Una central eléctrica , también denominada planta eléctrica y, a veces, central generadora o planta generadora , es una instalación industrial destinada a la generación de energía eléctrica . Las centrales eléctricas suelen estar conectadas a una red eléctrica .
Muchas centrales eléctricas contienen uno o más generadores , máquinas rotativas que convierten 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 utilizada para hacer funcionar 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 con bajas emisiones de 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 . Utilizaba agua de los lagos de su propiedad para alimentar las dinamos Siemens . La electricidad suministraba energía a las luces, 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 alimentaba una máquina de vapor de 93 kW (125 caballos de fuerza) que impulsaba un generador de 27 toneladas (27 toneladas largas). Esto suministraba electricidad a los locales de la zona a los que se podía llegar a través de las alcantarillas del viaducto sin excavar la carretera, que era monopolio de las compañías de gas. Los clientes incluían el City Temple y el Old Bailey . Otro cliente importante era la Oficina Telegráfica 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 fundó en Nueva York la estación Pearl Street para proporcionar iluminación eléctrica en la zona baja de la isla de Manhattan. La estación funcionó hasta que un incendio la destruyó en 1890. La estación utilizaba motores de vapor alternativos para hacer funcionar generadores de corriente continua. Debido a la distribución de corriente continua, el área de servicio era pequeña y estaba limitada por la caída de tensión en los alimentadores. En 1886, George Westinghouse comenzó a construir un sistema de corriente alterna que utilizaba un transformador para aumentar la tensión para la transmisión a larga distancia y luego la reducía para la iluminación interior, un sistema más eficiente y menos costoso que es similar a los sistemas modernos. La guerra de las corrientes finalmente se resolvió a favor de la distribución y utilización de corriente alterna, aunque algunos sistemas de corriente continua persistieron hasta fines del siglo XX. Los sistemas de corriente continua con un radio de servicio de una milla (kilómetro) o más eran necesariamente más pequeños, menos eficientes en el consumo de combustible y su funcionamiento requería más mano de obra que las centrales generadoras de corriente alterna mucho más grandes.
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Los sistemas de corriente alterna utilizaban una amplia gama de frecuencias según el tipo de carga; la carga de iluminación utilizaba frecuencias más altas, y los sistemas de tracción y los sistemas de carga de motores pesados preferían frecuencias más bajas. La economía de la generación de la estación central mejoró mucho cuando se desarrollaron sistemas unificados de luz y energía, que operaban a una frecuencia común. La misma planta generadora que alimentaba grandes cargas industriales durante el día, podía alimentar sistemas de trenes de cercanías durante las horas pico y luego dar servicio a la carga 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 centrales generadoras se dedicaban a la energía o la luz según la elección de la frecuencia, y los cambiadores de frecuencia rotativos y los convertidores rotativos eran particularmente comunes para alimentar los sistemas ferroviarios eléctricos desde la red general de iluminación y energía.
Durante las primeras décadas del siglo XX, las centrales eléctricas se hicieron más grandes, utilizando presiones de vapor más altas para proporcionar una mayor eficiencia y apoyándose en interconexiones de múltiples centrales generadoras para mejorar la confiabilidad y el costo. La transmisión de CA de alto voltaje permitió que la energía hidroeléctrica se trasladara cómodamente desde cascadas distantes a los mercados de la ciudad. La llegada de la turbina de vapor al servicio de las centrales eléctricas, 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 jamás se hubiera construido con una máquina de vapor alternativa para una nueva central eléctrica propuesta, pero descartó los planes cuando las turbinas estuvieron disponibles en el tamaño necesario. La construcción de sistemas de energía a partir de centrales eléctricas requería combinaciones de habilidad en ingeniería y perspicacia financiera en igual medida. Entre los pioneros de la generación a partir de centrales eléctricas se incluyen George Westinghouse y Samuel Insull en los Estados Unidos, Ferranti y Charles Hesterman Merz en el Reino Unido, y muchos otros [5] . [ cita requerida ]
Generación mundial de electricidad por fuente en 2021. La generación total fue de 28 petavatios-hora . [6]
En las centrales térmicas, la energía mecánica se produce mediante 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 energía mecánica, según la segunda ley de la termodinámica ; por lo tanto, siempre hay pérdida de 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 planta de cogeneración (CHP, por sus siglas en inglés). En los países donde la calefacción urbana es común, existen plantas de calor dedicadas llamadas centrales de calderas de solo calor . Una clase importante de centrales eléctricas en Oriente Medio utiliza el calor de los subproductos para la desalinización del agua.
La eficiencia de un ciclo de potencia térmica está limitada por la temperatura máxima del fluido de trabajo producido. La eficiencia no es una función directa del combustible utilizado. Para las mismas condiciones de vapor, las centrales eléctricas de carbón, nucleares y de gas tienen todas la misma eficiencia teórica. En general, si un sistema está en funcionamiento de forma constante (carga base), será más eficiente que uno que se utiliza de forma intermitente (carga máxima). Las turbinas de vapor generalmente funcionan con mayor eficiencia cuando funcionan a plena capacidad.
Además de utilizar el calor residual para calefacción de procesos o de distrito, 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 común 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 separado.
En 2018, Inter RAO UES y State Grid planearon construir una planta de energía térmica de 8 GW, [ 7] que es el proyecto de construcción de una planta de energía a carbón más grande de Rusia . [8]
Un motor primario es una máquina que convierte energía de diversas formas en energía de movimiento.
Las centrales eléctricas que pueden despacharse (programarse) 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, en el corto plazo (diaria u horaria) su energía debe utilizarse según esté disponible, ya que la generación no puede diferirse. Los acuerdos contractuales ("take or pay") con productores de energía independientes o las interconexiones del sistema con otras redes pueden ser efectivamente no despachables. [ cita requerida ]
Todas las centrales térmicas producen energía térmica 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 [ aclaración necesaria ] . Las centrales eléctricas a gas pueden alcanzar una eficiencia de conversión de hasta el 65%, mientras que las centrales a carbón y petróleo alcanzan alrededor del 30-49%. 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 refrigeración húmedas de tiro natural en muchas centrales nucleares y grandes centrales eléctricas a combustibles fósiles utilizan grandes estructuras similares a chimeneas hiperboloides (como se ve en la imagen de la derecha) que liberan el calor residual a la atmósfera ambiente mediante la evaporación del agua.
Sin embargo, las torres de enfriamiento húmedo de tiro inducido o tiro forzado mecánicas en muchas plantas de energía térmica, plantas de energía nuclear, plantas de energía de combustibles fósiles, refinerías de petróleo , plantas petroquímicas , plantas geotérmicas , plantas de biomasa y plantas de conversión de residuos en energía utilizan ventiladores para proporcionar movimiento de aire hacia arriba a través del agua que baja y no son estructuras tipo chimenea hiperboloide. Las torres de enfriamiento de tiro inducido o forzado son típicamente estructuras rectangulares, en forma de caja, rellenas con un material que mejora la mezcla del aire que fluye hacia arriba y el agua que fluye hacia abajo. [14] [15]
En áreas con uso restringido de agua, puede ser necesaria una torre de enfriamiento en seco o radiadores enfriados directamente por aire, ya que el costo o las consecuencias ambientales de obtener agua de reposición para enfriamiento por evaporación serían prohibitivos. Estos enfriadores tienen una menor eficiencia y un mayor consumo de energía para impulsar los ventiladores, en comparación con una torre de enfriamiento evaporativo húmeda típica. [ cita requerida ]
Las centrales eléctricas pueden utilizar un condensador enfriado por aire, tradicionalmente en zonas con un suministro de agua limitado o costoso. Los condensadores enfriados por aire cumplen la misma función 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 requerida ]
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 refrigeración de un solo paso o de un solo paso puede ahorrar el coste de una torre de refrigeración y puede tener menores costes de energía para bombear agua de refrigeración a través de los intercambiadores de calor de la planta . Sin embargo, el calor residual puede causar contaminación térmica a medida que se descarga el agua. Las centrales eléctricas que utilizan cuerpos de agua naturales para la refrigeración están diseñadas con mecanismos como rejillas para peces , para limitar la entrada de organismos en la maquinaria de refrigeración. Estas rejillas son sólo parcialmente eficaces y, como resultado, miles de millones de peces y otros organismos acuáticos mueren en las centrales eléctricas cada año. [16] [17] Por ejemplo, el sistema de refrigeración del Indian Point Energy Center en Nueva York mata más de mil millones de huevos y larvas de peces al año. [18] Otro impacto ambiental es que los organismos acuáticos que se adaptan al agua de descarga más caliente pueden resultar heridos si la planta se apaga en tiempo frío [ cita requerida ] .
El consumo de agua por parte de las centrales eléctricas es un problema en evolución. [19]
En los últimos años, las aguas residuales recicladas, o aguas grises , se han utilizado 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 requerida ]
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 la energía hidroeléctrica para generar hidroelectricidad . La energía se captura de la fuerza gravitacional del agua que cae a través de conductos forzados hacia 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 hidroelectricidad, con 721 teravatios-hora de producción en 2010, lo que representa alrededor del 17 por ciento del uso doméstico de electricidad. [ cita requerida ]
La energía solar se puede convertir en electricidad ya sea directamente en células solares o en una planta de energía solar de concentración enfocando la luz para hacer funcionar un motor térmico. [20]
Una planta de energía solar fotovoltaica convierte la luz solar en electricidad de corriente continua utilizando el efecto fotoeléctrico . Los inversores convierten la corriente continua en corriente alterna para la conexión a la red eléctrica. Este tipo de planta no utiliza máquinas rotativas para la conversión de energía. [21]
Las plantas de energía solar térmica utilizan canales parabólicos o helióstatos para dirigir la luz solar hacia una tubería que contiene un fluido de transferencia de calor, como el petróleo. El petróleo calentado se utiliza luego para hervir agua y convertirla en vapor, que hace girar una turbina que impulsa un generador eléctrico. El tipo de planta de energía solar térmica 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 que hace girar las turbinas que impulsan los generadores eléctricos. [ cita requerida ]
Las turbinas eólicas se pueden utilizar para generar electricidad en zonas 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, en dirección contraria al viento. [22] Las turbinas eólicas conectadas a la red que se construyen actualmente son mucho más grandes que las unidades instaladas durante la década de 1970. Por lo tanto, producen energía de forma más barata y fiable que los modelos anteriores. [23] En las turbinas más grandes (del orden de un megavatio), las palas se mueven más lentamente que en las unidades más antiguas y más pequeñas, lo que las hace menos molestas visualmente y más seguras para las aves. [24]
La energía marina o potencia marina (también denominada a veces energía oceánica o potencia 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 abastecer hogares, transporte e industrias.
El término energía marina engloba tanto la energía de las olas (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 poblaciones, si no de la mayoría. La energía oceánica tiene el potencial de proporcionar una cantidad sustancial de nueva energía renovable en todo el mundo. [25]
La energía del gradiente de salinidad se denomina ósmosis retardada por presión. En este método, se bombea agua de mar a una cámara de presión que está a 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, se hace girar una turbina que genera energía. Este método está siendo estudiado específicamente por la empresa de servicios públicos noruega Statkraft, que ha calculado que este proceso podría generar hasta 25 TWh/año en Noruega. Statkraft ha construido el primer prototipo de planta 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. [26]
La energía de biomasa se puede producir a partir de la combustión de material verde de desecho para calentar agua y convertirla en vapor y accionar una turbina de vapor. La bioenergía también se puede procesar mediante una variedad de temperaturas y presiones en reacciones de gasificación , pirólisis o torrefacción . Dependiendo del producto final deseado, estas reacciones crean productos con mayor densidad energética ( gas de síntesis , pellets de madera , biocarbón ) que luego se pueden introducir en un motor complementario para producir electricidad a una tasa de emisiones mucho menor en comparación con la quema a cielo abierto. [ cita requerida ]
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 por volante de inercia , la central eléctrica de almacenamiento de baterías , etc.
La mayor forma de almacenamiento de electricidad excedente del mundo, el almacenamiento por bombeo, 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 la oferta y la demanda de electricidad. Las plantas de almacenamiento por bombeo suelen utilizar electricidad "de reserva" durante los períodos de baja demanda para bombear agua desde un depósito inferior a un depósito superior. Debido a que el bombeo se realiza "fuera de horas punta", la electricidad es menos valiosa que en las horas punta. Esta electricidad "de reserva" menos valiosa proviene de la energía eólica no controlada y de plantas de energía de carga base como el carbón, la nuclear y la geotérmica, que aún producen energía por la noche aunque la demanda sea muy baja. Durante la demanda máxima durante el día, cuando los precios de la electricidad son altos, el almacenamiento se utiliza para la energía de pico , 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 el frío, un generador hidroeléctrico puede ponerse en servicio en unos pocos minutos, ideal para satisfacer una demanda de carga máxima. En Sudáfrica hay dos importantes sistemas de almacenamiento por bombeo: el sistema de almacenamiento por bombeo de Palmiet y otro en Drakensberg, el sistema de almacenamiento por bombeo de Ingula .
La potencia generada por una central eléctrica se mide en múltiplos de vatio , normalmente megavatios (10 6 vatios) o gigavatios (10 9 vatios). La capacidad de las centrales eléctricas varía considerablemente según el tipo de planta y factores históricos, geográficos y económicos. Los siguientes ejemplos ofrecen una idea de la escala.
Muchos de los parques eólicos terrestres en funcionamiento más grandes se encuentran en China. En 2022, el parque eólico de Roscoe es el parque eólico terrestre más grande del mundo, con una producción de 8000 MW de energía, seguido del de Zhang Jiakou (3000 MW). En enero de 2022, el parque eólico de Hornsea en el Reino Unido es el parque eólico marino más grande del mundo con 1218 MW, seguido del parque eólico de Walney en el Reino Unido con 1026 MW.
En 2021, la capacidad instalada mundial de plantas de energía aumentó en 347 GW. Las capacidades de las plantas de energía solar y eólica aumentaron un 80% en un año. [27] A partir de 2022 [actualizar], las plantas de energía fotovoltaica (PV) más grandes del mundo están lideradas 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 con turbinas de gas pueden generar decenas o cientos de megavatios. Algunos ejemplos:
La capacidad nominal de una central eléctrica es casi la potencia eléctrica máxima que puede producir la central. Algunas centrales eléctricas funcionan casi exactamente a su capacidad nominal todo el tiempo, como una central eléctrica de carga base que no sigue la carga , excepto en épocas 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 estas 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 operar una planta de energía que sigue la carga puede ser relativamente alto, y el costo del combustible para operar una planta de energía en horas pico es aún más alto: tienen costos marginales relativamente altos. Los operadores mantienen las plantas de energía apagadas ("reserva operativa") o funcionando con el consumo mínimo de combustible [ cita requerida ] ("reserva giratoria") la mayor parte del tiempo. Los operadores alimentan más combustible a las plantas de energía que siguen la carga solo cuando la demanda aumenta por encima de lo que las plantas de menor costo (es decir, plantas intermitentes y de carga base) pueden producir, y luego alimentan más combustible a las plantas de energía en horas pico solo cuando la demanda aumenta más rápido de lo que las plantas de energía que siguen la carga pueden seguir.
No toda la energía generada por una planta necesariamente se entrega a un sistema de distribución. Las plantas de energía 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. [29] Se mide en la terminal de generación y se mide en kilovatios-hora (kW·h), megavatios-hora (MW·h), [30] gigavatios-hora (GW·h) o, para las centrales eléctricas más grandes, teravatios-hora (TW·h). Incluye la electricidad utilizada en los auxiliares de la planta y en los transformadores. [31]
La generación neta es la cantidad de electricidad generada por una planta de energía que se transmite y distribuye para el 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 la contaminación. [32] Por lo tanto,
El personal operativo de una central eléctrica tiene varias funciones. Los operadores son responsables de la seguridad de los equipos de trabajo que frecuentemente realizan reparaciones en el equipo mecánico y eléctrico. Mantienen el equipo con inspecciones periódicas y registran temperaturas, presiones y otra información importante a intervalos regulares. Los operadores son responsables de poner en marcha y detener los generadores según sea necesario. Pueden sincronizar y ajustar la salida de voltaje de la generación adicional 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 misma. Los operadores deben poder responder a una emergencia y conocer los procedimientos establecidos para abordarla.
