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Funcionamiento de las Dinamos y Alternadores para producir energía eléctrica

Creada30-01-2008
Modificada10-09-2017
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El Motor de las Dinamos

Una dinamo requiere algo que empuje con fuerza, de forma continua y que podamos controlar, y en ese sentido algunos ingenieros han encontrado soluciones sumamente ingeniosas, que podemos clasificar en el siguiente esquema:

Una dinamo se puede hacer girar con

  • Líquidos en movimiento, normalmente agua, instalando una turbina en
    • Un salto de agua. Energía Hidráulica.
    • Un canal que separe el mar abierto de una laguna. Energía de las Mareas .
  • Gases en movimiento, que pueden usarse
    • En frío. Por ejemplo,
      • Turbinas de Viento. Energía Eólica.
      • Energía de las Olas.
    • En caliente. Normalmente será vapor de agua, pero también pueden ser otros gases con un punto de ebullición más bajo que el agua.
      Para convertir el líquido en vapor que empuje las turbinas, debemos aplicarle calor mediante.
      • Fuego, producido por
        • Combustibles Fósiles (Fuel o gasoil).
        • Gas
        • Carbón
      • Calor Directo producido por
        • Energía Termo-Solar Concentrada
        • Energía Nuclear
      • O utilizar la diferencia de temperaturas entre dos puntos distintos de la Tierra.
        Energía Geotérmica.

Bien, aquí tenemos varias formas muy ecológicas, y otras no tanto, de hacer girar las dinamos que generan electricidad.

  • Central HidroeléctricaEnergía Hidráulica . Utilizada desde hace siglos para mover molinos, y desde hace algo menos de un siglo para producir electricidad. Es muy eficiente, y teóricamente es bastante limpia y ecológica, pero a gran escala provoca graves daños al ecosistema fluvial.
    A pequeña escala, quien tenga un río o arroyo en sus tierras, con un desnivel de, como mínimo, unos 70 u 80 cm, y con caudal suficiente, puede instalar una pequeña turbina con capacidad para abastecer de electricidad su propia casa, y si tiene algo más, podría incluso suministrar electricidad a sus vecinos.
  • Energía de las Mareas . Hay pocos sitios donde se pueda instalar, pero también es una opción bastante ecológica e interesante, aunque la instalación requiere mucho terreno. Se trata de crear una laguna junto al mar abierto, separado por un canal. Cuando suba la marea o baje, el agua fluirá por el canal moviendo una turbina.
  • Energía de las Olas. Se consigue de muchas formas, por ejemplo, construyendo cilindros verticales fijados al fondo del mar y sobresaliendo de la superficie. Bajo la superficie hay amplios huecos por donde el agua puede circular, dentro y fuera del cilindro, sin dificultad. Sobre la superficie sólo hay un estrecho hueco, donde se coloca una turbina.
    Conforme el oleaje sube o baja, también sube y baja por el interior del cilindro empujando o absorbiendo el aire de la parte superior y haciendo girar la turbina que hay en la ventana superior.
    Hay muchas variantes, pero todas se basan en un principio similar.
  • Turbina EólicaEnergía Eólica. Seguimos llamándolos molinos, aunque ya no se muele nada en ellos, por su parecido con las aspas de los viejos molinos de viento. Las aspas, empujadas por el aire, hacen girar una dinamo o alternador generando electricidad. Podemos construir unas hélices enormes sobre una torre o varias hélices más pequeñas sobre el tejado de nuestra casa. También hay turbinas eólicas de otras formas, en forma de aspas, hélices, helicoidales, etc. Según la escala, el tamaño de la turbina, son más eficientes unos modelos que otros, y las empresas fabricantes de turbinas de viento realizan numerosas investigaciones para encontrar los diseños más eficientes en cada escala. Para uso doméstico parecen ser más eficientes las turbinas multipala, pero las empresas fabricantes siguen investigando nuevos diseños y en este momento parece que podrían dar mejor resultado las turbinas helicoidales de eje vertical.
    En cualquier caso tendríamos una fuente energética bastante limpia, con un grave inconveniente: Sólo se produce electricidad cuando hace viento. Si el viento es demasiado lento no se llegan a mover las aspas.

Además, las tres últimas energías tienen un inconveniente en común, son inconstantes. Lo mismo hay períodos en los que se genera mucha energía, que períodos de calma chicha, en la que no se genera nada de energía. En cambio, la gente suele concentrar el consumo entre las 8 de la mañana y las diez de la noche, mientras que de madrugada se consume bastante menos.

Es decir, que necesitamos unas turbinas en las que, apretando unos botones o abriendo unas válvulas, podamos aumentar o disminuir la producción eléctrica.

Con estas tres fuentes energéticas no hay forma de regular la producción, sino que estamos expuestos a los caprichos del clima.

De estas cuatro fuentes solo podemos controlar con precisión la producción eléctrica de una presa hidroeléctrica.

No obstante, el ingenio es una poderosa herramienta y de vez en cuando surgen ideas que pueden solucionar de forma genial un problema.

Hace varios años el escritor Alberto Vázquez-Figueroa propuso construir embalses en montañas que estuviesen cerca de la costa. La idea es sembrar el acantilado de torres eólicas y con ellas bombear el agua del mar hasta el embalse. Al mismo tiempo hay unas tuberías por las que se puede vaciar el embalse, y en ellas se conectan unas turbinas, exactamente igual que en una presa hidroeléctrica, para producir electricidad.

La cantidad de energía que se podría producir de esta forma es como un diez por ciento menos que la que generen las torres eólicas instaladas, pero gozaría de una tremenda ventaja:

El viento es inconstante, a veces sopla mucho cuando no hace falta y a veces hace falta y no sopla.

Pero con este sistema, cuando sople, lo que estamos haciendo es cargar agua en el embalse, y luego ese agua la dosificamos según nuestras necesidades, produciendo más electricidad cuando nos haga falta.

De hecho, aunque hemos dicho que el rendimiento sería un 10% menor al de los rotores, la verdad es que es mayor, y permitidme que lo explique: ¿qué ocurre con un rotor eólico de Las Muelas a las cuatro de la madrugada cuando hace viento y no hace falta electricidad?. Exacto, esa energía se desperdicia.

En una central de AVF, viento que sopla, agua que sube, no se desperdicia ni el aleteo de una gaviota.

Bien, hasta aquí los sistemas de producción eléctrica en frío, sea con aire o agua.

Todos son más o menos ecológicos, pero inconstantes, y aunque pudiéramos aplicar la idea de AVF para convertirla en constante e incluso dosificarla en los períodos en que más se necesite, con estos sistemas apenas llegaríamos a cubrir un porcentaje bastante reducido de las necesidades eléctricas del país.

Quedan, sin embargo toda una gama de generadores capaces de mover una turbina de una forma eficaz, plenamente controlada, y con capacidad de aumentar o disminuir la producción según nos interese.

El sistema consiste, simplemente en soplar sobre las aspas, y estas girarán produciendo electricidad.

Como no hay manera conocida de controlar el viento de forma eficiente, lo que hacemos es convertir un líquido en vapor. Un litro de agua, al calentarlo, se convertirá en unos 1.300 litros de vapor, así que, por ejemplo, si llenamos una olla exprés y quitamos la válvula de presión veremos un chorro de gas continuo que, bien dosificado, puede durar horas. Basta apuntar ese chorro hacia una turbina para producir electricidad.

Turbina PeltonPara aumentar la eficiencia, el mismo chorro de vapor se puede dividir en varios repartidos alrededor de la turbina, de forma que se optimice el proceso, y las aspas de la turbina deben diseñarse de forma que aprovechen al máximo el empuje de los chorros de vapor. Debido a una característica intrínseca de la materia, la solución óptima a un tamaño determinado no tiene por qué ser la misma a otro tamaño, por eso hay turbinas con distintos diseños de palas, y en cada caso se usan diferentes tipos de turbinas, pero todas, al fin y al cabo, con el mismo objetivo: Conseguir la máxima producción eléctrica con el máximo aprovechamiento posible de la fuerza del vapor.

Para producir vapor, normalmente utilizamos agua, y lo hacemos en un circuito cerrado de tal forma que el vapor, después de haber sido disparado a chorro sobre la turbina, se condensa y, volviendo a convertirse en líquido, regresa a la caldera en la que se la volverá a hacer hervir. Como el agua, al condensarse, sigue estando bastante caliente, hace falta menos aporte de calor para que el agua vuelva a repetir el ciclo que si dejáramos escapar el vapor de agua y cogiéramos de forma continua agua fría.

Casi el 80% de la energía eléctrica producida en España se produce de esta forma.

Ahora bien, ¿cómo podemos calentar el agua para que se convierta en vapor?.

Para esto, desde luego, hay una gran diversidad de formas, unas más caras y otras más baratas, unas más seguras y otras más peligrosas, unas más limpias y otras más contaminantes.

Permitidme empezar por la más limpia.

  • Horno SolarEl Calor Solar Concentrado se consigue mediante una serie de espejos y lentes, haciendo que los rayos solares coincidan en un foco en el que se encuentra una caldera con líquido a calentar.
    Normalmente, este líquido no es agua, sino un aceite con alto punto de ebullición que, tras alcanzar una gran temperatura se hace pasar por el interior de un depósito de agua para calentarla; si el agua hirviera precisamente en el foco de concentración de calor, éste podría estallar por la presión.
    Aún a través de un líquido intermedio, el agua hierve, produciéndose así el ciclo generador de electricidad.
    Este sistema es muy económico, ecológico y limpio, pero muy inconstante. Solo funciona durante el día y sólo cuando no hay nubes, por lo que es imposible regularlo con precisión. No obstante, en las pocas horas diarias que llega a funcionar tiene un rendimiento excelente.

    En mi opinión no sería una mala opción para añadirla a una central de AVF, es decir, aprovechar las horas de sol para acumular agua en un embalse para producir electricidad cuando realmente haga falta. Mientras más agua seamos capaces de hacer ascender a una montaña con energías naturales, más capacidad de producción de energía tendremos en los momentos en que realmente haga falta.

Y continuemos con las más sucias.

  • Combustibles líquidos: Se puede usar cualquier derivado del petróleo. Es un sistema muy contaminante y, en España solo se usa cuando hay más demanda eléctrica. Genera el 7% de la ENE (Electricidad Necesaria en España)
  • Gas: Es el sistema más usado, aunque sigue siendo bastante contaminante. Genera el 29% de la ENE.
  • Carbón: Aunque ya apenas se usa a nivel doméstico, se sigue usando bastante en centrales eléctricas. Es el más contaminante y produce el 24% de la ENE.
  • Nuclear: El más polémico y que merece un capítulo aparte. Sólo mencionar que con la energía nuclear se genera el 18% de la ENE.

En total, con estos cuatro sistemas se genera el 78% de la ENE.

De todos los sistemas ecológicos de producción eléctrica mencionados hasta ahora solo queda explicar uno:

La Energía Geotérmica

Recordaréis cómo explicamos el ciclo del agua: en un depósito calentamos el agua hasta que se convierte en vapor, sale a presión por un tubo que sopla sobre una turbina haciéndola girar y producir electricidad. Luego el vapor pasa por un serpentín, donde se enfría, se condensa y, convertida de nuevo en líquido, vuelve al depósito inicial para volver a repetir el ciclo.

Pues bien, imaginad que ponemos el depósito en un lugar de la Tierra donde, de entrada ya existe esa temperatura, por ejemplo, la ladera de un volcán o una zona de géiseres. Entonces no haría falta gastar gas, ni petróleo, ni carbón, ni energía nuclear para calentar el agua. La misma naturaleza se encarga de ello.

Por supuesto, es difícil y peligroso construir una central en la ladera de un volcán, y sitios seguros donde la temperatura del terreno supere espontáneamente los 100 grados no hay muchos, por eso, el ingenio humano se puso a trabajar y descubrió que se podía conseguir lo mismo si encontramos dos lugares cercanos con una diferencia de 20º, como mínimo, entre ellos. Por ejemplo, la superficie de un mar tropical y el fondo marino. O el fondo de una mina y la superficie.

Pongamos que la temperatura en el fondo de una mina es de 30º, y en la superficie hay una temperatura de 10º.

Solo tenemos que encontrar un líquido que hierva en torno a los 20º, por ejemplo fluoruro de hidrógeno que hierve a los 19º.

Con él podremos rellenar una caldera en el fondo de la mina que, de forma espontánea, sin aplicar ninguna energía, alcanzará su punto de ebullición y se pondrá a hervir. El vapor se expandirá, subirá por una tubería y, golpeando las aspas de una turbina, que está conectada a una dinamo, producirá electricidad. Luego el gas pasará por un serpentín al aire libre, donde se enfriará y convertido de nuevo en líquido caerá por otra tubería hasta la caldera que hay en el fondo de la mina, para volver a repetir el ciclo.

Por supuesto, el fluoruro de hidrógeno es tóxico, peligroso y corroe cualquier vidrio, por lo que no es el más recomendable para este fin, pero hay otros muchos gases, e incluso para el mismo gas, se puede jugar con un cierto rango de temperaturas.

El agua, por ejemplo, hierve a 100º si estamos en la playa, pero si estamos en una montaña de 5.000 metros de altura, el agua hervirá a algo más de 80º y si subimos al Everest herviría a unos 70º.

Pues dependiendo de las temperaturas mayor y menor con las que haya que tratar seguro que encontramos un gas que, a determinada presión atmosférica tenga el punto de ebullición en la mitad de dicho rango.

Otra idea que convendría estudiar podría ser la siguiente: No siempre es fácil encontrar lugares cercanos donde la diferencia de temperaturas sea de forma natural bastante acusada, pero si recordáis algo de lo que se ha expuesto hasta ahora, pensad por un momento en los calentadores solares de agua de los que ya hemos hablado.

Un calentador solar de agua puede calentar un depósito bastante grande hasta unos 70 ú 80 grados. Si disponemos un sistema similar al geotermal entre el depósito sobrecalentado por el Sol y otro situado bajo tierra, y a una temperatura constante mucho más fría, y elegimos un gas cuyo punto de ebullición esté entre esas dos temperaturas extremas, podríamos formar otro ciclo de líquido-vapor, que permitiría generar electricidad a partir del calor del Sol.

Como veis, el ingenio humano no tiene límites. Lo que ahora hace falta es un estudio a fondo de los detalles que permita establecer si sería factible, eficiente y económico.

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