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Física y Química 3.º ESO · Fuentes de energía y centrales eléctricas

Tipos de centrales eléctricas

Objetivo: Al terminar, sabrás explicar cómo funcionan las centrales térmica, nuclear, hidroeléctrica, eólica y solar (fotovoltaica y termoeléctrica) y reconocer cada una por sus partes.

Explicación

Cómo funciona cada tipo de central

Central térmica convencional (carbón, fuelóleo o gas natural). En la caldera se quema el combustible y se calienta agua hasta convertirla en vapor a alta presión. El vapor mueve la turbina, que hace girar el alternador. Después, el vapor se enfría en un condensador (con agua de un río o de una torre de refrigeración) y vuelve a la caldera. En las de ciclo combinado (gas natural), los gases de la combustión mueven directamente una turbina de gas y, con el calor que les sobra, se produce vapor para una segunda turbina: aprovechan mejor el combustible.

Central nuclear. Es una central térmica en la que el calor no sale de una combustión, sino de la fisión (rotura) de núcleos de uranio en el reactor. Ese calor produce vapor y, a partir de ahí, todo es igual: turbina, alternador, condensador. Lo que sale de sus grandes torres de refrigeración es vapor de agua, no humo.

Central hidroeléctrica. Una presa retiene el agua de un río y forma un embalse. El agua baja por una tubería forzada, mueve la turbina y sale al río. En las de bombeo, cuando sobra electricidad (de noche o con mucho viento), se sube agua a un embalse superior para volver a usarla cuando haga falta: funcionan como una gran batería.

Parque eólico. Cada aerogenerador tiene tres palas que el viento hace girar; en la góndola (arriba de la torre) un multiplicador aumenta la velocidad de giro y el generador produce la corriente. Solo funciona con viento suficiente (ni muy flojo ni demasiado fuerte).

Central solar fotovoltaica. Los paneles están formados por células solares de silicio que transforman directamente la luz en corriente eléctrica continua. Un inversor la convierte en corriente alterna para la red. No tiene turbina ni alternador ni piezas que se muevan.

Central solar termoeléctrica. Miles de espejos concentran la luz del Sol para calentar un fluido; con ese calor se produce vapor que mueve una turbina, como en una térmica. Hay varias en Andalucía y Extremadura.

Central	Fuente	¿Turbina y alternador?	Cadena de transformaciones
Térmica	Carbón, gas, fuelóleo	Sí	química → térmica → cinética → eléctrica
Nuclear	Uranio	Sí	nuclear → térmica → cinética → eléctrica
Hidroeléctrica	Agua embalsada	Sí	potencial → cinética → eléctrica
Eólica	Viento	Sí (generador en la góndola)	cinética → eléctrica
Fotovoltaica	Sol	No	radiante → eléctrica
Termoeléctrica	Sol	Sí	radiante → térmica → cinética → eléctrica

Puntos clave

Térmicas y nucleares calientan agua para producir vapor que mueve la turbina; solo cambia de dónde sale el calor (combustión o fisión).
La hidroeléctrica aprovecha la energía potencial del agua embalsada; las de bombeo almacenan energía.
El aerogenerador lleva el generador en la góndola, arriba de la torre.
La fotovoltaica transforma la luz directamente en electricidad (corriente continua → inversor → alterna).
Térmicas e hidroeléctricas pueden producir cuando se necesita y la nuclear produce de forma constante; eólicas y solares dependen del tiempo.

Errores frecuentes

ErrorPensar que las torres de una central nuclear echan humo contaminante.
Cómo corregirloEs vapor de agua de la refrigeración; la radiactividad queda dentro del reactor.
ErrorConfundir la solar fotovoltaica con la solar termoeléctrica.
Cómo corregirloFotovoltaica: paneles, sin turbina. Termoeléctrica: espejos que calientan un fluido para producir vapor y mover una turbina.
ErrorCreer que en la central nuclear se quema uranio.
Cómo corregirloEl uranio no arde: sus núcleos se rompen (fisión) y desprenden energía.

Ejemplos resueltos

Ejemplo 1. ¿Qué central es? situación real (identificar por las pistas)
Identifica el tipo de central en cada caso: a) Junto al río Tajo, en Cáceres, hay una central con dos grandes cúpulas de hormigón; dentro se rompen núcleos de átomos y el calor produce vapor. b) En un cerro de Guadalajara hay decenas de torres blancas de unos 80 m con tres palas cada una. c) En unos campos de Toledo hay hectáreas de paneles oscuros inclinados hacia el sur, sin ninguna pieza que se mueva. d) En el valle del río Lozoya, una pared de hormigón retiene el agua; a sus pies, un edificio con turbinas.

Resolución
a) Nuclear (es la central de Almaraz): las cúpulas son los edificios de los reactores; la pista clave es la fisión. b) Eólica (parque eólico): torres con tres palas. c) Solar fotovoltaica: paneles sin piezas móviles. d) Hidroeléctrica: presa, embalse y turbinas.
Ejemplo 2. Térmica de carbón frente a ciclo combinado numérico (rendimiento)
Una central térmica de carbón tiene un rendimiento aproximado del 38 % y una de ciclo combinado de gas natural, del 57 %. Si cada una recibe 1000 MJ de energía química de su combustible: a) ¿cuánta energía eléctrica produce cada una? b) ¿cuánta energía se pierde en cada una y dónde va?

Resolución
a) Carbón: $E_{\text{eléctrica}} = 0{,}38 \cdot 1000 = 380\ \text{MJ}$ . Ciclo combinado: $0{,}57 \cdot 1000 = 570\ \text{MJ}$ .

b) Carbón: $1000 - 380 = 620\ \text{MJ}$ perdidos. Ciclo combinado: $1000 - 570 = 430\ \text{MJ}$ . La energía perdida sale sobre todo como energía térmica: en el agua de refrigeración (el vapor de las torres o el agua del río, que se calienta) y en los gases de la chimenea.

El ciclo combinado aprovecha mejor el combustible porque usa dos turbinas: produce más electricidad con la misma cantidad de combustible, y por eso emite menos $\text{CO}_2$ por cada kWh.

Ejercicios

De menos a más. Intenta cada uno antes de mirar la solución.

1. Fácil
¿Qué tipo de central es? a) Usa espejos que concentran la luz del Sol para producir vapor. b) De noche sube agua a un embalse superior y de día la deja caer. c) Quema gas natural y tiene dos turbinas. d) Transforma la luz en corriente continua, que un inversor convierte en alterna.

Ver solución
a) Solar termoeléctrica. b) Hidroeléctrica de bombeo. c) Térmica de ciclo combinado. d) Solar fotovoltaica.
a) Solar termoeléctrica (espejos + vapor + turbina). b) Hidroeléctrica de bombeo (almacena energía subiendo agua). c) Ciclo combinado (turbina de gas + turbina de vapor). d) Fotovoltaica (células solares + inversor).
2. Media
Una central térmica de gas y una central nuclear se parecen mucho. a) ¿Qué partes tienen en común? b) ¿En qué se diferencian? c) Escribe la cadena de transformaciones de cada una.

Ver solución
a) Turbina, alternador, condensador, transformador. b) De dónde sale el calor: combustión del gas o fisión del uranio. c) Química → térmica → cinética → eléctrica; nuclear → térmica → cinética → eléctrica.
a) Las dos calientan agua para obtener vapor; comparten turbina, alternador, condensador (y torre de refrigeración) y transformador. b) En la térmica el calor sale de la combustión del gas en una caldera; en la nuclear, de la fisión del uranio en un reactor. c) Térmica: $\text{química} \rightarrow \text{térmica} \rightarrow \text{cinética} \rightarrow \text{eléctrica}$ . Nuclear: $\text{nuclear} \rightarrow \text{térmica} \rightarrow \text{cinética} \rightarrow \text{eléctrica}$ .
3. Difícil
Una noche de invierno sin viento, a las 21 h, todo el mundo enciende luces, hornos y calefacciones. ¿Qué centrales pueden aumentar su producción para cubrir esa demanda y cuáles no? Explícalo.

Ver solución
Sí: ciclo combinado e hidroeléctricas (también bombeo). No: fotovoltaica (es de noche) ni eólica (no hay viento).
Pueden aumentar su producción las centrales gestionables: las de ciclo combinado (se encienden en poco tiempo) y las hidroeléctricas, incluidas las de bombeo (abren la compuerta y en minutos producen). La nuclear produce siempre casi al máximo, así que no puede aumentar mucho más. No pueden: la fotovoltaica (es de noche) ni la eólica (no hay viento). Por eso un sistema con muchas renovables necesita almacenamiento (bombeo, baterías) o centrales de respaldo.

Para practicar más

1. Fácil
Escribe la fuente de energía y la cadena de transformaciones de: a) una central hidroeléctrica; b) un parque eólico; c) una central solar termoeléctrica.

Ver solución
a) Agua embalsada: potencial → cinética → eléctrica. b) Viento: cinética → eléctrica. c) Sol: radiante → térmica → cinética → eléctrica.
a) Fuente: agua embalsada. $\text{potencial gravitatoria} \rightarrow \text{cinética} \rightarrow \text{eléctrica}$ b) Fuente: viento. $\text{cinética (viento)} \rightarrow \text{cinética (palas)} \rightarrow \text{eléctrica}$ c) Fuente: Sol. $\text{radiante} \rightarrow \text{térmica (fluido caliente y vapor)} \rightarrow \text{cinética (turbina)} \rightarrow \text{eléctrica}$
2. Media
Indica para qué sirve: a) la tubería forzada de una central hidroeléctrica; b) la góndola de un aerogenerador; c) el inversor de una instalación fotovoltaica; d) el condensador de una central térmica.

Ver solución
a) Llevar el agua del embalse a la turbina. b) Contiene el multiplicador y el generador. c) Pasar la corriente continua a alterna. d) Enfriar el vapor para que vuelva a ser agua líquida.
a) Conduce el agua desde el embalse hasta la turbina, ganando velocidad al bajar. b) Es la caja de lo alto de la torre: contiene el multiplicador de velocidad y el generador. c) Convierte la corriente continua de los paneles en corriente alterna como la de la red. d) Enfría el vapor que sale de la turbina para que vuelva a ser agua líquida y regrese a la caldera.
3. Media
Una central nuclear tiene un rendimiento aproximado del 33 %. a) Si en una hora el reactor produce 3000 MJ de energía térmica, ¿cuánta energía eléctrica se obtiene? b) ¿Cuánta se pierde y adónde va?

Ver solución
a) 990 MJ. b) 2010 MJ, como energía térmica del agua de refrigeración.
a) $E_{\text{eléctrica}} = 0{,}33 \cdot 3000 = 990\ \text{MJ}$ . b) $3000 - 990 = 2010\ \text{MJ}$ , que salen como energía térmica: calientan el agua de refrigeración (el vapor de las torres o el agua del río o del embalse).
4. Difícil
Explica por qué se dice que una central hidroeléctrica de bombeo funciona «como una gran batería». ¿Por qué son útiles en un país con muchos parques eólicos y solares?

Ver solución
Almacena energía subiendo agua cuando sobra electricidad y la devuelve cuando falta; compensa que eólica y solar dependan del tiempo.
Cuando sobra electricidad (de noche o en horas de mucho viento o sol), usa esa electricidad para bombear agua a un embalse superior: la energía queda almacenada como energía potencial del agua. Cuando hace falta electricidad, deja caer el agua por la turbina y la recupera (con algunas pérdidas). Es útil con muchas renovables porque la eólica y la solar no producen cuando queremos, sino cuando hace viento o sol: el bombeo guarda la energía que sobra y la devuelve cuando falta.