Com es genera l´electricitat
En diferents articles hem anat repassant solucions per l´estalvi, pel tipus de generació elèctrica que ens convé, sobre les línies elèctriques, etc., donant per fet que tothom sabia com es genera l´electricitat. Sé que no és així. Sovint es confonen conceptes pel fet de que no es té clar el primer d´ells. Cada any rebo a la fàbrica uns quants alumnes. Un grup prové de la Universitat. Un altre grup prové dels nivells superiors d´ESO. Intentem que la visita s´hagi treballat prèviament amb els mestres i així sigui més útil. Als alumnes d´ESO sempre els faig la pregunta de si coneixen com es genera l´electricitat. No ho saben. Quan després parlem dels sistemes que fan girar els aparells, arriben a dir el vent i l´aigua.
Ens fem un tip de parlar d´energies renovables i no tenim clar com es genera l´electricitat. És tan greu la qüestió que un professor d´enginyeria, el que estudia la hidràulica, em va dir que en un examen hi havia uns quants alumnes que no sabien què volia dir la paraula turbina. Quan és un concepte que han de conèixer els alumnes d´ESO.
L´electricitat es genera fonamentalment amb màquines que es diuen generadors elèctrics. També hi ha altres sistemes com la placa fotovoltaica o la pila, però fonamentalment es fa amb màquines rotatives, anomenades generadors. Si aquestes màquines funcionen amb corrent continu es diuen dinamos. Si generen amb corrent alterna es diuen alternadors. Aquestes paraules les coneixem dels cotxes. Abans les bicicletes i els cotxes portaven dinamos per generar l´electricitat que els feia falta. Ara costa trobar una dinamo per una bicicleta i els cotxes porten alternadors, més fiables que les dinamos. De fet, un alternador o una dinamo són les màquines inverses dels motors elèctrics. Son màquines molt fiables, amb un rendiment molt alt, arribant a nivells de 98%. Vol dir que si li apliquem a l´eix un treball, l´alternador en treu el 98% en forma d´electricitat. Són màquines de llarga durada, baix manteniment i molt rendiment.
Els alternadors i les dinamos funcionen per la llei física de l´electromagnetisme. Funcionen perquè hem posat un iman fix (en diem induït i estator) dins el qual hi gira un altre iman (en diem inductor i rotor). Quan l´iman rotor gira dins l´iman estator es produeix electricitat. Aquest fenomen es pot veure en molts museus de ciència; hi sol haver els dos imans de forma que una maneta permet fer girar el rotor i veure llum en una bombeta connectada. És una bona manera de fixar el concepte.
Ara que ja sabem que és relativament fàcil generar l´electricitat ens hem de preguntar com ho fem per girar el generador. El primer sistema que es va emprar, encara avui el millor, va ser el salt hidràulic. S´aprofita l´energia d´un salt per fer girar una màquina que es diu turbina. La turbina i el generador van connectats. Unes vegades directament, tot i que hi ha molts salts amb màquines antigues que van connectats per corretges. La turbina es dissenya depenent de l´energia que hi ha, però també de si el salt és de poca altura o de molta altura. Com que l´energia d´un salt és proporcional al producte del cabal d´aigua per la seva altura, les turbines han de tenir formes diferents segons el salt sigui de cabal o d´altura. Les turbines anomenades Kaplan són específiques per salts de poca altura. Per exemple, els que hi ha enmig del riu Roine tenen les pales com les hèlices dels vaixells. A l´altre costat hi ha els salts de molta altura, 25, 50, 100 metres, els quals tenen turbines anomenades Pelton amb pales en forma de cullera. Un exemple a casa nostra pot ser el salt de Queralbs. Entre ambdós tipus de turbina hi ha l´anomenada Francis.
Les turbines tenen molt bons rendiments si treballen a prop dels paràmetres de disseny, quan poden tenir rendiments del 93%. Si les condicions difereixen molt de les nominals aquests rendiments perden. Per exemple, si el cabal que hi passa és la meitat del nominal. És important doncs que les turbines treballin el més ajustat possible de les condicions de disseny. Això que sembla trivial és una batalla entre les minicentrals i l´Agència Catalana de l´Aigua (ACA). Les minicentrals han estat dissenyades amb un cabal determinat. L´ACA, en veure que el riu queda sec per culpa de la minicentral, pressionada pel col·lectiu de pescadors, disposa que baixi un cabal mínim pel riu, fent que la turbina quedi lluny del seu valor de disseny. Davant la discussió amb els propietaris de les minicentrals l´ACA els respon que canviïn les turbines per assolir de nou millors rendiments.
La generació hidràulica és el millor sistema per generar electricitat. La turbina hidràulica pot variar el seu cabal (encara que perdent rendiment). Pot tancar i posar en marxa amb facilitat, automàticament, qüestió molt important a l´hora de generar durant les hores de màxim consum (hores punta). Té rendiments molt alts, superiors al 80%. Té possibilitats d´emmagatzemar energia sobrant en el cas de les turbines-bomba, com la de l´Estany Gento, bombejant a la nit l´energia sobrant al sistema cap al llac superior, i tornant a generar electricitat turbinant de dia del llac superior al llac inferior. És l´únic sistema per emmagatzemar electricitat de forma fiable i en quantitat; sistema imprescindible per gestionar l´electricitat d´energies renovables com l´eòlica o la solar.
El generador també pot ser mogut pel vent, amb turbines eòliques. Sabem que aquestes s´han de col·locar en llocs on faci vent, sovint dalt les carenes; tenen suports molt alts i les potències augmenten any rere any. El molí de vent té el rotor (les pales), un multiplicador d´engranatges, un fre mecànic i el generador. Darrerament s´han desenvolupat molins que no disposen de multiplicador, font d´avaries. El generador treballa a baixa velocitat: aquests sistemes es fan servir a potències elevades de més de 2 Mw.
Ben aviat es va veure la possibilitat de moure els generadors amb vapor. Els primers sistemes movien els generadors amb motors de vapor a pistons. Després es va sofisticar i enlloc dels motors de vapor amb pistons es van inventar les turbines de vapor, on el vapor d´aigua, en forma de gas, i a pressions elevades, 40 bar o més, es fa passar a través d´una turbina d´àlebs, transformant l´energia potencial que tenia en energia de rotació (cinètica) al generador. Aquestes turbines són encara avui el sistema més emprat en la generació elèctrica. Les centrals que cremen carbó produeixen vapor per accionar una turbina. Les centrals de fuel igualment. Les centrals nuclears generen calor per produir vapor per una turbina. Les centrals de biomassa, la seva majoria, també. La majoria de centrals produeixen electricitat girant el generador amb una turbina de vapor. Les centrals de cicle combinat son més evolucionades, però ja en parlarem un altre dia.
La part dramàtica de les centrals elèctriques que utilitzen vapor com a fluid per la turbina és que el vapor, quan ha sortit de la turbina, encara que sigui a 0,3 bar, és en estat de vapor. Vol dir que encara té 0,53 kwh/kg, prop d´un 57% de l´energia del vapor a l´entrada de la turbina; aquesta energia es llença a l´atmosfera a través de torres de refrigeració; és el fum (són bafos) que veiem en les centrals tèrmiques i nuclears. El pas de vapor a aigua s´emporta la major part de l´energia. Això explica per què les centrals amb vapor tenen rendiments entre 33 i 35%.
Les turbines de gas també són una font per moure el generador. Es crema gas natural i els gasos es fan passar per una turbina com la dels motors dels avions. Aquests gasos surten de la turbina molt calents, a uns 500ºC, per la qual cosa s´envien a una caldera que produeix vapor que alhora alimenta una turbina de vapor. Aquesta combinació de turbines de gas i de vapor s´anomenen cicles combinats. Els seus rendiments son molt elevats en comparació a les centrals de vapor, arriben a valors superiors al 55%. És la tecnologia més de moda en la producció elèctrica actualment: bons valors de rendiment i valors d´inversió baixos.
Finalment l´electricitat es pot generar amb sistemes que no giren. Recordem la placa fotovoltaica i la pila química. La placa fotovoltaica té rendiments inferiors al 13%, per la qual cosa és lluny de ser encara el millor sistema de generació elèctrica massiu. Els generadors de piles poden ser considerats sistemes de futur en el cas de les piles de combustible, basats amb hidrogen; els seus rendiments poden ser del nivell de les centrals de cicle combinat, estant encara en fase no madura per la seva explotació en la generació elèctrica.
De tot l´anterior el que és important retenir és que la generació hidràulica és la de millor rendiment, que la eòlica no està malament encara que només funcioni 2.000 hores a l´any, i que les centrals tèrmiques llencen des del 65% al 45% de la seva energia a l´exterior.
Us ha agradat aquest article? Compartiu-lo!