Central de generació elèctrica

Central de generació elèctrica

Una central elèctrica, també denominada planta d'energia, planta de generació elèctrica o estació de potència, és una instalació industrial dissenyada per a la generació d'energia elèctrica.

El núcleu de la majoria d'estes centrals ho constituïxen un o més generadors elèctrics. Estes màquines giratòries transformen l'energia mecànica en energia elèctrica per mig del moviment relatiu entre un conductor elèctric i un camp magnètic, lo que induïx una corrent elèctrica.

La font primària d'energia utilisada per a accionar els generadors varia àmpliament. Històricament, la majoria de les centrals han operat per mig de la combustió de combustibles fòssils com el carbó, el petròleu o el gas natural. Unes atres ampren energia nuclear. En les últimes décades, ha guanyat prominència la generació a partir de fonts d'energia renovables, com l'energia hidroelèctrica, eòlica, solar i undimotriz, entre unes atres.

Història

A principis de la década de 1870, l'inventor belga Zénobe Gramme va desenrollar un generador lo suficientment potent per a produir energia elèctrica a escala comercial, marcant una fita fonamental per a l'electrificació industrial.

En 1878, l'ingenier anglés Lord William Armstrong va dissenyar i va construir la primera central hidroelèctrica del món en la seua residència de Cragside, en Northumberland. El sistema utilisava aigua dels llacs de la propietat per a impulsar una turbina hidràulica. L'electricitat generada s'amprava per a allumenament, calefacció, aigua calenta, un ascensor i diversos usos agrícoles, reduint la necessitat de mà d'obra i millorant la productivitat de la finca.

En l'autumne de 1882, es va inaugurar en Godalming (Anglaterra) una de les primeres centrals elèctriques de servici públic. La seua construcció va ser impulsada pel desacort entre l'ajuntament i la companyia de gas local sobre les tarifes, lo que va dur a la municipalitat a optar per l'electricitat. Aprofitava l'energia hidràulica del riu Wey per a l'allumenat públic i domèstic. No obstant, el proyecte no va anar comercialment viable i la ciutat finalment va reprendre l'us de gas.

Eixe mateix any, en Londres, va entrar en funcionament la primera central tèrmica de carbó per a us públic: la Edison Electric Light Station, un proyecte de Thomas Edison gestionat per Edward Johnson. Una caldera Babcock & Wilcox alimentava un motor de vapor de 125 cavalls de força que accionaba un generador de 27 tonellades. L'electricitat es distribuïa a través dels conductes del viaducte de Holborn, evitant excavar les calles —domini de les companyies de gas—. Entre els seus primers clients es trobaven el Temple de la City, l'Old Bailey i l'Oficina de Telégrafs de Correus, para la conexió dels quals Johnson va tendir cables aéreus sobre la taverna Holborn Tavern i Newgate.

També en 1882, Edison va inaugurar en Nova York la Central de Pearl Street, destinada a proporcionar allumenament elèctric al baix Manhattan. La planta, que va funcionar fins a ser destruïda per un incendi en 1890, amprava motors de vapor alternatius per a moure generadors de corrent contínua (CC). La distribució en CC llimitava el radi de servici per la caiguda de tensió en els cables. En 1886, George Westinghouse va començar a construir un sistema de corrent alterna (CA), que utilisava transformadors per a elevar el voltage en la transmissió a llarga distància i reduir-ho per al seu us final, un model molt més eficient i econòmic que assentaria les bases del sistema modern. La cridada Guerra de les corrents es va resoldre finalment a favor de la CA, encara que alguns sistemes de CC varen persistir fins a finals de el XX.

Inicialment, els sistemes de CA operaven a distintes freqüències segons la seua aplicació: altes per a allumenament i baixes per a tracció i motors pesats. L'economia de la generació centralisada va millorar significativament en l'unificació de freqüències, permetent que una mateixa central abastira demanda industrial diürna, sistemes de transport en hores pique i allumenat nocturn. Açò optimisava el factor de càrrega i reduïa el cost general. No obstant, moltes centrals seguien especialisades, recorrent a convertidors rotatius per a adaptar la corrent entre rets.

Durant les primeres décades de el XX, les centrals varen créixer en tamany i eficiència gràcies a majors pressions de vapor i a l'interconexió de múltiples plantes, lo que va millorar la fiabilitat i va reduir costs. La transmissió de CA a alt voltage va permetre integrar energia hidroelèctrica procedent de llocs remots. L'introducció de la turbina de vapor cap a 1906 va revolucionar el sector: va lliberar als generadors de les llimitacions mecàniques dels motors alternatius i les correges de transmissió, permetent unitats d'enorme potència. Proyectes com el de Sebastian Ziani de Ferranti, que havia planejat construir el major motor alternatiu de vapor per a una central, es varen abandonar davant la superioritat de la turbina. L'expansió d'estos sistemes va requerir tant perícia ingenieril com a visió financera. Entre els pioners de la generació centralisada destaquen George Westinghouse i Samuel Insull en Estats Units, i Ferranti i Charles Hesterman Merz en el Regne Unit.

Centrals tèrmiques

Artícul principal → Central termoelèctrica.

En les centrals tèrmiques, l'energia mecànica necessària per a moure els generadors és produïda per un motor tèrmic. Este motor transforma l'energia tèrmica, generalment lliberada en la combustió d'un combustible o en una reacció nuclear, en energia de rotació. La majoria d'estes centrals operen per mig de la generació de vapor que impulsa una turbina, per lo que també li les coneix com a centrals de vapor.

D'acort en la segona llei de la termodinàmica, no tota l'energia tèrmica pot convertir-se en treball útil. En conseqüència, una part significativa de la calor es dissipa al mig ambient com un subproducte inevitable. Si esta calor residual es recupera i utilisa per a processos industrials, calefacció urbana o desalinización d'aigua, la central rep el nom de central de cogeneración o central de calor i energia combinada (CHP, per les seues sigles en anglés). En regions en rets de calefacció urbana extenses, existixen instalacions especialisades cridades centrals tèrmiques o estacions de calderes que generen únicament calor

Eficiència i factors que la determinen

La eficiència termodinàmica d'una central tèrmica està llimitada principalment per la temperatura màxima que pot alcançar el decorregut de treball (generalment vapor d'aigua). Per lo tant, per a unes mateixes condicions de pressió i temperatura del vapor, centrals que utilisen diferents fonts primàries —com carbó, energia nuclear o gas natural— tenen #eficiència teòriques similars. En la pràctica, l'eficiència operativa està fortament influenciada pel règim de funcionament: una central que opera de forma contínua a la seua capacitat nominal (carrega base) és més eficient que una utilisada de manera intermitent per a cobrir picos de demanda (càrrega màxima), ya que les turbines de vapor alcancen la seua màxima eficiència en condicions estables i de plena càrrega.

Millora de l'eficiència: Cicle combinat

Una de les formes més efectives d'aumentar l'eficiència global d'una central tèrmica és l'implementació d'un cicle combinat. Esta tecnologia integra dos cicles termodinàmics distints en una sola instalació. La configuració més comuna consistix en utilisar els gasos d'escape a alta temperatura d'una turbina de gas (que funciona en gas natural o diésel) per a generar vapor en una caldera de recuperació. Este vapor, a la seua volta, impulsa una turbina de vapor convencional. En combinar un cicle d'alta temperatura (el de la turbina de gas, o cicle "superior") en un de menor temperatura (el de la turbina de vapor, o cicle "inferior"), s'aprofita millor l'energia del combustible, conseguint #eficiència totals molt superiors a les que poden alcançar per separat qualsevol dels dos cicles.

Classificació

Per la font de la calor

Les centrals elèctriques de combustibles fòssils poden amprar dos tecnologies principals: la clàssica turbina de vapor (a on la calor genera vapor que mou la turbina) o, en el cas de les centrals de gas natural, una turbina de combustió (que funciona directament en els gasos de combustió).

En una central de carbó típica, el combustible es crema en una caldera per a calfar aigua i produir vapor a alta pressió. Este vapor impulsa una turbina de vapor acoplada a un generador elèctric, produint aixina electricitat. Els principals subproductes d'esta combustió són cendras, diòxit de sofre (BAIX₂), òxits de nitrogen (NOx) i diòxit de carbono (CO₂). Per mig de diversos sistemes de tractament de gasos, part d'estos contaminants pot retirar-se de la corrent d'emissions per a reduir el seu impacte ambiental.

Atres tipos de centrals tèrmiques inclouen:

• Plantes d'energia nuclear: utilisen la calor generada per la fissió nuclear en el núcleu del reactor per a produir vapor que acciona una turbina i un generador. En països com Estats Units, l'energia nuclear representa al voltant del 20% de la generació elèctrica total.
• Plantes d'energia geotèrmica: aprofiten vapor o aigua calenta extrets de jaciments subterràneus, la calor dels quals prové de la desintegració d'elements radiactius en l'interior de la Terra i del gradient tèrmic del subsol.
• Plantes d'energia de biomassa: poden ser alimentades per diversos combustibles orgànics, com residus de canya de sucre, residus sòlits urbans, metà capturat d'abocadors o qualsevol atra forma de biomassa renovable.
• Aprofitament de subproductes industrials: en acería integrades, el gas d'alt forn —un subproducte gaseós de baix poder calorífic— s'ampra com a combustible complementari. Aixina mateix, el calor residual de processos industrials pot concentrar-se i usar-se per a generar vapor i electricitat en turbines associades.
• Plantes d'energia solar tèrmica: utilisen espills o colectors per a concentrar la radiació solar, calfar un decorregut (generalment aigua o ixes foses) i generar vapor que mou una turbina i un generador.

Pel seu motor primari

Les tecnologies per a convertir energia tèrmica en elèctrica es classifiquen principalment segons el mecanisme que impulsa el generador:

• Plantes de turbina de vapor: Aprofiten la pressió dinàmica generada per l'expansió del vapor per a fer girar els álabes d'una turbina, la qual està acoplada directament a un generador elèctric. Esta és la tecnologia dominant en la generació termoelèctrica a gran escala, #present en centrals de carbó, nuclears, geotèrmiques i moltes de gas. S'estima que aproximadament el 90% de l'electricitat d'orige no hidroelèctrica en el món es produïx per mig de turbines de vapor.

• Plantes de turbina de gas (de combustió): Utilisen directament la pressió i el fluix dels gasos calents resultants de la combustió (generalment de gas natural o diésel) per a moure la turbina. La seua principal ventaja és la capacitat d'arrancada ràpida (en minuts), per lo que són ideals per a cobrir picos de demanda o com a respal, encara que el seu cost d'operació és major que el de les centrals de càrrega base. Poden ser unitats de tamany relativament chicotet i operar de forma remota. El primer sistema comercial d'este tipo va ser la central de Princetown en el Regne Unit, inaugurada en 1959.

• Plantes de cicle combinat: Combinen una turbina de gas (cicle Brayton) en una turbina de vapor (cicle Rankine). Els gasos d'escape a alta temperatura de la turbina de gas s'utilisen per a generar vapor en una caldera de recuperació, el qual impulsa una segona turbina. Esta configuració conseguix #eficiència molt majors (per damunt del 60%) que qualsevol dels cicles per separat, per lo que és la tecnologia preferida per a noves centrals de gas natural de càrrega base.

• Motors alternatius de combustió interna: S'ampren en generació distribuïda, comunitats aïllades i chicotetes instalacions de cogeneración. També són comuns com a sistemes de respal (grups electrogens) en hospitals, centres de senyes i indústries. Poden funcionar en diésel, fuelóleo pesat, gas natural o biogás d'abocador.

• Tecnologies per a combustibles específics: Per a aprofitar combustibles d'oportunitat o de baix poder calorífic —com biogás d'abocador, gas de digestor de depuradores o gas associat a la producció petrolera— s'utilisen microturbinas, motors Stirling i motors alternatius adaptats. Estes solucions són de menor escala i cost, permetent valorizar recursos energètics que d'un atre modo es desperdiciarien.

Segons la seua capacitat de despaig (programabilidad)

Les centrals elèctriques poden classificar-se segons la seua capacitat per a ajustar la seua generació a la demanda del sistema elèctric. Esta característica, coneguda com despachabilidad o programabilidad, determina el seu paper en la cobertura de la curva de càrrega.

Centrals programables

Són aquelles que poden activar-se, desactivar-se o modular la seua potència d'acort en les necessitats del sistema. Es subdividen en tres categories principals:

• Centrals de càrrega base: Operen de forma contínua (generalment més de 6.000 hores anuals) per a cobrir la part constant i predible de la demanda. Estan optimisades per a un baix cost variable d'operació, pero solen tindre temps d'arrancada llarcs i poca flexibilitat. Eixemples típics són les grans centrals nuclears, de carbó modernes o hidroelèctriques en embassament garantisat.

• Centrals de punta (o pico): S'activen exclusivament durant els periodos de màxima demanda, que poden durar a penes unes hores al dia. Encara que el seu cost operatiu és més elevat, són essencials per a garantisar la seguritat del suministrament. La seua principal característica és la capacitat de arrancada ràpida (minuts). Inclouen turbines de gas de cicle simple, motors diésel i, en alguns casos, centrals hidroelèctriques de bombeig dissenyades específicament per a esta funció.

• Centrals de seguiment de càrrega: Són intermiges en flexibilitat i cost. Poden ajustar la seua producció per a seguir les variacions diàries i semanals de la demanda de manera més econòmica que les centrals de punta i en major agilitat que les de càrrega base. Moltes centrals de cicle combinat de gas natural i algunes hidroelèctriques funcionen en este règim.

Centrals no programables

També conegudes com a generació variable o no despachable, inclouen fonts la producció de les quals depén de factors meteorològics o ambientals i no pot ajustar-se a voluntat. La seua energia deu aprofitar-se en el moment en que està disponible. Els principals eixemples són:

• Energia eòlica
• Energia solar fotovoltaica (i en gran mida, l'energia solar tèrmica)
• Algunes formes d'energia mareomotriz

Adicionalment, els acorts contractuals de "pren o paga" en productors independents o l'energia importada per mig d'interconexions internacionals solen tractar-se com no despachables, ya que el sistema deu acceptar la seua aportació independentment de les necessitats puntuals de la ret.

Torres de refredat

Artícul principal → Torre de refrigeració.

Totes les centrals tèrmiques generen calor residual com a conseqüència inevitable del procés de conversió termodinàmica, segons lo establit per la segona llei de la termodinàmica. La cantitat de calor dissipada a l'ambient és sempre superior a l'energia elèctrica útil produïda. L'eficiència de conversió varia segons la tecnologia: les centrals de cicle combinat de gas poden superar el 65%, mentres que les centrals convencionals de carbó o fuelóleo solen situar-se entre el 30% i el 49%. Encara que esta calor residual eleva localment la temperatura atmosfèrica, la seua contribució al calfament global és insignificant en comparació a la de les emissions de gasos d'efecte hivernàcul procedents de la mateixa planta.

Sistemes de malbarat de la calor residual

Per a evacuar esta calor, les centrals ampren principalment dos tipos de sistemes de refrigeració:

Torres de refrigeració humides

Utilisen l'evaporament d'una chicoteta fracció de l'aigua de circulació per a gelar el restant. Existixen dos dissenys principals:

• Torres de tir natural: Són les grans estructures #hiperboloide característiques de moltes centrals nuclears i termoelèctriques de gran tamany. Funcionen per convecció natural, sense necessitat de ventiladors, i lliberen la calor en forma de vapor d'aigua visible.
• Torres de tir mecànic (induït o forçat): Ampren ventiladorés per a impulsar l'aire a través de la corrent d'aigua. Són comuns en instalacions de menor escala o a on l'espai és llimitat, com #refineria, plantes petroquímicas, centrals de biomassa o d'aprofitament energètic de residus. Solen tindre forma rectangular i contenen una farcidura o empaquetamiento que maximizar el contacte aire-aigua.

Refrigeració en circuit tancat (sense evaporament)

En zones en escassea hídrica o a on la captació d'aigua està regulada, s'ampren sistemes que no consumixen aigua per evaporament:

• Refrigeració per aire (radiadors): La calor es dissipa directament a l'atmòsfera per mig de bescanviadors refrigerats per aire forçat en ventiladors.
• Torres de refrigeració seques (dry cooling): Funcionen de manera similar, pero en configuracions que aforren espai.

Estos sistemes presenten menor eficiència termodinàmica i un major consum elèctric auxiliar (per als ventiladors) en comparació a les torres humides, lo que reduïx llaugerament l'eficiència neta de la central i aumenta els seus costs operatius. No obstant, eliminen el consum d'aigua i la boira visible, sent una solució necessària en regions àrides.

Refrigeració en circuit obert (una volta)

Algunes centrals, especialment les ubicades prop de grans cossos d'aigua, ampren sistemes de refrigeració en circuit obert (o "d'un sol pas"). En lloc de torres de refredat, prenen aigua directament d'un riu, llac o oceà, la circulen pels condensadores per a absorbir la calor residual i la tornen al mig ambient a una temperatura més elevada.

Este sistema evita el cost de construcció i operació de torres de refrigeració i pot reduir el consum elèctric auxiliar. No obstant, té un impacte ambiental significatiu:

• Contaminació tèrmica: L'aument de temperatura de l'aigua descarregada pot alterar els ecosistemes aquàtics, afectant la reproducció i supervivència d'espècies sensibles.
• Mortalitat de fauna aquàtica: Els sistemes de pren d'aigua, encara que equipats en reixetes i sistemes de dissuasió, inevitablement succionen ("impingement") i danyen ("entrainment") millons d'organismes aquàtics. Per eixemple, s'estima que el sistema de refrigeració de la Central Indian Point en Nova York causa la mort anual de més de mil millons d'ous i larves de peixos.
• Estrés per parada abrupta: Els organismes que s'adapten a l'aigua càlida de la descàrrega poden sofrir un shock tèrmic si la planta deté la seua operació bruscament en climes frets.

Per estos impactes i a la creixent competència pels recursos hídrics, moltes centrals noves opten per circuits tancats o reciclen aigües grises (aigües residuals tractades) en les seues torres de refrigeració, com fan les centrals Calpine Riverside i Calpine Fox en Wisconsin, o la Calpine Mankato en Minnesota.

Centrals d'energia renovable

Estes centrals generen electricitat a partir de fonts naturals inagotables o de ràpida regeneració.

Central hidroelèctrica

Artícul principal → Hidroelectricitat.

Utilisen l'energia potencial de l'aigua almagasenada en un embassament o del fluix d'un riu. En caure per una canonada forçada, l'aigua acciona una turbina hidràulica acoplada a un generador. La potència obtinguda depén de l'altura del bot i del cabal d'aigua. És la font renovable d'electricitat més estesa, generada en 150 països. La regió d'Àsia-Pacífic va produir el 32% de la hidroelectricitat mundial en 2010, sent China el major productor, en 721 TWh anuals, prop del 17% del seu consum domèstic.

Central solar

Artícul principal → Energia solar.

Existixen dos tecnologies principals:

• Fotovoltaica: Convertix directament la llum solar en electricitat de corrent contínua per mig del efecte fotoeléctrico en cèlules semiconductoras. Els inversors la transformen en corrent alterna per a la seua injecció a la ret.
• Termosolar o de concentració (CSP): Utilisa espills (canals parabòlics o heliostatos) per a concentrar la radiació en un receptor, calfant un decorregut que genera vapor per a impulsar una turbina. Existixen configuracions de canal parabòlic o de torre central.

Central eòlica

Artícul principal → Energia eòlica.

Els aerogeneradores transformen l'energia cinètica del vent en electricitat per mig d'un rotor de #pala conectat a un generador. Els dissenys moderns predominants són de tres #pala i orientació contra el vent ("upwind"). La tendència és cap a turbines de major potència (varis MW), que giren més llentament, reduint l'impacte visual i els riscs per a la avifauna. Els parcs poden estar en terra ("onshore") o en la mar ("offshore"), a on els vents són més constants.

Energia marina

Artícul principal → Energia marina.

Aprofita l'energia dels oceans per mig de diverses tecnologies:

• Energia undimotriz: Aprofita el moviment de les ones.
• Energia mareomotriz: Utilisa la diferència d'altura entre les marees.
• Energia mareomotérmica (OTEC): Aprofita la diferència de temperatura entre aigües superficials i profundes.
• Energia de les corrents marines: Captura l'energia cinètica de corrents oceàniques estables.

No deu confondre's en l'energia eòlica marina, que és energia eòlica generada sobre l'aigua. El potencial global de l'energia marina és enorme, donada la proximitat dels oceans a moltes poblacions costeres.

Energia per gradient salino (#òsmosis)

Artícul principal → Energia blava.

També cridada energia osmótica, aprofita la diferència de pressió entre aigua dolça i salada. En el procés de #òsmosis retardada per pressió (PRO), l'aigua dolça fluïx naturalment a través d'una membrana semipermeable cap a una cambra en aigua salada, aumentant la pressió. Esta pressió acciona una turbina. L'empresa noruega Statkraft va inaugurar en 2009 el primer prototip mundial en el fiort d'Oslo, estimant un potencial teòric en Noruega de fins a 25 TWh/any.

Central de biomassa

Artícul principal → Biomassa.

Genera electricitat a partir de matèria orgànica (residus forestals, agrícoles, cultius energètics). La tecnologia més comuna és la combustió directa per a produir vapor que mou una turbina. També existixen processos tèrmics més alvançats com la gasificació (produint gas de #síntesis) o la pirólisis (produint biocarbón o pellets), que permeten major eficiència i menors emissions que la crema a cel obert.

Centrals d'almagasenament d'energia

Artícul principal → Almagasenament d'energia.

Permeten almagasenar energia en periodos de baixa demanda o alta generació renovable, i despachar-la quan es necessita. Inclouen:

• Hidroelèctrica reversible (bombeig): La tecnologia d'almagasenament a gran escala més estesa. Bombeja aigua a un embassament superior en energia excedent (ej. eòlica nocturna) i la turbina en hores punta. És un consumidor net d'energia (pèrdues del 15-25%), pero crucial per a equilibrar la ret. Eixemples destacats són els sistemes Palmiet i Ingula en Suràfrica.
• Almagasenament d'energia en bateries: Conjunts de bateries a escala de ret, en temps de resposta molt ràpits (milisegons).
• Almagasenament d'energia tèrmica: Almagasena calor o fret per al seu us posterior en generació o climatisació.
• Almagasenament cinètic (volants d'inèrcia): Almagasena energia en un rotor que gira a alta velocitat.

Potència típica d'eixida

La capacitat d'una central es medix en vats, típicament megavats (MW, 10⁶ W) o gigavatios (GW, 10⁹ W). L'escala varia enormement segons la tecnologia. La capacitat nominal és la potència màxima que una central pot produir de forma sostinguda. No obstant, la generació real sol ser menor per:

• Factors de capacitat: En fonts intermitents (eòlica, solar), la generació mija és una fracció de la capacitat instalada.
• Despaig econòmic: Les centrals de major cost marginal (com les de gas per a punta) solament operen quan la demanda supera l'oferta de fonts més barates (nuclear, carbó, renovables). Permaneixen en reserva ("reserva operativa") o a mínima càrrega ("reserva rodante") gran part del temps.

Operació i control

El personal d'operació té responsabilitats crítiques:

1. Seguritat i manteniment: Garantisen condicions segures per al treball del personal de manteniment i realisen inspeccions periòdiques, registrant paràmetros clau (temperatures, pressions, vibracions).
2. Despaig i control: Arranquen i paren generadors segons les órdens de l'operador del sistema elèctric, sincronisant-los en la freqüència i tensió de la ret sense pertorbar l'estabilitat del sistema.
3. Solució de problemes: Requerixen un coneiximent profunt dels sistemes elèctrics i mecànics per a diagnosticar i resoldre fallos, maximizar la fiabilitat i disponibilitat de la planta.
4. Resposta a emergències: Deuen seguir procediments establits per a actuar davant fallos de l'equip, incendis, parades forçades o situacions que posen en risc la seguritat de l'instalació o la ret.

Vore també

• Cogeneración
• Torre de refredat
• Cost de l'electricitat segons orige
• Generació d'electricitat
• Impacte de la generació elèctrica en el mig ambient
• Central elèctrica de fuel
• Electricitat geotèrmica
• Llista de les majors centrals d'energia del món
• Llista de plantes d'energia
• Rendiment de generació
• Planta d'energia virtual

Enllaços externs

• Sistema d'identificació de centrals elèctriques (KKS)
• Diagrama de la central elèctrica
• Plantes d'energia més grans del món
• Operadors, distribuïdors i despachadores de centrals elèctriques (Manual de Perspectives Ocupacionals) [2] archivat en Wayback Machine.
• Base de senyes d'emissions de carbono de plantes d'energia en tot lo món (Carbon Monitoring For Action: CARMA)
• Plantes d'energia en Islàndia, Fotogalería de islandsmyndir.is Islàndia utilisa energia geotèrmica i hidroelèctrica.