Centrales eléctricas: Cómo funcionan y tipos de centrales eléctricas

Las centrales eléctricas convierten los combustibles fósiles (carbón, gas natural y petróleo) en energía eléctrica. En este post veremos cómo funciona una central eléctrica y qué tipos de centrales eléctricas existen.

Daremos también un repaso al futuro de las centrales eléctricas. Algún día, podríamos generar toda nuestra electricidad de una manera completamente limpia y ecológica. Hasta entonces, las centrales eléctricas son vitales para que escuelas, hospitales, industrias, hogares y oficinas puedan consumir electricidad.

Cómo funciona una central eléctrica

Una sola gran central eléctrica puede generar suficiente electricidad (unos 2000 MW) para abastecer miles de hogares, y esa es la misma cantidad de energía que se podría obtener mediante energía eólica, con unos 1.000 aerogeneradores funcionando a toda máquina.

La base del funcionamiento de una central eléctrica está en  el combustible que quema. Por ejemplo, un kilogramo de carbón contiene cerca de 30 MJ de energía calorífica. El trabajo de una central eléctrica es liberar esta energía en forma de calor y utilizarlo para accionar una turbina, que luego accionará un generador. Las centrales eléctricas pueden producir tanta energía porque queman enormes cantidades de combustible..

Como norma general, la mayoría de las centrales eléctricas no son muy eficientes: en una antigua central típica que funciona con carbón, sólo un tercio de la energía encerrada en el combustible se convierte en electricidad y el resto se desperdicia.

Los diseños más nuevos, como las centrales de ciclo combinado (que veremos más abajo) pueden tener una eficiencia de hasta el 50%.

También se desperdicia mucha electricidad en el trayecto desde la central eléctrica hasta el punto de consumo.

Sumando todas las pérdidas, sólo una quinta parte de la energía del combustible quedará disponible como energía útil en el punto de consumo.

Una central eléctrica es un poco como una línea de producción de energía. La energía primaria entra por un lado y la electricidad sale por el otro. ¿Qué sucede en el medio? Vamos a verlo con ayuda del siguiente esquema:

1. Combustible: En una central eléctrica, todo comienza con la carga de combustible. Algunas centrales eléctricas funcionan con carbón, mientras que otras utilizan petróleo, gas natural o gas metano, procedente de la descomposición de materia orgánica.

2. Horno: El combustible se quema en un horno gigante para liberar energía térmica.

3. Caldera: En la caldera, el calor del horno fluye a través de un intercambiador de calor, formado por tuberías llenas de agua fría. El calor hace hervir el agua y la convierte en vapor.

4. Turbina de vapor: El vapor fluye a alta presión alrededor de las cuchillas de metal de una turbina. Las turbina comienza a girar a medida que pasa el vapor. Este dispositivo está diseñado para convertir la energía del vapor en energía cinética. Para que la turbina funcione eficientemente, el calor debe entrar en ella a una temperatura y presión realmente altas y dejarla a la temperatura y presión más bajas posibles.

5. Torre de refrigeración: Las gigantescas torres de refrigeración que se suelen ver en las centrales eléctricas hacen que la turbina sea más eficiente. El agua caliente hirviendo de la turbina de vapor se enfría en un intercambiador de calor llamado condensador. Luego se rocía en las torres de enfriamiento gigantes y se bombea de vuelta para su reutilización. La mayor parte del agua se condensa en las paredes de las torres y vuelve a caer. Sólo una pequeña cantidad del agua utilizada se escapa en forma de vapor de las propias torres, pero se pierden grandes cantidades de calor y energía.

6. Generador: La turbina está unida por un eje a un generador, por lo que el generador gira con los álabes de la turbina. A medida que gira, el generador utiliza la energía cinética de la turbina para producir electricidad.

7. Cables eléctricos: La electricidad viaja desde el generador a un transformador cercano.

8. Transformador elevador: La electricidad pierde parte de su energía a medida que viaja por los cables de alambre, pero la electricidad de alta tensión pierde menos energía que la electricidad de baja tensión. De este modo, la electricidad generada en la planta se eleva a una tensión muy alta cuando sale de la planta de energía.

9. Línea eléctrica de alta tensión: La línea eléctrica transporta la electricidad a voltajes extremadamente altos hasta los transformadores que reducirán la tensión de la línea.

10. Transformador reductor: Una vez que la electricidad llega a su destino, otro transformador reduce la tensión de la línea una vez más para que pueda ser utilizad en los puntos de consumo.

11. Puntos de consumo: Desde el transformador, la electricidad fluje en baja tensión hasta nuestros hogares, oficinas, tiendas, colegios, hospitales, etc.

Tipos de centrales eléctricas

Vamos a ver ahora los tipos de centrales eléctricas que existen:

Centrales de turbina de vapor

La mayoría de las centrales eléctricas tradicionales producen energía quemando combustible para liberar calor. Por esa razón, se llaman plantas de energía térmica (a base de calor).

Las plantas de carbón o de petróleo funcionan como acabamos de ver, quemando combustible para liberar energía calorífica, que hace hervir el agua y acciona una turbina de vapor. Este diseño básico a veces se denomina ciclo simple.

Centrales de turbina de gas

Las plantas de gas natural funcionan de una manera ligeramente diferente a las centrales de turbinas de vapor, que es muy similar a cómo funciona un motor a reacción. En lugar de hacer vapor, queman un flujo constante de gas y lo utilizan para impulsar un diseño ligeramente diferente de turbina (llamada turbina de gas) en su lugar.

Centrales de ciclos combinados

Cada central eléctrica que se ha construido ha tenido un objetivo principal: obtener la mayor cantidad de electricidad útil posible de su combustible, es decir, ser lo más eficiente posible.

Cuando los motores a reacción gritan a través del cielo disparando gases calientes como cohetes a su paso, están desperdiciando energía. No hay mucho que podamos hacer al respecto en un avión, pero podemos hacer algo al respecto en una central eléctrica.

En una central eléctrica, podemos tomar los gases de escape calientes que provienen de una turbina de gas y utilizarlos para alimentar una turbina de vapor también en lo que se denomina un ciclo combinado.

Esto nos permite producir hasta un 50% más de electricidad a partir del combustible en comparación con una planta ordinaria de ciclo simple.

Alternativamente, podemos mejorar la eficiencia de una central eléctrica pasando los gases residuales a través de un intercambiador de calor para que calienten el agua en su lugar. Este diseño se llama cogeneración.

Centrales nucleares

Las centrales nucleares funcionan de forma similar a las centrales de ciclo simple de carbón o petróleo, pero en lugar de quemar combustible, rompen los átomos para liberar energía térmica. Esta energía se utiliza para hervir agua, generar vapor y alimentar una turbina de vapor y un generador de la forma habitual.

Centrales hidroeléctricas

Las centrales hidroeléctricas no utilizan energía calorífica para mover la turbina. Este tipo de centrales están diseñadas para canalizar grandes cantidades de agua a través de enormes turbinas de agua, que accionan los generadores directamente.

Una central hidroeléctrica, se construye en un río para sostenerse, detrás de una enorme presa de hormigón. El agua puede escapar a través de una abertura relativamente pequeña en la presa llamada tubería de impulsión y, al hacerlo, hace girar una o más turbinas. Mientras el agua del río fluye, las turbinas giran y la presa genera energía eléctrica.

Aunque no producen contaminación ni emisiones, las centrales hidroeléctricas son muy dañinas en otros aspectos, ya que degradan los ríos bloqueando su flujo y pueden llegar a inundan grandes áreas.

El almacenamiento por bombeo genera electricidad de manera similar a una central hidroeléctrica, pero transporta la misma agua de un lado a otro entre un lago de alto nivel y otro más bajo.

En los momentos de mayor demanda, se permite que el agua se escape del lago alto al bajo, generando electricidad a un precio elevado. Cuando la demanda es menor, en medio de la noche, el agua es bombeada de nuevo desde el lago bajo al alto usando electricidad de baja tarifa.

Futuro a las centrales eléctricas

Siempre necesitaremos  electricidad, pero eso no significa que siempre necesitaremos plantas de energía como las que tenemos hoy en día. Las presiones ambientales ya están obligando a muchos países a cerrar las centrales eléctricas de carbón que producen las mayores emisiones de dióxido de carbono, responsables del cambio climático y del calentamiento global.

Aunque las centrales nucleares podrían ofrecer la ruta más limpia hacia un futuro con bajas emisiones de carbono, existe una gran preocupación sobre si podemos construirlas con la suficiente rapidez o superar los temores sobre la contaminación y la seguridad.

A corto plazo, está bastante claro lo que nos depara el futuro: hay una tendencia a utilizar gas a nivel mundial. La mayoría de las nuevas plantas generadoras de energía eléctrica utilizan ahora gas natural, que es significativamente más barato, relativamente abundante (por ahora), y produce menos emisiones que otras estaciones de combustible fósil.

Las centrales de gas natural también son más rápidas y baratas de construir que las alternativas más complejas, como las centrales nucleares, y se enfrentan a menos oposición pública.

También están cobrando importancia otras tendencias, en particular un cambio hacia plantas más pequeñas impulsadas por la cogeneración. Dado que algunas de ellas serán alimentados por biomasa (como árboles o «cultivos energéticos» cultivados específicamente para este fin) o residuos, esto ilustra tendencias diferentes en funcionamiento: el cambio a plantas más pequeñas y más de ellas, y la transición de los combustibles fósiles a las renovables.

A más largo plazo, el futuro debe ser renovable porque los suministros de combustibles fósiles se agotarán o (más probablemente) se considerarán demasiado sucios o caros para su uso. Ya hemos visto una enorme expansión de la energía eólica en las últimas dos décadas y es probable que la energía solar aumente drásticamente en los próximos años.

El gran inconveniente es que se necesitan al menos 1.000 aerogeneradores (con una potencia nominal de 2MW) o 400.000 techos solares (con una potencia nominal de 5kW), trabajando al máximo, para obtener la misma potencia que una gran central eléctrica (2GW), por lo que si vamos a pasar de las centrales eléctricas a la energía verde, necesitamos una gran cantidad de energía que cubra un área enorme.

Hay quien argumenta que podemos evitar la construcción de centrales eléctricas a través de la eficiencia energética, por ejemplo, mediante el uso de electrodomésticos más eficientes y un mejor aislamiento. En teoría, si se emiten 50 millones de bombillas de bajo consumo y cada una ahorra 50 vatios de potencia, se evita por completo la necesidad de construir una gran central eléctrica (2,5 GW).

También podemos reducir la necesidad de nuevas plantas de energía almacenando la energía de forma más sensata y gestionando la demanda para que no tengamos picos tan grandes en el uso de la energía. Lamentablemente, este enfoque sólo nos lleva hasta cierto punto.

El problema es que nuestras necesidades totales de energía están creciendo constantemente, y nuestra necesidad de electricidad está destinada a crecer también a medida que pasamos de los automóviles de combustible fósil y los trenes diesel a las alternativas eléctricas.

Además, está la cuestión de las crecientes necesidades energéticas en los países en desarrollo: la gente de esos países no puede ahorrar energía que no está usando, y sería inmoral tratar de impedir que usen la energía para salir de la pobreza.

En última instancia, el mundo en su conjunto va a necesitar aprovechar mucha más energía y mucha más electricidad y, aunque la eficiencia tiene un papel crucial que desempeñar, es sólo una pequeña parte de la solución.

A corto plazo, el gas ayuda si nos aleja del carbón. La cogeneración también ayuda si mejora la eficiencia, pero no si nos encierra en los combustibles fósiles durante las próximas décadas.

La captura y almacenamiento de carbono podría ayudarnos a hacer que las plantas más antiguas que funcionan con carbón sean más amigables con el medio ambiente, pero sigue siendo en gran medida no probada y costosa.

El futuro a largo plazo debe ser, sin duda, renovable y la eficiencia energética podría facilitar la consecución de un futuro más verde, impulsado por el sol y el viento. Aún así, por ahora y en las próximas décadas, las centrales eléctricas convencionales de combustibles fósiles seguirán siendo la base de nuestro suministro de energía y electricidad.