Producció i distribució d'energia elèctrica
| lloc: | Cursos IOC - Batxillerat |
| Curs: | Tecnologia industrial I (Bloc 1) ~ gener 2020 |
| Llibre: | Producció i distribució d'energia elèctrica |
| Imprès per: | Usuari convidat |
| Data: | dimarts, 18 de juny 2024, 16:05 |
Descripció
Energies
1. Producció i distribució de l’energia elèctrica.
L’electricitat ha esdevingut una necessitat bàsica. És necessari doncs, disposar de diferents tipus de centrals de producció d’energia elèctrica i en grans quantitats, per abastir les societats actuals.
L’electricitat es produeix a les centrals elèctriques amb unes màquines anomenades alternadors, que generen corrent altern amb una freqüència d’oscil·lació determinada a partir de la rotació del seu eix.
La freqüència d'aquest corrent altern a tot Europa val
50 Hz. Es
representa per f = 50 Hertz (Hz), on 1 Hz equival a un cicle per
segon. A EEUU i Japó s'utilitza una freqüència de 60 Hz.
En unitats:
Recordem els conceptes de corrent continu i corrent altern:
|
a) Tensió continua, la que produeixen les piles, bateries i dinamos. Valor fix. |
b) Tensió alterna, la produïda per les centrals, i que arriba als endolls de la nostra llar. Valor oscil·lant segons una funció sinusoidal. |
|
|
|
2. Tipus de centrals
Podem classificar les centrals elèctriques segons diversos factors. Per exemple, les podem classificar segons el tipus d'energia d'entrada que utilitzen en centrals nuclears, tèrmiques, hidroelèctriques, etc. Les estudiarem a continuació.
Primer, però, veiem la seva classificació segons quan s'utilitzen en la generació d'energia elèctrica:
Centrals de base
Subministren energia elèctrica de manera continua, són les centrals nuclears, les tèrmiques i, a vegades, les hidroelèctriques.
Centrals d’hora punta
Hi ha diferents moments del dia o estacions de l’any en que és necessari augmentar la producció d’energia elèctrica perquè creix la demanda. Les centrals d’hora punta es posen en funcionament en els moments de màxim consum i després es paren. A l'hivern quan fa molta fred i funcionen totes les calefaccions, o al juliol quan estan en marxa tots els aires condicionats, per exemple, caldrà posar-les en marxa.
Centrals reversibles o de Bombeig
El corrent altern no es pot emmagatzemar, fet que representa un gran inconvenient, ja que tanta energia com es produeix tanta com se n’ha de gastar. Com que això és impossible d'aconseguir, es fan servir les centrals reversibles o de bombeig per igualar el consum i la producció.
Són centrals que disposen de dos embassaments situats a diferent altura, que poden ser dos llacs naturals o artificials. Funcionen de la forma següent:
- Quan hi ha excedent d'energia tenen motors elèctrics que consumeixen aquesta energia elèctrica sobrant i la fan servir per pujar aigua de l'embassament inferior al superior.
- Quan falta energia elèctrica a la xarxa, es deixa caure aigua de l'embassament superior sobre la turbina arribant altre cop a l'embassament inferior, i produint electricitat igual que una central hidroelèctrica qualsevol.
Centrals de reserva
Són les que es posen en funcionament en cas d'avaria o reparació d'una central de base.
2.1. Centrals hidràuliques o hidroelèctriques
Les centrals hidroelèctriques utilitzen l'aigua emmagatzemada en un pantà. S'aprofita la velocitat que agafa l'aigua en caure per una canonada per moure una turbina, la qual al seu torn acciona l'alternador que produeix el corrent elèctric.
Els components bàsics d’una central hidroelèctrica són:
Presa
És una gran pantalla de formigó situada en un lloc estratègic de la llera d’un riu, que permet emmagatzemar grans quantitats d'aigua en el que seria el pantà o llac artificial. Es situen en terrenys que puguin suportar les grans forces que produeix el pes de l'aigua, i en aquella part del riu que es prou estreta per a construir-la.
Actualment les preses tenen forma de volta o d'arc. Aquesta forma és molt important, ja que permet estalviar material, i a més ha d'estar fortament ancorada a les parets laterals, on es transmeten les grans forces que rep de l'aigua emmagatzemada al pantà.
|
|
|
|
Vista aèria d’un pantà amb una presa d'arc |
Secció vertical de la presa de volta o d'arc
|
Sala de màquines
La sala de màquines està situada en el punt geogràfic més baix possible, per tal d'aprofitar al màxim el desnivell de l'aigua (energia potencial que es transforma en cinètica). Una canonada porta l'aigua de l'embassament a la sala de màquines, on hi ha el grup de producció d'energia que està format per una turbina i un alternador units pel mateix eix. Sempre l'eix de la turbina és solidari al de l'alternador, fet que obliga a regular la velocitat de rotació de la turbina a la velocitat que necessitem a l'alternador.
Segons els desnivell del salt d'aigua que tinguem, s'utilitzen diferents tipus de turbines:
|
Esquema de la turbina Pelton
|
La
turbina Pelton. Al voltant de tot el rodet hi ha els
catúfols, amb forma de doble cullera i que són d'una gran
eficiència. L'aigua es fa arribar en la direcció més idònia
cap a aquests àleps i a una pressió força alta a través d'uns
injectors. És el tipus de turbina més apropiada per a grans salts d'aigua i cabals regulars.
|
|
Esquema de la turbina Francis |
La
turbina Francis és molt versàtil. S'utilitza en salts mitjans i de cabal irregular, ja que les pales laterals permeten
regular la velocitat de rotació de la turbina fins ajustar-la a
la velocitat requerida a l'alternador. En aquest cas no hi ha injectors, és la pròpia circulació de l'aigua el que la fa moure. |
|
Esquema de la turbina Kaplan |
La turbina Kaplan és de flux axial, l'aigua hi circula en el mateix sentit de l'eix. Es pot regular la inclinació dels deflectors i també la dels àleps del rotor, de manera que la turbina s'adapta a les necessitats de potència de cada moment.
S'utilitza per a petits salts i grans cabals, com les dels embassaments situats al riu Ebre. |
2.2. Centrals tèrmiques
El funcionament general d'una central tèrmica consisteix a generar vapor d'aigua sec a una pressió molt elevada. Aquest vapor es fa passar llavors a través d’una turbina provocant la rotació del seu eix. Aquest eix està directament connectat al d'un alternador, que finalment genera el corrent elèctric altern.
Esquema de la central tèrmica convencional
En totes les centrals tèrmiques sempre es disposa d’un focus de calor (generació de vapor d'aigua) i un focus de fred (condensador) on refredar aquesta aigua per a tornar-la a introduir al circuit. Si augmentem al màxim el desnivell de temperatures, el rendiment de la central serà el més alt possible, amb valors al voltant del 35%.
Les parts principals d'una central tèrmica convencional són:
Caldera
És on s'obté el vapor d'aigua. Interessa una temperatura
força alta i que el vapor sigui sec, sense gotes d'aigua.
Per a produir el calor es fa servir un cremador que crema algun tipus de combustible. Actualment el es fa servir més és el gas natural, perquè és més net que el carbó o el gasoil.
Turbina
Són les màquines que transformen l'energia del vapor d'aigua a pressió en energia cinètica de rotació. Són en realitat conjunts de tres turbines: turbina de alta, mitja i baixa pressió. A mesura que baixa la pressió del vapor es va augmentant la superfície de les pales per aconseguir mantenir constant la força resultant que fa girar l'eix (com que F=P·A, si volem F constant i baixa P, ha d’augmentar A).
Turbina d'una central
Condensador
La seva funció és baixar al màxim la temperatura del circuit, creant una variació de temperatura el més gran possible sobre la turbina. Quan més gran sigui el salt tèrmic, més elevat serà el rendiment. Consisteix en un intercanviador de calor entre dos circuits d'aigua independents: el vapor calent ja utilitzat que ve de la turbina i que volem refredar, i l'aigua freda que sol venir d'un riu. El vapor de la turbina al refredar-se condensa i el pot tornar a introduir a la caldera, i l'aigua que s'utilitza per a refredar surt escalfada i s'haurà de tornar a refredar en una torre de refrigeració abans de deixar-la anar al riu o tornar-la a utilitzar.
Equip elèctric
Està format pels alternadors i els transformadors elevadors del parc de distribució.
Els alternadors són màquines destinades a transformar l'energia mecànica (cinètica de rotació) en energia elèctrica. El corrent elèctric generat a les centrals elèctriques és altern i trifàsic; es a dir, surten quatre cables: un per a cada fase, més un neutre.
Alternadors
Els transformadors elevadors reben el corrent elèctric obtingut a l'alternador i el modifiquen per a facilitar-ne el transport en línies d'alta tensió. Per transportar el corrent elèctric a grans distàncies calen tensions molt elevades, de 110 a 380 kV, per a reduir al màxim la intensitat i en conseqüència les pèrdues per calor a la línia.
Les centrals tèrmiques i el medi ambient
Les centrals tèrmiques fan servir combustibles com el gasoil, el gas natural o el carbó per produir l'escalfor que genera el vapor d'aigua.
Aquestes reaccions de combustió produeixen diòxid de carboni i vapor d'aigua. El diòxid de carboni emès en grans quantitats provoca l'anomenat efecte hivernacle, que contribueix a l'escalfament global del planeta.
Per aquest motiu, cal desenvolupar formes d'obtenció d'energia elèctrica el més respectuoses possibles amb el medi ambient i on es minimitzin els efecte nocius de la seva producció.
Un intent important centrant-nos en les centrals tèrmiques, són les centrals de cicle combinat, les de cogeneració, i l'ús del gas natural. Cal considerar aquest com el combustible més net possible que es pot fer servir per a la combustió en les centrals, perquè majoritàriament és gas metà (CH4) i les seves emissions de CO2 són pràcticament la meitat que amb l'ús d'altres combustibles fòssils.
La reacció de combustió del gas natural serà:
CH4 (gas natural) + O2 (oxigen de l'aire) = CO2 (diòxid de carboni) + H2O (vapor d'aigua) + calor
Centrals de cicle combinat
A més de fer servir gas natural, les centrals de cicle combinat tenen un rendiment molt més alt que les tradicionals centrals tèrmiques. Aquest sistema augmenta notablement el rendiment tèrmic, passant del 35% fins al 60% aproximadament.
Es denominen de cicle combinat perquè per a la generació d'energia elèctrica es fan servir dues instal·lacions diferents combinades en un sòl procés:
- una turbina de gas, com la que tenen els reactors dels avions, i que té el seu eix connectat a un alternador.
- una turbina de vapor, com la d'una central tèrmica tradicional, on se substitueix el combustible i la caldera pels gasos d'escapament de la turbina de gas, fent que la mateixa escalfor d'aquests gasos (a uns 1350ºC) generin el vapor d'aigua que mou la turbina.
Interior d'una turbina de gas i esquema d'una central de cicle combinat
Centrals de cogeneració
Permeten obtenir electricitat i energia tèrmica de forma simultània i en el mateix lloc de consum. La seva grandària i potència útil de sortida s'ajusta a les necessitats específiques de les instal·lacions a abastir (indústries, hospitals, universitats, etc.).
Per a necessitats de potència inferiors a 10MW, s'utilitzen motors tèrmics de gas, gasoil o fuel connectats a l'alternador que produeix el corrent elèctric. Per a majors necessitats energètiques, s'utilitza una turbina de vapor. En tots dos casos s'aprofita el calor dels gasos de la combustió per a obtenir calefacció, aigua calenta sanitària, calor per a usos industrials, etc.
El gas natural és el combustible més utilitzat habitualment per produir menys contaminació, però aquestes centrals es poden habilitar per a utilitzar altres combustibles com gasoil, fuel o residus.
El rendiment d’aquestes centrals és molt elevat, del 75% al 90%, i es consideren molt poc contaminants, ja que s'aprofita pràcticament tota l'energia tèrmica produïda sense emissions de calor a l'atmosfera. A més hi ha el gran avantatge de que l'energia produïda no s’ha de transportar.
Esquemes de dues centrals de cogeneració diferents
2.3. Centrals Nuclears
La reacció de fissió
E = m·c2
on m és la massa perduda en la divisió del nucli (kg), c és la velocitat de la llum (3·108 m/s) i E és l’energia obtinguda en forma de calor (J).
Les
centrals nuclears
El seu funcionament és pràcticament igual que el d'una central tèrmica, excepte que
l'energia calorífica prové d'una reacció de fissió en comptes de venir d'una reacció de combustió.
Com que hi ha manipulació de materials radioactius, cal preveure un seguit de sistemes que garanteixin la seguretat de les persones. La mesura més important és l'edifici de contenció. És un edifici estanc fet de formigó armat amb làmines de plom intercalades que evita que surtin les radiacions a l'exterior. Contindrà tots els elements que tinguin radioactivitat, que variaran en funció del tipus de central.
El tipus de central més utilitzada és la PWR (reactor d'aigua a pressió). En ella la calor que es desprèn de la reacció de fissió dins el reactor nuclear escalfa l'aigua del circuit primari. Unes bombes mouen aquesta aigua des del reactor fins al generador de vapor. El generador de vapor, que també està dins l'edifici de contenció, rep la calor del circuit primari i genera vapor d'aigua a elevada pressió, que forma el circuit secundari i va a moure la turbina situada ja en un edifici extern.
Esquema d'una central nuclear PWR
Veiem que el circuit primari, el qual pot contenir partícules radioactives, està situat a l’interior de l'edifici de contenció, i és el circuit secundari, totalment independent del primari, l'encarregat de transportar la calor fins a la turbina de vapor situada a l’exterior de l'edifici de contenció.
Al nucli del reactor hi ha les beines d'urani enriquit, que és el combustible nuclear, i unes barres de grafit que serveixen per a moderar o aturar la reacció de fissió en cas necessari. Són de forma cilíndrica i si s'introdueixen dins els reactor absorbeixen neutrons fins aturar la reacció.Quan el combustible es gasta es posa en una piscina, també situada a l'interior de l'edifici de contenció, i es va emmagatzemant per després processar-lo en plantes especialitzades.
La resta de la central ja és igual a una tèrmica normal, amb:
- Turbina de baixa, mitja i alta pressió
- Alternador en un eix solidari a la turbina
- Transformadors elevadors
- Condensador per refrigerar i liquar el vapor d'aigua
- Bombes per tornar l'aigua al generador de vapor
- Torres de refrigeració
3. Xarxa de distribució d’energia elèctrica
L'energia elèctrica que es produeix a les centrals s'ha de fer arribar a tots els punts d'utilització, com les llars i les indústries.
Els alternadors de les centrals són trifàsics. Això significa que surten tres cables de fase més el neutre.
Alternador trifàsic d'una central elèctrica
Cada
fase dóna una tensió alterna a 50Hz de freqüència i estan repartides
simètricament desfasades entre
elles 120 graus, de forma que cada volta de l'eix de l'alternador es genera
tensió a les tres fases.
Corrent elèctric altern trifàsic
Els alternadors de les centrals solen produir energia elèctrica trifàsica a mitja tensió (de 3 a 36kV), que cal elevar amb transformadors fins a alta o molt alta tensió, amb valors de 110 i 380 kV, per poder-la transportar.
La tensió de transport és tant elevada per tal de minimitzar les pèrdues per efecte Joule (escalfament de la línia). L'equació per calcular l'energia perduda per calor és:
Q =
I2·R·t (ja que Q = W = P·t = V·I·t = R·I·I·t = R·I2·t )
I = intensitat del corrent en A
R
= resistència del cable en 
t = temps que està la línia en funcionament en s
Com
que les pèrdues depenen del quadrat de la intensitat que passa pels
conductors, interessa molt baixar la intensitat al màxim, i per tant
elevar la tensió per mantenir la potència (ja que P=V·I).
L'energia elèctrica en forma trifàsica es transporta llavors per torres d’alta tensió fins a les subestacions situades a l'entrada dels nuclis urbans, que la baixen a mitjana tensió (entre 3 i 30 kV) i després la reparteixen de forma subterrània. Aquesta tensió serveix per transportar l'energia tant entre els petits pobles com per l’interior de les grans ciutats.
Finalment, ja a prop del consum, es col·loquen transformadors, per exemple en pàrquings o soterranis dels edificis, que baixen la tensió fins a 380 V (trifàsica) per a distribuir-la ja als habitatges.
Distribució energia elèctrica
Al quadre de llums situat a la part baixa dels blocs d'edificis arriba una línia elèctrica de la companyia formada per 4 cables aïllats, que corresponen a les 3 fases i un neutre. La tensió entre cada fase és de 380 V i la tensió entre una fase qualsevol i el neutre és de 230 V. A cada habitatge es porta una fase i el neutre. Per tal que cada fase tingui el mateix consum i el sistema estigui equilibrat, es distribueixen aquestes de forma regular entre els diferents habitatges.
Les normatives estableixen colors diferenciats en la protecció plàstica del cablejat en baixa tensió. S'utilitza el color gris, marró i negre per a les tres fases i s'utilitza el blau per al cable neutre. A cada habitatge s'afegeix un cable de protecció anomenat cable de terra, que es pot reconèixer per les seves franges verdes i grogues, i que connecta directament els endolls del habitatge amb el subsòl fent que qualsevol corrent elèctric no desitjat circuli per aquest cable i no a través de les persones.
4. Energies alternatives
A la següent taula de potències instal·lades a Catalunya els darrers anys veiem que la hidroelèctrica segueix essent en l’actualitat la potència renovable més significativa.
Font: Institut català d'energia
La següent energia renovable important a Catalunya veiem que és l’energia eòlica, i després la fotovoltaica.
Impacte ambiental
Les energies alternatives provenen de fonts d'energia netes i que es renoven de manera contínua, per tant el seu impacte ambiental és mínim en comparació amb el que provoca la utilització de combustibles fòssils.
4.1. Aprofitament de l’energia solar tèrmica
Podem distingir el seu aprofitament en sistemes passius i sistemes actius:
Sistemes passius
Es centren en l'arquitectura bioclimàtica, que busca la construcció òptima de cares a aprofitar al màxim la radiació solar rebuda i la ventilació natural. La combinació d'una estratègia constructiva adient amb elements com vidrieres, masses d'acumulació de calor, aïllaments i reflectors permet obtenir uns guanys d'energia gratuïta molt importants.
Sistemes actius
Consisteix en fer incidir la radiació solar sobre algun element captador que escalfa aigua que després s’aprofitarà per a calefacció o aigua sanitària en el cas de temperatura baixa i per a generar energia elèctrica en el cas de mitjana i alta temperatura.
Baixa temperatura
El sistema està format per:
Captador solar: Absorbeix la radiació solar i la utilitza per a escalfar un fluid. Solen ser captadors plans que utilitzen l'efecte hivernacle per escalfar aigua tractada.
Acumulador:
L'energia viatja a través d'un circuit tancat
format per aigua i anticongelant i arriba a un dipòsit on incrementa la temperatura de l'aigua que hi ha dipositada.
Sistema de control: Format per un termòstat diferencial que s'encarrega de parar o activar el circuit solar segons sigui necessari, evitant pèrdues d’energia de l'acumulador.
Sistema
auxiliar: Permet
arribar a la temperatura de consum quan no hi ha suficient captació
solar. Per exemple amb una caldera de gas.
Producció d'aigua calenta amb energia solar
Mitjana i alta temperatura
Són les centrals termosolars, que permeten obtenir energia elèctrica gràcies a les temperatures de fins a 4000ºC obtingudes a partir de radiació solar concentrada.
Central Ivanpah, California (EEUU)
El funcionament general és el mateix que el d'una central tèrmica convencional, obtenint l'alta temperatura de la radiació solar sense cap reacció ni nuclear ni de combustió, i per tant sense produir cap emissió contaminant a l'atmosfera.
4.2. Aprofitament de l’energia fotovoltaica
Consisteix en aprofitar la radiació solar per a generar electricitat directament gràcies a l'efecte fotovoltaic. S'utilitzen plaques fotovoltaiques constituïdes per làmines de material semiconductor encapsulades i connectades entre elles.
Podem diferenciar entre sistemes aïllats i connectats a la xarxa:
Sistema fotovoltaic aïllat
Per exemple la que es fa servir en els satèl·lits espacials, vaixells, a les masies aïllades o a les autocaravanes.
També es troba en sistemes autònoms com ara els parquímetres, senyals lluminosos o per il·luminació en llocs aïllats.
El corrent elèctric generat és corrent continu a una tensió estable de 12V o 24V, que s’emmagatzema en bateries. En cas de necessitar corrent altern domèstic, s’incorpora un dispositiu que fa la conversió elèctrica.
Sistema fotovoltaic connectat a la xarxa
La orientació òptima dels captadors fotovoltaics depèn de la latitud geogràfica i de l’època de l’any. En les nostre latituds, si les plaques són fixes, s’han d’orientar cap el sud amb uns 35 graus d’inclinació òptima en el centre de la península ibèrica. Però el màxim rendiment s’obté quan es tenen sistemes automàtics per a moure les plaques solars a la seva inclinació òptima en cada moment.
Planta fotovoltaica a Alcázar de San Juan, Ciudad Real
4.3. Aprofitament de l'energia eòlica
Aerogeneradors
Són màquines que produeixen
electricitat aprofitant l'energia natural del vent per impulsar
l'eix d'un generador.
Simplement el vent passa sobre les aspes de l’aerogenerador i provoca una força giratòria. Les pales fan rodar un eix que mitjançant una caixa de canvis incrementa la velocitat i impulsa l'eix del generador, que converteix l'energia cinètica de rotació en energia elèctrica. Els alternadors dels aerogeneradors, que tenen unes potències de 25 kW fins a 6 MW, solen treballar a uns 400 o 700 volts. Després es passa per un transformador per a adaptar el voltatge al de la xarxa de distribució.
Els parcs eòlics
Són agrupacions d'aerogeneradors que formen una central elèctrica que es connecta a la
xarxa.
Consten
de diversos blocs de producció d’energia elèctrica, formats per
diversos aerogeneradors que alimenten un transformador que eleva la tensió. Cal elevar
la tensió a mitja o alta tensió, depenent de les línies més
properes.
També hi ha un centre de control i encarregat de gestionar la posada en funcionament i l’aturada dels aerogeneradors en funció de la velocitat del vent, a més de fer-los girar a les velocitats síncrones corresponents perquè la tensió generada sigui de 50 Hz.
Parc eòlic
Aquestes centrals solen tenir una potència que va dels 5 als 60
MW. A
Catalunya, com es pot veure a la taula de l'Institut català d'Energia, el 2015 hi havia instal·lats 1268,9 MW d'energia eòlica, provinents de 47 parcs en funcionament.
4.4. Biocombustibles
Són combustibles alternatius als convencionals (provinents de combustibles fòssils) que s'obtenen a partir de la biomassa.
Biodièsel: combustible líquid similar al gasoil que s’obté a partir d'olis vegetals purs o usats. Actualment es poden utilitzar directament en els motors dièsel sense modificar.
Bioalcohol: metanol o etanol que en alguns països provenen de la canya de sucre o de la
biomassa i que serveixen per als motors de benzina. A altres països, però, s'obtenen a partir de gas natural o derivats del petroli, i s'utilitzen bàsicament com a additius.