Tecnologia 2n. ESO Tema 1: Producci贸 i transport d'energia el猫ctrica.
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 dels vents, l'evaporació de l'aigua, el desenvolupament de la vegetació i, per tant, l'aparició dels combustibles fòssils (carbó i petroli). Per obtenir energia utilitzem diferents fonts d'energia. Podem classificar les fonts d'energia en funció 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 es consumeixen. •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 per convencionals les que ja fa molts anys que s'utilitzen i com a alternatives les que tradicionalment no s'utilitzaven. És important diferenciar entre els conceptes "energia alternativa", "energia renovable" i "energies no 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 que també 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. La majoria d’aquestes centrals utilitzen el grup turbina-alternador. La turbina està constituïda per un eix giratori i unes aspes o àleps que són impulsats per la força de corrents d’aigua o per vapor d’aigua . L’alternador transforma el moviment giratori de les turbines en electricitat. Consta de dues parts: el rotor (o nucli) i l’estator (o part externa). El rotor està composat per grans electroimants que giren moguts per l’eix de la turbina al qual està unit. Aquest gir constant del rotor indueix un corrent a les bobines de l'estator. D’aquí sortiran cables que subministren l’energia elèctrica a la xarxa 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 descens periòdic del nivell de l'aigua del mar (no cal confondre'l amb les onades). Durant una marea es mou 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 lloc en tant sols unes hores. Aprofitar aquesta energia produïda per produir electricitat és el propòsit de les 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 mecànica s’anomenen també aeroturbines. En podem distingir, basicament, dos tipus: • Aeromotors. Són màquines lentes, actualment gairebé en desús, caracteritzades per un rotor (part giratòria) format de nombroses pales, normalment entre 12 i 24. Proporcionen poca potència i s’utilitzen sobretot per al bombejament d’aigua dels pous. •
Aerogeneradors. Són màquines ràpides d’eix horitzontal, de perfil semblant a les hèlixs d’un avió, el rotor de les quals es caracteritza per tenir poques pales (2 o 3). S’utilitzen per produir electricitat, acoblant un generador elèctric al rotor. Poden subministrar potències elevades.
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 de tot el sistema i el manté a una determinada altura de terra, sobre els 5m els generadors de 850 W i fins a 50m els generadors superiors a 600 kW. El rotor és la part mòbil de la màquina que gira per l’acció del vent i que transforma l’energia eòlica en energia mecànica. Les pales són els elements encarregats de captar l’energia del vent. Augmentant el diàmetre de les pales podem augmentar la potència subministrada per la màquina. El generador elèctric transforma l’energia mecànica, obtinguda a l’eix del rotor, en electricitat. La góndola, situada damunt de la torre, és l’element estructural, i està format pel bastidor i la carcassa. El bastidor és la peça sobre la qual s’acoblen els elements mecànics principals.
1, Generador. 2, Mecanisme de gir. Per quan el vent canvia de direcció. 3, Fre mecànic. Per parar quan s'ha de reparar o hi ha problemes de funcionament. 4, Anemòmetre. Per saber la velocitat del vent. Si és massa fluix no es connectarà a la xarxa elèctrica i si és massa fort pot desconnectar el molí per tal de que no girin les aspes i que no es faci malbé. 5, Veleta. Per saber cap on s'ha d'orientar el molí.
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 al seu 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 o llac artificial. D’aquesta aigua se’n desvia una part, que a través d’un canal o una canonada es porta a la sala de màquines.
Berta Picart
9
•
Els conductes d’aigua. Són els encarregats de canalitzar i transportar l’aigua des de la presa fins a la turbina.
•
La casa o sala de màquines. És on estan situats, principalment, la turbina, el generador elèctric o alternador, els automatismes i altres elements auxiliars. La turbina hidràulica, és una màquina destinada a transformar l’energia de l’aigua en energia mecànica, és a dir, en un moviment de rotació que es transmet a l’alternador.
•
Els transformadors. El corrent elèctric obtingut en l’alternador, d’alta intensitat i tensió mitjana, es modifica per mitjà dels transformadors elevadors, per facilitar-ne el transport en línies d’alta tensió, les quals permeten utilitzar cables 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 per fer girar un generador elèctric i produir electricitat.
El seu funcionament es basa en la transformació, en una caldera, de l’aigua en vapor. Aquest vapor, es genera a pressions molt altres, és conduït per canonades fins a la turbina. El vapor xoca contra els àleps de la turbina, obligant-la a girar . Com que l’eix de la turbina està acoblat l’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 una temperatura molt alta i a més és un recurs molt apreciat i per tant cal reutilitzar-la al màxim. Per solucionar aquest problema s’instal·la a la sortida un condensador, que fa que el vapor es converteixi 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 la pressió del vapor es redueixen i es porta a terme la condensació ( de gas a líquid). Finalment, per no produir un impacte ambiental en el riu o el mar, es fa passar l’aigua per una torre de refrigeració, 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 energia elèctrica per mitjà de la utilització de cèl·lules solar o fotovoltaiques, que s’uneixen, principalment en sèrie, formant un mòdul o placa solar fotovoltaica . Les instal·lacions fotovoltaiques poden ser de diversos tipus :
•
Instal·lacions aïllades: solen ser de mida més petites i s’utilitzen principalment en habitatges, fanals de carretera, edificis aïllats, torres repetidores de
Berta Picart
11
comunicació, petits aparells electrònics com ara calculadores i rellotges, satèl·lits especials, etc . En aquestes instal·lacions hi ha un sistema de bateries per poder disposar d’electricitat durant les nits i els dies tapats o amb males condicions climatològiques. •
Instal·lacions solars connectades a la xarxa elèctrica: actualment es munten mòduls fotovoltaics en teulades o façanes d’edificis connectats directament a la xarxa elèctrica. En aquests mòduls s’obté electricitat en forma de CC, i per incorporar-la a la xarxa general cal transformar-lo en CA per mitjà d’un inversor de corrent .
•
Centrals solars fotovoltaiques la producció de grans quantitats d’energia elèctrica en aquest tipus de central s’aconsegueix amb la instal·lació de camps solars formats per un gran nombre de mòduls fotovoltaics. Aquests mòduls es munten sobre bastidors metàl·lics que 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 xarxa elèctrica. 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 la temperatura. 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. Aquest vapor, es genera a pressions molt altres, és conduït per canonades fins a la turbina. El vapor xoca contra els àleps de la turbina, obligant-la a girar . Com que l’eix de la turbina està acoblat l’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 una temperatura molt alta i a més és un recurs molt apreciat i per tant cal reutilitzar-la al màxim. Per solucionar aquest problema s’instal·la a la sortida un condensador, que fa que el vapor es converteixi 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 la pressió del vapor es redueixen i es porta a terme la condensació ( de gas a líquid). Finalment, per no produir un impacte ambiental en el riu o el mar, es fa passar l’aigua per una torre de refrigeració, 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 utilitzen la calor alliberada en una reacció nuclear per produir el vapor d’aigua. Una central nuclear és una central termoelèctrica en què la font d’energia tèrmica s’obté d’una reacció nuclear provinent d’un material radioactiu, com ara l’urani o el plutoni. Una reacció nuclear és un fenomen físic que consisteix en la ruptura d’un nucli atòmic en dos nous nuclis per l’impacte d’un neutró, amb l’alliberament d’altres neutrons i una gran quantitat d’energia que es manifesta en forma de calor. Els neutrons emesos poden provocar nous impactes i noves ruptures i així produir una reacció en cadena. Aquesta reacció es produeix en el nucli del reactor de la central, i serveix per escalfar un líquid que circula per uns conductes que actuen com una caldera on es genera el vapor a pressió per accionar 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 la instal·lació que permet produir reaccions nuclears en cadena de manera controlada per aprofitar l’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 de ser molt superiors a qualsevol altre tipus de central, per evitar que es produeixin fuites radioactives a l’exterior.
Berta Picart
15
Les centrals nuclears presenten un risc potencial de contaminació radioactiva provocada per les emissions i la gestió de residus. Precisament, l’emmagatzematge dels residus radioactius que s’hi generen, alguns dels quals tenen milers d’anys de vida, és un dels inconvenients més greus d’aquestes centrals. La seguretat en les mateixes centrals, i la gestió dels residus són els dos grans reptes que presenta l’ús de l’energia nuclear. El Consell de Seguretat Nuclear (CSN) i l’Empresa Nacional de Residus Radioactius (ENRESA) són els organismes encarregats de vetllar per aquestes qüestions.
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 mitjà de 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 on es consumeix. Al llarg del camí hi ha baixades de voltatge o tensió per tant necessitem d’estacions transformadores.
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 més gran a mesura que augmenta la seva longitud. Quan aquest corrent és de gran intensitat es perd molta energia per l'escalfament dels cables (efecte Joule). Per evitar-ho, s’augmenta la tensió a valors molt elevats (entre 100.000 i 400.000 volts), de manera que es pot reduir la intensitat de corrent mantenint la mateixa quantitat d’energia transportada. Com que l’alta tensió és molt perillosa, 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