Tecnoblogph: Energía Eléctrica

1.- Introducción

El actual desarrollo científico y tecnológico que disfruta la humanidad requiere la utilización de energía en cantidades cada vez mayores. Esa energía se obtiene a partir de distintas fuentes naturales, conocidas como Fuentes Primarias.

El consumo de energía está muy ligado al de la electricidad, aunque esta no es la única fuente de energía, sino solamente ina forma de utilizarla. La producción de electricidad se ha convertido en requisito indispensable del proceso de industrialización debido a su limpieza, su fácil transporte y la posibilidad de transformarla en otras energías útiles (calor, luz, movimiento y sonido). Sin embargo, la energía eléctrica presenta el gran inconveniente de no poder ser almacenada, lo que obliga a consumirla en el momento en que se produce.

El sistema eléctrico de un país está formado por la red de generación, transporte y distribución de la energía eléctrica necesaria para el funcionamiento de los hogares, las industrias y los servicios. Y es precisamente su altísimo consumo a escala mundial lo que ha provocado la degradación de la biosfera y la sobre explotación de las reservas planetarias de combustibles fósiles, haciendo necesario redoblar esfuerzos de investigación dirigidos a la utilización de energías limpias y renovables.

2.- La Energía Eléctrica. Generación, Transporte y Distribución

La electricidad no se puede almacenar en grandes cantidades como ocurre con otras fuentes de energía tales como el petróleo o el carbón. Por ello, la energía eléctrica que se necesita en un momento determinado debe de generarse al tiempo que se consume. Esto requiere un equilibrio permanente entre generación y consumo, y una red de transporte que distribuya esa electricidad allá donde sea necesaria.

La generación de energía eléctrica puede realizarse en grandes centrales. Por ahora solamente vamos a mencionar las más importantes y más adelante explicaremos su funcionamiento más detalladamente:

Centrales Térmoeléctricas
Centrales Atómicas
Centrales Hidroeléctricas
Centrales Eólicas
Centrales Solares
Otras

Existen dos tipos de redes de Transporte de Energía Eléctrica:

Redes Primarias: Transportan la energía eléctrica que se produce en las centrales hasta los transformadores donde se eleva la tensión de corriente hasta los 200.000 o 400.000 voltios. Posteriormente es transportada a través de las líneas eléctricas de Alta Tensión. Estas cuentan con subestaciones para enlazar distintas líneas y distribuir la energía por cada una de ellas en función de la generación y consumo de cada zona. Existen Subestaciones Transformadoras Reductoras corrigen la tensión a valores inferiores para alimentar la red de Media Tensión, que es la que suministra electricidad a los centros urbanos y a las grandes industrias.
Redes Secundarias: Distribuyen en las poblaciones la energía procedente de las redes primarias. Esta energía de media tensión se transforma a 220 Voltios para consumo doméstico y 380 Voltios para las pequeñas industrias.

Existen dos tipos de redes secundarias o de reparto:

Redes Distribuidoras de Corriente Continua: La corriente va en un único sentido, por lo que resulta más complejo su producción y transporte. Actualmente en desuso.
Redes Distribuidoras de Corriente Alterna: la corriente alterna el sentido de movimiento de los electrones de forma periódica, lo que la hace más fácil de producir y transportar. Pueden ser monofásica de dos conductores o trifásica de tres o cuatro conductores, que es la habitual en las edificaciones.

3.- Centrales Térmoeléctricas

Las Centrales Termoeléctricas o térmicas son aquellas instalaciones que transforman la energía calorífica procedente de los combustibles fósiles (carbón, gas o petróleo) en energía eléctrica utilizando el vapor para accionar un generador eléctrico. A grandes rasgos, el proceso es el siguiente:

El combustible arde dentro de la caldera y produce energía calorífica.
La energía calorífica convierte en vapor el agua que circula por unos tubos en serpentín situados en el interior de la propia caldera.
Este vapor a alta presión choca contra los álabes de una turbina y la hace girar. La energía del vapor se aprovecha al máximo usando turbinas de tres cuerpos. El primero de álabes pequeños para la alta presión, el segundo de álabes mayores para la media presión y el tercero de álabes aún más grandes para los de baja presión.
El movimiento de la turbina se transmite al rotor del generador, y este produce la energía eléctrica por inducción.
La energía eléctrica se envía a los transformadores que aumentan la tensión para permitir el transporte por la red de alta tensión.
El vapor que sale de las turbinas pasa por un condensador donde vuelve a convertirse en agua que se reenvía a la caldera para comenzar nuevamente el ciclo.
El condensador funciona mediante un serpentín de agua fría procedente de una torre de refrigeración.

Las centrales termoeléctricas presentan muchos problemas de contaminación:

El proceso libera gran cantidad de calor, ruido y vibraciones.
Los residuos sólidos, principalmente escorias y cenizas volantes, se recogen para su procesado y aplicación en la fabricación de cementos, pavimentación de carreteras o mejora de la permeabilidad de terrenos agrícolas.
Las centrales requieren el uso de grandes cantidades de agua a la que frecuentemente se añaden diversos productos químicos que deben neutralizarse antes de verter nuevamente al río o al mar.
Las emisiones gaseosas contienen dióxido de carbono, óxidos de azufre, óxidos de nitrógeno y otras sustancias muy dañinas para los seres vivos, por lo que se deben de usar unos filtros para recogerlos y luego procesarlos.

4.- Centrales Atómicas

La energía nuclear es aquella que libera el núcleo de un átomo cuando en él se produce una reacción nuclear. En estas reacciones se desprende gran cantidad de energía, ya que parte de la masa implicada en el proceso se transforma directamente en energía. Se puede obtener de dos maneras:

Fisión Nuclear: división de núcleos atómicos pesados
Fusión Nuclear: Unión de núcleos atómicos ligeros

Las Centrales Nucleares son instalaciones que transforman la energía nuclear de fisión en energía eléctrica. A grandes rasgos, el proceso es el siguiente:

Se introduce el combustible de Uranio o Plutonio en el reactor nuclear y se le bombardea con una fuente de neutrones a gran velocidad, para desencadenar la reacción de fisión.
Los átomos al romperse no sólo desprenden calor sino también radiaciones extremadamente nocivas para el medio ambiente y la vida, por lo que el reactor nuclear está envuelto por una pared interior de acero o plomo y otra exterior de hormigón.
El calor producido durante el proceso de fisión nuclear se recoge en un fluido refrigerante (generalmente helio o sodio fundido) que circula por un circuito cerrado que incluye un serpentín que se encuentra dentro de un recipiente de gran volumen denominado termocambiador.
Allí, el fluido cede su calor al agua fría procedente de la torre de refrigeración.
El agua se calienta y forma vapor que sale inyectado a gran presión hacia las turbinas.
El movimiento de la turbina se transmite al rotor del generador, y este produce la energía eléctrica por inducción.
La energía eléctrica se envía a los transformadores que aumentan la tensión para permitir el transporte por la red de alta tensión.
El vapor que sale de las turbinas pasa por un condensador donde vuelve a convertirse en agua que se reenvía al termocambiador para comenzar nuevamente el ciclo.
El condensador funciona mediante un serpentín de agua fría procedente de una torre de refrigeración.

Las centrales atómicas son, de largo, las centrales de producción de energía eléctrica más rentables pero también las más peligrosas y contaminantes:

Generan residuos radioactivos que deben tratarse para proteger a los seres vivos y al medio ambiente, dado que provocan contaminación del agua y los alimentos, mutaciones genéticas, malformaciones en embriones, esterilidad y muerte.
Los residuos deben cumplir exigentes medidas de seguridad para evitar fugas de radiación y causar daños difícilmente reparables.
Los más peligrosos proceden de los restos de combustible, y deben ser almacenados durante miles de años en bloques blindados de material anticorrosivo, aislados de la humedad en excavaciones subterráneas.
Los residuos procedentes del proceso de fisión tienen una peligrosidad intermedia y se almacenan solidificados y recubiertos de hormigón en bidones de acero.
Los menos peligrosos proceden de las ropas y herramientas de los operarios de mantenimiento. Se almacenan prensados recubiertos de hormigón dentro de bidones de acero.

5.- Centrales Hidroeléctricas

La energía hidráulica es la que tiene el agua cuando discurre a través de un río o de un cauce, debido a su propio peso y al desnivel del terreno. esta energía ha sido muy utilizada a lo largo de la historia para impulsar turbinas que han accionado maquinaria para realizar diferentes trabajos mecánicos.

En las Centrales Hidroeléctricas, el agua impulsa una turbina cuyo movimiento de rotación se transfiere, mediante un eje, al generador de corriente. El proceso, a grandes rasgos, es el siguiente:

La presa, donde se retiene el agua embalsada, está provista de grandes compuertas con las cuales se puede regular el paso de la misma.
Cuando estas compuertas se abren, el agua fluye canalizada, avanzando a favor de la gravedad hacia donde se encuentran las turbinas.
El agua golpea los álabes de las turbinas y esta empieza a girar a gran velocidad angular.
El movimiento de la turbina se transmite al rotor del generador, y este produce la energía eléctrica por inducción.
La energía eléctrica se envía a los transformadores que aumentan la tensión para permitir el transporte por la red de alta tensión.
All conjunto formado por la turbina y el generador se le denomina Grupo Generador, de los cuales suele haber varios en cada central.

las centrales hidroeléctricas no presentan grandes problemas de contaminación, siendo su impacto en el medio de índole más bien estético. En ocasiones pueden desviar los cursos naturales de los ríos y pueden afectar los ecosistemas de algunos animales, especialmente a peces como los salmones. También pueden inundar grandes extensiones de terreno e incluso sepultar pueblos enteros.

En función de la manera en la que se obtenga el agua podemos distinguir cinco tipos de centrales hidroeléctricas a saber:

Centrales de Agua Fluyente: Se usan en ríos de caudal constante en las diferentes estaciones del año. La energía se obtiene directamente de la corriente del río o de un pequeño embalse.
Centrales de Agua Estancada: Se usan en ríos de caudal variable. El agua se acumula en embalses para así poder generar energía de forma regular.
Centrales de Derivación de Agua: El agua del río se desvía por un canal donde se sitúa la turbina.
Centrales de Acumulación de Agua: El agua se acumula en la presa, y la toma de agua se sitúa aproximadamente hacia la mitad de altura. Posteriormente, el agua que ha pasado por la turbina se devuelve al cauce del río.
Centrales de Bombeo: Consta de dos embalses, uno inferior y otro superior, con las turbinas situada entre ambos. Cuando hay mucha demanda de energía se utiliza la presa superior, pero en las horas de baja demanda se aprovecha la energía sobrante para bombear agua desde el embalse inferior al superior y repetir el ciclo.

6.- La Energía Eólica

La energía del viento ha sido muy utilizada desde tiempos antiguos para impulsar embarcaciones y posteriormente para accionar máquinas como molinos de viento y bombas para elevar agua. En las últimas décadas ha cobrado gran protagonismo como fuente renovable de energía para generación de electricidad, siendo muy habitual en España y en los países desarrollados la instalación de grandes parques eólicos.

Existen muchos tipos de aerogeneradores, pero destacan por su implantación los de eje horizontal, cuyas partes fundamentales son tres a saber:

La Hélice: Es similar a los de los aviones turbohélice, y suele ser de tres palas de fibra de vidrio. En ellas impacta el viento con toda su fuerza y provoca un movimiento mecánico de rotación de baja velocidad en torno al eje horizontal.
El Cuerpo o Góndola: Es la carcaza en cuyo interior se aloja la turbina eólica, que es la parte fundamental del ingenio. Está compuesta por el rotor, el mecanismo multiplicador y el generador. El multiplicador eleva la velocidad de giro para que el generador produzca la corriente eléctrica, que se transporta por cable hasta acumuladores o hasta los lugares de consumo. Esta parte del ingenio dispone de un mecanismo para orientarse y favorecer la mejor posición de las hélices respecto a la dirección del viento.
La Torre Soporte: se encarga de mantener elevado el cuerpo, además de absorber las vibraciones producidas por el funcionamiento. Tiene forma cilíndrica, troncocónica o ser una gran torre estructural similar a las usadas en líneas de tendido eléctrico.

La energía eólica es limpia y económica. Presenta problemas de contaminación acústica y el gran impacto visual que supone encontrarse en medio de un paraje natural con un enjambre de grandes estructuras artificiales de dudosa estética, amén de un cierto peligro para las aves.

7.- La Energía Solar

El Sol es una fuente inagotable de energía electromagnética que se emite en todas las direcciones del espacio. Una pequeña parte de esa energía llega a la Tierra, con diferentes grados de incidencia en función de las horas del día, las estaciones del año, la meteorología o el grado de contaminación atmosférica.

Con la crisis del petróleo que empezó en los años setenta se hizo necesario empezar a estudiar fuentes de energía alternativas a las tradicionales, lo que impulsó de manera importante la utilización de la Energía Solar. Esta utilización puede hacerse de dos maneras a saber:

Conversión Termica: aprovechamiento del calor
Conversión Fotovoltaica: aprovechamiento de la luz

7.1.- Centrales Solares para Conversión Térmica

Las Centrales Solares son instalaciones que transforman el calor recibido del Sol en energía eléctrica. Su funcionamiento será competitivo si se alcanzan temperaturas realmente altas. El proceso, a grandes rasgos, es el siguiente:

Las centrales tienen un receptor central, denominado horno solar, que absorbe la energía reflejada en múltiples helióstatos convenientemente orientados situados en cascada sobre un terraplén.
El calor acumulado en el horno solar se transmite a un fluido de alto poder calorífico (generalmente sodio fundido) que se dirige hacia un cambiador térmico por el que discurre un serpentín.
La energía calorífica convierte en vapor el agua que entra en contacto con los tubos del serpentín por los que fluye el fluido calentado en el horno solar.
Este vapor a alta presión choca contra los álabes de una turbina y la hace girar.
El movimiento de la turbina se transmite al rotor del generador, y este produce la energía eléctrica por inducción.
La energía eléctrica se envía a los transformadores que aumentan la tensión para permitir el transporte por la red de alta tensión.
El vapor que sale de las turbinas pasa por un condensador donde vuelve a convertirse en agua que se reenvía al cambiador para comenzar nuevamente el ciclo.

7.2.- Placas Solares para Conversión Fotovoltaica

Los Paneles Solares están formados por células fotovoltaicas que transforman en electricidad la energía procedente de la luz solar que incide sobre ellas. El proceso a grandes rasgos es el siguiente:

Las Células Solares convencionales están formadas por dos capas de silicio semiconductor, una positiva y otra negativa que forman un campo eléctrico.
La luz solar, al incidir sobre las placas, activa el movimiento de cargas positivas y negativas, haciendo circular la corriente a través de unas láminas metálicas de contacto.
La energía eléctrica generada por las placas se lleva a un regulador.
Finalmente la energía se puede almacenar en baterías o convertir en corriente alterna mediante un inversor para su uso en dispositivos electrodomésticos que operan a 220 voltios.

8.- Energías Alternativas

El posible agotamiento -en un futuro no muy lejano- de las fuentes de energía tradicionales (combustibles fósiles y nucleares), el elevado impacto ambiental de su uso y la notable insuficiencia de la energía hidráulica para satisfacer la gran demanda energética mundial han dirigido los esfuerzos hacia la investigación y aprovechamiento de otra fuentes de energía alternativas.

Estas energías alternativas son, no solamente la eólica y solar ya estudiadas, sino algunas más que conviene mencionar aunque sea de manera somera:

Energía Geotérmica: Procede del calor almacenado en el interior de la Tierra, y se obtiene aprovechando el vapor de agua existente bajo la superficie terrestre a causa de ese calor. El calor se hace llegar a la superficie y se utiliza en turbinas y generadores de la misma manera que en las centrales térmicas, atómicas o hidroeléctricas. Puede ser energía geotérmica de Alta Temperatura (superior a 150ºC) si procede de actividad volcánica o de Baja Temperatura (inferior a 150ºC) si procede de corrientes de agua internas.
Energía de la Biomasa: Es todo tipo de energía procedente de la materia orgánica de origen vegetal o animal. Suele proceder de combustión directa de leña o residuos agrícolas, procesos termo químicos de conversión de residuos agrícolas o forestales, fermentación alcohólica de la caña de azúcar y otros vegetales o utilización de gases de desecho como el metano y el dióxido de carbono.
Energía de los Sólidos Urbanos: Las sustancias sólidas producidas por la actividad humana en las ciudades y que en principio parecen inservibles pueden utilizarse como fuente de energía tras su incineración.
Energía Maremotriz: Es la energía producida por las olas del mar, aunque por ahora el rendimiento de esta fuente de energía es muy pequeño. Consiste en grandes flotadores en los que se monta un eje provisto de aletas que giran al ser elevadas por las olas. Este eje transmite movimiento a un generador eléctrico.
Energía Mareomotriz: Aprovecha la subida y bajada de las mareas a causa del movimiento relativo del Sol y la Luna y su acción gravitatoria sobre las grandes masas oceánicas. Hay zonas en las que la diferencia de altura entre la bajamar y la pleamar es de hasta 10 metros, por lo que pueden funcionar como una pequeña central hidroeléctrica.

9.- Eficiencia Energética

La eficiencia consiste en conseguir mejores resultados con menos recursos, así que es fácil de entender que al hablar de Eficiencia Energética estamos intentando optimizar el consumo energético a todos los niveles. Esto presenta una serie de ventajas a saber:

Menores costes de producción
Disponibilidad de más energía almacenada para usar en otros fines
Menos desperdicio de energía
Disminución de la contaminación

Por ley, desde hace unos años se procede a etiquetar los electrodomésticos para mostrar al consumidor la diferencia existente entre distintas marcas y modelos de los aparatos de similares prestaciones y así valorar cual se debe adquirir. La escala va desde la letra A hasta la letra G, siendo la primera la de máxima eficacia y la última la de menor eficacia.

A modo de ejemplo, entre un frigorífico de categoría A y otro de categoría G puede haber una diferencia de más de 30euros anuales de consumo, lo que multiplicado por los años de vida útil del aparato dejan bien a las claras que el mayor coste de compra de los primeros se amortizan rápidamente.