Presentació del tema 2 de MCGrawHill de Tecnologia Industrial 1: Producció d'energia elèctrica

1. Producció i distribució d’energia elèctrica
Tecnologia Industrial 1
INS Frederic Mompou

2. Producció i distribució d’energia
elèctrica
•
•
•
•
•
Centrals elèctriques productores d’energia
Centrals hidroelèctriques
Centrals termoelèctriques convencionals
Centrals nuclears
Distribució de l’energia elèctrica

3. Producció elètrica a Catalunya (2010)

4. Centrals elèctriques productores
d’energia
Centrals elèctriques: instal·lacions que disposen
d’un conjunt de màquines motrius i aparells que
s’utilitzen per generar energia elèctrica
(transformen l’energia primària en energia
elèctrica)
Reben el nom genèric de l’energia primària que
utilitzen: centrals termoelèctriques (de carbó, de
gas, de fuel), centrals nuclears, centrals
hidroelèctriques, centrals eòliques, centrals
geotèrmiques….

5. Centrals elèctriques productores
d’energia
A l’any 2010 a Espanya hi havia en funcionament unes
500 centrals elèctriques, de les quals aprox 400 eren
hidroelètriques, 100 termoelèctriques convencionals i 8
nuclears.

6. Producció, transport i consum
d’energia
L’element principal de qualsevol central
generadora d’energia (tret de les fotovoltaiques)
és el generador elèctric o alternador, que
transforma l’energia mecànica en energia
elèctrica.
Potència instal·lada: és la potència que pot
generar l’alternador amb un factor de potència
determinat.
Per transferir l’energia elèctrica de les centrals
generadores fins als centres de consum
s’utilitza la xarxa elèctrica, que consta de línies
elèctriques de transport, estacions
transformadores i línies de distribució.

7. Producció, transport i consum
d’energia
L’inconvenient principal
de l’energia elèctrica
produïda a les centrals
és que no es pot
emmagatzemar; per
tant, si no es
consumeix, es perd.
Per això cal regular-ne
la producció i ajustar-la
al consum.

8. Tipus de centrals
Segons el servei que proporcionen en el consum global de la xarxa,
les centrals es classifiquen:
• Centrals de base o principals: estan destinades a
subministrar energia elèctrica de manera contínua. Tenen una
potència elevada i normalment són nuclears, grans
termoelètriques i hidroelèctriques.
• Centrals de punta: estan projectades per cobrir demandes
d’energia a les hores punta. Treballen en paral·lel amb les
principals.
• Centrals de reserva: tenen com objectiu substituir total o
parcialment la producció d’una central de base, en cas d’avaria,
manteniment o reparació.
• Centrals de bombeig: són centrals hidroelèctriques que
aprofitant l’energia sobrant a les hores vall, per bombar aigua a
un embassament superior, i a les hores punta l’aprofiten per
proporcionar energia a la xarxa.

9. Centrals hidroelèctriques
Les 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 al alternadors.

10. Centrals hidroelèctriques
La primera central hidroelèctrica es va construir l'any 1880 a Northumberland,
Gran Bretanya. El principal impuls de la energia hidràulica es produí pel
desenvolupament del generador elèctric, seguit del perfeccionament de la
turbina hidràulica i degut l'augment de la demanda d’electricitat a principis del
segle XX. L'any 1920 les centrals hidroelèctriques generaven ja una part
important de la producció total d'electricitat.

11. Centrals hidroelèctriques
Canadà obté un 60% de la seva electricitat de centrals hidràuliques. En tot el
món la hidroelectricitat representa aproximadament la quarta part de la
producció total d’electricitat, i és molt important en països com Noruega (99%),
Zaire (97%) i Brasil (96%).
La central de Itaipú, en el riu Paraná, està situada entre Brasil i Paraguay; es
va inaugurar el 1982 i genera uns 14000MW.
Com a referència, la presa Grand Coulee, als Estats Units, genera uns 6.500
MW i és una de les més grans del món.
Les tres gorges, riu Yangtsé (Xina) 2003-2009:
22500MW

12. Centrals hidroelèctriques: centrals
d’aigua fluent
De centrals hidroelèctriques n'hi ha de diferents tipus:
Centrals d'aigua fluent
•Es construeixen en llocs en que l'energia hidràulica ha de ser
utilitzada en l'instant que es disposa d'ella per a accionar les
turbines hidràuliques.
•Són centrals de poc rendiment, atès que no es pot regular el
cabal de l'aigua que porta el riu, i per tant, pot ser molt irregular
segons l'època de l'any.

13. Centrals hidroelèctriques: centrals
d’aigua embassada
Centrals d'aigua embassada
• 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 característiques constructives de l'aprofitament
hidràulic.
• Bàsicament es concreten en dos models, amb diferents variants:
les centrals d'aprofitament per derivació de les aigües o
centrals d'aprofitament per acumulació de les aigües.

14. 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,
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 que alimenta una canonada forçada que
condueix l'aigua fins a la turbina situada molt per sota del nivell del canal
(sala de màquines de la central). A la sortida de la turbina l'aigua és
retornada al riu, aigües avall, amb una canonada, situada al peu de la
presa.

15. Centrals hidroelèctriques: centrals
d’aigua embassada
Centrals d'acumulació
Se situen en un tram de riu amb desnivell apreciable, i s'hi
construeix una presa que obstaculitza el pas de les aigües,
produint un embassament. El nivell de l'aigua se situarà en un
punt proper a l'extrem superior de la presa que, en funció de la
seva alçada, adquireix més o menys energia potencial. A mitja
alçada de la presa, per aprofitar el volum de l'aigua
emmagatzemada, hi ha la sortida d'aigua que alimentarà les
turbines de la central, situades al peu de la presa.

16. Components d’una central
hidroelèctrica
Els elements més característics d’una central hidroelèctrica són: la
presa, els conductes d’aigua, la sala de màquines, els transformadors i
el parc de distribució.
La presa
La presa és una construcció, normalment de formigó, que s'alça
sobre el terra del riu perpendicular a la seva direcció, amb la
finalitat de retenir l'aigua, per a elevarla a un nivell suficient i formar
un embassament o llac artificial.
Depenent de les característiques orogràfiques i del seu ubicament,
es triarà entre un tipus de presa o una altre.

17. Tipus de preses
Hi ha 4 tipus diferents de preses, són les
següents:
De gravetat, la força de l'aigua
emmagatzemada és contrarestada amb el
mateix pes de la presa. El perfil
transversal és triangular i es necessita
una gran quantitat de material per a la
seva construcció. Una variant és la presa
de contraforts.
De contraforts, formades per una paret
impermeable situada aigües adalt, i
contraforts resistents per a la seva
estabilitat, situats aigües avall. Aquest
tipus de presa, gràcies a la seva
disposició, permeten un estalvi important
del material utilitzat en la seva construcció

18. Tipus de preses
De gravetat
de contraforts

19. Tipus de preses
De volta o arc senzill, estan construïdes
de manera que la planta de la presa forma
un arc que ha d'estar fortament ancorat a
les parets laterals del riu, on transmet les
forces que provoquen la contenció de
l'aigua. El seu perfil és més esvelt que el de
les preses de gravetat, de manera que el
material necessari per construir-la es
redueix molt.
De terra, disposen d'un nucli de material
argilós, que a vegades és tractat
químicament amb ciment.

20. Tipus de preses
D’arc senzill o de volta
de terra

21. Els conductes d’aigua
Per tal d’alimentar les turbines, les
preses tenen unes comportes que
permeten regular el cabal i estan
protegides per uns reixats metàl·lics
que impedeixen que branques,
troncs,… puguin deteriorar-les.
Com que la majoria de preses també
tenen la funció de regular el cabal
dels rius, han de permetre l’evacuació
d’aigua sense passar per la turbina;
per això utilitzen sobreeixidors
equipats amb comportes, i a peu de
presa es construeixen uns elements
esmorteïdors de l’energia adquirida
per l’aigua quan cau. A la part més
fonda de la presa hi ha desguassos,
que permeten el buidatge de tot el
pantà.

22. La sala de màquines
A la sala de màquines hi ha les màquines motrius de la central, els
anomenats grups turboalternadors. En funció de l’altura de salt i
del cabal d’aigua s’utilitzen diferents tipus de turbines:
– Turbines Pelton: en salts de gran altura (50-400m) i cabal regular
– Turbines Francis: en salts (5-100m) mitjans i cabal variable
– Turbines Kaplan: salts de poca altura (2-10m) i cabal molt variable

23. Tipus de turbines: turbina Pelton
Una turbina Pelton es una de les més eficients
dels tipus de turbines hidràuliques.
La turbina Pelton és el que s'anomena una turbina
"d'acció", ja que l'element impulsor (normalment
aigua) s'aplica directament sobre ella per a fer-la
moure.
Al voltant de tot el rodet, hi ha els catúfols amb
forma de cullera doble i que són d'una gran
eficiència. L'aigua es fa arribar en la direcció més
idònia cap a aquests àleps a una pressió altíssima
a través d'uns injectors (amb una agulla interior
que en regula el cabal).
És el tipus de turbina més apropiada per a grans
salts d'aigua i petits o mitjans cabals, com els que
hi ha a les petites centrals hidroelèctriques del
Pirineu, tot i que són capaces de generar potències
gens menyspreables.

24. Tipus de turbines: turbina Kaplan
Les turbines Kaplan són turbines d'aigua
de reacció de flux axial, amb un rodet que
funciona de manera semblant a l'hèlix d'un
vaixell.
S'empren en salts de petita alçària. Les
àmplies pales o àleps de la turbina són
impulsades per aigua a alta pressió
alliberada per una comporta.
L'aigua hi circula en el mateix sentit a l'eix.
A més de poder regular la inclinació dels
deflectors, també es pot regular la dels
àleps del rotor, de manera que la turbina
s'adapta a les necessitats de potència de
cada moment.
S'utilitza per a petits salts i grans cabals,
com els dels embassaments

26. Tipus de turbines: turbina Francis
La turbina Francis va ser desenvolupada per
James B. Francis.
La turbina Francis és el que s'anomena una
turbina "de reacció", ja que l'element impulsor
(normalment aigua) s'aplica a través d'ella, i és la
pròpia circulació de l'element impulsor allò que la
fa moure.
Consta d'una part fixa, amb unes guies corbades
anomenades deflectors (o distribuidor), i d'una
part mòbil amb àleps, també corbats,
anomenada rotor.
La inclinació dels deflectors es pot regular per
ajustar el cabal aplicat als àleps, regulant així la
velocitat de la turbina.
És un tipus de turbina molt apropiat per salts
mitjans-alts amb cabals mitjans, èssent capaces
de produïr potències elevadíssimes.

27. Transformadors i parc de distribució
La tensió del corrent elèctric obtinguda als alternadors és igual o inferior
a 20kV. Per elevar la tensió a un valor adequat per al seu transport als
centres consumidors s’utilitzen els transformadors. Amb aquesta
elevació de tensió s’eviten pèrdues d’energia.
En el parc de distribució, la central es connecta a la xarxa de
transport. Aquest transport es realitza mitjançant les línies d’alta tensió.
La majoria de les centrals estan interconnectades a través de la xarxa de
transport, i per tant, han d’estar sincronitzades.

28. Funcionament d’una central
hidroelèctrica

29. Funcionament d’una central
hidroelèctrica
① Aigua.
② Presa.
③ Comportes i reixats.
④ Canonada forçada.
⑤ Turboalternadors.
⑥ Turbines.
⑦ Rotor de l'alternador.
⑧ Generador.
⑨ Xarxa elèctrica.
⑩ Transformadors.

30. 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 els excedents d'energia a les hores vall i subministren energia al
sistema a les hores punta.
Disposen de dos embassaments, el superior, per alimentar la central, i l'inferior, que
recull l'aigua que utilitza la central. A les hores punta, quan la demanda d'energia és
màxima funcionen com a centrals hidroelèctriques normals, produint energia elèctrica
en alimentar els grups turboalternadors amb l'aigua de l'embassament superior. A les
hores vall, quan a la xarxa sobra energia, aquesta és utilitzada per bombejar aigua de
l'embassament inferior al superior.
Existeixen 2 tipus de centrals de bombeig:
Centrals de bombeig pur- Per produir energia elèctrica és condició indispensable
haver bombejat prèviament aigua a l'embassament superior, ja que només rep l'aigua
de l'inferior.
Centrals de bombeig mixt- Poden produir energia indistintament amb o sense
bombeig previ, perquè l'embassament superior també està alimentat per un riu.

31. http://www.unesa.es/images/bombeo.swf

32. Minicentrals hidroelèctriques
Són centrals de potència compresa entre 250 i 10MW. Aquestes centrals
eren les subministradores d'energia elèctrica de petits nuclis rurals i de
fàbriques situades al costat dels rius.
Avui en dia, amb els problemes mediambientals que hi ha es veuen les
coses des d'una altre perspectiva. Això ha fet que es vagin recuperant
infrastructures abandonades proporcionant-li nous aparells automatitzats i
turbines d'alt rendiment. En conseqüència, l'impacte mediambiental no és
més del que ja existia o com a mínim inferior al de una gran central
hidroelèctrica. Aquestes instal·lacions amb una potència inferior als 10MW
se les denomina mini-hidràuliques.
Les minicentrals hidroelèctriques estan condicionades per les
característiques del lloc on estan situades. La topografia del terreny influeix
en l'obra civil i en la selecció del tipus de màquina.

33. Les centrals hidroelèctriques i el medi
ambient
• Avantatges
– No emeten partícules contaminants i no generen
residus directes
– Efecte regulador del cabal
• Inconvenients
– Pèrdua de terrenys fèrtils i moviment població
– Alteració de cabals i erosió
– Modificació fauna i flora
– Acumulació de matèria orgànica
– La construcció de grans embassaments pot variar el
clima, modificant l’ecosistema

34. Centrals termoelèctriques
convencionals
Les centrals termoelèctriques convencionals (o tèrmiques) generen
energia elèctrica a partir de l’energia tèrmica produïda per la
combustió del carbó, fuel o gas natural

35. Centrals termoelèctriques
convencionals
Les centrals termoelèctriques convencionals o tèrmiques generen energia elèctrica a
partir de l’energia tèrmica produïda per la combustió de carbó, fuel o gas natural.
L'emplaçament de les centrals tèrmiques convencionals dependrà
del tipus de combustible utilitzat. Així, les que utilitzen carbó nacional
se situen a prop de les mines per evitar costos de transport, i les que
utilitzen carbó importat ho fan prop dels centres de consum, però el
més lluny possible de la població. Les que utilitzen fuel també se
situen prop de la costa i, preferentment, de les refineries

36. Components d’una central
termoelèctrica
•
•
•
•
•
•
•
•
Els elements característics d’una central termoelèctrica
són:
Magatzem de combustible
Caldera
Turbines
Condensador
Torre de refrigeració
Xemeneia
Equip elèctric principal
Sales de tractament d’aigua d’alimentació

37. Components d’una central
termoelèctrica

38. Components d’una central
termoelèctrica

39. Components d’una central
termoelèctrica
Si el combustible és carbó, la central disposa d'un recinte per
dipositar-lo i disposar d'una reserva permanent. El carbó es tritura en
forma de pols fina per facilitar-ne la combustió. Del molí és enviat als
cremadors de la caldera mitjançant corrents amb aire preescalfat.
En el cas del fuel, s’emmagatzema en grans dipòsits que tenen
reserva per a un o dos mesos. El fuel és preescalfat perquè fluïdifiqui i
s'injecta als cremadors. Si utilitza gas natural, que normalment arriba
a la central en gasoductes a alta pressió, que, mitjançant una estació
reductora de pressió, s'adequa a les característiques de funcionament
dels cremadors
Les centrals que estan dissenyades per utilitzar diferents
combustibles, per exemple carbó i gas natural, s'anomenen
termoelèctriques mixtes.

40. Components d’una central
termoelèctrica
Caldera
Hi ha molts tipus de calderes. Les més utilitzades són les de radiació,
anomenades així perquè la transmissió de la calor és per radiació. Les
calderes disposen de cremadors adequats al tipus de combustible que
utilitzen i una cambra de combustió rodejada d'infinitat de tubs pels
quals hi circula l'aigua per vaporitzar.
Els reescalfadors són les parts de la caldera destinades a eliminar les
petites gotes d'aigua que acompanyen el vapor, per convertir-lo en vapor
sec.
Els economitzadors i pre-escalfadors aprofiten la calor residual dels
gasos emesos per fer un escalfament previ a l'aigua que alimenta la
caldera, al combustible quan és necessari i a l'aire utilitzat en la
combustió.

41. Components d’una central
termoelèctrica
Turbines
Són les màquines motrius que transformen l'energia cinètica del
vapor d'aigua en energia cinètica rotatòria en el rodet. Per obtenir el
màxim rendiment de la transformació estan formades per tres parts:
alta, mitja i baixa pressió.
El vapor a alta temperatura i pressió procedent del reescalfador
s'introdueix a la turbina en el cos d'alta pressió formada per
centenars d'àleps petits. A mesura que el vapor s’expandeix i perd
pressió, va cap a la zona d'àleps més grans. Així, en la part de mitja
pressió els àleps són més grans que en la d'alta i en la baixa encara
en són més.

42. Components d’una central
termoelèctrica
Condensador
Per augmentar el rendiment 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 la caldera per tal de repetir el cicle.
Torre de refrigeració
Serveix per refredar l'aigua del condensador. Els circuits de refrigeració
poden ser oberts o tancats, en funció de les disponibilitats de l'aigua. En
els circuits tancats és imprescindible refredar l'aigua per tornar-la a
utilitzar. En els circuits oberts, que utilitzen aigua del riu, és necessari,
per no afectar la fauna, que es retorni al riu amb la temperatura més
semblant possible a la de l'aigua del riu. El seu funcionament és molt
simple: es provoca una pluja molt fina de l'aigua per refrigerar perquè
ofereixi una bona superfície de contacte amb l'aire que circula en sentit
contrari.

43. Components d’una central
termoelèctrica
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 xemeneies de tir natural en què la circulació dels gasos és
provocada per la geometria de la mateixa xemeneia, o de tir forçat quan
la circulació és ajudada per mitjà d'impulsors mecànics.
En funció del combustible utilitzat disposen de filtres més o menys
sofisticats per eliminar al màxim possible les partícules sòlides en
suspensió i els elements contaminats abans d'alliberar els gasos a
l'atmosfera.

44. Components d’una central
termoelèctrica
Equip elèctric principal
Està format per l'alternador, els transformadors i el parc de distribució.
Sala de tractament de l'aigua d'alimentació
L'aigua utilitzada a la caldera és quasi sempre aigua natural que conté
diferents sals minerals i gasos dissolts. Aquestes sals es precipiten
formant fang i incrustacions en els tubs. El bon funcionament de la
caldera depèn en gran part de la qualitat de l'aigua; per tant, les centrals
van equipades amb instal·lacions de tractament de les aigües, que, amb
addició de substàncies químiques, contraresten les sals que conté
l'aigua i eviten els fangs i les incrustacions. També se n'augmenta el pH
per evitar el seu efecte corrosiu.
.

45. Funcionament d’una central
termoelèctrica
Des del recinte d’emmagatzematge del carbó, una cinta transportadora (1)
el diposita en una tremuja (2) que alimenta el molí triturador (3), on es
convertit en una pols molt fina per facilitar-ne la combustió. La pols de carbó
es barreja amb aire pre-escalfat i s'injecta en els cremadors de la caldera
(4), on es produeix la combustió.
La calor despresa en la combustió escalfa l'aigua dels tubs i produeix vapor,
i en el reescalfador (6) es eliminada la humitat i augmentada la temperatura;
en aquestes condicions s'introdueix a la turbina d'alta pressió, a la de mitja
pressió amb un rescalfament previ (7) i a la de baixa pressió. El vapor
s'expandeix en els diferents cossos de la turbina i cedeix energia cinètica al
rotor de la turbina, que, en girar arrossega el rotor de l'alternador (19) on es
produeix l'energia elèctrica que, a través dels transformadors (11), el parc de
distribució i les línies de transport, arriba als centres consumidors.

46. Funcionament d’una central
termoelèctrica
A la sortida de les turbines el vapor passa al condensador (15), es refreda i
es condensa. L'aigua condensada se sotmet a diferents etapes de preescalfament (18) i s'introdueix a la caldera a través de l'economitzador (8)
amb les condicions de pressió i temperatura més adequades per obtenir un
màxim rendiment de cicle.
L'aigua de refrigeració utilitzada en el condensador cedeix la calor extreta
del condensador a l'atmosfera per mitjà de les torres de refrigeració (17).
Els gasos de la combustió, en sortir de la caldera aspirats per la xemeneia
s'utilitzen per escalfar l'aire de la combustió (9), i amb els precipitadors (10)
es reté la major part possible de partícules sòlides contaminants, i surten
seguidament per la xemeneia, que normalment són de molta alçada per tal
de dispersar els contaminants no eliminats a les capes altes de l'atmosfera.

47. Funcionament d’una central
termoelèctrica

48. Les centrals termoelèctriques i el medi
ambient
DEGUT A LA
COMBUSTIÓ A LA
CALDERA
Grans quantitats de CO2
Carbó
Depenent del combustible
emprat, es poden produir
diferents compostos tòxics.
el sofre
EFECTE
HIVERNACLE
PLUJA ÀCIDA i
SMOG
Fuel
ÒXIDS DE
NITROGEN
Gas
natural
No produeix tòxics a la combustió
Si fa servir torre de refrigeracióConsum de grans quantitats
d’aigua
Si fa servir l’aigua del mar o
Alteracions de la temperatura de
d’un riu
l’aigua
Impacte produït per l’extracció i transport dels combustibles
Impacte produït per les instal·lacions, dipòsits, canalitzacions, línies
elèctriques…

49. Noves tecnologies
Per tal minimitzar els efectes contaminants de les centrals tèrmiques i
millorar-ne la seva eficiència, s’estan desenvolupant noves tecnologies:
•Sistemes de dessulfuració de combustibles: permeten transformar
els òxids de sofre en compostos solubles de fàcil eliminació.
•Gasificació del carbó: el gas és molt menys contaminant.
•Combustió en llit fluid: combustió del carbó a menys temperatura –la
majoria dels contaminants romanen amb els residus, no s’emeten a
l’atmosfera-. Més rendiment
•Centrals de cicle combinat: utilitzen gas natural. Rendiment del 60%
(les convencionals tenen un rendiment del 35%). En aquestes centrals,
la combustió es duu a terme a la cambra de combustió d’una turbina de
gas, que arrossega directament un generador elèctric. Els gasos
emesos s’utilitzen per escalfar una caldera que produeix vapor que
acciona una turbina convencional amb el seu generador.

50. Noves tecnologies: central de cicle
combinat

51. Noves tecnologies: central de cicle
combinat
Les centrals de cicle combinat utilitzen gas natural. Tenen rendiments de fins
al 60%, molt superiors als de les centrals tèrmiques (35%).

52. Noves tecnologies: central de
cogeneració
S’entén per cogeneració la producció simultània d’energia elèctrica i
tèrmica en la mateixa instal·lació.
Una central de cogeneració na produeix energia elèctrica utilitzant
un combustible i aprofita la calor residual per a l’obtenció d’aigua
calenta per a calefacció, vapor, fluids escalfats, etc., segons les
necessitats de la zona on hi ha la central.
Els sistemes de cogeneració tenen molta aplicació en indústries, centres
hospitalaris, hotels, etc., en què les necessitats d’energia tèrmica s´n tan
importants com les d’energia elèctrica.

53. Noves tecnologies: central de
cogeneració
El rendiment d’aquestes instal·lacions pot arribar al 90%.
Poden produir fins a 2MW de potència amb motors dièsel, i
fins a 10MW si funciona amb turbines de gas.
Són poc contaminants, ja que el seu rendiment energètic és
molt alt.

54. Noves tecnologies: central cogeneració
En aquesta figura hi ha representat l'esquema de funcionament d'una central de
cogeneració. El combustible es crema en un generador de vapor (1) i el vapor produït
acciona un grup turbina-alternador (2 i 3) per obtenir energia elèctrica (4). El vapor
procedent de la turbina escalfa una caldera (5) que proporciona aigua calenta per a
serveis domèstics o processos industrials (6) després l'aigua calenta és retornada al
generador de vapor per tornar a iniciar el cicle. Si el vapor no disposa de suficient
energia tèrmica per escalfar l'aigua de la caldera. s'obté amb un cremador auxiliar.
① Generador de vapor.
② Turbina.
③ Alternador.
④ Energia elèctrica.
⑤ Caldera.

55. Centrals nuclears

56. Centrals nuclears
L'any 1942 l'equip del físic Italià Enrico Fermi de la Universitat de
Chicago, va construir el primer reactor de fissió nuclear. És el punt de
partida amb què els científics comencen a treballar per obtenir sistemes
d'aprofitament de l'energia tèrmica obtinguda en la fissió dels àtoms. Un
dels principals objectius va ser l'obtenció d'energia elèctrica.
Una central nuclear és una central termoelèctrica en què la font
d'energia tèrmica s'obtè de la fissió dels àtoms d'urani i de plutoni.
Les centrals nuclears actuen com a centrals base en el sistema
elèctric, ja que el seu disseny requereix un funcionament amb
parades mínimes a una càrrega al més constant possible.

57. Reacció de fissió
Video: representació reacció de fissió

58. Centrals nuclears: el reactor
nuclear
És la part més important de les
centrals nuclears. El reactor és 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
Parts del reactor:
 Vas.
 Moderador.
 Refrigerant.

59. Centrals nuclears: el reactor nuclear
PARTS DEL REACTOR NUCLEAR
El reactor nuclear està constituït pel vas del reactor. el moderador, les
barres de control i el refrigerant.
Vas del reactor: Forma el nucli del reactor i és un recipient d'acer pur que
conté una font de neutrons (que permet iniciar la reacció en cadena) i el
combustible nuclear (material fèrtil i fissionable, com ara l'urani natural o/i
enriquit i el plutoni).
Moderador: Té la funció de reduir la velocitat dels neutrons emesos en les
reaccions de fissió, per assegurar el seu impacte sobre els altres nuclis
d'urani. Utilitzen com a moderadors l'aigua, l'aigua pesant(formada per dos
àtoms de deuteri i un d'oxigen) i el grafit. Un tipus de reactors, els reactors
ràpids, no disposen de moderador i utilitzen sempre urani enriquit.

60. Centrals nuclears: el reactor nuclear
PARTS DEL REACTOR NUCLEAR (2)
Barres de control: estan formades per materials que absorbeixen
neutrons. Tenen la misió de regular el nombre de fissions que és
produeixen a l'interior del nucli per unitat de temps. Quan les barres de
control hi estan totalment introduïdes, la reacció en cadena s'atura. A
mesura que en 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, introduint-les més o menys en funció de la temperatura de la zona
controlada ( la temperatura és directament proporcional al nombre de
fissions). Les barres de control estan fabricades amb aleacions de bor,
cadmi i hafni.

61. Centrals nuclears: el reactor nuclear
PARTS DEL REACTOR NUCLEAR (3)
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 refigerants 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, l'hidrogen i el nitrogen.

62. Tipus principals de centrals nuclears
Les centrals nuclears utilitzen diferents tecnologies en funció del tipus de
reactor instal·lat. El reactor es caracteritza pel combustible, el refrigerant i
el moderador utilitzats, i determina la configuració de les instal·lacions de
la central.
• Centrals amb reactor d’aigua a pressió (PWR)
• Centrals amb reactor d’aigua en ebullició (BWR)
• Centrals amb reactors de neutrons ràpids

63. Potència nuclear a Espanya
Central Nuclear
Potència (MWe)
Sta. María de Garoña
466
Almaraz I
977
Almaraz II
980
Ascó I
1032,5
Ascó II
1027,2
Cofrentes
Vandellós II
Trillo
TOTAL
1092
1087,1
1066
7727,8

64. Tipus principals de centrals nuclears:
centrals amb reactor d’aigua a pressió
(PWR)
Utilitzen com a combustible urani enriquit i aigua com a refrigerant i
moderador alhora. La calor produïda en el nucli es transfereix a través
del circuit primari de refrigeració fins al circuit secundari per produir
vapor.

65. Tipus principals de centrals nuclears:
centrals amb reactor d’aigua a pressió
(PWR)
El circuit primari, situat a l'interior de l'edifici de contenció, està format per
diferents llaços en paral·lel, en què el refrigerant és impulsat per una
bomba a través de reactor i els corresponents pressionador i intercanviador
o generador de vapor. El generador manté la pressió a 17,22 MPa, i evita,
d'aquesta manera, que l'aigua entri en ebullició (la funció del generador de
vapor és transferir la calor del circuit primari al secundari) .
L'aigua del circuit secundari convertida en vapor a l'intercanviador
s'introdueix en els reescalfadors per tal d'eliminar-ne la humitat i fins que
resta vapor sec, en condicions per entrar a la turbina. De la turbina passa
el condensador per entrar de nou en forma líquida al generador de vapor i
repetir el cicle. Les barres de control situades entre els elements de
combustibles s'introdueix per la part superior del reactor.
El reactor PWR és el més utilitzat del 50% de les centrals en funcionament
el tenen instal·lat.

66. Tipus principals de centrals nuclears:
centrals amb reactor d’aigua en ebullició
(BWR)
Utilitzen urani enriquit i aigua però, a diferència amb els reactors PWR,
només utilitzen un circuit de refrigeració, ja que el vapor s'obté dintre del
reactor; com que l'aigua està a menys pressió entra en ebullició. Per tant,
el circuit primari és més simple

67. Tipus principals de centrals nuclears:
centrals amb reactor d’aigua en ebullició
(BWR)
En el recorregut aigua-vapor, l'aigua és impulsada per una bomba, des
del nucli del reactor als separadors i assecadors de vapor, a la turbina i al
condensador, per tornar a arribar en forma líquida al reactor. Només una
petita quantitat d'aigua que travessa el nucli es converteix en vapor; la
resta, en els reactors més moderns, es fa recircular forçadament amb
una bomba situada a la part inferior del reactor.
En el reactor BWR, l'edifici de turbines ha d'estar protegir per evitar
emissions a l'exterior, ja que el vapor que ha estat en contacte directe
amb el combustible és radioactiu.
El vas del reactor és similar als PWR, però es necessita més espai per
als separadors i assecadors de vapor que estan situats sobre el nucli;
per això les barres del control s'introdueixen per la part inferior.
Aproximadament un 25% de les centrals utilitzen reactors BWR

68. Tipus principals de centrals nuclears:
centrals amb reactor de neutrons ràpids
El reactor no utilitza moderador; per tant, les fissions es fan amb
neutrons ràpids. Per què la reacció nuclear es mantingui és necessari
que la quantitat de combustible per unitat de volum sigui molt superior a
la dels tèrmics.

69. Tipus principals de centrals nuclears:
centrals amb reactor de neutrons ràpids
La potència tèrmica obtinguda és molt elevada, i el refrigerant ha de ser
molt eficaç. S'hi utilitza el sodi líquid.
El combustible és U-235 o Pu-239, tot ell recobert per U-238, que en
absorbir neutrons es converteix en Pu-239. Per això s'anomenen
reactors reproductors, ja que en teoria s'obté més combustible del que
es gasta. Es considera que es poden obtenir rendiments fins a 60
vegades superiors als dels reactors tèrmics.
Els reactors reproductors acostumen a tenir un circuit primari de
refrigeració, un circuit secundar també de sodi líquid i un circuit terciari
en què s'obté el vapor d'aigua per accionar el grup turbina-alternador.
Hi ha molt poques centrals d'aquest tipus en funcionament, ja que es
tracta d'una tecnologia molt recent en procés d'experimentació.

70. Tipus principals de centrals nuclears: noves
tecnologies
Existeixen altres tipus de reactors amb una implantació escassa: els de
gas que utilitzen gas com a refrigerant i grafit com a moderador, en els
seus diferents tipus CGR, AGR, HTGR, i els d'aigua pesant, que la
utilitzen com a refrigerador i moderador.

71. Equipament d’una central nuclear
Una central nuclear consta d'una sèrie d'instal·lacions situades en
diferents edificis.
Edifici de contenció: Conté el reactor i el conjunt d'elements del
circuit primari, format per tres llaços en paral·lel; cada un d'ells disposa
de bomba, pressionador i generador de vapor. És cilíndric, acabat en
cúpula amb forma de casquet esfèric, fet amb uns murs gruixuts de
formigó especial folrats d'acer en el 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 amb reactors BWR, en arribar el
vapor directament del reactor, aquest edifici ha d'estar protegit de
possibles emissions i basaments d'aigua radioactiva.

72. 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 connectat directament amb
el reactor per poder efectuar la recarrega anual de combustible, sense
sortir de la zona de màxima protecció radiològic de la central.
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 és totalment automatitzat i
coordinat per l'ordinador central.
Edifici auxiliar: En el seu interior es disposa de components dels
sistemes auxiliars i de seguretat (salvaguardes tecnològiques), així
com els sistemes de tractament de residus radioactius de baixa
activitat, l'equip de filtratge i d'aire condicionat propi i de l'edifici de
contenció.

73. Funcionament d’una central nuclear

74. Funcionament d’una central nuclear

75. Les centrals nuclears i el mediambient.
Sistemes de seguretat
Impactes comuns als de les centrals hidroelèctriques convencionals:
• contaminació tèrmica de les aigües de refrigeració
• contaminació química de les aigües residuals
• contaminació acústica
Contaminació radioactiva:
• emissions
• gestió de residus
Seguretat màxima: els sistemes de control duplicats, i existeixen
diferents barreres que impedeixen les fuites radioactives a l’exterior.

76. Les centrals nuclears i el mediambient.
Sistemes de seguretat
A Espanya qui s’encarrega de controlar la construcció, disseny,
etc. És un organisme CSN (Consell de Seguretat Nuclear).
Una central nuclear requereix, per tant:
- Personal molt qualificat.
- Revisió anual exhaustiva del reactor i del circuit primari.
- Control constant de tots els equips i manteniment programat.
- Control radioactiu de totes les emissions.
- Vigilància radiològica ambiental de la zona.

77. Les centrals nuclears i el mediambient.
Sistemes de seguretat
Les barreres estan formades
per l’estructura ceràmica del
combustible, juntament amb les
beines que el contenen, el vas
del reactor o barrera de pressió,
els sistemes de protecció del
reactor i del circuit de
refrigeració primària i, finalment,
l’edifici de contenció totalment
estanc.

78. Distribució de l’energia elèctrica
Perquè l’energia elèctrica arribi des dels centres de producció fins els
centres de consum és necessària una infraestructura formada per dues
grans xarxes de línies elèctriques: la xarxa de transport (alta tensió) i la
xarxa de distribució (mitja i baixa tensió).

79. Distribució de l’energia elèctrica
L’energia elèctrica generada a les centrals va de 6 a 20KV. Es transporta a
tensions de 110 a 400KV per tal de disminuir les pèrdues d’energia i
augmentar la capacitat de transport de les línies. Les pèrdues de potència
són:
p
I
3R L I
2
3 LI2
s
P
3V cos
RL = resistència del conductor, es mesura en Ohms (Ω).
I = intensitat de la línia, es mesura en Ampers (A).
P = potència produïda, es mesura en Watts (W).
L = longitud de la línia, es mesura en metres (m).
s = secció de la línia, es mesura en mil·límetres quadrats (mm²).
ρ = resistivitat del conductor, es mesura en Ωmm²/m.

80. Distribució de l’energia elèctrica:
línies elèctriques
Línies elèctriques: són el conjunt conductors, aïlladors i
accessoris destinats al transport i a la distribució d’energia
elèctrica.
Poden ser:
-Aèries, les quals són de fàcil instal·lació i molt manteniment, ja
que estan sotmeses al vent, la pluja o la neu. Normalment els
conductors són nusos d’alumini o de coure amb una ànima d’acer.
Els cables no estan aïllats.
- Subterrànies. Són costoses d’instal·lar. Són conductors d’alumini
i de coure sempre aïllats, dins d’un conducte o bé dins de
construccions. Són molt fiables perquè estan sotmeses a pocs
agents, són fàcils de mantenir però molt cares.

81. Distribució de l’energia elèctrica:
estacions elèctriques
Estacions elèctriques
També s’anomenen subestacions. Tenen com a funció transformar i/o
distribuir l’energia elèctrica i connectar dues o més línies.
Poden ser:
-Est. transformadores primàries (ETI) eleven la tensió a 110, 132, 220 o
400KV.
-Est. d’interconnexió(EI) uneixen diferents línies, ja siguin de la mateixa
tensió o de diferent tensió, mitjançant un transformador.
-Est. transformadores secundàries (ETII) redueixen la tensió a valors de 6 a
66KV, per tal d’alimentar les línies de distribució primàries.
- Casetes transformadores o est. transformadores terciàries (ETIII) redueixen
la tensió a 220 o 380V

82. Distribució de l’energia elèctrica
LT: línies de transport.
LDP: línies de distribució primària.
LDS: línies de distribució secundària.

83. Exercicis
Determina la pèrdua en una línia trifàsica de 220KV que ha de transformar
30MW amb un factor de potència de 0,85 a 50km, si està formada per
conductors d’alumini de resistivitat 0,028 Ωmm²/m de 350mm² de secció.
1.000V
220KV ·
220.000V
1KV
106 W
P 30MW ·
3·107 W
1MW
cos
0,85
1.000m
L 50km·
50.000m
1km
mm 2
0,028
m
s 350mm 2
V
I
P
3V cos
3·107 W
3·220.000V ·0,85
92,62 A
mm 2
3·0,028
·50.000m·(92,62 A) 2
2
3 LI
m
p
s
350mm 2
p 102.941,57W