GENERACIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA EN CENTRALES TÉRMICAS por Javier Alonso Martínez

Transcripción

1 I CURSO DE VERANO CENIT CO2 Generación de electricidad mediante carbón: el reto del CO 2 GENERACIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA EN CENTRALES TÉRMICAS por Javier Alonso Martínez Universidad de Alicante, 3-4 de julio de 2007

2 ÍNDICE EL EL CARBÓN COMO COMBUSTIBLE ELEMENTOS BÁSICOS DE DE UNA CENTRAL TÉRMICA MEJORAS CLÁSICAS DEL RENDIMIENTO CENTRALES TÉRMICAS DE DE CARBÓN CENTRALES TÉRMICAS Y CO CO 2 2

3 ÍNDICE EL CARBÓN COMO COMBUSTIBLE ELEMENTOS BÁSICOS DE DE UNA CENTRAL TÉRMICA MEJORAS CLÁSICAS DEL RENDIMIENTO CENTRALES TÉRMICAS DE DE CARBÓN CENTRALES TÉRMICAS Y CO CO 2 2

4 EL CARBÓN COMO COMBUSTIBLE Parque de carbones, C.T. La Robla El carbón 3

5 EL CARBÓN COMO COMBUSTIBLE Dentro de los combustibles fósiles, las reservas de carbón son, con mucho, superiores a las de petróleo y gas. Además, están situadas en su mayor parte en zonas geopolíticas estables. Fuente: BP Reservas de carbón 4

6 EL CARBÓN COMO COMBUSTIBLE Tres cuartas parte de la energía que se consume proviene de los combustibles fósiles. Esta tendencia, según señala la Agencia Internacional de la Energía, se mantendrá en el futuro Fuente energética Mtep % Mtep % Petróleo Gas Natural Carbón Nuclear Hidroeléctrica Otras 168 (*) (**) 11 TOTAL Fuente Energética Mtep % Petróleo ,9 Gas Natural ,4 Carbón ,1 Nuclear 767 4,5 Hidroeléctrica 968 5,7 Biomasa y Residuos ,8 Otras Renovables 272 1,6 TOTAL (*) Principalmente biomasa. (**) Principalmente biomasa, eólica y pequeña hidráulica. La gran preocupación de buena parte de la población mundial es disponer de energía suficiente y barata. Los países más desarrollados pueden permitirse el disponer de energías más caras, pero mas respetuosas con el Medio Ambiente. Realidad actual y futuro previsible de la energía 5

7 EL CARBÓN COMO COMBUSTIBLE Actualmente, la producción de electricidad con carbón se sitúa en el 41% como media mundial: Y se prevé que esta tendencia se mantenga en el futuro: El carbón en la generación de electricidad 6

8 EL CARBÓN COMO COMBUSTIBLE El carbón en la generación española (Generación eléctrica año 2006) 7

9 EL CARBÓN COMO COMBUSTIBLE Las renovables no serán suficientes y además no cubren la curva de demanda en situaciones críticas La opción nuclear necesita tiempo para su aceptación pública El gas no se debería incrementar más por la volatilidad de precios y el riesgo de suministro ( OPEP del gas ) Necesidad de un mix energético equilibrado (WEC) La generación con carbón es flexible, segura (almacenamiento en pilas), fiable y fácil de operar El carbón es el combustible fósil más abundante y más distribuido del mundo: Ratio Reservas/Producción > 165 años. Crecimiento sostenido a largo plazo, no a los niveles de los años más recientes El carbón no podrá sustituirse en la generación eléctrica en España y crecerá El carbón en la generación española 8

10 EL CARBÓN COMO COMBUSTIBLE Fuente de energía abundante y ampliamente distribuida en el mundo. Es la base actual de producción eléctrica en EE.UU., Rusia, China, India y Japón. Fácilmente transportable: Fácilmente almacenable: las infraestructuras para su transporte y almacenamiento ya están desarrolladas. Proceso de generación eléctrica altamente fiable y seguro en centrales de vida útil muy larga y adaptable a nuevas exigencias en materia medioambiental. En Europa, la seguridad en el abastecimiento energético exige seguir aprovechando el carbón como el recurso más abundante y de mayor disponibilidad. El carbón es, y seguirá siendo, un recurso energético irrenunciable Claves del carbón como combustible de futuro 9

11 EL CARBÓN COMO COMBUSTIBLE INVERSIONES TIPICAS: /kw /kw /kw Sin DSO x Con DSO x Con DSO x + Captura CO (1) (2) (2) EMISIONES TIPICAS (3): SO 2 (g/kwh) (*) NOx (g/kwh) CO 2 (kg/kwh) ,5-6,0 0,850-1,250 (*) sin desulfuración (1) Soluciones energéticas para un problema global: secuestro C0 2.Carlos Abanades. INCAR-CSIC (2) De acuerdo con (1) y elaboración propia (3) Elaboración propia Algunas ratios típicas para centrales de carbón 10

12 ÍNDICE EL EL CARBÓN N COMO COMBUSTIBLE ELEMENTOS BÁSICOS DE DE UNA CENTRAL TÉRMICA MEJORAS CLÁSICAS DEL RENDIMIENTO CENTRALES TÉRMICAS DE DE CARBÓN CENTRALES TÉRMICAS Y CO CO 2 2

13 ELEMENTOS BÁSICOS DE UNA CENTRAL TÉRMICA 1 er principio de la termodinámica, o de la conservación de la energía: «La energía no se crea ni se destruye, sólo se transforma» 2 o principio de la termodinámica, o de la irreversibilidad: «La cantidad de entropía de cualquier sistema aislado termodinámicamente tiende a incrementarse con el tiempo, hasta alcanzar un valor máximo» La entropía (o desorden), puede considerarse como una medida de lo próximo o no que se halla un sistema al equilibrio; también puede considerarse como una medida del desorden (espacial y térmico) del sistema. La entropía de un sistema aislado sólo puede crecer. Cuando un sistema aislado alcanza su máxima entropía, ya no puede experimentar cambios: ha alcanzado el equilibrio. Principios de la termodinámica (1) 12

14 ELEMENTOS BÁSICOS DE UNA CENTRAL TÉRMICA El 1 er y 2 o principios de la termodinámica implican que: La energía total de un sistema cerrado se conserve constante. La energía se pueda transformarse de calor en trabajo o de trabajo en calor. El calor y el trabajo son mecanismos por los que los sistemas intercambian energía entre sí. Cuando un sistema se pone en contacto con otro más frío que él, tiene lugar un proceso de igualación de las temperaturas de ambos. Si no se realiza trabajo, es imposible transferir calor desde una región de temperatura más baja a una región de temperatura más alta. Todos los procesos termodinámicos son irreversibles. Ninguna maquina térmica puede convertir todo el calor que recibe en trabajo útil. Principios de la termodinámica (2) 13

15 ELEMENTOS BÁSICOS DE UNA CENTRAL TÉRMICA Q 3 4 Q 4 1 El ciclo de Carnot (1) 14

16 ELEMENTOS BÁSICOS DE UNA CENTRAL TÉRMICA Expansión isoterma: (proceso 1-2) Entre 1 y 2 se transfiere calor al cilindro desde la fuente de calor, haciendo que el fluido se expanda a temperatura constante. Al expandirse, el fluido tiende a enfriarse, pero absorbe calor y mantiene su temperatura constante. El calor transferido entre 1 y 2 es convertido en trabajo. Diagrama del ciclo de Carnot en función de la presión y el volumen 1 2 La entropía aumenta en este proceso, siendo el cociente entre el calor transferido y la temperatura de la fuente en un proceso reversible. Q El ciclo de Carnot (2) Diagrama del ciclo de Carnot en función de la temperatura y entropía 15

17 ELEMENTOS BÁSICOS DE UNA CENTRAL TÉRMICA Expansión adiabática: (proceso 2-3) Terminada la expansión isoterma en 2, el sistema se aísla térmicamente, con lo que no hay transferencia de calor con el exterior. Esta expansión adiabática hace que el gas se enfríe hasta alcanzar exactamente la temperatura T2 en el momento en que el gas alcanza su volumen máximo, en 3. Diagrama del ciclo de Carnot en función de la presión y el volumen 2 3 Al enfriarse disminuye su energía interna. Al no haber transferencia de calor, la entropía se mantiene constante. El ciclo de Carnot (3) Diagrama del ciclo de Carnot en función de la temperatura y entropía 16

18 ELEMENTOS BÁSICOS DE UNA CENTRAL TÉRMICA Compresión isoterma: (proceso 3-4) Se pone en contacto con el sistema la fuente de calor fría y el gas comienza a comprimirse, pero no aumenta su temperatura porque va cediendo calor a la fuente fría. Esta cesión de calor implica que hay que hacer un trabajo sobre el sistema. Diagrama del ciclo de Carnot en función de la presión y el volumen 3 4 Al ser el calor negativo, la entropía disminuye. Q El ciclo de Carnot (4) Diagrama del ciclo de Carnot en función de la temperatura y entropía 17

19 ELEMENTOS BÁSICOS DE UNA CENTRAL TÉRMICA Compresión adiabática: (proceso 4-1) Terminada la compresión isoterma en 4, el sistema se aísla térmicamente, con lo que no hay transferencia de calor con el exterior. Esta compresión, que requiere algo de trabajo, aumenta la temperatura hasta el estado inicial. 4 1 El ciclo de Carnot (5) Al no haber transferencia de calor, la entropía se mantiene constante. Y vuelta a empezar. El resultado del ciclo es que el sistema ha realizado un trabajo sobre el exterior. Diagrama del ciclo de Carnot en función de la presión y el volumen Diagrama del ciclo de Carnot en función de la temperatura y entropía 18

20 ELEMENTOS BÁSICOS DE UNA CENTRAL TÉRMICA Q 3 4 Q 4 11 W1 W2 -W3 -Q -W4 Wn Q El ciclo de Carnot (6) 19

21 ELEMENTOS BÁSICOS DE UNA CENTRAL TÉRMICA El ciclo de Carnot es un ciclo termodinámico ideal reversible, en cuatro fases, entre dos fuentes de temperatura, en el cual el rendimiento es máximo. Una máquina térmica (C) que realiza este ciclo trabaja absorbiendo una cantidad de calor Q1 de la fuente de alta temperatura y cede un calor Q2 a la de baja temperatura produciendo un trabajo sobre el exterior. El rendimiento ideal viene definido por: Como todos los procesos que tienen lugar en el ciclo ideal son reversibles, el ciclo puede invertirse. Entonces la máquina ideal absorbe calor de la fuente fría y cede calor a la fuente caliente, si recibe trabajo. El ciclo de Carnot (7) 20

22 ELEMENTOS BÁSICOS DE UNA CENTRAL TÉRMICA Todos los procesos reales tienes alguna irreversibilidad: El rozamiento. Las paredes reales del sistema no pueden ser completamente adiabáticas El aislamiento térmico total es imposible. Existen irreversibilidades inherentes a la transferencia de calor. Diagrama del ciclo de Carnot en función de la presión y el volumen Por lo tanto, es imposible conseguir un ciclo real libre de irreversibilidades, y la eficiencia de un ciclo o máquina térmica real será siempre menor que este ciclo ideal. El ciclo de Carnot (8) Diagrama del ciclo de Carnot en función de la temperatura y entropía 21

23 ELEMENTOS BÁSICOS DE UNA CENTRAL TÉRMICA Idealmente, Los procesos que tenemos son los siguientes (suponiendo ciclo ideal con procesos internamente reversibles): Proceso 1-2: Expansión isoentrópica del fluido de trabajo en la turbina desde la presión de la caldera hasta la presión del condensador. Proceso 2-3: Transmisión de calor desde el fluido de trabajo al refrigerante a presión constante en el condensador hasta el estado de líquido saturado. Diagrama temperatura-entropía de un ciclo de Rankine con agua-vapor El ciclo de Rankine (1) 22

24 ELEMENTOS BÁSICOS DE UNA CENTRAL TÉRMICA Proceso 3-4: Compresión isoentrópica en la bomba. En él se aumenta la presión del fluido mediante un compresor o bomba, al que se le aporta un determinado trabajo. Proceso 4-1: Transmisión de calor hacia el fluido de trabajo a presión constante en la caldera. Diagrama temperatura-entropía de un ciclo de Rankine con agua-vapor El ciclo de Rankine (2) 23

25 ELEMENTOS BÁSICOS DE UNA CENTRAL TÉRMICA El ciclo de Rankine se utiliza en las centrales térmicas, donde los elementos principales son los ya vistos: caldera (C), turbina (T), generador (G), condensador (F) y bomba (B). C T G B F T G B C F El ciclo de Rankine en una central térmica 24

26 ELEMENTOS BÁSICOS DE UNA CENTRAL TÉRMICA La turbina (T) es el elemento donde el vapor a alta velocidad hace que los álabes móviles de la turbina giren alrededor de su eje al incidir sobre los mismos y produce energía cinética. C B T F G Por lo general una turbina de vapor posee más de un conjunto toberaálabe (o etapa), para aprovechar mejor la velocidad decreciente del vapor. 8 etapas Turbina (1) 25

27 ELEMENTOS BÁSICOS DE UNA CENTRAL TÉRMICA La turbina (T) es el elemento donde el vapor a alta velocidad hace que los álabes móviles de la turbina giren alrededor de su eje al incidir sobre los mismos y produce energía cinética. C B T F G Turbina (2) 26

28 ELEMENTOS BÁSICOS DE UNA CENTRAL TÉRMICA El generador (G), unido al eje de giro de la turbina, transforma la energía cinética en electricidad. C T G Esta transformación se consigue por la acción de un campo eléctrico sobre los conductores eléctricos dispuestos sobre una armadura (denominada también estator). B F Si mecánicamente se produce un movimiento relativo entre los conductores y el campo, se generara una fuerza electromotriz (F.E.M.). Generador en la central eléctrica de Bridal veil Falls, Telluride, Colorado. Se trataría del generador más antiguo que se mantiene en servicio en EE.UU. Generador 27

29 ELEMENTOS BÁSICOS DE UNA CENTRAL TÉRMICA El condensador (F), es un intercambiador térmico, en el que el vapor restante se enfría y pasa a estado líquido. C B T F G Esto se hace mediante el intercambio de calor (cesión de calor) con otro medio, que típicamente puede ser: Aire, mediante el uso de radiadores y ventiladores. Agua en circuito abierto, tomada de un río, lago o del mar. Agua en circuito cerrado con torre de refrigeración. Condensador (1) Central Térmica de Carbón: La Robla. 28

30 Central Térmica de Carbón: La Robla. ELEMENTOS BÁSICOS DE UNA CENTRAL TÉRMICA T G C B F Condensador (2) 29

31 ELEMENTOS BÁSICOS DE UNA CENTRAL TÉRMICA La bomba (B) inyecta el agua en estado líquido de nuevo a la caldera, para poder repetir el ciclo. C T G Por lo general son bombas centrífugas, dotadas de álabes unidos a un eje rotatorio accionado por una pequeña turbina alimentada por vapor de la caldera. B F Corte esquemático de una bomba centrífuga: 1a, 3 y 5: carcasa, 1b cámara, 2 álabes, 4 cojinete y 6 eje. Bomba 30

32 ELEMENTOS BÁSICOS DE UNA CENTRAL TÉRMICA La caldera (C) es el elemento donde se calienta agua para generar vapor. Existen diversas fuentes de calor para lograr vapor: C B T F G Combustibles fósiles: - Carbón - Petróleo (fuelóleo, gasóleo,...) -Gas natural Otros combustibles (Biomasa y residuos) Uranio fisionado en un reactor nuclear Energías renovables: -Energía solar - Geotérmica Fuente de calor Salida humos Salida vapor Entrada agua Además, se investigan otras fuentes de calor, como la fusión nuclear. Caldera (1) 31

33 ELEMENTOS BÁSICOS DE UNA CENTRAL TÉRMICA Circulación natural con calderín Paso único (sub y super crítico) Arco (Antracita) Algunos tipos de caldera de carbón 32

34 ELEMENTOS BÁSICOS DE UNA CENTRAL TÉRMICA Caldera de lecho fluidificado 33

35 ÍNDICE EL EL CARBÓN N COMO COMBUSTIBLE ELEMENTOS BÁSICOS DE DE UNA CENTRAL TÉRMICA MEJORAS CLÁSICAS DEL RENDIMIENTO CENTRALES TÉRMICAS DE DE CARBÓN CENTRALES TÉRMICAS Y CO CO 2 2

36 MEJORAS TERMODINÁMICAS CLÁSICAS Aumento de la temperatura en la caldera Aumento de eficiencia de turbina Disminución de la temperatura en el condensador Mejoras en el ciclo Rankine 35

37 Existen algunas mejoras al ciclo: MEJORAS TERMODINÁMICAS CLÁSICAS Ciclo Rankine con sobrecalentamiento: Agrega sobrecalentadores a la salida de la caldera que permitan obtener vapor sobrecalentado a la entrada de la turbina. Ciclo Rankine con recalentamiento: Intercala recalentadores entre las etapas de turbina, de modo que el vapor no se expande directamente hasta la presión del condensador, sino que lo hace en etapas, entre las que se vuelve a introducir en la caldera y se recalienta. Ciclo Rankine regenerativo: Introduce un nuevo elemento al ciclo, un calentador abierto, un intercambiador de calor por contacto directo en el cual se mezclan dos corrientes de agua para dar una corriente de temperatura intermedia. Las centrales térmicas actuales utilizan, por lo general, estas mejoras. Variaciones sobre el ciclo de Rankine 36

38 MEJORAS TERMODINÁMICAS CLÁSICAS Ciclo Rankine con recalentamiento: Intercala recalentadores entre las etapas de turbina, de modo que el vapor no se expande directamente hasta la presión del condensador, sino que lo hace en etapas, entre las que se vuelve a introducir en la caldera y se recalienta. Después del recalentamiento se vuelve a expandir en la siguiente etapa de la turbina hasta que sale al condensador bar 545º C bar 545º C 4 5 T CICLO DE VAPOR: 5-1 Condensación Bombeos y pr ecalentamientos s 2-3 Evapor ación 3-4 Sobr ecalentamiento 4-4 Recalentamiento 5 Final de expansiones Ciclo Rankine con recalentamiento 37

39 ÍNDICE EL EL CARBÓN N COMO COMBUSTIBLE ELEMENTOS BÁSICOS DE DE UNA CENTRAL TÉRMICA MEJORAS CLÁSICAS DEL RENDIMIENTO CENTRALES TÉRMICAS DE DE CARBÓN CENTRALES TÉRMICAS Y CO CO 2 2

40 ELEMENTOS BÁSICOS DE UNA CENTRAL TÉRMICA Central Térmica de Carbón El ciclo de Rankine en una central térmica 39

41 CENTRALES TÉRMICAS DE CARBÓN Rendimiento: 38 % T G Condiciones subcríticas/supercríticas C B F Esquema de C.T. La Robla. F G B T C Central térmica de carbón: Paso único 40

42 CENTRALES TÉRMICAS DE CARBÓN T G C B F Esquema de C.T. Anllares. G F T B C Central térmica de carbón: Calderín 41

43 CENTRALES TÉRMICAS DE CARBÓN Centrales hipersupercríticas: Rendimiento objetivo: % Centrales de referencia: NIEDERAUSEM K (2002): 43 % (600 ºC, 275 bar) 1000 MWe Factores tecnológicos claves: Nuevos materiales en sobrecalentadores Lechos fluidos circulantes supercríticos: CONDICIONES CRITICAS DEL AGUA: Punto crítico CP del agua: (374,2 ºC/220,5 bar) Supercriticidad: comportamiento híbrido gas-líquido con amplio rango de densidades Rendimiento objetivo: % Nicho de aplicación en combustibles pobres Centrales de referencia: CERDEÑA (2005): 340 MWe Factores tecnológicos: Integración de tecnologías de lecho fluidificado y calderas supercríticas Central térmica de carbón: mejoras actuales 42

44 CENTRALES TÉRMICAS DE CARBÓN Gasificación integrada en ciclo combinado: Rendimiento objetivo: % C T G Central de referencia: ELCOGAS (1998): 42,2 % 282,7 MWe Factores tecnológicos clave: B F Mejoras en el proceso de la gasificación y en los equipos (turbina de gas) Aplicación del proceso a la generación de hidrógeno a partir de carbón mediante reacciones de desplazamiento C G T Central térmica de gas: Centrales avanzadas (3) 43

45 ÍNDICE EL EL CARBÓN N COMO COMBUSTIBLE ELEMENTOS BÁSICOS DE DE UNA CENTRAL TÉRMICA MEJORAS CLÁSICAS DEL RENDIMIENTO CENTRALES TÉRMICAS DE DE CARBÓN CENTRALES TÉRMICAS Y CO CO 2 2

46 CENTRALES TÉRMICAS Y CO 2 Es una manera de GESTIONAR y UTILIZAR el carbón, que conlleva: El uso de tecnologías que provoquen el menor impacto ambiental, o lo que es lo mismo, que supongan: Bajos valores en emisiones de carácter contaminante (azufre, óxidos de nitrógeno y partículas fundamentalmente) Gestión adecuada de los residuos sólidos y líquidos de las centrales (escorias, cenizas, yesos y residuos líquidos originados por los sistemas auxiliares para el proceso de producción eléctrica) Bajas / nulas emisiones de CO 2 Puede incluir conceptos de hibridación: Co-combustión de biomasa y otros combustibles y/o hibridación con energía solar En el futuro incorporará la captura de CO2, con el objeto de que además de ser un combustible limpio sea también sostenible. Carbón limpio y carbón sostenible 45

47 CENTRALES TÉRMICAS Y CO 2 COORETEC - Roadmap 2003 Reducir los costes de captura y almacenamiento de CO 2 Reducir las pérdidas en el proceso por debajo de la horquilla de 6 a 11% Itinerario tecnológico general para centrales térmicas 46

48 CENTRALES TÉRMICAS Y CO <2020 Horizonte 1 Horizonte 2 Horizonte 3 Aplicación de tecnologías del estado del arte Desarrollo adicional de tecnologías avanzadas de plantas de generación Desarrollo de plantas de generación cero-co 2 Énfasis en la eficiencia (medida primaria para reducción del CO 2 ) Énfasis en la captura y almacenamiento de CO (medida secundaria) Proyectos de mejora sobre conceptos establecidos Maduración y aplicación de tecnologías CAC Proyectos de nuevos materiales y diseños para mejoras termodinámicas Planteamiento general de las tecnologías del CO 2 47

49 GRACIAS POR SU SU ATENCIÓN