producció energia elèctrica

1

PRODUCCIÓ I DISTRIBUCIÓ PRODUCCIÓ I DISTRIBUCIÓ D’ENERGIAD’ENERGIA ELÈCTRICAELÈCTRICA

Unitat 2Unitat 2

2

ÍNDEXÍNDEX• 2. CENTRALS TÈRMIQUES

– 2.1.Parts de la central tèrmica clàsica• Magatzem de combustible• Caldera• Turbines de vapor

– Imatges turbines de vapor• Condensador i torre de refrigeració• Xemeneia i sala de tractament d'aigua• Equip elèctric

– Animació central– 2.2 Funcionament

• Esquema de Funcionament

3

ÍNDEXÍNDEX• Imatge Central tèrmica amb carbó• Esquema central tèrmica amb carbó

– 2.3.Comparació segons combustible• 3. CENTRALS TÈRMIQUES NO CONVENCION

– 3.1. Centrals de cicle combinat• Elements del cicle de gas• Elements del cicle de vapor• Esquema central cicle combinat• Dibuix central• Dibuix central• Dibuix central• Avantatges• Inconvenients

– 3.2. CENTRALS DE COGENERACIÓ• Què són?• Funcionament• Imatge funcionament• Dibuix central• Dibuix• Avantatges

4

ÍNDEXÍNDEX• 4. CENTRALS NUCLEARS

– 4.1. Definició– 4.2. Història– 4.3. Transformacions energètiques – 4.4. Parts de la central nuclear

• Reactor– Barres de control i refrigerant– Imatges Reactor– Imatge barres de control

• Generador de vapor• Grup turbina-gnerador, condensador i torre de refrigeració• Dibuix central nuclear

– 4.5. Equipament de la central nuclear• Edifici contenció i edifici turbines• Edifici combustible, edifici control i edifici auxiliar• Dibuix dels edificis

– 4.6. Funcionament• Circuit primari i circuit secundari• Circuit de refrigeració• Dibuix de circuit primari i secundari• Imatge funcionament

5

ÍNDEXÍNDEX– 4.7. Tipus de centrals nuclears

• Central BWR– Dibuix central BWR

• Central PWR– Dibuix central PWR

• Central reactor de neutrons ràpids– 4.8. Sistemes de seguretat– 4.9. Quadre comparatiu diferents centrals

6

2. CENTRALS TÈRMIQUES2. CENTRALS TÈRMIQUES

2.1.Definició: són instal·lacions complexes a on l’energia tèrmica obtinguda de la combustió dels combustibles fòssils (fuel, carbó i gas natural) es transforma en energia elèctrica.

2.2. Transformacions energètiques:

Energia Energia Energia Energia Energia UtilitzacióQuímica Tèrmica Cinètica Mecànica Elèctrica

Combustible Caldera Vapor Turbina Alternador

7

2.3. Parts de la central tèrmica clàsica2.3. Parts de la central tèrmica clàsicaa) Magatzem de combustible:• Carbó: es tritura per facilitar la combustió i es

transporta mitjançant corrents d’aire preescalfat fins els cremadors de la caldera.

• Fuel: s’emmagatzema en grans dipòsits, es preescalfat i injectat als cremadors.

• Gas natural: arriba en gasoductes a gran pressió que s’ha de baixar per entrar als cremadors.

• Hi ha centrals tèrmiques mixtes que poden utilitzar dos tipus de combustible.

8

b) Caldera:• Calderes de radiació, tindran cremadors específics al tipus de

combustible.• Cambra de combustió envoltada d’infinitat de tubs per a on

circula aigua que es convertirà en vapor. L’aigua a pressions elevades bull a 350ºC.

• Reescalfadors: que evaporen les partícules líquides del vapor perquè arribi a la turbina sec i així el vapor es sobreescalfa.

• Preescalfadors i Economitzadors: escalfen l’aigua que entra a la caldera aprofitant la calor residual dels gasos emesos per la xemeneia i també escalfa l’aire necessari per la combustió.

9

c) Turbines de vapor:• Són màquines que transformen l’energia cinètica

en energia mecànica o energia cinètica de rotació.• Per millorar el rendiment s’agrupen a un mateix eix

tres tipus de turbines que estan solidàries a l’eix del rotor de l’alternador:

– D’alta pressió: que tenen àleps petits i funcionen amb vapor a gran pressió.

– Pressió mitjana: tenen àleps més grans.– Baixa pressió: tenen àleps grans, quan el vapor surt

d’aquestes turbines passa al condensador.

11

d) Condensador:• El vapor procedent de les turbines es liqua i una bomba envia

l’aigua cap els preescalfadors i economitzadors de la caldera a on s’escalfa per repetir de nou el cicle.

e) Torre de refrigeració:• Refreda l’aigua del condensador que actua com refrigerant.• Els circuits de refrigeració poden ser tancats o oberts a on l’aigua

s’agafa de rius o mars. L’aigua s’ha de tornar a la T adequada i el procés de refredar consisteix en fer passar en forma de microgotes per corrents d’aire que circula en sentit contrari.

12

f) Xemeneia:• Crea una depressió dins de la caldera perquè les gasos i fums circulin i

s’evacuin cap l’atmosfera.• Tenen conjunt de filtres per eliminar les partícules sòlides i altres

elements contaminants.• Tipus:

– Tiratge natural els gasos circulen degut a la geometria.– Tiratge forçat mitjançant ventiladors que ajuden a la circulació.

g) Sala de tractament de l’aigua d’alimentació:• Per evitar que les canonades que transporten el vapor d’aigua i l’aigua

depositin fangs es tracta prèviament l’aigua que entra a la caldera mitjançant processos químics per disminuir las sals i per evitar l’efecte corrosiu s’incrementa el seu pH.

13

h) Equip elètric:• Alternador: transforma l’energia mecànica de rotacióen energia elèctrica. Té dues parts: l’estator format perbobines de coure i el rotor que és l’eix que gira en l’interiorde l’estator.• Transformador: eleva la tensió de l’energia a un voltatge molt alt

per facilitar el transport i evitar les pèrdues de calor per efecte Joule durant el transport a través de les línies elèctriques.

• Parc de distribució elètrica d’alta, mitjana i baixa tensió.

14

• http://www.xtec.es/~jasensio/pelis_flash/termica.html

http://www.xtec.es/~jasensio/pelis_flash/termica.html








15

2.4. Funcionament2.4. Funcionament

16

FuncionamentAprofitament tèrmic del combustible

Cicle del vapor:Cicle del vapor: caldera, turbina...

Circuit de refrigeració:Circuit de refrigeració: Tractament gasos:Tractament gasos:xemeCondensador i torre refrigeració

Generació d’energia elèctrica:Generació d’energia elèctrica: alternador,transformador i xarxa d’alta tensió

17

Central tèrmica amb carbóCentral tèrmica amb carbó

19

2.5.Comparació segons combustible2.5.Comparació segons combustible• Centrals Tèrmiques de Carbó: es necessari instal·lar

dispositiu per separar cendres, hi ha increment de l’efecte hivernacle, costos de inversió elevada i baix rendiment (<30%).

• Centrals Tèrmiques de Fuel-Oil: inconvenient les oscil·lacions del preu del petroli, es necessari al igual que

en el carbó la dessulfuració dels fums per evitar la contaminació i la pluja àcida. Arranque lent i baix rendiment.

• Centrals Tèrmiques de Gas Natural: té l’avantatge que redueix l’impacte ambiental, millora l’eficiència energètica, menys costos de l’energia necessària en el procés de fabricació i menys emissions de CO2 i altres contaminants a l’atmosfera. Rendiment al voltant del 35% .

20

3. CENTRALS TÈRMIQUES NO 3. CENTRALS TÈRMIQUES NO CONVENCIONALSCONVENCIONALS

3.1. CENTRALS DE CICLE COMBINAT:a) Combustible: gas natural o carbó gasificat. Un cicle combinat vol dir que hi ha un cicle de gas

i un cicle de vapor a la mateixa central. b) Per què es van dissenyar?

– Per evitar la dependència del petroli.– Disminuir l’emissió de partícules contaminants.– Obtenir rendiments més alts fins un 60% superior al

35% màxim que s’obtén en les centrals tèrmiques clàssiques.

21

c) Elements del cicle de gas:• Turbina de gas: disposa d’una cambra de combustió a

on es produeix la combustió entre el gas i l’aire que arriba a pressió molt alta procedent d’un compressor. Es produeixen gasos a grans T 1300ºC i a pressions elevadas 1,5 i 3 MPa que fan moure els àleps de la turbina i donen l’energia pel compressor. La turbina està connectada amb un alternador i per tant es genera energia elèctrica que passarà a la xarxa de distribució. El gasos procedents de la turbina tenen una T alta 600ºC que s’aprofita en una caldera de recuperació.

22

d) Elements del cicle de vapor:• Caldera de recuperació: que té els mateixos

elements que la caldera de les centrals clàssiques (reescalfadors, preescalfadors...) per aprofitar al màxim l’energia dels gasos d’escapament.

• Grup turbina de vapor-alternador• Condensador• Torre de refrigeració

27

Avantatges• El fet d’aprofitar la calor del gasos d’escapament

de la turbina de gas per produir vapor i activar la turbina de vapor i generar electricitat. Fa que els dos processos funcionin de forma complementària, obtenint rendiments energètics elevats perquè s’obté electricitat en dues etapes utilitzant una única font d’energia.

• Aquest elevat rendiment significa que per cada KWh d’electricitat produida es necessita 1/3 menys d’energia primària, es a dir, de gas natural.

28

• Es redueix en un 60% l’emissió del CO2 i un 70% l’emissió dels òxids de nitrogen, respecte a una central convencional. A més, les emissions de diòxid de sofre i de partícules són pràcticament nul·les.

• Els grups generadors de cicle combinat consumeixen sòl un 1/3 d’aigua de refrigeració que requereix una central convencional de la mateixa potència i la instal·lació ocupa menys espai.

• Donen marge de benefici gran que permeten amortitzar la planta en temps molt curts.

29

INCONVENIENTSINCONVENIENTS

• Contribució al canvi climàtic mitjançant l’efecte hivernacle que pot produir les fugues accidentals de metà (CH4).

• Gran impacte ambiental, es a dir, alteració paisatgística degut a les instal·lacions necessàries (dipòsits de combustible, equips de producció d’energia elèctrica...)

30

3.2. CENTRALS DE COGENERACIÓ3.2. CENTRALS DE COGENERACIÓa. Què és la Cogeneració?: consisteix en la producció

conjunta, en una o diverses etapes, d’energia mecànica (que es pot transforma en elèctrica si hi ha un generador) i energia tèrmica. La seva finalitat és recuperar energia útil en forma de calor que es perd normalment en la mateixa instal·lació.

b. Què és una central de cogeneració: produeix energia elèctrica per la combustió d’un combustible i aprofita la calor residual per a l’obtenció d’aigua calenta per a calefacció, vapor, escalfar fluids, segons les necessitats de la zona on hi ha la central.

31

c. c. Funcionament:Funcionament:

.

35

d. Avantatgesd. Avantatges

• És menys contaminant perquè produeix més amb la mateixa emissió de gasos.

• Més aprofitament de l’energia tèrmica residual.

• Rendiment més gran i més potències de les centrals.

36

4. CENTRALS NUCLEARS4. CENTRALS NUCLEARS4.1.Definició: és un tipus de central termoelèctrica a

on la font d’energia tèrmica procedeix de la fissió dels àtoms de U235 o del Pu239.

4.2. Història:– 1942: construcció1º reactor nuclear a Chicago.– 1954: 1r central nuclear a Moscú.– 1968: 1r central nuclear espanyola “Zorita”a

Guadalajara.

37

4.3. Transformacions energètiques:

Energia Energia Energia Energia Energia UtilitzacióNuclear Tèrmica Cinètica Mecànica elèctrica

Combustible Caldera Vapor Turbina Alternador

• Les centrals nuclears actuen com a centrals de base en el sistema elèctric perquè tenen un funcionament amb aturades mínimes.

38

4.4. Parts de la central nuclear:a) Reactor nuclear:• En el seu interior es realitza les reaccions en cadena de la fissió

nuclear d’una forma sustinguda i regulada per obtenir calor.• Parts del reactor:

– Combustible: material fèrtil i fissionable com: U235 enriquit, urani natural o Pu239. Es prepara en forma sòlida formant pastilles de 1 cm i cada una té l’energia equivalent a 1 tona de carbó. Aquestes pastilles s’introdueixen en beines metàl·liques o varilles d’uns quatre metres i aquestes s’agrupen formant un tub de circoni l’element de combustible.

39

– Nucli actiu: és l’agrupació de centenars d’elements de combustible. El nucli té una forma geomètrica determinada i està inclòs en el vas del reactor.

– Moderador: redueix la velocitat dels neutrons emesos en les reaccions de fissió per assegurar la reacció en cadena. Tipus: aigua, aigua pesant o grafit (C). Els reactors ràpids no tenen.

– Vas del reactor: és un recipient d’acer que conté el nucli, la font de neutrons i el moderador.

40

– Barres de control: regulen el factor de multiplicació, estan formades per material que absorbeix neutrons (bor o cadmi) i són mòbils. Augmenten o disminueixen la potència del reactor.

– Refrigerant: El nucli està submergit en el refrigerant que evita que el reactor es sobreescalfi i transporta la calor generada directament o a través d’un circuit secundari al grup turbina-alternador, per tornar després de nou al reactor per repetir el cicle. Circuit primari és el recorregut que segueix el refrigerant en el reactor. Aigua, aigua pesant, heli, hidrogen...

41

Reactor nuclearReactor nuclear

45

b) Generador de vapor: la calor transforma l’aigua del circuit secundari en vapor i es dirigeix a pressió cap les turbines.

c) Grup turbina-alternador: el vapor a pressió mou primer els àlabs de les turbines d’alta pressió, més tard fa girar els àlabs de les de mitjana pressió i finalment les de baixa pressió. L’alternador està directament connectat a l’eix del conjunt de les turbines i transforma el moviment rotacional en energia elèctrica.

d) Condensador: transforma el vapor en aigua degut a l’acció d’un circuit de refrigeració.

e) Torre de refrigeració: lloc a on es refreda l’aigua del circuit de refrigeració que s’utilitza en el condensador per no provocar contaminació tèrmica en els rius o mars.

47

4.5. Equipament de la central nuclear:4.5. Equipament de la central nuclear:a) Edifici de contenció: conté el reactor i els

elements que formen el circuit primari es a dir generador de vapor, bombes i pressionador. És cilíndric i acabat en cúpula, construït de murs de formigó gruixuts i en el seu interior té acer per evitar emissions de radiacions i resistir moviments sísmics.

b) Edifici de turbines: conté el grup turbina-alternador, els reescalfadors i els condensador de vapor i els preescalfadors de l’aigua d’alimentació

48

c) Edifici del combustible: s’emmagatzema el combustible de recàrrega del reactor i el combustible ja utilitza que s’ha de reelaborar. Piscines de formigó folrades d’hacer.

d) Edifici de control: a on arriben els senyals i les mesures de funcionament de tots els equips de la central. Procés totalment automatitzat mitjançant un ordinador central.

e) Edifici Auxiliar: sistemes de seguretat, sistemes de tractament de residus radiactius de baixa activitat, l’equip de filtratge d’aire de l’edifici de contenció.

50

4.6) Funcionament4.6) Funcionament• Circuit primari: la calor generada en el nucli del reactor és extreta

i transportada per l’aigua refrigerant que actua en aquest circuit tancat i a pressió elevada. L’aigua calenta es mou fora del vas cap els tubs del generador de vapor a on part de la calor passa al circuit secundari i retorna al vas per tornar-se a escalfar.

• Circuit secundari: l’aigua recull la calor del circuit anterior vaporizant-se en el generador de vapor.

El vapor a pressió acciona el conjunt de turbines i a l’alternador es produeix energia elèctrica que es lliura a la xarxa després d’elevar la tensió en els transformadors.

51

El vapor després de passar per les turbines perd pressió i entra al condensador per liquar-se i posteriorment l’aigua és impulsada per les bombes cap el generador de vapor a on es torna a evaporar iniciant-se un nou cicle i tancant-se el circuit secundari.

• Circuit de refrigeració: l’aigua de refrigeració del condensador forma un circuit obert. S’alimenta directament del riu o del mar, és impulsada per les bombes, passa pel condensador i retorna al riu passant prèviament per la torre de refrigeració forçada.

54

4.7. Tipus de centrals nuclears4.7. Tipus de centrals nuclearsLes centrals es classifiquen segons el tipus de reactori aquest segons el combustible, el refrigerant i elmoderador que tingui.• Central amb reactor d’aigua en ebullició (BWR):• Utilitzen urani enriquit i aigua natural com a moderador i

refrigerant.• Només tenen un circuit primari a on el vapor s’obté dintre del

reactor perquè l’aigua està a menys pressió i entra en ebullició.

• L’edifici de turbines ha d’estar protegit per evitar emissions a l’exterior.

55

Central BWR• El 25 % de les centrals

utilitzen aquest reactor.

• El vas ocupa més espai perquè necessita assecadors de vapor situats sobre el nucli.

• Les barres de control per sota.

• 1. Núcleo del reactor. 2. Barras de control.

• 3. Generador de vapor. 4. Presionador. • 5. Vasija. 6. Turbina. 7. Alternador. • 8. Bomba 9. Condensador.• 10. Agua de refrigeración. 11.

Transformador.• 12. Recinto de contención de hormigón

armado.• 13. Contención primaria de acero.

56

b) Central amb reactor d’aigua a pressió (PWR):

• Utilitzen urani enriquit i aigua lleugera com a refrigerant i moderador alhora.

• L’aigua circula a gran pressió (17 MPa)de manera que no arribi mai l’ebullició (600ºC), extreu la calor del reactor i la porta a un intercanviador de calor o generador de vapor a on es genera el vapor, situat ja en el circuit secundari. Per tant el generador de vapor transfereix la calor del circuit primari al secundari.

• Més del 50% de les centrals tenen aquest reactor.

57

Central PWR• 1. Núcleo del reactor.• 2. Barras de control.• 3. Cambiador de calor

(generador de vapor).• 4. Presionador: 17 MPa• 5. Vasija.• 6. Turbina.• 7. Alternador. • 8. Bomba.• 9. Condensador.• 10. Agua de refrigeración.• 11. Transformador.• 12. Recinto de contención

de hórmigon armado.

58

c) Central amb reactor de neutrons ràpids:• No hi ha moderador en el reactor i perquè la reacció nuclear

es mantingui és necessari que la quantitat de combustible per unitat de volum sigui molt superior a la dels altres reactors.

• Combustible és U235 o Pu239 recobert per U238 per això es diuen reactors reproductors.

• Potència tèrmica molt elevada i el refrigerant ha de ser molt eficaç com el sodi líquid.

• Solen tenir tres circuits: circuit primari i secundari de sòlid líquid com a refrigerant i un terciari a on s’obté el vapor per activar el grup turbina-alternador.

• Hi ha poques centrals encara està en experimentació.

59

44.8. Sistemes de seguretat.8. Sistemes de seguretat• La seguretat nuclear es basa en evitar que hi

hagin escapaments incontrolats de substàncies radioactives i per això s’ha de protegir els operaris de les centrals i al medi que envolta la central.

• Primera barrera: les pastilles d’urani estan fetes d’una ceràmica especial altament resistent i és a on es produeix la fissió.

• Segona barrera: les pastilles s’introdueixen en les baines d’acer.

• Tercera barrera: conjunt de baines s’envolten d’un tancament de zirconi

60

• Quarta barrera: tots els elements de combustible juntament amb el moderador i el circuit primari estan dintre del vas.

• Cinquena barrera: el vas està dintre del recinte de contenció format per un mur de formigó armat.

• Sixena barrera: el mur de formigó està dintre d’una esfera d’acer. Aquesta a la seva vegada, està envoltada d’un edifici de formigó armat amb parets de més de mig metre de gruix que constitueix la setena barrera que soporta inclús la caiguda d’un avió.

61

• La central es construeix en un lloc apropiat, tenint en compte les característiques geològiques, sísmiques, hidrològiques i meteorològiques.

• Disseny d’instal·lacions per poder soportar terretremols, inundacions, càrregues del vent i efectes adversos originats per altres fenòmens.

• Manteniment preventiu programat de la central.

62

• Personal altament qualificat.

• Control radioactiu de les emissions periodiques. Si es superen els límits resposta dels equips de seguretat i activació de sistemes d’alarma.

• Vigilància radiològica ambiental de la zona.

• Control constant de l’estat dels equips i revisió dels elements mecànics del reactor, aprofitant les parades per la recàrrega de combustible.

63

QUADRE COMPARATIU ENTRE CENTRALSQUADRE COMPARATIU ENTRE CENTRALS

PARÀMETRESPARÀMETRES

CENTRAL TÈRMICACENTRAL TÈRMICA

CENTRAL NUCLEARCENTRAL NUCLEAR CENTRAL CENTRAL HIDROELÈCTRICAHIDROELÈCTRICA

COMBUSTIBLECOMBUSTIBLE Combustibles fòssils: gas, carbó, fuel- oil.

Energia nuclear: fissió, fusió

Energies renovables: Hidràulica

EQUIPSEQUIPS

Calderes Turbines de vapor i gas Carbó- gas- fuel oil Condensador Generador

Reactor nuclear Turbines de vapor Urani – plutoni Generador

Turbines Aigua Generador

TEMPS D’INSTALACIÓTEMPS D’INSTALACIÓ 6 mesos a 1 any 5 a 10 anys

1 a 4 anys

FONT D’ENERGIAFONT D’ENERGIA No renovable

No renovable Renovable

DESPESESDESPESES

150 milions de dòlars1000 US$/kW, 3.5 USc/kWh 240 milions de dòlars

64

PRODUCCIÓ D’ PRODUCCIÓ D’ ENERGIA ELÈCTRICAENERGIA ELÈCTRICA

El vapor es genera per la combustió del carbó o de derivat del petroli.

La calor es produeix per la fissió nuclear en el reactor.

Utilitzen la força i velocitat de l’aigua per fer girar les turbines.

AVANTATGESAVANTATGES Curt temps de construcció.No depenen del clima.Costos d’inversió menors que en les hidroelèctriques això afavoreix la seva construcció i posada en marxa.Facilitat de transport del combustible orgànic des de el lloc de la seva extracció fins la central tèrmica.

Grans reserves d’urani. La tecnologia utilitzada està molt desenvolupada i té una gran productivitat perquè amb quantitats mínimes de reactiu s’obté una gran energia. Generen energia elèctrica neta ja que no s’alliberen gasos de combustió causants de la pluja àcida.

No contamina: l’aire, ni l’agua. Costos de manteniment baixos.

CAPACITAT DE CAPACITAT DE GENERACIÓGENERACIÓ

Gas natural 9,7 KW-h/ m3

Carbó 2,4 KW- h/ KgFuel- oil 2,9 KW- h/ Kg

Urani 115 KW- h/ Kg Hidràulica 2,57 KW- h/m3

producció energia elèctrica

Technology