Unidad 2. Energía: generación, transporte y distribución eléctrica

Unidad 2. ENERGÍA

LA ENERGÍA

La energía se puede entender como la capacidad que tiene un cuerpo o un sistema para realizar un trabajo o producir algún cambio o transformación. Tales cambios pueden ser movimiento, calentamiento o alteraciones en dicho cuerpo. Debemos tener clara la diferencia entre energía y potencia. La potencia es la transferencia de energía por unidad de tiempo. De esta forma, una bombilla viene caracterizada por su potencia; por ejemplo, 25 W. Si tenemos encendida la bombilla durante 5 horas, la energía consumida será de 125 W.h (vatios hora).

Las unidades de energía más utilizadas son:

• Julio (J). Es la unidad del Sistema Internacional. Se define como el trabajo que realiza una fuerza de 1 newton (N) cuyo punto de aplicación se desplaza 1 metro.
• Caloría (cal). Es una unidad de energía muy utilizada en procesos en los que interviene el calor. Se define como la cantidad de calor necesaria para elevar 1ºC, a presión atmosférica, un gramo de agua.
• Kilovatio hora (kW.h). Es la unidad que se utiliza para medir el consumo de energía eléctrica

La energía se puede manifestar de diversas formas. Las principales formas de energía son:

• Energía mecánica. Es la formada por la suma de la energía cinética, asociada al movimiento, y la potencial, asociada a la fuerza de gravedad.
• Energía térmica. Está relacionada con el movimiento de las moléculas que forman la materia: cuanto más caliente está la materia, mayor es el movimiento de las moléculas.
• Energía química. Es la energía asociada a las reacciones químicas. Estas reacciones, como la combustión de gas, son exotérmicas y liberan calor.
• Energía nuclear. Es la energía almacenada en el núcleo de los átomos, que se libera en las reacciones de fisión y fusión. Se podría decir que es un tipo de energía química.
• Energía radiante. Es la que tienen las ondas electromagnéticas, como la luz, los rayos ultravioletas, etc. Pueden transmitirse sin necesidad de soporte material alguno, en el vacío, como es el caso de la energía del Sol.
• Energía eléctrica. Está relacionada con el movimiento de las cargas eléctricas a través de los materiales conductores.

Todas estas formas de energía se pueden clasificar en dos tipos:

• Energía primaria. Es la energía disponible en la naturaleza sin necesidad de ser transformada (gas, carbón,etc).
• Energía secundaria. Es la energía resultado de la transformación de las energías primarias (energía eléctrica).

Todas las formas de energía se encuentran en un constante proceso de transformación. La energía eléctrica se transforma en energía radiante a través de una bombilla; la energía cinética del viento se convierte en energía eléctrica gracias a un aerogenerador ... No obstante, estas transformaciones no siempre se producen en la dirección deseada. En los procesos de transformación se produce la degradación de la energía, fenómeno por el cual cierta cantidad de energía pasa a un tipo de energía "de peor calidad": la energía. Se dice que esta energía se pierde. Así, por ejemplo, una bombilla transforma una parte de la energía eléctrica que consume en energía radiante (luz), pero otra parte de esa energía se transforma en calor que se considera energía perdida.

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FUENTES DE ENERGÍA

Las fuentes de energía son los recursos existentes en la naturaleza de los cuales podemos obtener energía utilizable en alguna de las formas definidas anteriormente. Todas ellas son energía primaria y, generalmente, se transforman en energía eléctrica (energía secundaria) para su transporte.

Podemos clasificarlas, atendiendo su origen, en:

• No renovables. Se encuentran en cantidades limitadas y en ellas la velocidad de regeneración es inferior a la de consumo.
• Renovables. Son inagotables, ya que se regeneran a un ritmo superior al que se consumen.

Por su utilización, las clasificamos en:

• Convencionales. Son las de uso más extendido.
• Alternativas. Su uso está menos extendido pero están adquiriendo cada vez más importancia.

TIPOS DE FUENTES

Convencionales Alternativas

No renovables Combustibles fósiles Energía nuclear Energía hidráulica

Renovables Energía solar Energía eólica Energía mareomotriz Energía de la biomasa Energía geotérmica

GENERACIÓN, TRANSPORTE Y DISTRIBUCIÓN DE LA ENERGÍA ELÉCTRICA

De entre todas las formas de energía mencionadas, la energía eléctrica destaca por su especial importancia. Esto se debe a que se puede obtener de fuentes muy diversas (combustibles fósiles, luz solar, viento, saltos de agua ... ), transportarla hasta nuestras viviendas e industrias, y allí, volver a convertirla en el tipo de energía que nos interese: calor, luz, movimiento ...

Generación de la energía eléctrica

Para producir energía eléctrica necesitamos un dispositivo que cree y mantenga una diferencia de potencial (diferencia de carga) entre dos puntos para que se pueda producir un flujo de electrones, es decir, una corriente eléctrica.

La energía eléctrica se genera de 3 formas diferentes:

Mediante transformaciones químicas. Por ejemplo, como ocurre en las pilas o baterías. Las pilas y baterías transforman la energía química que contienen en energía eléctrica. En el interior de pilas y baterías existen soluciones con determinados componentes químicos, que al reaccionar entre sí producen una corriente eléctrica. . Mediante la luz solar, como ocurre en las células solares o fotovoltaicas. Existen ciertos materiales que presentan la propiedad de emitir electrones cuando la luz solar incide sobre ellos (efecto fotoeléctrico). Las células fotovoltaicas son dispositivos construidos con materiales fotoeléctricos que realizan una conversión de energía solar luminosa en energía eléctrica. Las células solares se emplean en la generación de electricidad en centrales solares fotovoltaicas.

Energía eléctrica (Corriente continua)

Energía química

Luz solar

Células fotovoltaicas

Energía eléctrica (Corriente continua)

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• Mediante generadores eléctricos (dinamos y alternadores). La inducción electromagnética es la base del funcionamiento de los generadores eléctricos más utilizados. Son generadores que transforman energía mecánica de rotación en energía eléctrica y se utilizan, por ejemplo, en las centrales eléctricas.

El ejemplo más sencillo de este tipo de generadores es la dinamo de una bicicleta, que genera una corriente continua a partir del movimiento de rotación. Consiste en una bobina de hilo conductor y un imán giratorio. El imán está unido mediante un eje a una rueda de fricción. Cuando la rueda de fricción se pone en contacto con el neumático de la bicicleta, gira a gran velocidad y hace rotar al imán. El imán en rotación produce un campo magnético fluctuante que induce corriente eléctrica en la bobina. Esta corriente continua se utiliza para hacer funcionar los faros de la bicicleta.

Rueda de fricción

Eje

Imán

Bobina

Los alternadores son los generadores eléctricos utilizados en la producción de energía eléctrica en las centrales eléctricas (excepto en las centrales fotovoltaicas) y son movidos por turbinas. Las turbinas poseen unas palas o álabes que, al ser empujadas, ponen en movimiento el eje del alternador y producen una corriente alterna.

Central hidroeléctrica

Central térmica de combustión

Calor

Agua

Central nuclear

Calor

Vapor

TURBINA

ALTERNADOR

Aire

Central solar térmica

Calor

Central Eólica

Central solar fotovoltaica

Radiación

PANELES FOTOVOLTAICOS

ELECTRICIDAD

Transporte y distribución de la energía eléctrica

La red de transporte es la parte del sistema encargada de llevar la energía eléctrica desde las centrales eléctricas hasta los grandes puntos de consumo, recorriendo enormes distancias. El transporte de la energía eléctrica se realiza en alta tensión. En España, la empresa encargada de hacerlo es Red Eléctrica de España. La red de distribución es la encargada de repartir la energía eléctrica dentro de los centros de consumo (poblaciones, grandes industrias, etc) hasta la tensión de uso, que es baja tensión. La distribución de energía eléctrica se realiza en media tensión y son las compañías distribuidoras las propietarias y gestoras de estas líneas. Se denomina alta tensión eléctrica a las tensiones superiores a los 66.000 V, mientras que con media tensión nos referimos a las tensiones entre 1.000 y 36.000 voltios.

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Para transportar grandes cantidades de energía eléctrica, debemos tener en cuenta que:

1. Cuanta más intensidad transporten, los cables eléctricos deben tener mayor tensión.
2. A mayor intensidad, gran parte de la energía eléctrica se pierde al transformarse en calor, porque al circular más intensidad hay más electrones y más choques entre ellos y el material del cable conductor.

Por tanto, puesto que la potencia (P) viene definida por P=V x I, si queremos transportar energía eléctrica de forma que las pérdidas de potencia sean mínimas, debemos aumentar la tensión y disminuir la intensidad. Por ejemplo, si queremos obtener una potencia de 1200 MW, podemos transportar:

• 76 000 V con una intensidad de 9300A.
• 400 000 V con una intensidad de 1700 A

La potencia disipada, por kilómetro de cable, en el primer caso (9300 A) será 0,76 MW, y en el segundo caso (1700 A), mucho menor: 0,025 MW.

El elemento que nos permite cambiar la tensión y la intensidad de la corriente eléctrica es el transformador. Su característica principal es que el producto de tensión e intensidad a su entrada y a su salida es constante. El transformador puede ser elevador (sube la tensión, baja la intensidad) o reductor (baja la tensión, sube la intensidad).

Transformador

distintas centrales

red eléctrica de medio voltaje

red eléctrica de bajo voltaje

estación eléctrica

subestación eléctrica

subestación eléctrica

red eléctrica de alto voltaje

distribución a industrias y hogares

distribución a industrias

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