UNITAT 2 PRODUCCIÓ I DISTRIBUCIÓ D’ENERGIA ELÈCTRICA 28/08/2013
Unitat 2. Producció i distribució d‘energia elèctrica
1
2.1 CENTRALS ELÈCTRIQUES PRODUCTORES D’ENERGIA • Són instal·lacions on hi ha un conjunt de màquines motrius i aparells que s’utilitzen per transformen l’energia primària en energia elèctrica. • Aquestes centrals reben el nom de l’energia primària que utilitzen: Centrals hidràuliques o hidroelèctriques Centrals tèrmiques de carbó, gas, gasoil,... Centrals nuclears Centrals eòliques Centrals solars Centrals geotèrmiques ....
28/08/2013
Unitat 2. Producció i distribució d‘energia elèctrica
2
PRODUCCIÓ, TRANSPORT I CONSUM D’ENERGIA • L’element principal de qualsevol central generadora d’energia, tret de les centrals fotovolataiques, és el generador elèctric o alternador, que transforma l’energia mecànica en energia elèctrica. Un cop obtinguda aquesta energia elèctrica a les centrals cal transportar-la fins als centres de consum mitjançant l’ús de la xarxa elèctrica, que conté línies elèctriques de transport, estacions transformadores i línies de distribució. • El principal inconvenient de l’energia elèctrica produïda és que no es pot emmagatzemar; per tant, si no es consumeix es perd. Per tant, és molt important regular-ne la producció, ajustantla el millor possible al consum. 28/08/2013
Unitat 2. Producció i distribució d‘energia elèctrica
3
TIPUS DE CENTRALS Segons el servei que donen en el consum global de la xarxa, podem classificar les centrals en: Centrals de base o centrals principals: Són les que estan destinades a subministrar energia elèctrica de manera contínua. Tenen una potència elevada i normalment són les centrals nuclears, les grans centrals tèrmiques i les centrals hidràuliques. Centrals de punta: Projectades per cobrir demandes d’energia a les hores punta. Treballen en paral·lel amb les centrals principals. Centrals de reserva: Tenen per objectiu substituir total o parcialment la producció d’una central de base, en cas d’avaria. Centrals de bombeig: Són centrals hidroelèctriques que aprofiten l’energia sobrant a les hores vall, per bombejar aigua a un embassament superior i a les hores punta l’aprofiten per donar energia a la xarxa. 28/08/2013
Unitat 2. Producció i distribució d‘energia elèctrica
4
2.2 CENTRALS HIDROELÈCTRIQUES •
Es basen en l’aprofitament de l’energia de l’aigua que transporten els rius per convertir-la en energia elèctrica, utilitzant turbines acoblades als alternadors.
•
En el següent diagrama de blocs podem veure les transformacions d’energia que es realitzen en aquest tipus de centrals:
•
Podem dividir les centrals hidroelèctriques en: Centrals d’aigua fluent Centrals d’aigua embassada 28/08/2013
de derivació d’acumulació
Unitat 2. Producció i distribució d‘energia elèctrica
5
2.2 CENTRALS HIDROELÈCTRIQUES CENTRALS D’AIGUA FLUENT •
Són aquelles que aprofiten directament o per mitja de preses petites l’energia cinètica de l’aigua.
•
Es construeixen en els llocs en que l’energia hidràulica disponible pot utilitzar-se directament per accionar les turbines.
•
Les característiques principals d’aquest tipus de centrals són: Baix rendiment, ja que no es pot regular el cabal d’aigua que porta el riu. Irregulars, depenent de l’època de l’any.
28/08/2013
Unitat 2. Producció i distribució d‘energia elèctrica
6
2.2 CENTRALS HIDROELÈCTRIQUES CENTRALS D’AIGUA FLUENT
28/08/2013
Unitat 2. Producció i distribució d‘energia elèctrica
7
2.2 CENTRALS HIDROELÈCTRIQUES CENTRALS D’AIGUA EMBASSADA
28/08/2013
Unitat 2. Producció i distribució d‘energia elèctrica
8
2.2 CENTRALS HIDROELÈCTRIQUES CENTRALS D’AIGUA EMBASSADA •
Són aquelles que aprofiten l’energia potencial de l’aigua retinguda per una presa que eleva el nivell de l’aigua i regula el cabal del riu aigües avall.
•
L’aigua s’acumula en un llac artificial o pantà i la central l’anirà utilitzant en funció de les necessitats d’energia elèctrica. La disposició orogràfica del terreny on és situada la central determinarà les seves característiques constructives. Bàsicament es concreten en dos models: Centrals d’acumulació: se situen en un tram de riu amb un desnivell apreciable, i s’hi construeix una presa que obstaculitza el pas de les aigües, produint un embassament. A mitja alçada de la presa, per aprofitar el volum de l’aigua emmagatzemada, hi ha la sortida d’aigua que alimenta les turbines de la central, situades al peu de la presa. 28/08/2013
Unitat 2. Producció i distribució d‘energia elèctrica
9
2.2 CENTRALS HIDROELÈCTRIQUES CENTRALS D’AIGUA EMBASSADA Centrals de derivació: es desvien les aigües del riu per mitjà d’una petita presa cap a un canal lateral, amb el mínim desnivell possible. La diferència de nivell entre les aigües del canal de derivació i el riu anirà augmentant en funció de la longitud del canal. En un punt apropiat es construeix un petit dipòsit anomenat cambra de càrrega o de pressió. Aquesta cambra alimenta una canonada forçada que condueix l’aigua fins a la turbina situada per sota del nivell del canal. A la sortida l’aigua es torna al riu.
28/08/2013
Unitat 2. Producció i distribució d‘energia elèctrica
10
CENTRALS HIDROELÈCTRIQUES COMPONENTS D’UNA
CENTRAL HIDROELÈCTRICA
LA PRESA: és una construcció, normalment de formigó, que s’aixeca sobre la llera del riu i perpendicular a la seva direcció, amb la finalitat de retenir l’aigua per tal d’elevar-ne el nivell i formar un embassament o llac artificial. Preses de gravetat
28/08/2013
Unitat 2. Producció i distribució d‘energia elèctrica
11
CENTRALS HIDROELÈCTRIQUES COMPONENTS D’UNA Preses de gravetat
28/08/2013
CENTRAL HIDROELÈCTRICA
Unitat 2. Producció i distribució d‘energia elèctrica
12
CENTRALS HIDROELÈCTRIQUES COMPONENTS D’UNA Preses de gravetat
28/08/2013
CENTRAL HIDROELÈCTRICA
Unitat 2. Producció i distribució d‘energia elèctrica
13
CENTRALS HIDROELÈCTRIQUES COMPONENTS D’UNA
CENTRAL HIDROELÈCTRICA Preses de gravetat de contraforts
28/08/2013
Unitat 2. Producció i distribució d‘energia elèctrica
14
CENTRALS HIDROELÈCTRIQUES COMPONENTS D’UNA
CENTRAL HIDROELÈCTRICA Preses de gravetat de contraforts
28/08/2013
Unitat 2. Producció i distribució d‘energia elèctrica
15
CENTRALS HIDROELÈCTRIQUES COMPONENTS D’UNA
CENTRAL HIDROELÈCTRICA
Preses de volta o arc senzill
28/08/2013
Unitat 2. Producció i distribució d‘energia elèctrica
16
CENTRALS HIDROELÈCTRIQUES COMPONENTS D’UNA
CENTRAL HIDROELÈCTRICA
Preses de volta o arc senzill
28/08/2013
Unitat 2. Producció i distribució d‘energia elèctrica
17
CENTRALS HIDROELÈCTRIQUES COMPONENTS D’UNA
CENTRAL HIDROELÈCTRICA
Preses de volta o arc senzill
28/08/2013
Unitat 2. Producció i distribució d‘energia elèctrica
18
CENTRALS HIDROELÈCTRIQUES COMPONENTS D’UNA
CENTRAL HIDROELÈCTRICA
Preses d’arcs i contraforts
28/08/2013
Unitat 2. Producció i distribució d‘energia elèctrica
19
CENTRALS HIDROELÈCTRIQUES COMPONENTS D’UNA
CENTRAL HIDROELÈCTRICA
ELS CONDUCTES D’AIGUA: podem distingir els conductes que van a les turbines (protegits per uns reixats metàl·lics), els sobreeixidors, que han de permetre l’evacuació de l’aigua de l’embassament sense passar per les turbines, i els conductes de desguàs, que permeten el buidatge total del pantà a fi de realitzar tasques de drenatge.
28/08/2013
Unitat 2. Producció i distribució d‘energia elèctrica
20
CENTRALS HIDROELÈCTRIQUES COMPONENTS D’UNA
CENTRAL HIDROELÈCTRICA
LA SALA DE MÀQUINES: és on estan situades les màquines motrius de la central, els anomenats grups turboalternadors. En funció de l’altura del salt i del cabal de l’aigua s’utilitzen diferents tipus de turbines. Turbina Pelton
Turbina d’acció Treballa a alta pressió No treballa totalment submergida S’utilitza quan: • els salts d’aigua són grans ( > 200m) • el cabal d’aigua és regular
28/08/2013
Unitat 2. Producció i distribució d‘energia elèctrica
21
CENTRALS HIDROELÈCTRIQUES COMPONENTS D’UNA Turbina Pelton
28/08/2013
CENTRAL HIDROELÈCTRICA
Unitat 2. Producció i distribució d‘energia elèctrica
22
CENTRALS HIDROELÈCTRIQUES COMPONENTS D’UNA Turbina Pelton
28/08/2013
CENTRAL HIDROELÈCTRICA
Unitat 2. Producció i distribució d‘energia elèctrica
23
CENTRALS HIDROELÈCTRIQUES COMPONENTS D’UNA Turbina Pelton
28/08/2013
CENTRAL HIDROELÈCTRICA
Unitat 2. Producció i distribució d‘energia elèctrica
24
CENTRALS HIDROELÈCTRIQUES COMPONENTS D’UNA
CENTRAL HIDROELÈCTRICA
Turbina Francis
Turbina de reacció Treballa a mitjana pressió Treballa totalment submergida S’utilitza quan: • els salts d’aigua són mitjans (20-200m) • el cabal d’aigua és variable
28/08/2013
Unitat 2. Producció i distribució d‘energia elèctrica
25
CENTRALS HIDROELÈCTRIQUES COMPONENTS D’UNA Turbina Francis
28/08/2013
CENTRAL HIDROELÈCTRICA
Unitat 2. Producció i distribució d‘energia elèctrica
26
CENTRALS HIDROELÈCTRIQUES COMPONENTS D’UNA Turbina Francis
28/08/2013
CENTRAL HIDROELÈCTRICA
Unitat 2. Producció i distribució d‘energia elèctrica
27
CENTRALS HIDROELÈCTRIQUES COMPONENTS D’UNA
CENTRAL HIDROELÈCTRICA
Turbina Kaplan
Turbina de reacció Treballa a baixa pressió Treballa totalment submergida S’utilitza quan: • els salts d’aigua són petits ( < 20m) • els cabal d’aigua és molt variable
28/08/2013
Unitat 2. Producció i distribució d‘energia elèctrica
28
CENTRALS HIDROELÈCTRIQUES COMPONENTS D’UNA Turbina Kaplan
28/08/2013
CENTRAL HIDROELÈCTRICA
Unitat 2. Producció i distribució d‘energia elèctrica
29
CENTRALS HIDROELÈCTRIQUES COMPONENTS D’UNA Turbina Kaplan
28/08/2013
CENTRAL HIDROELÈCTRICA
Unitat 2. Producció i distribució d‘energia elèctrica
30
CENTRALS HIDROELÈCTRIQUES COMPONENTS D’UNA
CENTRAL HIDROELÈCTRICA
Les centrals disposen de diversos grups turbinaalternador perquè puguin treballar independentment amb un rendiment màxim en funció de l’aigua disponible.
28/08/2013
Unitat 2. Producció i distribució d‘energia elèctrica
31
CENTRALS HIDROELÈCTRIQUES COMPONENTS D’UNA
CENTRAL HIDROELÈCTRICA
28/08/2013
Unitat 2. Producció i distribució d‘energia elèctrica
32
CENTRALS HIDROELÈCTRIQUES COMPONENTS D’UNA
CENTRAL HIDROELÈCTRICA
28/08/2013
Unitat 2. Producció i distribució d‘energia elèctrica
33
CENTRALS HIDROELÈCTRIQUES COMPONENTS D’UNA
CENTRAL HIDROELÈCTRICA
28/08/2013
Unitat 2. Producció i distribució d‘energia elèctrica
34
CENTRALS HIDROELÈCTRIQUES COMPONENTS D’UNA
CENTRAL HIDROELÈCTRICA
TRANSFORMADORS I PARC DE DISTRIBUCIÓ: la tensió obtinguda en els alternadors és igual o inferior a 20 kV. Amb els transformadors s’eleva la tensió a un valor adequat per al seu transport (entre 110 i 400 kV). En el parc de distribució, la central es connecta a la xarxa de transport. Aquest transport es realitza mitjançant línies d’alta tensió.
28/08/2013
Unitat 2. Producció i distribució d‘energia elèctrica
35
CENTRALS HIDROELÈCTRIQUES COMPONENTS D’UNA
CENTRAL HIDROELÈCTRICA
28/08/2013
Unitat 2. Producció i distribució d‘energia elèctrica
36
CENTRALS HIDROELÈCTRIQUES FUNCIONAMENT D’UNA CENTRAL HIDROELÈCTRICA
28/08/2013
Unitat 2. Producció i distribució d‘energia elèctrica
37
CENTRALS HIDROELÈCTRIQUES FUNCIONAMENT D’UNA
CENTRAL HIDROELÈCTRICA
28/08/2013
Unitat 2. Producció i distribució d‘energia elèctrica
38
2.2 CENTRALS HIDROELÈCTRIQUES CENTRALS DE BOMBEIG O REVERSIBLES Tenen la finalitat de racionalitzar la producció d’energia elèctrica a la demanda existent. Suposen un estalvi energètic important al sistema general, ja que consumeixen excedents d’energia a les hores vall i subministren energia al sistema a les hores punta. Disposen de dos embassaments. A les hores punta, quan la demanda d’energia és màxima, funcionen com a centrals hidroelèctriques normals. A les hores vall, quan a la xarxa sobra energia, aquesta és utilitzada per bombejar aigua de l’embassament inferior al superior. Per fer això disposen de grups turbina-alternador, dissenyats per poder funcionar de forma reversible com a motobomba. Existeixen dos tipus de centrals de bombeig: Centrals de bombeig pur Circuit tancat Centrals de bombeig mixt Circuit obert 28/08/2013
Unitat 2. Producció i distribució d‘energia elèctrica
39
CENTRALS HIDROELÈCTRIQUES CENTRALS DE BOMBEIG PUR Per a que puguin produir energia elèctrica és indispensable haver bombat prèviament aigua a l’embassament superior, ja que aquest només rep aigua de l’inferior.
28/08/2013
Unitat 2. Producció i distribució d‘energia elèctrica
40
CENTRALS HIDROELÈCTRIQUES CENTRALS DE BOMBEIG MIXT Poden produir energia indistintament amb bombeig previ o sense, perquè l’embassament superior també està alimentat per un riu.
28/08/2013
Unitat 2. Producció i distribució d‘energia elèctrica
41
CENTRALS HIDROELÈCTRIQUES FUNCIONAMENT D’UNA CENTRAL DE BOMBEIG
28/08/2013
Unitat 2. Producció i distribució d‘energia elèctrica
42
CENTRALS HIDROELÈCTRIQUES FUNCIONAMENT
D’UNA CENTRAL DE BOMBEIG
28/08/2013
Unitat 2. Producció i distribució d‘energia elèctrica
43
CENTRALS HIDROELÈCTRIQUES MINICENTRALS HIDROELÈCTRIQUES Són centrals de potència compresa entre 250 i 5000 kW, que subministren energia elèctrica a nuclis rurals aïllats de la xarxa i a fàbriques situades al costat de rius.
28/08/2013
Unitat 2. Producció i distribució d‘energia elèctrica
44
CENTRALS HIDROELÈCTRIQUES CENTRALS HIDROELÈCTRIQUES I MEDI AMBIENT
Pèrdua de terrenys fèrtils i poblacions en ser cobertes per aigua. Alteració dels cabals dels rius erosió. Modificació dels ecosistemes de la zona (vegetació, fauna i clima). Possible acumulació de matèria orgànica provocada pels vessaments d’aigües residuals deteriorament de la qualitat de les aigües (es pot arribar emetre gas metà)
No emeten partícules contaminants a l’atmosfera. No generen residus directes. L’efecte regulador del cabal del riu pot evitar inundacions en cas de crescudes sobtades del cabal, i també s’assegura un cabal mínim en temps de sequera.
28/08/2013
Unitat 2. Producció i distribució d‘energia elèctrica
45
2.3 CENTRALS TÈRMIQUES CONVENCIONALS •
Són aquelles que generen energia elèctrica a partir de l’energia tèrmica produïda per la combustió de carbó, fuel o gas natural.
•
Són centrals amb un rendiment (η) proper al 35 %.
•
En el següent diagrama de blocs podem veure les transformacions d’energia que es realitzen en aquest tipus de centrals:
•
El combustible es crema en una caldera per obtenir vapor d’aigua, que acciona una turbina de vapor solidària al rotor d’un alternador. La diferència entre elles rau en el tipus de combustible utilitzat, els tipus de cremadors i el tractament dels gasos emesos. 28/08/2013
Unitat 2. Producció i distribució d‘energia elèctrica
46
2.3 CENTRALS TÈRMIQUES CONVENCIONALS •
L’emplaçament d’aquest combustible utilitzat: – Carbó nacional – Carbó importat i gas – Fuel
tipus de centrals dependrà del tipus de prop de les mines prop dels centres de consum (però lluny de les poblacions) prop de les refineries
COMPONENTS D’UNA CENTRAL TERMOELÈCTRICA Magatzem de combustible Caldera Turbines Condensador Torre de refrigeració Xemeneia Equip elèctric principal Sala de tractament de l’aigua d’alimentació 28/08/2013
Unitat 2. Producció i distribució d‘energia elèctrica
47
2.3 CENTRALS TÈRMIQUES CONVENCIONALS MAGATZEM DE COMBUSTIBLE • Si el combustible és carbó, la central disposa d’un recinte per dipositar-lo i disposar de reserves permanents. El carbó és tritura en forma de pols fina per facilitar-ne la combustió i s’envia a la caldera mitjançant aire preescalfat. • Si el combustible és fuel, s’emmagatzema en grans dipòsits (per 1 o 2 mesos). Alhora d’utilitzar-lo es preescalfa abans d’injectar-lo per tal de fluidificar-lo. • Si el combustible és gas natural, normalment arriba a la central per un gasoducte (a alta P), per tant abans d’injectar-lo cal adequar-li la pressió. Actualment existeixen centrals termoelèctriques mixtes que estan dissenyades per poder utilitzar diferents combustibles. 28/08/2013
Unitat 2. Producció i distribució d‘energia elèctrica
48
2.3 CENTRALS TÈRMIQUES CONVENCIONALS CALDERA • Les més utilitzades són les de radiació. • Disposen de cremadors adequats al tipus de combustible. • Estan formades per una gran cambra de combustió rodejada d’infinitat de tubs pels quals hi circula l’aigua per vaporitzar. • Els reescalfadors i sobreescalfadors són les parts de la caldera destinades a eliminar les petites gotes d’aigua que acompanyen el vapor vapor sec. • Els economitzadors i preescalfadors aprofiten la calor residual dels gasos emesos per fer un escalfament previ a l’aigua que entra a la caldera. 28/08/2013
Unitat 2. Producció i distribució d‘energia elèctrica
49
2.3 CENTRALS TÈRMIQUES CONVENCIONALS TURBINES • S’encarreguen de transformar l’energia cinètica del vapor en energia cinètica rotatòria. Per tal d’obtenir el màxim rendiment de la transformació estan formades per tres parts: alta, mitja i baixa pressió. • El vapor a alta P i T (procedent del reescalfador) s’introdueix a la turbina en el cos d’alta pressió, format per centenars d’àleps petits. A mesura que el vapor s’expandeix i perd pressió, va cap a la zona d’àleps més grans. 28/08/2013
Unitat 2. Producció i distribució d‘energia elèctrica
50
2.3 CENTRALS TÈRMIQUES CONVENCIONALS TURBINES
28/08/2013
Unitat 2. Producció i distribució d‘energia elèctrica
51
2.3 CENTRALS TÈRMIQUES CONVENCIONALS TURBINES
28/08/2013
Unitat 2. Producció i distribució d‘energia elèctrica
52
2.3 CENTRALS TÈRMIQUES CONVENCIONALS CONDENSADOR • Per tal d’augmentar el η termodinàmic de la transformació, l’aigua per vaporitzar ha d’entrar a la caldera en estat líquid. • En el condensador, el vapor procedent de les turbines es condensa abans de tornar a entrar a l caldera per tal de repetir el cicle. TORRE DE REFRIGERACIÓ • Serveix per refredar l’aigua refrigerant del condensador. • Els circuits de refrigeració poden ser oberts (si utilitzen aigua del riu o d’un embassament; en aquest cas es torna al riu mitjançant una pluja molt fina per tal de refrigerar-la) o tancats (caldrà refredar l’aigua per tornar-la a utilitzar, mitjançant les torres de refrigeració). 28/08/2013
Unitat 2. Producció i distribució d‘energia elèctrica
53
CENTRALS TÈRMIQUES CONVENCIONALS
28/08/2013
Unitat 2. Producció i distribució d‘energia elèctrica
TORRE DE REFRIGERACIÓ
54
CENTRALS TÈRMIQUES CONVENCIONALS XEMENEIA • Té la funció de crear una depressió dins la caldera perquè circulin els gasos despresos a la combustió i poder-los evacuar a l’atmosfera. • Poden ser de tir natural o de tir forçat. • Cal que disposin dels filtres escaients per eliminar les partícules sòlides contaminants.
28/08/2013
Unitat 2. Producció i distribució d‘energia elèctrica
55
CENTRALS TÈRMIQUES CONVENCIONALS
28/08/2013
Unitat 2. Producció i distribució d‘energia elèctrica
56
CENTRALS TÈRMIQUES CONVENCIONALS
28/08/2013
Unitat 2. Producció i distribució d‘energia elèctrica
57
2.3 CENTRALS TÈRMIQUES CONVENCIONALS EQUIP ELÈCTRIC PRINCIPAL • Format per l’alternador, els transformadors i el parc de distribució. SALA DE TRACTAMENT DE L’AIGUA D’ALIMENTACIÓ • S’encarrega de purificar l’aigua que s’utilitza a la central per tal d’evitar que es formin incrustacions als diferents tubs que circulen per la central. • També n’augmenten el pH per evitar el seu efecte corrosiu.
28/08/2013
Unitat 2. Producció i distribució d‘energia elèctrica
58
2.3 CENTRALS TÈRMIQUES CONVENCIONALS FUNCIONAMENT D’UNA CENTRAL TÈRMICA
28/08/2013
Unitat 2. Producció i distribució d‘energia elèctrica
59
2.3 CENTRALS TÈRMIQUES CONVENCIONALS FUNCIONAMENT D’UNA CENTRAL TÈRMICA
28/08/2013
Unitat 2. Producció i distribució d‘energia elèctrica
60
2.3 CENTRALS TÈRMIQUES CONVENCIONALS FUNCIONAMENT D’UNA CENTRAL TÈRMICA
28/08/2013
Unitat 2. Producció i distribució d‘energia elèctrica
61
2.3 CENTRALS TÈRMIQUES CONVENCIONALS CENTRALS TERMOELÈCTRIQUES I MEDI AMBIENT Contaminació atmosfèrica: • L’ús de combustibles fòssils genera CO2 i vapor d’H2O efecte hivernacle • Impureses existents al combustible originen emissions de SOX i NOX pluja àcida • L’emissió també d’altres partícules sòlides (metalls pesants, hidrocarburs,...) boires fotoquímiques Contaminació tèrmica de les aigües: Es minimitza amb l’ús de torres de refrigeració. Contaminació acúst¡ca: Cal evitar el soroll produït pels ventiladors, turbines,...; per tant caldrà evitar la ubicació de la central en zones properes a nuclis de població. 28/08/2013
Unitat 2. Producció i distribució d‘energia elèctrica
62
2.3 CENTRALS TÈRMIQUES CONVENCIONALS NOVES TECNOLOGIES Cal desenvolupar noves tecnologies per tal de minimitzar els efectes contaminants i millorar el rendiment energètic de les centrals: Sistemes de dessulfuració: eliminació del sofre del combustible Gasificació del carbó: explotem recursos no viables fins ara, per obtenir un gas de carbó molt menys contaminant que aquest. Combustió en llit fluid: combustió del carbó a menys temperatura, que permet que la majoria de contaminants romanguin en els residus de combustió. Centrals de cicle combinat: en aquestes centrals la combustió es duu a terme en una turbina de gas (semblant a la dels avions a reacció) que arrossega directament un generador elèctric. Els gasos emesos s’utilitzen per escalfar una caldera que produeix vapor, que acciona una turbina normal amb el seu generador. En aquestes centrals el rendiment passa del 35% al 52%. 28/08/2013
Unitat 2. Producció i distribució d‘energia elèctrica
63
2.3 CENTRALS TÈRMIQUES CONVENCIONALS FUNCIONAMENT D’UNA CENTRAL TÈRMICA DE CICLE COMBINAT
28/08/2013
Unitat 2. Producció i distribució d‘energia elèctrica
64
2.3 CENTRALS TÈRMIQUES CONVENCIONALS FUNCIONAMENT D’UNA CENTRAL TÈRMICA DE CICLE COMBINAT
28/08/2013
Unitat 2. Producció i distribució d‘energia elèctrica
65
2.3 CENTRALS TÈRMIQUES CONVENCIONALS CENTRALS DE COGENERACIÓ •
Són aquelles centrals que produeixen de forma simultània energia elèctrica i tèrmica. L’energia elèctrica es produeix utilitzant un combustible convencional, i l’energia tèrmica l’aprofitem de la calor residual del procés anterior, obtenint aigua calenta per a calefacció, vapor, fluids escalfats,...
•
En aquest cas obtindrem rendiments energètics propers al 90%
•
Té molta aplicació en indústries, centres hospitalaris, hotels,...
•
En aquests casos, si el vapor procedent de la turbina no té suficient energia tèrmica per escalfar l’aigua de la caldera, s’obté amb un cremador auxiliar.
•
Des del punt de vista mediambiental, són molt poc contaminants de l’atmosfera, perquè el seu rendiment energètic és molt alt, i per l’alta tecnologia utilitzada en el control de la combustió. 28/08/2013
Unitat 2. Producció i distribució d‘energia elèctrica
66
2.3 CENTRALS TÈRMIQUES CONVENCIONALS CENTRALS DE COGENERACIÓ
28/08/2013
Unitat 2. Producció i distribució d‘energia elèctrica
67
2.4 CENTRALS NUCLEARS •
Són aquelles centrals termoelèctriques que generen energia elèctrica a partir de la calor obtinguda en la fissió d’àtoms d’urani i de plutoni.
•
En el següent diagrama de blocs podem veure les transformacions d’energia que es realitzen en aquest tipus de centrals:
•
Aquest tipus de centrals actuen com a centrals de base en el sistema elèctric, ja que només paren cada 6 mesos – 2anys per canviar el combustible.
28/08/2013
Unitat 2. Producció i distribució d‘energia elèctrica
68
2.4 CENTRALS NUCLEARS REACTOR NUCLEAR •
El reactor es el sistema que permet de produir i controlar reaccions en cadena sostingudes, de manera que fa possible l’aprofitament de l’energia tèrmica obtinguda per l’obtenció de vapor d’aigua que acciona la turbina solidària al generador elèctric.
•
És la part més característica de les centrals nuclears.
•
Les principals parts d’un reactor nuclear són: Vas del reactor El moderador Les barres de control El refrigerant 28/08/2013
Unitat 2. Producció i distribució d‘energia elèctrica
69
2.4 CENTRALS NUCLEARS
REACTOR NUCLEAR
VAS DEL REACTOR •
Forma el nucli del reactor, i és la part més característica d’una central nuclear.
•
Està format per un recipient d’acer pur. Les seves dimensions aproximades són: – 13 m d’alçada – 4 m de diàmetre – 20 cm de gruix de paret
•
En el seu interior conté una font de neutrons (que permet iniciar la reacció en cadena) i el combustible nuclear (barres d’uns 3m de longitud de material fèrtil i fissionable Urani natural, Urani enriquit o Plutoni) 28/08/2013
Unitat 2. Producció i distribució d‘energia elèctrica
70
2.4 CENTRALS NUCLEARS
REACTOR NUCLEAR
VAS DEL REACTOR
28/08/2013
Unitat 2. Producció i distribució d‘energia elèctrica
71
2.4 CENTRALS NUCLEARS
REACTOR NUCLEAR
VAS DEL REACTOR
28/08/2013
Unitat 2. Producció i distribució d‘energia elèctrica
72
2.4 CENTRALS NUCLEARS
REACTOR NUCLEAR
LES BARRES DE CONTROL •
Tenen la missió de regular el nombre de fissions que es produeixen a l’interior del nucli per unitat de temps. Per tant controlen la reacció en cadena.
•
Quan les barres de control estan totalment introduïdes, la reacció en cadena s’atura. A mesura que van sortint, la reacció va augmentant fins a arribar al nivell que la potència del reactor requereix.
•
El reactor disposa d’un sistema de control de la temperatura que actua sobre el posicionador de les barres de control, introduintles més o menys en funció de la temperatura de la zona controlada (la temperatura és directament proporcional al nº de fissions).
•
Estan formades per materials que tenen tendència a absorbir neutrons (aleacions de bor, cadmi i hafni) 28/08/2013
Unitat 2. Producció i distribució d‘energia elèctrica
73
2.4 CENTRALS NUCLEARS REACTOR NUCLEAR LES BARRES DE CONTROL
28/08/2013
Unitat 2. Producció i distribució d‘energia elèctrica
74
2.4 CENTRALS NUCLEARS
REACTOR NUCLEAR
EL REFRIGERANT •
Té la funció de refrigerar el reactor evitant el sobreescalfament i transportar la calor generada en el nucli, directament o a través d’un circuit secundari, al grup turbina alternador, per tornar després al reactor i repetir el cicle.
•
El recorregut del refrigerant del reactor s’anomena circuit primari. Els refrigerants utilitzats poden ser líquids, com ara l’aigua, l’aigua pesant, el sodi i el potassi, o gasosos, com ara el diòxid de carboni, l’heli i el nitrogen.
•
Sovint, el mateix líquid que fa de moderador, fa també la funció de refrigerant.
28/08/2013
Unitat 2. Producció i distribució d‘energia elèctrica
75
CENTRALS NUCLEARS
REACTOR NUCLEAR
EL REFRIGERANT
28/08/2013
Unitat 2. Producció i distribució d‘energia elèctrica
76
CENTRALS NUCLEARS TIPUS DE CENTRALS NUCLEARS •
Les centrals nuclears utilitzen diferent tipus de tecnologia depenent del reactor que tinguin instal·lat. Cada reactor es caracteritza pel combustible, el refrigerant i el moderador utilitzats.
•
Els principals tipus de centrals nuclears són: Centrals amb reactor d’aigua a pressió PWR Centrals amb reactor d’aigua en ebullició BWR Centrals amb reactors de neutrons ràpids
28/08/2013
Unitat 2. Producció i distribució d‘energia elèctrica
77
CENTRALS NUCLEARS
TIPUS DE CENTRALS NUCLEARS
CNETRALS AMB REACTOR D’AIGUA A PRESSIÓ (PWR) •
Són aproximadament el 50% de les centrals nuclears mundials.
•
Utilitzen com a combustible urani enriquit i com a moderador i refrigerant aigua.
•
Les barres de control estan situades entre el combustible i s’introdueixen des de la part superior del reactor.
•
El circuit primari de refrigeració (extreu la calor del nucli) està situat a l’interior de l’edifici de contenció. El generador manté l’aigua a unes 170 atmosferes, evitant la seva ebullició.
•
L’aigua del circuit secundari passa a en vapor a l’intercanviador, s’introdueix al reescalfador (vapor sec) i entra a la turbina.
•
De la turbina passa al condensador per entrar de nou de forma líquida al generador de vapor i repetir el cicle. 28/08/2013
Unitat 2. Producció i distribució d‘energia elèctrica
78
CENTRALS NUCLEARS
TIPUS DE CENTRALS NUCLEARS
CNETRALS AMB REACTOR D’AIGUA A PRESSIÓ (PWR)
28/08/2013
Unitat 2. Producció i distribució d‘energia elèctrica
79
2.4 CENTRALS NUCLEARS
TIPUS DE CENTRALS NUCLEARS CNETRALS AMB REACTOR D’AIGUA A PRESSIÓ (PWR)
28/08/2013
Unitat 2. Producció i distribució d‘energia elèctrica
80
2.4 CENTRALS NUCLEARS
TIPUS DE CENTRALS NUCLEARS
•
CNETRALS AMB REACTOR D’AIGUA EN EBULLICIÓ (BWR) Són aproximadament el 25% de les centrals nuclears mundials.
•
Combustible urani enriquit. Moderador i refrigerant aigua.
•
Les barres de control en aquest cas s’introdueixen per la part inferior del reactor, ja que el vas del reactor necessita més espai en la part superior d’aquest.
•
Només utilitzen un circuit de refrigeració. El vapor s’obté dintre del reactor; com que l’aigua està a menys pressió entra en ebullició.
•
Només una petita quantitat de l’aigua que travessa el nucli es converteix en vapor; la resta, es fa recircular forçadament amb una bomba situada a la part inferior del reactor.
•
L’edifici de turbines ha d’estar protegit per evitar emissions, ja que el vapor està en contacte directe amb el combustible. 28/08/2013
Unitat 2. Producció i distribució d‘energia elèctrica
81
2.4 CENTRALS NUCLEARS
TIPUS DE CENTRALS NUCLEARS
CNETRALS AMB REACTOR D’AIGUA EN EBULLICIÓ (BWR)
28/08/2013
Unitat 2. Producció i distribució d‘energia elèctrica
82
2.4 CENTRALS NUCLEARS
TIPUS DE CENTRALS NUCLEARS
CNETRALS AMB REACTOR D’AIGUA EN EBULLICIÓ (BWR)
28/08/2013
Unitat 2. Producció i distribució d‘energia elèctrica
83
2.4 CENTRALS NUCLEARS •
TIPUS DE CENTRALS NUCLEARS
CNETRALS AMB REACTORS DE NEUTRONS RÀPIDS No utilitzen moderador les fissions es fan amb neutrons ràpids. Per què la reacció es mantingui és necessari que la quantitat de combustible per unitat de volum sigui molt superior.
•
La potència tèrmica obtinguda és molt elevada, i el refrigerant ha de ser molt eficaç = sodi líquid.
•
Combustible U-235 o Pu-239, tot ell recobert per U-238 que absorbeix neutrons i es converteix en Pu-239. S’anomenen reactors reproductors (s’obté més combustible del que es gasta).
•
Els seus rendiments poden ser fins a 60 vegades superiors als reactors tèrmics.
•
Tenen 3 circuits de refrigeració: el primari i el secundari de sodi líquid i el circuit terciari amb vapor d’aigua que és el que mou la turbina. 28/08/2013
Unitat 2. Producció i distribució d‘energia elèctrica
84
2.4 CENTRALS NUCLEARS
(17)TIPUS
DE CENTRALS NUCLEARS
CNETRALS AMB REACTORS DE NEUTRONS RÀPIDS
28/08/2013
Unitat 2. Producció i distribució d‘energia elèctrica
(2)
85
(8)
2.4 CENTRALS NUCLEARS EQUIPAMENT D’UNA CENTRAL NUCLEAR EDIFICI DE CONTENCIÓ •
Conté el reactor i el conjunt d’elements del circuit primari.
•
Es tracta d’un edifici cilíndric d’uns 40 m de diàmetre i uns 50 m d’alçada. Acaba en una cúpula amb forma de casquet esfèric.
•
Està fet amb murs de formigó gruixut (mínim 1 m) especial, folrats d’acer al seu interior, per tal d’evitar qualsevol emissió de radiació a l’exterior en cas d’accident i dissenyat per resistir els efectes dels moviments sísmics. EDIFICI DE TURBINES
•
Allotja el grup turbina alternador; els reescalfadors i els condensadors de vapor i els preescalfadors de l’aigua d’alimentació.
•
En les centrals BWR aquest edifici ha d’estar protegit de possibles emissions i vessaments d’aigua radioactiva. 28/08/2013
Unitat 2. Producció i distribució d‘energia elèctrica
86
2.4 CENTRALS NUCLEARS
EQUIPAMENT D’UNA CENTRAL NUCLEAR
EDIFICI DE COMBUSTIBLE •
S’utilitza per a l’emmagatzematge del combustible de recàrrega del reactor i del combustible ja utilitzat en espera de ser enviat a reprocessar.
•
El combustible es desa en piscines de formigó folrades amb xapa d’acer,i el que ja ha estat utilitzat, cobert d’aigua.
•
Aquest edifici està directament connectat amb el reactor per poder efectuar la recàrrega anual del combustible, sense sortir de la zona de màxima protecció radiològica de la central. 28/08/2013
Unitat 2. Producció i distribució d‘energia elèctrica
87
2.4 CENTRALS NUCLEARS
EQUIPAMENT D’UNA CENTRAL NUCLEAR
EDIFICI DE COMBUSTIBLE
28/08/2013
Unitat 2. Producció i distribució d‘energia elèctrica
88
2.4 CENTRALS NUCLEARS
EQUIPAMENT D’UNA CENTRAL NUCLEAR
EDIFICI DE CONTROL •
Allotja la sala de control, que és el centre neuràlgic de la central.
•
Aquí hi arriben els senyals i les mesures de funcionament de tots els equips i sistemes de seguretat i en surten les ordres de comandament.
•
Aquest procés està totalment automatitzat i coordinat per l’ordinador central.
28/08/2013
Unitat 2. Producció i distribució d‘energia elèctrica
89
2.4 CENTRALS NUCLEARS EQUIPAMENT D’UNA CENTRAL NUCLEAR EDIFICI AUXILIAR •
En el seu interior es disposa de components dels sistemes auxiliars i de seguretat, així com de sistemes de tractament de residus radioactius de baixa activitat, l’equip de filtratge i d’aire condicionat propi i de l’edifici de contenció.
28/08/2013
Unitat 2. Producció i distribució d‘energia elèctrica
90
2.4 CENTRALS NUCLEARS
28/08/2013
EQUIPAMENT D’UNA CENTRAL NUCLEAR
Unitat 2. Producció i distribució d‘energia elèctrica
91
2.4 CENTRALS NUCLEARS
28/08/2013
EQUIPAMENT D’UNA CENTRAL NUCLEAR
Unitat 2. Producció i distribució d‘energia elèctrica
92
2.4 CENTRALS NUCLEARS
28/08/2013
EQUIPAMENT D’UNA CENTRAL NUCLEAR
Unitat 2. Producció i distribució d‘energia elèctrica
93
2.4 CENTRALS NUCLEARS CENTRALS NUCLEARS I MEDI AMBIENT
Contaminació tèrmica de les aigües: Es minimitza amb l’ús de torres de refrigeració. Contaminació acúst¡ca: Cal evitar el soroll produït pels ventiladors, turbines,...; per tant caldrà evitar la ubicació de la central en zones properes a nuclis de població. No es produeix cap combustió, per tant no provoca emissions de CO2 ni sulfats, nitrats. Per tant no contribueix ni a l’efecte hivernacle ni a la pluja àcida. SISTEMES DE SEGURETAT •
L’emplaçament d’una central es determina després d’un detallat estudi que comprèn des de la demografia, les vies de comunicació i la proximitat als centres de consum fins a les característiques hidrològiques, sísmiques, meteorològiques,... De la zona. 28/08/2013
Unitat 2. Producció i distribució d‘energia elèctrica
94
2.4 CENTRALS NUCLEARS
SISTEMES DE SEGURETAT
•
Actualment estan en fase de desenvolupament els reactors de seguretat passiva, dissenyats de forma que eviten possibles errors humans o les avaries mecàniques i/o elèctriques dels sistemes de seguretat.
•
El funcionament d’una central nuclear, des del punt de vista de la seguretat, requereix: • Personal altament qualificat i especialitzat. • Revisió anual exhaustiva dels elements mecànics del reactor i del circuit primari. • Control constant de l’estat dels equips i manteniment preventiu programat. • Control radioactiu de totes les emissions. • Detecció i identificació de qualsevol anomalia. • Si se superen els límits d’emissió permesos, activació dels sistemes d’alarma i resposta immediata dels equios de seguretat. 28/08/2013
Unitat 2. Producció i distribució d‘energia elèctrica
95
2.4 CENTRALS NUCLEARS •
SISTEMES DE SEGURETAT
El concepte de seguretat màxima implica que els sistemes e control estiguin duplicats i que existeixin diferents barreres que impedeixin les fuites radioactives. Les barreres estan formades per: 1. L’estructura ceràmica del combustible. 2. Les beines que el contenen. 3. El vas del reactor (barrera de pressió). 4. Sistemes de protecció del reactor i del circuit de refrigeració primària. 5. L’edifici de contenció.
28/08/2013
Unitat 2. Producció i distribució d‘energia elèctrica
96
2.5 DISTRIBUCIÓ DE L’ENERGIA •
El recorregut del corrent des de les centrals fins als usuaris es realitza a través de dues grans xarxes de línies elèctriques: xarxa de transport, xarxa de distribució. Les connexions es porten a terme a les estacions o subestacions elèctriques.
P = 3 ⋅ RL ⋅ I 2 RL =
ρ ⋅L s
3 ⋅ ρ ⋅L ⋅I 2 Pp = s P I = 3 ⋅V ⋅ cosϕ
28/08/2013
Unitat 2. Producció i distribució d‘energia elèctrica
97
2.5 DISTRIBUCIÓ DE L’ENERGIA LÍNIES ELÈCTRIQUES •
Son el conjunt de conductors, aïlladors i accessoris destinats al transport i a la distribució d’energia elèctrica.
•
Segons la seva construcció, es classifiquen en: Línies aèries Línies subterrànies
•
De manera general, les línies de transport i les línies de distribució primària són aèries, i les línies de distribució secundària, subterrànies.
28/08/2013
Unitat 2. Producció i distribució d‘energia elèctrica
98
2.5 DISTRIBUCIÓ DE L’ENERGIALÍNIES ELÈCTRIQUES Línies aèries: Els conductors es mantenen a una certa alçada del terra, amb l’ajut d’aïlladors i de suports apropiats a la tensió de la línia. Els conductors normalment són nusos (sense aïllament) de coure o alumini, amb ànima d’acer. Són més econòmiques d’instal·lar que les subterrànies. Són menys fiables i necessiten més manteniment al estar sotmeses a les inclemències meteorològiques. Línies subterrànies: Els conductors estan enterrats directament o dintre de canalitzacions. Són de coure i alumini i forçosament han d’estar aïllats. Tenen un elevat cost d’instal·lació. Són més fiables i necessiten menys manteniment que les aèries. 28/08/2013
Unitat 2. Producció i distribució d‘energia elèctrica
99
2.5 DISTRIBUCIÓ DE L’ENERGIAESTACIONS ELÈCTRIQUES
28/08/2013
Unitat 2. Producció i distribució d‘energia elèctrica
100
2.5 DISTRIBUCIÓ DE L’ENERGIA
28/08/2013
ESTRUCTURA DEL SISTEMA ELÈCTRIC
Unitat 2. Producció i distribució d‘energia elèctrica
101