Fuentes primarias de energía empleadas
para la generación eléctrica
Introducción
¡Hola!
Es un privilegio darte la bienvenida a tu primera clase digital del curso de Centrales Eléctricas. Espero que te mantengas con mucho ánimo y disfrutes este curso preparado para ti.
Este curso permite desarrollar las habilidades de analizar y administrar los sistemas eléctricos de potencia indispensables para el desarrollo de la profesión. La UDA se caracteriza como indispensable porque aporta elementos en la disciplina de la ingeniería eléctrica básicos para el desarrollo de cualquier ingeniero electricista. Dota al estudiante de conceptos, de métodos, de análisis, de flujos de potencia, análisis y modelado de las redes eléctricas, con el objetivo de proporcionar técnicas y herramientas para resolver problemas en el ámbito del diseño de redes eléctricas.
Se imparte en el 8º semestre del Programa Educativo y es requisito sugerido para las unidades de aprendizaje de profundización. Durante el desarrollo de la presente UDA se pretende dar a conocer los elementos principales que constituyen una central generadora de energía eléctrica, así como cada una de las propiedades de los elementos antes mencionados como también, se dará un panorama general de los tipos de centrales eléctricas existentes en el país y cuáles fueron las condiciones que tuvieron que conjuntarse en su momento para poder tener las centrales mencionadas.
Por lo anterior te invito a que durante el desarrollo de la presente clase tengas un pensamiento crítico y reflexivo en cada uno de los temas que veremos, de la misma manera están programadas varias actividades que se llevarán a cabo a lo largo de nuestro curso.
Sin más por el momento te reitero la bienvenida y mis mejores deseos para poder completar con éxito nuestro temario.
¡Mucho éxito!
Desarrollo del tema
Fuentes primarias de energía empleadas para la generación eléctrica
Se denomina Energía Primaria a aquella energía disponible en la naturaleza, antes de ser convertida o transformada. Existen dos grupos:
Las energías primarias no renovables tales como el petróleo, carbón, gas, uranio, etc., tardan miles de años en generarse, por lo tanto se agotan.
Las energías primarias renovables son el agua, el sol, el viento, la biomasa, el calor interno de la tierra, etc. Estas, casi siempre, están disponibles en la naturaleza y seguirán estándolo incluso cuando las anteriores se hayan agotado.
A continuación se presentan ejemplos de las diferentes tipos de fuentes:
Fuentes Primarias de Energía No Renovables
Carbón
Las plantas a carbón producen electricidad a partir de la combustión de carbón, en un generador de vapor que transforma el agua en vapor de alta presión y alta temperatura. El vapor circula por una serie de turbinas de vapor que impulsan un generador eléctrico para producir electricidad. El vapor de escape de las turbinas se refrigera, por condensación se convierte en agua y finalmente se devuelve al generador de vapor para recomenzar el proceso.
Petróleo
El petróleo es un hidrocarburo que puede ser extraído de la tierra y quemado para producir calor, energía o electricidad. De acuerdo con el sitio Smithsoniano, el petróleo puede quemarse en un horno que, a su vez, calienta una caldera. El vapor que resulta del proceso mueve una turbina que genera corriente eléctrica.
Gas Natural
Las centrales eléctricas alimentadas con gas de ciclo combinado, funcionan sobre la base de un ciclo de vapor y gas. Parte de la energía eléctrica es producida por una turbina de gas directamente conectada a un alternador. Como los gases de escape salen de la turbina a temperaturas muy altas, la energía que se perdería se recupera a través de un generador de vapor por recuperación de calor (HRSG).
El generador de vapor por recuperación de calor es un intercambiador de calor que recupera el calor de los gases de combustión y produce vapor, que impulsa una turbina de vapor que genera electricidad. La combinación de los dos ciclos da como resultado un alto nivel de eficiencia. Estas centrales eléctricas pueden ponerse en funcionamiento rápidamente y también son utilizadas para el suministro de grandes cantidades de energía durante períodos de demanda pico.
Uranio
La energía nuclear de fisión se obtiene al bombardear, con neutrones a gran velocidad, los átomos de ciertas sustancias; algunos de estos neutrones alcanzan el núcleo atómico y lo rompen en dos partes. Se libera una gran cantidad de energía y algunos neutrones. Estos neutrones pueden chocar contra otros núcleos, que se romperán produciendo más energía y más neutrones que chocarán contra otros núcleos. Esto es una reacción en cadena.
Para que esta reacción en cadena se produzca, es necesario usar sustancias que se desintegren fácilmente, es decir, sustancias radiactivas. Estas sustancias son muy peligrosas para el hombre si no se manejan con las precauciones adecuadas.
La sustancia más usada es el uranio235, aunque también se usan el uranio233 y el plutonio239. En todas estas reacciones, una pequeña parte de masa se transforma en energía según la ecuación E=mc2. Por eso se obtienen cantidades tan grandes de energía. Si 1 kg de carbón produce 30000000 julios, 1 kg de uranio produce 80000000000000 julios; es decir, unos dos millones de veces más energía.
Fuentes Primarias de Energía Renovables
Solar
Se puede aprovechar la energía que procede del Sol mediante diferentes métodos que lo que hacen es aprovechar la radiación solar y transformarla en circuitos eléctricos que pueden sustituir nuestros sistemas eléctricos convencionales. La efectividad de esta energía dependerá, siempre, de las horas de sol y de la intensidad de los rayos.
Para que los rayos del Sol se transformen en energía solar se necesita que muchos electrones se muevan y circulen por un circuito de electricidad natural. Cuantos más rayos solares tengamos, más electrones en movimiento tendremos y, por lo tanto, más energía solar.
Podemos aprovechar el sol de diferentes modos:
- De forma directa (energía solar térmica). Aprovechando el calor mediante captadores térmicos.
- De forma indirecta (energía solar fotovoltaica). Instalando paneles solares (paneles fotovoltaicos) que transforman la energía solar en electricidad.
La energía solar fotovoltaica es el tipo de energía que precisa de placas solares para poder transformarla en eléctrica. El efecto fotovoltaico es el que ocurre cuando la energía del sol separa los electrones de las placas solares; con la separación de estos electrones se puede conseguir una corriente eléctrica.
Eólica
La energía eólica no es otra cosa que la energía cinética del viento que generan las corrientes de aire. Esta fuente de origen renovable se transforma en otras energías aprovechables, como es el caso de la eléctrica. La energía de la fuerza del viento provoca el giro de las aspas, que transmiten ese movimiento de rotación a través de su eje a un multiplicador que aumenta la velocidad de giro, y con esa alta velocidad se ataca a un generador eléctrico, donde se produce la energía. Normalmente toda esa maquinaria esta toda junta e instalada en un lugar elevado para poder captar mejor la energía del viento.
Hidráulica
La energía hidráulica o energía hídrica se obtiene del aprovechamiento de las energías cinética y potencial de la corriente del agua o los saltos de agua naturales. En el proceso, la energía potencial, durante la caída del agua, se convierte en cinética y mueve una turbina para aprovechar esa energía. Este recurso puede obtenerse aprovechando los recursos tal y como surgen en la naturaleza, por ejemplo una garganta o catarata natural, o bien mediante la construcción de presas.
En el aprovechamiento de la energía hidráulica influyen dos factores: el caudal y la altura del salto. Para aprovechar mejor el agua, se construyen presas para regular el caudal en función de la época del año. La presa sirve también para aumentar el salto. Cuando se quiere producir energía, parte del agua almacenada se deja salir de la presa para que mueva una turbina engranada con un generador de energía eléctrica. Así, su energía potencial se convierte en energía cinética llegando a las salas de máquinas. El agua pasa por las turbinas a gran velocidad, provocando un movimiento de rotación que finalmente se transforma en energía eléctrica por medio de los generadores.
Geotérmica
El campo geotérmico es una extensión de tierra con un mayor gradiente (temperatura) de lo normal. También se conoce como área con calentamiento anómalo, cuya fuente de calor es un acuífero confinado (depósito de agua) almacenado y limitado por una capa sello, impermeable, que conserva el calor y presión, formando lo que se conoce como reservorio geotérmico. Este yacimiento de agua almacenado y calentado de forma natural en el subsuelo por una fuente de calor no muy profunda denominada cámara magmática, usualmente está relacionado con la actividad volcánica. La alta presión que alcanzan estos reservorios (yacimientos de agua y vapor presurizado) muchas veces rompe los estratos rocosos o utilizan las fallas geológicas existentes y salen a la superficie en forma de fumarolas, manantiales de agua caliente, ausoles o geyser.
El proceso inicia con la extracción de una mezcla de vapor y agua geotérmica desde del reservorio geotérmico a través de los pozos productores, ya en la superficie, se separa el vapor del agua geotérmica utilizando un equipo llamado separador ciclónico. Una vez separados, el agua se reinyecta nuevamente al subsuelo, mientras que el vapor ―agua en estado gaseoso― ya seco es conducido hasta la central generadora.
En la central geotérmica, la fuerza o energía del vapor activa la turbina cuyo rotor gira a unas 3 mil 600 revoluciones por minuto, que a su vez activa el generador, donde el roce con el campo electromagnético transforma la energía mecánica en energía eléctrica. Del generador salen 13 mil 800 voltios, que se transfieren a los transformadores que los convierten en 115 mil voltios, que son inyectados a las líneas de alta potencia para ser entregados a las subestaciones y de ahí hacia los hogares, fábricas, escuelas y hospitales, entre otros.
Biomasa
La energía biomasa se obtiene a partir de la descomposición por bacterias, en forma controlada, de la materia orgánica (residuos orgánicos). La generación de electricidad con base en energía biomasa, es la conversión de la energía química del gas, en energía mecánica a través de un proceso de combustión. Esta energía mecánica activa un generador que produce electricidad.
La valoración de la biomasa puede hacerse a través de cuatro procesos básicos mediante los que puede transformarse en calor y electricidad:
- Combustión. Se somete a la biomasa a altas temperaturas con exceso de oxígeno. Es el método tradicional para la obtención de calor en entornos domésticos, para la producción de calor industrial o para la generación de energía eléctrica.
- Pirólisis. Se somete a la biomasa a altas temperaturas (alrededor de 500ºC) sin presencia de oxígeno. Se utiliza para producir carbón vegetal y también para obtener combustibles líquidos semejantes a los hidrocarburos.
- Gasificación. Se somete a la biomasa a muy altas temperaturas en presencia de cantidades limitadas de oxígeno, las necesarias para conseguir así una combustión completa. Según se utilice aire u oxígeno puro, se obtienen dos productos distintos, en el primer caso se obtiene gasógeno o gas pobre (este gas puede utilizarse para obtener electricidad y vapor), en el segundo caso, se opera en un gasificador con oxígeno y vapor de agua y lo que se obtiene es gas de síntesis. La importancia del gas de síntesis radica en que puede ser transformado en combustible líquido.
- Digestión anaerobia. Se basan en la utilización de diversos tipos de microorganismos que degradan las moléculas a compuestos más simples de alta densidad energética. La digestión anaerobia de la biomasa por bacterias, se puede utilizar en explotaciones de ganadería intensiva, con la instalación de digestores o fermentadores, en donde la celulosa procedente de los excrementos animales se degrada en un gas que contiene cerca del 60% de metano.
La generación de energía biomasa, por lo general comienza después de los tres primeros meses de la disposición de los desechos y puede continuar durante un periodo de treinta años o más.
En apoyo a tu aprendizaje te invito a ver el siguiente video:
Conclusión
En conclusión, existe variedad de fuentes de energía de las que el ser humano puede disponer para satisfacer sus necesidades eléctricas, pero a pesar de esto, las fuentes no renovables siguen siendo las más usadas. Varios países han demostrado que se pueden mantener eléctricamente con un consumo mínimo de combustibles fósiles y un aumento en la investigación y aplicación de las fuentes de energía renovable. Sin embargo, para que esto pueda ser posible es muy importante que los dirigentes de dichos países tengan la visión de proteger el medio ambiente, dándole una solución ecológica a las necesidades de energía eléctrica.
En esta clase digital, se analizaron y expusieron los diferentes tipos de fuentes de energía primaria, las cuales son necesarias para transformarlas y producir energía eléctrica, estas se clasifican en fuentes primarias renovables y fuentes primarias no renovables, y se analizaron varios ejemplo de cada uno de estos grupos, con esto se da por concluido la introducción a las centrales generadoras de energía eléctrica.
Hemos llegado al final de esta primera sesión ¿qué te pareció? Espero que hayas aprendido cosas nuevas acerca del tema, pues esto te hará más sencillo el recorrido de este curso. Sigue adelante, realiza y manda la tarea asignada y te espero en la siguiente clase.
Fuentes de información
- Klempner, G., & Kerszenbaum, I. (2008). Handbook of Large turbo-generators, operation and maintenance. (2a ed.). Wiley-IEEE Press.
- Nag. P. K. (2002). Power Plant Engineering. (2a ed.).Tata McGraw Hill Education.
- Drbal, L., Westra, K., & Boston, P. (Eds). (1996). Power Plant Engineering. Springer EE. UU.