Producció i distribució d'energia elèctrica

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