Central eléctrica

Una central eléctrica , también conocida como planta de energía o a veces estación 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 , 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 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 . ^{[ 1 ]}

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. ^{[ 2 ]}

En 1878, William, Lord Armstrong, diseñó y construyó una central hidroeléctrica en Cragside , Inglaterra . Utilizaba el 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. ^{[ 3 ]}

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 accionaba un generador de 27 toneladas (27 toneladas largas) . Este suministraba electricidad a los edificios de la zona a los que se podía acceder a través de las alcantarillas del viaducto sin necesidad de excavar la carretera, que era monopolio de las compañías de gas. Entre los clientes figuraban el City Temple y el Old Bailey . Otro cliente importante era la Oficina de Telégrafos de la Oficina General de Correos , pero a esta no se podía acceder a través de las alcantarillas. Johnson dispuso que el cable de suministro se instalara por vía aérea, pasando por Holborn Tavern y Newgate . ^{[ 4 ]} 

En septiembre de 1882, Edison estableció en Nueva York la estación de Pearl Street para proporcionar iluminación eléctrica en la zona baja de la isla de Manhattan. La estación funcionó hasta que fue destruida por un incendio en 1890. Utilizaba máquinas de vapor alternativas para accionar generadores de corriente continua. Debido a la distribución de CC, el área de servicio era pequeña, 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 elevar la tensión para la transmisión a larga distancia y luego la reducía 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 requerían más mano de obra para su operación que las centrales generadoras de CA mucho más grandes.

Los sistemas de corriente alterna utilizaban una amplia gama de frecuencias según el tipo de carga; la iluminación utilizaba frecuencias más altas, mientras que los sistemas de tracción y los sistemas de carga de motores pesados ​​preferían frecuencias más bajas. La rentabilidad de la generación en centrales eléctricas mejoró notablemente con el desarrollo de sistemas unificados de iluminación y energía, que operaban a una frecuencia común. La misma central generadora que alimentaba grandes cargas industriales durante el día podía alimentar los sistemas ferroviarios de cercanías durante las horas punta y, posteriormente, suministrar energía para iluminación por la noche, mejorando así el factor de carga del sistema y reduciendo el coste total de la energía eléctrica. Existían muchas excepciones: las centrales generadoras se dedicaban exclusivamente a la energía o a la iluminación según la frecuencia elegida, y los convertidores rotativos y los reductores de frecuencia rotativos eran especialmente 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 lograr una mayor eficiencia y recurriendo a la interconexión de múltiples centrales generadoras para mejorar la fiabilidad y reducir los costos. La transmisión de corriente alterna de alto voltaje permitió transportar la energía hidroeléctrica desde cascadas distantes hasta los mercados urbanos. 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 mediante correas ni por la velocidad relativamente lenta de los motores alternativos, y podían alcanzar tamaños enormes. Por ejemplo, Sebastian Ziani de Ferranti planeó lo que se habría convertido en el motor de vapor alternativo más grande jamás construido 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 una combinación de habilidad ingenieril y perspicacia financiera en igual medida. Entre los pioneros de la generación en centrales eléctricas se encuentran George Westinghouse y Samuel Insull en Estados Unidos, Ferranti y Charles Hesterman Merz en el Reino Unido, y muchos otros. ^{[ 6 ]}

En las centrales térmicas, la energía mecánica se produce mediante una máquina térmica que transforma la energía térmica , generalmente proveniente de la combustión de un combustible , en energía rotacional. La mayoría de las centrales térmicas producen vapor, por lo que a veces se las denomina centrales de vapor. Según la segunda ley de la termodinámica , no toda la energía térmica puede transformarse en energía mecánica ; por lo tanto, siempre se produce una pérdida de calor al ambiente. Si esta pérdida se aprovecha como calor útil, para procesos industriales o calefacción urbana , la central se denomina central de cogeneración o planta de CHP (producción combinada de calor y electricidad). En países donde la calefacción urbana es común, existen centrales térmicas dedicadas, denominadas centrales de calderas exclusivas para calor . Un tipo importante de centrales eléctricas en Oriente Medio utiliza el calor residual para la desalinización del agua.

La eficiencia de un ciclo de potencia térmica está limitada por la temperatura máxima del fluido de trabajo. La eficiencia no depende directamente del combustible utilizado. En las mismas condiciones de vapor, las centrales eléctricas de carbón, nucleares y de gas tienen la misma eficiencia teórica. En general, un sistema que funciona de forma continua (carga base) será más eficiente que uno que se utiliza de forma intermitente (carga pico). Las turbinas de vapor suelen operar con mayor eficiencia cuando funcionan a plena capacidad.

Además de aprovechar el calor residual para procesos industriales o calefacción urbana, una forma de mejorar la eficiencia general de una central eléctrica es combinar dos ciclos termodinámicos diferentes en una planta de ciclo combinado . Generalmente, los gases de escape de una turbina de gas se utilizan 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 alcanzar por separado.

En 2018, Inter RAO UES y State Grid ^{[ 8 ]} planearon construir una central termoeléctrica de 8 GW, ^{[ 9 ]} que es el mayor proyecto de construcción de una central eléctrica de carbón en Rusia . ^{[ 10 ]}

Clasificación

Por fuente de calor

• Las centrales eléctricas de combustibles fósiles pueden utilizar un generador de turbina de vapor o, en el caso de las centrales de gas natural, una turbina de combustión . Una central eléctrica de carbón produce calor mediante la combustión del carbón en una caldera de vapor. El vapor impulsa una turbina de vapor y un generador que, a su vez, produce electricidad . Los residuos de la combustión incluyen cenizas, dióxido de azufre , óxidos de nitrógeno y dióxido de carbono . Algunos de estos gases pueden eliminarse del flujo de residuos para reducir la contaminación.
• Las centrales nucleares ^{[ 11 ]} utilizan el calor generado en el núcleo de un reactor nuclear (por el proceso de fisión ) para crear vapor, que luego acciona una turbina de vapor y un generador. Alrededor del 20 por ciento de la generación eléctrica en Estados Unidos se produce mediante centrales nucleares.
• Las centrales geotérmicas utilizan vapor extraído de rocas subterráneas calientes. Estas rocas se calientan por la desintegración de material radiactivo en el núcleo de la Tierra. ^{[ 12 ]}
• Las centrales eléctricas que utilizan biomasa como combustible pueden alimentarse con residuos de caña de azúcar , residuos sólidos urbanos , metano de vertederos u otras formas de biomasa .
• En las acerías integradas , los gases de escape del alto horno constituyen un combustible de bajo coste, aunque de baja densidad energética.
• En ocasiones, el calor residual de los procesos industriales se concentra lo suficiente como para utilizarse en la generación de energía, normalmente en una caldera de vapor y una turbina.
• Las centrales termosolares utilizan la luz del sol para hervir agua y producir vapor, que a su vez hace girar el generador.
• Las centrales eléctricas de hidrógeno pueden utilizar hidrógeno verde procedente de la electrólisis para ayudar a equilibrar la oferta y la demanda de fuentes de energía renovables variables . ^{[ 13 ]}

Por motor principal

Un motor primario es una máquina que convierte la energía de diversas formas en energía de movimiento.

• Las centrales de turbinas de vapor utilizan la presión dinámica generada por la expansión del vapor para hacer girar las palas de una turbina. Casi todas las grandes centrales no hidroeléctricas utilizan este sistema. Aproximadamente el 90 por ciento de toda la energía eléctrica producida en el mundo se genera mediante turbinas de vapor. ^{[ 14 ]}
• Las centrales de turbina de gas utilizan la presión dinámica de los gases en circulación (aire y productos de combustión) para accionar directamente la turbina. Las centrales de turbina de combustión alimentadas con gas natural (y petróleo) pueden arrancar rápidamente, por lo que se utilizan para suministrar energía en horas punta durante periodos de alta demanda, aunque a un coste mayor que las centrales de carga base. Estas unidades pueden ser relativamente pequeñas y, en ocasiones, completamente autónomas, operadas a distancia. Este tipo de central fue desarrollado por primera vez en el Reino Unido; Princetown ^{[ 15 ]} fue la primera del mundo, puesta en marcha en 1959.
• Las centrales de ciclo combinado cuentan con una turbina de gas alimentada con gas natural, una caldera de vapor y una turbina de vapor que utilizan los gases de escape calientes de la turbina de gas para generar electricidad. Esto aumenta considerablemente la eficiencia general de la central, y muchas centrales eléctricas de base de nueva construcción son de ciclo combinado alimentadas con gas natural.
• Los motores de combustión interna alternativos se utilizan para suministrar energía a comunidades aisladas y son frecuentes en pequeñas plantas de cogeneración. Hospitales, edificios de oficinas, plantas industriales y otras instalaciones críticas también los utilizan para obtener energía de respaldo en caso de un apagón. Suelen funcionar con gasóleo, fueloil pesado, gas natural y gas de vertedero .
• Las microturbinas , los motores Stirling y los motores de combustión interna alternativos son soluciones de bajo coste para el uso de combustibles alternativos, como el gas de vertedero , el gas de digestión de las plantas de tratamiento de agua y el gas residual de la producción de petróleo.

Por deber

Las centrales eléctricas que pueden ser despachadas (programadas) para suministrar energía a un sistema incluyen:

• Las centrales eléctricas de carga base funcionan casi continuamente para proporcionar la parte de la carga del sistema que no varía a lo largo del día o la semana. Estas centrales pueden estar altamente optimizadas para reducir el coste del combustible, pero es posible que no arranquen ni se detengan con rapidez ante cambios en la carga del sistema. Ejemplos de centrales de carga base incluyen las grandes centrales térmicas de carbón y nucleares modernas, o las centrales hidroeléctricas con un suministro de agua predecible.
• Las centrales eléctricas de punta satisfacen la demanda máxima diaria, que puede durar solo una o dos horas al día. Si bien su costo operativo incremental siempre es mayor que el de las centrales de carga base, son necesarias para garantizar la seguridad del sistema durante los picos de demanda. Las centrales de punta incluyen turbinas de gas de ciclo simple y motores de combustión interna alternativos, que pueden arrancar rápidamente cuando se prevén picos en el sistema. Las centrales hidroeléctricas también pueden diseñarse para su uso en horas punta.
• Las centrales eléctricas de seguimiento de carga pueden adaptarse económicamente a las variaciones de la carga diaria y semanal, a un coste menor que las centrales de punta y con mayor flexibilidad que las centrales de carga base.

Las centrales no gestionables incluyen fuentes como la energía eólica y solar; si bien su contribución a largo plazo al suministro energético del sistema es predecible, a corto plazo (diariamente o por horas) su energía debe utilizarse según esté disponible, ya que la generación no puede posponerse. Los acuerdos contractuales ("de compra obligatoria") con productores independientes de energía o las interconexiones del sistema con otras redes pueden ser, en la práctica, no gestionables.

Torres de refrigeración

Todas las centrales térmicas generan calor residual como subproducto de la energía eléctrica útil producida. La cantidad de calor residual es igual o superior a la cantidad de energía convertida en electricidad útil . Las centrales de gas pueden alcanzar una eficiencia de conversión de hasta el 65%, mientras que las de carbón y petróleo alcanzan entre el 30% y el 49%. El calor residual produce un aumento de la temperatura en la atmósfera, que es pequeño en comparación con el producido por las emisiones de gases de efecto invernadero de la misma central. Las torres de refrigeración húmedas de tiro natural en muchas centrales nucleares y grandes centrales térmicas de 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 ambiente mediante la evaporación del agua.

Sin embargo, las torres de refrigeración húmedas de tiro inducido o forzado mecánicas en muchas grandes centrales térmicas, centrales nucleares, centrales eléctricas de combustibles fósiles, refinerías de petróleo , plantas petroquímicas , plantas geotérmicas , de biomasa y de conversión de residuos en energía utilizan ventiladores para proporcionar movimiento de aire hacia arriba a través del agua que desciende y no son estructuras hiperboloides similares a chimeneas. Las torres de refrigeración de tiro inducido o forzado suelen ser estructuras rectangulares, en forma de caja, rellenas de un material que mejora la mezcla del aire ascendente y el agua descendente. ^{[ 16 ] [ 17 ]}

En zonas con restricciones de uso de agua, puede ser necesario un sistema de refrigeración en seco o radiadores de refrigeración por aire directo, dado que el coste o las consecuencias medioambientales de obtener agua de reposición para la refrigeración evaporativa serían prohibitivos. Estos sistemas de refrigeración tienen menor eficiencia y mayor consumo energético para accionar los ventiladores, en comparación con una torre de refrigeración evaporativa húmeda convencional.

Las centrales eléctricas pueden generar energía eléctrica a partir de fuentes de energía renovables .

central hidroeléctrica

En una central hidroeléctrica, el agua fluye a través de turbinas utilizando la energía hidráulica para generar electricidad . La energía se captura a partir de la fuerza gravitatoria del agua que cae a través de tuberías forzadas hacia las turbinas conectadas a los generadores . La cantidad de energía disponible es una combinación de la altura y el caudal del agua. Se pueden construir diversas presas para elevar el nivel del agua y crear un lago para almacenarla . La energía hidroeléctrica se produce en 150 países, y la región de Asia-Pacífico generó el 32 por ciento de la energía hidroeléctrica mundial en 2010. China es el mayor productor de electricidad hidroeléctrica, con 721 teravatios-hora de producción en 2010, lo que representa alrededor del 17 por ciento del consumo eléctrico nacional.

Solar

La energía solar se puede convertir en electricidad directamente en células solares o en una central de energía solar de concentración, enfocando la luz para hacer funcionar un motor térmico. ^{[ 22 ]}

Una central 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 su conexión a la red eléctrica. Este tipo de central no utiliza máquinas rotativas para la conversión de energía. ^{[ 23 ]}

Las centrales termosolares utilizan colectores parabólicos o heliostatos para dirigir la luz solar hacia un tubo que contiene un fluido caloportador, como aceite. El aceite caliente se utiliza para hervir agua y convertirla en vapor, que hace girar una turbina que acciona un generador eléctrico. Las centrales termosolares de torre central utilizan cientos o miles de espejos, según su tamaño, para dirigir la luz solar hacia un receptor situado en la parte superior de la torre. El calor se utiliza para producir vapor que hace girar las turbinas que accionan los generadores eléctricos.

Viento

Las turbinas eólicas pueden utilizarse 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 fabrican hoy en día utilizan un diseño de tres palas, orientadas a barlovento. ^{[ 24 ]} Las turbinas eólicas conectadas a la red que se construyen actualmente son mucho más grandes que las instaladas durante la década de 1970. Por lo tanto, producen energía de forma más económica y fiable que los modelos anteriores. ^{[ 25 ]} Con turbinas más grandes (del orden de un megavatio), las palas se mueven más lentamente que en las unidades más antiguas y pequeñas, lo que las hace menos molestas visualmente y más seguras para las aves. ^{[ 26 ]}

Ósmosis

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 cuya presión es inferior a la diferencia entre las presiones del agua salada y el 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. Al compensarse las diferencias de presión, una turbina gira, generando energía. Este método está siendo estudiado específicamente por la empresa eléctrica noruega Statkraft, que ha calculado que  este proceso podría generar hasta 25 TWh/año en Noruega. Statkraft construyó el primer prototipo de planta de energía osmótica del mundo en el fiordo de Oslo, inaugurado el 24  de noviembre de 2009. Sin embargo, en enero de 2014, Statkraft anunció que no continuaría con este proyecto piloto. ^{[ 28 ]}

Biomasa

La energía de biomasa se puede producir mediante la combustión de residuos vegetales para calentar agua y convertirla en vapor, que a su vez impulsa una turbina de vapor. La bioenergía también se puede procesar a diferentes temperaturas y presiones mediante reacciones de gasificación , pirólisis o torrefacción . Según el producto final deseado, estas reacciones generan productos con mayor densidad energética ( gas de síntesis , pellets de madera , biocarbón ) que pueden alimentar un motor para producir electricidad con una tasa de emisiones mucho menor en comparación con la combustión al aire libre.

Es posible almacenar energía y producir energía eléctrica posteriormente, como en el caso de las centrales hidroeléctricas de bombeo , el almacenamiento de energía térmica , el almacenamiento de energía mediante volantes de inercia , las centrales eléctricas con almacenamiento de baterías , etc.

La potencia generada por una central eléctrica se mide en múltiplos del vatio , normalmente megavatios (10⁶ ^vatios ) o gigavatios (10⁹ ^vatios ). La capacidad de las centrales eléctricas varía considerablemente según el tipo de planta y factores históricos, geográficos y económicos.

Muchos de los parques eólicos terrestres más grandes en funcionamiento se encuentran en China. En 2022, el parque eólico de Gansu era el mayor parque eólico terrestre del mundo, con una producción de 10,45 GW, seguido por el de Zhang Jiakou (3000 MW). En enero de 2022, el parque eólico de Hornsea, en el Reino Unido, era el mayor parque eólico marino del mundo, con 1218  MW, seguido por el parque eólico de Walney, también en el Reino Unido , con 1026  MW.

En 2021, la capacidad instalada mundial de centrales eléctricas aumentó en 347 GW. Las capacidades de las centrales solares y eólicas aumentaron un 80 % en un año. ^{[ 29 ]}  A partir de 2022Las mayores centrales de energía fotovoltaica (FV) del mundo están encabezadas por el Parque Solar Bhadla en India, con una capacidad nominal de 2245  MW.

La mayor central termosolar de EE. UU. ( Ivanpah Solar Power Facility ) tiene una potencia de 392  MW.

Las grandes centrales eléctricas de carbón, nucleares e hidroeléctricas pueden generar desde cientos de megavatios hasta varios gigavatios. Algunos ejemplos:

La central nuclear de Koeberg, en Sudáfrica, tiene una capacidad nominal de 1860 megavatios.

La central eléctrica de carbón de Ratcliffe-on-Soar , en el Reino Unido, tenía una capacidad nominal de 2 gigavatios.

La central hidroeléctrica de la presa de Asuán, en Egipto, tiene una capacidad de 2,1 gigavatios.

La central hidroeléctrica de la presa de las Tres Gargantas en China tiene una capacidad de 22,5 gigavatios.

Las centrales eléctricas de turbina de gas pueden generar decenas o cientos de megavatios. Algunos ejemplos:

La central eléctrica de ciclo simple, o de ciclo abierto (OCGT), de Indian Queens , ubicada en Cornualles, Reino Unido, que utiliza una sola turbina de gas, tiene una potencia nominal de 140 megavatios.

La central eléctrica de Medway , una central eléctrica de turbina de gas de ciclo combinado (CCGT) en Kent, Reino Unido, con dos turbinas de gas y una turbina de vapor, tiene una potencia nominal de 700 megavatios. ^{[ 30 ]}

La capacidad nominal de una central eléctrica es prácticamente la máxima potencia eléctrica que puede producir. Algunas centrales funcionan casi exactamente a su capacidad nominal de forma continua, como centrales de carga base sin seguimiento de carga , excepto durante los periodos de mantenimiento programado o imprevisto.

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 potencia disponible de dichas centrales, ya que su coste marginal es prácticamente cero, pero la potencia disponible varía considerablemente; 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 central eléctrica de seguimiento de carga puede ser relativamente alto, y el costo del combustible para operar una central eléctrica de punta es aún mayor; tienen costos marginales relativamente altos. Los operadores mantienen las centrales eléctricas apagadas ("reserva operativa") o funcionando con un consumo mínimo de combustible ("reserva giratoria") la mayor parte del tiempo. Los operadores suministran más combustible a las centrales eléctricas de seguimiento de carga solo cuando la demanda supera la capacidad de producción de las centrales de menor costo (es decir, las centrales de carga base e intermitente), y luego suministran más combustible a las centrales eléctricas de punta solo cuando la demanda aumenta más rápido de lo que las centrales de seguimiento de carga pueden satisfacer.

El personal operativo de una central eléctrica tiene diversas funciones. Los operadores son responsables de la seguridad de los equipos de trabajo que realizan reparaciones frecuentes en los equipos mecánicos y eléctricos. Mantienen los equipos mediante inspecciones periódicas y registran temperaturas, presiones y otra información importante a intervalos regulares. Los operadores son responsables de arrancar y detener los generadores según sea necesario. Son capaces de sincronizar y ajustar la tensión de salida 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 contribuir a su fiabilidad. Los operadores deben ser capaces de responder a una emergencia y conocer los procedimientos establecidos para gestionarla. ^{[ 35 ]}

• Sistema de Identificación de Centrales Eléctricas (KKS)
• Las centrales eléctricas más grandes del mundo
• Base de datos de emisiones de carbono de centrales eléctricas en todo el mundo (Carbon Monitoring For Action: CARMA)
• Medición de la producción neta frente a la producción bruta. Archivado del original (pdf) el 21 de octubre de 2012.
• Medición de la generación de energía. Archivado del original (pdf) el 2 de octubre de 2012.