Sistema eléctrico, generadores y termoeléctricas
Un domingo de lluvia en Caracas se va la luz por unos minutos y, al volver, el bombillo de tu cuarto se enciende como si nada. ¿De dónde viene esa energía? ¿Qué pasó en el camino entre una planta lejana, quizás la represa de Guri, y tu tomacorriente? Y algo más curioso: ¿por qué una planta que quema combustible desperdicia más de la mitad de la energía que gasta? Al final de la página responderás todo esto.
Las etapas del sistema eléctrico
La electricidad no se almacena en grandes cantidades: casi toda se consume en el mismo momento en que se produce. Por eso existe un sistema eléctrico, un conjunto de instalaciones conectadas que la producen, la llevan y la entregan.
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Generación: una planta transforma otra forma de energía (del agua, del combustible…) en energía eléctrica.
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Transmisión: líneas de alta tensión llevan la electricidad a grandes distancias. Se usa tensión muy alta porque así la corriente es menor y se pierde menos energía en forma de calor en los cables.
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Distribución: en las subestaciones y los transformadores se baja la tensión y se reparte por ciudades y urbanizaciones.
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Consumo: hogares, comercios, liceos e industrias.
Un sistema eléctrico se compone de varias etapas, desde donde se produce la electricidad hasta donde se consume. Ordena de principio a fin las siguientes etapas:…
Un sistema eléctrico se compone de varias etapas, desde donde se produce la electricidad hasta donde se consume. Ordena de principio a fin las siguientes etapas: distribución, generación, consumo en los hogares y transmisión en líneas de alta tensión. Explica en una frase qué ocurre en la etapa de generación.
Generadores y transformaciones de energía
Un generador eléctrico convierte energía mecánica de rotación en energía eléctrica: una turbina hace girar un conjunto de bobinas dentro de un campo magnético y así se produce corriente. Lo importante es qué hace girar la turbina.
En una hidroeléctrica, como Guri en el río Caroní, el agua embalsada en lo alto tiene energía potencial gravitatoria. Al caer por las tuberías, esa energía se vuelve cinética y mueve la turbina:
$$\text{E. potencial del agua} \to \text{E. cinética del agua} \to \text{E. mecánica de la turbina} \to \text{E. eléctrica}$$Fíjate en la idea clave: la energía no se crea, se transforma. Cada paso cambia su forma, y en cada uno una parte se «escapa» como calor por el roce y el calentamiento de los equipos. Aun así, la suma total se conserva.
Un generador eléctrico convierte un tipo de energía en energía eléctrica. Completa la frase: «En un generador de una central hidroeléctrica como la de Guri, la energía…
Un generador eléctrico convierte un tipo de energía en energía eléctrica. Completa la frase: «En un generador de una central hidroeléctrica como la de Guri, la energía __ del agua se transforma en energía _ de la turbina y finalmente en energía ___». Justifica brevemente tu respuesta.
La central termoeléctrica
Una termoeléctrica produce electricidad quemando un combustible: gas natural, diésel, fuel oil o carbón. Antes de quemarse, el combustible almacena energía química. Estas son sus partes:
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Caldera: la combustión libera calor (energía térmica) que convierte agua en vapor a alta presión.
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Turbina: el vapor choca con las aspas y las hace girar (energía mecánica). Al expandirse, el vapor se enfría.
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Generador: acoplado a la turbina, produce la energía eléctrica.
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Condensador: enfría el vapor para volver a hacerlo agua líquida, que regresa a la caldera. Aquí se cede al ambiente (río, mar o torres de enfriamiento) gran parte del calor.
La mayor pérdida ocurre al convertir calor en trabajo mecánico: gran parte del calor del vapor no puede transformarse en movimiento y se cede en el condensador. Es una consecuencia de la segunda ley de la termodinámica.
En una central termoeléctrica se quema un combustible para producir electricidad. Indica qué tipo de energía almacena el combustible antes de quemarse y menciona dos…
En una central termoeléctrica se quema un combustible para producir electricidad. Indica qué tipo de energía almacena el combustible antes de quemarse y menciona dos combustibles que puedan usarse en este tipo de central.
Describe la secuencia de transformaciones de energía en una central termoeléctrica de vapor, desde el combustible hasta la electricidad. Debes mencionar el papel de la…
Describe la secuencia de transformaciones de energía en una central termoeléctrica de vapor, desde el combustible hasta la electricidad. Debes mencionar el papel de la caldera, la turbina y el generador, e indicar en qué paso del proceso se pierde la mayor parte de la energía en forma de calor.
Eficiencia y conservación de la energía
Ningún equipo convierte toda la energía que recibe en la forma que deseamos. La eficiencia (o rendimiento) mide qué fracción es útil:
¿Por qué esta fórmula? Porque compara lo que obtienes con lo que gastas. Y por la conservación de la energía:
$$E_{\text{entrada}} = E_{\text{útil}} + E_{\text{disipada}}$$Así, la energía disipada se halla restando. La eficiencia siempre es menor que el 100 %.
Para comparar centrales que entregan la misma energía útil, la que gasta menos combustible es la más eficiente. Una eficiencia baja significa que se necesita más combustible por cada megajoule de electricidad, y que se vierte más calor al ambiente.
Una termoeléctrica recibe, por la combustión del combustible, una energía de $500\ \text{MJ}$ en cierto intervalo de tiempo y entrega $175\ \text{MJ}$ de energía…
Una termoeléctrica recibe, por la combustión del combustible, una energía de $500\ \text{MJ}$ en cierto intervalo de tiempo y entrega $175\ \text{MJ}$ de energía eléctrica en ese mismo intervalo. Calcula su eficiencia como porcentaje y la energía que se disipa al ambiente, indicando qué principio de conservación aplicas.
Una tabla muestra tres centrales que entregan la misma energía eléctrica útil de $300\ \text{MJ}$: | Central | Energía consumida (MJ) | |---|---| | A | 600 | | B | 750 |…
Una tabla muestra tres centrales que entregan la misma energía eléctrica útil de $300\ \text{MJ}$:
| Central | Energía consumida (MJ) |
|---|---|
| A | 600 |
| B | 750 |
| C | 1.000 |
Calcula la eficiencia de cada una y señala cuál aprovecha mejor la energía del combustible. Explica qué significa que una central tenga menor eficiencia.
Potencia, combustible y etapas en cadena
La potencia es la energía por unidad de tiempo: $P = E/t$. Un vatio es un julio por segundo; $1\ \text{MW}=10^6\ \text{W}$. Además, $1\ \text{MJ}=10^6\ \text{J}$, y una hora tiene $3.600\ \text{s}$.
Cuando hay varias etapas en cadena, la energía útil de una es la entrada de la siguiente. Entonces las eficiencias se multiplican:
$$\eta_{\text{total}} = \eta_1\cdot\eta_2\cdot\eta_3$$La etapa con menor eficiencia (aquí, la turbina) es la que más limita el resultado global. Y nunca se llega al 100 %: siempre hay roce, calentamiento de equipos y, sobre todo, calor que debe cederse al condensador.
Una central termoeléctrica tiene una potencia eléctrica de salida de $100\ \text{MW}$ y una eficiencia del $40\,\%$. Calcula la potencia que debe aportar el combustible…
Una central termoeléctrica tiene una potencia eléctrica de salida de $100\ \text{MW}$ y una eficiencia del $40\,\%$. Calcula la potencia que debe aportar el combustible y la potencia que se pierde como calor. Luego, si el combustible aporta $40\ \text{MJ}$ por cada kilogramo, determina cuántos kilogramos se queman en una hora. Presenta cada paso con sus unidades.
Una termoeléctrica tiene tres etapas con estas eficiencias: la caldera aprovecha el $85\,\%$ de la energía del combustible, la turbina el $45\,\%$ de la energía que…
Una termoeléctrica tiene tres etapas con estas eficiencias: la caldera aprovecha el $85\,\%$ de la energía del combustible, la turbina el $45\,\%$ de la energía que recibe del vapor y el generador el $95\,\%$ de la energía mecánica que recibe. Calcula la eficiencia total de la central y la energía eléctrica obtenida si se liberan $1.000\ \text{MJ}$ en la combustión. Argumenta cuál etapa limita más el rendimiento y por qué no es posible alcanzar el $100\,\%$.
Vuelve al principio: la luz de tu cuarto viene de una planta (hidroeléctrica o termoeléctrica) que transforma energía, la transmite en alta tensión y la distribuye hasta tu tomacorriente. Y las termoeléctricas desperdician más de la mitad porque gran parte del calor debe cederse al ambiente y las etapas multiplican sus pérdidas.