LIBRO I-10.pdf

CENTRALES ELCTRICAS I

Primera edicin 2010

Alfredo Madrazo Maza

Javier Balbs Garca

Departamento de Ingeniera Elctrica y

Energtica de la Universidad de Cantabria.

Ttulo: "Centrales Elctricas I"

Autores: Alfredo Madrazo Maza y Javier Balbs Garca

ISBN: 978-84-693-3339-6

Depsito Legal SA-612-2010

Escuela Tcnica Superior de Ingenieros de Caminos, Canales y Puertos. Santander

Edita: Escuela Tcnica Superior de Ingenieros de Caminos, Canales y Puertos de

Santander

Primera edicin, Julio de 2010

Escuela Tcnica de Ingenieros de Caminos, C. y P.

Avda. los Castros s/n

39005 Santander (Cantabria)

1

INDICE

INTRODUCCIN A LAS CENTRALES ELCTRICAS 5

CENTRALES ELCTRICAS 5

SUBESTACIN ELCTRICA 6

SUBESTACIN DE TRANSFORMACIN 6

SUBESTACIN DE MANIOBRA 7

CENTRO DE TRANSFORMACIN 7

CLASIFICACIONES DE LAS CENTRALES ELCTRICAS 8

PRINCIPALES FUENTES DE ENERGA (ENERGAS RENOVABLES) 11

MEDICIN DE LA ENERGA 12

POTENCIA Y SU MEDIDA 13

CONTAMINACIN AMBIENTAL Y LA LLUVIA CIDA 14

EFECTO INVERNADERO Y CAMBIO CLIMTICO 15

PARAMETROS Y ASPECTOS RELATIVOS A LA GENERACIN ELCTRICA 19

CARGA 19

DEMANDA 19

CURVAS DE CARGA 19

PARMETROS RELATIVOS A LA DEMANDA 21

PARMETROS RELATIVOS A LA PRODUCCIN 22

ASPECTOS ECONMICOS Y TCNICOS EN LA PRODUCCIN DE ELECTRICIDAD 24

ASPECTOS ECONMICOS 24

ASPECTOS TCNICOS 28

LA ENERGA EN ESPAA Y LA EFICIENCIA ENERGTICA 31

ENERGIA ELICA 35

BENEFICIOS 40

CRTICAS 41

ESTADISTICAS 41

ENERGIAS ALTERNATIVAS "EL HIERRO" 43

2

LA ENERGA SOLAR 45

CENTRAL TERMOSOLAR 50

FUNCIONAMIENTO DE UNA CENTRAL TERMOSOLAR 54

ENERGIA SOLAR FOTOVOLTAICA 55

FUNCIONAMIENTO DE UNA CENTRAL FOTOVOLTAICA 58

ACTUALIDAD DE LA ENERGA SOLAR FOTOVOLTACA 59

IMPACTO MEDIOAMBIENTAL DE LAS CENTRALES SOLARES 60

ENERGA DEL MAR 61

ENERGA MAREMOTRIZ 61

FUNCIONAMIENTO DE UNA CENTRAL MAREMOTRIZ 62

ENERGIA DE LAS OLAS 64

ENERGA DE LAS CORRIENTES MARINAS 68

ENERGAS TRMICA Y OSMTICA DEL MAR 69

VENTAJAS Y DESVENTAJAS DE LA ENERGA MARINA 69

ENERGIA GEOTRMICA 71

CAPTADORES GEOTERMICOS 72

CAPTADOR HORIZONTAL 72

CAPTADOR VERTICAL 73

BIOMASA 75

PROCESOS INDUSTRIALES 77

PROCESO DE COMBUSTIN 77

PROCESO DE GASIFICACIN 77

PROCESOS BIOQUMICOS Y QUMICOS 78

PROCESO PIROLISIS 79

TIPOS DE BIOCOMBUSTIBLES 80

APLICACIONES DE LA BIOMASA 83

VENTAJAS Y DESVENTAJAS DE LA BIOMASA 84

CENTRAL TERMICA CONVENCIONAL 87

IMPACTO DE LAS CENTRALES TRMICAS EN EL MEDIO AMBIENTE 89

COMENTARIOS 91

3

CENTRAL DE GAS DE CICLO COMBINADO 93

FUNCIONAMIENTO DE UNA CENTRAL DE GAS DE CICLO COMBINADO 95

IMPACTO DE LAS CENTRALES DE CICLO COMBINADO EN EL MEDIO AMBIENTE 97

COMENTARIOS 98

CENTRAL DE COGENERACION 101

VENTAJAS 104

INCONVENIENTES 104

EJEMPLO DE INSTALACIN DE COGENERACIN (HOSPITAL DE VALDECILLA, SANTANDER) 105

CENTRAL NUCLEAR 107

ENERGIA NUCLEAR EN EL MUNDO 108

FISIN NUCLEAR 109

FUSIN NUCLEAR 110

FUNCIONAMIENTO DE UNA CENTRAL NUCLEAR 113

REACTORES NUCLEARES 115

COMPONENTES DEL NCLEO DEL REACTOR 117

FAMILIAS DE REACTORES NUCLEARES 120

MATERIALES, DISEO Y CONSTRUCCIN DE UNA CENTRAL NUCLEAR 127

RESIDUOS RADIACTIVOS 138

ORIGEN DE LOS RESIDUOS RADIACTIVOS 139

CLASIFICACIN DE RESIDUOS RADIACTIVOS 140

REELABORACIN O REPROCESO 142

ALMACENAMIENTO DE RESIDUOS RADIACTIVOS 143

GESTIN, TRANSPORTE Y ALMACENAMIENTO DE RESIDUOS RADIACTIVOS DE BAJA Y MEDIA

ACTIVIDAD 151

TRANSPORTE DE SUBSTANCIAS RADIACTIVAS 153

IMPACTO DE LAS CENTRALES NUCLEARES EN EL MEDIO AMBIENTE 157

CENTRALES HIDROELCTRICAS 159

FUNCIONAMIENTO DE UNA CENTRAL HIDROELCTRICA 161

CLASIFICACIONES DE CENTRALES HIDRALICAS 167

DISPOSICIONES GENERALES DE LAS CENTRALES ELCTRICAS 174

APROVECHAMIENTO HIDROELCTRICO DE UN RO 177

MAGNITUDES CARACTERISTICAS DE UN APROVECHAMIENTO 180

4

POTENCIA Y RENDIMIENTO DE UNA CENTRAL HIDROELCTRICA 186

ENERGIA DE UNA CENTRAL HIDROELECTRICA 188

ELEMENTOS DE LAS CENTRALES HIDROELECTRICAS 189

ANEXOS 203

ECUACION DE CONTINUIDAD 203

ECUACIN DE BERNOUILLI 205

APLICACIONES DE BERNOUILLI 209

BIBLIOGRAFA 213

INTRODUCCION A LAS CENTRALES ELCTRICAS

5

INTRODUCCIN A LAS CENTRALES ELCTRICAS Un sistema elctrico de potencia (S.E.P.) puede definirse como un conjunto de

mquinas convertidoras, transformadoras, lneas y otros muchos elementos elctricos

convenientemente conectados y coordinados, mediante los cuales se genera,

transporta, distribuye y utiliza la energa elctrica.

Figura INT- 1 squema general de un sistema de energa elctrica , fuente [48]

A continuacin se presentan algunos de los componentes que forman un sistema

elctrico de potencia que pueden resultar interesantes para este tema.

CENTRALES ELCTRICAS

"Lugar y conjunto de instalaciones, incluidas las construcciones de obra civil y edificios

necesarios, utilizados directa e indirectamente para la produccin de energa elctrica"

Es una instalacin de produccin de energa elctrica que comprende los grupos

generadores, la aparamenta asociada y la parte de las obras en las que est instalada.


6

Figura INT- 2 "Vista de la central nuclear de Asc" fuente [19]

SUBESTACIN ELCTRICA

Conjunto situado frente a la aparamenta elctrica y edificios necesarios para realizar

las siguientes funciones:

o Transformacin de la tensin, de la frecuencia o del nmero de fases.

o Rectificacin (corriente alterna a continua).

o Compensacin del factor de potencia.

o Conexin de uno o ms circuitos.

(No estn incluidos los centros de transformacin)

SUBESTACIN DE TRANSFORMACIN

Destinada a la transformacin del nivel de tensin mediante uno o ms

transformadores cuyos secundarios se emplean en la alimentacin de otras

subestaciones o centros de transformacin.


7

Figura INT- 3 "Subestacin transformadora"

SUBESTACIN DE MANIOBRA

Destinada a la conexin de dos o ms circuitos y su maniobra.

CENTRO DE TRANSFORMACIN

Instalacin de uno o varios transformadores reductores con la aparamenta y obras

necesarias.

Figura INT- 4 "Centro de transformacin sobre apoyo metlico"


8

La principal diferencia con las subestaciones elctricas son la potencia y niveles de

tensin nominales.

Centro alimentado por una lnea de distribucin en alta o media tensin, que reduce

sta a un valor de 230/400 V. y del cual parten las lneas de distribucin en baja

tensin.

CLASIFICACIONES DE LAS CENTRALES ELCTRICAS

La primera clasificacin ser segn la funcin que desempea dentro del sistema de

energa elctrica.

o Central de base o centrales principales:

Suministran la mayor parte de la energa elctrica de forma continua, es decir, sin

interrupciones de funcionamiento, sometidas a variaciones de carga muy limitadas,

haciendo las paradas imprescindibles para las operaciones de mantenimiento.

Tales caractersticas, suelen ser cubiertas por centrales del tipo nuclear, trmica y

en algunos casos hidrulicas de agua fluyente.

o Centrales de punta:

Trabajan en paralelo con las centrales de base y cubren las horas de mayor

consumo, (horas punta de demanda). Han de ser instalaciones de respuesta muy

rpida, tanto en lo referente a la puesta en marcha como a la regulacin de sus

elementos. Por tales razones tcnicas, suelen ser centrales del tipo hidrulico con

embalse para su regulacin y de ciclo combinado o con turbinas de gas.

o Centrales de reserva:

Sirven para sustituir total o parcialmente a las centrales de base, bien por falta de

materia prima, bien por fallos o averas. No se deben confundir con las centrales

de punta, pues el trabajo de las de reserva no es peridico sino ocasional.

Suelen utilizarse para esta finalidad las del tipo trmica de carbn (turbinas de

vapor) o grupos diesel.


9

o Centrales de socorro o de emergencia:

Tienen la misma finalidad que las anteriores. En este caso se trata de pequeas

centrales autnomas que pueden ser transportadas fcilmente (presentan

movilidad), a los lugares donde se requiere su asistencia. Tienen rapidez de

respuesta. Generalmente son grupos diesel.

o Centrales de acumulacin o de bombeo:

Son centrales hidroelctricas que pueden aprovechar sus instalaciones, en

momentos de poca demanda y coste elctrico reducido, para recuperar el agua,

utilizada anteriormente para la generacin de electricidad, devolvindola al

embalse situado aguas arriba.

Una segunda clasificacin ser segn el tipo de mando y control: o Manual.

o Semi-automtica.

o Automticas.

Y una tercera clasificacin segn el tipo de energa primaria (carbn, agua, viento,

etc.) que se utilice, dentro de las cuales se comentarn algunas variedades en sus

procesos.

La produccin de electricidad se producir en unas maquinas elctricas denominadas

generadores. Existen generadores sncronos y asncronos, habitualmente para estos

usos se utilizan los sncronos.


10

PRINCIPALES FUENTES DE ENERGA

11

PRINCIPALES FUENTES DE ENERGA (Energas Renovables)

Las fuentes de energa comerciales ms utilizadas actualmente en el mundo son el

petrleo, el carbn, el gas natural, la energa hidrulica y la nuclear. Son los tipos de

energa que hoy en da responden mejor, por su disponibilidad y costes de utilizacin,

a las necesidades energticas de la humanidad, y son las ms conocidas por todos.

Las energas renovables, aunque cuantitativamente tienen hoy en el plano comercial

una importancia relativa (salvo la hidrulica y la elica), estn llamadas a jugar un

papel importante a medida que se vayan agotando las reservas de las energas

fsiles.

Estas energas renovables utilizan como energa primaria la energa hidrulica

(aprovechamiento de la energa del agua), la energa elica (aprovechamiento del

potencial de viento), la energa solar, tanto en usos trmicos (calentamiento de

fluidos) como en usos fotovoltaicos (produccin de energa elctrica); la energa

geotrmica; y las energas marinas (olas, mareas y corrientes marinas). Junto a estas

modalidades, se incluye tambin la biomasa, la cual aunque en su uso emite CO2 ,

ste ha sido previamente fijado en el combustible, por lo que su balance global a este

respecto se considera aproximadamente neutro.

De stas, son conocidos los aprovechamientos de la energa hidroelctrica para

generacin de electricidad y el uso de la biomasa en los pases emergentes como

Brasil. Aunque tradicionalmente constituyeron una pequea parte de la aportacin a

los sistemas energticos, desde finales de los aos ochenta, con el desarrollo de

nuevas tecnologas, como las de la energa elica, la solar o la utilizacin de residuos

urbanos, este tipo de energas incrementa paulatinamente su participacin en el

mercado de generacin elctrica.

Los pases desarrollados comenzaron a impulsar este tipo de energas como

consecuencia de la crisis de los hidrocarburos de los aos setenta. Esta crisis haba

causado efectos negativos muy importantes en sus economas. En aquellos

momentos, la participacin del petrleo en los balances de energa primaria de estos

pases alcanzaba tasas mayoritarias del orden del 50% o ms, en el caso de Espaa


12

el 70%; la elevacin de los precios del petrleo era continua; haba una incidencia muy

negativa en sus balanzas de pagos, etc.

Los responsables de las polticas energticas de estos pases centraron su atencin

en el ahorro energtico y, adems, en la posibilidad del desarrollo de las energas

renovables, por ser fuentes energticas autctonas y no agotables.

Ms recientemente, durante la dcada de los noventa, el principal argumento para la

promocin de estas energas ha sido el medioambiental. El objetivo de un desarrollo

sostenible exiga, entre otras cosas, la limitacin de emisiones de gases de efecto

invernadero y, por ello, el cumplimiento del "Protocolo de Kyoto" es uno de los motivos

que ms se esgrimen para el fomento de estas energas.

Finalmente, entre otros motivos que justifican la promocin de este tipo de energas se

puede mencionar el hecho de que favorecen un mayor enlace social y econmico,

como la fijacin de poblacin en reas rurales; la creacin de puestos de trabajo (en

muchos casos en zonas no industrializadas); el desarrollo tecnolgico y el de la

industria de bienes de equipo.

MEDICIN DE LA ENERGA

La energa tiene las mismas unidades que la magnitud trabajo. En el Sistema

Internacional de Unidades (SI), la unidad de trabajo y de energa es el julio (J), definido

como el trabajo realizado por la fuerza de 1 newton cuando desplaza su punto de

aplicacin 1 metro.

Para la energa elctrica se emplea como unidad el kilovatio-hora (kWh) definido como

el trabajo realizado durante 1 hora por una mquina que tiene una potencia de 1

kilovatio (kW).

Su equivalencia es: 1 kWh = 3,6 x 106 J

energa se establecen unas unidades basadas en el poder calorfico de cada una de

ellas.


13

Las ms utilizadas en el sector energtico son: kilocaloras por kilogramo de

combustible (Kcal/Kg); tonelada equivalente de carbn (tec); y tonelada equivalente de

petrleo (tep).

Sus definiciones son:

- Kcal/kg aplicada a un combustible, nos indica el nmero de kilocaloras que

obtendramos en la combustin de un kilogramo de ese combustible.

1kcal = 4,185 x 103 J

- Tonelada equivalente de carbn (tec). Representa la energa liberada por la

combustin de una tonelada de carbn tipo (hulla).

1 tec = 2,93 x 1010 J

- Tonelada equivalente de petrleo (tep). Equivale a la energa liberada en la

combustin de una tonelada de crudo de petrleo.

1 tep = 4,185 x 1010 J

1 tep = 107 kcal = 11700 kWh = 1,428 tec

POTENCIA Y SU MEDIDA

La potencia de un sistema es el trabajo realizado en la unidad de tiempo. Su unidad en

el Sistema Internacional (SI) es el vatio, definido como la potencia de una mquina

que realiza el trabajo de 1 julio en el tiempo de 1 segundo (su smbolo es W).

En el sector elctrico se utilizan mltiplos de esta unidad: el kilovatio (kW), que

equivale a 1.000 vatios; el megavatio (MW), que tiene 106 vatios; y el gigavatio (GW),

que equivale a 109 vatios.


14

El kilovatio hora (kWh) se usa para medir la energa producida o consumida por una

instalacin y el kilovatio (kW), para medir la potencia o capacidad.

El kWh es, por tanto, la energa producida o consumida por una instalacin de

potencia 1 kW, trabajando durante una hora.

CONTAMINACIN AMBIENTAL Y LA LLUVIA CIDA

Teniendo en cuenta que la naturaleza tiene su propia capacidad de auto depuracin y

reciclaje y que, por tanto, las emisiones, inmisiones o vertidos de productos

contaminantes pueden variar de un lugar a otro afectando de forma diferente, la

energa al medio po

Un ejemplo de contaminacin ambiental se puede encontrar en las centrales

elctricas al devolver al medio (ro o embalse), el agua utilizada para refrigerar en el

proceso de generacin de energa. Se controla rigurosamente que esta agua no sea

la causa de una variacin significativa de la temperatura del medio.

Figura PFE- 1 ormacin de la lluvia cida", fuente [19]


15

Cuando esas sustancias o energa se introducen en la atmsfera de forma artificial en

unas determinadas condiciones y por encima de los umbrales considerados lmite,

hablamos de contaminacin atmosfrica. Uno de los episodios ms estudiados de

contaminacin atmosfrica es la denominada lluvia cida, que se produce al

combinarse con el agua de las nubes los xidos de nitrgeno y azufre, emitidos como

resultado de la combustin de combustibles fsiles, y precipitar. Esta lluvia acidificada

puede daar de manera importante los bosques, ros y lagos.

Entre los aos 1960 y 1970 se observaron fuertes indicios de daos por acidificacin

en ecosistemas de ros y lagos del Norte de Europa, por lo que se dio importancia a

este tipo de contaminante y se introdujeron polticas y actuaciones tendentes a la

prevencin y control de este fenmeno, que condujeron al establecimiento de unos

estrictos lmites de emisin en las instalaciones de combustin que emiten

contaminantes acidificantes vigentes en la actualidad.

El sector elctrico espaol lleva trabajando muchos aos en el campo de la

contaminacin atmosfrica, y para evitar este fenmeno, las centrales trmicas de

combustibles fsiles disponen de equipos de descontaminacin para limpiar los gases

de la combustin, y emplean cada vez ms combustibles de mejor calidad ambiental.

EFECTO INVERNADERO Y CAMBIO CLIMTICO

El llamado efecto invernadero es un fenmeno natural que permite a los seres vivos la

vida en el Planeta al mantener la temperatura en la superficie terrestre, reflejando

parte de la radiacin solar y devolviendo parte de la energa, reteniendo solamente la

necesaria. Esta reflexin se produce por la existencia de una capa de gases de efecto

invernadero que permite mantener el equilibrio trmico. Parte de las radiaciones se

reflejan en la parte exterior de la capa de gases y parte la atraviesan, siendo estas

ltimas reflejadas, en parte, por la propia superficie terrestre y devueltas al espacio.

Aunque el clima mundial siempre ha evolucionado de forma natural, los cientficos

creen que esa capa de gases que envuelve el planeta presenta una concentracin

superior a los umbrales que se consideran naturales.


16

Figura PFE- 2 fecto invernadero", fuente [19]

Figura PFE- 3 fecto invernadero", fuente [Error! No se encuentra el origen de la referencia.]


17

Cuanto mayor es la concentracin de CO2 en la atmsfera, mayor ser la energa que

se refleja, en la parte interna de la capa, en relacin a la que se devuelve al espacio,

con lo que aumenta la temperatura de la Tierra provocando cambios en el clima que

no responden a pautas naturales.

La produccin de electricidad, al quemar combustibles como petrleo, carbn gas,

que contienen carbono, est aadiendo un exceso de gases de efecto invernadero a la

atmsfera. Las concentraciones de CO2 en la atmsfera a lo largo de los ltimos 200

aos han aumentado en casi una tercera parte, principalmente debido al empleo de

combustibles fsiles y a la tala de bosques. Ms de la mitad del efecto invernadero

creado por el ser humano puede atribuirse al CO2 y tres cuartas partes de este CO2

proceden del uso de combustibles fsiles.

La intensificacin de este fenmeno ha provocado el consecuente aumento de la

temperatura global, el derretimiento de los hielos polares y el aumento del nivel de los

ocanos.

Aunque hace ms de una dcada que la alarma por el Cambio Climtico haba sido

denunciada ante la opinin pblica, la preocupacin oficial no se inicia hasta la

celebracin, en 1992, de la Convencin de las Naciones Unidas sobre el Clima, como

consecuencia de la Conferencia de Ro de Janeiro (Brasil). En ella, la mayora de los

pases industrializados se comprometieron a reducir las emisiones de gases de efecto

invernadero.

Este esfuerzo comn internacional se ha plasmado en la firma del Protocolo de Kyoto

en diciembre de 1997, que supone la aparicin del primer instrumento legislativo de

carcter vinculante para los firmantes, y mediante el cual, los pases industrializados

se comprometen a reducir un 5,2% sus emisiones de gases de efecto invernadero en

el perodo 2008-2012, con respecto a los niveles de 1990.

Asimismo, establecen para ello una serie de mecanismos encaminados a la reduccin

ms efectiva posible, creando mercados de permisos de emisin y toda una

infraestructura administrativa para la obtencin de crditos de emisin a travs de

transferencia de tecnologas limpias a los pases en desarrollo. Si el protocolo de

Kyoto fuera aceptado por la mayora de los pases, se habra alcanzado un gran hito

en la forma de afrontar los problemas ambientales globalmente.


18

En el ao 2001 en Espaa, de acuerdo con los datos del Ministerio de Medio

Ambiente, las emisiones de CO2 del Sector de la Transformacin y Produccin de

Energa representaron el 27,7% del total, dentro del cual el Sector Transporte es

responsable del 56,7%. En 2004, se ha aprobado un Plan de Asignacin de Emisiones

para los sectores industriales de nuestro pas, y el Sector Elctrico deber continuar

esforzndose en la solucin de este problema.

Actualmente el cambio climtico se perfila como el mayor reto ambiental para la

humanidad.

El desafo mundial para este milenio es satisfacer la creciente demanda de energa,

limitando las emisiones de gases de efecto invernadero, principalmente el dixido de

carbono (CO2), a travs del desarrollo de polticas que orienten la economa y la

sociedad hacia un consumo energtico responsable, favoreciendo la eficiencia

energtica y haciendo un uso racional de la energa mediante el ahorro y la utilizacin

de sistemas no contaminantes, especialmente fuentes limpias y renovables.

PARMETROS Y ASPECTOS RELATIVOS A LA GENERACIN ELCTRICA

19

PARAMETROS Y ASPECTOS RELATIVOS A LA GENERACIN ELCTRICA

CARGA

Se denomina carga al valor, en un instante dado, de la potencia absorbida o

suministrada en un punto cualquiera del sistema elctrico. La carga puede referirse a

un aparato, una red, una central, o a un abonado, no es una magnitud constante sino

que vara segn el consumo.

Cuando el consumo es mximo y el valor de carga ms elevado se denomina carga

mxima o punta de carga.

DEMANDA

La demanda de una instalacin elctrica receptora es el valor medio de la carga

habitualmente en Kilovatios que absorbe durante un intervalo de tiempo determinado.

La principal caracterstica de la demanda es su variacin con el tiempo, sin embargo

presenta una regularidad sobre la base de determinados ciclos temporales.

La demanda total ser la suma de la demanda de todos los abonados.

CURVAS DE CARGA

La representacin y estudio de las curvas de carga dan una idea a las centrales

elctricas o al sistema elctrico de generacin, del consumo o potencia al cual se debe

hacer frente en determinados periodos o momentos de tiempo.

Para determinar las variaciones de carga del sistema se suelen utilizar unos aparatos

denominados registradores que imprimen grficas o datos donde se registran y

visualizan las variaciones de demanda de potencia que existen en el tiempo.

a. Curvas de carga diaria.


20

Son una representacin, donde en ordenadas aparecen las potencias demandadas

y en abscisas el tiempo (horas), en el cual tiene lugar dicha demanda.

Grfica PAG- 1 "Curva de carga diaria, para distintos usos"

b. Curva de demanda anual.

Grfica PAG- 2 "Curva de demanda anual"

POTENCIA (kW)

TIEMPO

(Horas)

OTROS USOS

DOMSTICO

8:00 HORAS 21:00 HORAS

PMedia

PMxima

POTENCIA

NMERO HORAS 8760 0

P (t)

ENERGA ANUAL

(EC)

Pinstalada


21

Tambin denominada curva montona de carga, se obtiene de las curvas de carga

diarias a lo largo de un ao, sumando para cada nivel de potencia demandada el

nmero de horas en que dicha potencia se ha igualado o superado

La informacin obtenida de la curva montona ser til para programar la

produccin a lo largo del ao.

Segn se traten distintos periodos de tiempo o distintos parmetros relacionados con

la carga, se obtendrn curvas que aporten una u otra informacin.

Del estudio de las distintas curvas de carga, entre las que se encuentran las tratadas

anteriormente, se pueden deducir importantes conclusiones, entre las que se tienen:

Para establecer el proyecto de la central elctrica ha de tenerse en cuenta el tipo

de demanda que habr que cubrir dicha central y en qu condiciones

(individualmente, en grupo, etc.)

El tipo o tipos de generadores ms convenientes a utilizar para cubrir la demanda

de potencia, trabajando a mximo rendimiento o rendimiento econmico de

explotacin.

Nunca se proyectar un generador para trabajar a la potencia mxima del sistema,

pues la mayora del tiempo funcionara a muy bajo rendimiento.

PARMETROS RELATIVOS A LA DEMANDA a. Energa consumida durante el ao (EC).

A partir de la curva montona, la energa anual ser el rea comprendida entre los

ejes cartesianos y la curva.

b. Potencia instalada (Pi).

Es la suma de todas las potencias nominales receptoras del sistema alimentado

por la central.

c. Potencia mxima (Pmax).


22

Es la mxima potencia demandada por la red.

d. Carga media anual o potencia media (Pmed).

Es el reparto equitativo de todo lo consumido a lo largo de todo el ao.

8760

EP cmed

e. Factor de carga (m).

Relacin entre la energa consumida y la que se consumira si el sistema

absorbiera constantemente la potencia mxima.

max

med

max

med

P

P

8760P

8760Pm

f. Factor de demanda o simultaneidad (s).

Vara segn el nmero de abonados y representa un valor que indica las

probabilidades de conexin simultnea de los distintos receptores.

instalada

max

P

Ps

N Abonados 1 6 13 20

Factor (s) 1 0,8 0,6 0,5 0,4

Tabla PAG- 1 "Factor de simultaneidad en funcin del nmero de abonados"

PARMETROS RELATIVOS A LA PRODUCCIN

a. Potencia total de la central (Pt).

Suma de las potencias nominales de los grupos generadores que componen la

central elctrica de produccin.

b. Potencia disponible (PD).


23

Es la suma de las potencias nominales de los grupos generadores que se

encuentran disponibles en un momento determinado.

Se diferencia de la potencia total de la central a la hora de tener en cuenta los

grupos que se encuentran fuera de servicio, por revisin, avera, recarga, etc.

dejando de generar total o parcialmente.

c. Factor de instalacin (Fi)

Relaciona la capacidad generadora de la central con el mximo consumo de los

receptores.

instalada

ti

P

PF

d. Utilizacin anual (T).

Es el nmero de horas anuales que la central debiera trabajar a plena carga (Pt)

para producir la misma energa que durante un ao a carga variable.

t

med

t

C

P

8760P

P

ET

e. Factor de utilizacin (Fu)

Es la relacin entre el nmero de horas de utilizacin anual a plena carga respecto

al nmero de horas del ao.

t

medt

med

uP

P

8760

P

8760P

8760

TF

f. Factor de reserva (FR)

Es la relacin entre el valor de la potencia total de la central y la potencia mxima

demandada y representa la capacidad de generacin de reserva de la central

elctrica.

s

F

P

P

P

P

P

PF i

inst

max

inst

t

max

tR


24

El valor de la potencia total siempre debe ser mayor que el de la potencia

mxima demandada, es ms, en el caso de una nica central se debiera aplicar

el valor de la potencia disponible en lugar de la total, pues se debe asegurar el

suministro en cualquier momento, incluidas reparaciones, averas, etc.

Tambin se debiera tener en cuenta, si fuera el caso, la central elctrica como

parte integrada de un sistema elctrico, donde las carencias de una las podran

suplir las otras, pudiendo entonces trabajar algunas de ellas sin reserva.

ASPECTOS ECONMICOS Y TCNICOS EN LA PRODUCCIN DE

ELECTRICIDAD

Las compaas elctricas se plantean la produccin de energa elctrica a partir de

dos mximas:

Desde el punto de vista econmico, el de minimizar costes de produccin.

Desde el punto de vista tcnico, la posibilidad de afrontar demandas variables y

crecientes con el tiempo, manteniendo la calidad en el servicio elctrico.

ASPECTOS ECONMICOS

Los costes de la generacin de electricidad se pueden clasificar en:

- Costes de capital o costes fijos, derivados de la propia capacidad productora. Son

constantes e independientes del nmero de horas de servicio, se reparten por igual

durante la vida til de la central o el tiempo estimado.

- Costes de explotacin o costes variables, debidos al combustible, energa primaria

y mantenimiento de la instalacin. Estos costes si varan, dependiendo del nmero

de horas de servicio, de las variaciones del precio del combustible, mano de obra,

etc.


25

Para establecer un mtodo que nos permita estudiar las ventajas y desventajas

econmicas de varias centrales elctricas, se establecern las siguientes

aproximaciones:

a) Los costes fijos son proporcionales a la potencia nominal total de la central

elctrica.

b) Estos costes fijos se mantienen constantes y se reparten equitativamente a lo

largo de los aos previstos, obtenindose en coste fijo anual.

c) Los precios del combustible se mantendrn constantes segn el periodo de

tiempo estipulado (habitualmente 1 ao) donde se aplicara la inflacin que se

considere.

d) Los costes variables se supondrn proporcionales a la energa elctrica

producida (suponiendo que a mayor energa existir un mayor mantenimiento

de la planta).

Y con estas hiptesis, se obtiene:

C fijo anual = Pt p i (euros/ao)

Pt potencia nominal de la central kW.

p precio del kilovatio instalado actualizado a la fecha de la puesta en

servicio de la instalacin o central (euros/kW).

i tasa de gastos fijos que representa la cantidad de dinero que hay

que pagar anualmente por euro invertido (euros/ao euros)

C variable anual = E c = Pt h c (euros/ao)

E produccin de energa durante un ao (kWh/ao).

(euros/kWh).


26

horas de utilizacin a mximo rendimiento, para producir la

totalidad de la energa generada en un ao (horas/ao).

Siendo el coste total la suma del coste fijo ms el coste variable y ser el coste

necesario para mantener en servicio la central produciendo una energa anual E

(kWh/ao).

C Total anual = C f + C v = Pt p i + Pt h c

Se define el coste anual por kilovatio instalado (CP) como:

CP = C Total anual / Pt = p i + h c

Grfica PAG- 3 "Coste anual por kW instalado"

Se define el coste especfico (Ce) (Grfica PAG- 4) como el coste total del kilovatio

hora producido, siendo:

ch

ip

hP

chPipP

E

CC

t

ttte

En el caso que se plantearan dos centrales con distintos costes fijos y variables las

graficas podran servir de estudio comparativo. Se suponen la central A y la central B,

entre las cuales:

- Coste fijo de la central A es mayor que el de la central B.

Cp

h

p i

h c


27

Grfica PAG- 4 "Coste especfico (Coste anual por kW producido) "

- Coste variable de la central A es menos pronunciado que el de la central B, segn

aumentan las horas de funcionamiento h.

Si se representan las grficas de ambas centrales existe un punto de corte que

representa las horas de funcionamiento (h0) donde ambas tienen los mismos costes

CP y Ce.

Grfica PAG- 5 "Clculo de las horas de funcionamiento"

Para calcular el valor de h0 se igualan ambas expresiones del coste CP, obteniendo:

AB

BBAA0

CC

ipiph

Cp

h

pA iA

hA cA

pB iB

hB cB

h0

Ce

h

c


28

El valor obtenido de h0 representa el valor frontera hasta el cual o a partir del cual

puede resultar ms interesante, desde el punto de vista econmico, una central u otra.

En el caso anterior se tiene que para valores inferiores a h0 resulta ms rentable la

central B, dado que el coste anual por kilovatio generado es menor. En cambio a partir

de h0 es preferible la central A, tanto ms cuanto ms se aleje de dicho punto.

Si en lugar de obtener h0 mediante la igualdad de los costes CP, se hubiera obtenido

mediante la igualdad de los costes Ce, los resultados y el valor de h0, hubieran sido los

mismos.

Grfica PAG- 6 "Comparativa de centrales"

De todo lo tratado hasta ahora se pueden extraer las siguientes conclusiones:

Cuanto mayor sea el factor de utilizacin "h", menor ser el coste del kWh

producido por la central (grficas del coste Ce).

Cuando el sistema de generacin este compuesto de varias centrales, se

podrn establecer ciertos criterios para optimizar la produccin del kWh.

ASPECTOS TCNICOS

Desde el punto de vista tcnico, las centrales elctricas cuentan con diversos tipos de

grupo generador, los cuales se pueden estudiar atendiendo a las siguientes

caractersticas:

Ce

h

Central A

h0

Central B


29

Caractersticas estticas, las cuales estn relacionadas con la capacidad de

produccin, entre la potencia mxima y el mnimo tcnico1. Por ejemplo:

- Las centrales trmicas permiten el funcionamiento entre la potencia mxima

y potencia de mnimo tcnico.

- Las centrales hidrulicas pueden ver afectadas su produccin por las

variaciones del salto o la disponibilidad de agua en la cuenca.

Caractersticas dinmicas, las cuales hacen referencia a la capacidad de variar

el valor de la potencia producida para afrontar cambios o variaciones de carga.

Sern mucho mayores en las centrales hidrulicas que en las trmicas o

nucleares (en las trmicas se tiene una gran inercia en la caldera y complejo

sistema de tuberas). Adems, en las trmicas las variaciones de potencia

producida producen dilataciones y expansiones con su correspondiente fatiga

mecnica.

Caractersticas dinmicas importantes son las siguientes:

- Duracin de mantenimiento bien preventivo o por avera.

- Tiempo de arranque mnimo, importante en situaciones de emergencia del

sistema (las mejores son las de gas e hidralicas).

- Estabilidad de regulacin cuando aparecen desequilibrios entre la potencia

generada y la potencia consumida.

Pero los aspectos tcnicos, del tipo de generacin empleada, tambin tienen

repercusiones econmicas, tal es el caso de:

- Las caractersticas del paro y puesta en marcha del grupo generador (calor

desperdiciado y combustible utilizado).

1 El mnimo tcnico se define como la potencia necesaria para mantener el proceso

termodinmico estable.


30

- Coste de la fatiga de los materiales cuando, como se ha visto

anteriormente, se producen variaciones en la potencia generada, en cortos

espacios de tiempo.

Como planteamiento comparativo de las distintas centrales elctricas, se presenta a

continuacin una valoracin segn los costes de instalacin, combustible y energa

producida para los distintos casos.

Coste instalacin, el ms significativo ser el de las centrales nucleares, en

oposicin a las centrales trmicas de gas cuyo coste de instalacin es mucho

menor.

El coste del combustible es un valor muy fluctuante, as el coste de uranio, que

en su da era significativamente econmico, en la actualidad se ha

incrementado notablemente. Del mismo modo tanto el gas como el petrleo

estn asociados a pases de muy poca estabilidad poltica, con la consiguiente

alteracin de suministros y precio.

Ahora bien, lo que s se puede confirmar, es que en condiciones normales, el

coste ms econmico es el del agua y las energas renovables como el viento,

la mar, el calor del sol y de la tierra.

El coste de energa producida en kWh, tambin es favorable a las centrales

hidroelctricas, estando entre las menos favorecidas las trmicas de gas y al

da de hoy donde las tecnologas no son todava las ptimas, las centrales de

energas renovables.

En este aspecto cabe destacar la importancia que toma en el coste de la energa

producida, el haber superado el coste de las instalaciones, previsto en la vida til

de la central, caso especialmente significativo en las centrales nucleares.


31

LA ENERGA EN ESPAA Y LA EFICIENCIA ENERGTICA

En Espaa, dada la falta de fuentes propias de materia prima del tipo al petrleo, gas,

etc. se sufre una fuerte dependencia de terceros pases en el abastecimiento

energtico, lo cual ocasiona una fuerte variacin de precios en el mercado interno y

con vistas a la exportacin.

Alrededor de la segunda mitad del siglo pasado se crearon las centrales

hidroelctricas y nucleares que existen en la actualidad y hasta hace muy poco tiempo,

lo ms significativo en Espaa como materia prima energtica era el agua y el carbn

de las minas de Asturias y Len.

Actualmente, para cubrir el exceso de demanda energtica, se est apostando por el

gas como materia prima a importar de terceros (dado su menor impacto ambiental) y

por la compra de energa elctrica a pases vecinos como Francia.

Europa considera que Espaa tiene un potencial importante en energa elica y solar,

animando y subvencionando su implantacin.

Por lo tanto, la ampliacin de la generacin elctrica en Espaa se fundamenta en la

actualidad, en las centrales de turbinas de gas y en las energas renovables del tipo a

la elica, solar o las minicentrales hidroelctricas.

Algunas asociaciones del mundo energtico, estn animando a la construccin de

centrales nucleares debido a que son, dentro de las no renovables las que, con

referencia al impacto ambiental, menos contaminan, aunque por otro lado sean las que

ms seguridad y control requieran. Presentndolas, como estn realizando en otros

pases como Gran Bretaa, las compaeras de las centrales renovables y as suplir la

carencia de estas ltimas para hacer frente a la potencia demandada, siendo adems

esta ltima, una generacin variable incapaz de presentarse como una central del tipo

base o principal.

Por ltimo, comentar que en Espaa, se est impulsando la Eficiencia Energtica, "La

energa ms segura en trminos de suministro, ms barata, y ms respetuosa con el

medio ambiente es aquella que no se consume".


32

La Eficiencia Energtica debe ser una de las polticas clave para intentar conciliar las

necesidades energticas del mundo en desarrollo, que trata de impulsar el crecimiento

y mejorar las condiciones de vida, con la necesidad de asegurar la sostenibilidad

medioambiental.

El Plan de Accin para la eficiencia energtica se public en octubre de 2006 con el

objetivo de introducir medidas concretas que ayuden a conseguir el 20% de ahorro en

2020 y mantener la posicin de Europa como una de las regiones ms competitivas y

eficientes en el uso de la energa.

El Plan de Accin plantea que la Eficiencia Energtica debe controlar y reducir la

demanda energtica, para lo que se proponen acciones tanto en el lado de la

demanda como en el de la oferta energtica, incluyendo 10 acciones prioritarias:

Etiquetado de aparatos y equipos y normas mnimas de eficiencia energtica.

Figura PAG- 1 "Categora segn su eficiencia energtica", fuente [20]

Establecer requisitos de eficiencia y construir edificios de muy bajo consumo de

energa (viviendas pasivas).

Aumentar la eficiencia de la generacin y distribucin de electricidad.


33

La investigacin en tecnologas de alta Eficiencia Energtica y baja emisin de

carbono constituye un mercado internacional que est cobrando importancia

rpidamente y se espera que suponga miles de millones de euros en los

prximos aos.

Europa debe velar por que sus industrias estn a la cabeza mundial en estas

nuevas generaciones de tecnologas y procedimientos.

El objetivo de esta iniciativa fue que el Libro Verde de Eficiencia Energtica, y

la dinmica posterior que pretenda crear, sirvieran para poner a la UE en

vanguardia de los esfuerzos para hacer de la Eficiencia Energtica una

prioridad mundial.

Consumo eficiente del combustible de los vehculos.

Facilitar una financiacin adecuada de las inversiones en Eficiencia Energtica

para pequeas y medianas empresas y empresas de servicios energticos.

Estimular la Eficiencia Energtica en los nuevos Estados Miembros.

Uso coherente de los impuestos.

Sensibilizacin respecto a la Eficiencia Energtica.

Eficiencia Energtica en zonas urbanizadas.

Impulsar la Eficiencia Energtica en todo el mundo.

La Eficiencia Energtica debe buscarse en toda la cadena de valor del sector

energtico, desde la generacin, pasando por el transporte y la distribucin (lado de la

oferta) hasta el consumo final realizado por los usuarios (lado de la demanda). En

cada uno de estos eslabones existe un potencial de mejora y por ello se han

establecido medidas y polticas para impulsar la eficiencia y lograr el mejor uso de la

energa.

En el lado de la oferta energtica existe un gran potencial de ahorro a travs del

impulso al desarrollo de unas tecnologas ms eficientes energticamente y con las

menores emisiones posibles en:


34

El transporte de la electricidad supone un 10% de prdida de la energa

producida en barras de central (2% para el transporte y 8% para la

distribucin).

La produccin de electricidad supone unas prdidas medias del orden de un

33%. El uso de centrales de ciclo combinado supone un incremento en los

rendimientos de hasta el 60% frente al 40% que tradicionalmente se ha

obtenido con la generacin termoelctrica.

La cogeneracin tiene tambin un potencial importante. En 2006, slo el 13%

de la electricidad consumida en la UE se produca aprovechando esta

posibilidad.

Para la elaboracin del Plan de Accin, la Comisin Europea estudi una serie de

medidas aplicables con el objetivo de fomentar Eficiencia Energtica en el lado de la

demanda, determinando el ahorro potencial de cada una de ellas:

Requerimientos de eficiencia energtica en productos, servicios y edificios.

Mayor informacin y servicios a los ciudadanos.

Medidas sobre el transporte.

La mejora del (0,1 %) de las prdidas cuantificadas en (22.404 106 KWh),

supondra que, los honorarios del 4 % por ingeniera se valoraran en:

0,001 x 22.404 106

Un buen sueldo !!!

ENERGA ELICA

35

ENERGIA ELICA

La energa elica tiene su origen en el sol, ya que este es el responsable de que se

produzca el viento.

Entre el 1 y el 2% de la energa proveniente del sol se convierte en viento. Si se

aprovechara en su totalidad esto sera suficiente para abastecer cinco veces la

necesidad energtica mundial anual. Pero la tecnologa actual solo permite aprovechar

los vientos horizontales, prximos al suelo, siempre que su velocidad no sea

demasiado elevada ni demasiado baja.

Una central elica convierte la energa cintica del viento en energa elctrica.

Figura EOL- 1 " Torres aerogeneradoras", fuente [6]

Los aerogeneradores son los aparatos empleados para transformar la fuerza cintica

del viento en electricidad.

El viento mueve un conjunto de aspas que van colocadas en el extremo superior de

una torre a una determinada altura, ms bien elevada para mejorar su rendimiento,

debido a que a ms altura, mayor velocidad del viento.

La torre soporta las hlices y la gndola con el mecanismo y suele medir entre 40 y 60

metros lo que equivale a un edificio de 15 plantas.

ENERGA ELICA

36

Se suelen colocar lejos de obstculos como rboles o edificios que pueden crear

turbulencias en el aire.

La mayora de los generadores actuales son tripala ya que, al da de hoy, se ha

demostrado que son los ms eficientes debido a su menor rozamiento con el aire.

El material de las palas ms usual es la fibra de vidrio y el polister, lo que permite una

significativa reduccin de peso, aumento de su resistencia y disminucin del ruido

generado.

Las palas se orientan y disean para optimizar el rendimiento o llegar a participar en

la parada del sistema. Tambin se las prepara para poder hacer frente a posibles

problemas del tipo al de las sobretensiones atmosfricas.

En la "gndola" se encuentra el mecanismo rotor as como diversos aparatos de

medicin.

Figura EOL- 2 "Esquema de la gndola y accesorios", fuente [4]

Debido a la altura en la que se encuentra el generador y al rozamiento que el aire

produce sobre ste, es conveniente que el equipo tenga una toma a tierra para evitar

la electricidad esttica. Del mismo modo se preparar la derivacin a tierra del

pararrayos ante una posible descarga atmosfrica.

ENERGA ELICA

37

El anemmetro medir la velocidad del aire asegurando el funcionamiento entre unos

valores entre 5-20 m/sg.

Figura EOL- 3 "Esquema interno de la gndola", fuente [4]

Se denomina "Rotor"2 al conjunto formado por las palas y el eje al que van unidas, a

travs de una pieza llamada buje.

Una parte importante del sistema de transmisin es el "multiplicador de vueltas", que

ser el encargado de transmitir un nmero de revoluciones adecuado al generador,

para el funcionamiento correcto de este3.

La mquina elctrica encargada de la conversin de energa, tendr acoplada a su

salida un sistema elctrico-electrnico de conversin, encargado de producir una seal

elctrica de buena calidad por debajo de 1 kV de alterna y preparada para la siguiente

etapa de transformacin.

La seal obtenida ser nuevamente tratada para su transmisin y acoplamiento a la

red elctrica, para lo cual se utiliza un transformador elctrico situado, en la mayora

de los casos, en la base de la torre elica, con los adecuados sistemas de seguridad y

proteccin.

2 No confundir con el rotor de la mquina elctrica, incluido en el aerogenerador y encargado de generar

la energa elctrica.

3 ltimamente se est estudiando la sustitucin del multiplicador de vueltas por la utilizacin de la

mquina elctrica multipolar y as reducir las prdidas energticas asociadas.

ENERGA ELICA

38

Posteriormente se transportar a la subestacin elctrica transformadora (Figura EOL-

4) si fuera necesario o la conexin con la red elctrica prxima.

Figura EOL- 4 "Subestacin elctrica de una central elica"

Dado el carcter aleatorio de la produccin de energa elctrica por va elica, las

centrales de este tipo deben disponer de una fuente auxiliar para tener garantizado en

todo momento el suministro de energa elctrica en el centro de control.

Normalmente, los aerogeneradores se instalan agrupados en parques elicos para

aprovechar mejor las posibilidades energticas del lugar, reducir costes y evacuar la

energa desde un solo punto y reducir as el impacto ambiental.

Por lo general se suelen instalar en zonas de montaa aunque ltimamente en

muchos pases (Norte de Europa)4 se estn instalando parques en el mar, frente a las

costas, ya que pese a su coste ms elevado, la fuerza del viento tambin es mayor.

Dada la ubicacin habitual de las centrales elicas y el tamao significativo de las

torres, de las aspas, etc. cobra suma importancia, el coste del transporte y colocacin

(cimentacin incluida) de los aerogeneradores, as como su conexin a la red elctrica.

De hecho en las ofertas de los proveedores siempre aparecen como "No incluidas".

4 La costa danesa y escandinava entre otras, posibilita la ubicacin de este tipo de instalaciones dada la

existencia de una plataforma continental ms extensa que facilita la fijacin de los aerogeneradores al

fondo marino, siendo esta tarea una de las ms problemticas.

ENERGA ELICA

39

A continuacin se presentan una serie de fotografas que aportan una idea de la

magnitud de los elementos utilizados en la construccin de una torre aerogeneradora,

as como de la dificultad de su transporte y necesidad de vas de acceso.

Figura EOL- 5 " Transporte especial, obra civil y

presentacin de torres elicas", fuentes [58] [59] [60]

ENERGA ELICA

40

Posteriormente, se detallan las dimensiones habituales de las torres elicas en

relacin con la potencia del aerogenerador5.

Figura EOL- 6 "Dimensiones de los grupos aerogeneradores" fuente [19]

BENEFICIOS

No produce emisiones dainas para el medio ambiente.

El parque elico espaol evita la emisin de 9.000.000 de toneladas de CO2

anuales.

En poco tiempo el aerogenerador recupera la energa gastada en su fabricacin,

instalacin y mantenimiento.

5 Respecto a la relacin dimensin-potencia mencionada cabe destacar el rpido avance tecnolgico de la

energa elica y de su potencia generada para dimensiones cada vez menores.

ENERGA ELICA

41

Los aerogeneradores no requieren suministro de combustible por lo que son

ideales para pases en vas de desarrollo.

Su mantenimiento es escaso.

CRTICAS

Respecto al posible impacto medioambiental:

o Los aerogeneradores provocan un gran impacto paisajstico.

o Las hlices pueden provocar daos en las aves que chocan con ellas.

o Contaminacin acstica generada por el giro de las turbinas.

o Los parques se instalan a menudo en zonas salvajes o vrgenes que

quedan modificadas por las obras de instalacin.

Alteraciones en la calidad del sistema elctrico.

ESTADISTICAS

Grfica EOL- 1 "Evolucin de la potencia elica en Espaa" fuente [17]

ENERGA ELICA

42

"

43

ENERGIAS ALTERNATIVAS "EL HIERRO"

El nuevo planteamiento energtico que se desea desarrollar en la isla de "El Hierro"

del archipilago canario, est fundamentado en una combinacin de tecnologas de

energas renovables que aporten autonoma a la demanda de energa elctrica y as

se sustituye el difcil abastecimiento elctrico que significa el suministro a una isla

alejada del continente.

Figura HIE- 1 "Descripcin del plan energtico de El Hierro", fuente: Suplemento XLSEMANAL n 1.068.

El diseo del nuevo suministrador consistir en las siguientes partes:

Planta desaladora: instalada junto a la playa, la cual se encargar de eliminar la sal

del agua marina para imposibilitar su entrada en el circuito de la central y as evitar

la corrosin de los distintos mecanismos.

"

44

Depsito de almacenamiento inferior: provisto de un volumen de 225.000 m3. Aqu,

el agua desalada ser acumulada hasta que llegue un momento de supervit

energtico, momento el cual la electricidad ser utilizada para bombear agua hacia

el depsito superior.

Central de bombeo: se encarga de bombear del depsito inferior al superior.

Depsito superior o embalse: con un volumen de 500.000 m3, previsto para cubrir

la demanda de la poblacin estimada para el ao 2030. El salto de agua

aprovechable es de unos 682 metros.

Central hidro-elica: una central de 9,9 MW de potencia. Se calcula que el agua

acumulada en el depsito superior genera electricidad necesaria para una semana.

A partir de esta semana si fuera necesario se pondra en funcionamiento la central

diesel convencional.

Parque elico: instalacin no muy grande provista inicialmente de una decena de

aerogeneradores que ofrecen una potencia conjunta de 10 MW, potencia que en

un principio se considera suficiente.

Central diesel: con una potencia de 11,36 MW, abastece en la actualidad la

funcionar, quedar relegada a una central de punta o de emergencia (si no hay

viento, ni agua en el depsito superior, se activar).

ENERGA SOLAR

45

LA ENERGA SOLAR

El Sol es una esfera gaseosa, formada fundamentalmente por helio, hidrgeno y

carbono. Su masa es del orden de 330.000 veces la de la Tierra. Se estima su edad

en unos 6.000 millones de aos y en la misma magnitud se calcula su probable

duracin de vida. A escala humana, su radiacin puede considerarse prcticamente

inagotable.

En el seno del Sol se producen continuas reacciones nucleares de fusin en las que el

hidrgeno se transforma en helio, liberndose en esta reaccin nuclear la

correspondiente cantidad de energa. Por tanto, el Sol se comporta como un reactor

masa y la convierte en energa de acuerdo con la frmula E=mc2.

Una parte de ella se recoge en la cara iluminada de la Tierra, a la cual llega en forma

de radiacin.

La radiacin solar es casi fija en el exterior de la atmsfera terrestre. Se llama

constante solar y vale I=1.350 W/m2. No toda esta energa llega a la superficie

terrestre, ya que al atravesar la atmsfera pierde intensidad debido a la absorcin,

difusin y reflexin por accin de los gases, vapor de agua y partculas en suspensin

que tiene nuestra capa atmosfrica.

Figura SOL- 1 "Filtraje de la radiacin solar en W/m

2 y porcentaje", fuente [4]

ENERGA SOLAR

46

Por tanto, la radiacin global que recibe la Tierra del Sol, se divide en: - Radiacin directa, que es la que atraviesa la atmsfera sin sufrir cambio alguno la

direccin.

- Radiacin dispersa o difusa que es la recibida despus de los fenmenos de

reflexin y difusin.

La energa solar que finalmente llega a la Tierra en forma de radiaciones es enorme,

aunque su densidad media a lo largo del ao es baja: un promedio de unos 100 W/m2

en la zona Norte de Europa, y de unos 200 W/m2 en el sur de nuestro continente.

Por tanto, este recurso energtico en Espaa es importante. A ttulo nicamente

anecdtico, podra decirse que la energa elctrica total consumida en un ao en la

Pennsula equivaldra a la energa solar que se recibe en un rea de 2.000 Km2.

Sin embargo, el carcter aleatorio y muy disperso de esta energa tiene numerosas

limitaciones a la hora de su aprovechamiento.

Figura SOL- 2 "Mapa de lneas isoenergticas solares

(KWh anuales por m2 de superficie)", fuente [4]

ENERGA SOLAR

47

En el grfico adjunto se refleja un mapa de Espaa con las lneas iso-energticas

solares6, y en donde se pueden apreciar los valores medios registrados en nuestra

geografa.

En la actualidad existen dos vas principales de aprovechamiento de la energa solar,

la energa trmica y la energa fotovoltaica.

ENERGIA SOLAR TERMICA

El aprovechamiento de la energa solar trmica consiste en utilizar la radiacin del Sol

para calentar un fluido que, en funcin de su temperatura, se emplea para producir

agua caliente, vapor o energa elctrica. Tiene as lugar una absorcin de energa

solar y su transformacin en calor.

Los sistemas de aprovechamiento de la energa solar por va trmica se suelen dividir

en tres grupos:

1. Sistemas de utilizacin de energa solar a baja temperatura, en los que el

calentamiento del agua se produce por debajo de su punto de ebullicin, es decir,

de 100 C. La mayor parte de los equipos basados en esta tecnologa se aplican a

la produccin de agua caliente sanitaria y a climatizacin.

Figura SOL- 3 "Edificio dotado con placas solares", fuente [12]

6 Definidas como las lneas con igual radiacin solar.

ENERGA SOLAR

48

Para estas temperaturas se utilizan como equipos de captacin los llamados

"colectores planos solares", que son instalaciones muy sencillas que se sitan en

los tejados de los edificios o en lugares despejados, de forma que puedan recibir

las radiaciones solares directamente y transmitirlas en forma de calor a un fluido

(Figura SOL- 3).

Estos paneles constan, fundamentalmente, de los siguientes elementos (Figura

SOL- 4):

- Una superficie captadora de la radiacin solar que est constituida,

normalmente, por un material metlico de color negro (para temperatura

ENERGA SOLAR

49

Figura SOL- 5 "Esquema de funcionamiento de energa solar para agua sanitaria", fuente [11]

Empleando unos colectores de luz que se instalan sobre el tejado de las casas, es

posible calentar agua y dotar de agua caliente sanitaria ACS a la vivienda.

Figura SOL- 6 "Versin SCP vaco para agua caliente sanitaria", fuente [11]

En el hemisferio norte se orientan hacia el sur y en el hemisferio sur hacia el norte.

2. Sistemas de utilizacin de energa solar a media temperatura que se emplean en

aquellas aplicaciones que requieren temperaturas de entre 100 C y 300 C para

ENERGA SOLAR

50

calefaccin, para proporcionar calor en procesos industriales, suministro de vapor,

etc. Se realiza con los llamados "colectores de concentracin".

3. Sistemas de utilizacin de energa solar a alta temperatura que se aplican, entre

otros usos, en climatizacin, produccin de vapor para uso directo y produccin de

energa elctrica en centrales termosolares, alternativa que requiere temperaturas

superiores a los 250 C 300C. En este caso, los requisitos de concentracin de

la radiacin solar son superiores a los que se obtienen con los procedimientos de

media temperatura.

Estos sistemas permiten conseguir temperaturas superiores, incluso, a los 2.000C

(Hornos solares).

CENTRAL TERMOSOLAR Una Central Termosolar es una instalacin que permite el aprovechamiento de la

energa del sol para la produccin de electricidad. Tiene un ciclo trmico semejante al

de las centrales termoelctricas convencionales: la energa calorfica que se produce

en un determinado foco es transformada en energa mecnica mediante una turbina y,

posteriormente, en energa elctrica mediante un alternador.

La nica diferencia es que mientras en las centrales termoelctricas convencionales el

foco calorfico se consigue por medio de la combustin de una fuente fsil de energa

(carbn, gas, fuel leo), en las solares, el foco calorfico se obtiene mediante la accin

de la radiacin solar que incide sobre un fluido.

Hay diversos esquemas de centrales termosolares. Entre los tipos desarrollados de

mayor inters, cabe mencionar, especialmente, las centrales de tipo torre central y las

de colectores distribuidos.

- Las centrales de tipo torre central disponen de un conjunto de helistatos (espejos)

direccionales de grandes dimensiones que concentran la radiacin solar en un

punto, la caldera, y el calor es transferido a un fluido (agua u otros) que circula por

la misma. La caldera suele estar situada en una torre de gran altura. La

temperatura del fluido debe ser la precisa para producir vapor de agua en un

intercambiador de calor, comenzando as un ciclo convencional de agua/vapor.

ENERGA SOLAR

51

La posibilidad de direccionamiento del espejo, vista en el helistato, para mejorar la

captacin de los rayos solares, ha encontrado su aplicacin en la mejora del

rendimiento del panel solar convencional (Figura SOL- 7).

Figura SOL- 7 "Panel y orientador solar", fuente [9]

- Las centrales de colectores distribuidos estn formadas, en esencia, por un

conjunto de espejos cilndrico-parablicos que concentran la radiacin sobre su eje

focal.

ENERGA SOLAR

52

Dicho eje se encuentra recorrido por un tubo colector por el que circula un fluido

trmico (generalmente aceites minerales) que a su paso por cada colector,

aumenta gradualmente su temperatura hasta alcanzar la necesaria para producir

valor de agua en una serie de intercambiadores de calor, tal como que ocurre con

las centrales trmicas.

El vapor que de esta forma se genera acciona un grupo turbo-generador

convencional para producir energa elctrica.

Figura SOL- 8 "Colectores distribuidos", fuente [10]

La central expuesta utiliza la tecnologa de cilindros parablicos (comentada

anteriormente), muy avanzada tecnolgicamente.

En ella el fluido que circula por el tubo, es calentado a unos 400C y utilizado para

producir vapor a 370C y 100 bares de presin, cuya misin ser la de mover una

turbina.

La estructura de la central de cilindros parablicos y su esquema se detallan a

continuacin (Figura SOL-9).

ENERGA SOLAR

53

Figura SOL- 9 Esquema de una central solar de colectores distribuidos", fuente [10]

En la fotografa siguiente (Figura SOL- 10) se percibe la gran extensin que puede

precisar una central solar.

Figura SOL- 10 "Central, NevadaSolar One", fuente [10]

ENERGA SOLAR

54

FUNCIONAMIENTO DE UNA CENTRAL TERMOSOLAR Hay diversos esquemas de centrales termosolares. Entre los tipos desarrollados de

mayor inters se pueden mencionar las centrales de tipo torre central y las centrales

de colectores distribuidos.

A continuacin se detalla un esquema de funcionamiento de una central termosolar del

tipo torre central (Figura SOL- 11).

Una central de este tipo, est formada por un campo de helistatos (1) o espejos

direccionales de grandes dimensiones, que reflejan la luz del sol y concentran los

haces reflejados en una caldera (2) situada sobre una torre (3) de gran altura.

En la caldera, el aporte calorfico de la radiacin solar reflejada es absorbido por un

fluido trmico (sales fundidas, agua u otros). Dicho fluido es conducido hacia un

generador de vapor (5), donde transfiere su calor a un segundo fluido, generalmente

agua, el cual es convertido as en vapor.

Figura SOL- 11 "Esquema de funcionamiento de una central termosolar tipo torre", fuente [2]

ENERGA SOLAR

55

A partir de este momento el funcionamiento de la central es anlogo al de una central

trmica convencional. Por tanto, este vapor es conducido a una turbina (6) donde la

energa del vapor es convertida en energa mecnica rotatoria que permite al

generador (7) producir electricidad. El fluido es posteriormente licuado en un

condensador (8) para repetir el ciclo.

Como la produccin de una central solar depende en gran medida de las horas de

insolacin, para aumentar y estabilizar su produccin, suele disponerse de sistemas

de almacenamiento trmico o sistemas de apoyo (4) intercalados en el circuito de

calentamiento. La energa producida, despus de ser elevada su tensin en los

transformadores (9), es transportada mediante las lneas de transporte elctricas (10)

a la red general del sistema.

El desarrollo de este tipo de centrales se enfrenta a varias limitaciones: econmicas,

por la necesidad de competir con otras centrales cuando sus costes son todava

excesivamente altos; tecnolgicas, derivadas de la necesidad de superar problemas

tales como la mejora de la eficiencia de los sistemas de concentracin y

almacenamiento; tienen, finalmente, una importante variabilidad en la disponibilidad de

la radiacin solar, ya que estn sometidas a los ciclos da/noche y a las incertidumbres

meteorolgicas.

ENERGIA SOLAR FOTOVOLTAICA

El aprovechamiento de la energa solar fotovoltaica se realiza a travs de la

transformacin directa de la energa solar en energa elctrica mediante el llamado

efecto fotovoltaico que

estn fabricadas con materiales semiconductores (por ejemplo, silicio) que generan

electricidad cuando incide sobre ellos la radiacin solar.

Los sistemas de aprovechamiento de la energa solar por va fotovoltaica permiten la

transformacin directa de la energa solar en energa elctrica mediante clulas

fotovoltaicas. Estas clulas, construidas con un material semiconductor (silicio,

cadmio, galio, etc.) hacen posible la produccin de electricidad directamente a partir de

la radiacin luminosa en virtud del efecto fotovoltaico.

ENERGA SOLAR

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Figura SOL- 12 "Partes de una placa fotovoltaica", fuente [4]

Cuando el sol ilumina la clula, la energa de radiacin provoca una corriente elctrica

en el interior de la misma, generando una fuerza electromotriz entre dos electrodos

adosados, respectivamente, a cada capa de la clula.

Figura SOL- 13 "Esquema interno de una placa fotovoltaica", fuente [4]

Sin embargo, la tensin elctrica entre los bornes de la clula es de slo unos 0,58

Voltios para una radiacin luminosa de aproximadamente 1 kW/m2. Esta tensin es, en

general, poco til, por lo que se suele recurrir a conectar en serie un nmero

determinado de clulas del mismo tipo. As, para la intensidad de radiacin indicada

anteriormente, 3

generada es de unos 18 Voltios, tensin suficiente para su aprovechamiento

comercial.

ENERGA SOLAR

57

Un aspecto positivo a tener en cuenta es la abundancia del silicio en nuestro planeta,

aunque el coste de su fusin a precios aceptables es un reto que tiene actualmente

esta tecnologa para hacerla competitiva. Otro reto es una mejora en la eficiencia de

las clulas fotovoltaicas, hasta conseguir cifras del orden del 18-20%.

Figura SOL- 14 "Instalacin fotovoltaica para un hogar", fuente [4]

Actualmente no es viable econmicamente la produccin de electricidad en grandes

cantidades por la va fotovoltaica, habindose comenzado a ser aplicada con buenos

resultados en instalaciones de baja potencia para pequeos suministros, sobre todo en

puntos de consumo aislados de la red general de distribucin elctrica.

Figura SOL- 15 "Farola solar", fuente [40]

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