Producció i distribució de l'energia PDF

Producció i distribució de l’energia Versió 2.0 Índex: 1. Introducció a l’energia elèctrica 1...

Producció i distribució de l’energia Versió 2.0 Índex: 1. Introducció a l’energia elèctrica 1 2. La central tèrmica 3 3. La central nuclear 5 4. La central hidroelèctrica 7 5. La central termosolar 8 6. Energia solar fotovoltaica 10 7. La central eòlica 13 8. La central mareomotriu 15 Aquest text és la versió offline/imprimible d’un dels capítols del llibre de text multimèdia del web educatiu www.tecno12-18.com. Tots els drets reservats. Es permet als alumnes que han comprat una subscripció a la versió individual del llibre que inclogui aquest capítol, i als professors d’aquests alumnes, mantenir una còpia d’aquest arxiu PDF i/o imprimir-ho, en ambdós casos per a ús exclusivament personal. A la resta de casos no està permesa la reproducció total o parcial d’aquesta obra, ni el seu emmagatzematge en un sistema informàtic, ni la distribució mitjançant qualsevol mitjà electrònic, mecànic o d’altres sense el permís previ i per escrit dels titulars del copyright. 1. Introducció a l’energia elèctrica 1.1. Energia elèctrica L’ús d’energia elèctrica és un fet molt recent a la història de la humanitat. La primera central elèctrica amb èxit comercial va ser construïda per Edison el 1882, a la ciutat de Nova York. La central oferia electricitat a llars i negocis del barri, una cosa que no havia passat en cap altre lloc del món. A poc a poc, els veïns, les botigues i els tallers es van anar connectant a la central per gaudir de la il·luminació elèctrica que s’acabava de desenvolupar. La central d'Edison va ser l’inici de l’electrificació, l’èxit de la qual va ser enorme. 1.2. Què és l’energia? Els físics defineixen energia com la capacitat de produir treball. Es consumeix energia quan realitzem algun treball com moure un objecte, il·luminar una habitació o escalfar un aliment. Tal com sabràs pels teus estudis de ciències, la unitat de mesura de l’energia al sistema internacional és el joule (J). Però quan es tracta d’energia elèctrica, els tècnics fan servir el quilowatt hora (kWh). Per calcular l’energia elèctrica consumida per un electrodomèstic en quilowatts hora, només cal multiplicar la potència (en quilowatts) pel temps que està encès (en hores). Exemple: una planxa d’1,5 kW de potència, encesa durant 1 h, consumeix 1,5 kWh d’energia. Si està encesa durant 2 h, consumeix 3 kWh. Per calcular l’energia elèctrica consumida per una planxa, hem de multiplicar la seva potència pel temps que està encesa. Podem esbrinar la potència que té si consultem la placa de característiques (esquerra), un adhesiu en què el fabricant indica les característiques tècniques. Si mires una factura de l’electricitat de casa teva, pots veure-hi els kWh totals que s’han consumit en un període de temps. També hi ha un gràfic amb el consum comparat de les últimes factures. Per determinar la quantitat d’energia que s’ha consumit, es fa servir un comptador elèctric, la unitat de mesura del qual és, lògicament, el quilowatt hora. 1.3. Fonts d’energia renovables i no renovables L’energia que consumeix la nostra societat prové de la natura. Anomenem font d’energia a tot allò d’on podem extreure energia aprofitable. Les principals fonts d’energia són: el sol, el vent, els rius, les marees, les plantes, la calor interna de la Terra, el carbó, el petroli, el gas natural i l’urani. Les fonts d’energia es poden classificar en renovables i no renovables. Una font d’energia és renovable si no s’esgota amb el temps, si es regenera de manera natural, i no és renovable si s’esgota quan es consumeix tota l’energia que hi havia disponible inicialment. El petroli, per exemple, és una font d’energia no renovable, ja que les reserves de petroli són limitades. El Sol és un exemple d’energia renovable. Per molt que fem servir la seva energia, no l’esgotarem, cada dia ens arriba la mateixa quantitat d’energia solar a la Terra. Energia renovable: Solar, Eòlica, Hidràulica, Mareomotriu, Biomassa, Geotèrmica Energia no renovable: Carbó, Petroli, Gas natural, Urani 1.4. Energia primària i energia secundària Anomenem energia primària a l’energia que trobem directament a la natura, sense cap transformació. Algunes energies primàries, com la del carbó, poden utilitzar-se directament ja que podem cremar el carbó per escalfar-nos. Normalment l’energia continguda en una font d’energia primària no s’utilitza com a tal, sinó que es transforma d’alguna manera per facilitar el consum o, es converteix en un altre tipus d’energia més útil. L’energia resultant s’anomena energia secundària. La major part del carbó, per exemple, es crema per poder obtenir electricitat. L’electricitat obtinguda és una energia secundària. Un altre exemple d’energia secundària és la que conté la gasolina, que s’obté amb la refinació del petroli cru (una energia primària). 1.5. Generació d’energia elèctrica. Centrals elèctriques Com hem vist, l’electricitat és una energia secundària ja que no es troba directament a la natura: cal obtenir-la a partir d’altres energies primàries. Aquesta conversió d’energies es duu a terme a instal·lacions industrials que s’anomenen centrals elèctriques. Hi ha molts tipus de centrals elèctriques en funció del tipus d’energia primària i de la tecnologia que s’utilitza per produir electricitat. En altres miniunitats estudiarem els tipus de centrals elèctriques més importants. 1.5. Generació d’energia elèctrica. Generadors elèctrics Quasi totes les centrals elèctriques generen electricitat si fan girar un generador elèctric rotatiu a gran velocitat. L’exemple més senzill de generador elèctric és el que tenen algunes bicicletes. Consisteix en una bobina de fil conductor i un imant giratori. L’imant va unit, mitjançant un eix, a una roda de fricció. Quan la roda de fricció contacta amb el pneumàtic de la bicicleta, gira a gran velocitat i fa rodar també l’imant. L’imant en rotació produeix un camp magnètic fluctuant que indueix corrent elèctric a la bobina. Els generadors de les centrals elèctriques són molt més grans i complexos, però el funcionament bàsic és el mateix. 1.5. Generació d’energia elèctrica. Generadors i turbines L’esquema general d’una central hidroelèctrica és sempre el mateix: es fa servir una font d’energia primària per fer girar una turbina, una roda amb paletes, com una turbina eòlica (les paletes serien les aspes, que són impulsades pel vent). La turbina va unida a un generador, de manera que quan gira la turbina també gira el generador. La rotació del generador genera corrent elèctric. El procés aconsegueix transformar l’energia primària utilitzada (eòlica, hidràulica, carbó, petroli, etc.) en energia elèctrica. 1 www.tecno12-18.com © 2023 Saganet Multimedia S.L. Tots els drets reservats. 1.6. Transport i distribució de l’energia elèctrica L’energia que produeixen les centrals es fa arribar als consumidors finals a través de cables elèctrics. El conjunt dels cables i instal·lacions que s’utilitzen per connectar productores i consumidors s’anomena xarxa elèctrica. Normalment les centrals es troben molt allunyades dels centres de consum. Quan l’electricitat circula per un cable molt llarg, una part important de la seva energia es perd en forma de calor. Per tal de reduir aquest problema, s’eleva la tensió de l’electricitat que genera la central a 220.000 o 400.000 V. A prop dels nuclis de consum es redueix la tensió fins a nivells útils per als usuaris (230 V per als habitatges). La part de la xarxa que comprèn les línies d’alta tensió s’anomena xarxa de transport i, la part propera als clients finals i que serveix per fer arribar l’electricitat a tots els punts de consum és la xarxa de distribució. 1.6. Transport i distribució de l’energia elèctrica. Transformadors A la sortida de les centrals elèctriques, s’hi instal·la un transformador, la funció del qual és elevar la tensió del corrent elèctric. També hi ha transformadors que redueixen la tensió, com els que s’utilitzen per carregar els telèfons mòbils. Els transformadors són dispositius formats per dues bobines de cable aïllat enrotllades al voltant d’un nucli de ferro. Quan per una de les bobines (la bobina d’entrada) es fa passar corrent, a l’altra bobina (la bobina de sortida) es genera un corrent induït (el corrent de sortida). Si hi ha més voltes de cable (espires) a la bobina de sortida, la tensió que surt del transformador serà més elevada que la d’entrada i, a l’inrevés. A continuació ho veurem millor. Els transformadors només funcionen amb corrent altern. 1.6. Transport i distribució de l’energia elèctrica. Transformadors Com canvia la tensió de sortida d’un transformador (Vs) si variem el nombre d’espires de la bobina d’entrada (Ne) o de la bobina de sortida (Ns). Vs = Ns · Ve Ne Nota: En un transformador també canvia la intensitat de sortida quan canvia la tensió. Per calcular-la, s’utilitza la fórmula: Ve · Ie = Vs · Is (la tensió d’entrada per la intensitat d’entrada és igual a la tensió de sortida per la intensitat de sortida). 1.6. Transport i distribució de l’energia elèctrica. El sistema elèctric L’esquema que hem vist de transport i distribució de l’electricitat és una simplificació: només hi ha una central que dóna subministrament a un conjunt de clients. S’assembla als primers sistemes elèctrics, com la primera central d’Edison, però no a la xarxa elèctrica actual. Un sistema així és molt vulnerable, qualsevol incidència a la central (avaries, manteniment, etc.) deixa sense subministrament elèctric els clients. A l’època d’Edison, estar sense electricitat unes hores era tolerable, ja que la gent estava acostumada a il·luminar-se amb altres mitjans i l’economia encara no es basava en l’ús d’energia elèctrica, però avui ja no és així. En l’actualitat, el sistema elèctric és molt més complex. Està format per centenars de punts de producció i milions de punts de consum. Per evitar que qualsevol punt de consum quedi sense servei per algun problema tècnic, els punts de producció estan connectats entre si en paral·lel. Ens podem imaginar que formen una anella. Els punts de consum es connecten a aquesta anella. Si una de les centrals falla, les altres n’asseguren el subministrament. La quantitat d’energia generada per les centrals ha de ser igual a la que sol·liciten els consumidors en cada moment. Si la demanda baixa en un moment determinat (a la nit, per exemple), s’hauran d’aturar algunes centrals connectades a l’anella. Si la demanda puja, s’hauran de tornar a posar en funcionament o augmentar la potència de les que ja funcionaven. Aquest sistema necessita un centre de coordinació centralitzat que supervisi el comportament de la xarxa i ordeni a les centrals què han de fer en cada moment. A Espanya, aquesta tasca la realitza el Cecoel (Centre de control elèctric), situat a Alcobendas (Madrid). L’empresa que el gestiona és Red Eléctrica de España (REE). 2 www.tecno12-18.com © 2023 Saganet Multimedia S.L. Tots els drets reservats. 2. La central tèrmica 2.1. Centrals tèrmiques Les centrals tèrmiques generen electricitat a partir d'energia calorífica. L'energia calorífica s'obté normalment cremant un combustible. S'utilitzen el carbó, alguns derivats del petroli (com el fuel o el gasoil) i el gas natural. Les centrals tèrmiques clàssiques, que funcionen amb carbó o derivats del petroli, són fàcils de reconèixer per la presència de xemeneies de gran altura, necessàries per dispersar la contaminació que generen. També tenen torres de refrigeració que emeten vapor d'aigua (no contaminant). 2.2. Centrals tèrmiques clàssiques. Funcionament 1. Obtenció de vapor En una central tèrmica clàssica es crema carbó o derivats del petroli en una caldera, un recipient que té al seu interior canonades de forma serpentina. Per un extrem del serpentí entra aigua líquida. Gràcies a la calor dels gasos calents de la combustió, l'aigua s'escalfa ràpidament i surt per l'altre extrem en forma de vapor d'aigua a gran pressió. 2. Generació d'electricitat El vapor és conduït fins a una turbina que comparteix eix amb un generador elèctric. La pressió del vapor fa girar la turbina i el generador produeix electricitat. 3. Refrigeració El vapor que surt de la turbina ja no té energia cinètica, cal convertir-lo en aigua que s'enviarà de tornada a la caldera. Es fa mitjançant un condensador, un recipient que té un serpentí amb aigua freda. Per refrigerar l'aigua s'usa una torre de refrigeració. Dins de la torre es crea un corrent d'aire ascendent. L'aigua calenta del condensador es refreda deixant-la caure, com si fos una dutxa, a través d'aquest aire. 2.2. Centrals tèrmiques clàssiques. La turbina de vapor A la sala de turbines d'una central tèrmica hi ha grups formats per una turbina de vapor i un generador. El rotor d’una turbina està format per diversos discos amb paletes (anomenades àleps). Els àleps són com les aspes d'un molí: quan sobre ells impacta vapor d'aigua a pressió, exerceixen una força tangencial sobre l'eix del rotor, obligant-lo a girar. 2.3. Turbines de gas. Introducció En algunes centrals tèrmiques es fan servir turbines de gas en comptes de turbines de vapor. Les turbines de gas són motors de combustió interna. Cremen un combustible al seu interior i funcionen (produeixen rotació al seu eix) gràcies a la pressió que exerceixen sobre una turbina els gasos generats a la combustió. Tenen un gran avantatge: generen molta potència amb un pes i una mida molt reduïts. Un tipus de turbina de gas que segurament coneixes és la dels motors dels avions de reacció. Les turbines de gas emprades a les centrals tèrmiques són pràcticament com motors d'avió, però immobilitzades al terra. 2.3. Turbines de gas. Funcionament Un compressor (format per discos amb àleps) pren aire de l'exterior i el comprimeix en unes cambres de mida petita, les cambres de combustió. A les cambres de combustió s'injecta gas natural, que es crema immediatament. A la combustió es creen gran quantitat de gasos que surten a alta velocitat de les cambres de combustió. Abans de sortir 3 www.tecno12-18.com © 2023 Saganet Multimedia S.L. Tots els drets reservats. del motor cap a la xemeneia, els gasos passen a través d'una turbina, a la que fan girar. La turbina està unida en el mateix eix al compressor i a un generador, de manera que, al girar, fa que el compressor comprimeixi més aire i que el generador produeixi electricitat. 1. Compressor. Succiona aire i el comprimeix a les cambres de combustió. 2. Cambra de combustió. Al seu interior es crema gas natural i es creen gasos d'escapament que fan girar la turbina. 3. Turbina. Impulsa el generador i el compressor. 4. Xemeneia. Evacua els gasos d'escapament. 5. Generador. Impulsat per la turbina, produeix electricitat. 2.4. Centrals de cicle combinat. Introducció Les centrals tèrmiques més avançades són les de cicle combinat. Reben aquest nom perquè funcionen combinant dos tipus de turbines: una de gas i una de vapor. Són centrals molt eficients. Mentre que una central clàssica aprofita un 35 % de l'energia (el 35 % de l'energia continguda al carbó o al fuel es transforma en electricitat), en una central de cicle combinat se n'aprofita un 55 %. Necessiten menys combustible per generar la mateixa quantitat d'energia que una central clàssica, la qual cosa té dues conseqüències: 1. Contaminen menys: Emeten menys quantitat de diòxid de carboni i altres contaminants que una central clàssica, tot i que segueixen contaminant de manera important. 2. Són més rendibles econòmicament: Comparades amb les centrals tèrmiques clàssiques, és necessari comprar menys combustible per vendre la mateixa quantitat d'electricitat. Per aquestes dues raons, en les últimes dècades s'han construït desenes de centrals de cicle combinat a Espanya, centenars arreu del món. És fàcil diferenciar-les de les centrals clàssiques perquè tenen xemeneies més baixes i solen ser més compactes. 2.4. Centrals de cicle combinat. Funcionament Les centrals de cicle combinat disposen de dues turbines: una de gas i una de vapor. A la turbina de gas es crema el combustible, normalment gas natural. El rendiment d'aquesta turbina és del 35 %. En una central clàssica la resta de l'energia, el 65 %, es perdria per la xemeneia en forma de calor. A les centrals de cicle combinat s'aprofita la calor dels gasos calents que surten de la turbina de gas per escalfar aigua i generar més electricitat mitjançant una turbina de vapor. Els gasos calents es fan passar a través d'un intercanviador de calor, una canonada de forma serpentina per la qual circula aigua. Hi entra aigua freda i en surt vapor d'aigua a gran pressió, que va a parar a una turbina de vapor unida a un generador. La combinació dels dos cicles, el cicle de gas i el cicle de vapor, dona com a resultat que un 55 % de l'energia es converteixi en electricitat. 2.5. Cogeneració En moltes indústries, hospitals o grans complexos hotelers es necessita generar una quantitat important de calor per dur a terme un procés industrial o per a la calefacció. En lloc d'instal·lar una caldera i obtenir calor directament, es pot optar per posar una petita planta elèctrica, com un generador dièsel o una turbina de gas, i aprofitar la calor residual que genera. Una part de l'electricitat que produeix la planta és consumida pel productor i la resta es ven, injectant-se a la xarxa elèctrica. Això és el que s'anomena cogeneració, és a dir, generar de manera simultània electricitat i calor. La cogeneració és molt eficient. S'aconsegueix aprofitar fins a un 90 % de l'energia continguda al combustible (un 35 % per produir electricitat i un 55 % per generar calor), disminuint la contaminació generada i la necessitat d'importar combustible. 2.6. Centrals tèrmiques a l'Estat espanyol Prop d'un 28 % de l'electricitat consumida a Espanya (dades de 2021) prové de cremar combustibles fòssils en centrals tèrmiques, bàsicament gas natural. Aquest percentatge s'ha reduït considerablement en els últims anys, el 2010 era del 43 %. L'any 2010 el gas natural dels cicles combinats generava el 23 % de l'electricitat i el 2021 només un 15,2 %. L'any 2010 el carbó generava el 8 % de l'electricitat i el 2021 només un 2 %, estant previst que deixi d'utilitzar-se en breu. 2.7. Avantatges i inconvenients de les centrals tèrmiques Avantatges: - Són centrals relativament barates de construir, especialment les centrals de cicle combinat. - A diferència d'altres centrals, es poden encendre i apagar en qualsevol moment, la qual cosa permet adaptar la seva producció a la demanda elèctrica. Inconvenients: - Generen gasos contaminants que afecten seriosament el medi ambient. El diòxid de carboni que es desprèn de la crema de combustibles fòssils contribueix a l'escalfament global. Les centrals de carbó poden produir la desforestació com a conseqüència de la pluja àcida. - Espanya té molt pocs jaciments de combustibles fòssils. Una part important de la riquesa del país es perd en la compra de combustible a altres països. 4 www.tecno12-18.com © 2023 Saganet Multimedia S.L. Tots els drets reservats. 2.8. Altres tipus de centrals tèrmiques A més de les que hem estudiat, hi ha altres tipus de centrals que funcionen transformant energia calorífica en energia elèctrica i que, per tant, també són centrals tèrmiques: - Centrals nuclears: Aconsegueixen l'energia calorífica que necessiten gràcies a la fissió d'àtoms d'urani i plutoni. - Centrals termosolars: Prenen la calor de la radiació solar. - Centrals geotèrmiques: Extreuen energia calorífica de l'interior de la terra injectant aigua líquida i captant vapor d'aigua a gran pressió. - Centrals de biomassa: Cremen combustibles d'origen biològic, com les restes de la poda, la palla de cereals o estelles de fusta que provenen de serradores o de la indústria dels mobles. 3. La central nuclear 3.1. Introducció Les centrals nuclears són un tipus especial de central termoelèctrica. A diferència d'aquestes, però, no extreuen energia de la calor produïda quan es crema un combustible fòssil com el petroli o el carbó, sinó de la fissió d'àtoms d'urani. Algunes centrals també utilitzen el plutoni, tot i que són menys freqüents i, no les estudiarem en aquesta miniunitat. És fàcil reconèixer una central nuclear ja que té un edifici de grans dimensions en forma de cúpula (tot i que a vegades té forma cúbica). És l'edifici de contenció, on hi ha el reactor nuclear, el lloc en el qual es produeix la fissió nuclear. 3.2. La fissió de l'urani Abans de veure com funciona una central nuclear, cal que estudiem el procés bàsic des del qual sorgeix l'energia en aquest tipus de centrals: la fissió de l'urani. Repassem, doncs, alguns conceptes sobre l'àtom. Tal com ja saps, gràcies als teus estudis de ciències, la matèria està formada per àtoms. Al centre de l'àtom, al nucli, hi ha dos tipus de partícules: els protons (partícules de càrrega positiva) i els neutrons (partícules sense càrrega). Els electrons són unes partícules més petites amb càrrega negativa i giren al voltant del nucli. Els electrons són els responsables de la forma d'energia que anomenem electricitat i també de l'energia química. Del nucli, doncs, és d'on podem obtenir l'energia nuclear. Els nuclis d'alguns àtoms, com per exemple els de l'urani, són inestables. Això vol dir que, de forma natural i, en un període de temps més o menys llarg, acaben trencant-se per formar altres àtoms diferents que tenen nuclis més petits. D'aquest fenomen, el trencament del nucli dels àtoms per formar àtoms més petits, se'n diu fissió nuclear. Quan es produeix la fissió d'un nucli atòmic es desprèn una gran quantitat d'energia que abans era utilitzada pel nucli per tal de mantenir-se unit. L'urani, l'element utilitzat a les centrals nuclears, es fissiona trencant-se en dos àtoms més petits (un àtom de criptó i un àtom de bari, per exemple). En aquest procés també s'emeten 2 o 3 neutrons i s'allibera energia. Per aprofitar l'energia dels nuclis atòmics no n'hi ha prou amb un sol àtom, cal que es produeixi la fissió de molts àtoms alhora. Si posem una quantitat d'urani suficient, es produirà el que s'anomena reacció en cadena. Els neutrons que surten de les fissions xoquen contra els nuclis d'àtoms propers la qual cosa fa que es trenquin. De cada fissió en surten dos neutrons lliures, cosa que fa que el nombre de nuclis que es trenquen augmenti. Quan es produeix una reacció en cadena s'allibera una quantitat molt gran d'energia calorífica que es pot aprofitar per generar electricitat. El trencament dels àtoms (fissió) va acompanyat de l'emissió de partícules de gran energia. Aquesta emissió s'anomena radioactivitat o també radiació. Els tipus de radiació nuclear més comuns són aquests tres: - Radiació Alfa ( α ): Nuclis d’heli. - Radiació Beta ( β ): Electrons. - Radiació Gamma ( γ ): Partícules de llum no visible i de gran energia. Perills de la radioactivitat L'exposició a la radioactivitat és molt perillosa per a tots els éssers vius. Les radiacions, quan impacten en els teixits vius, poden provocar des de cremades fins a la mort en poc temps, l'aparició de càncer o el naixement de nens amb malformacions. Per aquest motiu les centrals nuclears han de tenir mecanismes de seguretat per evitar qualsevol emissió de radioactivitat a l'exterior. 3.3. La central nuclear Ara que ja hem vist els fonaments de la fissió de l'urani, podem veure com funciona una central nuclear per dins. El reactor A l'interior de l'edifici de contenció hi ha el reactor nuclear i tots els elements que estan en contacte amb la radioactivitat. L'edifici està fet amb parets de formigó molt gruixudes per evitar qualsevol possible fuga radioactiva. Les barres de combustible El reactor és un recipient d'acer molt resistent en el qual s'introdueix el combustible nuclear (normalment urani) i on seguidament té lloc la fissió. 5 www.tecno12-18.com © 2023 Saganet Multimedia S.L. Tots els drets reservats. L'urani es col·loca en forma de barres molt primes d'uns 4 m de longitud: són les barres de combustible, i se'n necessiten centenars. El fet de posar molt urani junt fa que comenci una reacció en cadena que alliberarà molta energia calorífica. Les barres de control Per controlar la calor generada per la fissió de l'urani i, per tant, la potència de la central, entre les barres de combustible es col·loquen unes altres barres d'un material (normalment un aliatge de bor, cadmi o hafni) que absorbeix els neutrons. Són les barres de control. Les barres de control es poden introduir més o menys al reactor. Com més a dins del reactor, més petita és la potència generada. Si s'introdueixen totalment acaben aturant la reacció en cadena i, per tant, la central s'atura. El reactor és refrigerat mitjançant aigua Dins del reactor, hi circula aigua impulsada per bombes. Aquesta aigua serveix per refrigerar el reactor i per extreure la calor generada a l'exterior. Quan surt del reactor l'aigua està a uns 300 ºC, no està en forma de vapor perquè es manté a una alta pressió. El circuit primari L'aigua que surt del reactor va a parar a un aparell denominat generador de vapor i després torna novament al reactor, aquest recorregut s'anomena circuit primari. En el generador de vapor es transferirà part de la seva energia calorífica a molècules d'aigua d'un altre circuit, el circuit secundari. El circuit secundari L'aigua del circuit secundari es transforma en vapor quan rep la calor del circuit primari. Aquest vapor viatja a gran velocitat per unes canonades fins a la turbina i la fa girar. La turbina està unida a un generador que produeix electricitat quan es fa girar el seu eix. El circuit terciari El vapor que surt de la turbina no té energia cinètica. Cal refredar-lo i convertir-lo en aigua (condensació) per tal de fer-lo servir de nou. Aquesta funció la realitza un aparell anomenat condensador que fa passar una canonada amb aigua freda al recipient on hi ha el vapor. La torre de refrigeració El condensador necessita aigua freda per funcionar. Moltes vegades s'agafa aigua directament d'un riu o del mar. En altres ocasions s'utilitza una torre de refrigeració. A l'interior de la torre es forma un corrent d'aire fred que entra per la part inferior i surt per amunt. Aquest aire refreda l'aigua del condensador que es fa caure com si fos una dutxa. Conexió a la xarxa elèctrica El resultat de tot aquest procés és la transformació de la calor de la fissió nuclear en electricitat. Com en totes les centrals elèctriques, s'eleva la tensió del corrent que s'ha produït i s'injecta a la xarxa elèctrica. Residus nuclears Quan el combustible es gasta, es converteix en un residu radioactiu molt perillós que cal tractar amb molt de compte. Primer, es guarda a les centrals, però després cal buscar un lloc definitiu durant milers d'anys fins que deixi de ser radioactiu. 3.4. Energia nuclear a l'Estat espanyol Actualment, a Espanya hi ha 7 centrals nuclears en funcionament: Almaraz I (Càceres), Almaraz II (Càceres), Trillo (Guadalajara), Ascó I (Tarragona), Ascó II (Tarragona), Vandellòs II (Tarragona) i Cofrentes (València) La primera central nuclear que es va construir va ser la de José Cabrera (o central de Zorita), a la província de Guadalajara, el 1968. El 2006 va expirar la seva llicència d'explotació i va tancar; ara està en procés de desmantellament. L'última que va construir-se va ser la de Trillo, també a Guadalajara, el 1988. Hi ha 3 centrals nuclears en procés de desmantellament: la de José Cabrera (Guadalajara) i la de Sta María de Garoña (Burgos), que han acabat la seva vida útil, i la de Vandellòs I (Tarragona), que el 1989 va patir un incendi a la part no nuclear de la central que va fer necessari el seu tancament. Les centrals nuclears suposen un 6,5 % de la potència elèctrica instal·lada a Espanya i es caracteritzen per ser un conjunt de centrals molt potents (uns 1000 MW). Són centrals de base, la qual cosa vol dir que pràcticament sempre estan funcionant; per això la seva contribució a la generació d'energia elèctrica és bastant elevada: un 21,9 % del total. No hi ha projectes per construir més centrals nuclears durant els pròxims anys. Es preveu que es mantinguin en funcionament les que ja hi ha actualment fins que acabin la seva vida útil, que és d'uns 40 anys. 3.5. Energia nuclear al món Actualment hi ha més de 400 centrals nuclears funcionant al món. Aquestes centrals produeixen aproximadament el 10% de l'electricitat consumida a nivell mundial, el 25% a la Unió Europea. Nombre de centrals nuclears per països: Estats Units (92), França (56), Xina (55), Rússia (37), Rep. Corea (25), Índia (22), Canadà (19), Japó (17), Ucraïna (15), Regne Unit (9), Espanya (7), Bèlgica (7), Suècia (6), Rep. Txeca (6), Pakistan (6), Finlàndia (5), Suïssa (4), Eslovàquia (4), Hongria (4), Alemanya (3), Argentina (3) i Emirats Àrabs (3). Altres països que tenen 1 o 2 centrals nuclears: el Brasil, Bulgària, Mèxic, Romania, Sud-àfrica, Armènia, Bielorússia, Iran, Holanda i Eslovènia. Des de l'any 1986, en el qual hi va haver un terrible accident a la central ucraïnesa de Txernòbil que va afectar a milers de persones, l'energia nuclear és qüestionada per una part important de la ciutadania, que desconfia de la seva seguretat. Aquesta desconfiança es va accentuar després de l'accident de la central japonesa de Fukushima, el març de 2011. 6 www.tecno12-18.com © 2023 Saganet Multimedia S.L. Tots els drets reservats. La posició dels diferents països respecte l'ús de l'energia nuclear pot resumir-se en dues: 1. Països que estan abandonant l'energia nuclear: Argumenten que és una font perillosa i costosa d'energia, que produeix residus radioactius de llarga duració i que, tot i que la seguretat de les centrals nuclears ha avançat molt, encara existeix cert risc d'accidents que poden tenir conseqüències greus. En aquesta posició destaca Alemanya, que té previst tancar totes les seves centrals nuclears abans que acabi la seva vida útil. 2. Països que segueixen desenvolupant l'energia nuclear: Argumenten que es tracta d'una tecnologia segura i que l'ús de centrals nuclears els permet reduir la importació de combustibles fòssils. Sostenen que usar energies renovables junt amb energia nuclear és el sistema energètic actual que produeix menys emissions de diòxid de carboni, mantenint un subministrament d'energia a preus estables. En aquesta posició destaca França, que produeix el 70 % de la seva electricitat mitjançant l'energia nuclear i té previst construir noves centrals. Un altre aspecte polèmic d'aquesta energia és la seva relació amb les armes nuclears, ja que si es disposa de centrals nuclears, és possible l'obtenció de les matèries primeres (plutoni o urani enriquit), la tecnologia i el personal qualificat necessari per fabricar bombes. Alguns països que volen obtenir aquest tipus d'armament estan interessats a instal·lar centrals nuclears per qüestions militars, i no per qüestions energètiques. 3.6. Avantatges i inconvenients de l'energia nuclear Avantatges: - Les centrals nuclears no emeten gasos contaminants a l'atmosfera i, per tant, no contribueixen a l'efecte hivernacle. - Són centrals molt potents. Inconvenients: - En cas d'accident nuclear, les conseqüències poden ser catastròfiques. - Es generen residus radioactius que són perillosos durant milers d'anys. - Són centrals molt cares de construir. - Es tarden molts anys en la seva construcció. 4. La central hidroelèctrica 4.1. L’energia de l’aigua De ben segur que alguna vegada has portat un cubell ple d'aigua. Hauràs notat que cal molta energia per aixecar-lo (cada litre d'aigua pesa 1 kg, un cubell sencer pesa uns 8 kg). Imagina't, doncs, quina quantitat d'energia hi ha en els milers de litres que baixen cada segon per un riu. Una part de l'electricitat que consumim prové d'un tipus de centrals elèctriques, les centrals hidroelèctriques, que aprofiten l'energia del moviment de l'aigua dels rius. A continuació en veurem les característiques. 4.2. L’energia hidràulica, un tipus d’energia solar L'energia que conté l'aigua que baixa per un pendent s'anomena energia hidràulica i és, en realitat, un tipus d'energia solar. Dos terços de la superfície del nostre planeta estan coberts d'aigua. El Sol escalfa l'aigua dels oceans, l'evapora i forma els núvols. L'aigua que transporten els núvols cau en forma de pluja i es creen els rius que condueixen l'aigua de nou al mar, tancant el cicle, que s'anomena cicle hidrològic. Sense el Sol, el cicle s'aturaria. 4.3. Rodes hidràuliques L'energia de l'aigua s'ha aprofitat des de fa milers d'anys mitjançant l'ús de rodes hidràuliques. Una roda empesa per un corrent d'aigua inferior es podia fer servir per moure un molí de blat (per obtenir farina per fer pa). Una roda empesa per un corrent d'aigua superior es podia utilitzar per impulsar una serra en una serradora per a troncs. Les rodes hidràuliques són les precursores de les modernes turbines hidràuliques que veurem més endavant. 4.4. La central hidroelèctrica. Esquema general Les centrals hidroelèctriques són instal·lacions en les quals s'aprofita l'energia de l'aigua per generar electricitat. El seu funcionament és senzill. Es construeix un mur, la presa, que reté l'aigua del riu. Mitjançant una canonada es condueix l'aigua embassada fins a una turbina. Gràcies a la pressió que fa la columna d'aigua a sobre de la canonada, l'aigua arriba a la turbina a una gran velocitat i la fa girar ràpidament. La turbina comparteix eix amb un generador elèctric, per la qual cosa, al girar, també fa girar el generador, que és el que produeix l'electricitat. Per transportar l'electricitat fins a les zones de consum, com els habitatges i les indústries llunyanes, cal augmentar la tensió fins a diversos milers de volts, la qual cosa es fa mitjançant un transformador. 7 www.tecno12-18.com © 2023 Saganet Multimedia S.L. Tots els drets reservats. 4.4. La central hidroelèctrica. Situació La presa d'una central hidroelèctrica és un enorme mur de formigó molt difícil i car de construir. Per tal que la presa sigui el més petita possible, cal ubicar-la en una zona estreta del riu. Bàsicament hi ha dos tipus de preses: les de gravetat i les de volta. L'elecció d'una o una altra depèn de les característiques geològiques del terreny. 4.4. La central hidroelèctrica. Preses de gravetat Si el terreny on s'ha d'instal·lar la presa és poc consistent, els enginyers decideixen construir preses de gravetat. Aquest tipus de preses tenen secció triangular i una gran massa, per la qual cosa necessiten una gran quantitat de formigó per construir-les. Resisteixen la pressió de l'aigua de l'embassament gràcies al seu pes. 4.4. La central hidroelèctrica. Preses de volta Si el terreny és suficientment resistent, tal com passa en gorges i canyons de parets rocoses, els enginyers decideixen construir preses de volta. Aquests tipus de preses tenen forma curvilínia i resisteixen la pressió de l'aigua embassada perquè transmeten la força a les parets de roca dels laterals. No requereixen tant formigó per a la construcció, per la qual cosa són més econòmiques que les de gravetat. 4.4. La central hidroelèctrica. Sala de màquines A la base de la presa hi sol haver la sala de màquines, l'edifici on hi ha les turbines i els generadors. 4.4. La central hidroelèctrica. Turbines Tot i que les turbines utilitzades a les modernes centrals hidroelèctriques provenen de les antigues rodes hidràuliques, ja no hi tenen res a veure. Les turbines són màquines calculades mil·limètricament per extreure tota l'energia possible de l'aigua. Les tres turbines més utilitzades: les turbines Pelton, Francis i Kaplan. Són molt diferents entre elles perquè estan dissenyades per funcionar a diferents pressions d'aigua o, el que és el mateix, en embassaments de diferents altures. Turbina Pelton (alta pressió), la turbina Francis (pressió mitjana) i la turbina Kaplan (baixa pressió). 4.5. Energia hidroelèctrica a l’Estat espanyol Les centrals hidroelèctriques generen prop del 12 % de l'energia elèctrica que es consumeix a Espanya. El potencial hidroelèctric de la Península Ibèrica no és gaire gran ja que és un territori, en general, de clima sec i de precipitacions poc uniformes. La major part del potencial hidroelèctric dels grans rius ja s'ha utilitzat. Però, avui encara hi ha lloc per a la minihidràulica, unes centrals hidroelèctriques de mida petita que aprofiten l'energia de petits rius de muntanya i que es caracteritzen per tenir un baix impacte ambiental. 4.6. Avantatges i inconvenients de les centrals hidroelèctriques Avantatges: - No contaminen ni generen cap residu perillós. - És una energia renovable, es regenera de manera natural. - La font d’energia és gratuïta. - Acumulen aigua potable i n'asseguren el subministrament per a tota la població. - Les preses regulen el cabal dels rius i eviten inundacions catastròfiques. - Els embassaments permeten establir noves terres de regadiu. Inconvenients: - La construcció de l’embassament pot suposar la inundació de poblacions, cosa que significa el desplaçament i desarrelament de moltes persones. - S’inunden terres agrícoles fèrtils. - S’inunden valls plenes de fauna i vegetació que poden tenir gran valor ecològic. - La construcció d’una central hidroelèctrica és un procés car i lent. - La ruptura d’una presa por suposar una catàstrofe. 8 www.tecno12-18.com © 2023 Saganet Multimedia S.L. Tots els drets reservats. 5. La central termosolar 5.1. Centrals termosolars Segurament estàs familiaritzat amb les cèl·lules solars que s'utilitzen per generar electricitat, per exemple a les calculadores, als cotxes solars o a cases aïllades. Es tracta de l'energia solar fotovoltaica, una forma d'obtenir electricitat que cada vegada s'utilitza més. Tot i això, hi ha altres tecnologies per obtenir electricitat del sol que no són tan conegudes però que podrien tenir un gran futur durant el segle XXI: les centrals termosolars. En aquestes centrals, l'energia del sol es transforma en energia calorífica, que s'utilitza per fer girar un generador elèctric i produir electricitat. Hi ha tres tecnologies madures, que pots veure al quadre de sota. 5.2. Centrals termosolars de torre Una central termosolar de torre està composta per una gran extensió de miralls plans, els heliòstats, que reflecteixen la llum del sol en un receptor situat a dalt de tot d'una torre. Els heliòstats són grans miralls plans instal·lats sobre un suport orientable. Dos motors elèctrics van girant l'heliòstat a poc a poc perquè sempre reflecteixi la llum del sol al receptor de la torre. Al receptor s'hi concentra tota l'energia solar captada pel camp d'heliòstats i s'arriba a una temperatura de fins a 1.000 ºC. A l'interior del receptor hi ha una caldera per la qual circula un fluid que s'escalfa al rebre els rajos del sol. La resta és bàsicament igual que una central de carbó, la diferència més important és que obté l'energia calorífica necessària per produir electricitat de la llum del sol i no cremant un combustible, el que fa que siguin centrals no contaminants. El fluid del circuit primari escalfa l'aigua del circuit secundari i genera vapor a gran pressió. El vapor fa girar la turbina i aquesta al generador elèctric. El vapor exhaust que surt de la turbina es refreda, mitjançant una torre de refrigeració, per tal de liquar-lo i poder-lo tornar a fer servir. S'usen normalment torres de refrigeració de tir forçat, que tenen potents ventiladors per crear un corrent d'aire. El resultat de tot el procés és la transformació de l'energia solar (energia radiant) en energia elèctrica. De forma intermèdia, l'energia solar es converteix en energia calorífica, d'aquí ve el nom de centrals termosolars. Aquest tipus de centrals té un rendiment del 20 % (transformen un 20 % de l'energia solar que reben en energia elèctrica). La central Gemasolar està situada a la província de Sevilla. Està operativa des del 2011. És la primera central termosolar de torre comercial que és capaç de produir electricitat 24 hores seguides, inclús de nit. Ho aconsegueix emmagatzemant l'energia calorífica en forma de sals foses. Gemasolar té 2.650 heliòstats, que ocupen una superfície de 195 Ha. Amb aquesta superfície de captació solar genera una potència elèctrica màxima de 20 MW, suficient per fer funcionar a la vegada 2 milions de bombetes de 10 W o subministrar electricitat a unes 27.000 llars. La torre té 140 m d'altura. Com fer funcionar una central solar sense sol? La limitació més gran de les centrals solars és que no poden produir energia de nit ni durant els dies ennuvolats. Per pal·liar aquest inconvenient s'han desenvolupat sistemes d'acumulació de l'energia calorífica. Gemasolar utilitza sals de nitrats foses, com a fluid receptor de la calor del sol al circuit primari. Les sals escalfades s'acumulen en un dipòsit de mida gran, la qual cosa permet utilitzar-les per produir electricitat quan el cel s'ennuvola o fins i tot a la nit (15 hores d'autonomia en aquesta central). 5.3. Centrals de col·lectors cilindricoparabòlics Un altre tipus de central solar és la que utilitza col·lectors cilindricoparabòlics. Aquests col·lectors concentren la llum solar en un tub central. Pel tub circula un fluid, normalment oli tèrmic, que s'escalfa a una temperatura de més de 300 ºC, suficient per produir vapor d'aigua i generar electricitat. Aquest tipus de col·lectors també s'utilitza a la indústria per escalfar fluids. Els col·lectors cilindricoparabòlics s'agrupen i es connecten entre ells per formar centrals solars. El seu funcionament és molt semblant al de les centrals de torre. El fluid que s'ha escalfat al camp de col·lectors s'envia a l'edifici de turbines, on s'utilitza per produir vapor d'aigua, i així fer girar una turbina de vapor i generar electricitat. Algunes centrals solars són híbrides, cosa que vol dir que tenen associada una caldera auxiliar que funciona amb gas natural. Si es posa en marxa la caldera, es pot produir electricitat els dies ennuvolats o a la nit. 9 www.tecno12-18.com © 2023 Saganet Multimedia S.L. Tots els drets reservats. Si les mirem des de lluny, les centrals solars es caracteritzen per la seva gran extensió. L'energia de la radiació solar és difusa, per la qual cosa es necessita una gran superfície per captar una quantitat d'energia important. Normalment s'instal·len en deserts o llocs on el sòl és barat. En un col·lector cilindricoparabòlic els rajos solars captats pel mirall corbat són concentrats al tub receptor. L'estructura que sosté els miralls té un motor que manté el col·lector sempre orientat cap al sol. Una central està composta per molts col·lectors connectats entre si. El tub receptor d'una fila de col·lectors va a parar al principi d'una altra fila de col·lectors (estan connectats en sèrie). D'aquesta manera, el fluid (oli tèrmic) es va escalfant a poc a poc fins arribar a més de 300 ºC. La calor captada pels col·lectors s'envia a les instal·lacions del centre on serà usada per generar electricitat. Com més gran és el camp de col·lectors, més gran és la potència de la central. 5.4. Concentradors parabòlics amb motors Stirling Per acabar, veurem els sistemes disc-Stirling: l'associació d'un motor Stirling (un tipus de motor de combustió externa) i d'un mirall parabòlic. El mirall concentra la llum solar que rep en un punt, el focus, on se situa un motor Stirling. Gràcies a la calor del sol, el motor gira i acciona un generador elèctric que produeix electricitat. El motor Stirling és un motor tèrmic de combustió externa que es basa en l'escalfament i el refredament cíclic d'un gas clos en un cilindre. És un motor molt silenciós. Actualment, la seva principal aplicació és impulsar submarins i llanxes militars. Va ser inventat el 1816 per l'enginyer escocès Robert Stirling. Si escalfem i deixem refredar, alternativament, un cilindre que conté gas (aire, heli, hidrogen, etc.,), podem aconseguir que el pistó es desplaci com a conseqüència de l'expansió i contracció del gas: aquesta és la base del funcionament d'un motor Stirling. A aquest mecanisme, s'hi pot aplicar un generador elèctric per produir electricitat. En els motors Stirling que s'utilitzen en l'energia solar, la font de calor és el sol i la refrigeració es realitza amb l'aire circumdant de la temperatura ambient. Disc-Stirling experimental situat a Odeillo (sud de França): el mirall té un diàmetre de 8,5 m i produeix una potència de 9,8 kW. Té un rendiment del 21,6 %. Alguns discos-Stirling han aconseguit rendiments del 30 %. Un dels avantatges del sistema de discos-Stirling és que és escalable. Es pot instal·lar una màquina per subministrar electricitat a una casa aïllada, o bé agrupar milers de màquines per formar una central elèctrica. Com són petites unitats idèntiques, seria possible la seva fabricació industrial en sèrie. No obstant això, encara no existeixen centrals comercials d'aquest tipus. Els sistemes Stirling, encara que estan madurs tecnològicament, no han demostrat ser viables econòmicament. 5.5. Centrals termosolars a l'Estat espanyol i al món Les centrals termosolars de torre i les de concentradors cilindricoparabòlics han demostrat la seva viabilitat tecnològica i econòmica i ja hi ha moltes centrals comercials d'aquest tipus repartides per tot el món. Tot i això, en els últims anys dos competidors han alentit el seu desenvolupament: la solar fotovoltaica i l'eòlica. Els preus d'aquestes tecnologies s'han reduït molt, el que ha fet que bona part de les inversions en renovables s'hagin redirigit cap a elles. Espanya és un dels líders de tot el món en investigació i aprofitament comercial de l'electricitat d'origen termosolar. A més, compta amb un laboratori internacional de gran experiència, la Plataforma Solar d'Almeria (PSA) i, ja disposa de desenes de centrals termosolars operatives. Pots veure'n una llista en aquest enlla: Centrals termoelèctriques a Espanya (Protermosolar) Al voltant d'un 2 % de l'electricitat consumida a Espanya es produeix en centrals termosolars (dades de 2021). 5.6. Avantatges i inconvenients de les centrals termosolars Avantatges: - No emeten contaminació ni generen cap residu perillós. - És una energia renovable, es regenera de manera natural. - La font d'energia és gratuïta. - Utilitzant sistemes d'emmagatzematge de calor mitjançant sals foses és possible produir electricitat quan no hi ha suficient sol o inclús de nit, almenys durant unes hores. Inconvenients: - Es necessita una superfície molt gran. - La seva producció d'electricitat és discontínua, depèn de la radiació solar. - El cost de l'electricitat termosolar és major que el de la solar fotovoltaica o l'eòlica, que també són renovables i no contaminants. 6. Energia solar fotovoltaica 6.1. La cèl·lula solar Els sistemes fotovoltaics es basen en dispositius anomenats cèl·lules solars o cèl·lules fotovoltaiques. Una cèl·lula solar funciona gràcies a l'efecte fotovoltaic, a través del qual l'energia dels fotons (partícules de llum) es transforma directament en energia elèctrica. Les cèl·lules solars es construeixen amb materials semiconductors. Les més utilitzades estan basades en el silici, són les que estudiarem en aquesta miniunitat. 10 www.tecno12-18.com © 2023 Saganet Multimedia S.L. Tots els drets reservats. És fàcil comprovar com les cèl·lules solars produeixen corrent quan es connecten a un motor elèctric i s'exposen a la llum. 6.2. Parts d'una cèl·lula solar Les cèl·lules de silici més comunes són quadrades (tot i que de vegades es tallen en forma de rectangles més petits) i tenen l'aparença i la fragilitat d'un vidre molt fi. El cos de la cèl·lula està format per un silici dividit en dues capes diferents: la capa n (negativa) i la capa p (positiva). La unió de les dues capes s'anomena unió p-n. Les dues cares tenen elèctrodes gravats, unes petites làmines de material conductor amb la funció de permetre la circulació del corrent generat. Els elèctrodes són molt estrets a la cara il·luminada per no tapar la llum. 6.3. Tipus de cèl·lules solars Existeixen bàsicament les tres tecnologies de sota. Les cèl·lules més eficients, les que transformen un major percentatge de l'energia solar en energia elèctrica, són les de silici mono i policristal·lí. Són les més utilitzades. Les de silici amorf s'utilitzen poc, les podem veure en calculadores i carregadors de bateries. 1. Silici monocristal·lí: la cèl·lula sencera és un únic cristall, totes les molècules estan ordenades de la mateixa manera. Això permet obtenir una eficiència elevada, sobre un 20 %. Tenen color blau fosc o negre uniforme. 2. Silici policristal·lí: una cèl·lula està formada per multitud de petits cristalls fusionats entre si, d'aquí que el seu aspecte sigui jaspiat. Té una eficiència més baixa que el silici monocristal·lí, sobre un 15 %, però el seu preu és menor. 3. Silici amorf: sobre un vidre es diposita una capa fina de molècules desordenades. Amb aquesta tècnica es fabriquen les cèl·lules més barates, però també les menys eficients, sobre un 10 %. A més, duren menys que les de silici mono i policristal·lí. 6.4. Com funciona una cèl·lula solar? Un fotó de llum que xoca contra un àtom de silici pot fer que un dels seus electrons tingui suficient energia per desfer-se de l'atracció del nucli de l'àtom. Aquest electró pot moure's d'una manera aleatòria entre els àtoms del semiconductor, llavors es diu que és un electró lliure. La capa de silici tipus n (negativa) té electrons en excés i a la capa p (positiva), n'hi falten. Si posem en contacte una capa n i una capa p, es forma una unió p-n, un camp elèctric que indueix els electrons lliures a moure's cap a la capa n. Quan il·luminem una cèl·lula, a la capa n s'acumulen càrregues negatives i, a la capa p, a causa de l'absència d'electrons, s'hi acumulen càrregues positives. Si connectem un cable entre les dues capes, els electrons que es troben en excés a la capa n es mouen cap a la capa p i generen corrent elèctric que pot ser utilitzat per fer una tasca útil, com per exemple fer funcionar una bombeta. 6.5. El panell solar Normalment les cèl·lules solars no s'utilitzen soles sinó agrupades en un panell o mòdul solar. La funció dels panells és protegir les cèl·lules dels agents exteriors (pluja, vent, etc.) i permetre una fàcil instal·lació. Estan formats per un conjunt de cèl·lules (a vegades mitges cèl·lules) aparedades entre diverses capes de materials protectors. Un marc d'alumini dóna rigidesa al conjunt i permet la fixació en qualsevol estructura. Les cèl·lules solars produeixen corrent continu. La tensió de sortida d'una cèl·lula individual és d'uns 0,5 V. A l'interior del panell, les cèl·lules estan connectades en sèrie per aconseguir una tensió més elevada. Al mercat hi ha una gran varietat de panells solars de diferent mida, potència i tensió de sortida. 6.6. Tipus de sistemes fotovoltaics Hi ha dos tipus de sistemes fotovoltaics: 1. Sistemes aïllats: són instal·lacions que tenen total autonomia energètica. Per motius econòmics, tècnics o mediambientals no és possible o convenient fer-hi arribar la xarxa de distribució elèctrica. L'energia elèctrica que generen els panells s'utilitza per alimentar directament els receptors. L'energia sobrant s'emmagatzema en bateries. Aquests sistemes s'utilitzen en cases rurals aïllades, sistemes de senyalització, satèl·lits, vehicles solars, aplicacions agrícoles, etc. 2. Sistemes connectats a la xarxa: en aquest tipus d'instal·lacions, l'energia elèctrica produïda pels panells solars s'injecta a la xarxa elèctrica (es ven). Si es tracta d'un edifici que també necessita consumir energia, quan els panells no produeixen prou electricitat, es pren de la xarxa (es compra). Algunes instal·lacions disposen de bateries per emmagatzemar la producció sobrant i no haver de comprar molta electricitat de la xarxa de distribució. 6.6.1. Sistemes fotovoltaics aïllats. Calculadores El sistema fotovoltaic aïllat més senzill i amb el que estem més familiaritzats és la calculadora solar. El seu sistema elèctric consisteix únicament en una cèl·lula solar connectada directament al circuit electrònic de la calculadora, no necessita bateria. Fa servir cèl·lules de silici amorf. 6.6.1. Sistemes fotovoltaics aïllats. Cases aïllades Una aplicació força comuna de les cèl·lules solars és la de donar subministrament elèctric a cases aïllades. Portar una línia elèctrica a una casa allunyada de la xarxa de distribució és molt car. En aquests casos, és més econòmic un sistema fotovoltaic autònom. 11 www.tecno12-18.com © 2023 Saganet Multimedia S.L. Tots els drets reservats. 6.6.1. Sistemes fotovoltaics aïllats. Carreteres i autopistes Els sistemes fotovoltaics s'usen molt a les carreteres i autopistes per alimentar equips aïllats com càmeres, senyals, punts d'auxili, etc. També hi ha sistemes fotovoltaics aïllats a la ciutat, on la xarxa elèctrica és molt pròxima, com en parquímetres o en l'enllumenat públic. En aquests casos l'energia solar és més econòmica que realitzar les obres (rases, canalitzacions, pavimentacions, etc.) necessàries per tenir accés a la xarxa. 6.6.1. Sistemes fotovoltaics aïllats. Vehicles Una aplicació espectacular de l'energia solar fotovoltaica és la dels cotxes solars, com el "Despertaferro", dissenyat per alumnes de la UPC (Universitat Politècnica de Catalunya). En altres vehicles, com ara petits vaixells de vela o caravanes, s'utilitza per carregar les bateries dels sistemes elèctrics. 6.6.1. Sistemes fotovoltaics aïllats. Satèl·lits A l'espai, on cal una font d'energia autònoma i fiable, s'utilitzen freqüentment les cèl·lules solars. És el cas dels satèl·lits i altres enginys espacials, com l'Estació Espacial Internacional, un centre d'investigació situat a l'òrbita terrestre. 6.6.2. Sistemes fotovoltaics connectats. Façanes De vegades s'utilitzen les façanes d'edificis públics com museus o biblioteques per instal·lar panells solars. 6.6.2. Sistemes fotovoltaics connectats. Pèrgoles Una altra configuració utilitzada en sistemes connectats són les pèrgoles fotovoltaiques. La idea és crear un espai d'ombra en zones públiques i, alhora generar electricitat no contaminant que s'injecti a la xarxa. 6.6.2. Sistemes fotovoltaics connectats. Autoconsum solar L'autoconsum solar permet als usuaris generar la seva pròpia electricitat utilitzant panells solars instal·lats a la seva llar. L'energia produïda pels panells s'utilitza per alimentar els dispositius elèctrics de la casa, el que redueix la dependència de la xarxa elèctrica i pot generar estalvis significatius a la factura de la llum. Si els panells no generen prou energia, l'habitatge pren l'energia necessària de la xarxa, com en un habitatge sense autoconsum. Si es produeix més energia de la necessària, es pot vendre l'excedent i obtenir una compensació econòmica. 6.6.2. Sistemes fotovoltaics connectats. Centrals fotovoltaiques Les centrals fotovoltaiques estan composades per milers de panells solars col·locats sobre estructures metàl·liques. Com la resta de centrals elèctriques, la seva finalitat és generar electricitat a gran escala i injectar aquesta energia a la xarxa elèctrica perquè pugui ser consumida a les llars i les indústries. El preu dels panells solars ha baixat molt en les últimes dècades gràcies al desenvolupament tecnològic i la fabricació en massa. Això ha fet possible que es construeixin centrals fotovoltaiques de gran potència que poden proveir d'energia neta i renovable a milers de consumidors. 6.7. Centrals fotovoltaiques a l'Estat espanyol En els últims anys el número de centrals fotovoltaiques instal·lades a Espanya ha crescut significativament, i s'espera que aquesta tendència continuï en el futur proper. Al voltant d'un 8,3 % de l'electricitat consumida (dades de 2021) s'obté en centrals fotovoltaiques, el 2010 era tan sols del 2 %. 6.8. Centrals fotovoltaiques al món La solar fotovoltaica, junt amb l'electricitat d'origen eòlic, és una de les energies que més ha crescut a nivell mundial en els últims anys. Les energies solar i eòlica sumades van generar, per primera vegada, un 10 % de l'electricitat mundial el 2021. Amb les dades de 2021, Espanya és el vuitè país amb major potència fotovoltaica instal·lada: 18,5 GW (gigawatts). El primer és la Xina, seguit pels Estats Units i el Japó. A Europa el primer país és Alemanya, amb gairebé 60 GW. 6.8. Avantatges i inconvenients de les centrals fotovoltaiques Avantatges: - No emeten cap contaminant ni generen cap residu perillós. - Utilitzen una font d'energia renovable i gratuïta. - El preu de l'electricitat d'origen fotovoltaic és baix. - El cost de manteniment és molt baix. - Les centrals fotovoltaiques es construeixen en poc temps. Inconvenients: - Necessiten una superfície molt gran. - Poden provocar un gran impacte visual en alguns llocs. - La seva producció d'electricitat és discontínua, depèn de la radiació solar. 12 www.tecno12-18.com © 2023 Saganet Multimedia S.L. Tots els drets reservats. 7. La central eòlica 7.1. Introducció L'ús de l'energia eòlica, és a dir, de l'aprofitament de la força del vent, és molt antiga. La primera aplicació va ser l'ús de veles en els vaixells. Posteriorment, fa uns dos mil cinc-cents anys, van aparèixer a l'antiga Pèrsia (l'actual Iran) els primers molins de vent, que s'utilitzaven per moldre cereals per fer farina o per extreure aigua dels pous. Des de Pèrsia els molins de vent es van anar escampant per tot el món. A Europa s'utilitzen des de l'edat mitjana, especialment al Mediterrani i al nord. A Espanya són molt coneguts els molins de la Manxa (a prop de Toledo i Conca) i els de les illes Balears. Al segle XX, es van desenvolupar molins per produir electricitat, el seu ús principal actualment. 7.2. Tipus de molins de vent Els molins de vent més utilitzats són els següents: Classificació dels molins de vent més utilitzats Tipus Característiques Usos Transformen l'energia Aeromotors cinètica del vent en Bombeig d'aigua de pous energia mecànica De petita Cases de camp, habitatges aïllats, Transformen l'energia potència velers, etc. Aerogeneradors cinètica del vent en S'agrupen formant centrals eòliques. energia elèctrica De gran Produeixen electricitat per a la xarxa potència elèctrica. 7.2.1. Aeromotors - Transformen l'energia cinètica del vent en energia mecànica de rotació. - S'utilitza per moure altres màquines, normalment bombes d'aigua per extreure aigua de pous. - La majoria d'aeromotors tenen el disseny de la fotografia, que s'anomena "molí multipala americà". - Es va desenvolupar al segle XIX i es pot trobar per tot el món. 7.2.2. Petits aerogeneradors - Transformen l'energia cinètica del vent en electricitat. - La seva mida és modesta, el rotor té entre 1 i 7 metres de diàmetre. - Se solen utilitzar en cases de camp, instal·lacions aïllades i petits velers. - Tenen poca potència, entre 200 W i 10 KW. - L'energia elèctrica que produeixen normalment s'emmagatzema en bateries. - Es poden complementar amb energia solar fotovoltaica o amb un generador dièsel. 7.2.3. Grans aerogeneradors - Transformen l'energia cinètica del vent en electricitat. - Tenen una mida molt gran. Fixa't en la mida relativa del tècnic que està reparant l'aerogenerador de la dreta o en la pala que hi ha a la foto de sota. - Tot i que es poden instal·lar aïllats, és més freqüent veure'ls en grups, formant el que s'anomena parc eòlic o central eòlica. - L'energia elèctrica que produeixen s'injecta a la xarxa elèctrica i va a parar als habitatges i les indústries. 7.3. Com funciona un aerogenerador? Els grans aerogeneradors són les màquines que més s'han desenvolupat en els últims anys i han permès que l'energia eòlica esdevingui una energia competitiva des del punt de vista econòmic. A partir d'ara ens centrarem en el seu estudi. Parts exteriors d’un gran aerogenerador - Pales: Estan construïdes amb materials lleugers i alhora resistents, normalment són plàstics com el polièster o l'epoxi reforçats amb fibra de vidre. Tenen un perfil similar al de l'ala d'un avió. Les pales dels grans molins són de pas variable, que vol dir que poden girar sobre el seu eix per aconseguir la major potència possible en funció de la velocitat del vent. - Rotor: Del conjunt de totes les pales se'n diu rotor. Normalment els grans aerogeneradors tenen un rotor de 3 pales (tripales), tot i que alguns models només en tenen 2 (bipales). - Góndola: La góndola és l'estructura que suporta i protegeix dels agents atmosfèrics el generador elèctric i els elements de control de l'aerogenerador. 13 www.tecno12-18.com © 2023 Saganet Multimedia S.L. Tots els drets reservats. - Torre: Està feta de xapes d'acer doblegades en forma pràcticament cilíndrica. La seva funció és mantenir el rotor elevat perquè aprofiti millor el vent. - Fre aerodinàmic: Si el vent és massa lent o massa ràpid cal parar el rotor. Per fer-ho s'utilitza el fre aerodinàmic. Les puntes de les pales es giren i, tal com passa quan traiem el palmell de la mà per la finestra d'un cotxe, l'aire fa una gran força de resistència a l'avançament, cosa que fa que el rotor s'aturi. - Fonaments: Un molí de gran mida està sotmès a forces que tendeixen a tombar-lo. De la mateixa manera que un arbre necessita arrels per sostenir-se dret, un aerogenerador necessita fonaments que l'aferrin fermament al terreny. - Sensors: Els grans aerogeneradors són màquines intel·ligents que necessiten captar informació de l'exterior per adaptar el seu funcionament a les característiques del vent: aquesta tasca la fan els sensors. Els més importants són el penell i l'anemòmetre. L’anemòmetre mesura la velocitat del vent i el penell mesura la direcció del vent. Els aerogeneradors són màquines bastant complexes. Com funcionen? El component interior més important és el generador. Si es fa girar ràpidament l'eix del generador, es produeix corrent elèctric. És el que transforma l'energia mecànica de la rotació del molí en energia elèctrica. L'electricitat produïda pel generador s'extreu de l'aerogenerador a través d'uns cables que baixen per l'interior de la torre. El generador està unit al rotor a través de dos eixos: l'eix principal i l'eix secundari. Aquests eixos transmeten el moviment del rotor fins al generador. El primer és molt gruixut perquè ha de sostenir el rotor i, per tant, ha de suportar grans esforços. L'eix secundari és més prim i fa que el generador giri. Entre els dos eixos hi ha el multiplicador. El rotor gira a poc a poc, al voltant de 20 vegades per minut. El generador, en canvi, necessita girar molt ràpidament per produir corrent, unes 1500 vegades per minut. El multiplicador és una caixa d'engranatges que fa que l'eix del generador giri més ràpidament. L'aerogenerador ha de tenir un fre de seguretat per parar-lo quan s'ha de reparar o quan hi ha algun problema de funcionament. Per a aquesta funció s'utilitza un fre mecànic. Quan el vent canvia cal que la góndola giri horitzontalment per posar les pales de cara al vent. Per fer-ho disposa d'un mecanisme de gir accionat per un motor elèctric. L'element que decideix cap a on s'ha d'orientar el molí és un ordinador situat a l'interior de la góndola. Un sensor exterior, el penell, li diu quina és la direcció del vent en cada moment. L'ordinador també necessita saber quina és la velocitat del vent. Aquesta informació li dóna un altre sensor: l'anemòmetre. Si el vent és molt fluix, el molí no es pot connectar a la xarxa. Si el vent és massa fort, es pot fer malbé. En aquestes situacions l'ordinador frenarà el molí si acciona el fre aerodinàmic de les pales. Recorda que les pales dels grans aerogeneradors són de pas variable, és a dir, que poden girar sobre el seu eix per adaptar-se millor al vent que bufa i obtenir més energia. També és una funció de l'ordinador determinar quin és l'angle adequat en cada moment. La potència d'un molí de vent depèn del diàmetre del seu rotor. 7.4. La central eòlica Els grans aerogeneradors s'agrupen formant una central eòlica. Un altre nom que rep és el de parc eòlic. Un parc eòlic pot tenir des d'uns pocs aerogeneradors fins a centenars d'ells. Buscar un emplaçament per a una nova central és complicat perquè calen llocs on bufi molt de vent (normalment zones de muntanya) però que alhora no s'hi pugui crear un impacte ambiental (especialment visual) massa gran. L'electricitat generada pels molins d'una central eòlica s'injecta a la xarxa elèctrica i posteriorment es distribueix a les cases i les indústries. Des del centre de control un equip de tècnics i ordinadors governa la central. 14 www.tecno12-18.com © 2023 Saganet Multimedia S.L. Tots els drets reservats. 7.5. Energia eòlica a l'Estat espanyol L'eòlica és la tecnologia més usada a Espanya per produir electricitat, en segon lloc es troba l'energia nuclear. Al voltant d'un 24 % de l'electricitat consumida (dades del 2021) s'obté en centrals eòliques. Aquest percentatge s'ha incrementat considerablement en els últims anys, el 2010 era del 16 %. 7.6. Energia eòlica al món L'energia eòlica és una de les energies que més ha crescut a nivell mundial en els últims anys. Les causes són la reducció del preu dels aerogeneradors gràcies al desenvolupament tecnològic i l'economia d'escala (es fabriquen molts més que abans, el que fa que siguin més barats) i a que molts països estan fent polítiques per afavorir aquest tipus d'energia no contaminant. Espanya és el cinquè país del món per potència eòlica instal·lada. El primer és la Xina, seguit pels Estats Units, Alemanya i l'Índia. 7.7. Avantatges i inconvenients de l'energia eòlica Avantatges: - No emet cap contaminant ni genera cap residu perillós. - És una energia renovable, es regenera de manera natural. - El preu de l'electricitat d'origen eòlic és baix. - Les centrals eòliques es construeixen en poc temps. Inconvenients: - Pot provocar un gran impacte visual en certs llocs. - La seva producció és discontínua. 8. La central mareomotriu 8.1. Energia mareomotriu A la majoria de les costes del món existeix el fenomen de les marees, és a dir, l'ascens i el descens periòdic del nivell de l'aigua del mar (no s'ha de confondre amb les onades). El Mont-Saint-Michel, al nord de França, és famós per les seves marees. Es tracta d'un turó situat a la vora del mar que queda completament envoltat d'aigua quan les marees són prou altes. Durant una marea es mou una quantitat molt gran d'aigua. S'eleven moltes tones d'aigua que després tornen a baixar. Es requereix una gran quantitat d'energia per poder elevar tota aquesta massa i, a més, això passa en només unes hores. L'objectiu de les centrals mareomotrius és aprofitar aquesta energia per produir electricitat. 8.2. Com es formen les marees? Les marees es formen gràcies a l'atracció de l'aigua del mar per la Lluna i el Sol, especialment per la Lluna. La "Llei de la Gravitació Universal de Newton" diu que tots els cossos s'atrauen entre si. La força d'atracció és major si la massa dels cossos és gran i si són propers entre ells. La Lluna atrau l'aigua del mar que, en ser líquida, es deforma una mica en la direcció de la Lluna. Com que la Terra fa una volta cada 24 h i el seu eix de gir està inclinat respecte a la Lluna, l'aigua del mar en un punt determinat experimenta forces d'atracció que fluctuen al llarg del dia, cosa que fa que el nivell de les aigües pugi i baixi. 8.3. Un exemple de marea: el port de Saint-Malo Molt sovint les marees es presenten en cicles de 12 hores, tot i que depèn de la zona geogràfica i de l'època de l'any. L'amplitud de la marea, la diferència entre plenamar (altura de l'aigua del mar en el moment de la marea alta) i baixamar, varia durant l'any, en funció de la posició relativa de la Terra, la Lluna i el Sol. Al port francès de Saint- Malo, per exemple, a una marea durant un dia de finals d'estiu la diferència entre l'altura màxima de l'aigua i la mínima és de més de nou metres. 8.4. Com funciona una central mareomotriu? Una central mareomotriu s'assembla molt a una central hidroelèctrica convencional. Es construeix un dic (un mur per retenir l'aigua o protegir alguna cosa de l'efecte de l'aigua) que tanca un tros de mar, normalment un estuari (la desembocadura àmplia d'un riu), en una zona en què les marees són de gran altura. En aquest dic, s'hi fan unes obertures tancades amb comportes (estructura metàl·lica que reté o deixa passar l'aigua) en les quals es col·loquen turbines amb generadors. La forma més habitual de generació d'electricitat és la següent: quan la marea puja, es deixa passar l'aigua del mar a través de les comportes. Quan el nivell d'aigua és màxim es tanquen les comportes. En baixar la marea, s'obren les comportes i el flux d'aigua que surt mou les turbines i els generadors produeixen electricitat. 15 www.tecno12-18.com © 2023 Saganet Multimedia S.L. Tots els drets reservats.  1. Quan els nivells d'aigua interior i exterior són baixos, cal esperar que pugi la marea. 2. El nivell de l'aigua arriba al màxim. Es tanca la comporta. 3. Baixa la marea. El nivell de l'embassament interior no baixa perquè la comporta és tancada. 4. Quan la marea arriba al mínim (baixamar) s'obre la comporta. 5. L'aigua de l'embassament interior comença a sortir cap al mar obert. El flux d'aigua fa girar la turbina i es produeix l'electricitat. 8.5. Energia mareomotriu al món L'energia mareomotriu encara no està desenvolupada. Només hi ha dues centrals mareomotrius de mida relativament gran en funcionament: la central de La Rance (França) i la de Sihwa (Corea del Sud). A més a més, hi ha diverses centrals petites al Canadà, la Xina, Rússia i el Regne Unit. La central de La Rance, la més veterana, va entrar en funcionament el 1966 i té una potència de 240 MW (megawatts), suficient per subministrar electricitat a uns 223.000 habitants. La central de Sihwa es va construir el 2011 i té una potència de 254 MW. L'energia maremotriu pot tenir un gran potencial en el futur ja que hi ha moltes zones del món amb marees de fins a 18 m, com a la Badia de Fundy, al Canadà. Els països amb més possibilitats per a aquesta energia són Rússia, l'Índia, la Xina, Corea, Austràlia, França, el Regne Unit, l'Argentina, Xile, Mèxic, el Canadà i els EUA. A Espanya pràcticament no hi ha energia mareomotriu aprofitable. Al Mediterrani, com en tots els mars tancats, les marees són molt petites, de menys de 50 cm. Al Cantàbric i a l'Atlàntic les marees són més importants, però inferiors als 5 m que es consideren necessaris per tenir un aprofitament energètic econòmicament viable. 8.6. La central mareomotriu de La Rance La central de La Rance funciona des de fa més de 55 anys. Està formada per un dic de 700 m de longitud i 15 m d'altura (la marea més alta arriba als 13,5 m en aquesta zona). L'embassament interior té una superfície de 22 km². La central té 24 turbines amb generadors elèctrics capaços de produir una potència de 240 MW (megawatts). La producció anual d'energia és de 600.000.000 kWh anuals, la necessària per donar subministrament elèctric a unes 223.000 persones. 8.7. Avantatges i inconvenients de les centrals mareomotrius Avantatges: - No emeten cap contaminant ni generen cap residu perillós. - Es tracta d'una energia renovable, es regenera de forma natural. - El cost de manteniment és baix. Inconvenients: - Es necessita una inversió molt elevada per tal de construir una central mareomotriu. - La producció d'energia no és contínua, només durant unes hores al dia. - Es pot produir un impacte ambiental important a la zona on s'instal·la. - Només es poden aprofitar llocs on l'impacte ambiental és reduït. 16 www.tecno12-18.com © 2023 Saganet Multimedia S.L. Tots els drets reservats.