Tipos de Centrales Eléctricas y su Funcionamiento

Las centrales eléctricas son instalaciones encargadas de generar energía eléctrica a partir de diversas fuentes primarias. A continuación, se describen los principales tipos de centrales y sus características:

Central Hidroeléctrica

Una central hidroeléctrica aprovecha la energía potencial del agua almacenada (proveniente de ríos) para convertirla, primero, en energía mecánica y, posteriormente, en energía eléctrica. Existen dos tipos principales:

• De base: El agua fluye constantemente por el río, sin acumulación. La producción energética es constante y depende del caudal y nivel del río.
• De semibase: El agua se acumula en una represa, formando lagos artificiales. Esto permite regular la producción de energía y aumentarla en momentos de alta demanda.

En ambos casos, se utilizan generadores que transforman la energía mecánica en eléctrica. Estos generadores son accionados por turbinas (grandes hélices) a través de las cuales pasa el agua, generando el movimiento rotatorio necesario.

Central Termoeléctrica

Estas instalaciones generan energía eléctrica a partir de la combustión de carbón, fuel-oil o gas en una caldera.

El funcionamiento es similar en todas las centrales termoeléctricas:

1. El combustible se almacena y se suministra a la caldera.
2. En la caldera, la combustión genera vapor a alta presión a partir del agua que circula por una red de tubos.
3. El vapor hace girar una turbina conectada a un generador, produciendo energía eléctrica.
4. El vapor se enfría en un condensador y se convierte nuevamente en agua, que regresa a la caldera.

La combustión en estas centrales tiene un fuerte impacto ambiental. Para mitigar este impacto, se utilizan chimeneas de gran altura y precipitadores que retienen cenizas y otros volátiles. Las cenizas se recuperan para su reciclaje.

Central de Biomasa

El proceso es similar al de una central termoeléctrica, pero utiliza material orgánico (biomasa) como combustible. La biomasa se caracteriza por un bajo contenido de carbono y un alto contenido de oxígeno y compuestos volátiles, que concentran gran parte del poder calórico. Al quemarse, la biomasa libera calor, que se utiliza para calentar la caldera y generar vapor.

Desde una perspectiva ambiental, el uso de biomasa se considera más sostenible, ya que el dióxido de carbono (CO2) liberado durante la combustión es previamente absorbido por las plantas durante su crecimiento. Por lo tanto, no hay un aumento neto de CO2 en la atmósfera, a diferencia de los combustibles fósiles, que liberan carbono acumulado durante millones de años.

Central Nuclear

Las centrales nucleares también generan calor para producir vapor, que mueve turbinas conectadas a generadores. Sin embargo, la fuente de calor es la fisión nuclear de uranio en un reactor.

El uranio natural, en forma de barras, se coloca en el reactor. Un moderador (grafito o agua pesada, entre otros) facilita la reacción de fisión. El moderador debe tener un peso atómico ligero, no absorber neutrones y tener una alta densidad atómica.

Energías Renovables: Eólica y Solar

Energía Eólica

Esta tecnología aprovecha la energía cinética del viento mediante aerogeneradores. Estos dispositivos constan de hélices conectadas a un rotor que, a su vez, está acoplado a un generador. El viento mueve las hélices, generando la energía mecánica que el generador transforma en electricidad.

La energía eólica es inagotable, pero la contaminación sonora de los aerogeneradores requiere que los parques eólicos se ubiquen lejos de zonas pobladas.

Energía Solar

La energía solar fotovoltaica utiliza paneles solares con células fotovoltaicas (generalmente de silicio) para convertir la luz solar directamente en electricidad.

Las células fotovoltaicas se comportan como un diodo:

• La parte expuesta al sol es la zona N.
• La parte en sombra es la zona P.
• La zona P está completamente metalizada.
• La zona N tiene un metalizado en forma de peine para permitir que la radiación llegue al semiconductor.

Cuando los fotones de la luz solar inciden en el silicio, liberan electrones, generando una corriente eléctrica.

Etapa de Transmisión

La etapa de transmisión comprende las líneas de transmisión, que transportan la energía eléctrica a diferentes niveles de tensión.

Línea de Transmisión: Conjunto de estructuras y elementos conductores que transportan la energía eléctrica desde la generación hasta el consumo, pasando por los puntos de distribución.

En muchos países, se normalizan cuatro niveles de tensión:

• Muy alta tensión: 500 kV, 300 kV, 220 kV. Estructuras metálicas aéreas. Distancia entre torres superior a 450 m. Conductores desnudos de aluminio con alma de acero.
• Alta tensión: 132 kV. Estructuras metálicas o de hormigón. Distancia entre torres de 250 m. Conductores desnudos de aluminio con alma de acero.
• Media tensión: 66 kV, 13.2 kV, 6.6 kV. Estructuras de hormigón armado o madera. Pueden ser aéreas o subterráneas. Distancia entre líneas no superior a 100 m. Conductores desnudos de aluminio con alma de acero.
• Baja tensión: 220 V.

Etapa de Distribución

Esta etapa utiliza estaciones y subestaciones transformadoras para ajustar los niveles de tensión y conectar diferentes circuitos.

Estaciones y subestaciones: Conjunto de aparamenta eléctrica y edificios que realizan las siguientes funciones:

• Transformación de la tensión.
• Cambio del número de fases.
• Conexión de dos o más circuitos.

Se clasifican según su función y emplazamiento:

Según su función:

• De maniobra: Interconectan dos o más circuitos a la misma tensión. Aumentan la fiabilidad del sistema.
• De transformación pura: Reducen la tensión mediante transformadores de potencia.
• De transformación/maniobra: Combinan las funciones anteriores.
• De transformación/cambio de número de fase: Alimentan redes con diferente número de fases.
• De Central: Elevan la tensión para la transmisión de energía eléctrica. Al elevar la tensión, se reduce la corriente y, por lo tanto, las pérdidas en el conductor.

Según su emplazamiento:

• De interior.
• De intemperie.

Estructuras Características de una Subestación Transformadora

• Seccionadores: Aíslan tramos de circuito de forma visible para permitir trabajos de mantenimiento seguros. Abren y cierran en vacío. Soportan la intensidad nominal y corrientes de cortocircuito.
• Interruptores: Soportan intensidades normales y de cortocircuito, y pueden interrumpir estas últimas. Son elementos de seguridad. Su poder de ruptura es la intensidad máxima que pueden interrumpir (Pd = √3 * Vn * Ir).
• Aparamenta de protección y medida:
  • Transformadores de intensidad: Reducen la corriente de líneas, barras, etc., a valores manejables (0-5 A) para medición y protección.
  • Transformadores de medida: Diseñados para alta precisión en la medida.
  • Transformadores de protección: Diseñados para una incertidumbre aceptable, incluso con corrientes elevadas. Alimentan relés de protección.
  • Transformadores de Tensión: Elevan o reducen la tensión según el tipo de subestación.