Generació d'Energia Elèctrica: Centrals Hidroelèctriques, Tèrmiques i Nuclears

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 (centrals elèctriques), disposen d'un conjunt de màquines motrius i aparells que s'utilitzen per generar energia elèctrica.

Producció, Transport i Consum d'Energia

L'element principal de qualsevol central generadora d'energia, tret de 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 de l'energia elèctrica produïda a les centrals és que no es pot emmagatzemar (si no es consumeix es perd). Per això, cal regular-ne la producció i ajustar-la al consum.

Tipus de Centrals

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

• 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 en paral·lel amb 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 per bombar aigua a un embassament superior, i a les hores punta l'aprofiten per proporcionar energia a la xarxa.

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. Les transformacions d'energia que es realitzen en aquest tipus de centrals són: Energia potencial (embassament) -> Energia cinètica (canonades) -> Energia cinètica de rotació (turbina) -> Energia elèctrica (alternador) -> Utilització.

Les instal·lacions que aprofiten l'energia cinètica de l'aigua directament o per preses són:

• Centrals d'aigua fluent: Es construeixen en els llocs en què l'energia hidràulica disponible es pot utilitzar directament per accionar les turbines. Són instal·lacions de poc rendiment, atès que no es pot regular el cabal de l'aigua que porta el riu i, per tant, aquest pot ser molt irregular segons l'època de l'any.
• Centrals d'aigua embassada o amb regulació: L'aigua s'acumula en un llac artificial o pantà i s'utilitza en funció de les necessitats d'energia elèctrica. La disposició orogràfica del terreny determinarà les característiques constructives de l'aprofitament hidràulic. Hi ha dos models:
  • Centrals de derivació: Les aigües del riu es desvien per mitjà d'una petita presa cap a un canal, amb el mínim desnivell possible. La diferència de nivell entre les aigües del canal de derivació i el riu anirà augmentant en funció de la longitud del canal. En un punt apropiat es construeix un petit dipòsit anomenat cambra de càrrega i de pressió que alimenta una canonada forçada que condueix l'aigua fins a la turbina situada molt per sota del nivell del canal. A la sortida de la turbina, l'aigua es restituïda al riu, aigües avall, amb una canonada o amb un canal de descàrrega.
  • Centrals d'acumulació: Se situen en un tram de riu amb desnivell apreciable, on es construeix una presa que obstaculitza el pas de les aigües, i hi produeix un embassament. L'aigua adquireix més o menys energia potencial en funció de la seva alçada. A mitja alçada de la presa, per aprofitar el volum de l'aigua emmagatzemada, hi ha la sortida d'aigua que alimentarà les turbines de la central, situades al peu de la presa.

Components d'una Central Hidroelèctrica

• 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.
  • Presa de gravetat: La força de l'aigua emmagatzemada és contrarestada amb el mateix pes de la presa. El perfil transversal és triangular i es necessita una gran quantitat de material per a la seva construcció. Una variant és la presa de contraforts que, per la seva disposició, permet un estalvi important de material.
  • Preses de volta o d'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.
• 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, etc., puguin deteriorar-les. Com que la majoria de preses també tenen la funció de regular el cabal dels rius, han de permetre l'evacuació de l'aigua sense necessitat de passar per les turbines; per això utilitzen sobreeixidors equipats amb comportes, i a peu de presa es construeixen uns elements esmorteïdors de l'energia adquirida per l'aigua quan cau. A la part més fonda de la presa hi ha els desguassos, que permeten el buidatge de tot el pantà a fi de realitzar, per exemple, les tasques de drenatge.
• La sala de màquines: A la sala de màquines hi ha les màquines motrius de la central, els anomenats grups turboalternadors. En funció de l'altura del salt i del cabal d'aigua s'utilitzen diferents tipus de turbines: les més importants són les turbines Pelton (en salts de gran altura i cabal regular), les turbines Francis (en salts mitjans i cabal variable) i les turbines Kaplan (en salts de poca altura i cabal molt variable). Les centrals disposen de diversos grups perquè es puguin fer treballar independentment amb un rendiment màxim en funció del cabal de l'aigua disponible.
• 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.

Funcionament d'una Central Hidroelèctrica

La presa reté l'aigua del riu i provoca un embassament i un augment del nivell de l'aigua. A peu de presa hi ha la sala de màquines amb els grups turboalternadors. L'aigua arriba a les turbines a través d'una canonada forçada alimentada des de l'embassament per les preses d'aigua, equipades amb comportes i reixats. L'energia potencial de l'aigua embassada es converteix en energia cinètica en obrir les comportes 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 hi ha el rotor de l'alternador i un generador de corrent continu que genera un camp magnètic a les bobines del motor, amb la qual cosa es produeix en el bobinatge de l'estator un corrent altern de tensió mitjana i intensitat elevada. Amb els transformadors s'eleva la tensió i, a través del parc de distribució o directament, s'alimenten les línies de la xarxa de transport.

Centrals de Bombament o Reversibles

Són instal·lacions que tenen la finalitat de racionalitzar la producció d'energia elèctrica d'acord amb 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.
• Central de bombament mixt: Poden produir energia indistintament amb bombament previ o sense, perquè l'embassament superior també està alimentat per un riu.

Minicentrals Hidroelèctriques

Són centrals de potència compresa entre 250 i 5000 kW. Antigament eren les subministradores d'energia elèctrica de petits nuclis rurals i de fàbriques situades al costat dels rius.

Les Centrals Hidroelèctriques i el Medi Ambient

• Avantatges: 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; l'aigua es pot aprofitar per regar o proveir el consum de les poblacions.
• Inconvenients: Pèrdua de terrenys fèrtils i poblacions que són cobertes per les aigües, amb els consegüents problemes per als seus habitants. Alteració del cabal dels rius i problemes d'erosió. Modificació de la vegetació i la fauna de la zona. Possible acumulació de matèria orgànica provocada pels vessaments d'aigües residuals, que deterioren la qualitat de les aigües, i que fins i tot poden arribar a emetre gas metà a l'atmosfera. La construcció de grans embassaments pot variar el clima, la qual cosa comporta una greu modificació de l'ecosistema.

Centrals Termoelèctriques Convencionals

Generen energia elèctrica a partir de l'energia tèrmica produïda per la combustió de carbó, fuel o gas natural. Les transformacions d'energia que es produeixen a les centrals termoelèctriques convencionals són les següents: energia química (combustible) -> energia tèrmica (caldera) -> energia cinètica (vapor) -> energia cinètica de rotació (turbina) -> energia elèctrica (alternador) -> utilització.

Components d'una Central Termoelèctrica

• 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. Les calderes disposen de cremadors adequats al tipus de combustible que utilitzen i una cambra de combustió envoltada d'infinitat de tubs pels quals circula l'aigua per vaporitzar:
  • 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 per fer un escalfament previ a l'aigua que alimenta la caldera, al combustible quan és necessari i a l'aire utilitzat en la combustió.
• Turbines: Les turbines són les màquines motrius que transformen l'energia cinètica del vapor d'aigua en energia cinètica rotatòria en el rodet. Per obtenir el màxim rendiment de la transformació estan formades per tres cossos de pressió alta, de pressió mitjana i de pressió baixa solidaris amb el motor. El vapor a temperatura i pressió altes procedents del reescalfador s'introdueix a la turbina en el cos de pressió alta format per centenars d'àleps petits. A mesura que el vapor s'expandeix i perd pressió, va cap al cos de pressió mitjana, on els àleps són més grans, per acabar passant pel cos de pressió baixa format per àleps més grossos encara.
• Condensador: Per augmentar el rendiment termodinàmic de la transformació, l'aigua per vaporitzar ha d'entrar a la caldera en estat líquid. En el condensador, el vapor procedent de les turbines es condensa abans de tornar a entrar a la caldera per tal de repetir el cicle.
• Torre de refrigeració: La torre de refrigeració serveix per refredar l'aigua refrigerant del condensador. Els circuits de refrigeració poden ser oberts o tancats, en funció de les disponibilitats de l'aigua. En els circuits tancats és imprescindible refredar l'aigua per tornar-la a utilitzar. En els circuits oberts, que utilitzen aigua d'un riu, és necessari, per no afectar la fauna, que es retorni al riu amb la temperatura més semblant possible a la seva. El seu funcionament és molt simple.
• 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 per la geometria de la mateixa xemeneia, o de tiratge forçat si hi ha impulsors mecànics que ajuden la circulació.
• Equip elèctric principal: Està format per l'alternador, els transformadors i el parc de distribució.
• 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.

Funcionament d'una Central Termoelèctrica

Des del recinte d'emmagatzematge del carbó, una cinta transportadora el diposita en una tremuja que alimenta el molí triturador, on és convertit en una pols molt fina per facilitar-ne la combustió. La pols de carbó es barreja amb aire preescalfat i s'injecta als cremadors de la caldera, on es produeix la combustió. La calor despresa en la combustió escalfa l'aigua dels tubs i produeix vapor, i al sobreescalfador la humitat és eliminada i la temperatura augmenta. El vapor s'expandeix en els diferents cossos de la turbina. A la sortida de les turbines el vapor passa al condensador, es refreda i es condensa. Els gasos de la combustió, en sortir de la caldera aspirats per la xemeneia, s'utilitzen per escalfar l'aire de la combustió, i amb els precipitadors es reté la major part possible de partícules sòlides contaminants, que surten seguidament per la xemeneia.

Les Centrals Termoelèctriques i el Medi Ambient

• Contaminació atmosfèrica: La utilització de combustibles fòssils comporta la producció de diòxid de carboni i de vapor d'aigua, causants de l'efecte d'hivernacle. La mala combustió i les impureses que contenen els combustibles originen l'emissió d'òxids de sofre i d'òxids de nitrogen, els principals causants de la pluja àcida. Aquests compostos, juntament amb l'emissió d'hidrocarburs, partícules sòlides i metalls pesants, són els desencadenants de les boires fotoquímiques.
• Contaminació de l'aigua: La contaminació tèrmica es minimitza amb la utilització de les torres de refrigeració. A més, les aigües utilitzades a la central per a la neteja dels diversos elements, els efectes obtinguts a les plantes de tractament de l'aigua d'alimentació de la caldera, les procedents de les purgues de vapor, etc., estan contaminades químicament, de manera que requereixen un sistema de depuració abans del seu vessament a la xarxa de desguàs.
• 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; per això s'aïllen els elements més sorollosos i s'hi construeixen pantalles acústiques.

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, a part d'obtenir gas, un combustible molt menys contaminat.
• Combustió en llit fluid: És un sistema de combustió del carbó a menys temperatura, que permet que la majoria de contaminats romanguin amb els residus de la combustió i no s'emetin a l'atmosfera; al mateix temps se n'augmenta el rendiment, ja que el carbó presenta més superfície de contacte amb l'aire de la combustió.
• 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 cicles combinat que utilitzen gas natural.

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, la caldera de recuperació i la turbina de vapor. 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 s'expandeixen a la turbina de gas i accionen el compressor i el generador cinètic. En acabar el procés d'expansió, els gasos, que estan a uns 800 °C, una temperatura prou elevada per aprofitar l'energia que tenen, s'envien a la caldera de recuperació. La caldera de recuperació té els mateixos components que una caldera convencional, per aprofitar al màxim possible l'energia dels gasos d'escapament. El cicle vapor-aigua és el que es realitza en qualsevol central tèrmica convencional, de manera que el vapor procedent de la caldera acciona un grup turbina-generador, per obtenir més energia elèctrica.

Centrals de Cogeneració

Produeixen energia utilitzant un combustible i aprofiten 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.

Centrals Nuclears

És una central termoelèctrica en què la font d'energia tèrmica s'obté de la fissió dels àtoms d'urani i de plutoni. Les transformacions de l'energia en una central nuclear són: energia nuclear (combustible) -> energia tèrmica (caldera) -> energia cinètica (vapor) -> energia cinètica de rotació (turbina) -> energia elèctrica (alternador) -> utilització.

Reactor Nuclear

És el component més important de les centrals nuclears i constitueix el seu nucli. El reactor és el sistema que permet produir i controlar reaccions en cadena sostingudes, de manera que fa possible l'aprofitament de l'energia tèrmica obtinguda per a l'obtenció de vapor d'aigua que acciona la turbina solidària al generador elèctric.

Parts del Reactor

• El vas del reactor: És un recipient d'acer pur que conté una font de neutrons i el combustible nuclear.
• El moderador: Té la funció de reduir la velocitat dels neutrons emesos en les reaccions de fissió, per assegurar el seu impacte amb altres àtoms fissionables i mantenir la reacció.
• Les 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.
• El 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.

Tipus Principals de Centrals Nuclears

• Centrals amb reactor d'aigua a pressió (PWR): Utilitzen urani enriquit com a combustible i aigua com a refrigerant 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.
• Central amb reactor d'aigua en ebullició (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.
• 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.

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; cada un d'ells disposa de bomba, pressionador i generador de vapor. És cilíndric, acabat amb cúpula en forma de casquet esfèric, està fet amb uns murs gruixuts de formigó especial folrats d'acer al seu interior, per tal d'evitar qualsevol emissió de radiació a l'exterior en cas d'accident i està dissenyat per resistir els efectes dels moviments sísmics.
• Edifici de turbines: Allotja el grup turbina-alternador, els reescalfadors i els condensadors de vapor i els preescalfadors de l'aigua d'alimentació.
• Edifici del 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. Aquí hi arriben els senyals i les mesures de funcionament de tots els equips i sistemes de seguretat i en surten les ordres de comandament.
• Edifici auxiliar: En el seu interior es disposa de components dels sistemes auxiliars i de seguretat, així com els sistemes de tractaments de residus radioactius d'activitat baixa, l'equip de filtratge i d'aire condicionat propi i de l'edifici de contenció.

Funcionament d'una Central Nuclear

L'energia generada en el nucli del reactor és extreta i transportada per l'aigua refrigerant, que actua en circuit tancat i a pressió elevada, i es transmet al circuit secundari en els generadors de vapor. El vapor acciona la turbina acoblada a l'alternador. L'energia elèctrica produïda es lliura a la xarxa després d'elevar la tensió amb els transformadors. Després del seu pas per la turbina, el vapor torna a l'estat líquid en el condensador, passant de nou al generador de vapor impulsat per les bombes de condensació i d'alimentació. Allà es vaporitza novament, i així es tanca el circuit. L'aigua de refrigeració del condensador forma un circuit obert. S'alimenta directament del riu o del mar, és impulsada per les bombes de circulació, passa pel condensador i retorna al riu o al mar. Si el cabal del riu és escàs i pot causar contaminació tèrmica, l'aigua es refreda prèviament passant per les torres de refrigeració forçada.

Sistemes de Seguretat de les Centrals Nuclears

• Personal altament qualificat i especialitzat, amb l'entrenament adequat per afrontar qualsevol emergència.
• Revisió anual exhaustiva dels elements mecànics del reactor i del circuit primari, aprofitant la parada per a la recàrrega de combustible.
• Control constant de l'estat dels equips i manteniment preventiu programat.
• Control radioactiu de totes les emissions.
• Detecció i identificació de qualsevol anomalia.
• Si se superen els límits d'emissió permesos, activació dels sistemes d'alarma i resposta immediata dels equips de seguretat.
• Vigilància radiològica ambiental de la zona.