agua en el interior de los tubos se calienta y se convierte en vapor, saliendo éste a alta temperatura (por encima de los 700-1.000º C) y alta presión por la parte superior de los tubos. Para líquidos Para sólidos PREGUNTAS Y RESPUESTAS SOBRE LA ENERGÍA 36. ¿Cómo funciona una caldera de vapor? La caldera dispone de una chimenea por donde se expulsan al aire los gases producidos en la combustión (estos gases salen a alta temperatura). Parte de ese calor se emplea para calentar el aire que se introduce en los inyectores y mejorar así el rendimiento de la caldera. Por la parte inferior de la caldera se dispone de un recogedor de cenizas. Así mismo, como con los gases de escape también salen cenizas volátiles, las calderas modernas disponen de un “precipitador”, que son filtros electroestáticos que retienen una buena parte de estas partículas volátiles. Chimenea Filtros electroestáticos Recogedor de cenizas 37. ¿Cómo funciona un motor de explosión? PREGUNTAS Y RESPUESTAS SOBRE LA ENERGÍA Básicamente un motor de combustión interna, de explosión o alternativo es una máquina que transforma la energía almacenada en un combustible (petróleo, gas, biocombustibles) en energía mecánica del giro de un eje. Conceptualmente y desde el punto de vista energético un motor de combustión interna es un sistema que convierte la energía electrostática (energía química) contenida en las moléculas de petróleo, gas, biocombustible, y en las de oxígeno del aire, en energía cinética (energía térmica) contenida en las moléculas de vapor de agua y de CO2 producidas en la combustión y fuertemente agitadas (calientes). Como este incremento de la energía cinética de los gases se produce en un recinto cerrado se eleva la presión de los mismos dando lugar a una fuerza que se transmite mediante un mecanismo a un elemento giratorio que adquiere una cierta energía cinética (energía mecánica de giro de un eje con una cierta velocidad y con un cierto par). O2 Aire Petróleo Carbón Motor Energía Mecánica Movimiento de un eje CO2 (Caliente) 37. ¿Cómo funciona un motor de explosión? PREGUNTAS Y RESPUESTAS SOBRE LA ENERGÍA Un motor de combustión interna está compuesto por un cilindro, un pistón en su interior, un eje giratorio llamado cigüeñal y una biela que conecta al pistón con el cigüeñal. Si se introduce en la cámara de combustión (espacio encerrado entre el pistón y el fondo del cilindro o culata) una mezcla de aire y combustible, y se hace arder cuando el pistón se encuentra en la posición más alta, la fuerte expansión del combustible quemado genera una fuerte presión en el interior de la cámara de combustión, lo cual da lugar a una violenta fuerza sobre el pistón, desplazándolo y arrastrando a la biela, y esta al cigüeñal, obligándolo a girar. En la práctica estos motores tienen una serie de mecanismos adicionales para su correcto funcionamiento, siendo los más importantes las válvulas (que permiten que entren en la cámara de combustión el aire y el combustible y que salgan de ella los gases quemados). Según el sistema de llenado y vaciado, los motores pueden ser de cuatro tiempos y de dos tiempos y según el sistema de encendido de la mezcla, de encendido provocado (por una bujía que hace saltar una chispa) o de autoencendido (cuando la mezcla alcanza una cierta presión, y con ella, una alta temperatura, se produce su inflamación espontánea). 37. ¿Cómo funciona un motor de explosión? PREGUNTAS Y RESPUESTAS SOBRE LA ENERGÍA Funcionamiento de un motor de cuatro tiempos: El primer tiempo (primer medio giro del cigüeñal), se produce la entrada de aire y combustible en el cilindro. La válvula de admisión (A) está abierta y la de escape (E), cerrada. Cuando el pistón llega a la parte baja, se cierra la válvula de admisión. En el segundo tiempo (segundo medio giro del cigüeñal), el pistón sube, comprimiendo los gases encerrados entre la parte alta del pistón y el fondo del cilindro (este trabajo de comprensión de los gases se efectúa a expensas de la energía cinética acumulada en los elementos móviles del motor, que obviamente disminuirá algo su velocidad). En esta carrera, las dos válvulas A y E permanecerán cerradas. El tercer tiempo se inicia cuando el pistón está en la parte superior, y la mezcla comprimida. En este momento se produce la ignición y la mezcla arde casi instantáneamente (provocándose una auténtica explosión). La presión en el interior de la cámara aumenta fuertemente, y el pistón es impelido a desplazarse hacia abajo, empujando el cigüeñal para que gire. Esta es la única carrera en la que se transfiere energía del combustible al cigüeñal. Cuando el pistón llega a su posición inferior, en el interior del cilindro se encuentran los gases residuales de la combustión a una cierta presión y elevada temperatura. En el cuarto y último tiempo se produce la expulsión de estos gases al exterior. Se abre la válvula de escape E y el pistón al subir saca los gases del cilindro. Al llegar a su parte superior se cierra la válvula de escape y el motor ha completado el cuarto tiempo de su ciclo de trabajo. PREGUNTAS Y RESPUESTAS SOBRE LA ENERGÍA 37. ¿Cómo funciona un motor de explosión? El funcionamiento de un motor de dos tiempos es más sencillo, y se produce una carrera de trabajo por cada vuelta completa del cigüeñal. Cuando el pistón sube y comprime la mezcla aire-combustible sin quemar (compresión), la lumbrera de admisión queda abierta, y por ella entran nuevos gases al cárter del motor. El propio pistón mantiene taponada la lumbrera de escape. Cuando el pistón baja, impelido por la explosión de los gases, llega un momento que deja libre lumbrera de escape, produciéndose el vaciado de la cámara de combustión. Al llegar al final de su carrera descendente se libera el paso de los gases del cárter, que penetran en la cámara de combustión, iniciándose el ciclo. 37. ¿Cómo funciona un motor de explosión? PREGUNTAS Y RESPUESTAS SOBRE LA ENERGÍA MOTOR DE AUTOMÓVIL 37. ¿Cómo funciona un motor de explosión? PREGUNTAS Y RESPUESTAS SOBRE LA ENERGÍA MOTOR MARINO 38. ¿Cómo funciona una turbina de vapor? PREGUNTAS Y RESPUESTAS SOBRE LA ENERGÍA Básicamente una turbina de vapor es un máquina que transforma la energía almacenada en un combustible (petróleo, gas, biocombustibles) en energía mecánica del giro de un eje. Conceptualmente y desde el punto de vista energético una turbina de vapor convierte la energía cinética (térmica) almacenada en las moléculas de vapor de agua fuertemente agitadas (calientes) procedentes de una caldera de vapor en energía cinética incorporada en el giro del eje de la turbina, con una cierta velocidad y un cierto par (energía mecánica). Vapor de agua (alta temperatura) (alta presión) Turbina de vapor Energía Mecánica Movimiento de un eje Vapor de agua (Baja temperatura) (Baja presión) 38. ¿Cómo funciona una turbina de vapor? En una turbina de vapor el vapor procedente de la caldera se confina en un recinto cerrado que hace que aumente la presión, saliendo luego por un orificio a gran velocidad. PREGUNTAS Y RESPUESTAS SOBRE LA ENERGÍA Este “chorro de vapor” se hace incidir sobre los álabes de una turbina, haciendo que esta gire. Esquema de funcionamiento En la práctica, las turbinas de vapor se diseñan para transferir la mayor cantidad posible de la energía del vapor al eje de la turbina, lo cual significa que la presión y temperatura a la salida de la turbina debe ser lo más baja posible (respecto de los valores de entrada). Como es prácticamente imposible transferir toda la energía cinética del vapor a una sola turbina, lo que se hace en la práctica es colocar una serie de estas (normalmente tres), unidas entre sí (sobre el mismo eje giratorio). 38. ¿Cómo funciona una turbina de vapor? PREGUNTAS Y RESPUESTAS SOBRE LA ENERGÍA P1e Eje P2s C1 P1s P3e C2 C3 Energía Mecánica P2e Movimiento de un eje Varias etapas en una turbina de vapor El primer cuerpo es el que recibe el vapor a la más alta presión (P1e). Tiene centenares de álabes o paletas de pequeño tamaño. La presión a la salida de este cuerpo ha descendido a P1s. En el segundo cuerpo entra el vapor a la presión P2e = P1s. Es el cuerpo de media presión. Posee también centenares de álabes, pero de mayor tamaño que los de cuerpo anterior. La presión del vapor a la salida ha descendido a P2s. El tercer cuerpo es el de baja presión. Se compone de cientos de álabes, pero de tamaño superior a los dos anteriores. La presión entra en P3e = P2s y sale al valor P3s que es la más baja. El salto de presión total (P1e – P3s) (y el de temperatura) da idea del rendimiento de la transformación. Desde el punto de vista de la forma y disposición de los álabes, así como de la cámara por donde circula el vapor, las turbinas pueden ser de flujo axial o de flujo radial. 38. ¿Cómo funciona una turbina de vapor? PREGUNTAS Y RESPUESTAS SOBRE LA ENERGÍA ROTOR DE UNA TURBINA DE VAPOR 39. ¿Cómo funciona una turbina de gas? PREGUNTAS Y RESPUESTAS SOBRE LA ENERGÍA Básicamente una turbina de gas es un máquina que transforma la energía almacenada en un combustible (petróleo, gas, biocombustibles) en energía mecánica del giro de un eje. Conceptualmente y desde el punto de vista energético una turbina de gas es un sistema que convierte la energía electrostática (energía química) contenida en las moléculas de petróleo, gas, biocombustible, y en las de oxígeno del aire, en energía cinética (energía térmica) contenida en las moléculas de vapor de agua y de CO2 producidas en la combustión y fuertemente agitadas (calientes). Estas moléculas se hacen impactar contra los álabes de un rotor, a los cuales le transfieren parte de su energía cinética incorporada en el giro del eje de la turbina, con una cierta velocidad y un cierto par (energía mecánica). O2 Aire Petróleo Carbón Turbina de gas Energía Mecánica Movimiento de un eje CO2 (Caliente) 39. ¿Cómo funciona una turbina de gas? PREGUNTAS Y RESPUESTAS SOBRE LA ENERGÍA A diferencia de la turbina de vapor la turbina de gas posee una cámara de combustión, en la cual se producen los gases residuales, a alta presión y temperatura, que son lanzados contra los álabes. Además, en la cámara de combustión ha de introducirse un alto caudal de aire, por lo cual también precisa un compresor (en estas turbinas, la presión atmosférica, por si sola, no podría introducir en la cámara de combustión la gran cantidad de oxígeno que se precisa para quemar grandes volúmenes de combustible, y obtener así grandes potencias). Combustible O2 Aire Cámara de combustión Eje Compresor Turbina Energía Mecánica Movimiento de un eje CO2 (Caliente) Esquema técnico de una turbina de gas PREGUNTAS Y RESPUESTAS SOBRE LA ENERGÍA 39. ¿Cómo funciona una turbina de gas? El aire es comprimido en el compresor, a alta presión (lo cual eleva su temperatura) y se envía a la cámara de combustión. En ella se inyecta el combustible (petróleo o gas), que se inflama (sin que suba mucho la presión, puesto que los gases procedentes de la combustión van directamente a la turbina, haciendo que esta gire). Normalmente el eje del compresor está directamente unido al de la turbina, de manera que cerca del 50% del trabajo mecánico generado por esta es absorbido por el compresor. (Si se descuenta la energía perdida en los gases de escape enviados a la atmósfera, la energía mecánica útil que puede obtenerse en estas turbina de gas no excede del 30% de la energía química introducida en la misma. Para mejorar el rendimiento del compresor y de la turbina, el primero se compone de múltiples etapas (normalmente entre 10 y 20 y la turbina de 3 y 4 etapas), Rotor de una turbina de gas 40. ¿Cómo funciona una turbina hidráulica? PREGUNTAS Y RESPUESTAS SOBRE LA ENERGÍA Básicamente una turbina hidráulica es un máquina que transforma la energía almacenada en agua en altura en energía mecánica del giro de un eje con un cierto par. Conceptualmente y desde el punto de vista energético una turbina hidráulica convierte la energía cinética almacenada en las moléculas de agua en movimiento (procedentes de un embalse o de un rio) en energía cinética incorporada en el giro del eje de la turbina, con una cierta velocidad y un cierto par (energía mecánica). H2O Agua (caudal y presión) Turbina hidráulica Energía Mecánica Movimiento de un eje NOTA: El hecho de que una turbina hidráulica intercambie muy poca energía en forma térmica con el medio circundante hace que su rendimiento sea muy elevado PREGUNTAS Y RESPUESTAS SOBRE LA ENERGÍA 40. ¿Cómo funciona una turbina hidráulica? Según la altura del agua y la cantidad de esta que pasa por la turbina estas se clasifican en dos categorías (para alcanzar la misma potencia): turbinas de medio y alto caudal y poca altura (como puede ser la turbina Francis y la turbina Kaplan) y turbinas de mucha altura y poco caudal (como la turbina Pelton). Técnicamente la turbina Pelton no es más que un rodete, con álabes en forma de las medias cáscaras de nuez (que derivan hacia los lados al chorro incidente de agua), y un inyector por donde sale un chorro de agua a gran velocidad que incide sobre las paletas, haciéndolas girar. La potencia se regula controlando la cantidad de agua que sale por el inyector. Su rendimiento es muy alto ya que prácticamente el 90% de la energía del agua se transforma en energía mecánica en el eje. Además, este rendimiento se mantiene en un rango de potencias superior al 80%. Son, por tanto, turbinas muy apropiadas para trabajar con cargas parciales, y en consecuencia, para regular sistemas eléctricos (ajuste de la curva demanda-producción). Turbina Pelton PREGUNTAS Y RESPUESTAS SOBRE LA ENERGÍA 40. ¿Cómo funciona una turbina hidráulica? La turbina Francis está formada por un “distribuidor” formado por una serie de álabes (fijos o movibles) que encauzan el agua hacia el rodete (en grandes caudales y a relativamente poca velocidad comparada con el chorro de la Pelton) y un rodete (formado por una serie de paletas torsionadas, de manera que reciben el agua en dirección radial y la orientan en dirección axial (el agua entra lateralmente y cae hacia abajo). La turbina cuenta con un tubo de aspiración o de salida de agua, por su parte inferior, que se encarga de mantener la diferencia de presiones necesaria para alcanzar el máximo rendimiento de la turbina. La turbina Kaplan, o “turbina de hélice”, está formada por una “cámara de entrada”, un “distribuidor”, un “rodete” que contiene cinco palas fijas en forma de hélice de barco y el tubo de “aspiración o descarga”. Este tipo de turbinas se emplean para saltos pequeños y caudales variables. Turbina Francis Turbina Kaplan 41. ¿Cómo funciona una turbina eólica? PREGUNTAS Y RESPUESTAS SOBRE LA ENERGÍA Básicamente una turbina eólica (aeromotor) es un máquina que transforma la energía almacenada en el viento en energía mecánica del giro de su eje. Conceptualmente y desde el punto de vista energético una turbina eólica convierte la energía cinética almacenada en las moléculas del aire en movimiento en energía cinética incorporada en el giro del eje de la turbina, con una cierta velocidad y un cierto par (energía mecánica). Aire en movimiento Turbina eólica Energía Mecánica Movimiento de un eje En las turbinas eólicas el elemento giratorio que capta la energía del viento se denomina “rotor” y se compone del buje y del eje de entrada unidos rígidamente entre sí, y las “palas”, unidas o caladas en el buje. Según el número de palas del rotor, las turbinas eólicas (o aeroturbinas) se clasifican en monopalas, bipalas, tripalas o multipalas. PREGUNTAS Y RESPUESTAS SOBRE LA ENERGÍA 41. ¿Cómo funciona una turbina eólica? A su vez según la sección recta de las palas, estas se clasifican en palas de sección recta de espesor constante (palas planas, de chapa de acero o lonas) y de sección recta no constante, o palas con perfil aerodinámico. En el primer caso, el viento transfiere su energía cinética a la pala por “empuje”, mientras que en el segundo caso lo hace por “sustentación” (en un perfil aerodinámico el aire que circula por la parte casi recta de la pala no ve modificada su presión, mientras que el que circula por la parte cóncava se ve acelerado, disminuyendo como consecuencia su presión, y causando un efecto de “succión” de la pala, la cual es la que origina el giro del buje). PREGUNTAS Y RESPUESTAS SOBRE LA ENERGÍA 41. ¿Cómo funciona una turbina eólica? En estas máquinas, la potencia de captación es proporcional al cubo de la velocidad del viento y al área barrida (la cual, a su vez, es función del cuadrado del diámetro). Por ello, para captar potencias elevadas se necesitan rotores muy grandes (en la actualidad se fabrican rotores de más de 100 m de diámetro, para obtener potencias mecánicas del orden de los 2–5 MW). Además, para regular la potencia captada y adaptarse a la variabilidad de viento, las aeroturbinas incorporan mecanismos de “cambios de paso” (para adaptar la inclinación de la pala respecto del viento incidente a las diferentes velocidades de este, y poder captar, en cada caso, la máxima energía posible),mecanismos de orientación (para mantener la turbina enfrentada al viento) y mecanismos de “freno”, tanto mecánicos como aerodinámicos, para provocar la parada de la turbina. 42. ¿Cómo funciona un panel solar térmico? PREGUNTAS Y RESPUESTAS SOBRE LA ENERGÍA Básicamente un panel solar térmico es un máquina que transforma la energía procedente del sol en agua caliente. Conceptualmente y desde el punto de vista energético un panel solar térmico convierte la energía electromagnética incorporada en los rayos solares en energía cinética incorporada en las moléculas de agua situadas en el interior del propio panel, que oscilan más fuertemente (energía térmica). De acuerdo a la temperatura alcanzada por el agua los paneles solares térmicos se clasifican de baja temperatura (menos de 90 ºC), media temperatura (entre 90 ºC y 400 ºC) y alta temperatura (entre 400 ºC y 1.200 ºC). De acuerdo al movimiento del agua dentro del panel, y desde y hacia el exterior, se clasifican en activos (el agua circula por efectos de su estratificación térmica, es decir, por ascenso del agua caliente y descenso de la fría) y pasivos (incorporan una bomba que mueve el agua para que circule por el panel). Los paneles solares de baja temperatura (por debajo del punto de ebullición) se suele destinar al calentamiento de agua para uso sanitario. Los de media temperatura se emplean para la producción de calor en procesos industriales, como es el caso de vapor a temperaturas superiores a los 150ºC, y también la producción de electricidad. Los de alta temperatura se emplean para la producción de electricidad por diferentes sistemas. 42. ¿Cómo funciona un panel solar térmico? PREGUNTAS Y RESPUESTAS SOBRE LA ENERGÍA Panel solar térmico de baja temperatura, activo y de circuito abierto. El agua caliente del panel (colector solar) pasa a la parte alta del acumulador por efecto de su estratificación térmica y es esta agua la que se envía al consumo. El agua caliente salida es repuesta con agua fría de entrada por la parte inferior. 42. ¿Cómo funciona un panel solar térmico? Panel solar térmico de baja temperatura, pasivo y de circuito cerrado. PREGUNTAS Y RESPUESTAS SOBRE LA ENERGÍA El agua caliente del colector solar se hace pasar a través de un intercambiador de calor mediante una bomba y se devuelve al colector de nuevo, más fría (circuito cerrado primario). El agua fría del exterior es introducida por otra bomba en el intercambiador, donde es calentada por el agua caliente del circuito primario, saliendo más caliente, e introducida en el depósito acumulador por su parte superior desde donde se envía al consumo. El agua caliente salida es repuesta con agua fría de entrada por la parte inferior (circuito secundario abierto). 42. ¿Cómo funciona un panel solar térmico? PREGUNTAS Y RESPUESTAS SOBRE LA ENERGÍA Ejemplo de instalaciones de paneles solares térmicos de baja temperatura. 42. ¿Cómo funciona un panel solar térmico? PREGUNTAS Y RESPUESTAS SOBRE LA ENERGÍA Instalación solar de media temperatura con paneles de concentración cilíndricos parabólicos. Constan de un circuito primario por donde se hace circular aceite mediante una bomba (se usa aceite al ser un fluido que no pase a la fase de vapor a la temperatura de trabajo). El aceite caliente pasa por un intercambiador aceite – agua, donde el agua fría de entrada eleva su temperatura y pasa a vapor, pudiendo este utilizarse directamente como tal o accionar una turbina de vapor. 42. ¿Cómo funciona un panel solar térmico? PREGUNTAS Y RESPUESTAS SOBRE LA ENERGÍA Instalación solar de alta temperatura con espejos planos de reflexión y concentración en torre. Constan de un circuito primario por donde se hace circular sodio líquido mediante una bomba (se usa sodio líquido al ser un fluido que soporta temperaturas de trabajo muy altas). El sodio líquido pasa por un intercambiador sodio – agua donde el agua fría de entrada pasa a vapor a elevada temperatura y presión. Este vapor es utilizado en una turbina de vapor para producir electricidad. 43. ¿Cómo funciona un panel solar fotovoltaico? PREGUNTAS Y RESPUESTAS SOBRE LA ENERGÍA La energía solar fotovoltaica se basa en la utilización de células solares o células fotovoltaicas conformadas con materiales semiconductores cristalinos (el silicio dopado con selenio u otros metales) que por el efecto fotovoltaico generan corriente eléctrica cuando sobre los mismos incide la radiación solar. Esta corriente es continua y varia según la radiación solar incidente por lo que se precisan varios equipos auxiliares para su uso como son un regulador (tiene como función evitar que las baterías reciban más energía que la máxima que estás son capaces de almacenar y prevenir las sobrecargas que agotarían en exceso la carga de las misma), unas baterías (para almacenar la energía eléctrica generada que no está siendo utilizada por el consumidor y que este pueda disponer de energía en ausencia de sol) y un inversor (cuando se desee pasar la corriente continua a la alterna). 44. ¿Cómo funciona una pila de combustible? PREGUNTAS Y RESPUESTAS SOBRE LA ENERGÍA Básicamente una “pila de combustible” es un dispositivo que convierte la energía de ciertos combustibles directamente en electricidad. Conceptualmente y desde el punto de vista energético una “pila de combustible” es un dispositivo sin partes móviles que transforma directamente la energía electrostática (química) de combustibles gaseosos (normalmente hidrógeno puro) y del oxígeno del aire en energía electromagnética (eléctrica) y también en energía cinética (térmica) de las moléculas de los gases generados (vapor de agua). O2 Oxigeno Hidrógeno Hidrocarburo Pila de combustible H2O Agua Electricidad (Energía química) PREGUNTAS Y RESPUESTAS SOBRE LA ENERGÍA 44. ¿Cómo funciona una pila de combustible? Se presenta el esquema de una “celda de combustible” típica, formada por las dos placas colectoras (que ceden y reciben los electrones liberados), una placa catódica y otra anódica asociadas a las anteriores, sendas capas de material inerte por donde se introduce el oxígeno (aire) y el “combustible” (hidrógeno, por ejemplo), una membrana de intercambio protónico (que permite el paso de los iones de hidrógeno H+, o sea, el protón, pero no el paso de electrones ni de átomos de hidrógeno H2), un electrolito (de varios tipos) y un catalizador (normalmente platino). 44. ¿Cómo funciona una pila de combustible? PREGUNTAS Y RESPUESTAS SOBRE LA ENERGÍA El funcionamiento de la celda de combustible es el siguiente (suponiendo que el combustible es hidrógeno puro): Se introduce el hidrógeno por la capa inerte y por la acción del ánodo se separan sus electrones, formándose los iones H+ (protones). Los electrones liberados pasan al cátodo a través del circuito eléctrico exterior (no pueden atravesar la membrana), mientras que los protones (H+) traspasan la membrana atraídos por el cátodo. Este proceso de ionización se ve favorecido por el catalizador de platino. La reacción química en el ánodo es: 2H2 4H+ + 4e- Los iones H+, una vez en el cátodo, se combinan con el oxígeno entrante (aire introducido a través de la otra capa de material inerte) y con los electrones provenientes del circuito exterior, dando lugar a agua, según la siguiente reacción: 4e- + O2 + 4H+ 2H2O La reacción conjunta (exotérmica) es, por tanto: 2 H2 + O2 2H2O En una celda la corriente generada, y la tensión implícita, es muy baja de ahí que se unan varias celdas de combustibles, conectadas en serie, para formar las “pilas de combustible” de manera que la tensión de la corriente (continua) de salida pueda ser elevada. El rendimiento teórico de una pila de combustible está próximo al 80%, mientras que el real supone el 50% (frente a un 15-25% de un motor térmico de automóvil, por ejemplo). 45. ¿Cómo funciona un generador eléctrico? PREGUNTAS Y RESPUESTAS SOBRE LA ENERGÍA Conceptualmente, un generador eléctrico es un sistema que convierte la energía cinética de rotación de un eje a una cierta velocidad y con un cierto par (energía mecánica) en energía electromagnética (electricidad que se transmite por un circuito eléctrico). Por el contrario, un motor eléctrico transforma la energía eléctrica en energía mecánica. Ambos sistemas son, desde un punto de vista conceptual e incluso práctico, idénticos, por lo que sólo se hallará aquí de generadores eléctricos. Energía eléctrica Energía Mecánica Motor Giro de un eje Generador eléctrico Energía Mecánica Giro de un eje Energía eléctrica 45. ¿Cómo funciona un generador eléctrico? PREGUNTAS Y RESPUESTAS SOBRE LA ENERGÍA El generador eléctrico se basa en la experiencia de que al mover un conductor en el seno de un campo magnético, sobre los electrones libres de estos materiales actúa una fuerza que los hace moverse, a la que se denomina “fuerza electromotriz”. La dirección de esta fuerza electromotriz (y con ella, la dirección de la corriente), es función de la dirección del movimiento del conductor y de la dirección del campo magnético y la da la “regla de la mano izquierda” como se muestra en la figura. PREGUNTAS Y RESPUESTAS SOBRE LA ENERGÍA 45. ¿Cómo funciona un generador eléctrico? Técnicamente, un “generador eléctrico elemental” está formado por un potente imán que crea el campo magnético (con su flujo magnético que va del polo norte al polo sur) y en su interior se coloca una “espira” de un material conductor que se hace girar acoplada el eje de un motor, turbina, etc. La espira giratoria termina en unos “anillos rotantes” o “escobillas” que permiten transferir la energía eléctrica en ella generada al circuito eléctrico exterior por simple contacto con rozamiento (hay que tener presente que la espira gira continuamente, mientras que el circuito exterior permanece inmóvil). 45. ¿Cómo funciona un generador eléctrico? La corriente eléctrica generada (su tensión y su intensidad) depende de la intensidad del campo magnético, de la rapidez con que se mueva el conductor en su seno y del número de espiras. PREGUNTAS Y RESPUESTAS SOBRE LA ENERGÍA Tensión Ciclo Como la espira está girando, la posición relativa de los cuatro tramos conductores que la componen modifica su posición respecto del campo magnético de manera que la fuerza electromotriz inducida total (suma de la de los 4 tramos) también irá variando. El resultado es una tensión (y una intensidad) de la corriente que tiene una variación senoidal. En cada vuelta de la espira la tensión pasa desde cero a un valor máximo, luego vuelve a cero, y desde aquí a un valor mínimo (y negativo) y luego vuelve a cero. Se obtiene, así, lo que se conoce como una corriente alterna. En los motores eléctricos se produce el efecto contrario. Al introducirse una corriente alterna por una espira (que puede girar sobre un eje), que se encuentra en un campo magnético, sobre la misma aparece una fuerza mecánica que la hace girar. 46. ¿Cómo funciona una central de ciclo combinado? Los gases calientes que salen en la turbina de gas se llevan a un intercambiador gas-agua, donde se logra la vaporización de esta y el vapor producido se inyecta en una turbina de vapor. Con ello el rendimiento del conjunto (conversión combustible-electricidad) puede elevarse hasta un 50%. Combustible Quemador Compresor Turbina de gas Generador eléctrico Usuarios PREGUNTAS Y RESPUESTAS SOBRE LA ENERGÍA Las centrales eléctricas de ciclo combinado se componen de una turbina de gas acoplada a un generador eléctrico y otra turbina de vapor también con su generador eléctrico propio. Gases calientes Aire Intercambiador Gases fríos Vapor Turbina de gas Vapor Condensador Bomba de agua Generador eléctrico Agua fría Agua caliente 47. ¿Cómo está formada una red eléctrica? PREGUNTAS Y RESPUESTAS SOBRE LA ENERGÍA Un Sistema Eléctrico o una red eléctrica está compuesto por uno o varios sistemas de generación y por múltiples sistemas de carga. El uso de estos últimos determina la “demanda” del sistema eléctrico. El sistema de generación y los sistemas de carga se unen por las redes eléctricas de transporte (media y alta tensión) y de distribución (baja tensión). Los cambios de tensión se producen en las estaciones transformadoras. Estos sistemas se complementan y controlan con los correspondientes sistemas de regulación y control. Obviamente debe cumplirse que en cada instante la potencia de generación sea idéntica a la de demanda, pues de no ser así el sistema se “desestabiliza”, es decir, se producen variaciones de la tensión y la frecuencia de la red en la red eléctrica que causa múltiples perjuicios. PREGUNTAS Y RESPUESTAS SOBRE LA ENERGÍA 48. ¿Cómo varía la demanda en una red eléctrica? La demanda de energía depende de las necesidades y costumbres del consumidor, y en consecuencia es una cantidad enormemente variable. Tal variación se refiere tanto a “cantidad” (MW en cada instante) como en “rapidez” de las variaciones. La figura muestra los cambios en la demanda de energía eléctrica en el sistema del Reino Unido durante la exhibición de una película de James Bond por televisión, en el año 1975. Los picos (a) y (e) reflejan el comienzo y finalización del film y los (b), (c) y (d) los espacios comerciales (en estos la gente se levanta, enciende las luces, se mueve por la casa). Los valles son los periodos de exposición de la película en que las personas permanecen quietas y con las luces apagadas. Como se ve, son variaciones rápidas en el tiempo, que suponen en algunos casos diferencias de más de 1GW. 48. ¿Cómo varía la demanda en una red eléctrica? PREGUNTAS Y RESPUESTAS SOBRE LA ENERGÍA A margen de las fluctuaciones rápidas en las redes eléctricos se reconocen unas claras fluctuaciones horarias, variables de unas estaciones del año a otras sociedades a otras y de unas regiones a otras y de unas sociedades a otras. La figura muestra el perfil diario de la demanda en un sistema eléctrico Occidental en los meses de verano y en los de invierno. Puede observarse el pico de la mañana que coincide con el trabajo en fábricas y oficinas y el pico de la tarde-noche con el uso intenso de la iluminación y calefacción domésticas. 48. ¿Cómo varía la demanda en una red eléctrica? PREGUNTAS Y RESPUESTAS SOBRE LA ENERGÍA Igualmente, también es fácil de apreciar en todos los sistemas eléctricos unas variaciones mensuales (estacionales), con claras diferencias entre las demandas medias de verano y de invierno (evidentemente, diferentes de unos países y regiones a otros). La figura muestra una curva típica de variación estacional de la demanda en un país centroeuropeo. En los meses de verano desaparece la calefacción y se cierran muchas empresas y domicilios por vacaciones. Evidentemente, combinando todas las gráficas anteriores pueden obtenerse curvas de demanda más o menos próximas a la realidad, y sobre las cuales las empresas eléctricas establecen sus estrategias de operación y de crecimiento. PREGUNTAS Y RESPUESTAS SOBRE LA ENERGÍA 49. ¿Cómo varía la oferta en una red eléctrica? Desde el lado de la oferta los sistemas eléctricos están constituidos por centrales nucleares, centrales térmicas de energías no renovables (carbón, de petróleo, gas, biocombustibles, etc. con diferentes sistemas de generación, como pueden ser las turbinas de vapor, turbinas de gas, motores diesel, ciclos combinados) y centrales de energías renovables (hidráulicas, eólicas, solares, etc.). Todas ellas actuando casi siempre de forma conjunta en los grandes sistemas eléctricos. No todos los equipos de generación eléctrica tienen la misma facilidad para variar su potencia con precisión y rapidez, ni tampoco hacerlos funcionar muchas horas a baja potencia (pérdidas de rendimiento, baja amortización, etc.) y por estas razones los sistemas eléctricos disponen de unos equipos de generación “de base” y otros para “las puntas de demanda”. Los de base son los menos flexibles, como pueden ser las centrales nucleares que siempre se hacen funcionar en su punto óptimo. Dentro de este grupo y un poco más flexibles se encuentran las centrales térmicas que queman carbón, gas o petróleo . Finalmente, y para cubrir “puntas de demanda” se emplean los motores de combustión interna y las turbinas de gas. Aparte de todos estas se encuentran las centrales hidráulicas (cuya potencia es perfectamente adaptable a cualquier demanda) y las centrales de energías renovables con una potencia fluctuante y por ello menos adaptables a las variaciones de la demanda. 50. ¿Cómo se acoplan la oferta y la demanda en una red eléctrica? PREGUNTAS Y RESPUESTAS SOBRE LA ENERGÍA Como es lógico el “ajuste” entre la producción y la demanda ha de ser perfecto en cada momento. (Igualdad entre la potencia demandada y la generada, de manera que en todo momento se mantengan constantes la tensión y la frecuencia de la corriente eléctrica inyectada en la red). Dado que la demanda se modifica con una cierta aleatoriedad es preciso una variación continua de la oferta energética, es decir, de la potencia de los equipos de generación. Todo esto se complica cuando en el sistema actúan equipos de generación basados en energías renovables, como la eólica o la solar, que pueden sufrir rápidas variaciones a lo largo del tiempo. Por todo ello la definición de un sistema eléctrico producción – demanda es un asunto complejo, desde el punto de vista técnico (y aún más del económico). En la figura se presenta un sistema eléctrico compuesto por diferentes equipos de generación para cubrir una demanda horaria, tanto en verano como en invierno. (El rectángulo amarillo representa la potencia de la central nuclear y el rectángulo en negro la potencia de los grupos de carbón, petróleo y gas). Se observa que en invierno, entre las 0 horas y las 6 horas existe un exceso de potencia de generación (que obliga a disminuir la producción en las centrales de carbón, petróleo o gas), mientras que entre las 18 horas y las 20 horas existe un pico de demanda que este conjunto de equipos no puede producir, por lo que habría que recurrir al arranque de grupos diesel o turbinas de gas, por ejemplo. Una forma ideal para resolver este problema es disponer de un sistema que almacene la energía cuando la oferta supere a la demanda y que la devuelva al sistema cunado ocurra lo contrario 51. ¿De qué formas se puede almacenar la energía? PREGUNTAS Y RESPUESTAS SOBRE LA ENERGÍA Existen muchos sistemas para almacenar energía en sus diversas manifestaciones, entre los cuales destacan los siguientes: Almacenamiento en forma de energía gravitatoria (potencial): – Bombeo de agua a cotas altas – Aire comprimido (bombeo de aire a presiones altas) Almacenamiento en forma de energía cinética: – Volantes de inercia – Calor sensible (incremento de temperatura) – Calor latente (cambios de estado) Almacenamiento en forma de energía electrostática (química): – Producción de hidrógeno – Baterías de acumuladores (electroquímica) – Batería de condensadores 52. ¿Cuáles son los equipos para almacenar electricidad? Batería Fuente de energía PREGUNTAS Y RESPUESTAS SOBRE LA ENERGÍA De los sistemas contemplados sólo dos pueden emplearse para el almacenamiento de energía en forma de electricidad a gran escala (a nivel de medianos y grandes sistemas eléctricos). El bombeo de agua y la producción de hidrógeno. A una escala menor (por debajo de pocos miles de Wh), se emplean las baterías acumuladoras, el aire comprimido y los volantes de inercia. Compresor de aire Almacén de aire comprimido Turbina de aire Generador eléctrico Consumo energético Generador eléctrico Electrólisis del agua Bomba de agua Depósito de agua bombeada Depósito de hidrógeno Depósito de oxígeno Turbina hidráulica Pila de combustible Generador eléctrico NOTA: En realidad lo que se almacena es energía procedente de fuentes no renovables (uranio, carbón, gas, petróleo) o renovables (eólica, solar, etc.), la cual es transmitida por el vector energético que constituye la electricidad. 53. ¿Cómo se almacena la electricidad en forma de agua en altura ? PREGUNTAS Y RESPUESTAS SOBRE LA ENERGÍA La forma más eficiente de acumular electricidad la constituye el bombeo de agua en altura, conformando lo que se conoce como centrales hidráulicas reversibles. Constan esencialmente de dos embalses a diferente cota , un conjunto de bombas para subir el agua del embalse inferior al superior y una turbina hidráulica para producir electricidad en la caída del agua, además de las tuberías correspondientes. Como se ve no son centrales de generación como las térmicas o renovables, sino centrales de regulación y almacenamiento de electricidad entre los que se bombea agua cuando hay un excedente de energía eléctrica en el sistema eléctrico (de procedencia térmica o renovable), o se turbina el agua del embalse superior, produciéndose en ese caso energía eléctrica para enviar a la red cuando hay déficit de energía eléctrica procedente de térmicas o renovables. Acopladas a centrales térmicas se emplean como reguladores de potencia (cubrir puntas de demanda) o como sistemas de almacenamiento energético (excedentes energéticos de centrales nucleares, cuya potencia no puede ser disminuida fácilmente). 1m3 de agua, elevada a 100 metros de altura, tiene una energía de 0,2725 kWh y a 1.000 metros, 2,725 kWh PREGUNTAS Y RESPUESTAS SOBRE LA ENERGÍA 54. ¿Cómo se almacena la electricidad en forma de hidrógeno? Una forma de almacenar electricidad la constituye la producción de hidrógeno y su almacenamiento posterior en tanques refrigerados y presurizados (en la forma de hidrógeno líquido o en grandes depósitos rellenados con materiales absorbentes del hidrógeno como hidruros reversibles, zeolitas, etc.). La energía puede ser recuperada quemando al hidrógeno en un motor (generando agua como residuo) o en una pila de combustible, produciendo directamente electricidad. 55. ¿Cómo se almacena la electricidad en forma de aire comprimido? PREGUNTAS Y RESPUESTAS SOBRE LA ENERGÍA La electricidad puede almacenarse bombeando el aire (mediante compresores accionados eléctricamente) a depósitos donde pueda comprimirse, tanto al aire libre como en grandes depósitos subterráneos. La energía almacenada depende del volumen del recipiente y de la presión del almacenamiento (conseguida con compresores accionados por energía eléctrica), que obviamente, debería ser lo más alta posible (Por ejemplo, para almacenar 1.500 MWh se precisarían 2.106 m3 de aire a 10 bares, o 64.000 m3 a 100 bares). 56. ¿Cómo se almacena la electricidad en forma de inercia ? PREGUNTAS Y RESPUESTAS SOBRE LA ENERGÍA La electricidad puede ser almacenada acelerando un volante de inercia, mediante un motor eléctrico, hasta la velocidad de rotación deseada. La energía almacenada depende de su “momento de inercia (I) (que a su vez es función del cuadrado del diámetro)” y del cuadrado de la velocidad del giro (w). E = ½ I·w2 Suponiendo que la velocidad del giro puede ser tan grande como se desee la máxima energía que puede almacenarse dependerá de la resistencia del material (a velocidades muy altas, las masas giratorias tienden a romperse por efecto de las grandes fuerzas de inercia) (Por ejemplo, con un volante de un diámetro de 4,75 metros, y una masa de 150 Tn, girando a 3.500rpm, podría almacenarse una energía de 10 MWh). Se han diseñado volantes de inercia, de materiales muy resistentes, capaces de girar a 150.000 rpm en un depósito donde se ha hecho el vacío, con un diámetro de 1m, que colocados en un automóvil le darían la misma autonomía de funcionamiento que la que se conseguiría con el tanque de gasolina lleno. PREGUNTAS Y RESPUESTAS SOBRE LA ENERGÍA 57. ¿Cómo se almacena la energía en baterías? Una forma de almacenar electricidad la constituye la producción de una reacción química reversible entre dos sustancias, como puede ser el plomo y el ácido sulfúrico (batería plomo – ácido), litio (betería de ion litio), etc. Estas baterías tienen una capacidad de almacenamiento muy limitada y una vida de ciclos de carga – descarga también limitada. Existen otras baterías, denominadas de flujo, que si pueden almacenar grandes cantidades de energía con un número de ciclos de carga elevado. 58. ¿Qué es el rendimiento global de un proceso de conversión energética? PREGUNTAS Y RESPUESTAS SOBRE LA ENERGÍA Cuando se habla de rendimiento (o eficiencia) de una conversión energética con múltiples etapas es importante tener presente respecto a qué valores (o a qué etapas) se refiere el rendimiento. En especial, es importante separar el concepto de “rendimiento” de una máquina del “rendimiento energético global” del proceso de conversión. Se define este rendimiento técnico global como el producto de los rendimientos de las sucesivas conversiones que tienen lugar hasta el uso final de la energía. Por ejemplo, el rendimiento global de un proceso que convierte la energía del gas natural en energía eléctrica mediante una turbina de vapor y la traslada hasta el interior de un domicilio consta de cuatro etapas, cada una con su rendimiento particular, como se muestra en la figura. El rendimiento del conjunto alcanza solo el 36%. Gas natural en la central Caldera de vapor 85% Turbina de vapor Generador de electricidad Línea de transporte 45% 98% 95% Electricidad en domicilio 59. ¿Qué tiene mayor rendimiento, un calentador eléctrico o uno de gas? PREGUNTAS Y RESPUESTAS SOBRE LA ENERGÍA El rendimiento técnico del calefactor de un calentador por resistencia eléctrica puede ser del 98%, mientras que el de un calentador de gas es sólo el 60%. (Debido a las pérdidas de energía al exterior incorporada en la elevada energía cinética de los gases de la combustión (gases calientes) que salen por la chimenea). Pero si se analiza todo el proceso a partir del contenido energético del gas que accionó la turbina eléctrica que produjo la electricidad, y el transporte de esta electricidad hasta el domicilio el rendimiento del calentador eléctrico es mucho más bajo que el del gas, pues sólo llega al 35%. En consecuencia desde el punto de vista energético es preferible un calentador de gas que otro eléctrico. 60. ¿Cuál es el rendimiento energético global de un automóvil? Rendimiento de un automóvil: PREGUNTAS Y RESPUESTAS SOBRE LA ENERGÍA • El motor de combustión interna empleado en la tracción de automóviles es un sistema de conversión de energía electrostática (química) en cinética (mecánica) altamente ineficiente. Su rendimiento no pasa el 25%. • Si se considera el rendimiento conjunto de toda la cadena de transformación respecto a los Km. recorridos, el rendimiento global es considerablemente menor. El uso de automóviles eléctricos no aumentaría en forma apreciable el rendimiento global de esta máquina pues si bien es cierto que el rendimiento térmico en la combustión del combustible líquido se eleva del 25% en un motor de automóvil la utilización de las baterías cargadas con energía eléctrica procedente de una central con un rendimiento del 40% hay que sumar las pérdidas por transporte de este electricidad, más el rendimiento de la propia batería que no pasa del 70%, de modo que el rendimiento global para estos vehículos no sobrepasa el 26%. (Lo que sí se evita es la contaminación gaseosa en el punto de funcionamiento del automóvil). Obviamente, en el caso de cargar las baterías con energías renovables el rendimiento aumenta espectacularmente y la contaminación se hace mínima.
