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Esquema de funcionamiento de una central hidroeléctrica

En 1831 Michael Faraday al desplazar un hilo conductor que formaba parte de un circuito cerrado dentro de un campo magnético observó que por el hilo conductor circulaba una corriente. De esta forma Faraday construyó el primer generador eléctrico.
Un generador eléctrico está formado por varias bobinas de hilo de alta conductibilidad que gira dentro de un campo magnético generado por electroimanes. Esto hace que se induzca una corriente eléctrica. Dependiendo de los elementos que posea el generador se puede obtener corriente continua o corriente alterna siendo la alterna la más común pues ésta se puede transportar a grandes distancias.

  • Generadores; La corriente eléctrica se puede obtener por medio de un elemento que gira debido en este caso a la energía de rotación que proporciona la turbina, dentro de un campo eléctrico. Los generadores constan de dos piezas fundamentales el estator y el rotor.
  • Inducción; Este el principio fundamental de todas las máquinas productoras de electricidad como son las dínamos que generan corriente continua y los alternadores generadores de corriente alterna.
  • Electroimán; Mediante una corriente eléctrica podemos fabricar un imán. Si sobre una barra de hierro dulce enrollamos un hilo conductor de cobre y conectamos los extremos del cable a una batería, la barra de hierro se convierte en un imán.
  • Transporte de la corriente eléctrica; Después de obtener la corriente eléctrica, esta debe ser transportada hasta los diferentes puntos de consumo. Estos puntos de consumo están situados normalmente a varios kilómetros de distancia del lugar donde se ha generado la corriente. Este transporte se realiza a través de los llamados tendidos eléctricos. Las pérdidas en el transporte son más pequeñas si la tensión a la salida de la central hidroeléctrica es mayor, esta tensión se debe a la salida de la central con la ayuda de un aparato denominado transformador. Las tensiones que se obtienen son del orden de los 110.000, 220.000 ó 380.000 voltios, lo que se conoce como alta tensión. Esta corriente se transporta mediante gruesos hilos de cobre bien con tendidos aéreos o bien bajo tierra hasta los medios de consumo donde otros transformadores bajan la corriente hasta unos 5.000 voltios (media tensión). Antes de llegar al usuario final la tensión debe bajar hasta valores de 380, 220 o 125 voltios (baja tensión).

La Sala de máquinas se coloca en la parte inferior de la presa.
El caudal que llega a la turbina se regula por medio de compuertas y rejillas.

Elementos de una central Hidroeléctrica

Es un muro de hormigón que retiene el agua, de forma que se forme un embalse. Los muros deben ser diseñados por especialistas, ya que se rotura puede provocar catástrofes como de hecho se producen.
Básicamente se pueden distinguir dos tipos de presas:

  • Presa por gravedad.- El peso de la propia presa soporta los esfuerzos que genera el agua. Deben por lo tanto ser muy rígidas y en ocasiones son huecas, con lo cual se pueden introducir dentro de ellas algunos elementos de la instalación.
  • Presa de bóveda.- El empuje que provoca el agua se transmite a las laderas de la montaña. Esto hace que su tamaño se inferior al de las presas de gravedad y por lo tanto son menos costosas.

Su función es la de dirigir el agua bien hacia las turbinas o bien fuera del paso de la Sala de Máquinas cuando por exceso de agua, esta debe ser liberada a través de compuertas.
En la sala de máquinas se encuentran el grupo denominado turbina-alternador. El eje de la turbina está directamente unido al eje del alternador.
Los transformadores tienen la función de obtener una tensión de salida determinada de forma que la energía eléctrica pueda ser utilizada.
Las líneas de transporte se encargan de llevar la energía desde los puntos donde se genera la energía hasta los puntos de transporte.

Introducción

El objetivo de una central hidroeléctrica es aprovechar la energía potencial del agua de un río para la obtención de energía eléctrica.
Existen diferentes centrales hidroeléctricas en función de su diseño.

  1.  Central con aprovechamiento por derivación de las aguas.
  2. Central con aprovechamiento por acumulación de energía.

Si los ríos tienen un caudal más o menos homogéneo se utilizan centrales denominadas fluyentes. Sin embargo, cuando los ríos tienen grandes fluctuaciones de caudal las centrales utilizadas se denominan de regulación.

Introducción

Consideraremos como energía hidráulica a aquella energía que posee el agua cuando se desplaza por el cauce de un río a una determinada velocidad, o bien, cuando debido a la existencia de desniveles, el agua posee una energía potencial que se transforma en energía cinética.
La energía hidráulica es una fuente energética renovable y a excepción de los embalses su influencia negativa en el medio ambiente es mínima.
Esta energía que posee el agua en estos casos puede ser aprovechada para mover diferentes máquinas como norias, turbinas, etc.
En la Edad Media ya se utilizaba para mover molinos de agua que se aplicaba en la industrial textil y del metal.
Actualmente se utiliza principalmente para producir Energía Eléctrica.
Las antiguas ruedas construidas de madera han sido transformadas en turbinas con unos buenos rendimientos obtenidos como fruto de una mejora del diseño.
Las primeras centrales hidroeléctricas se construyeron en 1882.

Combustibles Gaseosos

Entre los combustibles gaseosos nos podemos encontrar con el gas natural, gases derivados del petróleo y otros gases.
Para que se produzca la combustión es necesario que el gas se mezcle con el comburente que es el oxígeno del aire y además es necesaria la aportación de calor en forma de chispa o llama. El calor producido en la combustión debe ser aprovechado para diferentes procesos industriales y esto hace que las instalaciones donde se producen las combustiones deben de estar perfectamente diseñadas para evitar fugas de calor y los materiales que forman dichas instalaciones deben de soportar altas temperaturas.
La combustión se produce en unas piezas denominadas quemadores, donde se mezcla el combustible (gas) con el comburente (aire).
Los quemadores se diseñan en función del gas a utilizar como combustible para conseguir los máximos rendimientos. Los gases se clasifican en tres grupos diferentes, cada uno de los cuales necesita un diseño diferente de quemadores.

1.- PRIMER GRUPO

Corresponde a los gases de menor poder calorífico comprendido entre 4.000 y 5.550 kcal/m3 en condiciones normales, es decir, a 1 atmósfera de presión y a 0ºC de temperatura. A este gas se le denomina gas ciudad o manufacturado. Este gas se obtiene principalmente a partir del petróleo, carbón y gas natural y se utiliza en viviendas.

2.- SEGUNDO GRUPO

Comprende los gases que poseen un poder calorífico que oscila entre 10.000 y 13.000 kcal/m3 en condiciones normales. Su distribución se realiza mediante tuberías. A este grupo pertenecen el gas natural y mezclas de butano y propano.
3.- TERCER GRUPO
A este último grupo pertenecen los gases licuados del petróleo. Estos gases son almacenados y transportados en forma de líquido. Los gases básicos que componen estos productos son el butano y el propano y se comercializan con los siguientes nombres:

  • Gas butano comercial
  • Gas propano comercial
  • Gas propano metalúrgico.

En la siguiente tabla aparecen las propiedades más importantes.

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El valor del poder calorífico se expresa en condiciones normales. Si se desea obtener este poder calorífico en otras condiciones de presión y temperatura se aplica la siguiente fórmula:

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Estos gases se distribuyen mediante bombonas de acero con las siguientes cargas:

  • Bombona de butano (C4H10). Contiene 12,5 kg. de gas.
  • Bombona de propano (C3H8). Contiene 11 kg. de gas.
  • Bombona de propano metalúrgico. Contiene 35 kg. de gas.

 

El queroseno

El queroseno es un combustible líquido que se utiliza en los aparatos con motores a reacción. Normalmente estos motores se encuentran en aviones de medio y gran tonelaje.

El gasóleo o gasoil

El gasóleo es un combustible líquido utilizado en motores Diésel. Durante mucho tiempo se ha creído que el gasóleo era un combustible de clase inferior a la gasolina. Sin embargo hoy en día se puede considerar que es precisamente lo contrario. Un motor Diésel es más sensible a la mala calidad del gasóleo que uno de explosión lo es a la clase de gasolina empleada. El gasóleo no sólo es un producto refinado , sino que ha de estar muy bien filtrado, pues el poseer impurezas hacen que se deteriore el funcionamiento del equipo de inyección.
Entre la gasolina y el gasóleo hay una diferencia más notable que las de su densidad, poder calorífico, refinado y obligada limpieza. Un motor de explosión golpea o pica precisamente por lo contrario de un motor Diésel. En el motor de explosión se produce el picado cuando la compresión es alta, a plenos gases, a velocidades medias o bajas y con el motor caliente. En el motor Diésel es precisamente al revés. Por otro lado, la composición química del combustible, según el predominio de hidrocarburos aromáticos, parafínicos, y nafténicos, influye de modo opuesto en el funcionamiento de ambos motores. Ello es debido a que en un motor de gasolina se produce la explosión de la mezcla de aire y gasolina con una chispa y se evita de todas las formas posibles que se produzca la detonación o autoencendido. Sin embargo el funcionamiento del motor Diésel está basado en la inflamación espontánea del combustible.

El grado detonante del gasoil se mide por el número de cetano. El gasoil que se utiliza en los motores de automóviles

La gasolina

La gasolina es un combustible líquido e incoloro o ligeramente amarillento utilizado principalmente en los motores de explosión interna. Posee un gran poder calorífico (10.500 cal/kg.), es inflamable, y en estado de vapor mezclado con aire explosivo. En el siglo XX ha sido uno de los elementos fundamentales que ha posibilitado la revolución del transporte. La crisis del petróleo de 1973, supuso un aumento de precio de este combustible, debido a problemas de oferta y demanda, los cuales obligaron a desarrollar recursos energéticos alternativos.
La gasolina está constituida por una mezcla de hidrocarburos como el hexano, heptano y octano. El poder antidetonante de una gasolina expresa su capacidad para soportar la presión ejercida por el pistón en el cilindro de un motor de explosión sin encenderse espontáneamente antes de que el pistón haya terminado su carrera y la chispa salte a la bujía. El poder antidetonante se expresa según una escala de valores llamada número de octanos. Al isooctano se le asigna un índice de octano de 100 ya que es bastante resistente a la detonación. Las gasolinas normales tienen índices de octano aproximadamente de 90 y la gasolina super aproximadamente de 96. El número de octanos de la gasolina depende tanto del crudo de partida como de los sucesivos tratamientos que se han realizado para su obtención. A la gasolina se le pueden añadir antidetonantes como el tetraetil plomo.

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La cantidad de aire que se necesita para quemar un kilogramo de gasolina es de 17 kg. de aire, es decir aproximadamente 13.000 litros. Si expresamos esto en volúmenes, como el litro de gasolina pesa 740 gramos y un litro de aire 1,43 gramos, cada litro de gasolina necesita aproximadamente 10.000 litros de aire. Cada litro de gasolina posee 110 gramos de hidrógeno y 630 gramos de carbono. Este litro de gasolina se mezcla con 10.000 litro de aire, el cual esta formado por 2.100 litros de oxígeno y 7.900 litros de nitrógeno. La combustión de estos elementos dan como resultado los gases de escape que ocupan un volumen de 11.000 litros y están formados por 1 litro de agua en forma de vapor, 1.250 litros de ácido carbónico y 7.900 litros de nitrógeno. En la práctica y especialmente en ralentí, como la combustión no es perfecta, la parte de ácido carbónico, es una mezcla de ácido carbónico y óxido de carbono, siendo este último venenoso.
La energía química contenida en la gasolina se transforma con la explosión la mayor parte en calor y solamente se aprovecha de forma útil el 24% del trabajo. Por lo tanto el rendimiento de un motor de explosión es bajo. En la siguiente tabla se puede observar la distribución de la energía química transformada.

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El petroleo – Productos derivados del petroleo

  • Gases licuados como el butano y el propano.
  • Combustibles para motores térmicos como la gasolina y el gasóleo
  • Combustibles para centrales térmicas como el fuelóil.
  • Aceites de lubricación para motores y máquinas.
  • Asfaltos para revestimientos antihumedades o para pavimentos.

A partir de los productos enumerados anteriormente se pueden obtener otros productos industriales como:

  • Plásticos.
  • Fibras sintéticas como el nailon y el poliéster.
  • Caucho sintético para fabricación de neumáticos.
  • Abonos.
  • Detergentes para limpieza.
  • Disolventes y pinturas.
  • Medicamentos.

El petroleo – Extracción y transporte

Como ya se ha mencionado, el petróleo deriva de la descomposición de sustancias orgánicas (plantas y animales) en un ambiente geológico reductor. En el origen junto con la materia orgánica, también se depositan arcillas y limos. Con el tiempo, este sedimento rico en carbono e hidrógeno, va quedando enterrado bajo numerosos sedimentos, de forma que la presión y calentamiento que producen las capas superiores completan el proceso de putrefacción bacteriana. El sedimento o roca donde se ha realizado este proceso se denomina roca madre. El petróleo permanece en la roca madre hasta que normalmente por la presión que ejercen los sedimentos superiores, se produce una migración a zonas donde existe menor presión hidrostática. El petróleo queda de esta forma se recoge en las llamadas rocas almacén, que son formaciones rocosas permeables y porosas, como areniscas o calizas muy fracturadas. Para que el petróleo se pueda acumular todo este sistema debe quedar sellado mediante rocas de tipo arcilloso de muy baja permeabilidad. Las diferentes configuraciones geológicas que permiten la acumulación de hidrocarburos en una roca almacén se denominan trampas petrolíferas.
La prospección petrolífera se realiza siempre en regiones donde existen rocas sedimentarias, ya que son las únicas donde hay probabilidad de encontrar petróleo. Una vez que se localiza una trampa, comienza el proceso de sondeo o perforación del terreno hasta llegar a la bolsa. Para ellos se utilizan tubos que, empalmados unos con otros pueden alcanzar grandes profundidades. En el extremo de los tubos está incorporada una broca de gran dureza. Después de llegar hasta el petróleo, los expertos realizan pruebas de producción para determinar el caudal y las variaciones de presión. Se analiza el petróleo y el porcentaje de gas que contiene. Con todos estos datos se determina la viabilidad de la explotación. Una vez evaluada la rentabilidad de la bolsa petrolífera, comienza el proceso de extracción, que puede ser natural o artificial. Cuando la bolsa de petróleo se encuentra a sobrepresión, la extracción será natural, ya que el petróleo asciende espontáneamente por el interior del varillaje de sondeo. Si no existe sobrepresión se inyecta agua a presión a través del varillaje, de esta forma el petróleo se eleva hasta alcanzar la superficie.
Antes de que el crudo petrolífero sea transportado desde los pozos hasta las refinerías, se separa de él el gas natural (metano), el agua, la arena y todas las otras posibles sustancias sólidas que se hayan extraído junto con el petróleo.
El petróleo crudo debe posteriormente someterse a un proceso de elaboración denominado refino. Para ello debe ser previamente transportado a las refinerías, que en muchas ocasiones se encuentran a miles de kilómetros de distancia.

Este transporte es realizado a través de los oleoductos o mediante los barcos petroleros. En la refinerías se produce la destilación y de esta forma obtener los diferentes productos. En este proceso se calienta el petróleo en unos hornos especiales hasta que alcanza una temperatura de unos 400ºC. A esta temperatura la mayor parte del petróleo se transforma en vapor. La mezcla de líquido y vapores se pasa por una columna o torre de fraccionamiento, que está constituida por un gran cilindro que puede alcanzar una altura de 45 metros. Esta torre posee varios pisos o compartimentos. Los vapores del petróleo se van enfriando al ascender por la columna y ese enfriamiento da lugar a que en cada uno de los pisos vayan condensándose los distintos compuestos (gasóleo, queroseno, nafta, gasolina, etc.), cada uno de los cuales posee una temperatura de licuefacción. El éter de petróleo y las gasolinas son extraídas en los niveles superiores.

 

Hasta principios del siglo XX el producto más importante que se extraía del petróleo era el queroseno, el cual se utilizaba principalmente para alumbrado, mientras que la gasolina no tenía ningún valor para este menester debido a su gran volatilidad.
En 1913 se descubrió otro procedimiento denominado cracking térmico que permitía obtener gasolina extraiéndola del crudo. En este proceso las moléculas de los hidrocarburos de más peso se someten a presiones y temperaturas muy elevadas que provocan su ruptura, obteniendo de esta forma carburantes más ligeros. En 1930 se desarrolló el cracking catalítico, que requiere menos energía.