DEBILIDADES Y DESAFIOS TECNOLOGICOS DEL SECTOR PRODUCTIVO. Generación termoeléctrica

Transcripción

1 DEBILIDADES Y DESAFIOS TECNOLOGICOS DEL SECTOR PRODUCTIVO ICONO Generación termoeléctrica Tierra del Fuego

2 INDICE Perfil sectorial Debilidades cuya superación implica un desafío científico tecnológico Cuadro resumen e imágenes del sector Fuentes consultadas 1

3 Perfil Sectorial Una central termoeléctrica es una instalación empleada para la generación de energía eléctrica a partir de la energía liberada en forma de calor mediante la combustión de algún combustible fósil como petróleo, carbón, gas natural, fuel oil, gas oil en una caldera diseñada a tal efecto. Este calor es empleado por un ciclo termodinámico convencional para mover un alternador y producir energía eléctrica. Las denominadas centrales termoeléctricas clásicas difieren de otro tipo de centrales termoeléctricas (nucleares) ya que las mismas generan energía a partir de un ciclo termodinámico, pero mediante fuentes energéticas distintas de los combustibles fósiles empleados en la producción de energía eléctrica y también por la tecnología diferente que utilizan unas y otras. El esquema de funcionamiento de todas las centrales termoeléctricas es similar independientemente del combustible utilizado. Las únicas diferencias consisten en el distinto tratamiento previo que sufre el combustible antes de ser inyectado en la caldera y en el diseño de los quemadores de la misma, que varían según sea el tipo de combustible empleado. Una central termoeléctrica clásica posee, dentro del propio recinto de la planta, sistemas de almacenamiento del combustible que utiliza. Si se trata de una central termoeléctrica de carbón es previamente triturado en molinos pulverizadores hasta quedar convertido en un polvo muy fino para facilitar su combustión. De los molinos es enviado a la caldera de la central mediante chorro de aire precalentado. Si es una central termoeléctrica de fuel-oil, éste es precalentado para que fluidifique, siendo inyectado posteriormente en quemadores adecuados a este tipo de combustible. Si es una central termoeléctrica de gas los quemadores están asimismo concebidos especialmente para quemar dicho combustible. Una vez en la caldera, los quemadores provocan la combustión del carbón, fuel-oil o gas, generando energía calorífica. Esta convierte a su vez, en vapor a alta temperatura, el agua que circula por una extensa red formada por miles de tubos que tapizan las paredes de la caldera. Este vapor entre a gran presión en la turbina de la central, la cual consta de tres cuerpos -de alta, media y baja presión, respectivamente- unidos por un mismo eje. En el primer cuerpo (alta presión) hay centenares de álabes o paletas de pequeño tamaño de una rueda hidráulica. El cuerpo a media presión posee asimismo centenares de álabes pero de mayor tamaño que los anteriores. El de baja presión, por último, tiene álabes aún más grandes que los precedentes. El objetivo de esta triple disposición es aprovechar al máximo la fuerza del vapor, ya que este va perdiendo presión progresivamente, por lo cual los álabes de la turbina se hacen de mayor tamaño cuando se pasa de un cuerpo a otro de la misma., Hay que advertir, por otro lado, que este vapor, antes de entrar en la turbina, ha de ser cuidadosamente deshumidificado. En caso contrario, las pequeñísimas gotas de agua en suspensión que transportaría serían lanzadas a granvelocidad contra los álabes, actuando como si fueran proyectiles y erosionando las paletas hasta dejarlas inservibles. El vapor de agua a presión, por lo tanto, hace girar los álabes de la turbina generando energía mecánica. A su vez, el eje que une a los tres cuerpos de la turbina (de alta, media y baja presión) hace girar al mismo tiempo a un alternador unido a ella, produciendo así energía eléctrica. Esta es vertida a la red de transporte a alta tensión mediante la acción de un transformador. 2

4 Perfil Sectorial Por su parte, el vapor -debilitada ya su presión- es enviado a unos condensadores. Allí es enfriado y convertido de nuevo en agua. Esta es conducida otra vez a los tubos que tapizan las paredes de la caldera, con lo cual el ciclo productivo puede volver a iniciarse. Las centrales termoeléctricas de ciclo combinado o de sistemas de cogeneración don sistemas de producción conjunta de electricidad y de energía térmica útil partiendo de un único combustible. El gas natural es la energía primaria más utilizada para el funcionamiento de las centrales de cogeneración de electricidad calor, las cuales funcionan con turbinas o motores de gas. De todas formas, también se pueden utilizar fuentes de energía renovables y residuos como biomasa o residuos que se incineran. La ventaja sobre una central térmica convencional es que tienen un mejor aprovechamiento de la energía que produce el quemado del combustible, lo que les permite alcanzar mayor eficiencia. Una central térmica convencional funciona mediante un solo ciclo térmico y su rendimiento ideal llega a un 33%, las otras dos partes de la energía se expulsan al medio en forma de calor. El combustible se inyecta, mezclado con aire, a una turbina donde se produce la combustión. La turbina gira por la fuerza de expulsión de los gases y su giro se aprovecha para mover un alternador y producir electricidad. El calor remanente de los gases que expele la turbina se usa para hervir agua a través de un intercambiador de calor y un generador de vapor. Este es usa en un ciclo térmico convencional: mueve otra turbina, que también produce electricidad al hacer girar un alternador. Finalmente, los gases que resultan de la combustión se expulsan a la atmósfera y el vapor se condensa mediante un foco de frío que ha de ser una masa de agua. El sector en la provincia de Tierra del Fuego En el año 2004, el mercado eléctrico interconectado y concentrado de la provincia de Tierra del Fuego estaba compuesto por aproximadamente 34 mil usuarios, de los cuales el 85% corresponde a consumidores residenciales. El consumo total de la provincia de 76 mil GWh. En cuanto al abastecimiento eléctrico, existen dos organismos que gestionan el mercado eléctrico en la provincia. La Dirección Provincial de Energía atiende a las ciudades de Ushuaia y Tolhuin y a los mercados aislados de Puerto Almanza y San Sebastián; y la Cooperativa Eléctrica de Río Grande se encarga del abastecimiento de la ciudad homónima. En la provincia hay dos Centrales Termoeléctricas, una ubicada en la ciudad de Río Grande y la otra en Ushuaia pero actualmente entre las dos localidades no existe la interconexión eléctrica entre ambas. 3

5 Perfil Sectorial La Central Termoeléctrica de Río Grande se encuentra ubicada en la ciudad homónima, aunque en sus comienzos se encontraba en una zona retirada del casco céntrico. La usina funcionó contaba hasta el año 1986 con motores de combustión interna (diesel/gas) y con dos pequeñas turbinas, que hoy en día son utilizadas por la Central que se encuentra en Ushuaia. Actualmente, ante la creciente demanda de energía producto del crecimiento poblacional de Río Grande se adquirieron e instalaron tres nuevos turbogeneradores, dos Fiat tg 16 (con una capacidad de 17 MW cada una) y una LM 2500 (con una capacidad de 20 MW). En la Central Termoeléctrica se produce la totalidad de la energía que se consume en la ciudad de Río Grande, ya que no existe ninguna otra entidad que genere energía. Asimismo, la Cooperativa Eléctrica de Río Grande posee la concesión exclusiva para la generación de electricidad otorgada por el gobierno provincial. La central de Río Grande es una usina con un muy alto índice de continuidad de servicio, los cortes totales de generación a lo largo del año no suelen superar las dos horas promedio. Del mismo modo, el servicio de distribución es lo suficientemente confiable, considerando que se trata de un sistema aislado y sujeto a inclemencias climáticas muy rigurosas. Los generadores de cada unidad operan con una tensión nominal de Volts y están acoplados directamente al sistema de barras principales para la distribución a la ciudad en esa misma tensión, a través de 13 salidas de despacho de cargas. Para la operación de las máquinas se han destacados diez operadores, los que trabajan en grupos de dos por tuno en cuatro turnos diarios rotativos de seis horas cada uno. Como elementos de apoyo eléctrico existen en la central dos Grupos generadores de 1 MW Y 1.2 MW marca Man y Sullair respectivamente que funcionan con combustible diesel, utilizados para generar la electricidad necesaria para dar arranque a una turbina cuando esta se haya detenido por alguna anormalidad, abasteciendo los requerimientos de la usina en dicha contingencia. La energía generada en el año 2005 fue de 170 millones de KW/h. En la ciudad de Ushuaia se encuentra la segunda Central Termoeléctrica de la provincia. La misma está administrada por la Dirección Provincial de Energía de Tierra del Fuego. La misma cuenta actualmente con 7 turbo generadores que van desde los KW hasta los KW. Hoy en día la red de distribución en media tensión en la ciudad es de 13,2 KW pero dada la creciente demanda de la misma y la saturación del sistema, se está proyectando la incorporación del nivel de tensión de 33 KW como alternativa para la expansión de la red actual. La generación de energía en el año 2005 fue de 144 millones de KW/h. 4

6 Debilidades cuya superación implica un desafío científico tecnológico 1 Baja eficiencia de las usinas termoeléctricas existentes 2 Escasas experiencias en la utilización de gases residuales de la generación termoeléctrica para calefacción de viviendas( District heating ) 5

7 Debilidades cuya superación implica un desafío científico tecnológico 1 Baja eficiencia de las usinas termoeléctricas existentes Descripción del problema En la provincia de Tierra del Fuego existen dos centrales termoeléctricas que generan energía eléctrica a partir de turbinas a gas (TG). Este tipo de plantas suelen considerarse tradicionales pues transforman la energía química en energía eléctrica. El objetivo es producir a partir del gas natural energía térmica, que luego es convertida en energía mecánica y que mediante un alternador se transforma en energía eléctrica de alta calidad. Tradicionalmente la energía térmica se transformaba en mecánica mediante un ciclo de vapor o mediante una turbina de gas. En este tipo de estructuras el rendimiento en la producción de electricidad no supera el 25%, 30%. El resto se elimina en la atmósfera a través de la chimenea debido a que los gases de escape poseen una temperatura elevada. De esta forma, con el objetivo de mejorar el rendimiento de las centrales termoeléctricas tradicionales radicadas en la provincia de Tierra del Fuergo, surge la necesidad de adaptarlas para que utilicen la tecnología de ciclo combinado con gas natural. Este tipo de plantas aprovechan el calor en dos niveles o ciclos, uno de gas (con turbina de gas) y otro de vapor (con turbina de vapor). Al aprovechar la energía de los gases de escape se podrían obtener rendimientos eléctricos que superan el 60%. En otras palabras, la producción simultánea de energía (cogeneración) permite reducir la pérdida de energía que se produce en las centrales termoeléctricas tradicionales, aprovechando el calor residual liberado. Los gases de escape de una turbina de gas, que se encuentran a elevadas temperaturas, son utilizados para producir vapor en una caldera de recuperación de las energías residuales. Adaptar un ciclo de vapor a un ciclo de gas abierto o de ciclo combinado, supone la adaptación de muchos componentes entre ellos: calderas, condensadores, incorporación de turbinas a vapor (TV), bombas de circulación del fluido de trabajo. Este último es agua debidamente tratada para evitar la corrosión de los componentes de la turbina, de los intercambiadores, etc, como así también para evitar la deposición de sedimentos dentro del circuito del agua. De esta forma, se torna necesario incorporar una planta de depuración para el agua utilizada en el proceso. Generalmente las centrales de ciclo combinado poseen las dos turbinas acopladas a un mismo generador. En el caso de una adaptación, esta situación no es posible debido a que el generador que está acoplado a la TG trabaja al límite de su capacidad de generación. Es por esto, que en el caso de transformar las centrales termoeléctricas en la provincia de Tierra del Fuego a ciclo combinado se debería instalar un generador adicional para la TV. 6

8 Debilidades cuya superación implica un desafío científico tecnológico 1 Baja eficiencia de las usinas termoeléctricas existentes Posibles soluciones Estudiar la factibilidad de conversión de las centrales termoeléctricas de Río Grande y Ushuaia a ciclo combinado Adaptar las centrales termoeléctricas a ciclo combinado Impacto esperado Mayor rendimiento del proceso de transformación de la energía Incremento de la energía eléctrica producida Reducción del impacto ambiental Mayor recupero de energías residuales 7

9 Debilidades cuya superación implica un desafío científico tecnológico 2 Escasas experiencias en la utilización de gases residuales de la generación termoeléctrica para calefacción de viviendas ( District heating ) Descripción del problema Las instalaciones de District Heating (DH) utilizan el calor de baja temperatura de la generación termoeléctrica, excedentes industriales, incineradores de residuos urbanos o biomásicos, etc. que generalmente se eliminan al ambiente, para calefaccionar los hogares, edificios y todo tipo de establecimientos de las distintas localidades de manera centralizada y minimizando la utilización de los recursos, generando un ahorro en los mismos y una importante mitigación de emisiones de gases de efecto invernadero producida por la combustión de los mismos. Este calor se transporta mediante fluidos diatérmicos en fase líquida o gaseosa a usuarios que lo demandan, a través de cañerías aisladas térmicamente y otros elementos complementarios que configuran el sistema DH, con lo que se logra una reducción muy significativa en el consumo anual de recursos combustibles. En nuestro País, no existen instalaciones de DH, salvo casos específicos poco significativos como el del Copahue, las que son muy comunes en Países Europeos, en especial aquellos situados en climas fríos durante toda o la mayor parte del año, similares a los que existen en las regiones australes del País, o montañosas del oeste - sudoeste. En los inicios del desarrollo de esta tecnología se utilizó vapor de baja presión (BP) o de media presión (MP), o agua caliente a temperaturas en algunos casos superior a 150oC, invocando razones como la mayor versatilidad del calor distribuido, menores diámetros de las cañerías de transporte y distribución del calor, y menores requerimientos de potencia de bombeo. Actualmente, la tendencia es hacia el agua en fase líquida con temperaturas algo inferiores a 100oC, con el objetivo principal de aumentar la oferta de calor aportable al sistema. Los sistemas son apenas presurizados como para asegurar la circulación del líquido, mejorando la seguridad de las personas en caso de un derrame accidental de agua caliente, y en especial porque mejoran las condiciones impuestas por la dilatación térmica de las cañerías soterradas cubiertas por aislamiento térmico, que debe ser hermético para evitar la degradación de la capacidad aislante del material por incorporación de humedad, que además causaría corrosión. Las fuentes de calor que pueden ser utilizadas para el suministro a los sistemas de DH son: Calor de escape de máquinas de combustión interna. Calor del vapor de escape de turbinas de vapor, o residual de centrales termoeléctricas. 8

10 Debilidades cuya superación implica un desafío científico tecnológico 2 Escasas experiencias en la utilización de gases residuales de la generación termoeléctrica para calefacción de viviendas ( District heating ) (cont.) Calderas convencionales, generalmente para suplementación. Calor excedente de procesos industriales. Calderas especiales de recuperación de calor de incineradores de residuos municipales, gas de los landfills, etc. Calor geotérmico, solar, o nuevas aplicaciones como ser los fuel cells, etc. Cuando el calentamiento del agua de DH se realiza en centrales termo-eléctricas se está en presencia de un sistema de cogeneración. El aprovechamiento de calor de baja temperatura disponible en centrales térmicas puede tener lugar en dos situaciones concretas: Turbinas de gas en ciclo abierto, donde los gases calientes son expulsados a la atmósfera. En lugar de ello los gases pueden ser utilizados para realizar el calentamiento del circuito de agua de DH mediante una Caldera de Recuperación, HRSG (Heat Recovery Steam Generator). Ciclos de vapor, ya sea en ciclos convencionales (conjunto de caldera mas turbina de vapor) o turbinas de vapor (TV) pertenecientes a ciclos combinados, en ambos casos el calor residual es eliminado al ambiente a través de condensadores. Posibles soluciones Analizar y desarrollar instalaciones de DH en las ciudades de Usuhaia o Río Grande, aprovechando los gases residuales de las generadoras termoeléctricas de ambas localidades Impacto esperado Mayor aprovechamiento energético 9

11 Cuadro resumen Debilidad Posibles soluciones Impacto esperado Tipo de debilidad 1 Baja eficiencia de las usinas termoeléctricas existentes Estudiar la factibilidad de conversión de las centrales termoeléctricas de Río Grande y Ushuaia a ciclo combinado Mayor rendimiento del proceso de transformación de la energía Modernización Tecnológica Adaptar las centrales termoeléctricas a ciclo combinado Incremento de la energía eléctrica producida Reducción del impacto ambiental Mayor recupero de energías residuales 2 Escasas experiencias en la utilización de gases residuales de la generación termoeléctrica para calefacción de viviendas ( District heating ) Analizar y desarrollar instalaciones de DH en las ciudades de Usuhaia o Río Grande, aprovechando los gases residuales de las generadoras termoeléctricas de ambas localidades Mayor aprovechamiento energético Investigación y Desarrollo de Producto 10

12 Imágenes del sector Central Termoeléctrica a gas de Ushuaia Tierra del Fuego Administrada por la Dirección Provincial de Energía Eléctrica Central termoeléctrica a gas de Río Grande Tierra del Fuego Cooperativa Eléctrica de Río Grande 11

13 Imágenes del sector Torres de refrigeración de la Central Termoeléctrica de ciclo combinado, Modesto Maranzana - Río Cuarto, provincia de Córdoba. Actualmente la provincia de Tierra del Fuego no cuenta con la tecnología de ciclo combinado. Generador ASEA de 50 MVA, 10.5 KV en 50 ciclos y rotor de dos polos de la Central Termoeléctrica de ciclo combinado Modesto Maranzana, Río Cuarto, provincia de Córdoba. Actualmente la provincia de Tierra del Fuego no cuenta con la tecnología de ciclo combinado. 12

14 Imágenes del sector Rotor de una turbina de gas de una Central Termoeléctrica Modesto Maranzana Río Cuarto provincia de Córdoba. Actualmente la provincia de Tierra del Fuego no cuenta con la tecnología de ciclo combinado. Turbina de vapor de una Central Termoeléctrica Modesto Maranzana Río Cuarto provincia de Córdoba. Actualmente la provincia de Tierra del Fuego no cuenta con la tecnología de ciclo combinado. 13

15 Imágenes del sector Centro de Control de una Central Termoeléctrica Transformador de media tensión para la distribución de energía eléctrica 14

16 Fuentes consultadas FUENTES CONSULTADAS Conversión de la Central Termoeléctrica Agua del Cajón a Ciclo Combinado, provincia de Neuquén, Equilibrum. Octubre 1998 Diagnóstico de la potencia instalada, generación y demanda de energía eléctrica de Argentina, período y perspectivas al año Área de Recursos Energéticos y Planificación para el Desarrollo, Instituto de Investigación de Ciencias Sociales, Universidad del Salvador. Estado del arte de la generación termoeléctrica, Ing. Rogelio Horacio Baratchart. Tecnolatina S.A La aplicación del District Heating en el uso racional de la Energía (URE), y La aplicación de District Heating a partir de Centrales Térmicas, Alberto Fushimi, Leandro Zárate, Marcos Hall, Martín Moreda, Michay Gómez ENTREVISTAS REALIZADAS Ing. Ricardo Saporitti. Director de Nuevos Proyectos de la. Secretaría de Hidrocarburos. Gobierno de la Provincia de Tierra del Fuego Ing. Juan Manuel García Traba. Secretaría de Hidrocarburos. Gobierno de la Provincia de Tierra del Fuego Claudio Roig. Subsecretario de Ciencia y Tecnología de La Provincia de Tierra del Fuego 15