aspectos bÁsicos sobre la explotaciÓn de las fuentes de energÍa

ASPECTOS BÁSICOS SOBRE LA EXPLOTACIÓN DE LAS FUENTES DE ENERGÍA


Energía primaria y energía disponible (1)

Energía primaria, que es la que se encuentra lista para ser quemada en una central, tales como el carbón, petróleo, gas, nuclear, renovables (en origen)Energía disponible, que es aquella que se encuentra a disposición del usuario final (sea una vivienda, una fábrica o un avión) y que pueden ser: sólida (carbón, madera), líquida (petróleo, biocombustibles), gaseosa (gas combustible, aire comprimido), electricidad, calor (calefacción central)


Energía primaria y energía disponible (2)

Energía primaria, la disponible y las pérdidas en el Reino Unido 1986.


Transformaciones energéticas (1)



Transformaciones energéticas más usuales



Equipos y sistemas para transformaciones energéticas


Calderas de vapor (1)



para sólidos

para líquidos



Chimenea

Filtros electroestáticos

Recogedor de cenizas


Motor de combustión interna (alternativo)(1):


Motor de combustión interna (alternativo)(2)

Funcionamiento de un motor de 4 tiempos



Funcionamiento de un motor de 2 tiempos



Motor de automóvil



Motor marino


Turbina de vapor (1)



Esquema de funcionamiento



Varias etapas en una turbina de vapor



Rotor de una turbina de vapor


Intercambiadores de calor (1):


Intercambiadores de calor (2):


Turbina de gas (1):


Turbina de gas (2):

Esquema técnico de una turbina de gas


Turbina de gas (3):

Rotor de una turbina de gas


Turbina de gas (4):

Esquema técnico de una turbina de gas de ciclo cerrado


Turbina hidráulica (1):



Turbina Pelton



Turbina Francis

Turbina Kaplan


Turbina eólica (1)


Turbina eólica (2)


Turbina eólica (3)

Principios de funcionamiento de las turbinas eólicas


Pilas de combustible (1)


Pilas de combustible (2)


Generador/ motor eléctrico (1)



Sentido de la corriente generada (regla de la mano izquierda)



Esquema técnico de un generador eléctrico



La corriente generada en de variación senoidal: corriente alterna



Alternador de baja velocidad


Transformador eléctrico (1)



Esquema técnico de un transformador eléctricoLa relación entre las tensiones de entrada y salida es inversamente proporcional al número de espiras



Transformador de intemperie


Vectores energéticos (1)

Se denominan “vectores energéticos” los sistemas empleados para transportar la energía desde el punto de producción (central energética) hasta el punto de consumo (lámpara, calefactor, ascensor, maquina de cualquier tipo, automóvil, etc.)

Se denominan “vectores energéticos” los sistemas

empleados para transportar la energía desde el punto de producción (central energética) hasta el punto de consumo (lámpara, calefactor, ascensor, maquina de cualquier tipo, automóvil, etc.)


Vectores energéticos (2)


Central energética

Esquema conceptual de una central energética convencional


Sistema eléctrico (1)

Esquema general



Aspectos técnicos del binomio producción-demandaCambios en la demanda de un sistema eléctrico

Variaciones en la demanda durante la proyección de una película de James Bond en el Reino Unido



Aspectos técnicos del binomio producción-demandaCambios en la demanda a un sistema eléctrico

Variaciones horarias de la demanda de energía eléctrica




Variaciones mensuales de la demanda




Variaciones estacionales de la demanda



Sistema de generación eléctrica en el Reino Unido


El Almacenamiento de la energía (1)

Almacenamiento en forma de energía mecánica: Bombeo hidráulico (energía potencial) Aire comprimido (energía potencial) Volantes de inercia (energía cinética)

Almacenamiento en forma de energía química: Producción de hidrógeno Baterías de acumuladores (electroquímica) Entalpías de reacción

Almacenamiento en forma de energía calorífica: Calor sensible (incremento de temperatura) Calor latente (cambios de estado)

Almacenamiento eléctrico y magnético

ASPECTOS BÁSICOS SOBRE LA EXPLOTACIÓN DE LAS FUENTES DE ENERGÍA El Almacenamiento de la energía (2)

De los sistemas contemplados, sólo dos pueden emplearse para el almacenamiento de energía a gran escala (a nivel de medianos y grandes sistemas eléctricos). El bombeo de agua y la producción de hidrógeno. A una escala menor (por debajo de pocos miles de Wh), se emplean las baterías acumuladoras, el aire comprimido y los volantes de inercia.


Acumulación hidráulica: 1m3 de agua, elevada a 100 metros de altura, tiene una energía de 0,2725kWh y a 1.000 metros, 2,725 kWh


Almacenamiento en hidrógeno:La producción de hidrógeno puede efectuarse por un método electrolítico, y su almacenamiento puede ser en tanques refrigerados y presurizados (en la forma de hidrógeno líquido) o en grandes depósitos rellenados con materiales absorbentes del hidrógeno (hidruros reversibles, zeolitas, etc.)


Almacenamiento en aire comprimido

En el caso del aire comprimido, en grandes depósitos, al aire libre o subterráneos

La energía almacenada depende del volumen del recipiente y de la presión del almacenamiento (conseguida con compresores accionados por energía eléctrica), que obviamente, debería ser lo más alta posible

(Por ejemplo, para almacenar 1.500 MWh se precisarían 2·106 m3 de aire a 10 bares, o 64.000 m3 a 100 bares)


Almacenamiento en volantes de inercia En cuanto a los volantes de inercia, la energía

almacenada depende de su “momento de inercia (I)” y del cuadrado de la velocidad del giro (w)

E = ½ I·w2

Suponiendo que la velocidad del giro puede ser tan grande como se desee, la máxima energía que puede almacenarse dependerá de la resistencia del material (a velocidades muy altas, las masas giratorias tienden a romperse por efecto de las grandes fuerzas de inercia)

(Por ejemplo, con un volante de un diámetro de 4,75 metros, y una masa de 150 Tn, girando a 3.500rpm, podría almacenarse una energía de 10 MWh)

(Se han diseñado volantes de inercia, de materiales muy resistentes, capaces de girar a 150.000 rpm en un depósito donde se ha hecho el vacío, con un diámetro de 1m, que colocados en un automóvil le darían la misma autonomía de funcionamiento que la que se conseguiría con el tanque de gasolina lleno)


Almacenamiento en baterías

ASPECTOS BÁSICOS SOBRE LA EXPLOTACIÓN DE LAS FUENTES DE ENERGÍA El rendimiento de las transformaciones energéticas (1)

Es importante separar el concepto de “rendimiento” de una máquina del “rendimiento técnico global” del proceso de conversión.

El rendimiento técnico del calefactor de un calentador por resistencia eléctrica puede ser del 100%, mientras que el de un calentador de gas es sólo el 60%. (Debido a las pérdidas de calor al exterior por el combustible generado –gases calientes por chimenea-)

Pero si se analiza todo el proceso a partir del contenido energético del gas que accionó la turbina eléctrica que produjo la electricidad, el rendimiento del calentador eléctrico es mucho más bajo que el del gas, pues sólo llega al 35%.

En consecuencia desde el punto de vista energético es preferible un calentador de gas que otro eléctrico.


El aumento más importante en el rendimiento de transformación se ha producido en la generación de electricidad, pasándose de un 5% en 1900 a un 41% en la actualidad (energía primaria convertida en electricidad) (El incremento se ha logrado fundamentalmente por un aumento de la temperatura del vapor que se inyecta en la turbina)

Según Carnot, el rendimiento de una conversión viene dado por: Rend. = (T1 – T2) / T1

En una turbina moderna con, T1= 810ºK y T2= 310ºK, el rendimiento teórico es, por tanto, del 60%

La dificultad de mantener constante la temperatura de entrada rebaja el rendimiento teórico al 53%, o más exactamente, al 47%.

Sin embargo, para obtener el rendimiento real de una central eléctrica de vapor ha de multiplicarse el valor anterior por el de la caldera que produce el vapor (energía química a calorífica), que no suele pasar el 85%. Los generadores eléctricos pueden convertir en electricidad el 99% de la energía mecánica.

Como consecuencia de todo ello, el rendimiento máximo de la conversión energética química a electricidad no supera, en el mejor de los casos, el 41%. El resto se pierde en forma de calor (al aire o al agua de refrigeración)


Centrales de ciclo combinado: En modernas centrales de ciclo combinado, parte

de este calor residual puede aprovecharse, y el rendimiento global puede ascender hasta un 60%

Centrales nucleares: El rendimiento de las centrales nucleares es aún

menor, porque el vapor en estas no puede calentarse tanto como en la de combustibles fósiles. En un reactor de agua en ebullición la temperatura no puede pasar de 350ºC = 623ºK.

El rendimiento total de una central de este tipo no supera el 30%)


Rendimiento de un automóvil: El motor de combustión interna empleado en la tracción

de automóviles es un sistema de conversión de energía química en mecánica altamente ineficiente. Su rendimiento térmico no pasa el 25%.

Si se considera el rendimiento conjunto de toda la cadena de transformación respecto a los Km. recorridos, el rendimiento global es considerablemente menor.


Rendimiento de la conversión electricidad - luz En una lámpara incandescente, sólo un 5% de la energía

eléctrica se convierte en luz, el 95% restante en calor. Sin embargo, el rendimiento de una lámpara fluorescente alcanza el 20%. Si se considera el rendimiento global de toda la conversión (energía fósil o nuclear convertida en luz), el rendimiento no supera el 4%, en el mejor de los casos.

Rendimiento de la conversión luz - electricidad La conversión contraria, la luz en energía eléctrica, por

medio de células fotovoltaicas, tiene un rendimiento (máximo) que oscila entre el 20 y el 25%.

Rendimiento de la conversión viento – energía mecánica La conversión de la energía cinética del aire en energía

mecánica, por medio de aeroturbinas, puede llegar hasta el 40% (límite de Betz y otras pérdidas)

Rendimiento de turbinas hidráulicas En el caso de turbinas hidráulicas, el rendimiento puede

llegar hasta el 80%-90%.

ASPECTOS BÁSICOS SOBRE LA EXPLOTACIÓN DE LAS FUENTES DE ENERGÍA Tecnologías híbridas (1)

Para la mejora de los rendimientos energéticos de las centrales se recurre a varios tipos de tecnologías:

Tecnologías para mejorar el rendimiento de las propias transformaciones energéticas para la producción de electricidad (Centrales de ciclo combinado)

Tecnologías para mejorar el rendimiento energético por aplicación de usos diferenciados. (Centrales de cogeneración)

Tecnologías para lograr una mayor penetración a la red (derivadas del desacople producción-demanda) (Centrales hidráulicas reversibles acopladas a centrales térmicas, eólicas)


Plantas del ciclo combinado :Mejoran el rendimiento de las turbinas de gas, acoplándola a una turbina de vapor


Plantas de cogeneración: Producen energía eléctrica, al mismo tiempo

que el calor generado es también aprovechado como energía final (calefacción, secado, etc.)

Puede adoptar varias configuraciones

Turbina de vapor de contrapresión


Turbina de vapor de condensación


Turbina de gas de cogeneración


Central de cogeneración y ciclo combinado


Motores de explosión


Centrales hidráulicas reversibles


Centrales eólico-hidráulicas


Centrales hidro-eólicas


Centrales hidro-solares

ASPECTOS BÁSICOS SOBRE LA EXPLOTACIÓN DE LAS FUENTES DE ENERGÍA Eficiencia (1)

Evolución histórica de la potencia de los sistemas de conversión

ASPECTOS BÁSICOS SOBRE LA EXPLOTACIÓN DE LAS FUENTES DE ENERGÍA Eficiencia (2)

Evolución histórica de la eficiencia energética.

aspectos bÁsicos sobre la explotaciÓn de las fuentes de energÍa

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