¿Cómo se obtiene la energía eléctrica?

30 Sep 2016 (Público)  

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Ignacio Mártil
Catedrático de Electrónica. Universidad Complutense de Madrid

La energía eléctrica es uno de los combustibles esenciales de nuestra sociedad, no podemos imaginar nuestra civilización sin su presencia: la televisión, los ordenadores, Internet, la automatización de los procesos industriales, la iluminación artificial, etc., no se conciben sin la presencia generalizada de la energía eléctrica y sólo es comparable en importancia al fenómeno de la motorización impulsada por el petróleo. En este artículo describiré las bases científicas en las que se sustenta el funcionamiento de las centrales eléctricas.
1. Principio de funcionamiento de una central eléctrica
Una central eléctrica utiliza de manera práctica la conocida como Ley de Faraday, mediante el que se utiliza la energía mecánica que produce una fuente de energía como una caída de agua, el viento o la energía térmica de un combustible (carbón, gas, fuel, uranio) para mover los álabes de una turbina conectada a un generador que transforma la energía mecánica en eléctrica. En los dos primeros casos, el movimiento de la turbina se consigue directamente; en el caso de las centrales térmicas, estas calientan agua, generando vapor que se dirige a los álabes para moverlos.
La figura ilustra de manera simplificada la Ley de Faraday: la fuerza del agua cayendo de una determinada altura, las aspas de un molino eólico o el vapor de agua que mueve la turbina es la mano de la imagen, la turbina es la espira; finalmente el generador (conocido como alternador), lo forman el conjunto de espira e imán, que tiene identificados sus polos en la imagen. Durante el giro de la espira, se produce en esta una variación del flujo magnético que enlaza al girar en presencia del imán; debido a eso, en la espira se induce una tensión eléctrica que es a su vez la causa de que circule corriente por la bombilla situada a la salida del generador, dando lugar a la transformación de la energía mecánica en eléctrica:

La ley de inducción de Faraday esquematizada de manera sencilla

El alternador de las centrales eléctricas consta de dos partes: una fija, denominada estator y otra móvil, rotor. El rotor está compuesto por bobinas por las que se hace circular una corriente eléctrica continua, produciendo un campo magnético giratorio. El eje del rotor se mueve dentro del estator por acción de la turbina acoplada al mismo; de esta manera se induce en el estator lo que se conoce como fuerza electromotriz, que a su vez produce una corriente eléctrica alterna, corriente que puede transportarse a muchos kilómetros del lugar de generación para ser consumida. Comparando el funcionamiento del alternador con el del ejemplo de la figura anterior, en el alternador lo que gira es el imán, mientras que la espira en la que se induce la corriente permanece fija; el resultado es idéntico, ya que hay variación de flujo magnético enlazado por esta última.
El sistema turbina-alternador está en el corazón de todas las centrales de producción de energía eléctrica, con la excepción de las centrales fotovoltaicas, que utilizan un procedimiento diferente para obtenerla y que he explicado en este artículo publicado en este mismo blog. El esquema de una central eléctrica y del conjunto turbina-alternador se muestra en la figura:

Esquema de una central eléctrica convencional y del grupo turbina-alternador. Ver el texto para una explicación detallada

En las centrales térmicas, que son las responsables en la actualidad del 85 % del total de energía eléctrica producida en el mundo, el proceso de producción de electricidad, sea cual sea el combustible que utilicen (carbón, fuel, gas o uranio) se ilustra en la siguiente imagen, donde se pueden ver con más detalle los diferentes elementos que la integran:

Izquierda: esquema de una central térmica. Derecha: imagen de la central de Soto de Ribera (Asturias). A la derecha de la foto, se aprecia la torre de refrigeración; el “humo” que sale de ella es vapor de agua, producto de la condensación.

     1.- La caldera donde se genera el calor que hace hervir el agua consiste en una red de tuberías que recubren las paredes de la cámara de combustión. De esta forma, la superficie de intercambio de calor es muy grande, por lo que el agua se evapora a alta temperatura y penetra a alta presión en la turbina. Esto es esencial para lograr un elevado rendimiento de conversión de la energía térmica generada en el proceso de combustión en energía eléctrica [1].
    2.- La turbina se compone de varios cuerpos, unidos al mismo eje. El más próximo a la entrada del vapor de agua tiene unos álabes muy pequeños, para aprovechar más eficazmente el vapor que entra a la máxima presión obtenida en la caldera. La zona de la turbina más alejada de la entrada tiene los álabes más grandes, para optimizar la utilización de la energía del vapor que llega hasta ellos a una presión inferior.
    3.- El eje de la turbina está unido al generador, donde se logra, por la ley de Faraday descrita antes, transformar la energía mecánica de rotación en energía eléctrica, que se envía a la red eléctrica.
    4.- El vapor a baja presión, una vez fuera ya de la turbina, se envía a un condensador, donde se enfría para convertirlo de nuevo en agua líquida. Este elemento es uno de los más característicos de estas centrales, dado lo peculiar de su diseño en forma de cilindro hueco con diámetro en disminución conforme se eleva la estructura, como se ve en la foto anterior.
    5.- Finalmente, el agua enfriada se bombea de nuevo a la caldera, comenzando otra vez el ciclo completo.
2. Tipos de centrales
Además de las centrales térmicas ya descritas en el párrafo precedente, dependiendo del combustible utilizado, existen diferentes tipos principales de centrales eléctricas:

i) Hidroeléctricas:
Las primeras centrales hidroeléctricas se construyeron en los EEUU a finales del siglo XIX. En ellas se almacena agua en un embalse situado a determinada altura por encima del conjunto turbina-alternador. La energía potencial del agua se transforma en energía de movimiento al hacerla caer sobre los álabes de la turbina, transformándose por el alternador en energía eléctrica.

ii) Nucleares
Una central nuclear es una central térmica. La diferencia fundamental con las térmicas convencionales se debe al combustible que utilizan: la caldera es un reactor nuclear. El calor se genera mediante un proceso de fisión nuclear de átomos de uranio. Dado que durante la fisión se produce una reacción en cadena, la fisión se controla mediante el uso de los denominados moderadores, generalmente barras de grafito.

iii) Solares
Convierten la energía proveniente del sol en energía eléctrica. Este proceso puede realizarse mediante dos procedimientos diferentes:

– Centrales Fotovoltaicas: la radiación solar se convierte en energía eléctrica mediante células solares, a partir dele el denominado efecto fotovoltaico, que he descrito en este artículo publicado en este blog.

– Centrales Termosolares: En las centrales termosolares, la radiación solar se concentra por diversos procedimientos en un punto para calentar un fluido, generando un vapor que se dirige hacia la turbina produciendo luego energía eléctrica, de una forma análoga a la descrita para las centrales térmicas. También he descrito las principales características de estas centrales en este otro artículo.

iv) Eólicas
Transforman la energía del viento en movimiento en energía mecánica de rotación. Para ello se utiliza una torre en cuya parte superior hay un rotor con varias palas, generalmente tres, orientadas en la dirección del viento. Las palas, impulsadas por el viento, giran alrededor de un eje horizontal que está conectado al rotor de un alternador, transformando de esta forma la energía del viento en electricidad.

La tabla siguiente resume los principales tipos de centrales descritos, el combustible que utilizan y el grado de eficiencia energética con la que se obtiene la energía producida por cada una de ellas:

Tipos principales de centrales, combustible que utilizan y eficiencia energética. La variabilidad mostrada en las centrales renovables se debe a diversos factores: [*] velocidad del viento, [**] tecnología de células solares empleadas en la central; [***] grado de concentración de la radiación solar.

3. El transporte de la energía
Una vez producida, la energía eléctrica debe transportarse desde la central hacia los diversos lugares donde será consumida: fábricas, alumbrado público, señalización de control del tráfico, consumo doméstico, etc.
Un problema que debe resolverse en el transporte es la reducción de las pérdidas que se producen en forma de calor disipado en los cables encargados del transporte. Esta cuestión clave se debe al siguiente fenómeno físico, descubierto y formulado en 1840 por el físico británico James P. Joule (1818-1889):
Cuando se transmite una determinada cantidad de energía eléctrica a través de cables conductores, en estos se disipa una parte de la misma en forma de calor. La potencia disipada (P), viene determinada por la corriente que circula por los cables (I) y por la resistencia que estos presentan al paso de la misma (R), mediante la expresión:

P=I² x R                                                 (1)

La expresión anterior puede escribirse en función de la tensión (V) a la que trabaja la línea de transmisión de forma equivalente así:

P= I x V                                                  (2)

De las dos expresiones anteriores se deduce inmediatamente que, para la misma cantidad de potencia transmitida, cuanto mayor sea la tensión de trabajo de la línea de transmisión, se necesitará una menor intensidad de corriente para transmitir la misma potencia, lo que tiene como consecuencia un disminución de las pérdidas debidas a la resistencia de los cables, tal y como se deduce de la expresión (1). Por lo tanto, para lograr reducir estas, es preciso que el transporte de la energía eléctrica se efectúe a tensiones elevadas. Si las distancias son grandes (centenares de kilómetros), las redes de alta tensión trabajan a 132-400 kV. Una vez alcanzado el lugar de distribución, se reduce la tensión a valores medios (típicamente, 3-30kV). Finalmente, para llegar a los consumidores finales, se reduce de nuevo a los bien conocidos 220 voltios. La figura muestra los diferentes voltajes utilizados en una red de transporte típica:

Red de transporte de energía eléctrica

4. El futuro de las centrales eléctricas
A lo largo de los últimos 50 años, el mix energético global apenas ha sufrido alteraciones de importancia. Hoy en día, el 85% de la energía producida se obtiene de fuentes no renovables. El escenario, cada vez más próximo, del agotamiento de los combustibles fósiles (petróleo: 40-60 años; gas: 50-70 años; uranio: 80-100 años; carbón: 200-220 años) hace que esta situación este evolucionando, a buen ritmo en ciertos países, hacia un mix energético con mayor preponderancia de las fuentes renovables. Los recientes acuerdos de la cumbre de París sobre cambio climático pueden acelerar la transformación del mix global hacia las fuentes libres de emisiones.
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[1] Teóricamente, la eficiencia depende de la temperatura a la que hierva el agua y de la temperatura a la que se enfría posteriormente. En la práctica, intervienen otros numerosos factores.