Generación de energía eléctrica

Casi todas las centrales comparten tres elementos. Relaciona cada uno con su función: (1) turbina, (2) alternador y (3) transformador, con: (a) convierte el movimiento de giro en energía eléctrica; (b) recibe el empuje del agua, el vapor o el viento y lo convierte en giro; (c) eleva la tensión para transportar la energía con menos pérdidas.

Describe la cadena de transformaciones energéticas de una central térmica de carbón o gas, desde el combustible hasta la red eléctrica: energía química, energía térmica del vapor, energía mecánica de la turbina y energía eléctrica.

Ordena las etapas de una central térmica de biomasa, que te damos desordenadas: (a) el vapor a presión empuja la turbina; (b) el transformador eleva la tensión; (c) la caldera quema el combustible y calienta el agua; (d) el alternador genera electricidad. Escribe la cadena completa y nombra la forma de energía al inicio y al final de cada etapa.

En una central nuclear, el calor se obtiene de la fisión de átomos de uranio, sin combustión. Explica qué tiene en común su proceso con el de una central térmica (todo lo que ocurre a partir de tener vapor a presión) y qué tiene de diferente (cómo se consigue el calor y qué residuos se generan).

Una central térmica recibe $1.000\ \text{MW}$ en forma de calor del combustible y entrega $380\ \text{MW}$ eléctricos. (a) Calcula su rendimiento, $\eta = \frac{P_{electrica}}{P_{termica}} \cdot 100$. (b) Explica a dónde va la mayor parte de la energía perdida (calor cedido al agua de refrigeración y a la atmósfera) y por qué esas torres de refrigeración son tan visibles.

La figura muestra el esquema de una central nuclear, con una etapa marcada con una interrogación, como se muestra en la figura.

(a) Identifica la etapa marcada con la interrogación y explica la conversión de energía que realiza. (b) Escribe la cadena completa de transformaciones de la central. (c) Compara el esquema con el de una térmica de carbón: ¿qué cambia y qué es idéntico? Razona por qué se dice que ambas son «máquinas térmicas con distinta caldera».

Explica qué energía aprovecha una central hidráulica de embalse (la energía potencial del agua almacenada en altura) y escribe su cadena de transformaciones hasta la red eléctrica, señalando qué elemento convierte cada forma de energía en la siguiente.

Un aerogenerador aprovecha la energía cinética del viento. Escribe su cadena de transformaciones energéticas y razona por qué, a diferencia de una térmica, no necesita caldera ni vapor: el viento mueve directamente el rotor.

La figura muestra el esquema de una central hidráulica de embalse, con un elemento marcado con una interrogación, como se muestra en la figura.

(a) Identifica el elemento marcado con la interrogación y explica qué conversión de energía realiza. (b) Escribe la cadena completa de transformaciones de la central, desde el agua embalsada hasta la línea. (c) Razona de qué dos factores depende la potencia que puede dar la central (la altura del salto y el caudal de agua).

Explica la diferencia entre una central solar fotovoltaica (los paneles convierten la luz directamente en electricidad) y una central solar térmica (los espejos concentran el sol para calentar un fluido y mover una turbina). ¿Cuál de las dos se parece más, en su proceso, a una central térmica?

Un panel fotovoltaico de $400\ \text{W}$ recibe el equivalente a $5\ \text{h}$ de sol pleno al día. (a) Calcula la energía que genera al día, $E = P \cdot t$, en $\text{kW} \cdot \text{h}$. (b) Calcula cuántos paneles harían falta para cubrir $10\ \text{kW} \cdot \text{h}$ diarios. (c) Razona por qué el cálculo usa «horas de sol pleno» y no las horas totales de luz del día.

La figura muestra el esquema de una central solar térmica de torre, con una etapa marcada con una interrogación, como se muestra en la figura.

(a) Identifica la etapa marcada con la interrogación y escribe la cadena completa de transformaciones energéticas de la central. (b) Explica qué papel juegan los heliostatos y por qué deben moverse a lo largo del día. (c) Estas centrales pueden almacenar el calor en sales fundidas y generar de noche: razona qué ventaja decisiva supone eso frente a la fotovoltaica sin baterías.

Se dice que la nuclear y la térmica son energías «de base» y la eólica, «variable». Explica qué significa que una central sea gestionable (puede decidir cuándo generar) frente a variable (depende del viento o del sol) y razona por qué un sistema eléctrico necesita de ambos tipos combinados.

La demanda eléctrica de un país varía a lo largo del día: valle de madrugada, pico al mediodía y pico aún mayor al anochecer. El sistema combina nuclear (lenta de regular, barata de operar), hidráulica (muy rápida de arrancar) y ciclos de gas (rápidos pero caros). Razona qué centrales conviene tener en marcha: (a) permanentemente, cubriendo la base de la demanda; (b) solo en los picos; (c) explica por qué la hidráulica es tan valiosa aunque aporte poca energía anual.

Se quieren transportar $100\ \text{MW}$ por una línea. (a) Calcula la intensidad que circularía transportándolos a $400\ \text{kV}$ y a $25\ \text{kV}$, con $I = \frac{P}{V}$ (expresa las potencias en las mismas unidades). (b) Sabiendo que las pérdidas por calentamiento valen $P_{perdida} = I^2 \cdot R$, calcula cuántas veces mayores serían las pérdidas a $25\ \text{kV}$ que a $400\ \text{kV}$ con el mismo cable. (c) Concluye por qué las líneas de larga distancia usan tensiones altísimas y qué dos transformadores necesita la energía en su camino: uno al salir de la central y otro cerca del consumo.