PRODUCCIÓN, TRANSPORTE Y DISTRIBUCIÓN DE LA ENERGÍA ELÉCTRICA

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1 UNIDAD DIDÁCTICA PRODUCCIÓN, TRANSPORTE Y DISTRIBUCIÓN DE LA ENERGÍA ELÉCTRICA NIVEL: 3º ESO 1 CONCEPTOS PREVIOS PRODUCCIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA GENERADORES TURBINAS CENTRALES ELÉCTRICAS GENERADORES MOVIDOS POR VAPOR: CENTRALES TÉRMICAS CENTRALES TÉRMICAS CONVENCIONALES CENTRALES TÉRMICAS NUCLEARES CENTRALES HELIOTÉRMICAS DE TORRE OTRAS CENTRALES TÉRMICAS CICLO COMBINADO GENERADORES MOVIDOS POR AGUA CENTRALES HIDROELÉCTRICAS GENERADORES MOVIDOS POR EL VIENTO CENTRALES EÓLICAS SISTEMAS DE PRODUCCIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA SIN GENERADORES CÉLULAS FOTOVOLTAICAS (PANELES FOTOVOLTAICOS) VENTAJAS E INCONVENIENTES DE LOS SISTEMAS DE PRODUCCIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA 10 6 PRODUCCIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA EN ESPAÑA POTENCIA ELÉCTRICA INSTALADA EN ESPAÑA PRINCIPALES CENTRALES EN ESPAÑA TRANSPORTE Y DISTRIBUCIÓN DE LA ENERGÍA ELÉCTRICA PRODUCCIÓN, TRANSPORTE Y DISTRIBUCIÓN DE LA ENERGÍA ELÉCTRICA. 3º ESO 1

2 1 CONCEPTOS PREVIOS ENERGÍA : Capacidad para realizar un trabajo. Un cuerpo tiene energía cuando es capaz de producir un trabajo, es decir, cambios o transformaciones en otros cuerpos. Estos cambios pueden manifestarse como modificaciones en el estado de movimiento (detenerse o aumentar o reducir su velocidad) o como aumento o disminución de la temperatura. La energía es única, pero para facilitar su estudio se puede clasificar según diferentes criterios: SEGÚN SU ORIGEN SEGÚN LA FORMA EN QUE SE PRESENTA FORMAS CARACTERÍSTICAS Eólica Mecánica (Cinética + Potencial) Cinética: una masa que se mueve. Potencial: Una masa situada a una altura determinada de un nivel de referencia. Solar Química Combustibles (gasolina, gas, carbón), otras sustancias químicas. Hidráulica Radiante Emitida por ciertos cuerpos. La poseen las ondas electromagnéticas: luz, ondas de radio, rayos X, rayos UV, etc. Nuclear Es la que se libera natural o artificialmente en reacciones nucleares de fisión o fusión. Térmica Eléctrica Se manifiesta en forma de calor. Se manifiesta como el movimiento de electrones Mediante diferentes dispositivos se puede transformar la energía de una forma a otra. ENERGÍA ELÉCTRICA: Es la que transporta la corriente eléctrica VENTAJAS DE LA ENERGÍA ELÉCTRICA. Se transforma con facilidad en otras formas de energía. Se transporta a largas distancias con bajos costes y pocas pérdidas. Uso cómodo y limpio. 2 PRODUCCIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA La energía eléctrica se puede obtener directamente de otras tres formas de energía: Tipo de corriente Dispositivos en los que tiene lugar la transformación Otras características A partir de energía química Eq E eléctrica A partir de energía luminosa El E eléctrica A partir de energía cinética (o mecánica) Ec E eléctrica Corriente continua Corriente continua Corriente continua y alterna Pilas y baterías Células fotovoltaicas GENERADORES Suministro portátil de muy baja tensión Instalaciones domésticas y suministros portátiles. Bajo rendimiento y elevado precio Producción a pequeña escala (dinamos, alternadores) y gran escala (generadores de centrales) PRODUCCIÓN, TRANSPORTE Y DISTRIBUCIÓN DE LA ENERGÍA ELÉCTRICA. 3º ESO 2

3 2.1 GENERADORES bobinado ESQUEMA DE UN GENERADOR Dispositivo que transforma E mecánica en E eléctrica. escobillas Consta de unas bobinas de hilo conductor y de un campo magnético suministrado por imanes permanentes o electroimanes. Cuando se produce un movimiento relativo entre el conductor y el campo magnético, se induce en el conductor una corriente eléctrica (Ley de Lenz). TIPOS DE GENERADORES DINAMO: Produce corriente continua ALTERNADOR: Produce corriente alterna La mayor parte de la Energía eléctrica que se produce a gran escala (en centrales eléctricas) procede de generadores que están instalados en las centrales. Alternador de un automóvil, seccionado para ver su interior. (De professionalautomotive.wordpress.com) En las centrales los generadores se mueven con la E cinética que suministran fluidos en movimiento: Agua Vapor de agua Viento Gases de combustión 2.2 TURBINAS Una turbina es un dispositivo que transforma el movimiento lineal de un fluido en un movimiento circular (o rotatorio). Los ejes de las turbinas se acoplan a los ejes de los generadores, de tal manera que se transmite la E cinética del fluido al eje del generador. Turbina hidráulica (De es.wikipedia.org) Turbina eólica (De Turbina de gas (De es.wikipedia.org) PRODUCCIÓN, TRANSPORTE Y DISTRIBUCIÓN DE LA ENERGÍA ELÉCTRICA. 3º ESO 3

4 3 CENTRALES ELÉCTRICAS Son grandes plantas industriales que producen Energía eléctrica con generadores que aprovechan como fuente de energía cinética fluidos en movimiento. Según tales fluidos las centrales pueden clasificarse como sigue: VAPOR GAS DE COMBUSTIÓN Y VAPOR AGUA VIENTO Centrales térmicas convencionales Centrales térmicas nucleares Centrales heliotérmicas Centrales de biomasa Centrales geotérmicas Centrales de ciclo combinado Centrales hidroeléctricas Centrales eólicas 3.1 GENERADORES MOVIDOS POR VAPOR: CENTRALES TÉRMICAS Aprovechan vapor a gran velocidad para mover los generadores mediante turbinas. El vapor, que se produce calentando agua a través de diferentes procedimientos, incide a gran velocidad en las turbinas, que están conectadas a los ejes de los generadores CENTRALES TÉRMICAS CONVENCIONALES Para calentar agua y convertirla en vapor se queman combustibles orgánicos fósiles (carbón, gas) o derivados suyos (fuel, gas). ESQUEMA DE FUNCIONAMIENTO DE UNA CENTRAL TÉRMICA CONVENCIONAL Transformaciones energéticas: 1. E química E térmica 2. E térmica E cinética 3. E cinética E eléctrica Central térmica convencional de As Pontes de García Rodriguez (A Coruña) (De redgeografica2.blogspot.com.es) PRODUCCIÓN, TRANSPORTE Y DISTRIBUCIÓN DE LA ENERGÍA ELÉCTRICA. 3º ESO 4

5 3.1.2 CENTRALES TÉRMICAS NUCLEARES El calor que se necesita para conseguir el vapor lo suministran reacciones nucleares de fisión. En las reacciones nucleares de fisión se bombardean átomos de Uranio con neutrones. Los núcleos de Uranio se vuelven inestables y se fisionan (se rompen ), produciendo núcleos más ligeros, gran cantidad de calor y neutrones. Estos neutrones, a su vez, impactan en otros núcleos de Uranio, generándose una reacción en cadena. Reacción nuclear de fisión. ESQUEMA DE FUNCIONAMIENTO DE UNA CENTRAL TÉRMICA NUCLEAR Transformaciones energéticas: 1. E nuclear E térmica 2. E térmica E cinética 3. E cinética E eléctrica Central Térmica nuclear de Cofrentes (Valencia) (De eli-estrelladelmar.blogspot.com.es) PRODUCCIÓN, TRANSPORTE Y DISTRIBUCIÓN DE LA ENERGÍA ELÉCTRICA. 3º ESO 5

6 3.1.3 CENTRALES HELIOTÉRMICAS DE TORRE La radiación solar que incide sobre una gran superficie se concentra mediante espejos en una pequeña zona en la que se genera una alta temperatura, capaz de convertir el agua en vapor de agua. El receptor (o caldera) está situado en una torre y en él se concentran las radiaciones solares reflejadas por los espejos (o helióstatos), que disponen de un sistema automático de orientación respecto al Sol. Generan relativamente poca potencia, menos de 300 MW (2011) ESQUEMA DE FUNCIONAMIENTO DE UNA CENTRAL HELIOTÉRMICA DE TORRE Transformaciones energéticas: 1. Concentración de E térmica 2. E térmica E cinética 3. E cinética E eléctrica Central térmica solar de concentración de Sanlúcar la Mayor (Sevilla) (De OTRAS CENTRALES TÉRMICAS CENTRALES TÉRMICAS DE BIOMASA Se utilizan como combustibles algunos productos procedentes de la biomasa, que es la materia orgánica producida en procesos naturales (vegetación, residuos forestales y agrícolas o ciertos cultivos específicos, como la soja o el girasol). Esta biomasa es convertida en carbón vegetal, alcohol o biogás, que son los combustibles que se utilizan en las centrales. CENTRALES GEOTÉRMICAS Aprovechan el calor interno de la Tierra. Sin embargo, son pocas las regiones en el mundo con condiciones adecuadas para la instalación de centrales de este tipo. PRODUCCIÓN, TRANSPORTE Y DISTRIBUCIÓN DE LA ENERGÍA ELÉCTRICA. 3º ESO 6

7 3.2 CICLO COMBINADO Se produce energía eléctrica mediante dos sistemas consecutivos: En el primero, el fluido de trabajo es un gas producto de una combustión (por lo general, de gas natural) que acciona una turbina de gas. En el segundo, se utilizan los gases de escape a alta temperatura de la turbina de gas para aportar calor a la caldera o generador de vapor de recuperación, la que alimenta a su vez de vapor a la turbina de vapor. La principal ventaja de utilizar el ciclo combinado es su alta eficiencia, ya que se obtienen rendimientos superiores al rendimiento de una central de ciclo único y mucho mayores que los de una de turbina de gas. 3 3 Gas 2 1 Aire comprimido Transformaciones energéticas 1. E química E térmica E cinética 2. E térmica E cinética 3. E cinética E eléctrica Central de ciclo combinado de Arrúbal (La Rioja) (De GENERADORES MOVIDOS POR AGUA Se aprovecha el flujo, natural o provocado, de masas de agua para mover turbinas conectadas a generadores CENTRALES HIDROELÉCTRICAS Aunque el flujo natural del agua de un río (su energía cinética) podría ser aprovechado, generalmente se eleva el nivel del agua mediante la construcción de una presa interpuesta en el cauce del río. De esta manera las masas superiores del agua embalsada acumulan energía potencial respecto a la base de la presa. El agua es conducida después a través de tuberías forzadas desde los niveles superiores hasta los niveles inferiores, transformándose la energía potencial en energía cinética, necesaria para mover las turbinas. PRODUCCIÓN, TRANSPORTE Y DISTRIBUCIÓN DE LA ENERGÍA ELÉCTRICA. 3º ESO 7

8 ESQUEMA DE FUNCIONAMIENTO DE UNA CENTRAL HIDROELÉCTRICA E p Ec TURBINA Transformaciones energéticas 1. Acumulación de E potencial 2. E potencial E cinética 3. E cinética E eléctrica Existen dos tipos de centrales hidroeléctricas: De gravedad: Constan de un solo embalse y el agua utilizada para producir energía eléctrica sigue por el cauce del río y no vuelve a utilizarse. De bombeo: Constan por lo general de dos embalses. El agua se bombea desde el embalse inferior al superior y es en este último en el que se produce la energía eléctrica. Estas centrales son utilizadas para almacenar la energía eléctrica que se produce en otras centrales (nucleares, por ejemplo) y que no puede ser consumida en el momento de producirse. Por tanto, almacenan la energía eléctrica en forma de energía potencial. Central hidroeléctrica de Aldeadávila de la Ribera (Salamanca) (De PRODUCCIÓN, TRANSPORTE Y DISTRIBUCIÓN DE LA ENERGÍA ELÉCTRICA. 3º ESO 8

9 3.4 GENERADORES MOVIDOS POR EL VIENTO CENTRALES EÓLICAS generador Se aprovecha la energía cinética del viento para mover grandes turbinas cuyo movimiento giratorio, transmitido a través de una caja multiplicadora, acciona un generador. pala de la turbina torre Se llama aerogenerador al conjunto que forman la turbina, el generador y la torre sobre la que ambos van montados. Cada aerogenerador produce poca potencia, así que suelen instalarse numerosas unidades en los llamados parques eólicos. Aerogeneradores 4 SISTEMAS DE PRODUCCIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA SIN GENE- RADORES 4.1 CÉLULAS FOTOVOLTAICAS (PANELES FOTOVOLTAICOS) Se basan en el efecto fotovoltaico que poseen algunos elementos semiconductores (en especial el silicio) y que consiste en que cuando tales materiales son iluminados, generan electricidad. Las células fotovoltaicas se agrupan en paneles fotovoltaicos. Tienen bajo rendimiento (25%) y un precio elevado. Paneles fotovoltaicos (De Actualmente la principal ventaja de este sistema es su autonomía, pudiendo ser instalado como alimentación de farolas, edificios aislados, naves espaciales y satélites, etc... También pueden montarse numerosos paneles fotovoltaicos para constituir una central fotovoltaica. PRODUCCIÓN, TRANSPORTE Y DISTRIBUCIÓN DE LA ENERGÍA ELÉCTRICA. 3º ESO 9

10 5 VENTAJAS E INCONVENIENTES DE LOS SISTEMAS DE PRODUCCIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA SISTEMA VENTAJAS INCONVENIENTES C.T. CONVENCIONALES Buen rendimiento. Combustibles baratos. Consumen recursos no renovables (combustibles fósiles). Contaminación del aire y del agua. Generadores movidos por VAPOR (CENTRALES TÉRMICAS) C.T. NUCLEARES Muy buen rendimiento. Consumen recursos no renovables (minerales). Almacenamiento de residuos radiactivos de las reacciones. En caso de accidente el riesgo para la población es muy alto. C.T. HELIOTÉRMICAS Aprovechan energía renovable (solar) Bajo rendimiento. Dependen de la insolación. Sistema mixto GAS - VAPOR C. CICLO COMBINADO Buen rendimiento Consumen recursos no renovables (combustibles fósiles). Producen CO2 Generadores movidos por AGUA C. HIDROELÉCTRICAS Utilizan recursos renovables Ocupan mucho suelo. Interrumpen el flujo natural del curso de agua y la libre circulación de la fauna. Generadores movidos por VIENTO C. EÓLICAS Aprovechan energía renovable (viento). Bajo rendimiento por cada aerogenerador. Impacto visual (paisaje). Ocupación de suelo. Sólo instalables en determinadas zonas. Producción intermitente. SIN generadores PANELES FOTOVOLTAICOS Aprovechan energía renovable (solar) Autonomía. Bajo rendimiento. Alto precio. Dependen de la insolación. PRODUCCIÓN, TRANSPORTE Y DISTRIBUCIÓN DE LA ENERGÍA ELÉCTRICA. 3º ESO 10

11 6 PRODUCCIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA EN ESPAÑA 6.1 POTENCIA ELÉCTRICA INSTALADA EN ESPAÑA Fuente: Red Eléctrica Española 6.2 PRINCIPALES CENTRALES EN ESPAÑA Fuente: UNESA LAS MAYORES CENTRALES TÉRMICAS CONVENCIONALES EN ESPAÑA CENTRAL POTENCIA COMBUSTIBLE As Pontes de García Rodríguez (A Coruña) MW Carbón, tanto nacional como importado Compostilla (León) MW Carbones de la cuenca minera de León Litoral de Almería (Carboneras, Almería) MW Carbón importado Castellón (Castellón) MW Fuel-oil Teruel (Andorra, Teruel) MW Carbones de la cuenca minera aragonesa PRODUCCIÓN, TRANSPORTE Y DISTRIBUCIÓN DE LA ENERGÍA ELÉCTRICA. 3º ESO 11

12 Centrales térmicas convencionales en España Centrales térmicas nucleares en España Centrales hidroeléctricas en España. El mapa representa las centrales mayores de 20 MW. Se indica el nombre de las 10 centrales mayores de 300 MW. Centrales eólicas en España. El mapa indica los parques eólicos de potencia superior a 1 MW. Los círculos grandes muestran los parques con potencia superior a los 10 MW. 7 TRANSPORTE Y DISTRIBUCIÓN DE LA ENERGÍA ELÉCTRICA La E eléctrica se debe llevar desde las centrales de producción hasta los puntos de consumo: industrias, viviendas y usos comunes. El transporte se lleva a cabo mediante conductores eléctricos (cables). Los metales que se usan son: Aluminio (Al) en líneas de transporte y distribución. Cobre (Cu), en instalaciones en industrias y viviendas. Ambos metales tienen estas propiedades: Buen conductor de la electricidad. Buen comportamiento ante los agentes atmosféricos. Buena disipación del calor producido por el paso de la corriente (efecto Joule). Buen precio, en comparación con mejores conductores (Pt, Au, Ag). Los cables se tienden apoyados en torres, enterrados (aislados) o bajo el agua (dentro de conductos aislados). PRODUCCIÓN, TRANSPORTE Y DISTRIBUCIÓN DE LA ENERGÍA ELÉCTRICA. 3º ESO 12

13 TRANSPORTE Y DISTRIBUCIÓN DE LA ENERGÍA ELÉCTRICA Los generadores de las centrales producen energía eléctrica en forma de corriente alterna a una tensión entre 10 y 20 kv. 1. Para transportar la Energía eléctrica se eleva la tensión hasta unos 400 kv (ALTA TENSIÓN) mediante las SUBESTACIONES TRANSFORMADORAS DE ELEVACION, situadas a unos cientos de metros de las propias centrales. El objeto de elevar la tensión es minimizar las pérdidas por calor en el transporte. 2. Desde aquí parten las líneas de de alta tensión, en cuyos recorridos se intercalan SUBESTACIONES DISTRIBUIDORAS DE TRANSFORMAC!ON. Estas estaciones se encargan de disminuir la tensión desde los 400 kv hasta aprox. 40 kv (MEDIA TENSION), y de ellas salen las líneas de distribución de media tensión. 3. Estas líneas llegan hasta diferentes CENTROS DE TRANSFORMACIÓN (Casetas transformadoras), pequeñas instalaciones en las que finalmente se transforma la media tensión a la BAJA TENSION ( V) que utilizan los abonados (viviendas y pequeñas industrias, mayoritariamente). ESQUEMA DEL TRANSPORTE Y DISTRIBUCIÓN DE LA ENERGÍA ELÉCTRICA ALTA TENSIÓN kv MEDIA TENSIÓN kv BAJA TENSIÓN V Central eléctrica Subestación transformadora de distribución Centro de transformación (Caseta transformadora) Abonados A.T. M.T. B.T. Industria Producción energía eléctrica 3º ESO por Gustavo Zazo se encuentra bajo una Licencia Creative Commons Atribución No Comercial Compartir Igual 3.0 Unported. PRODUCCIÓN, TRANSPORTE Y DISTRIBUCIÓN DE LA ENERGÍA ELÉCTRICA. 3º ESO 13