Download Cómo funciona una turbina de vapor?

35. ¿Cuáles son los equipos usados para las transformaciones energéticas?
PREGUNTAS Y RESPUESTAS
SOBRE LA ENERGÍA
El cuadro muestra todos los equipos utilizados en la actualidad para transformar la energía primaria
en energía final.
Energía
solar
Células
fotovoltaicas
Panel
solar
Energía
nuclear
Motor combinado
Turbina de gas
Pila de
combustible
Energía
cinética
Energía
térmica
Reactor
nuclear
Caldera vapor
Quemador de gas
Energía
química
Usuario
final
Turbina hidráulica
Turbo eólica
Turbina vapor
Máquina vapor
Energía
mecánica
Usuario
final
Generador
Eléctrico
Motor
Eléctrico
Energía
eléctrica
Usuario
final
36. ¿Cómo funciona una caldera de vapor?
PREGUNTAS Y RESPUESTAS
SOBRE LA ENERGÍA
Básicamente una caldera es un recipiente donde se hace hervir agua al suministrarle calor
mediante la combustión de un combustible que puede ser carbón, petróleo, gas, biomasa, etc.
(o uranio fisionable, en las centrales nucleares).
Conceptualmente y desde el punto de vista energético una caldera de vapor es un sistema que
convierte la energía electrostática (energía química) contenida en las moléculas de petróleo,
gas, carbón, etc., y oxígeno del aire, en energía cinética (energía térmica) contenida en las
moléculas de vapor de agua y de CO2 producidas en la combustión fuertemente agitadas
(calientes).
O2
Aire
Petróleo
Carbón
Caldera de
vapor
H2O
Agua
Vapor de agua
(alta temperatura)
(alta presión)
CO2
(Caliente)
PREGUNTAS Y RESPUESTAS
SOBRE LA ENERGÍA
36. ¿Cómo funciona una caldera de vapor?
En la práctica, una caldera de vapor consta de un contenedor en el interior del cual existe una
red de tubos que tamizan las paredes de la caldera en forma de serpentín por donde circula el
agua.
Sobre el exterior de los tubos se aplica la llama y el calor del combustible ardiendo.
Con ello, el agua en el interior de los tubos se calienta y se convierte en vapor, saliendo éste a
alta temperatura (por encima de los 700-1.000º C) y alta presión por la parte superior de los
tubos.
Para líquidos
Para sólidos
PREGUNTAS Y RESPUESTAS
SOBRE LA ENERGÍA
36. ¿Cómo funciona una caldera de vapor?
La caldera dispone de una
chimenea por donde se
expulsan al aire los gases
producidos en la combustión
(estos gases salen a alta
temperatura).
Parte de ese calor se emplea
para calentar el aire que se
introduce en los inyectores y
mejorar así el rendimiento de
la caldera.
Por la parte inferior de la
caldera se dispone de un
recogedor de cenizas.
Así mismo, como con los gases
de escape también salen
cenizas volátiles, las calderas
modernas disponen de un
“precipitador”, que son filtros
electroestáticos que retienen
una buena parte de estas
partículas volátiles.
Chimenea
Filtros
electroestáticos
Recogedor de
cenizas
37. ¿Cómo funciona un motor de explosión?
PREGUNTAS Y RESPUESTAS
SOBRE LA ENERGÍA
Básicamente un motor de combustión interna, de explosión o alternativo es una máquina que
transforma la energía almacenada en un combustible (petróleo, gas, biocombustibles) en energía
mecánica del giro de un eje.
Conceptualmente y desde el punto de vista energético un motor de combustión interna es un
sistema que convierte la energía electrostática (energía química) contenida en las moléculas de
petróleo, gas, biocombustible, y en las de oxígeno del aire, en energía cinética (energía térmica)
contenida en las moléculas de vapor de agua y de CO2 producidas en la combustión y
fuertemente agitadas (calientes). Como este incremento de la energía cinética de los gases se
produce en un recinto cerrado se eleva la presión de los mismos dando lugar a una fuerza que se
transmite mediante un mecanismo a un elemento giratorio que adquiere una cierta energía
cinética (energía mecánica de giro de un eje con una cierta velocidad y con un cierto par).
O2
Aire
Petróleo
Carbón
Motor
Energía
Mecánica
Movimiento
de un eje
CO2
(Caliente)
37. ¿Cómo funciona un motor de explosión?
PREGUNTAS Y RESPUESTAS
SOBRE LA ENERGÍA
Un motor de combustión interna está compuesto por un cilindro, un pistón en su interior, un eje
giratorio llamado cigüeñal y una biela que conecta al pistón con el cigüeñal.
Si se introduce en la cámara de combustión (espacio encerrado entre el pistón y el fondo del
cilindro o culata) una mezcla de aire y combustible, y se hace arder cuando el pistón se encuentra
en la posición más alta, la fuerte expansión del combustible quemado genera una fuerte presión en
el interior de la cámara de combustión, lo cual da lugar a una violenta fuerza sobre el pistón,
desplazándolo y arrastrando a la biela, y esta al cigüeñal, obligándolo a girar.
En la práctica estos motores tienen una serie de mecanismos adicionales para su correcto
funcionamiento, siendo los más importantes las válvulas (que permiten que entren en la cámara de
combustión el aire y el combustible y que salgan de ella los gases quemados).
Según el sistema de llenado y vaciado, los motores pueden ser de cuatro tiempos y de dos tiempos
y según el sistema de encendido de la mezcla, de encendido provocado (por una bujía que hace
saltar una chispa) o de autoencendido (cuando la mezcla alcanza una cierta presión, y con ella, una
alta temperatura, se produce su inflamación espontánea).
37. ¿Cómo funciona un motor de explosión?
PREGUNTAS Y RESPUESTAS
SOBRE LA ENERGÍA
Funcionamiento de un motor de cuatro tiempos:
El primer tiempo (primer medio giro del cigüeñal), se produce la entrada de aire y combustible en el
cilindro. La válvula de admisión (A) está abierta y la de escape (E), cerrada.
Cuando el pistón llega a la parte baja, se cierra la válvula de admisión.
En el segundo tiempo (segundo medio giro del cigüeñal), el pistón sube, comprimiendo los gases
encerrados entre la parte alta del pistón y el fondo del cilindro (este trabajo de comprensión de los gases se
efectúa a expensas de la energía cinética acumulada en los elementos móviles del motor, que obviamente
disminuirá algo su velocidad).
En esta carrera, las dos válvulas A y E permanecerán cerradas.
El tercer tiempo se inicia cuando el pistón está en la parte superior, y la mezcla comprimida.
En este momento se produce la ignición y la mezcla arde casi instantáneamente (provocándose una
auténtica explosión). La presión en el interior de la cámara aumenta fuertemente, y el pistón es impelido a
desplazarse hacia abajo, empujando el cigüeñal para que gire. Esta es la única carrera en la que se
transfiere energía del combustible al cigüeñal.
Cuando el pistón llega a su posición inferior, en el interior del cilindro se encuentran los gases residuales de
la combustión a una cierta presión y elevada temperatura.
En el cuarto y último tiempo se produce la expulsión de estos gases al exterior. Se abre la válvula de escape
E y el pistón al subir saca los gases del cilindro.
Al llegar a su parte superior se cierra la válvula de escape y el motor ha completado el cuarto tiempo de su
ciclo de trabajo.
PREGUNTAS Y RESPUESTAS
SOBRE LA ENERGÍA
37. ¿Cómo funciona un motor de explosión?
El funcionamiento de un motor de dos tiempos es más sencillo, y se produce una carrera de
trabajo por cada vuelta completa del cigüeñal.
Cuando el pistón sube y comprime la mezcla aire-combustible sin quemar (compresión), la
lumbrera de admisión queda abierta, y por ella entran nuevos gases al cárter del motor. El
propio pistón mantiene taponada la lumbrera de escape.
Cuando el pistón baja, impelido por la explosión de los gases, llega un momento que deja libre
lumbrera de escape, produciéndose el vaciado de la cámara de combustión. Al llegar al final de
su carrera descendente se libera el paso de los gases del cárter, que penetran en la cámara de
combustión, iniciándose el ciclo.
37. ¿Cómo funciona un motor de explosión?
PREGUNTAS Y RESPUESTAS
SOBRE LA ENERGÍA
MOTOR DE AUTOMÓVIL
37. ¿Cómo funciona un motor de explosión?
PREGUNTAS Y RESPUESTAS
SOBRE LA ENERGÍA
MOTOR MARINO
38. ¿Cómo funciona una turbina de vapor?
PREGUNTAS Y RESPUESTAS
SOBRE LA ENERGÍA
Básicamente una turbina de vapor es un máquina que transforma la energía almacenada en un
combustible (petróleo, gas, biocombustibles) en energía mecánica del giro de un eje.
Conceptualmente y desde el punto de vista energético una turbina de vapor convierte la
energía cinética (térmica) almacenada en las moléculas de vapor de agua fuertemente agitadas
(calientes) procedentes de una caldera de vapor en energía cinética incorporada en el giro del
eje de la turbina, con una cierta velocidad y un cierto par (energía mecánica).
Vapor de agua
(alta temperatura)
(alta presión)
Turbina de
vapor
Energía
Mecánica
Movimiento de
un eje
Vapor de agua
(Baja temperatura)
(Baja presión)
38. ¿Cómo funciona una turbina de vapor?
En una turbina de vapor el vapor procedente de la caldera se confina en un recinto cerrado que
hace que aumente la presión, saliendo luego por un orificio a gran velocidad.
PREGUNTAS Y RESPUESTAS
SOBRE LA ENERGÍA
Este “chorro de vapor” se hace incidir sobre los álabes de una turbina, haciendo que esta gire.
Esquema de
funcionamiento
En la práctica, las turbinas de vapor se diseñan para transferir la mayor cantidad posible de la
energía del vapor al eje de la turbina, lo cual significa que la presión y temperatura a la salida de la
turbina debe ser lo más baja posible (respecto de los valores de entrada).
Como es prácticamente imposible transferir toda la energía cinética del vapor a una sola turbina, lo
que se hace en la práctica es colocar una serie de estas (normalmente tres), unidas entre sí (sobre
el mismo eje giratorio).
38. ¿Cómo funciona una turbina de vapor?
PREGUNTAS Y RESPUESTAS
SOBRE LA ENERGÍA
P1e
Eje
P2s
C1
P1s
P3e
C2
C3
Energía
Mecánica
P2e
Movimiento de
un eje
Varias etapas en una turbina de vapor
El primer cuerpo es el que recibe el vapor a la más alta presión (P1e). Tiene centenares de álabes
o paletas de pequeño tamaño. La presión a la salida de este cuerpo ha descendido a P1s.
En el segundo cuerpo entra el vapor a la presión P2e = P1s. Es el cuerpo de media presión. Posee
también centenares de álabes, pero de mayor tamaño que los de cuerpo anterior.
La presión del vapor a la salida ha descendido a P2s.
El tercer cuerpo es el de baja presión. Se compone de cientos de álabes, pero de tamaño
superior a los dos anteriores. La presión entra en P3e = P2s y sale al valor P3s que es la más baja.
El salto de presión total (P1e – P3s) (y el de temperatura) da idea del rendimiento de la
transformación.
Desde el punto de vista de la forma y disposición de los álabes, así como de la cámara por donde
circula el vapor, las turbinas pueden ser de flujo axial o de flujo radial.
38. ¿Cómo funciona una turbina de vapor?
PREGUNTAS Y RESPUESTAS
SOBRE LA ENERGÍA
ROTOR DE UNA TURBINA DE VAPOR
39. ¿Cómo funciona una turbina de gas?
PREGUNTAS Y RESPUESTAS
SOBRE LA ENERGÍA
Básicamente una turbina de gas es un máquina que transforma la energía almacenada en un
combustible (petróleo, gas, biocombustibles) en energía mecánica del giro de un eje.
Conceptualmente y desde el punto de vista energético una turbina de gas es un sistema que
convierte la energía electrostática (energía química) contenida en las moléculas de petróleo, gas,
biocombustible, y en las de oxígeno del aire, en energía cinética (energía térmica) contenida en las
moléculas de vapor de agua y de CO2 producidas en la combustión y fuertemente agitadas
(calientes). Estas moléculas se hacen impactar contra los álabes de un rotor, a los cuales le
transfieren parte de su energía cinética incorporada en el giro del eje de la turbina, con una cierta
velocidad y un cierto par (energía mecánica).
O2
Aire
Petróleo
Carbón
Turbina de
gas
Energía
Mecánica
Movimiento de
un eje
CO2
(Caliente)
39. ¿Cómo funciona una turbina de gas?
PREGUNTAS Y RESPUESTAS
SOBRE LA ENERGÍA
A diferencia de la turbina de vapor la turbina de gas posee una cámara de combustión, en la cual se
producen los gases residuales, a alta presión y temperatura, que son lanzados contra los álabes.
Además, en la cámara de combustión ha de introducirse un alto caudal de aire, por lo cual también
precisa un compresor (en estas turbinas, la presión atmosférica, por si sola, no podría introducir en
la cámara de combustión la gran cantidad de oxígeno que se precisa para quemar grandes
volúmenes de combustible, y obtener así grandes potencias).
Combustible
O2
Aire
Cámara de
combustión
Eje
Compresor
Turbina
Energía
Mecánica
Movimiento de
un eje
CO2
(Caliente)
Esquema técnico de una turbina de gas
PREGUNTAS Y RESPUESTAS
SOBRE LA ENERGÍA
39. ¿Cómo funciona una turbina de gas?
El aire es comprimido en el compresor, a alta
presión (lo cual eleva su temperatura) y se envía
a la cámara de combustión. En ella se inyecta el
combustible (petróleo o gas), que se inflama (sin
que suba mucho la presión, puesto que los gases
procedentes de la combustión van directamente
a
la turbina, haciendo que esta gire).
Normalmente el eje del compresor está
directamente unido al de la turbina, de manera
que cerca del 50% del trabajo mecánico
generado por esta es absorbido por el
compresor.
(Si se descuenta la energía perdida en los gases
de escape enviados a la atmósfera, la energía
mecánica útil que puede obtenerse en estas
turbina de gas no excede del 30% de la energía
química introducida en la misma. Para mejorar el
rendimiento del compresor y de la turbina, el
primero se compone de múltiples etapas
(normalmente entre 10 y 20 y la turbina de 3 y 4
etapas),
Rotor de una turbina de gas
40. ¿Cómo funciona una turbina hidráulica?
PREGUNTAS Y RESPUESTAS
SOBRE LA ENERGÍA
Básicamente una turbina hidráulica es un máquina que transforma la energía almacenada en
agua en altura en energía mecánica del giro de un eje con un cierto par.
Conceptualmente y desde el punto de vista energético una turbina hidráulica convierte la
energía cinética almacenada en las moléculas de agua en movimiento (procedentes de un
embalse o de un rio) en energía cinética incorporada en el giro del eje de la turbina, con una
cierta velocidad y un cierto par (energía mecánica).
H2O
Agua
(caudal y presión)
Turbina
hidráulica
Energía
Mecánica
Movimiento de
un eje
NOTA:
El hecho de que una turbina hidráulica intercambie muy poca energía en forma térmica
con el medio circundante hace que su rendimiento sea muy elevado
PREGUNTAS Y RESPUESTAS
SOBRE LA ENERGÍA
40. ¿Cómo funciona una turbina hidráulica?
Según la altura del agua y la cantidad de esta que pasa por la turbina estas se clasifican en dos
categorías (para alcanzar la misma potencia): turbinas de medio y alto caudal y poca altura (como
puede ser la turbina Francis y la turbina Kaplan) y turbinas de mucha altura y poco caudal (como la
turbina Pelton).
Técnicamente la turbina Pelton no es más que un rodete, con álabes en forma de las medias
cáscaras de nuez (que derivan hacia los lados al chorro incidente de agua), y un inyector por donde
sale un chorro de agua a gran velocidad que incide sobre las paletas, haciéndolas girar.
La potencia se regula controlando la cantidad de agua que sale por el inyector. Su rendimiento es
muy alto ya que prácticamente el 90% de la energía del agua se transforma en energía mecánica en
el eje. Además, este rendimiento se mantiene en un rango de potencias superior al 80%.
Son, por tanto, turbinas muy apropiadas para trabajar con cargas parciales, y en consecuencia, para
regular sistemas eléctricos (ajuste de la curva demanda-producción).
Turbina
Pelton
PREGUNTAS Y RESPUESTAS
SOBRE LA ENERGÍA
40. ¿Cómo funciona una turbina hidráulica?
La turbina Francis está formada por un “distribuidor” formado por una serie de álabes (fijos o
movibles) que encauzan el agua hacia el rodete (en grandes caudales y a relativamente poca
velocidad comparada con el chorro de la Pelton) y un rodete (formado por una serie de paletas
torsionadas, de manera que reciben el agua en dirección radial y la orientan en dirección axial (el
agua entra lateralmente y cae hacia abajo). La turbina cuenta con un tubo de aspiración o de
salida de agua, por su parte inferior, que se encarga de mantener la diferencia de presiones
necesaria para alcanzar el máximo rendimiento de la turbina.
La turbina Kaplan, o “turbina de hélice”, está formada por una “cámara de entrada”, un
“distribuidor”, un “rodete” que contiene cinco palas fijas en forma de hélice de barco y el tubo de
“aspiración o descarga”.
Este tipo de turbinas se emplean para saltos pequeños y caudales variables.
Turbina Francis
Turbina Kaplan
41. ¿Cómo funciona una turbina eólica?
PREGUNTAS Y RESPUESTAS
SOBRE LA ENERGÍA
Básicamente una turbina eólica (aeromotor) es un máquina que transforma la energía
almacenada en el viento en energía mecánica del giro de su eje.
Conceptualmente y desde el punto de vista energético una turbina eólica convierte la energía
cinética almacenada en las moléculas del aire en movimiento en energía cinética incorporada
en el giro del eje de la turbina, con una cierta velocidad y un cierto par (energía mecánica).
Aire en
movimiento
Turbina
eólica
Energía
Mecánica
Movimiento de
un eje
En las turbinas eólicas el elemento giratorio que capta la energía del viento se denomina “rotor”
y se compone del buje y del eje de entrada unidos rígidamente entre sí, y las “palas”, unidas o
caladas en el buje.
Según el número de palas del rotor, las turbinas eólicas (o aeroturbinas) se clasifican en
monopalas, bipalas, tripalas o multipalas.
PREGUNTAS Y RESPUESTAS
SOBRE LA ENERGÍA
41. ¿Cómo funciona una turbina eólica?
A su vez según la sección recta de las palas, estas se clasifican en palas de sección recta de espesor
constante (palas planas, de chapa de acero o lonas) y de sección recta no constante, o palas con
perfil aerodinámico.
En el primer caso, el viento transfiere su energía cinética a la pala por “empuje”, mientras que en el
segundo caso lo hace por “sustentación” (en un perfil aerodinámico el aire que circula por la parte
casi recta de la pala no ve modificada su presión, mientras que el que circula por la parte cóncava
se ve acelerado, disminuyendo como consecuencia su presión, y causando un efecto de “succión”
de la pala, la cual es la que origina el giro del buje).
PREGUNTAS Y RESPUESTAS
SOBRE LA ENERGÍA
41. ¿Cómo funciona una turbina eólica?
En estas máquinas, la potencia de captación es proporcional al cubo de la velocidad del viento y al
área barrida (la cual, a su vez, es función del cuadrado del diámetro). Por ello, para captar
potencias elevadas se necesitan rotores muy grandes (en la actualidad se fabrican rotores de más
de 100 m de diámetro, para obtener potencias mecánicas del orden de los 2–5 MW).
Además, para regular la potencia captada y adaptarse a la variabilidad de viento, las aeroturbinas
incorporan mecanismos de “cambios de paso” (para adaptar la inclinación de la pala respecto del
viento incidente a las diferentes velocidades de este, y poder captar, en cada caso, la máxima
energía posible),mecanismos de orientación (para mantener la turbina enfrentada al viento) y
mecanismos de “freno”, tanto mecánicos como aerodinámicos, para provocar la parada de la
turbina.
42. ¿Cómo funciona un panel solar térmico?
PREGUNTAS Y RESPUESTAS
SOBRE LA ENERGÍA
Básicamente un panel solar térmico es un máquina que transforma la energía procedente del sol
en agua caliente.
Conceptualmente y desde el punto de vista energético un panel solar térmico convierte la
energía electromagnética incorporada en los rayos solares en energía cinética incorporada en
las moléculas de agua situadas en el interior del propio panel, que oscilan más fuertemente
(energía térmica).
De acuerdo a la temperatura alcanzada por el agua los paneles solares térmicos se clasifican de
baja temperatura (menos de 90 ºC), media temperatura (entre 90 ºC y 400 ºC) y alta
temperatura (entre 400 ºC y 1.200 ºC).
De acuerdo al movimiento del agua dentro del panel, y desde y hacia el exterior, se clasifican en
activos (el agua circula por efectos de su estratificación térmica, es decir, por ascenso del agua
caliente y descenso de la fría) y pasivos (incorporan una bomba que mueve el agua para que
circule por el panel).
Los paneles solares de baja temperatura (por debajo del punto de ebullición) se suele destinar al
calentamiento de agua para uso sanitario.
Los de media temperatura se emplean para la producción de calor en procesos industriales,
como es el caso de vapor a temperaturas superiores a los 150ºC, y también la producción de
electricidad.
Los de alta temperatura se emplean para la producción de electricidad por diferentes sistemas.
42. ¿Cómo funciona un panel solar térmico?
PREGUNTAS Y RESPUESTAS
SOBRE LA ENERGÍA
Panel solar térmico de baja temperatura, activo y de circuito abierto.
El agua caliente del panel (colector solar) pasa a la parte alta del acumulador por efecto de su
estratificación térmica y es esta agua la que se envía al consumo. El agua caliente salida es
repuesta con agua fría de entrada por la parte inferior.
42. ¿Cómo funciona un panel solar térmico?
Panel solar térmico de baja temperatura, pasivo y de circuito cerrado.
PREGUNTAS Y RESPUESTAS
SOBRE LA ENERGÍA
El agua caliente del colector solar se hace pasar a través de un intercambiador de calor mediante
una bomba y se devuelve al colector de nuevo, más fría (circuito cerrado primario).
El agua fría del exterior es introducida por otra bomba en el intercambiador, donde es calentada
por el agua caliente del circuito primario, saliendo más caliente, e introducida en el depósito
acumulador por su parte superior desde donde se envía al consumo. El agua caliente salida es
repuesta con agua fría de entrada por la parte inferior (circuito secundario abierto).
42. ¿Cómo funciona un panel solar térmico?
PREGUNTAS Y RESPUESTAS
SOBRE LA ENERGÍA
Ejemplo de instalaciones de paneles solares térmicos de baja temperatura.
42. ¿Cómo funciona un panel solar térmico?
PREGUNTAS Y RESPUESTAS
SOBRE LA ENERGÍA
Instalación solar de media temperatura con paneles de concentración cilíndricos parabólicos.
Constan de un circuito primario por donde se hace circular aceite mediante una bomba (se usa
aceite al ser un fluido que no pase a la fase de vapor a la temperatura de trabajo). El aceite
caliente pasa por un intercambiador aceite – agua, donde el agua fría de entrada eleva su
temperatura y pasa a vapor, pudiendo este utilizarse directamente como tal o accionar una
turbina de vapor.
42. ¿Cómo funciona un panel solar térmico?
PREGUNTAS Y RESPUESTAS
SOBRE LA ENERGÍA
Instalación solar de alta temperatura con espejos planos de reflexión y concentración en torre.
Constan de un circuito primario por donde se hace circular sodio líquido mediante una bomba (se
usa sodio líquido al ser un fluido que soporta temperaturas de trabajo muy altas). El sodio líquido
pasa por un intercambiador sodio – agua donde el agua fría de entrada pasa a vapor a elevada
temperatura y presión. Este vapor es utilizado en una turbina de vapor para producir electricidad.
43. ¿Cómo funciona un panel solar fotovoltaico?
PREGUNTAS Y RESPUESTAS
SOBRE LA ENERGÍA
La energía solar fotovoltaica se basa en la utilización de células solares o células fotovoltaicas
conformadas con materiales semiconductores cristalinos (el silicio dopado con selenio u otros
metales) que por el efecto fotovoltaico generan corriente eléctrica cuando sobre los mismos
incide la radiación solar.
Esta corriente es continua y varia según la radiación solar incidente por lo que se precisan varios
equipos auxiliares para su uso como son un regulador (tiene como función evitar que las baterías
reciban más energía que la máxima que estás son capaces de almacenar
y prevenir las
sobrecargas que agotarían en exceso la carga de las misma), unas baterías (para almacenar la
energía eléctrica generada que no está siendo utilizada por el consumidor y que este pueda
disponer de energía en ausencia de sol) y un inversor (cuando se desee pasar la corriente
continua a la alterna).
44. ¿Cómo funciona una pila de combustible?
PREGUNTAS Y RESPUESTAS
SOBRE LA ENERGÍA
Básicamente una “pila de combustible” es un dispositivo que convierte la energía de ciertos
combustibles directamente en electricidad.
Conceptualmente y desde el punto de vista energético una “pila de combustible” es un
dispositivo sin partes móviles que transforma directamente la energía electrostática (química)
de combustibles gaseosos (normalmente hidrógeno puro) y del oxígeno del aire en energía
electromagnética (eléctrica) y también en energía cinética (térmica) de las moléculas de los
gases generados (vapor de agua).
O2
Oxigeno
Hidrógeno
Hidrocarburo
Pila de
combustible
H2O
Agua
Electricidad
(Energía química)
PREGUNTAS Y RESPUESTAS
SOBRE LA ENERGÍA
44. ¿Cómo funciona una pila de combustible?
Se presenta el esquema de una “celda de combustible” típica, formada por las dos placas
colectoras (que ceden y reciben los electrones liberados), una placa catódica y otra anódica
asociadas a las anteriores, sendas capas de material inerte por donde se introduce el oxígeno (aire)
y el “combustible” (hidrógeno, por ejemplo), una membrana de intercambio protónico (que
permite el paso de los iones de hidrógeno H+, o sea, el protón, pero no el paso de electrones ni de
átomos de hidrógeno H2), un electrolito (de varios tipos) y un catalizador (normalmente platino).
44. ¿Cómo funciona una pila de combustible?
PREGUNTAS Y RESPUESTAS
SOBRE LA ENERGÍA
El funcionamiento de la celda de combustible es el siguiente (suponiendo que el combustible es
hidrógeno puro):
Se introduce el hidrógeno por la capa inerte y por la acción del ánodo se separan sus electrones,
formándose los iones H+ (protones).
Los electrones liberados pasan al cátodo a través del circuito eléctrico exterior (no pueden
atravesar la membrana), mientras que los protones (H+) traspasan la membrana atraídos por el
cátodo. Este proceso de ionización se ve favorecido por el catalizador de platino.
La reacción química en el ánodo es:
2H2
4H+ + 4e-
Los iones H+, una vez en el cátodo, se combinan con el oxígeno entrante (aire introducido a través
de la otra capa de material inerte) y con los electrones provenientes del circuito exterior, dando
lugar a agua, según la siguiente reacción:
4e- + O2 + 4H+
2H2O
La reacción conjunta (exotérmica) es, por tanto:
2 H2 + O2
2H2O
En una celda la corriente generada, y la tensión implícita, es muy baja de ahí que se unan varias
celdas de combustibles, conectadas en serie, para formar las “pilas de combustible” de manera
que la tensión de la corriente (continua) de salida pueda ser elevada.
El rendimiento teórico de una pila de combustible está próximo al 80%, mientras que el real
supone el 50% (frente a un 15-25% de un motor térmico de automóvil, por ejemplo).
45. ¿Cómo funciona un generador eléctrico?
PREGUNTAS Y RESPUESTAS
SOBRE LA ENERGÍA
Conceptualmente, un generador eléctrico es un sistema que convierte la energía cinética de
rotación de un eje a una cierta velocidad y con un cierto par (energía mecánica) en energía
electromagnética (electricidad que se transmite por un circuito eléctrico).
Por el contrario, un motor eléctrico transforma la energía eléctrica en energía mecánica.
Ambos sistemas son, desde un punto de vista conceptual e incluso práctico, idénticos, por lo
que sólo se hallará aquí de generadores eléctricos.
Energía
eléctrica
Energía
Mecánica
Motor
Giro de
un eje
Generador
eléctrico
Energía
Mecánica
Giro de
un eje
Energía
eléctrica
45. ¿Cómo funciona un generador eléctrico?
PREGUNTAS Y RESPUESTAS
SOBRE LA ENERGÍA
El generador eléctrico se basa en la experiencia de que al mover un conductor en el seno de un
campo magnético, sobre los electrones libres de estos materiales actúa una fuerza que los hace
moverse, a la que se denomina “fuerza electromotriz”.
La dirección de esta fuerza electromotriz (y con ella, la dirección de la corriente), es función de
la dirección del movimiento del conductor y de la dirección del campo magnético y la da la
“regla de la mano izquierda” como se muestra en la figura.
PREGUNTAS Y RESPUESTAS
SOBRE LA ENERGÍA
45. ¿Cómo funciona un generador eléctrico?
Técnicamente, un “generador eléctrico elemental” está formado por un
potente imán que crea el campo magnético (con su flujo magnético que va del
polo norte al polo sur) y en su interior se coloca una “espira” de un material
conductor que se hace girar acoplada el eje de un motor, turbina, etc.
La espira giratoria termina en unos “anillos rotantes” o “escobillas” que
permiten transferir la energía eléctrica en ella generada al circuito eléctrico
exterior por simple contacto con rozamiento (hay que tener presente que la
espira gira continuamente, mientras que el circuito exterior permanece
inmóvil).
45. ¿Cómo funciona un generador eléctrico?
La corriente eléctrica generada (su tensión y su
intensidad) depende de la intensidad del campo
magnético, de la rapidez con que se mueva el conductor
en su seno y del número de espiras.
PREGUNTAS Y RESPUESTAS
SOBRE LA ENERGÍA
Tensión
Ciclo
Como la espira está girando, la posición relativa de los
cuatro tramos conductores que la componen modifica su
posición respecto del campo magnético de manera que
la fuerza electromotriz inducida total (suma de la de los 4
tramos) también irá variando.
El resultado es una tensión (y una intensidad) de la
corriente que tiene una variación senoidal.
En cada vuelta de la espira la tensión pasa desde cero a un
valor máximo, luego vuelve a cero, y desde aquí a un valor
mínimo (y negativo) y luego vuelve a cero.
Se obtiene, así, lo que se conoce como una corriente alterna.
En los motores eléctricos se produce el efecto contrario.
Al introducirse una corriente alterna por una espira (que puede
girar sobre un eje), que se encuentra en un campo magnético,
sobre la misma aparece una fuerza mecánica que la hace girar.
46. ¿Cómo funciona una central de ciclo combinado?
Los gases calientes que salen en la turbina de gas se llevan a un intercambiador gas-agua, donde
se logra la vaporización de esta y el vapor producido se inyecta en una turbina de vapor.
Con ello el rendimiento del conjunto (conversión combustible-electricidad) puede elevarse
hasta un 50%.
Combustible
Quemador
Compresor
Turbina
de gas
Generador
eléctrico
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PREGUNTAS Y RESPUESTAS
SOBRE LA ENERGÍA
Las centrales eléctricas de ciclo combinado se componen de una turbina de gas acoplada a un
generador eléctrico y otra turbina de vapor también con su generador eléctrico propio.
Gases
calientes
Aire
Intercambiador
Gases
fríos
Vapor
Turbina
de gas
Vapor
Condensador
Bomba de agua
Generador
eléctrico
Agua fría
Agua caliente
47. ¿Cómo está formada una red eléctrica?
PREGUNTAS Y RESPUESTAS
SOBRE LA ENERGÍA
Un Sistema Eléctrico o una red eléctrica está compuesto por uno o varios sistemas de generación y
por múltiples sistemas de carga. El uso de estos últimos determina la “demanda” del sistema
eléctrico.
El sistema de generación y los sistemas de carga se unen por las redes eléctricas de transporte
(media y alta tensión) y de distribución (baja tensión).
Los cambios de tensión se producen en las estaciones transformadoras.
Estos sistemas se complementan y controlan con los correspondientes sistemas de regulación y
control.
Obviamente debe cumplirse que en cada instante la potencia de generación sea idéntica a la de
demanda, pues de no ser así el sistema se “desestabiliza”, es decir, se producen variaciones de la
tensión y la frecuencia de la red en la red eléctrica que causa múltiples perjuicios.
PREGUNTAS Y RESPUESTAS
SOBRE LA ENERGÍA
48. ¿Cómo varía la demanda en una red eléctrica?
La demanda de energía depende de las
necesidades y costumbres del consumidor, y
en consecuencia es una cantidad
enormemente variable. Tal variación se
refiere tanto a “cantidad” (MW en cada
instante) como en “rapidez” de las
variaciones.
La figura muestra los cambios en la demanda
de energía eléctrica en el sistema del Reino
Unido durante la exhibición de una película
de James Bond por televisión, en el año
1975.
Los picos (a) y (e) reflejan el comienzo y finalización del film y los (b), (c) y (d) los espacios
comerciales (en estos la gente se levanta, enciende las luces, se mueve por la casa). Los valles son
los periodos de exposición de la película en que las personas permanecen quietas y con las luces
apagadas.
Como se ve, son variaciones rápidas en el tiempo, que suponen en algunos casos diferencias de
más de 1GW.
48. ¿Cómo varía la demanda en una red eléctrica?
PREGUNTAS Y RESPUESTAS
SOBRE LA ENERGÍA
A margen de las fluctuaciones rápidas en las redes eléctricos se reconocen unas claras
fluctuaciones horarias, variables de unas estaciones del año a otras sociedades a otras y de unas
regiones a otras y de unas sociedades a otras.
La figura muestra el perfil diario de la demanda en un sistema eléctrico Occidental en los meses
de verano y en los de invierno.
Puede observarse el pico de la mañana que coincide con el trabajo en fábricas y oficinas y el
pico de la tarde-noche con el uso intenso de la iluminación y calefacción domésticas.
48. ¿Cómo varía la demanda en una red eléctrica?
PREGUNTAS Y RESPUESTAS
SOBRE LA ENERGÍA
Igualmente, también es fácil de apreciar en todos los sistemas eléctricos unas variaciones
mensuales (estacionales), con claras diferencias entre las demandas medias de verano y de
invierno (evidentemente, diferentes de unos países y regiones a otros).
La figura muestra una curva típica de variación estacional de la demanda en un país
centroeuropeo. En los meses de verano desaparece la calefacción y se cierran muchas
empresas y domicilios por vacaciones.
Evidentemente, combinando todas las gráficas anteriores pueden obtenerse curvas de
demanda más o menos próximas a la realidad, y sobre las cuales las empresas eléctricas
establecen sus estrategias de operación y de crecimiento.
PREGUNTAS Y RESPUESTAS
SOBRE LA ENERGÍA
49. ¿Cómo varía la oferta en una red eléctrica?
Desde el lado de la oferta los sistemas eléctricos están constituidos por centrales nucleares,
centrales térmicas de energías no renovables (carbón, de petróleo, gas, biocombustibles, etc. con
diferentes sistemas de generación, como pueden ser las turbinas de vapor, turbinas de gas,
motores diesel, ciclos combinados) y centrales de energías renovables (hidráulicas, eólicas,
solares, etc.). Todas ellas actuando casi siempre de forma conjunta en los grandes sistemas
eléctricos.
No todos los equipos de generación eléctrica tienen la misma facilidad para variar su potencia
con precisión y rapidez, ni tampoco hacerlos funcionar muchas horas a baja potencia (pérdidas
de rendimiento, baja amortización, etc.) y por estas razones los sistemas eléctricos disponen de
unos equipos de generación “de base” y otros para “las puntas de demanda”.
Los de base son los menos flexibles, como pueden ser las centrales nucleares que siempre se
hacen funcionar en su punto óptimo. Dentro de este grupo y un poco más flexibles se
encuentran las centrales térmicas que queman carbón, gas o petróleo . Finalmente, y para cubrir
“puntas de demanda” se emplean los motores de combustión interna y las turbinas de gas.
Aparte de todos estas se encuentran las centrales hidráulicas (cuya potencia es perfectamente
adaptable a cualquier demanda) y las centrales de energías renovables con una potencia
fluctuante y por ello menos adaptables a las variaciones de la demanda.
50. ¿Cómo se acoplan la oferta y la demanda en una red eléctrica?
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SOBRE LA ENERGÍA
Como es lógico el “ajuste” entre la producción y la demanda ha de ser perfecto en cada momento.
(Igualdad entre la potencia demandada y la generada, de manera que en todo momento se
mantengan constantes la tensión y la frecuencia de la corriente eléctrica inyectada en la red).
Dado que la demanda se modifica con una cierta aleatoriedad es preciso una variación continua de
la oferta energética, es decir, de la potencia de los equipos de generación.
Todo esto se complica cuando en el sistema actúan equipos de generación basados en energías
renovables, como la eólica o la solar, que pueden sufrir rápidas variaciones a lo largo del tiempo.
Por todo ello la definición de un sistema eléctrico producción – demanda es un asunto complejo,
desde el punto de vista técnico (y aún más del económico).
En la figura se presenta un sistema eléctrico
compuesto por diferentes equipos de generación
para cubrir una demanda horaria, tanto en verano
como en invierno. (El rectángulo amarillo representa
la potencia de la central nuclear y el rectángulo en
negro la potencia de los grupos de carbón, petróleo
y gas).
Se observa que en invierno, entre las 0 horas y las 6
horas existe un exceso de potencia de generación
(que obliga a disminuir la producción en las
centrales de carbón, petróleo o gas), mientras que
entre las 18 horas y las 20 horas existe un pico de
demanda que este conjunto de equipos no puede
producir, por lo que habría que recurrir al arranque
de grupos diesel o turbinas de gas, por ejemplo.
Una forma ideal para resolver este
problema es disponer de un sistema
que almacene la energía cuando la
oferta supere a la demanda y que la
devuelva al sistema cunado ocurra lo
contrario
51. ¿De qué formas se puede almacenar la energía?
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SOBRE LA ENERGÍA
Existen muchos sistemas para almacenar energía en sus diversas manifestaciones, entre los cuales
destacan los siguientes:
Almacenamiento en forma de energía gravitatoria (potencial):
– Bombeo de agua a cotas altas
– Aire comprimido (bombeo de aire a presiones altas)
Almacenamiento en forma de energía cinética:
– Volantes de inercia
– Calor sensible (incremento de temperatura)
– Calor latente (cambios de estado)
Almacenamiento en forma de energía electrostática (química):
– Producción de hidrógeno
– Baterías de acumuladores (electroquímica)
– Batería de condensadores
52. ¿Cuáles son los equipos para almacenar electricidad?
Batería
Fuente de energía
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SOBRE LA ENERGÍA
De los sistemas contemplados sólo dos pueden emplearse para el almacenamiento de energía en
forma de electricidad 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.
Compresor
de aire
Almacén de aire
comprimido
Turbina
de aire
Generador
eléctrico
Consumo
energético
Generador
eléctrico
Electrólisis
del agua
Bomba de
agua
Depósito de
agua bombeada
Depósito de hidrógeno
Depósito de oxígeno
Turbina
hidráulica
Pila de
combustible
Generador
eléctrico
NOTA: En realidad lo que se almacena es energía procedente de fuentes no renovables (uranio,
carbón, gas, petróleo) o renovables (eólica, solar, etc.), la cual es transmitida por el vector
energético que constituye la electricidad.
53. ¿Cómo se almacena la electricidad en forma de agua en altura ?
PREGUNTAS Y RESPUESTAS
SOBRE LA ENERGÍA
La forma más eficiente de acumular electricidad la
constituye el bombeo de agua en altura,
conformando lo que se conoce como centrales
hidráulicas reversibles.
Constan esencialmente de dos embalses a
diferente cota , un conjunto de bombas para subir
el agua del embalse inferior al superior y una
turbina hidráulica para producir electricidad en la
caída del agua, además de las tuberías
correspondientes.
Como se ve no son centrales de generación como
las térmicas o renovables, sino centrales de
regulación y almacenamiento de electricidad entre
los que se bombea agua cuando hay un excedente
de energía eléctrica en el sistema eléctrico (de
procedencia térmica o renovable), o se turbina el
agua del embalse superior, produciéndose en ese
caso energía eléctrica para enviar a la red cuando
hay déficit de energía eléctrica procedente de
térmicas o renovables.
Acopladas a centrales térmicas se emplean como
reguladores de potencia (cubrir puntas de
demanda) o como sistemas de almacenamiento
energético (excedentes energéticos de centrales
nucleares, cuya potencia no puede ser disminuida
fácilmente).
1m3 de agua, elevada a 100 metros de
altura, tiene una energía de 0,2725 kWh
y a 1.000 metros, 2,725 kWh
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SOBRE LA ENERGÍA
54. ¿Cómo se almacena la electricidad en forma de hidrógeno?
Una forma de almacenar electricidad la constituye la producción de hidrógeno y su
almacenamiento posterior en tanques refrigerados y presurizados (en la forma de hidrógeno
líquido o en grandes depósitos rellenados con materiales absorbentes del hidrógeno como
hidruros reversibles, zeolitas, etc.).
La energía puede ser recuperada quemando al hidrógeno en un motor (generando agua como
residuo) o en una pila de combustible, produciendo directamente electricidad.
55. ¿Cómo se almacena la electricidad en forma de aire comprimido?
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SOBRE LA ENERGÍA
La electricidad puede almacenarse bombeando el aire (mediante compresores accionados
eléctricamente) a depósitos donde pueda comprimirse, tanto al aire libre como en grandes
depósitos 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).
56. ¿Cómo se almacena la electricidad en forma de inercia ?
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SOBRE LA ENERGÍA
La electricidad puede ser almacenada acelerando un
volante de inercia, mediante un motor eléctrico, hasta
la velocidad de rotación deseada.
La energía almacenada depende de su “momento de
inercia (I) (que a su vez es función del cuadrado del
diámetro)” 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.
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57. ¿Cómo se almacena la energía en baterías?
Una forma de almacenar electricidad la constituye la producción de una reacción química
reversible entre dos sustancias, como puede ser el plomo y el ácido sulfúrico (batería plomo –
ácido), litio (betería de ion litio), etc. Estas baterías tienen una capacidad de almacenamiento muy
limitada y una vida de ciclos de carga – descarga también limitada.
Existen otras baterías, denominadas de flujo, que si pueden almacenar grandes cantidades de
energía con un número de ciclos de carga elevado.
58. ¿Qué es el rendimiento global de un proceso de conversión energética?
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SOBRE LA ENERGÍA
Cuando se habla de rendimiento (o eficiencia) de una conversión energética con múltiples etapas es
importante tener presente respecto a qué valores (o a qué etapas) se refiere el rendimiento.
En especial, es importante separar el concepto de “rendimiento” de una máquina del “rendimiento
energético global” del proceso de conversión.
Se define este rendimiento técnico global como el producto de los rendimientos de las sucesivas
conversiones que tienen lugar hasta el uso final de la energía.
Por ejemplo, el rendimiento global de un proceso que convierte la energía del gas natural en
energía eléctrica mediante una turbina de vapor y la traslada hasta el interior de un domicilio
consta de cuatro etapas, cada una con su rendimiento particular, como se muestra en la figura.
El rendimiento del conjunto alcanza solo el 36%.
Gas natural
en la central
Caldera de
vapor
85%
Turbina de
vapor
Generador de
electricidad
Línea de
transporte
45%
98%
95%
Electricidad
en domicilio
59. ¿Qué tiene mayor rendimiento, un calentador eléctrico o uno de gas?
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SOBRE LA ENERGÍA
El rendimiento técnico del calefactor de un calentador por resistencia eléctrica puede ser del 98%,
mientras que el de un calentador de gas es sólo el 60%. (Debido a las pérdidas de energía al
exterior incorporada en la elevada energía cinética de los gases de la combustión (gases calientes)
que salen por la chimenea).
Pero si se analiza todo el proceso a partir del contenido energético del gas que accionó la turbina
eléctrica que produjo la electricidad, y el transporte de esta electricidad hasta el domicilio 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.
60. ¿Cuál es el rendimiento energético global de un automóvil?
Rendimiento de un automóvil:
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SOBRE LA ENERGÍA
• El motor de combustión interna empleado en la tracción de automóviles es un sistema de
conversión de energía electrostática (química) en cinética (mecánica) altamente
ineficiente. Su rendimiento 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.
El uso de automóviles eléctricos no aumentaría en forma apreciable el rendimiento global de
esta máquina pues si bien es cierto que el rendimiento térmico en la combustión del combustible
líquido se eleva del 25% en un motor de automóvil la utilización de las baterías cargadas con
energía eléctrica procedente de una central con un rendimiento del 40% hay que sumar las
pérdidas por transporte de este electricidad, más el rendimiento de la propia batería que no pasa
del 70%, de modo que el rendimiento global para estos vehículos no sobrepasa el 26%.
(Lo que sí se evita es la contaminación gaseosa en el punto de funcionamiento del automóvil).
Obviamente, en el caso de cargar las baterías con energías renovables el rendimiento aumenta
espectacularmente y la contaminación se hace mínima.