Tecnologia 2n. ESOTema 1: Producció i transport d'energia elèctrica.

Berta Picart 1

Berta Picart 2

1. Introducció.

2. Producció d'energia elèctrica.

2.1 Energia renovable:

a) Mareomotriu.

b) Eòlica.

c) Hidràulica.

d) Solar fotovoltaica i solar tèrmica.

e) Geotèrmica.

2.2 Energia no renovable

a) Tèrmica de combustió.

b) Nuclear.

3. Distribució d'energia elèctrica.

Berta Picart 3

1. Introducció.

Gairebé tota l'energia que tenim prové del Sol. La calor del sol escalfa l'aire i és la causa delsvents, l'evaporació de l'aigua, el desenvolupament de la vegetació i, per tant, l'aparició delscombustibles fòssils (carbó i petroli).

Per obtenir energia utilitzem diferents fonts d'energia. Podem classificar les fonts d'energia enfunció de l'origen, que seran renovables o no renovables.

•Son fonts renovables les que són inesgotables o que es renoven a un ritme més gran del que esconsumeixen.•Son fonts no renovables les que no es renoven a curt termini i, per tant, s'esgoten.

Podem classificar centrals segons si son convencionals o alternatives. Entenem perconvencionals les que ja fa molts anys que s'utilitzen i com a alternatives les que tradicionalmentno s'utilitzaven.

És important diferenciar entre els conceptes "energia alternativa", "energia renovable" i "energiesno contaminants". Una energia alternativa o renovable no té per què ésser no contaminant. Així,per exemple, la biomassa es considera com font d’energia alternativa, però és una energia quetambé contamina (potser en menor mesura que d’altres).

El mapa de les energies renovables.

Activitat: 1

Berta Picart 4

2. Producció d'energia elèctrica.

La producció de grans quantitats d’energia elèctrica es duu a terme a les centrals elèctriques. Lamajoria d’aquestes centrals utilitzen el grup turbina-alternador.

La turbina està constituïda per un eixgiratori i unes aspes o àleps que sónimpulsats per la força de correntsd’aigua o per vapor d’aigua .L’alternador transforma el movimentgiratori de les turbines en electricitat.Consta de dues parts: el rotor (o nucli) il’estator (o part externa). El rotor estàcomposat per grans electroimants quegiren moguts per l’eix de la turbina alqual està unit. Aquest gir constant delrotor indueix un corrent a les bobinesde l'estator. D’aquí sortiran cables quesubministren l’energia elèctrica a laxarxa en forma de corrent altern.

Berta Picart 5

2.1 Energia renovable.

a) Mareomotriu.

A la majoria de les costes del món apareix el fenomen de les marees, és a dir, l'ascens i descensperiòdic del nivell de l'aigua del mar (no cal confondre'l amb les onades). Durant una marea esmou una quantitat molt gran d'aigua. Tones i tones d'aigua s'aixequen per després tornar a baixar.Es necessita una quantitat d'energia enorme per aixecar tota aquesta aigua, a més a més té llocen tant sols unes hores. Aprofitar aquesta energia produïda per produir electricitat és el propòsit deles centrals mareomotrius.

Com funciona una central mareomotriu:

Es construeix un dic que tanca un tos de mar en una zona on les

marees siguin de gran alçària (el mínim que es considera viable

són 5m). En aquest dic es fan unes obertures tancades amb uns

comportes on es col·loquen turbines amb generadors. La forma

més normal de generació d'electricitat és la següent:

– Quan puja la marea es deixa passar l'aigua del mar a

través de les comportes.

– quan el nivell de l'aigua és màxim es tanquen les comportes.

– Quan la marea ja ha baixat s'obren les comportes i el flux d'aigua sortint mou les turbines i

els generadors produeixen electricitat.

Berta Picart 6

Avantatges:

– No emet cap contaminant ni genera cap residu perillós.

– Es tracta d'una energia renovable.

– El cost de manteniment és baix

Inconvenients:

– Es necessita una inversió molt gran per construir una central mareomotriu.

– La producció no és continua, sinó unes hores al dia.

– Es pot produir un impacte ambiental important en la zona on s'instal·la. Només es poden

aprofitar llocs on l'impacte ambiental sigui reduït.

Activitats: 2, 3, 4 i 5

b) Eòlica.

Les màquines eòliques que transformen l’energia cinètica del vent en energia mecànicas’anomenen també aeroturbines. En podem distingir, basicament, dos tipus:

• Aeromotors . Són màquines lentes, actualment gairebé en desús, caracteritzades per unrotor (part giratòria) format de nombroses pales, normalment entre 12 i 24. Proporcionenpoca potència i s’utilitzen sobretot per al bombejament d’aigua dels pous.

• Aerogeneradors . Són màquines ràpides d’eix horitzontal, de perfil semblant a les hèlixsd’un avió, el rotor de les quals es caracteritza per tenir poques pales (2 o 3). S’utilitzen perproduir electricitat, acoblant un generador elèctric al rotor. Poden subministrar potèncieselevades.

Berta Picart 7

Els components més rellevants d’un aerogenerador per produir electricitat són la torre, el rotor,les pales, el generador elèctric i la góndola.

La torre és el suport sobre el qual es fa el muntatge detot el sistema i el manté a una determinada altura deterra, sobre els 5m els generadors de 850 W i fins a50m els generadors superiors a 600 kW.

El rotor és la part mòbil de la màquina que gira perl’acció del vent i que transforma l’energia eòlica enenergia mecànica.

Les pales són els elements encarregats de captarl’energia del vent. Augmentant el diàmetre de les palespodem augmentar la potència subministrada per lamàquina.

El generador elèctric transforma l’energia mecànica,obtinguda a l’eix del rotor, en electricitat.

La góndola, situada damunt de la torre, és l’elementestructural, i està format pel bastidor i la carcassa. Elbastidor és la peça sobre la qual s’acoblen els elementsmecànics principals.

1, Generador.

2, Mecanisme de gir. Per quan el vent canvia dedirecció.

3, Fre mecànic. Per parar quan s'ha de repararo hi ha problemes de funcionament.

4, Anemòmetre. Per saber la velocitat del vent.Si és massa fluix no es connectarà a la xarxaelèctrica i si és massa fort pot desconnectar elmolí per tal de que no girin les aspes i que noes faci malbé.

5, Veleta. Per saber cap on s'ha d'orientar elmolí.

Berta Picart 8

La mida de les aspes:

Avantatges:– No emet cap contaminant ni genera cap residu perillós.– Es tracta d'una energia renovable.– Les centrals es construeixen en poc temps.

Inconvenients:– Pot provocar un impacte visual important en certs emplaçaments.– La seva producció és discontínua.

Activitats: 6, 7, 8, 9 i 10

c) Hidràulica.

A les centrals hidroelèctriques es genera electricitat a partir de l’energia de l’aigua associada alseu moviment en els rius o en circular, forçadament, a través de canonades. Els components més característics d’una central hidroelèctrica són els següents:

• La presa o embassament . Té com a finalitat retenir l’aigua, per formar un embassament ollac artificial. D’aquesta aigua se’n desvia una part, que a través d’un canal o una canonadaes porta a la sala de màquines.

Berta Picart 9

• Els conductes d’aigua . Són els encarregats de canalitzar i transportar l’aigua des de lapresa fins a la turbina.

• La casa o sala de màquines . És on estan situats, principalment, la turbina, el generadorelèctric o alternador, els automatismes i altres elements auxiliars. La turbina hidràulica , ésuna màquina destinada a transformar l’energia de l’aigua en energia mecànica, és a dir, enun moviment de rotació que es transmet a l’alternador.

• Els transformadors . El corrent elèctric obtinguten l’alternador, d’alta intensitat i tensió mitjana,es modifica per mitjà dels transformadorselevadors, per facilitar-ne el transport en líniesd’alta tensió, les quals permeten utilitzarcables més prims i reduir-ne les pèrdues.

Avantatges:– No emeten partícules contaminants a l’atmosfera ni generen residus directes.– La regulació del cabal del riu que fa la presa pot evitar inundacions en cas de crescudes

importants sobtades causades per pluges intenses.– S’assegura un cabal mínim i constant d’aigua del riu en cas de sequera.

Inconvenients:– Modificació de l’ecosistema (vegetació, fauna i clima) per la construcció de les preses.– Pèrdua de terrenys fèrtils i de poblacions, ja que queden coberts per les aigües dels

embassaments. – Alteració del cabal dels rius i problemes d’erosió.

Activitats: 11 i 12

Berta Picart 10

d) Solar fotovoltaica i solar tèrmica.

En les centrals solar tèrmica, l'energia del sol es transforma en energia calorífica, que s'utilitza perfer girar un generador elèctric i produir electricitat.

El seu funcionament es basa en la transformació, en una caldera, de l’aigua en vapor. Aquestvapor, es genera a pressions molt altres, és conduït per canonades fins a la turbina. El vaporxoca contra els àleps de la turbina, obligant-la a girar . Com que l’eix de la turbina està acoblatl’alternador, fa que aquest generi electricitat .

Quan el vapor surt de la turbina, no pot ser abocat a l’exterior, ja que l’aigua està a unatemperatura molt alta i a més és un recurs molt apreciat i per tant cal reutilitzar-la al màxim. Persolucionar aquest problema s’instal·la a la sortida un condensador, que fa que el vapor esconverteixi de nou en aigua líquida preparada per tornar a iniciar el procés.

El vapor en passar pel condensador, ho fa per una sèrie de tubs pels quals circula aigua freda(circuit de refrigeració) que prové del riu o mar, de manera que en passar-hi, la temperatura i lapressió del vapor es redueixen i es porta a terme la condensació ( de gas a líquid). Finalment, perno produir un impacte ambiental en el riu o el mar, es fa passar l’aigua per una torre derefrigeració, on es deixa caure de pluja fina, i es refreda en contacte amb l’aire.

L'energia solar fotovoltaica

L’energia solar també es pot convertir directament en energiaelèctrica per mitjà de la utilització de cèl·lules solar ofotovoltaiques, que s’uneixen, principalment en sèrie, formantun mòdul o placa solar fotovoltaica .

Les instal·lacions fotovoltaiques poden ser de diversos tipus :

• Instal·lacions aïllades: solen ser de mida més petites is’utilitzen principalment en habitatges, fanals decarretera, edificis aïllats, torres repetidores de

Berta Picart 11

comunicació, petits aparells electrònics com ara calculadores i rellotges, satèl·litsespecials, etc . En aquestes instal·lacions hi ha un sistema de bateries per poder disposard’electricitat durant les nits i els dies tapats o amb males condicions climatològiques.

• Instal·lacions solars connectades a la xarxa elèctrica: actualment es munten mòdulsfotovoltaics en teulades o façanes d’edificis connectats directament a la xarxa elèctrica. Enaquests mòduls s’obté electricitat en forma de CC, i per incorporar-la a la xarxa general caltransformar-lo en CA per mitjà d’un inversor de corrent .

• Centrals solars fotovoltaiques la producció de grans quantitats d’energia elèctrica enaquest tipus de central s’aconsegueix amb la instal·lació de camps solars formats per ungran nombre de mòduls fotovoltaics. Aquests mòduls es munten sobre bastidors metàl·licsque poden incloure un sistema de gir per seguir el recorregut del sol .

Avantatges:– No emet cap contaminant ni genera cap residu perillós.– Es tracta d'una energia renovable.– És una tecnologia per explotar, les empreses que desenvolupin sistemes econòmicament

viables tindran un gran mercat.

Inconvenients:– Necessiten una superfície molt gran.– La seva producció és discontínua.– El cost de l'energia solar, de moment, encara és més car que el de l'energia d'origen

convencional (carbó, petroli, ...)

Activitats: 13, 14, 15, 16 i 17

Berta Picart 12

e) Geotèrmica:

1, Amb un tub, el vapor és transportat fins a la superfície.2, Al vapor que puja a molta pressió, acciona la turbina.3, La turbina gira a gran velocitat i acciona el generador elèctric,que produeix electricitat. Aquesta és enviada a la xarxaelèctrica.4, El vapor és enviat a un condensador on torna a estat líquid.5, L'aigua passa a una torre de refredament on se li baixa latemperatura.6, L'aigua es torna al terreny, per tal de tancar el cicle de l'aigua.

Avantatges:– No produeixen cap tipus de combustió, a diferència de les tèrmiques de petroli o carbó.– No emet cap contaminant ni genera cap residu perillós.– Es tracta d'una energia renovable.

Inconvenients:– L'aigua calenta extreta de la terra és alliberada a la superfície i contamina termicament

l'ecosistema, ja que augmenta la temperatura ambiental.

Activitats: 18, 19 i 20

Berta Picart 13

2.2 Energia no renovable.

a) Central tèrmica convencional.

Produeixen energia elèctrica a partir de la combustió de carbó, fuel o gas natural.

El seu funcionament es basa en la transformació, en una caldera, de l’aigua en vapor. Aquestvapor, es genera a pressions molt altres, és conduït per canonades fins a la turbina. El vaporxoca contra els àleps de la turbina, obligant-la a girar . Com que l’eix de la turbina està acoblatl’alternador, fa que aquest generi electricitat .

Quan el vapor surt de la turbina, no pot ser abocat a l’exterior, ja que l’aigua està a unatemperatura molt alta i a més és un recurs molt apreciat i per tant cal reutilitzar-la al màxim. Persolucionar aquest problema s’instal·la a la sortida un condensador, que fa que el vapor esconverteixi de nou en aigua líquida preparada per tornar a iniciar el procés.

El vapor en passar pel condensador, ho fa per una sèrie de tubs pels quals circula aigua freda(circuit de refrigeració) que prové del riu o mar, de manera que en passar-hi, la temperatura i lapressió del vapor es redueixen i es porta a terme la condensació ( de gas a líquid). Finalment, perno produir un impacte ambiental en el riu o el mar, es fa passar l’aigua per una torre derefrigeració, on es deixa caure de pluja fina, i es refreda en contacte amb l’aire.

Activitats: 21, 22, 23 i 24

Berta Picart 14

b) Nuclear.

Les centrals nuclears es diferencien de les centrals tèrmiques convencionals en el fet que utilitzenla calor alliberada en una reacció nuclear per produir el vapor d’aigua.

Una central nuclear és una central termoelèctrica enquè la font d’energia tèrmica s’obté d’una reacciónuclear provinent d’un material radioactiu, com aral’urani o el plutoni.

Una reacció nuclear és un fenomen físic queconsisteix en la ruptura d’un nucli atòmic en dos nousnuclis per l’impacte d’un neutró, amb l’alliberamentd’altres neutrons i una gran quantitat d’energia que esmanifesta en forma de calor. Els neutrons emesospoden provocar nous impactes i noves ruptures i aixíproduir una reacció en cadena.

Aquesta reacció es produeix en el nucli del reactor de la central, i serveix per escalfar un líquidque circula per uns conductes que actuen com una caldera on es genera el vapor a pressió peraccionar la turbina. Finalment, l’alternador acoblat mecànicament a la turbina genera l’electricitat.

El reactor nuclear és l’element més característic d’aquest tipus de centrals. És la part de lainstal·lació que permet produir reaccions nuclears en cadena de manera controlada per aprofitarl’energia tèrmica que s’hi genera. L’edifici que el conté està fet de parets de formigó armat,planxes d’acer i de plom molt gruixudes per tal de minvar la radiació.

La tecnologia necessària a les centrals nuclears és complexa i els sistemes de seguretat han deser molt superiors a qualsevol altre tipus de central, per evitar que es produeixin fuites radioactivesa l’exterior.

Berta Picart 15

Les centrals nuclears presenten un risc potencial de contaminació radioactiva provocada per lesemissions i la gestió de residus. Precisament, l’emmagatzematge dels residus radioactius que s’higeneren, alguns dels quals tenen milers d’anys de vida, és un dels inconvenients més greusd’aquestes centrals.

La seguretat en les mateixes centrals, i la gestió dels residus són els dos grans reptes quepresenta l’ús de l’energia nuclear. El Consell de Seguretat Nuclear (CSN) i l’Empresa Nacional deResidus Radioactius (ENRESA) són els organismes encarregats de vetllar per aquestesqüestions.

Activitats: 25 i 26

Berta Picart 16

3. Distribució d'energia elèctrica.

L’energia elèctrica que es produeix a les centrals es transporta fins a les zones habitades per mitjàde cables conductor d’alta tensió (ja siguin aeris o soterrats) al llarg de centenars de quilòmetres,ja que existeix llargues distàncies des dels llocs on es produeix energia elèctrica fins als llocs ones consumeix. Al llarg del camí hi ha baixades de voltatge o tensió per tant necessitem d’estacionstransformadores.

Per què varia la tensió per transportar l’energia elèctrica?

Els cables de l’electricitat ofereixen una certa resistència al pas de corrent elèctric, que es fa mésgran a mesura que augmenta la seva longitud. Quan aquest corrent és de gran intensitat es perdmolta energia per l'escalfament dels cables (efecte Joule). Per evitar-ho, s’augmenta la tensió avalors molt elevats (entre 100.000 i 400.000 volts), de manera que es pot reduir la intensitat decorrent mantenint la mateixa quantitat d’energia transportada. Com que l’alta tensió és moltperillosa, a prop dels centres urbans es torna a baixar a valors de 220V i 380Volts .

V = I · R

a R constant si I↓ ⇒ V

Activitats: de la 27 a la 36

Berta Picart 17

Berta Picart 18