Una central eléctrica , también denominada central eléctrica y en ocasiones estación generadora o planta generadora , es una instalación industrial para la generación de energía eléctrica . Las centrales eléctricas generalmente están conectadas a una red eléctrica .
Muchas centrales eléctricas contienen uno o más generadores , máquina giratoria que convierte la energía mecánica en energía eléctrica trifásica . El movimiento relativo entre un campo magnético y un conductor crea una corriente eléctrica .
La fuente de energía aprovechada para hacer girar el generador varía ampliamente. La mayoría de las centrales eléctricas del mundo queman combustibles fósiles como carbón , petróleo y gas natural para generar electricidad. Las fuentes de energía bajas en carbono incluyen la energía nuclear y el uso de energías renovables como la solar , la eólica , la geotérmica y la hidroeléctrica .
A principios de 1871, el inventor belga Zénobe Gramme inventó un generador lo suficientemente potente como para producir energía a escala comercial para la industria. [1]
En 1878, William, Lord Armstrong diseñó y construyó una central hidroeléctrica en Cragside , Inglaterra . Utilizó agua de los lagos de su propiedad para alimentar dinamos Siemens . La electricidad suministraba energía para la iluminación, la calefacción, producía agua caliente, hacía funcionar un ascensor, así como dispositivos que ahorraban mano de obra y edificios agrícolas. [2]
En enero de 1882 se construyó en Londres la primera central eléctrica pública de carbón del mundo , la Edison Electric Light Station , un proyecto de Thomas Edison organizado por Edward Johnson . Una caldera Babcock & Wilcox accionaba una máquina de vapor de 93 kW (125 caballos de fuerza) que impulsaba un generador de 27 toneladas (27 toneladas largas). De este modo se suministraba electricidad a los locales de la zona a los que se podía llegar a través de las alcantarillas del viaducto sin tener que excavar la carretera, que era monopolio de las empresas de gas. Entre los clientes se encontraban el City Temple y el Old Bailey . Otro cliente importante fue la Oficina de Telégrafos de la Oficina General de Correos , pero no se podía llegar a ella a través de las alcantarillas. Johnson dispuso que el cable de suministro pasara por encima, a través de Holborn Tavern y Newgate . [3]
En septiembre de 1882, Edison estableció la estación Pearl Street en Nueva York para proporcionar iluminación eléctrica en el área de la isla del bajo Manhattan. La estación funcionó hasta que fue destruida por un incendio en 1890. La estación utilizó máquinas de vapor alternativas para hacer girar generadores de corriente continua. Debido a la distribución de CC, el área de servicio era pequeña, limitada por la caída de voltaje en los alimentadores. En 1886, George Westinghouse comenzó a construir un sistema de corriente alterna que utilizaba un transformador para aumentar el voltaje para la transmisión a larga distancia y luego lo bajaba para la iluminación interior, un sistema más eficiente y menos costoso, similar a los sistemas modernos. La guerra de las corrientes finalmente se resolvió a favor de la distribución y utilización de CA, aunque algunos sistemas de CC persistieron hasta finales del siglo XX. Los sistemas de CC con un radio de servicio de aproximadamente una milla (kilómetro) eran necesariamente más pequeños, menos eficientes en el consumo de combustible y su funcionamiento requería más mano de obra que las estaciones centrales de generación de CA mucho más grandes.
Los sistemas de CA utilizaban una amplia gama de frecuencias según el tipo de carga; carga de iluminación que utiliza frecuencias más altas, y sistemas de tracción y sistemas de carga de motor pesado que prefieren frecuencias más bajas. La economía de la generación de estaciones centrales mejoró enormemente cuando se desarrollaron sistemas unificados de luz y energía, que operaban en una frecuencia común. La misma planta generadora que alimentaba grandes cargas industriales durante el día, podría alimentar sistemas ferroviarios de cercanías durante las horas pico y luego alimentar cargas de iluminación por la noche, mejorando así el factor de carga del sistema y reduciendo el costo de la energía eléctrica en general. Existían muchas excepciones, las estaciones generadoras se dedicaban a la energía o la luz mediante la elección de la frecuencia, y los cambiadores de frecuencia giratorios y los convertidores giratorios eran particularmente comunes para alimentar los sistemas ferroviarios eléctricos desde la red general de iluminación y energía.
A lo largo de las primeras décadas del siglo XX, las estaciones centrales se hicieron más grandes, utilizaban presiones de vapor más altas para proporcionar una mayor eficiencia y dependían de interconexiones de múltiples estaciones generadoras para mejorar la confiabilidad y el costo. La transmisión de CA de alto voltaje permitió trasladar cómodamente la energía hidroeléctrica desde cascadas distantes a los mercados de las ciudades. La llegada de la turbina de vapor al servicio de la estación central, alrededor de 1906, permitió una gran expansión de la capacidad de generación. Los generadores ya no estaban limitados por la transmisión de potencia de las correas o la velocidad relativamente lenta de los motores alternativos, y podían crecer hasta alcanzar tamaños enormes. Por ejemplo, Sebastian Ziani de Ferranti planeó lo que se habría construido una máquina de vapor alternativa para una nueva estación central propuesta, pero descartó los planes cuando estuvieron disponibles turbinas del tamaño necesario. La construcción de sistemas de energía a partir de estaciones centrales requirió una combinación de habilidades de ingeniería y perspicacia financiera en igual medida. Los pioneros de la generación de estaciones centrales incluyen a George Westinghouse y Samuel Insull en los Estados Unidos, Ferranti y Charles Hesterman Merz en el Reino Unido y muchos otros [4] . [ cita necesaria ]
Generación mundial de electricidad en 2021 por fuente (la generación total fue de 28 petavatios-hora ) [5]
En las centrales térmicas, la energía mecánica es producida por un motor térmico que transforma la energía térmica , a menudo procedente de la combustión de un combustible , en energía rotacional. La mayoría de las centrales térmicas producen vapor, por lo que a veces se las llama centrales de vapor. No toda la energía térmica se puede transformar en potencia mecánica, según la segunda ley de la termodinámica ; por lo tanto, siempre se pierde calor al medio ambiente. Si esta pérdida se utiliza como calor útil, para procesos industriales o calefacción urbana , la central eléctrica se denomina central de cogeneración o central CHP (calor y electricidad combinados). En los países donde la calefacción urbana es común, existen plantas de calor dedicadas llamadas estaciones de calderas de solo calor . Una clase importante de centrales eléctricas en Oriente Medio utiliza calor derivado para la desalinización del agua.
La eficiencia de un ciclo de energía térmica está limitada por la temperatura máxima del fluido de trabajo producida. La eficiencia no es directamente función del combustible utilizado. Para las mismas condiciones de vapor, las centrales eléctricas de carbón, nucleares y de gas tienen la misma eficiencia teórica. En general, si un sistema está encendido constantemente (carga base), será más eficiente que uno que se usa de manera intermitente (carga máxima). Las turbinas de vapor generalmente funcionan con mayor eficiencia cuando funcionan a plena capacidad.
Además del uso del calor rechazado para procesos o calefacción urbana, una forma de mejorar la eficiencia general de una planta de energía es combinar dos ciclos termodinámicos diferentes en una planta de ciclo combinado . Lo más habitual es que los gases de escape de una turbina de gas se utilicen para generar vapor para una caldera y una turbina de vapor. La combinación de un ciclo "superior" y un ciclo "inferior" produce una eficiencia general mayor que la que cualquiera de los ciclos puede lograr por sí solo.
En 2018, Inter RAO UES y State Grid Archivado el 21 de diciembre de 2021 en Wayback Machine planearon construir una central térmica de 8 GW, [6] que es el proyecto de construcción de una central eléctrica a carbón más grande en Rusia . [7]
Un motor primario es una máquina que convierte energía de diversas formas en energía de movimiento.
Las plantas de energía que se pueden enviar (programar) para proporcionar energía a un sistema incluyen:
Las plantas no despachables incluyen fuentes como la energía eólica y solar; si bien su contribución a largo plazo al suministro de energía del sistema es predecible, a corto plazo (diaria o por hora) su energía debe utilizarse según esté disponible, ya que la generación no se puede diferir. Los acuerdos contractuales ("tomar o pagar") con productores de energía independientes o interconexiones de sistemas a otras redes pueden ser efectivamente no despachables. [ cita necesaria ]
Todas las centrales térmicas producen energía calorífica residual como subproducto de la energía eléctrica útil producida. La cantidad de energía térmica residual es igual o superior a la cantidad de energía convertida en electricidad útil [ se necesita aclaración ] . Las centrales eléctricas alimentadas con gas pueden alcanzar hasta un 65% de eficiencia de conversión, mientras que las plantas de carbón y petróleo alcanzan entre un 30% y un 49%. El calor residual produce un aumento de temperatura en la atmósfera, que es pequeño en comparación con el producido por las emisiones de gases de efecto invernadero de la misma central eléctrica. Las torres de enfriamiento húmedo de tiro natural en muchas plantas de energía nuclear y grandes plantas de energía alimentadas con combustibles fósiles utilizan grandes estructuras hiperboloides similares a chimeneas (como se ve en la imagen de la derecha) que liberan el calor residual a la atmósfera ambiental mediante la evaporación del agua. .
Sin embargo, las torres de enfriamiento húmedo mecánicas de tiro inducido o tiro forzado en muchas grandes centrales térmicas, centrales nucleares, centrales eléctricas alimentadas con combustibles fósiles, refinerías de petróleo, plantas petroquímicas , plantas geotérmicas , de biomasa y de conversión de residuos en energía utilizan ventiladores para Proporcionan movimiento de aire hacia arriba a través del agua que desciende y no son estructuras hiperboloides parecidas a chimeneas. Las torres de enfriamiento de tiro inducido o forzado son típicamente estructuras rectangulares en forma de caja llenas de un material que mejora la mezcla del aire que fluye ascendente y el agua que fluye hacia abajo. [13] [14]
En áreas con uso restringido de agua, puede ser necesaria una torre de enfriamiento seca o radiadores enfriados directamente por aire, ya que el costo o las consecuencias ambientales de obtener agua de reposición para el enfriamiento evaporativo serían prohibitivos. Estos refrigeradores tienen una menor eficiencia y un mayor consumo de energía para accionar los ventiladores, en comparación con una típica torre de enfriamiento evaporativo húmedo. [ cita necesaria ]
Las centrales eléctricas pueden utilizar un condensador enfriado por aire, tradicionalmente en zonas con un suministro de agua limitado o caro. Los condensadores enfriados por aire cumplen el mismo propósito que una torre de enfriamiento (disipación de calor) sin utilizar agua. Consumen energía auxiliar adicional y, por lo tanto, pueden tener una mayor huella de carbono en comparación con una torre de enfriamiento tradicional. [ cita necesaria ]
Las compañías eléctricas a menudo prefieren utilizar agua de refrigeración del océano o de un lago, río o estanque de refrigeración en lugar de una torre de refrigeración. Este sistema de enfriamiento de un solo paso o de un solo paso puede ahorrar el costo de una torre de enfriamiento y puede tener menores costos de energía para bombear agua de enfriamiento a través de los intercambiadores de calor de la planta . Sin embargo, el calor residual puede provocar contaminación térmica al descargarse el agua. Las plantas de energía que utilizan cuerpos de agua naturales para enfriar están diseñadas con mecanismos como rejillas para peces , para limitar la entrada de organismos en la maquinaria de enfriamiento. Estas pantallas son sólo parcialmente efectivas y, como resultado, cada año las centrales eléctricas matan a miles de millones de peces y otros organismos acuáticos. [15] [16] Por ejemplo, el sistema de refrigeración del Indian Point Energy Center de Nueva York mata más de mil millones de huevos y larvas de peces al año. [17] Otro impacto ambiental es que los organismos acuáticos que se adaptan al agua de descarga más cálida pueden resultar dañados si la planta se cierra en un clima frío [ cita requerida ] .
El consumo de agua en las centrales eléctricas es un tema en evolución. [18]
En los últimos años se han utilizado aguas residuales recicladas, o aguas grises , en torres de refrigeración. Entre estas instalaciones se encuentran las centrales eléctricas Calpine Riverside y Calpine Fox en Wisconsin , así como la central eléctrica Calpine Mankato en Minnesota . [ cita necesaria ]
Las centrales eléctricas pueden generar energía eléctrica a partir de fuentes de energía renovables .
En una central hidroeléctrica el agua fluye a través de turbinas que utilizan energía hidroeléctrica para generar hidroelectricidad . La energía se obtiene de la fuerza gravitacional del agua que cae a través de tuberías forzadas hasta turbinas hidráulicas conectadas a generadores . La cantidad de energía disponible es una combinación de altura y flujo de agua. Se puede construir una amplia gama de presas para elevar el nivel del agua y crear un lago para almacenar agua . La energía hidroeléctrica se produce en 150 países, y la región de Asia y el Pacífico generó el 32 por ciento de la energía hidroeléctrica mundial en 2010. China es el mayor productor de energía hidroeléctrica, con 721 teravatios-hora de producción en 2010, lo que representa alrededor del 17 por ciento del uso de electricidad nacional. [ cita necesaria ]
La energía solar se puede convertir en electricidad directamente en células solares o en una planta de energía solar de concentración enfocando la luz para hacer funcionar un motor térmico. [19]
Una planta de energía solar fotovoltaica convierte la luz solar en electricidad de corriente continua mediante el efecto fotoeléctrico . Los inversores transforman la corriente continua en corriente alterna para la conexión a la red eléctrica. Este tipo de plantas no utiliza máquinas rotativas para la conversión de energía. [20]
Las plantas de energía solar térmica utilizan cilindros parabólicos o helióstatos para dirigir la luz solar hacia una tubería que contiene un fluido de transferencia de calor, como el aceite. El aceite calentado luego se usa para hervir agua y convertirla en vapor, lo que hace girar una turbina que impulsa un generador eléctrico. El tipo de central termosolar de torre central utiliza cientos o miles de espejos, según el tamaño, para dirigir la luz solar hacia un receptor situado en la parte superior de una torre. El calor se utiliza para producir vapor para hacer girar turbinas que impulsan generadores eléctricos. [ cita necesaria ]
Las turbinas eólicas se pueden utilizar para generar electricidad en áreas con vientos fuertes y constantes, a veces en alta mar . En el pasado se han utilizado muchos diseños diferentes, pero casi todas las turbinas modernas que se producen hoy en día utilizan un diseño de tres palas a contraviento. [21] Las turbinas eólicas conectadas a la red que se construyen ahora son mucho más grandes que las unidades instaladas durante la década de 1970. Por tanto, producen energía de forma más económica y fiable que los modelos anteriores. [22] Con turbinas más grandes (del orden de un megavatio), las aspas se mueven más lentamente que las unidades más antiguas y más pequeñas, lo que las hace menos molestas visualmente y más seguras para las aves. [23]
La energía marina o potencia marina (también denominada a veces energía oceánica o energía oceánica ) se refiere a la energía transportada por las olas del océano , las mareas , la salinidad y las diferencias de temperatura del océano . El movimiento del agua en los océanos del mundo crea una gran reserva de energía cinética o energía en movimiento. Esta energía se puede aprovechar para generar electricidad para alimentar hogares, transporte e industrias.
El término energía marina engloba tanto la energía de las olas —la energía de las olas superficiales, como la energía de las mareas— obtenida a partir de la energía cinética de grandes masas de agua en movimiento. La energía eólica marina no es una forma de energía marina, ya que la energía eólica se deriva del viento , incluso si las turbinas eólicas se colocan sobre el agua.
Los océanos tienen una enorme cantidad de energía y están cerca de muchas, si no la mayoría, de poblaciones concentradas. La energía oceánica tiene el potencial de proporcionar una cantidad sustancial de nueva energía renovable en todo el mundo. [24]
La energía del gradiente de salinidad se llama ósmosis retardada por presión. En este método, el agua de mar se bombea a una cámara de presión que tiene una presión inferior a la diferencia entre las presiones del agua salada y del agua dulce. También se bombea agua dulce a la cámara de presión a través de una membrana, lo que aumenta tanto el volumen como la presión de la cámara. A medida que se compensan las diferencias de presión, una turbina hace girar creando energía. Este método está siendo estudiado específicamente por la empresa de servicios públicos noruega Statkraft, que ha calculado que este proceso estaría disponible en Noruega hasta 25 TWh/año. Statkraft construyó el primer prototipo de central de energía osmótica del mundo en el fiordo de Oslo, que se inauguró el 24 de noviembre de 2009. Sin embargo, en enero de 2014, Statkraft anunció que no continuaría con este proyecto piloto. [25]
La energía de biomasa se puede producir a partir de la combustión de material verde de desecho para calentar agua y convertirla en vapor e impulsar una turbina de vapor. La bioenergía también se puede procesar a través de una variedad de temperaturas y presiones en reacciones de gasificación , pirólisis o torrefacción . Dependiendo del producto final deseado, estas reacciones crean productos más densos en energía ( gas de síntesis , pellets de madera , biocarbón ) que luego pueden introducirse en un motor adjunto para producir electricidad con una tasa de emisiones mucho más baja en comparación con la quema al aire libre. [ cita necesaria ]
Es posible almacenar energía y producir energía eléctrica en un momento posterior, como en la hidroelectricidad de almacenamiento por bombeo , el almacenamiento de energía térmica , el almacenamiento de energía del volante , las centrales eléctricas de almacenamiento de baterías , etc.
El almacenamiento por bombeo , la forma de almacenamiento de exceso de electricidad más grande del mundo, es una planta hidroeléctrica reversible. Son consumidores netos de energía, pero proporcionan almacenamiento para cualquier fuente de electricidad, suavizando eficazmente los picos y valles en el suministro y la demanda de electricidad. Las plantas de almacenamiento por bombeo suelen utilizar electricidad "sobrante" durante los períodos de menor actividad para bombear agua desde un depósito inferior a un depósito superior. Debido a que el bombeo se realiza "fuera de las horas pico", la electricidad es menos valiosa que en las horas pico. Esta electricidad "sobrante" menos valiosa proviene de energía eólica no controlada y de centrales eléctricas de carga básica como las de carbón, nucleares y geotérmicas, que todavía producen energía por la noche a pesar de que la demanda es muy baja. Durante los picos de demanda diurnos, cuando los precios de la electricidad son altos, el almacenamiento se utiliza para los picos de energía , donde se permite que el agua del depósito superior fluya de regreso a un depósito inferior a través de una turbina y un generador. A diferencia de las centrales eléctricas de carbón, que pueden tardar más de 12 horas en arrancar desde frío, un generador hidroeléctrico puede ponerse en servicio en unos minutos, ideal para satisfacer una demanda de carga máxima. Dos importantes sistemas de almacenamiento por bombeo se encuentran en Sudáfrica, el plan de almacenamiento por bombeo Palmiet , y otro en Drakensberg, el plan de almacenamiento por bombeo Ingula .
La energía generada por una central eléctrica se mide en múltiplos de vatio , normalmente megavatios ( 10,6 vatios) o gigavatios ( 10,9 vatios). Las centrales eléctricas varían mucho en capacidad dependiendo del tipo de central eléctrica y de factores históricos, geográficos y económicos. Los siguientes ejemplos ofrecen una idea de la escala.
Muchos de los mayores parques eólicos terrestres operativos se encuentran en China. A partir de 2022, el parque eólico de Roscoe es el parque eólico terrestre más grande del mundo, con una producción de 8000 MW de energía, seguido por el de Zhang Jiakou (3000 MW). En enero de 2022, el parque eólico Hornsea en el Reino Unido es el parque eólico marino más grande del mundo con 1218 MW, seguido por el parque eólico Walney en el Reino Unido con 1026 MW.
En 2021, la capacidad instalada mundial de centrales eléctricas aumentó en 347 GW. La capacidad de las plantas de energía solar y eólica aumentó un 80% en un año. [26] A partir de 2022 [actualizar], las plantas de energía fotovoltaica (PV) más grandes del mundo están encabezadas por Bhadla Solar Park en India, con una potencia de 2245 MW.
Las centrales solares térmicas en EE. UU. tienen la siguiente producción:
Las grandes centrales eléctricas de carbón, nucleares e hidroeléctricas pueden generar desde cientos de megavatios hasta varios gigavatios. Algunos ejemplos:
Las centrales eléctricas de turbinas de gas pueden generar entre decenas y cientos de megavatios. Algunos ejemplos:
La capacidad nominal de una central eléctrica es casi la potencia eléctrica máxima que la central puede producir. Algunas centrales eléctricas funcionan casi exactamente a su capacidad nominal todo el tiempo, como una central eléctrica de carga base sin seguimiento de carga , excepto en momentos de mantenimiento programado o no programado.
Sin embargo, muchas centrales eléctricas suelen producir mucha menos energía que su capacidad nominal.
En algunos casos, una central eléctrica produce mucha menos energía que su capacidad nominal porque utiliza una fuente de energía intermitente . Los operadores intentan extraer la máxima energía disponible de dichas centrales eléctricas, porque su costo marginal es prácticamente cero, pero la energía disponible varía ampliamente; en particular, puede ser cero durante fuertes tormentas nocturnas.
En algunos casos, los operadores producen deliberadamente menos energía por razones económicas. El costo del combustible para hacer funcionar una planta de energía después de su carga puede ser relativamente alto, y el costo del combustible para hacer funcionar una planta de energía en su punto máximo es aún mayor: tienen costos marginales relativamente altos. Los operadores mantienen las plantas de energía apagadas ("reserva operativa") o funcionando con un consumo mínimo de combustible [ cita necesaria ] ("reserva giratoria") la mayor parte del tiempo. Los operadores alimentan más combustible a las plantas de energía que siguen la carga sólo cuando la demanda aumenta por encima de lo que las plantas de menor costo (es decir, plantas de carga intermitente y base) pueden producir, y luego alimentan más combustible a las plantas de energía de pico sólo cuando la demanda aumenta más rápido que la carga. Pueden seguir las siguientes centrales eléctricas.
No toda la energía generada por una planta necesariamente se entrega a un sistema de distribución. Las centrales eléctricas normalmente también utilizan parte de la energía, en cuyo caso la producción de generación se clasifica en generación bruta y generación neta .
La generación bruta o producción eléctrica bruta es la cantidad total de electricidad generada por una central eléctrica durante un período de tiempo específico. [28] Se mide en la terminal de generación y se mide en kilovatios-hora (kW·h), megavatios-hora (MW·h), [29] gigavatios-hora (GW·h) o, para las centrales eléctricas más grandes, teravatios. -horas (TW·h). Incluye la electricidad utilizada en los auxiliares de la planta y en los transformadores. [30]
La generación neta es la cantidad de electricidad generada por una central eléctrica que se transmite y distribuye para uso del consumidor. La generación neta es menor que la generación bruta total de energía, ya que parte de la energía producida se consume dentro de la propia planta para alimentar equipos auxiliares como bombas , motores y dispositivos de control de contaminación. [31] Así
El personal operativo de una central eléctrica tiene varias tareas. Los operadores son responsables de la seguridad de los equipos de trabajo que frecuentemente realizan reparaciones en los equipos mecánicos y eléctricos. Mantienen el equipo con inspecciones periódicas y registran temperaturas, presiones y otra información importante a intervalos regulares. Los operadores son responsables de arrancar y detener los generadores según la necesidad. Son capaces de sincronizar y ajustar la salida de voltaje de la generación agregada con el sistema eléctrico en funcionamiento, sin alterar el sistema. Deben conocer los sistemas eléctricos y mecánicos para solucionar problemas en la instalación y aumentar la confiabilidad de la instalación. Los operadores deben poder responder a una emergencia y conocer los procedimientos establecidos para abordarla.
