1

Quinzena 1

Resum de fórmules i producció i distribució d’energia elèctrica

Continguts a estudiar

1. Resum de fórmules Correspon a la unitat Comencem del llibre i a la unitat 1

Veure fórmules de: 1.1. Energia, treball i potència. Energia mecànica, cinètica i potencial 1.2. Rendiment 1.3 Sistemes energètics

2. Producció i distribució d’energia Correspon a la Unitat 2 del llibre

2.1 Tipus de centrals 2.2. Centrals Hidràuliques o hidroelèctriques 2.3. Centrals Tèrmiques (convencionals, cicle combinat i cogeneració) 2.4. Centrals Nuclears (PWR) 2.5. Distribució de l’energia elèctrica - Línies elèctriques - Estacions elèctriques - Estructura del sistema elèctric

3. Energies alternatives Correspon a la Unitat 3 del llibre

3.1 Aprofitament de l’energia solar tèrmica 3.2. Aprofitament de l’energia fotovoltaica 3.3. Aerogeneradors i centrals eòliques 3.4 Biocombustibles

Si s’estudia amb el llibre es recomana tenir les fórmules més importants anotades tal com es posa aquí al resum. De les tres unitats s’han recomanat uns continguts, que aconsellem es faci un petit resum més que un estudi exhaustiu al qual no s’arribaria. 1.1 Energia, treball i potència Ara farem un repàs de fórmules i conceptes referents a les màquines. Això significa recordar els conceptes d’energia treball, potència i rendiment aplicat als diferents camps de la tecnologia, fonamentalment a mecànica l’electricitat i calor. Considerarem que el termes energia, treball i calor són equivalents en quan que es mesuren tots en Jouls. Està clar que, científicament parlant, per realitzar un treball mecànic cal una energia i que per a que un cos cedeixi calor cal aportar energia. Si volem aprofundir més cal revisar bé els llibres de física i química, aquí només pretenem fer un repàs de conceptes, fórmules i unitats en que es mesuren. Densitat. És la massa d’un cos dividit pel volum

Vmd =

D = densitat m = massa en kg

2

V = Volum en m3 L’energia mecànica d’un cos és la suma de la seva energia cinètica i potencial. Em =Ec+Ep Energia cinètica (Ec). És l'energia mecànica deguda a la velocitat que té un cos en moviment

2

21 mvEc =

Ec= energia cinètica en J m= massa en kg v = velocitat en m/s

Energia potencial (Ep). És l'energia mecànica que acumula un cos quan està situat a una determinada alçada hgmEp ··= Ep= energia potencial J

m=massa en kg g= acceleració gravetat en m/s2 A la terra: g=9,8 m/s2 h= Altura en m

Energia elèctrica . Aquella que dona un sistema connectat a la xarxa elèctrica i en funcionament, com és el cas d’una bombeta o una planxa. W = I2·R·t=I·V·t I=intensitat en Ampers (A)

R= resistència en Ohms (Ω) t=temps de funcionament en segons (s) V= Voltatge en Volts (V)

Energia Calorífica. És l’energia que cedeixen o absorbeixen els cossos quan canvia de la seva temperatura. Quan cedeixen energia la seva temperatura baixa i a l’inrevés quan l’absorbeixen puja. Calor específic. És la quantitat de calor que absorbeix un gram d’un cos quan augmenta un grau centígrad la seva temperatura. Com el comportament calorífic de cada cos és diferent cal disposar d’unes taules que ens informin del calor específic de cada cos. Així en els exercicis pràctics aquest valor ha de venir donat a les dades del problema. En el cas de l’aigua, l’energia que aquesta cedeix o absorbeix és 4,186 J per cada gram quan la seva temperatura baixa o puja 1 grau centígrad TCemW ∆= ·· Calor específic de l’aigua

KgJ

KkgkJaigualdeCe 00 ·

17,4·

17,4)'_( ==

W = Energia calorífica, abans es mesurava en calories, ara el sistema internacional només accepta el Joule (J).

Ce= Calor específic Kg

J0·

∆Τ= (Τ2−Τ1) Increment o disminució de temperatura quan hi ha intercanvi de calor.

3

Potència mecànica. És el treball que es realitza per unitat de temps. La potència és un concepte que va bé per a saber les característiques d’una màquina, així que sempre veureu que qualsevol motor que compreu sempre informa de la seva potència. Quan diem que un motor té 5 W i un altre en té 10W tots entenen que el segon és capaç de realitzar més treball per unitat de temps que el primer.

t

WP =

Així un watt es un treball d’1 Joul per cada segon

sJW 11 =

P= potència en W W= treball en J t = temps en s

La potència elèctrica. També es podria calcular amb la fórmula anterior, però interessa més expressar-la termes només elèctrics. La potència en circuits elèctrics s’expressa com el producte del voltatge per la intensitat.

IVP ·= V = voltatge en volts (V) I = intensitat en ampers (A)

Potència en màquines que consumeixen combustible. Com per exemple els motors tèrmics de benzina i dièsel. La potència que dona un combustible és al poder calorífic multiplicat pel consum. P = pc · C

Pc poder calorífic en J/kg o en J/l C consum de combustible en l/s o en kg/s

Observeu les unitats i veureu com és lògic expressar la potència amb la fórmula anterior. El poder calorífic (Pc) s’expressa en J/kg i el consum en kg/s, si multipliquem aquestes unitats el resultat seran j/s que són watts. Així que sembla coherent expressar la potència com el producte de el poder calorífic pel consum.

wattssJ

skg

kgJ

=·

1.2. Rendiment És la relació entre el treball útil i el treball subministrat expressat en tant per u o en tant per cent. Per calcular el rendiment també es pot fer servir las potència en comptes del treball. Així podem dir que el rendiment és la relació entre la potència útil i la potencia subministrada expressada en tant per u o en tant per cent.

sum

útil

sum

útil

WW

PP

==η

Pútil= potència útil Psum=potència subministrada Wútil= treball útil Wsum= treball subministrat η = rendiment

4

En totes les màquines, el treball o energia subministrada a la màquina és igual a la suma del treball útil que dona o s’aprofita (o que es fa servir per produir energia) més el treball perdut (que es perd en forma de calor).

Psum=Pútil+Pperduda

Wsum=Wútil+Wperduda

Pútil= potència útil Psum=potència subministrada Pperduda=Potència perduda Wútil= treball útil Wsum= treball subministrat η = rendiment

1.3 Manifestacions energètiques: aplicacions L’energia és la capacitat que tenen els cossos de realitzar un treball que s’expressarà en Jouls. Les formes més conegudes que fem servir d’energies són: Energia mecànica. Aquella que s’utilitza en els cossos en moviment, fonamentalment en les seves manifestacions de moviment de vehicles i caiguda de cossos. Energia elèctrica. Aquella produïda, per exemple, quan es fa girar un alternador, per l’acció del vapor a pressió sobre d’una turbina i totes les aplicacions industrials i domèstiques amb motors, resistències, etc.. Energia interna o química. Aquella que donen les reaccions químiques, com per exemple la reacció de combustió entre el oxigen de l’aire i un combustible. Un exemple, seria l’energia mecànica que s’obté amb els motors de combustió dels vehicles de benzina o dièsel. Energia nuclear. Quan s’ajunten o es trenquen els nuclis dels àtoms. - La fissió de l’àtom o trencament del nucli de l’àtom es divideixen per formar-ne altres de més petits, és la que fan servir les centrals nuclears per a produir calor. - La fusió nuclear és la que es produeix quan s’uneixen àtoms per formar-ne d’altres més grans i estables; així la fusió d’hidrogen permet obtenir Heli més energia en forma de calor. Actualment encara no es pot aprofitar, tot i que sembla l’energia del futur per produir energia elèctrica. Parlem d’energia calorífica quan els cossos es s’escalfen o refreden i cedeixen o absorbeixen calor. 2. Producció i distribució de l’energia elèctrica. L’electricitat ha esdevingut una necessitat bàsica, és necessari disposar de diferents tipus de centrals de producció d’energia elèctrica i en grans quantitats.

5

L’electricitat que es fa a les centrals elèctriques amb unes màquines anomenades alternadors i produeixen corrent altern. La freqüència d’oscil·lació de la tensió és comú a tot Europa i és de 50 Hz (els Hz són la freqüència expressada en cicles per cada segon). 2.1. Tipus de centrals Segons la seva utilitat en la generació d’energia elèctrica les centrals es classifiquen en. Centrals de base. Subministren energia elèctrica de manera continua, són les centrals nuclears, les tèrmiques i, si hi ha aigua, les hidroelèctriques. Centrals d’hora punta. Hi ha diferents moments del dia o estacions de l’any que és necessari augmentar la producció d’energia elèctrica perquè creix la demanda. Les centrals d’hora punta es posen en funcionament en els moments de màxim consum i després es paren. Al hivern quan fa molt fred o al juliol quan estan en marxa tots els aires condicionats. Centrals de Bombeig. Són centrals reversibles de producció i consum d’energia elèctrica. En hores de baixa demanda bombegen aigua d’un embassament situat en un nivell inferior a un altre superior consumin energia elèctrica. Quan augmenta la demanda, deixen caure l’aigua del nivell superior al inferior produint energia elèctrica igual que una central hidràulica. Aquestes centrals diem que són importants perquè l’energia elèctrica alterna no es pot emmagatzemar; tanta com se’n gasta, tanta com cal produir, com això és del tot impossible quan parlem de grans quantitats d’energia elèctrica, és necessari ajustar la producció al consum amb aquest tipus de centrals reversibles. Recordem què és la tensió o voltatge, es posen a continuació els dos tipus bàsics. a) Tensió continua, que produeixen les piles, bateries i dinamos.

b) Tensió alterna, produïda per les centrals i que arriba a la nostra llar amb les següents característiques entra cada cable de fase i cable el neutre

2.1 Centrals hidràuliques o hidroelèctriques Les centrals hidroelèctriques utilitzen l’aigua emmagatzemada en un pantà. En elles s’aprofita la velocitat que agafa l’aigua en caure per un tub per moure una turbina, la qual acciona l’alternador que produeix corrent elèctric. El Components d’una central hidroelèctrica són. Presa. És una pantalla normalment de formigó situada en un lloc estratègic de la llera d’un riu, que permet emmagatzemar grans quantitats d’aigua en el que seria el pantà o llac artificial.

6

Normalment, es situen en terrenys que puguin suportar les grans forces que es produeixen pel pes de l’aigua. La presa es situa en aquella part del riu que es prou estreta per a construir-la i que a més resisteixi les forces que s’hi produiran. Aquestes preses actualment tenen una forma de closca d’ou o presa de volta, antigament era una simple paret de gran pes interposada en la llera del riu. La seva forma és molt important per repartir bé al seu entorn les carregues que rep de l’aigua. La planta de la presa té forma d’arc, fortament ancorada a les parets laterals on es transmeten les grans forces que rep de l’aigua del pantà.

Fig. Vista frontal d’un pantà. Observeu la forma d’arc.

Fig. Secció de la presa de volta d’un pantà.

Sala de màquines. La sala de màquines està situada en el punt geogràfic més baix possible, per tal d’aprofitar el màxim desnivell d’aigua (energia potencial que es transforma en cinètica). Un tub porta l’aigua de l’embassament a la sala de màquines on hi ha el grup de producció d’energia. Està format per una turbina i un alternador units pel mateix eix. Segons els desnivell del salt d’aigua que s’obté, s’utilitzen diferents tipus de turbines. c) Turbina Pelton. Per salts de gran altura on la turbina tingui cabals molt regulars, que és el cas dels pantans. La velocitat de rotació de l’eix és petita. b) Turbina francis. S’utilitza en salts mitjans i de cabal irregular. Les seves grans pales li donen estabilitat de rotació. La velocitat de rotació de l’eix és moderada. c) Turbina Kaplan. Són per salts petits i cabal variable. Orientant les pales s’aconsegueix una velocitat de rotació estable. La velocitat de rotació de l’eix és alta.

Fig. Esquema de la turbina Pelton

a) La turbina Pelton. És una turbina d’acció. Al voltant de tot el rodet hi ha els catúfols amb forma de doble cullera i que són d'una gran eficiència. L'aigua es fa arribar en la direcció més idònia cap a aquests àleps a una pressió altíssima a través d'uns injectors, una agulla interior d’aquests regula el cabal de sortida d’aigua. És el tipus de turbina més apropiada per a grans salts d'aigua. En les tres tipus de turbines sempre l’eix de la turbina és solidària a l’alternador; fet que obliga a regular la seva velocitat de rotació a la corresponent síncrona de l’alternador.

7

Fig. Esquema de la turbina Francis

b) La turbina Francis. És una mica antiquada, però el cert es que hi ha moltes centrals que funcionen correctament amb elles. Les pales marrons laterals permeten regular la velocitat de rotació de la turbina fins ajustar-la a síncrona de l’alternador. La turbina Francis és "de reacció", ja que és la pròpia circulació de l'element impulsor allò que la fa moure.

Fig. Esquema de la turbina kaplan

La turbina Kaplan. Són d'aigua de reacció de flux axial. L'aigua hi circula en el mateix sentit a l'eix. A més es pot regular la inclinació dels deflectors, també es pot regular la dels àleps del rotor, de manera que la turbina s'adapta a les necessitats de potència de cada moment. S'utilitza per a petits salts i grans cabals, com les dels embassaments situats al riu Ebre.

Funcionament de les centrals hidroelèctriques. El funcionament és molt senzill, l’aigua que cau del pantà mou les turbines i aquestes al seu torn els alternadors. En totes elles s’utilitza un sistema de retenció que llança l’aigua a la màxima velocitat possible sobre les pales de la turbina. Un alternador solidari a aquesta genera el corrent altern. A la sortida de la central sempre hi ha d’haver transformadors que elevin la tensió al valor corresponent de transport.

Centrals reversibles o de bombeig. El corrent altern no es pot emmagatzemar, tanta energia com es produeix tanta com s’ha de gastar. Com és impossible de aconseguir cal uns tipus de centrals que permetin igualar el consum i la producció, són les centrals reversibles. Disposen de dos embassaments situats a diferent altura. Poden ser doc llacs naturals o artificials. Funcionen de la forma següent: - Quan hi ha excedent d’energia tenen motors elèctrics que consumeixen l’energia elèctrica sobrant i serveixen per pujar aigua de l’embassament inferior al superior.

8

- Quan falta energia es deixa caure aigua de l’embassament superior sobre la turbina i produeixen electricitat igual que una central hidroelèctrica qualsevol. 2.3 Centrals tèrmiques Funcionament d’una central tèrmica. Al generar vapor d’aigua sec a una pressió molt elevada, pot arribar a 100 bars. En passar a través d’una turbina li cedeix la seva energia que es transforma en una rotació de la turbina. Aquesta directament connectada a una alternador genera corrent altern. En totes les màquines de vapor sempre es disposa d’un focus de calor (generació de vapor d’aigua) i un focus de fred (condensador) per augmentar al màxim desnivell de temperatures i així el rendiment de la central serà el més alt possible. Per aquest motiu, sempre hi ha un focus de calor contra un focus de fred i en mig el sistema de generació d’energia mecànica de rotació (turbina), essent el rendiment directament proporcional a la diferència de temperatures.

Fig. Esquema de la central tèrmica S’entén per rendiment tèrmic, la relació entre la capacitat calorífica d’un combustible i l’energia elèctrica que podem obtenir.

cQW

=η W treball subministrat Qc Calor absorbit per la caldera

Les centrals tèrmiques tenen un rendiment relativament baix al voltant d’un 35%. Això millora notablement en les centrals de cicle combinat que després explicarem. Caldera. És la part on s’obté el vapor d’aigua, però interessa una temperatura força alta per aconseguir que el vapor sigui sec sense gotes d’aigua. Per produir calor es fa servir un cremador que injecta calor a l’interior de la caldera. Les centrals tèrmiques necessiten un combustible. Actualment es fa servir tant com es pot el gas natural perquè és el combustible més net que es pot fer servir.

9

La reacció de combustió del gas natural serà: Gas natural + Oxigen de l’aire à CO2 (diòxid de carboni)+ H2O (vapor d’aigua)+ calor No totes les centrals fan servir gas natural, que seria el més desitjable. La central de Cercs fa servir carbó perquè aprofita les mines de carbó que hi ha a la zona.

Turbina. Són les màquines motrius, que transformen el del vapor d’aigua a pressió en energia cinètica de rotació. Aquesta està formada per la turbina de alta, mitja i baixa pressió. De fet no són tres màquines separades, sinó que a mesura que baixa la pressió del vapor s’ha d’anar augmentant la superfície de les pales impulsores perquè es mantingui la força resultant que la fa girar (recordeu que F=p·A, si baixa p ha d’augmentar A).

Fig. Turbina de la central Condensador. La funció d’aquest és baixar al màxim la temperatura del circuit; així es crea una variació de temperatura el més gran possible sobre la turbina. Quan més gran sigui el salt tèrmic més elevat serà el rendiment. És el que més endavant s’estudiarà en un altre quinzena. Torre de refrigeració. La torre de refrigeració serveix per refredar el condensador, i mantenint així la seva temperatura. Les torres de refrigeració poden treballar en circuit obert o tancat. En circuit tancat es fa passar un corrent d’aire que va refrigerant en circuit, i en circuit obert s’agafa aigua de una riu o del mar que va refrigerant el condensador. Equip elèctric. Està format per alternadors, transformadors elevadors i parc de distribució. a) Alternador. Un generador elèctric és tot aquell dispositiu capaç de mantenir una diferència de potencial elèctric entre dos dels seus punts, anomenats pols o borns. Els generadors elèctrics són màquines destinades a transformar l'energia mecànica de rotació en elèctrica. Aquesta transformació s'aconsegueix per l'acció d'un camp magnètic sobre els conductors elèctrics disposats sobre una armadura (denominada també estator). Si mecànicament es produeix un moviment relatiu entre els conductors i el camp, es genera el corrent elèctric altern. El corrent elèctric generat a les centrals elèctriques és trifàsic; es a dir, surten tres cables un per a cada fase, més un neutre.

10

b) Transformadors elevadors. El corrent elèctric obtingut en l'alternador és d'alta intensitat i tensió mitjana, aquestes característiques es modifiquen per mitjà dels transformadors elevadors per facilitar-ne el transport en línies d'alta tensió. Per transportar el corrent elèctric a grans distàncies calen tensions molt elevades de 110 a 380 kV per reduir el màxim la intensitat i en conseqüència les pèrdues per calor a la línia. Aquesta web té una informació molt completa sobre les energies convencionals. http://tecno12-14.info/pagprinconv.html Les centrals tèrmiques i el medi ambient. Les centrals tèrmiques fan servir combustibles com el gasoil, el gas natural o el carbó per produir l’escalfor per generar vapor d’aigua. La reacció de combustió fa servir un combustible i un comburent per donar diòxid de carboni i vapor d’aigua i calor. El diòxid de carboni no es perjudicial per a la salut humana, però emès en grans quantitats, que es el que produeix l’activitat humana i industrial, provoca l’anomena’t efecte hivernacle, que contribueix a l’escalfament global de l’atmosfera. Per aquest motiu cal desenvolupar formes d’obtenció d’energia elèctrica el més respectuoses possibles amb el medi ambient i on es minimitzin els efecte nocius de la seva producció. Un intent important són les centrals de cicle combinat i de cogeneració i amb l’ús del gas natural, que conté percentatges elevats de metà i età. Cal considerar aquest com el combustible més net possible que es pot fer servir per a la combustió en les centrals, perquè majoritàriament és gas metà (CH4). Aquest combustible està format per carboni i hidrogen com tots, però la proporció d’hidrogen respecte al carboni és força superior a la resta de combustibles. Viem-ho: el gas metà (CH4) està format per 4 molècules d’hidrogen i 1 carboni, és a

dir, té una proporció H/C que és de 414

= .

Suposem, per exemple, el gas butà (CH3-CH2-CH2 –CH3) que està format per 10 molècules d’hidrogen i 4 de carboni, això significa que la proporció H/C és de:

5,24

10=

Això significa que la combustió del metà produeix molt més vapor d’aigua (H2O) i menys diòxid de carboni (CO2) que el butà. Amb el gas natural s’emet a l’atmosfera pràcticament la meitat del gas causant de l’efecte hivernacle que amb l’ús d’altres combustibles fòssils.

11

Recordeu que la reacció de combustió és sempre entre un combustible i l’oxigen de l’aire per obtenir vapor d’aigua, diòxid de carboni i calor CH4 + O2 de l’aire à H2O + CO2 +calor Centrals de cicle combinat. A més de fer servir combustibles molt més nets, gas natural, les centrals de cicle combinat tenen un rendiment molt més alt que les tradicionals centrals tèrmiques. Es denominen cicle combinat per la coexistència de dos processos termodinàmics diferents en un mateix procés industrial per obtenir energia elèctrica amb els dos. Les centrals de cicle combinat són un pas més endavant molt important i ja l’utilitzen moltes de centrals tèrmiques. Aquest sistema augmenta notablement el rendiment tèrmic de les centrals tradicionals, passant el del 35% de les centrals convencionals fins al 60% aproximadament. Per a la generació d’energia elèctrica fan servir dues instal·lacions diferents combinades en un sòl procés. En el primer una turbina de gas, igual a la que tenen els reactors dels avions, té el seu eix connectat hidràulicament a un generador de corrent altern. I en el segon l’escalfor dels gasos d’escapament d’aquesta turbina com són molt elevats (1350 OC), serveixen per generar el vapor d’aigua de la central tèrmica tradicional; es a dir, se substitueixen els cremadors tradicionals pels gasos d’escapament de les turbines de gas (mireu l’esquema de la central tèrmica). Així que combinen dos cicles diferents: per un cantó una turbina de gas i per l’altre una central tèrmica convencional. Les turbines de gas comprimeixen l’aire abans de passar per la cambra de combustió de gas, l’aire calent que surt d’aquesta cambra passa a una turbina de mitjana pressió i a una turbina d’alta potència de forma que es tenen gasos d’escapament que poden arribar a temperatures de 1350 graus, aquesta temperatura és suficientment elevada per a generar el vapor d’aigua sec per a moure les turbines de vapor. Un avenç important a més utilitzar l’aigua calenta del circuit de refrigeració del condensador per produir calor per altres usos com calefaccions de les cases o usos industrials, i així es podria arribar a tenir rendiments conjunts del 70%, rendiment que ja té molt importància. Així que la millora de rendiment i l’ús de combustibles més nets fa que es vagin transformant les tradicionals centrals tèrmiques en centrals de cicle combinat, veieu l’esquema.

12

Centrals de cogeneració. Permeten obtenir electricitat i energia tèrmica de forma simultània en el mateix lloc de consum. La seva grandària i potència útil de sortida s’ajusta a les necessitats específiques de les instal·lacions amb una demanda energètica específica a cobrir ( indústries, hospitals, universitats, etc). Per a necessitats de potència inferiors a 10MW s’utilitzen motors tèrmics de gas, gasoil o fuel connectats a l’alternador, el qual produirà el corrent elèctric. Per a majors necessitats energètiques s’utilitza una turbina de vapor. En tots dos casos, s’aprofita el calor dels gasos de la combustió per a obtenir calefacció, aigua calenta sanitària, calor per a usos industrials, etc. El gas natural es el combustible més utilitzat habitualment per produir menys contaminació, però aquestes centrals es poden habilitar per a utilitzar altres combustibles com el gasoil, fuel o residus. El rendiment d’aquestes centrals és molt elevat, del 75% al 90%, i són molt poc contaminants, ja que s’aprofita tota l’energia tèrmica produïda sense emissions a l’atmosfera. A més hi ha el gran avantatge de que l’energia produïda no s’ha de transportar.

Vegeu aquesta web. http://www.unesa.es/graficos.htm 2.4. Central Nuclears L’energia de fissió. La reacció de fissió és aquella que experimenten els àtoms de pes molecular elevat, com ara el plutoni i l’urani (de massa atòmica 235), quan es divideix el seu nucli. Si es bombardeja un nucli d’un àtom d’urani amb un neutró es produeix una divisió del nucli en dos, i en aquest procés a més es cedeixen nous neutrons per àtom i gran quantitat de calor.

13

En el combustible nuclear hi ha àtoms radioactius que inicien la reacció deixant neutrons lliures. Els neutrons, com no tenen carrega elèctrica, es poden moure per l’interior de les molècules sense veure’s afectats per la carregues elèctriques positives i negatives dels àtoms; i per tant, poden impactar sobre els nuclis veïns amb facilitat, provocant la fissió de nous àtoms i l’alliberament de més neutrons, que continuaran la reacció en cadena. En aquest procés de trencament dels nuclis es produeix una pèrdua de massa. Si es sumen les masses que s’han trencat i es comparen amb la massa original, s’observa que hi ha una pèrdua de massa, aquesta massa perduda és justament la que es transforma en calor. L’energia que s’obté en aquest procés és calcula seguint la equació E= mc2, on m és la massa perduda en la divisió del nucli i c és la velocitat de la llum (3·108 m/s) i E és l’energia obtinguda en forma de calor. El combustible nuclear es presenta en forma de barres, que seran la base per produir l’energia en les centrals nuclears. La central nuclear (PWR). És pràcticament igual que una tèrmica convencional excepte que l’energia calorífica prové de la reacció de fissió

Aquí es pot veure l’esquema d’un tipus de central nuclear anomenada Power Water Reactor PWR (reactor d’aigua a pressió).

14

Aquesta utilitza urani enriquit com a combustible i aigua a pressió per a transferir la calor generada en el reactor fins a les turbines. Com hi ha una manipulació de materials radioactius cal preveure un seguit de sistemes de seguretat que garanteixin la seguretat de les persones. El més important sens dubte és l’edifici de contenció. Altres centrals, les BWR (reactor d’aigua en ebullició), obtenen la generació del vapor dins del mateix reactor. Només disposen d’un únic circuit de refrigeració de l’aigua i aquesta entra en contacte directament amb el nucli del reactor on entra en ebullició. Edifici de contenció. És un edifici estanc, com si fos una ca¡xa, fet de formigó armat i amb làmines de plom intercalades per evitar que surti la radiació interior. Aquest conté el nucli o reactor, el circuit primari, el generador de vapor i una piscina entre d’altres elements importants. L’edifici de contenció protegeix d’accidents greus, per exemple com el que va tenir lloc a Xèrnobil, anomenat “síndrome de xina”, que succeeix quan es trenca el nucli o reactor. Descripció del funcionament. En el reactor hi ha les barres d’urani amb unes beines, normalment de grafit, que permetent controlar la velocitat de la fissió dels àtoms radioactius. En produir-se aquesta es desprèn gran quantitat de calor, que escalfa l’aigua del circuit primari. Unes bombes mouen aquesta aigua des del reactor fins al generador de vapor. El generador de vapor també està dins de l’edifici de contenció, aquest rep l’escalfor del circuit primari i genera vapor d’aigua a elevada pressió, que forma el circuit secundari, aquest vapor serveix per moure la turbina situada ja en un edifici extern. La turbina i l’alternador formen un sol conjunt suportat per un mateix eix, de forma que una part genera energia mecànica amb la pressió del vapor i l’altre genera electricitat trifàsica alterna. Com a mesura de seguretat important veiem que el circuit primari, el qual pot contenir partícules radioactives, està situat a l’interior de l’edifici de contenció, en tant que el circuit secundari, totalment independent del primari, és l’encarregat de transportar la calor des de dins fins a la turbina de vapor situada a l’exterior d’aquest. En nucli del reactor hi ha les barres de combustible i unes beines que serveixen per moderar o aturar la reacció de fissió en cas necessari. Són de forma cilíndrica i es posen com una funda sobre les barres evitant que surtin neutrons i, per tant, aturen la reacció. Tot plegat són elements de seguretat per evitar que radiació surti a l’exterior. Finalment, el combustible ja cremat es posa en una piscina situada interior i es va emmagatzemant per després processar-lo en plantes especialitzades. La resta de la central ja és igual a una tèrmica normal com la estudiada abans, amb: - Turbina de baixa, mitja i alta pressió - Alternador sempre en eix solidari la turbina - Condensador per liquar el vapor d’aigua i aconseguir el màxim salt tèrmic. - Torres de refrigeració - Bombes per tornar l’aigua al generador de vapor. L’energia nuclear ha passat?. En els països de l’est, no democràtics, les centrals nuclears es van construir sense les mesures de protecció occidentals, principalment sense edifici de contenció. És important entendre que aquestes instal·lacions són perilloses, però que tenen sistemes seguretat molt importants i tenen una vigilància exhaustiva, tant per parts dels sistemes tècnics com per part de les autoritats polítiques, per tal minimitzar els seus riscos.

15

La realitat és que alguns països ja han començat a desmuntar les seves instal·lacions nuclears, i la tendència serà fer-les desaparèixer, per la seva perillositat potencial, que la gent no vol assumir, com es desprèn dels moviments antinuclears que hi ha arreu dels països democràtics, fet que no passa en els que no ho són que veuen en aquesta font d’energia el seu desenvolupament a baix preu. De totes formes cal que la gent dels països més democràtics siguin responsables que el benestar passa per la producció d’energia elèctrica i que aquesta producció, sigui la que sigui, sempre té un fort impacte ambiental. Veieu l’estudi que adjunto del professor Sergi Saladié Gil, Geògraf. Unitat de Geografia-URV. Solucions com les que es proposen a Girona d’importar energia elèctrica de França, no deixa de ser amagar el cap sota l’ala. França és un país que produeix tota l’energia elèctrica en centrals nuclears, en té tantes que estan treballant al 47% de seu rendiment. Es clar, els convé vendre per pujar el seu rendiment. En canvi, els catalans no volem construir centrals elèctriques perquè tenen un fort impacte i la població es queixa, i es clar els polítics prefereixen importar-la de França. Però que cap català s’enredi, el que ningú diu és que, un accident nuclear al país veí, és exactament igual que tenir-lo a ASCÓ. Darrerament degut als problemes de canvi climàtic s’està experimentant un canvi d’opinió de la població amb respecte a aquest tipus de centrals, ja que no produeixen diòxid de carboni. 2.5 Xarxa de distribució d’energia elèctrica El corrent elèctric que produeixen els alternadors és trifàsic però cal fer-lo arribar a les llars i d’això s’encarreguen les xarxes de distribució. De les xarxes de distribució, sens dubte una de les més importants, conjuntament amb les d’aigua, gas i recollida d’aigües residuals, és la d’electricitat, tant per la seva complexitat com per la seva necessitat. Malgrat la seva producció sempre aixeca polèmica el cert és que actualment la nostra dependència d’aquesta és insubstituïble; per tant, la xarxa de distribució d’energia elèctrica ha esdevingut de les més importants en el mon modern i cal que estiguin el més ben fetes possible.

Els alternadors de les centrals són trifàsics. Això significa que surten tres cables de fase més un altre anomenat neutre.

16

Cada fase dona una tensió alterna a 50Hz i estan repartides simètricament. De forma cada volta de l’alternador genera tensió a la tres fases, això significa que estan desfasades entre elles 360/3=120 graus. D’aquí veieu les tres gràfiques de tensió que genera l’alternador. Primer la blava, després la verda i finalment la vermella.

Els alternadors de les centrals solen produir energia a elèctrica trifàsica a mitja tensió (uns 3 a 36kV), que cal elevar amb transformadors fins a alta tensió o tensió de transport, que per a grans distàncies arriba a valors de 110 i 380 kV. La tensió de transport és tant elevada per tal de minimitzar les pèrdues per efecte Joule i escalfament de la línia. La potència elèctrica val P= I·V, si es vol transportar una determinada potència a través de xarxa elèctrica cal que la tensió sigui el més alta possible i així la intensitat del corrent serà el més baixa possible. Fet molt important, ja que les pèrdues per calor en el transport per efecte joule es calculen amb l’equació: W= I2·R·t. Com es pot veure aquestes depenen del quadrat de la intensitat que passa pels conductors; per tant, interessa molt per evitar escalfament de les línies, fet que obliga a baixar la intensitat sempre que sigui possible, obligant elevar al màxim possible la tensió per a mantenir una determinada potència de transport. W= I2·R·t, W = energia dissipada en forma de calor, I = intensitat del corrent, R= resistència del cable, t= temps que està la línia en funcionament. L’energia elèctrica trifàsica es transporta amb de les torres d’alta tensió fins a les subestacions situades a l’entrada dels nuclis urbans, que la baixen a mitjana tensió (entre 3 i 30 kV) i després la reparteixen de forma subterrània. Aquesta tensió serveix per transportar l’energia tant entre els petits pobles i com en canalitzacions subterrànies per l’interior de les grans ciutats. Finalment, prop del consum es col·loquen transformadors, per exemple en pàrquings o soterranis dels edificis, que baixen la tensió fins a 398 V per a distribuir-la als habitatges.

17

Al quadre de llums situat a la part baixa del vostre bloc arriba una línia elèctrica de la companyia formada per 4 cables aïllats, que corresponent a 3 fases i un neutre o retorn. La tensió entre cada fase és de 398 V i la tensió entre una fase qualsevol i el neutre és de 230 V. A cada una de les vivendes es porta una fase i el neutre o retorn. Per tal que cada fase tingui el mateix consum i el sistema estigui equilibrat es distribueixen aquestes de forma regular entre els diferents habitatges. Normatives estableixen colors diferenciats en la protecció plàstica del cablejat en baixa tensió. S’utilitza el color gris, marró i negre per a les tres fases i s’utilitza el blau per a distingir el cable neutre. A cada vivenda s’afegeix un cable de protecció anomenat cable de terra, que es pot reconèixer per les seves franges verdes i grogues, que connecta directament els endolls de la vivenda amb el subsol i així, qualsevol corrent elèctric indesitjat circularà per aquest cable i no per les persones. 3. Energies alternatives El terme en si no vol dir res, en un futur s’haurà de buscar una altre classificació. Nosaltres inclourem aquí totes les energies renovables que actualment tenen un cert interès de desenvolupament i poden desenvolupar potència suficient per ser utilitzables actualment, tant sigui com a recolzament o com a possible línia de futur energètica. Veiem en la taula les potències instal·lades a Catalunya en MW. Actualment hi han instal·lats 224 MW en parcs eòlics que sobre el total 86567 MW representa un paupèrrim 2,61% de potència del total d’energia elèctrica generada. Tampoc no existeix en l’actualitat una potència fotovoltaica significativa. En l’estudi es conta com a renovable la creada en les centrals hidroelèctriques, fet que no sempre és fiable i que depèn de les necessitats d’aigua de la població. Aquest any 2008 de sequera on els pantans estan buits ha baixat en picat la producció d’aquest tipus d’energia pràcticament ha estat molt baixa.

18

Com podeu observar encara cal créixer molt en energies renovables. Tot i que s’ estudiarem d’altres fonts d’energia, de la taula anterior es desprèn que l’energia renovable amb més futur és l’energia eòlica i la fotovoltaica. Per cert molt poc desenvolupades a Catalunya i força més en altres comunitats com l’Aragó i Navarra. Objectius que s’han proposat pel 2050 pel que fa a les energies renovables. - Implantació massiva de l’energia solar tèrmica (20% estalvi) sobre els edificis. Actualment és obligatori a tots els edificis de nova construcció. - Estalvi i eficiència energètica. - Implantació massiva de l’energia solar fotovoltaica (0’7% sup. Catalunya=250 km2 aprox.=80% de les teulades) - Desenvolupament integral de les energies renovables: solar tèrmica, solar fotovoltaica, termosolar, eòlica, biomassa,… Veiem les energies renovables més importants, no explicant ja aquí les centrals hidroelèctriques, perquè s’ha fet en iniciar el document. 3.1 Aprofitament de l’energia solar tèrmica L’energia tèrmica obtinguda de la radiació solar sempre segueix el mateix procés. La raciació solar incideix sobre algun element captador que escalfa aigua que després s’aprofitarà per a calefacció o aigua sanitària. Un sistema tèrmic està format per: Captador solar. Que absorbeix la radiació solar i la transforma en calor. Els diferents tipus que existeixen són captadors acumuladors, plaques planes, absorbidors senzills i tubs de buit.

19

Acumulador. l'energia viatja a través d'un circuit tancat format per aigua i anticongelant i arriba al dipòsit on s'acumula en forma d'increment de temperatura de l'aigua que hi ha dipositada. Sistema de control. format per un termòstat diferencial que s'encarrega de parar o activar el circuit solar segons sigui necessari, evitant pèrdues d’energia d'energia de l'acumulador. Sistema auxiliar,amb una caldera de gas permet arribar a la temperatura de consum quan no hi ha suficient captació solar. Actualment és obligatori posar aquest sistema en tots els edificis nous. 3.2. Aprofitament de l’energia fotovoltaica Sistema fotovoltaic aïllat. Un tipus d’instal·lació aïllada és la que treballa directament amb la radiació solar, com per exemple una bomba que funciona proporcionalment a la radiació captada per la placa. Un altre tipus de sistema aïllat és el que capta la radiació solar i l’emmagatzema en bateries per a ser utilitzada en el seu moment pel propi consum. Aquesta tecnologia és la que es fa servir en els satèl·lits espacials, resulta l’opció més barata i comuna d’electrificació en habitatges separats uns quants km de la xarxa elèctrica com és el cas dels vaixells, les masies o les autocaravanes. També es troba en sistemes autònoms com ara els parquímetres, els senyals lluminosos o per il·luminació en llocs aïllats. El corrent elèctric generat és corrent continu que mitjançant un regulador proporciona una tensió estable de 12V o 24V que s’emmagatzema en bateries. En cas de necessitar corrent altern domèstic, s’incorpora un dispositiu inversor que fa la conversió elèctrica.

Però cada vegada s’estendrà més el seu ús per augmentar la producció d’energia elèctrica.

20

Sistema fotovoltaic connectat a la xarxa. Existeixen sistemes que permeten compartir despeses entre els diferents propietaris de cada instal·lació. Això es coneix amb el nom d’hortes solars. Com si fos un cultiu, en una mateixa parcel·la es realitzen diferents instal·lacions, cadascuna independent de la resta, i es comparteixen les despeses (el lloguer del terreny, el manteniment, la seguretat i la gestió). Econòmicament comencen a ser viables sistemes de seguiment solar, que aconsegueixen produir més energia amb la mateixa quantitat de plaques. Això si, necessiten més espai per no fer-se ombra els uns als altres. Els seguidors solars poden ser de dos tipus. L’un està format per un o dos eixos, amb l’estructura de les plaques motoritzada, i accionat per un automatisme que recull la posició del sol per cada hora. L’altre està format per petites plaques fotovoltaiques col·locades en diferents orientacions, les quals, si capten la mateixa radiació, indiquen que les plaques es troben perpendiculars al raigs del Sol. Es poden trobar grans instal·lacions fotovoltaiques, com hem vist, enmig dels camps, però aquests sistemes es poden ubicar damunt mateix dels punts de consum, incrementant l’eficiència del sistema al reduir les pèrdues del transport. Les ubicacions més adients podrien ser els sostres totes les edificacions. La orientació òptima dels captadors fotovoltaics depèn de la latitud geogràfica i de l’època de l’any. S’estima que la inclinació ha de ser entre 5 i 10 graus inferiors a la latitud geogràfica. Això suposa que en les nostre latituds, s’han d’orientar cap el sud amb uns 35 graus d’inclinació òptima en el centre de la península ibèrica. Cada grau de desviació respecte del sud suposa una pèrdua d’un 0,2% de rendiment energètic. La inclinació sol disposar-se també per a d’obtenir el màxim rendiment anual. En els diferents mesos de l’any, la pèrdua de rendiment es pot situar en un 0,08% per a cada grau de desviació respecte a la que seria la seva inclinació òptima. El màxim rendiment s’obté quan es tenen sistemes automàtics per a moure les plaques solars a la seva inclinació òptima en cada moment en funció de les condicions ambientals i horàries.

3.3 Aerogeneradors i els parcs eòlics. Aerogeneradors. Produeixen electricitat tot aprofitant l'energia natural del vent per impulsar un generador. El vent és una font d'energia neta, sostenible que mai s'esgota, i la transformació de la seva energia cinètica en energia elèctrica no produeix cap mena d’emissions.

21

Generar energia a partir del vent és simple: el vent passa sobre les aspes de l’aerogenerador i provoca una força giratòria. Les pales fan rodar un eix que hi ha dins la góndola, que entra a una caixa de canvis. La caixa de canvis incrementa la velocitat de rotació de l'eix provinent del rotor e impulsa el generador que converteix l'energia rotacional en energia elèctrica. Els alternadors del generadors solen treballar a uns 690 volts, que després passa per un transformador per a adaptar-lo al voltatge de la xarxa de distribució, generalment entre 20 i 132 quilovolts. Els parcs eòlics. Un sol moli no té cap interès el que es fa actualment són parcs eòlics. Els parcs eòlics són grans instal·lacions formades per molts molins de vent connectats a la xarxa, per tal de subministrar l'electricitat que produeixen. Aquestes centrals, que solen tenir una potència que varia dels 5 MW als 60 MW segons les possibilitats del lloc on estan i la quantitat que s’hi hagin posat. En la determinació de la ubicació, dimensió i forma d'un parc eòlic influeixen molts factors, tals com: - velocitat del vent (superior a 6 m/s), variacions (diürnes, estacionals, en alçada), ràfegues i calmes. - distribució de direccions - ombres entre màquines - condicions especials (huracans, sorra, sal) - accessibilitat de l'emplaçament - tecnologia disponible - inversió prevista, etc. L'estudi de viabilitat d'un parc eòlic no es pot reduir únicament a qüestions econòmiques i d'enginyeria; la seva implantació implica sovint aspectes culturals, socials, paisatgístics o de percepció de l'entorn, així com consideracions sobre els ecosistemes en els quals es planteja situar-los. Cal que la població vegi molins de vent, es considera que és una de les formes on més consciència agafa la gent de la importància de l’estalvi energètic. A Catalunya, el Pla de Parcs Eòlics (1995), en la seva fase d'anàlisi estructural del vent, va detectar un nombre significatiu d'emplaçaments possibles per a la instal·lació de parcs de diferents característiques. La potencia instal·lable arribaria fins als 1.300 MW, amb una producció estimada de 2.465 GWh/any. Com funciona el parc eòlic. Aquestes instal·lacions estan formades pels següents components:

22

a) Blocs de producció d’energia elèctrica formats per molins que alimenten un transformador que eleva la tensió. Els alternadors dels molins de vent donen de 400 a 690 V i cal elevar la tensió a mitja o alta tensió. Depenen de les línies més properes. Si tenen a prop una línia de distribució de mitja tensió (25 kV) cal elevar la tensió amb un transformador fins a aquest valor. I si tenen a prop una línia d’alta tensió cal col·locar dos centrals transformadores: una que eleva a mitja tensió i l’altre a alta tensió. b) Centre de control, que esta encarregat de gestionar la posada en funcionament i l’aturada dels molins en funció de la velocitat del vent, a més de fer-los girar a les velocitats síncrones corresponents perquè la tensió generada sigui de 50 Hz.

3.4. Biocombustibles Finalment, parlarem dels biocombustibles, que actualment es comencen a utilitzar en determinats vehicles que estan ja preparats. Hi ha dos tipus bàsics. El biodièsel, combustible líquid similar al gasoil que s’obté a partir del gira-sol o el blat de moro, i que es pot barrejar amb el gasoil tradicional o sol directament preparat perquè funcioni en motors dièsel. El bioalcohol, normalment metanol i/o etanol que prové de la canya de sucre o de la biomassa i que serveix per als motors de benzina, tant barrejat amb la benzina, com a combustible per a ell mateix. Comentari final. Com podem veure al final d’aquesta unitat es plantegen un seguit d’idees destinades a disminuir la dependència de les formes d’energia tradicionals investigant-ne altres de més netes per el mitja ambient. Certament l’amenaça que representa l’escalfament global del planeta és clara i inequívoca. Per fortuna, també ho son les solucions. Malgrat allò que sostenen les veus pessimistes - que els hàbits i esquemes relatius a l’ús de la energia no poden modificar-se substancialment-, el canvi és possible sempre i quan hi hagi la voluntat política de posar-lo en pràctica. Sobretot en un context polític dominat per governs democràtics habituats a la concessió de subsidis a determinats grups empresarials.