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La producción de energía eléctrica – La calidad de la energía

Mercado Eléctrico para la Transición Energética Maestría en Economía de la Energía y Desarrollo Sustentable

¿Cómo se produce la energía eléctrica?

Generadores eléctricos.

• Son sistemas de conversión de energía: reciben energía mecánica y la transforman en energía eléctrica a través de un sistema electromagnético formado por una parte estática (estator) y una parte rotatoria (rotor).

• La energía mecánica produce el movimiento del rotor que al interactuar magnéticamente con el estator, produce energía eléctrica.

• La energía mecánica proviene de turbinas que funcionan con vapor, gas, agua o bien de motores de explosión que utilizan combustibles fósiles.

• El tipo de generador depende en consecuencia, de la fuente primaria de energía (petróleo, carbón, gas, agua, fusión nuclear).

https://generadorelectrico.org/que-es-un-generador-electrico/

Generación Hidroeléctrica

Centrales Hidroeléctricas:

• Una central hidroeléctrica es una instalación que permite el aprovechamiento de las masas de agua en movimiento que circulan por los ríos, para transformarlas en energía eléctrica utilizando turbinas acopladas a generadores. Después de este proceso, el agua se devuelve al río y puede ser usada por otra central situada aguas abajo (centrales en cascada) o para usos consuntivos (consumo humano, agricultura, industria).
• En una central hidroeléctrica, se aprovecha la energía potencial producto de la caída del agua y la energía cinética que resulta del agua en movimiento. Finalmente la energía del agua se convierte en energía mecánica que hace girar el eje de una turbina, para finalmente transformarse en energía eléctrica a través de un generador.
• La potencia de una central hidroeléctrica depende de dos factores: el caudal (m3/segundo) y la altura (m).

Turbinas hidráulicas tipo Pelton, Francis y Kaplan.

Generación Térmica

Centrales termoeléctricas: Una central termoeléctrica es una instalación en donde la energía mecánica que se necesita para mover el rotor del generador y por tanto obtener la energía eléctrica, se obtiene a partir del vapor formado al hervir el agua en una caldera. El vapor generado tiene una gran presión y se conduce hasta las turbinas para que en su expansión sea capaz de mover los álabes de las mismas. Las centrales termoeléctricas consumen carbón, fuel oil o gas natural. En dichas centrales la energía de la combustión del se emplea para hacer la transformación del agua en vapor. Una central termoeléctrica se compone de una caldera y de una turbina que mueve el rotor del generador eléctrico.

Generación Nuclear

Centrales Nucleares:

• Una central nuclear es una instalación industrial en la que se genera electricidad a partir de la energía nuclear que se libera en forma de energía térmica mediante una reacción nuclear de fisión en cadena en la vasija de un reactor nuclear.

• El componente central de una central es el reactor, que es la instalación donde se aloja el combustible nuclear (habitualmente uranio) y que cuenta con sistemas que permiten iniciar, mantener y detener, de modo controlado, reacciones nucleares de fisión que liberan grandes cantidades de energía térmica.

• La energía térmica liberada se utiliza para calentar agua hasta convertirla en vapor a alta presión y temperatura. Este vapor hace girar una turbina que está conectada a un generador que transforma la energía mecánica del giro de la turbina en energía eléctrica.

https://www.foronuclear.org/descubre-la-energia-nuclear/como-funciona-una-central-nuclear/

Calidad de la Energía

La Calidad de la Energía es uno de los aspectos más importantes a considerar en el funcionamiento de los sistemas eléctricos. El término “calidad de energía eléctrica” se emplea para describir la variación de la tensión, corriente, y frecuencia en el sistema eléctrico. Se refiere a la necesidad de mantener la forma de onda sinusoidal del voltaje sin distorsiones y dentro de los rangos permitidos de magnitud y frecuencia. Se ve afectada por la presencia de fenómenos transitorios y variaciones del voltaje producto de la operación del sistema, condiciones de la carga o presencia de eventos fortuitos. La forma sinusoidal puede distorsionarse por la presencia de otras señales con frecuencias mayores, conocidas como armónicos.

Principales fenómenos:

• Transitorios de voltaje
• Fluctuaciones de tensión
• Flicker (parpadeo)
• Distorsión armónica
• Desbalance de fases

Principales afectaciones:

• Equipo electrónico dañado
• Actuación (disparo) de protecciones
• Pérdida de eficiencia y vida útil
• Seguridad eléctrica

Afectaciones a los motores:

• Menor eficiencia (Incremento en pérdidas)
• Sobrecalentamiento
• Vibraciones

Calidad: las armónicas

Con la instalación masiva de equipos a base de electrónica de potencia (ordenadores, variadores de velocidad, inversores…), la mayoría de los usuarios se enfrenta a la presencia de armónicos en las redes de distribución eléctrica. Las armónicas son múltiplos de la frecuencia fundamental que se superponen. Si la frecuencia fundamental es de 60 Hz, la 2ª armónica es de 120 Hz, la 3ª de 180 Hz, la 4ª de 240 Hz, etc. Las armónicas producen deformaciones en la onda de voltaje que se redistribuyen a todos los usuarios conectados a la red del proveedor de energía eléctrica. Las armónicas producen efectos negativos en los equipos:

• Daños en equipos electrónicos.
• En los motores produce vibraciones y reducción en el rendimiento.
• En los transformadores se incrementan las pérdidas

https://www.sectorelectricidad.com/13810/armonicos-que-son-y-como-nos-afectan/

Existen mecanismos para protegerse de los efectos nocivos de los armónicos (filtros de armónicas); lo importante es cuantificar los efectos y adaptar las medidas de protección en función de la sensibilidad relativa de los equipos y de los receptores presentes en la instalación. Esto se debe a que cada receptor presenta un nivel de inmunidad diferente ante perturbaciones armónicas. Además, algunos receptores pueden incluso emitir contaminación armónica.

https://www.sectorelectricidad.com/13810/armonicos-que-son-y-como-nos-afectan/

Calidad: Responsables

¿Quiénes son los responsables de la calidad?

• Frecuencia constante (50 ó 60 Hz): Operador del Sistema.
• Voltaje dentro de rangos permitidos (+/-5% del valor nominal): Operador del sistema y otros (instalaciones).
• Distorsión armónica: las cargas, los usuarios y las empresas de distribución.

La Operación y la Calidad

Si la calidad de la energía se resume en voltaje constante y frecuencia constante, la principal responsabilidad recae en el Operador del Sistema.Cómo asegurar una frecuencia constante? A través del balance permanente entre generación y carga. Para ello el operador debe actuar sobre los mecanismos que controlan el flujo de la fuente de energía (agua, vapor, combustible, etc.) Cómo asegurar un nivel adecuado de voltaje? Controlando la corriente del campo magnético. Para ello el operador actúa sobre la corriente que fluye en los circuitos de control de campo magnético.

Cuál es el rol del Operador del Sistema? El trabajo de operador consiste en monitorear permanentemente el estado del sistema y tomar las acciones de control para asegurar que todos los parámetros técnicos, principalmente el voltaje y la frecuencia, se encuentren dentro de sus límites. Como los fenómenos eléctricos son muy rápidos y de corta duración (milisegundos), existen sistemas de control automático que actúan de manera autónoma para ajustar los parámetros del sistema.