Tema 2: PRODUCCIÓ I DISTRIBUCIÓ D'ENERGIA ELÈCTRICA

1. Centrals elèctriques productores d'energia

La necessitat de disposar d'energia elèctrica en grans quantitats i de manera immediata fa necessària l'existència de centrals productores que transformen l'energia primària en energia elèctrica. Aquestes instal·lacions, anomenades centrals elèctriques, disposen d'un conjunt de màquines motrius i aparells que s'utilitzen per generar energia elèctrica.

1.1 Producció, transport i consum d'energia

L'element principal per la producció d'energia elèctrica (menys en les centrals fotovoltaiques), és el generador elèctric o alternador, que transforma l'energia mecànica en energia elèctrica.
Per transferir l'energia elèctrica des de les centrals generadores fins als centres de consum s'utilitza la xarxa elèctrica, que consta de línies elèctriques de transport, estacions transformadores i línies de distribució.
L'inconvenient principal de l'energia elèctrica produïda a les centrals és que no es pot emmagatzemar; per tant, si no es consumeix es perd.

1.2 Tipus de centrals

Segons el servei que proporcionen en el consum global de la xarxa, les centrals es classifiquen en els tipus següents:

Centrals de base o principals: Estan destinades a subministrar energia elèctrica de manera contínua. Tenen una potència elevada i normalment són les centrals nuclears, les grans centrals termoelèctriques i les centrals hidroelèctriques.

Centrals de punta: Estan projectades per cobrir demandes d'energia a les hores punta. Treballen termoelèctriques i les centrals principals.

Centrals de reserva: Són les que tenen per objectiu substituir totalment o parcialment la producció d'una central de base, en cas d'avaria o reparació.

Centrals de bombament: Són centrals hidroelèctriques que aprofiten l'energia sobrant a les hores vall (A) per bombar aigua a un embassament superior, i a les hores punta (B) l'aprofiten per proporcionar energia a la xarxa.

Potència instal·lada d'una central elèctrica: és la potència en watts o megawatts que pot generar l'alternador amb un factor de potència determinat.

2. Centrals hidroelèctriques

Les centrals hidroelèctriques es basen en l'aprofitament de l'energia de l'aigua que transporten els rius per convertir-la en energia elèctrica, i utilitzen turbines acoblades als alternadors.

  • Centrals d'aigua fluent o d'aigua corrent: Aprofiten l'energia cinètica de l'aigua directament (poc rendiment)
  • Centrals amb regulació o d'aigua embassada: Aprofiten l'energia potencial de l'aigua retinguda per una presa que eleva el nivell de l'aigua i regula el cabal del riu aigües avall. Hi han 2 tipus (centrals de derivació i centrals d'acumulació)

2.1Components d'una central hidroelèctrica

A. La presa: És una construcció, normalment de formigó, que s'aixeca sobre la llera del riu i és perpendicular a la seva direcció amb la finalitat de retenir l'aigua per tal d'elevar-ne el nivell i formar un embassament o llac artificial.

B. Els conductes d'aigua: Per tal d'alimentar les turbines, les preses tenen unes comportes que permeten regular el cabal i estan protegides per uns reixats metàl·lics que impedeixen que elements, com ara branques, troncs..., puguin deteriorar-les.

Preses de volta o arc senzill: La planta de la presa forma un arc que ha d'estar fortament ancorat a les parets laterals del riu, on transmet les forces que provoquen la contenció de l'aigua. El seu perfil és més esvelt que el de les preses de gravetat, de manera que es necessita molt menys material per construir-la.

Preses de gravetat: La força de l'aigua emmagatzemada és contrarestada amb el mateix per de la presa. El perfil transversal és triangular i es necessita una gran quantitat de materials per a la seva construcció. Una variant és la presa de contraforts que, permet un estalvi important de materials.

C. La sala de màquines: A la sala de màquines hi ha les màquines motrius de la central, els anomenats grups turboalternadors.

Turbines Pelton (salts de gran altura i cabal regular).

Turbines Francis (salts mitjans i de cabal variable).

Turbines Kaplan (salts de poca altura i cabal molt variable).

D. Transformadors i parc de distribució: La tensió del corrent elèctric obtinguda en els alternadors és igual o inferior a 20 kV. Per elevar la tensió a un valor adequat per al seu transport als centres consumidors s'utilitzen els transformadors. Amb aquesta elevació de tensió s'eviten pèrdues d'energia. En el parc de distribució, la central es connecta a la xarxa de transport. Aquest transport es realitza mitjançant les línies d'alta tensió.

2.2 Funcionament d'una central hidroelèctrica

La presa (2)reté l'aigua del riu i provoca un embassament i un augment del nivell de l'aigua. (1). A peu de presa hi ha la sala de màquines amb els grups turboaltenadors (5).
L'aigua arriba a les turbines a través d'una canonada forçada (4) alimentada des de l'embassament perles preses d'aigua, equipades amb comportes i reixats (3).
L'energia potencial de l'aigua embassada es converteix en energia cinètica en obrir les com portes de la canonada i es comunica al rodet de la turbina, que comença a girar, i l'aigua surt de nou al riu pels canals de desguàs. El disseny del conjunt format per la canonada, la turbina i els desguassos està molt estudiat perquè l'aigua comuniqui la màxima energia al rodet de la turbina.
Solidari a l'eix de la turbina (7) hi ha el rotor de l'alternador i un generador de corrent continu (8) que genera un camp magnètic a les bobines del rotor, amb la qual cosa produeix en el bobinatge de l'estator un corrent altern de tensió mitjana i intensitat elevada.
Amb els transformadors (10) s'eleva la tensió a través del parc de distribució o directament s'alimenten les línies de la xarxa de transport (9).
Números segons la figura 2.17 pàg 55

2.3. Centrals de bombament o reversibles

Les centrals de bombament són instal·lacions que tenen la finalitat de racionalitzar la producció d'energia elèctrica a la demanda existent, ja que consumeixen els excedents d'energia durant les hores vall i subministren energia al sistema durant les hores punta.

  • Centrals de bombament pur: Per produir energia elèctrica és condició indispensable haver bombat prèviament aigua a l'embassament superior, ja que aquest només rep l'aigua de l'inferior.
  • Centrals de bombament mixt: Poden produir energia indistintament amb bombament previ o sense, perquè l'embassament superior també està alimentat per un riu.

2.4 Minicentrals hidroelèctriques

Les minicentrals hidroelèctriques són centrals de potència compresa entre 250 kW i 10000 kW. Antigament, eren les subministradores d'energia elèctrica de petits nuclis rurals i fàbriques situades al costats dels rius.

2.5 Les centrals hidroelèctriques i el medi ambient

Avantatges

Inconvenients

  • No emeten partícules contaminants a l'atmosfera i no generen residus directes.
  • L'efecte regulador del cabal del riu pot evitar inundacions en cas de crescudes sobtades i també n'assegura un cabal mínim en cas de sequera.
  • Pèrdua de terrenys fèrtils i poblacions que són cobertes per les aigües.
  • Alteració del cabal dels rius i problemes d'erosió.
  • Modificació de la vegetació i la fauna de la zona.
  • Possible acumulació de matèria orgànica.
  • La construcció de grans embassaments pot variar el clima.

3. Centrals termoelèctriques convencionals

Les centrals termoelèctriques convencionals (o tèrmiques) generen energia elèctrica a partir de l'energia tèrmica produïda perla combustió de carbó, fuel o gas natural.

3.1. Components d'una central termoelèctrica

Les centrals que estan dissenyades per utilitzar diferents combustibles, per exemple carbó i gas natural, s'anomenen ""termoelèctriques mixtes.

A. Caldera

Hi ha molts tipus de calderes. Les més utilitzades són les calderes de radiació, anomenades així perquè l'energia calorífica es transmet per radiació.


Els reescalfadors són les parts de la caldera destinades a eliminar les petites gotes d'aigua que acompanyen el vapor per convertir-lo en vapor sec.


Els economitzadors i preescalfadors aprofiten la calor residual dels gasos emesos perfer un escalfament previ a l'aigua.

B. Turbines

Les turbines són les màquines motrius que transformen l'energia cinètica del vapor d'aigua en energia cinètica rotatòria en el rodet.

C. Condensador

Per augmentar el rendiment termodinàmic de la transformació, l'aigua per vaporitzar ha d'entrar a la caldera en estat líquid.

D. Torre de refrigeració

La torre de refrigeració serveix per refredar l'aigua refrigerant del condensador. Els circuits de refrigeració poden ser oberts o tancats.

E. Xemeneia

La xemeneia té la funció de crear una depressió dins la caldera perquè circulin els gasos alliberats en la combustió i es puguin evacuar a l'atmosfera. Les xemeneies poden ser de tiratge natural, en les quals la circulació dels gasos és provocada perla geometria de la mateixa xemeneia, o de tiratge forçat, si hi ha impulsors mecànics que ajuden la circulació.


En funció del combustible utilitzat les xemeneies disposen de filtres més o menys sofisticats per eliminar al màxim possible les partícules sòlides en suspensió i els elements contaminats abans d'alliberar els gasos a l'atmosfera.

F. Equip elèctric principal

L'equip elèctric principal està format per l'alternador, els transformadors i el parc de distribució.

G. Sala de tractament de l'aigua d'alimentació

El bon funcionament de la caldera depèn en gran mesura de la qualitat de l'aigua utilitzada. Aquesta és quasi sempre aigua de riu que conté diferents sals minerals i gasos dissolts. Les sals precipiten formant fang i incrustacions als tubs. Per evitar aquests inconvenients, les centrals estan equipades d'instal·lacions de tractament de les aigües, que, mitjançant l'addició de substàncies químiques, contraresten l'acció de les sals que conté l'aigua i eviten la formació dels fangs i de les incrustacions.

3.2 Funcionament d'una central termoelèctrica

En les centrals termoelèctriques es produeix la combustió d'algun combustible, aquest escalfa aigua i es produeix vapor a alta pressió, aquest fa girar una turbina que, en girar, també fa girar l'alternador i és crea l'energia elèctrica. Després l'energia passa per uns transformadors que eleven la tensió per distribuir-la.
Explicació al llibre pàg 60.

3.3. Les centrals termoelèctriques i el medi ambient

Contaminació atmosfèrica: La utilització de combustibles fòssils comporta la producció de diòxid de carboni (CO2)i de vapor d'aigua, causants de l'efecte d'hivernacle.

Contaminació de l'aigua: La contaminació tèrmica es minimitza amb la utilització de les torres de refrigeració.

Contaminació acústica: Cal evitar que el soroll produït pels ventiladors forçats, les vàlvules de purga, etc., afectin el medi ambient, sobretot si hi ha poblacions properes a la central.

A. Noves tecnologies

  • Sistemes de dessulfuració dels combustibles: Permeten transformar els òxids de sofre en compostos solubles de fàcil eliminació.
  • Gasificació del carbó: Permet l'explotació dels recursos, que amb la mineria tradicional no són rendibles o són tècnicament inviables.
  • Combustió en llit fluid: És un sistema de combustió del carbó a menys temperatura.

Centrals de cicle combinat: Per evitar la forta dependència del petroli en el sector energètic i disminuir l'emissió de partícules contaminants, la tendència actual és la construcció de centrals de cicle combinat que utilitzen gas natural.

B. Funcionament d'una central de cicle combinat

Els elements característics d'una central de cicle combinat són: la turbina de gas, amb el compressor i la cambra de combustió (213), la caldera de recuperació (7)i la turbina de vapor(8). L'aire a pressió alta, provinent del compressor, es barreja amb el gas combustible a la cambra de combustió, i es produeix la combustió. Els gasos de la combustió a una temperatura de 1300°C i a pressió alta, entre 1,5 MPa 13 MPa, s'expandeixen a la turbina de gas i accionen el compressor i el generador elèctric (4).
Números a la pàg 62: Fig 2.28

3.4 Centrals de cogeneració

Una central de cogeneració produeix energia elèctrica utilitzant un combustible i aprofita la calor residual per a l'obtenció d'aigua calenta per a calefacció, vapor, fluids escalfats, etc., segons les necessitats de la zona on hi ha la central.

els mòduls de cogeneració estan formats per la màquina motriu i l'alternador. Els tipus més utilitzats són:

  • Turbines de gas: S'utilitzen per a potències elevades
    -Motors de cicle dièsel: Es construeixen mòduls des de 70kW fins a 2 MW.

4. Centrals nuclears

Una central nuclear és una central termoelèctrica en què la font d'energia tèrmica s'obté de la fissió dels àtoms d'urani i de plutoni.

4.1 Reactor nuclear

El reactor nuclear és el component més important de les centrals nuclears i en constitueix el nucli.
Permet de produir i controlar reaccions en cadena sostingudes.

A. Parts del reactor

Vas del reactor: És un recipient d'acer pur que conté una font de neutrons i el combustible nuclear.

Moderador: Té la funció de reduir la velocitat dels neutrons emesos en les reaccions de fissió, per assegurar-ne l'impacte amb altres àtoms fissionables i mantenir la reacció. Els moderadors utilitzats són l'aigua, l'aigua pesant i el grafit.

Refrigerant: Té la funció de refrigerar el reactor, evitar-ne el sobreescalfament i transportar la calor generada, directament o a través d'un circuit secundari, al grup turbina-alternador, per tornar després al reactor i repetir el cicle. El recorregut del refrigerant del reactor s'anomena circuit primari. Els refrigerants utilitzats poden ser líquids, com ara l'aigua, l'aigua pesant, el sodi i el potassi, o gasosos, com ara el diòxid de carboni, l'heli, l'hidrogen i el nitrogen.

Barres de control: Estan formades per materials que absorbeixen neutrons i la seva missió és regular el nombre de fissions que es produeixen a l'interior del reactor per unitat de temps.

4.2 Tipus de centrals nuclears

Depèn del seu reactor i ha diferents tipus de centrals.

A. Centrals amb reactor d'aigua a pressió (WPR)

Les centrals amb reactor d'aigua a pressió o PWR utilitzen urani enriquit com a combustible i aigua com a refrigeratn i moderador alhora. La calor produïda en el nucli es transfereix a través del circuit primari de refrigeració fins al circuit secundari per produir vapor.

B. Centrals amb reactor d'aigua en ebullició (BWR)

Les centrals amb reactor d'aigua en ebullició o BWR utilitzen urani enriquit i aigua, però, a diferència dels reactors PWR, només utilitzen un circuit de refrigeració, ja que el vapor s'obté dintre del reactor; com que l'aigua està a menys pressió, entra en ebullició. Per tant, el circuit primari és més simple.

C. Centrals amb reactors de neutrons ràpids

En les centrals amb reactors de neutrons ràpids el reactor no utilitza moderador; per tant, les fissions es fan amb neutrons ràpids. Perquè la reacció nuclear es mantingui és necessari que la quantitat de combustible per unitat de volum sigui molt superior a la dels reactors tèrmics.

4.3 Equipament d'una central nuclear

Edifici de contenció

Conté el reactor i el conjunt d'elements del circuit primari, format per tres llaços en paral·lel.

Edifici de turbines

Allotja el grup turbina-alternador, els reescalfadors i els condensadors de vapor i els preescalfadors de l'aigua d'alimentació.

Edifici de combustible

S'utilitza per a l'emmagatzematge del combustible de recàrrega del reactor i del combustible ja utilitzat en espera de ser enviat a reprocessar.

Edifici de control

Allotja la sala de control, que és el centre neuràlgic de la central.

Edifici auxiliar

En el seu interior es disposa de components dels sistemes auxiliars i de seguretat.

4.4 Funcionament d'una central nuclear

L'energia generada en el nucli del reactor és extreta i transportada per l'aigua refrigerant, i es transmet al circuit secundari en els generadors de vapor.
El vapor acciona la turbina acoblada a l'alternador. L'energia va a la xarxa després d'elevar la tensió amb els alternadors.
Explicació detallada pàg 70

4.5 Les centrals nuclears i el medi ambient

Els impactes més comuns en el medi són: Contaminació tèrmica i química de les aigües de refrigeració i residuals, la contaminació acústica, les emissions i la gestió dels residus.

Per evitar això es requereix:

  • Personal altament qualificat i especialitzat.
  • Revisió anual exhaustiva dels elements principals de la central.
  • Control constant de l'estat dels equips.
  • Control radioactiu de totes les emissions.
  • Detecció i identificació de qualsevol anomalia.
  • Si se superen els límits d'emissions permesos, activació dels sistemes d'alarma i resposta immediata dels equips de seguretat.
  • Vigilància radiològica de la zona.

5. Distribució de l'energia elèctrica

5.1Línies elèctriques

Els centres de producció normalment es troben allunyats dels centres de consum. D'aquesta manera, perquè l'energia arribi als usuaris és necessària una infraestructura formada per xarxes de transport i distribució

Les línies elèctriques són el conjunt de conductors, aïlladors i accessoris destinats al transport i a la distribució d'energia elèctrica.

Poden ser:

Aèries: Els conductor es mantenen en una certa alçada al terra amb l'ajut d'aïlladors i de suports apropiats a la tensió de la línia. (*Més Primèries)

Subterrànies: Els conductors estan enterrats directament o dintre de canalitzacions. Són de coure i alumini i han d'estar forçosament aïllats ( Més Secundàries)

5.2 Estacions elèctriques

Les estacions elèctriques, també anomenades subestacions, són instal·lacions destinades a la transformació i/o distribució d'energia elèctrica i a la connexió entre dues o més línies.

Estacions transformadores primàries (ETI):

Estacions receptores o estacions transformadores primàries (ETII):

Casetes transformadores o estacions transformadores terciàries (ETIII):

Estacions d'interconnexió ( EI):

Estacions distribuïdores

Eleven la tensió de l'energia elèctrica produïda a la central a 11 kV, 132 kV, 220 kV i/o 400 kV

Asseguren la unió entre diferents línies de transport.

Redueixen la tensió de les línies de transport a valors compresos entre 6 kV i 66 kV.

La seva funció és reduir la tensió a 230 V i 400 V.

No disposen de transformadors; interconnecten les ET II.

5.3 estructura del sistema elèctric

L'estructura del sistema elèctric té coma objectiu el transport de l'energia elèctrica produïda des de les xarxes de transport o, si escau, des d'altres xarxes de distribució o des de la generació connectada a la pròpia xarxa de distribució.
Explicació del procés a la pàg 74 del llibre.

Fórmules:
p = 3 RL I^2 = (3p L * I^2) / s


I= P / √3 V cos fi