Ejercicios: 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.

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).

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.

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?

Explica qué fenómeno natural aprovecha cada una de estas centrales renovables menos conocidas: (a) la mareomotriz (la subida y bajada del agua del mar con las mareas) y (b) la geotérmica (el calor del interior de la Tierra). Cita una condición geográfica que necesita cada una.

A la salida del alternador, un transformador eleva la tensión a cientos de miles de voltios para el transporte. Explica, razonando con $P = V \cdot I$, por qué interesa transportar la misma potencia con tensión alta y corriente baja (las pérdidas por calentamiento de los cables dependen de la intensidad).

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.

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).

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.

Una central de $500\ \text{MW}$ funciona a plena potencia durante un día completo. (a) Calcula la energía generada en $\text{MW} \cdot \text{h}$, $E = P \cdot t$. (b) Si una vivienda consume unos $10\ \text{kW} \cdot \text{h}$ al día, calcula a cuántas viviendas equivale la producción diaria de la central (cuidado con el cambio de unidad). (c) Comenta el resultado: ¿qué te dice sobre la escala de una central?

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.

Una central hidráulica reversible tiene dos embalses a distinta altura: de día genera electricidad al caer el agua, y de noche, cuando sobra energía barata, bombea el agua de vuelta al embalse superior. Explica qué función cumple en el sistema eléctrico (actúa como una batería gigante) y razona por qué, aun perdiendo algo de energía en el ciclo, resulta útil.

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.

Asigna a cada central su impacto más característico, justificando brevemente: (a) térmica de carbón (emisiones de $\text{CO}_2$), (b) nuclear (residuos radiactivos de larga vida), (c) hidráulica de embalse (valle inundado y ecosistemas fluviales alterados), (d) eólica (impacto paisajístico y sobre aves) y (e) fotovoltaica (ocupación de suelo y reciclaje de paneles).

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».

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.

Un parque eólico tiene aerogeneradores que suman $3\ \text{MW}$ y produce el equivalente a $2.200\ \text{h}$ anuales a plena potencia. (a) Calcula la energía anual generada, en $\text{MW} \cdot \text{h}$. (b) Si esa energía sustituye a una térmica de gas que emite $0{,}4\ \text{t}$ de $\text{CO}_2$ por cada $\text{MW} \cdot \text{h}$, calcula las toneladas de $\text{CO}_2$ evitadas al año. (c) Calcula el «factor de utilización» del parque ($2.200$ horas sobre las $8.760$ del año) y comenta qué dice ese porcentaje sobre la eólica.

Una central mareomotriz de $240\ \text{MW}$ solo genera cuando la marea sube o baja con suficiente fuerza: unas $10$ horas al día de media. (a) Calcula su energía diaria y compárala con la de una central gestionable de la misma potencia funcionando las $24$ horas. (b) Explica qué ventaja tiene la marea frente al viento como fuente variable (es perfectamente predecible con años de antelación). (c) Razona por qué apenas hay centrales mareomotrices en el mundo (hacen falta mareas de mucha amplitud y estuarios cerrables).

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.

Una isla aislada, sin conexión al continente, se abastece hoy con un grupo diésel y quiere añadir eólica, fotovoltaica y baterías. Diseña el sistema: (a) qué fuente pondrías como respaldo permanente y por qué sigue siendo necesaria; (b) qué aportan la eólica y la solar y en qué se complementan (viento nocturno y tormentoso frente a sol diurno); (c) qué función cumplen las baterías ante una nube o una racha de calma de minutos.

La biomasa se clasifica como renovable aunque quemarla emite $\text{CO}_2$. (a) Explica el argumento del balance de carbono: el árbol capturó antes ese $\text{CO}_2$ al crecer, así que el ciclo sería neutro. (b) Analiza qué condiciones deben cumplirse para que el argumento sea válido (replantar al ritmo que se quema, contar el transporte y el secado). (c) Valora si considerarías la biomasa una solución general o un recurso para aprovechar residuos locales, justificando tu postura.

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.