Revista Eduinnova

Transcripción

1 LA CENTRAL TERMOELÉCTRICA AUTOR: ANTONIO ELÍAS JURADO PEREA ESPECIALIDAD: TECNOLOGÍA DNI: T En una central hidroeléctrica, la producción de energía eléctrica se puede realizar a partir de la combustión de carbón, fuel-oil o gas natural, etc., en el interior de una caldera. Generalmente, este tipo de instalaciones se denominan centrales termoeléctricas convencionales, para diferenciarlas de otras centrales termoeléctricas que, como las nucleares o las solares, generan electricidad también a través de un ciclo termodinámico, pero utilizando fuentes de energía diferentes de los combustibles fósiles y recurriendo a una tecnología muy avanzada, mucho más reciente que la aplicada en las centrales termoeléctricas convencionales. Componentes principales de una central térmica convencional: Caldera: en este espacio el agua se transforma en vapor, es decir, cambia su estado. Esta acción se produce gracias a la combustión del gas natural (o cualquier otro combustible fósil que pueda utilizar la central) la cual genera gases a muy alta temperatura que al entrar en contacto con el agua líquida la convierte en vapor. Este agua circula por unas cañerías llamadas serpentines donde se produce el intercambio de calor entre los gases de la combustión y el agua. Turbina de vapor: es la máquina que recoge el vapor de agua y gracias a un complejo sistema de presiones y temperaturas, consigue que se mueva el eje que la atraviesa. Esta turbina tiene 4 cuerpos, uno de alta presión, uno de media presión y dos de baja presión. El eje atraviesa los cuatro cuerpos y está conectado con el generador. Generador: máquina que recoge la energía mecánica generada por el eje que atraviesa la turbina y la transforma en eléctrica. Las centrales eléctricas transforman la energía mecánica del eje en una corriente eléctrica trifásica y alterna. Funcionamiento de las centrales termoeléctricas clásicas Sea cual sea el combustible fósil utilizado, ya hemos indicado que los más usuales son el fuel-oil, gas o carbón, las centrales termoeléctricas funcionan según el mismo esquema básico; las diferencias vienen dadas por el peculiar tratamiento que cada uno de los combustibles mencionados experimenta antes de ser inyectado en la 34

2 caldera. Asimismo, determinadas instalaciones, como los quemadores de la caldera, varían dependiendo de dicho factor. Uno de los elementos esenciales en una instalación termoeléctrica es el depósito donde se almacena el combustible, ubicado dentro del propio recinto. En las centrales de carbón, el mineral se tritura previamente en molinos, que lo convierte en un polvo muy fino; de esta manera, la combustión resultará más fácil. Desde el molino se envía a la caldera mediante chorros de aire precalentado. En las centrales de fueloil, este componente se precalienta para asegurar su fluidificación; posteriormente en inyectado en quemadores especialmente adaptados, cuyo diseño y funcionamiento es diferente si el combustible empleado es gas. Las centrales mixtas disponen de instalaciones aptas para quemar indistintamente todo tipo de combustibles fósiles. Cuando el gas, carbón o el fuel-oil ha llegado a la caldera, los quemadores provocan su combustión, como consecuencia de la cual se genera energía calorífica. Esta energía transforma el agua que transita por la vasta red de tubos que compones la caldera en vapor, a elevada temperatura. A continuación, el vapor de agua, a gran presión, penetra en la turbina, integrada por tres cuerpos, de alta, media y baja presión, unidos a un mismo eje. En el primero de estos cuerpos, el de alta presión, existen centenares de paletas o álabes de pequeño tamaño. En el segundo, los álabes también numerosos son mayores. Finalmente, las paletas del cuerpo de baja presión son aún más grandes que las precedentes. Con esta gradación de tamaños se aprovecha al máximo la fuerza del vapor, puesto que éste va disminuyendo su presión poco a poco; ésta es la razón de que los álabes de la turbina crezcan en tamaño a medida que se pasa de un cuerpo a otro. Antes de que el vapor penetre en la turbina es necesaria su deshumidificación. Si no se sometiera a dicho proceso, las diminutas gotas de agua que transporta en suspensión serian despedidas a gran velocidad contra los álabes, erosionando el mecanismo. Así pues, el vapor de agua a presión provoca el giro de los álabes o paletas de la turbina y la hace girar generando una energía mecánica. Por otra parte, el eje que mantiene unidos los tres cuerpos de la turbina hace girar, a su vez, un alternador que se encuentra conectado a ella, produciendo energía eléctrica. Gracias al empleo de un transformador, la energía eléctrica pasa a la red de transporte tras elevar su tensión. El vapor, cuya presión ha resultado ya muy debilitada, pasa a los condensadores, donde se enfría y se convierte nuevamente en agua. El agua retorna otra vez a los tubos que conforman las paredes de la caldera, reiniciándose así el ciclo productivo. La protección del medio ambiente 35

3 La emisión de residuos a la atmósfera y los propios procesos de combustión que se producen en las centrales termoeléctricas tienen una incidencia importante sobre el medio ambiente. Para tratar de paliar, en la medida de lo posible, los daños que estas plantas provocan en el entorno natural, se incorporan a las instalaciones diversos elementos y sistemas. El problema con la contaminación es máximo en el caso de las centrales termoeléctricas convencionales que utilizan como combustible carbón. En las de fueloil o gas, los niveles de polución son mucho menores, prácticamente inapreciables en las plantas de gas. Sin embargo, la combustión del carbón tiene como consecuencias la emisión de partículas y ácidos de azufre. Unos de los sistemas ideados para reducir el volumen de emanaciones es la construcción de chimeneas de gran altura que sirven para dispersar las mencionadas partículas en la capas altas de la atmósfera, consiguiendo así que su nociva influencia sea mínima. Por otra parte, el empleo de filtros electrostáticos y precipitadores permite la retención de estas partículas volátiles dentro de la propia central. En las centrales de fuel-oil, la emisión de partículas sólidas es, como se ha indicado, mucho más pequeña. No obstante, ha de tenerse en cuenta la emisión de óxidos de azufre y hollines ácidos. El efecto de los primeros puede ser anulado parcialmente a través de diversos sistemas de purificación; los hollines pueden ser neutralizados gracias a la adicción de neutralizantes de la acidez. El proceso de combustión que se verifica en las centrales termoeléctricas constituye una forma de contaminación (contaminación térmica) que puede ser contrarrestada gracias a la instalación de torres de refrigeración. Como se ha indicado, el agua que, tras ser convertida en vapor, se emplea para hacer girar la turbina, es enfriada en los condensadores para volver nuevamente a los conductos de la carera. La refrigeración se lleva a cabo utilizando el agua del mar o la de algún río cercano a la instalación; esta agua recibe el calor incorporado por el agua de la central que atraviesa los condensadores. Cuando los caudales de los ríos son pequeños, las centrales emplean sistemas de refrigeración en circuito cerrado, a través de torres refrigerantes, para evitar así la contaminación térmica. El agua caliente procedente de los condensadores penetra en la torre a determinada altura. De manera natural, el aire frío asciende en forma continua en la torre. El agua, al penetrar en ella desciende por su propio peso y, en su caída, tropieza con un sistema de rejillas colocadas de tal manera que la pulverizan hasta convertirla en una fina lluvia. Cuando las gotas de agua caen contactan con la corriente de aire frío ascendente, pierden su calor. El agua 36

4 enfriada de esta manera retorna a los condensadores por medio de un circuito cerrado; el proceso de producción continúa eliminado los daños medioambientales. En diversos países se han puesto en marcha proyectos encaminados a aprovechar estos residuos nocivos producidos por la combustión en las centrales termoeléctricas; asimismo, el exceso térmico de estas plantas puede servir para criar determinadas especies marinas, cuyo desarrollo se beneficia del aumento de la temperatura de las aguas en las que se desarrollan. La aplicación de las nuevas tecnologías La gasificación del carbón in situ o el empleo de maquinaria hidráulica de arranque de mineral y de avance continuo son dos de los procedimientos utilizados para optimizar el aprovechamiento del carbón. Con estos sistemas es posible explotar yacimientos de poco espesor o bien aquellos en los que el mineral se encuentra disperso o mezclado en exceso. La gasificación consiste en inyectar oxígeno en el yacimiento para provocar la combustión del carbón. Así se produce un gas aprovechable para generar energía eléctrica gracias a la instalación de centrales eléctricas en la bocamina. El segundo de los procedimientos mencionados se lleva a cabo lanzando potentes chorros de agua contra las vetas de mineral para provocar los denominados barros de carbón que a través de tuberías, son evacuados fuera de la mina. Por otra parte, puede mencionarse también el sistema de combustión de carbón en lecho fluidificado. Según este método, el carbón se quema en un lecho de partículas inertes, por ejemplo caliza, a través del cual se hace pasar una corriente de aire que soporta el peso de las partículas, manteniéndolas en suspensión. Finalmente, cabe citar diversas líneas de investigación con nuevas tecnologías, encaminadas a sustituir el fuel-oil, en un intento de reducir la dependencia respecto del petróleo. 37

5 Diagrama de una central térmica de carbón de ciclo convencional 1. Torre de refrigeración 10. Válvula de control de gases 19. Supercalentador 2. Bomba hidráulica 3. Línea de transmisión (trifásica) 11.Turbina de vapor de alta presión 4. Transformador (trifásico) 13. Calentador 5. Generador eléctrico (trifásico) 20. Ventilador de tiro forzado 12. Desgasificador 21. Recalentador 14. Cinta transportadora de carbón 22. Toma de aire de combustión 23. Economizador 6. Turbina de vapor de baja presión 15. Tolva de carbón 24. Precalentador de aire 7. Bomba de condensación 16. Pulverizador de carbón 25. Precipitador electrostático 8. Condensador de superficie 17. Tambor de vapor 26. Ventilador de tiro inducido 9. Turbina de media presión 18. Tolva de cenizas 27. Chimenea de emision Central térmica de ciclo combinado 38

6 La central térmica de ciclo combinado es aquella donde se genera electricidad mediante la utilización conjunta de dos máquinas generadoras: a) Un turbogrupo de gas b) Un turbogrupo de vapor Es decir, para la transformación de la energía del combustible en electricidad se superponen dos ciclos: a) El ciclo de Brayton (turbina de gas): Toma el aire directamente de la atmósfera y se somete a un calentamiento y compresión para aprovecharlo como energía mecánica o eléctrica. b) El ciclo de Rankine (turbina de vapor): Donde se relaciona el consumo de calor con la producción de trabajo o creación de energía a partir de vapor. Las características principales de las centrales térmicas de ciclo combinado son: Flexibilidad: la central puede operar a plena carga o cargas parciales, hasta un mínimo de aproximadamente el 45% de la carga máxima. Eficiencia elevada: el ciclo combinado proporciona mayor eficiencia por un margen más amplio de potencias. Consideraciones medioambientales: Sus emisiones son más bajas. Coste de inversión bajo por MW instalado, periodos de construcción cortos, menor superficie por MW instalado y bajo consumo de agua de refrigeración. 2. Ventajas del Ciclo Combinado Menor impacto visual y costes menores de inversión. Menores emisiones y ahorro energético en forma de combustible. Mayor rendimiento de la planta y flexibilidad en la operación. Mayor eficacia para una amplia categoría de potencias. 39

7 Partes fundamentales de una central de ciclo combinado Para entender el funcionamiento de una Central Térmica de Ciclo Combinado, que se explicará en el siguiente punto, hay que conocer primero las partes que la forman: Turbina de gas: consta de compresor, cámara de combustión y la propia turbina. Compresor: generalmente es un compresor por etapas y su función es inyectar el aire a presión por la combustión del gas y la refrigeración de las zonas calientes. Cámara de combustión: en este punto de la instalación es donde se mezclan el gas natural con el aire a presión y se produce la combustión. Turbina de gas: en ella se produce la expansión de gases que provienen de la cámara de combustión. Consta de tres o cuatro etapas de expansión y la temperatura de los gases en la entrada está alrededor de 1.400º C saliendo de la turbina a temperaturas superiores a los 600º C. Caldera de recuperación: en esta caldera convencional el calor de los gases que provienen de la turbina de gas se aprovechan en un ciclo de agua-vapor. Turbina de vapor: esta turbina acostumbra a ser de tres cuerpos y está basada en la tecnología convencional. Es muy habitual que la turbina de gas y la turbina de vapor se encuentren acopladas a un mismo eje de manera que accionan un mismo generador eléctrico. Funcionamiento de una central de ciclo combinado En primer lugar, el aire es comprimido a alta presión en el compresor, después pasa a la cámara de combustión donde se mezcla con el combustible. A continuación, los gases de combustión pasan por la turbina de gas donde se expansionan y su energía calorífica se transforma en energía mecánica transmitiéndolo al eje de la turbina. Los gases que salen de la turbina de gas se llevan a una caldera de recuperación de calor para producir vapor, a partir de este momento tenemos un ciclo agua-vapor convencional explicado en el apartado de centrales térmicas 40

8 convencionales. A la salida de la turbina el vapor se condensa (trasformándose nuevamente en agua) y vuelve a la caldera para empezar un nuevo ciclo de producción de vapor. Actualmente la tendencia es acoplar la turbina de gas y la turbina de vapor a un mismo eje de manera que accionan conjuntamente un mismo generador eléctrico. Impactos medioambientales de les centrales de ciclo combinado La utilización de gas natural para la generación de electricidad mediante la tecnología del ciclo combinado se encuentra dentro de la política medioambiental de un gran número de países, ya que ofrece un gran número de ventajas en comparación con el resto de tecnologías de producción eléctrica. En concreto, las emisiones de CO 2 en relación a los KWh producidos son menos de la mitad de las emisiones de una central convencional de carbón. Que es la biomasa? La palabra biomasa describe los materiales provenientes de seres vivos animales o vegetales. Es decir, toda la materia orgánica (materia viva) procedente del reino animal y vegetal. Toda esta materia se convierte en energía si le aplicamos procesamientos químicos. La biomasa era la fuente energética más importante para la humanidad hasta el inicio de la revolución industrial, pero su uso fue disminuyendo al ser sustituido por el uso masivo de combustibles fósiles. Actualmente el mundo de la biomasa está repartido de forma muy desigual. Mientras que en los países desarrollados es la energía renovable la más utilizada y conocida, a muchos países en vías de desarrollo es la principal fuente de energía la biomasa y cada vez mejor. Eso también ha hecho que las industrias utilicen la biomasa en vez de los combustibles fósiles que son contaminantes. La energía de la biomasa proviene en última instancia del Sol. Los vegetales absorben y almacenan una parte de la energía solar que llega a la tierra, llega también a los animales en forma de alimento y energía. Cuando la materia orgánica almacena 41

9 la energía solar, también crea subproductos que no sirven para los animales ni para fabricar alimentos pero si para hacer energía de ellos. Tipos de biomasa La biomasa se puede clasificar en tres grandes grupos: Biomasa natural: es la que se produce a la naturaleza sin la intervención humana. Biomasa residual: son los residuos orgánicos que provienen de las actividades de las personas. Por ejemplo, restos del trabajo del campo, de los albañiles cuando transforman la madera o de las ciudades (residuos sólidos urbanos (RSU). Biomasa producida: son los cultivos energéticos, es decir, campos de cultivo donde se ha un tipo de especie con la único finalidad de su aprovechamiento energético. Conversión de la biomasa en energía Existen diferentes formas para transformar la biomasa en energía que se pueda aprovechar, pero hay dos de ella que hoy en día se utilizan más: métodos termoquímicos y bioquímicos. Métodos termoquímicos 42

10 Es la manera de utilizar el calor para transformar la biomasa. Los materiales que funcionan mejor son los de menor humedad (madera, paja, cáscaras, etc.). Se utilizan para: Combustión: existe cuando quemamos la biomasa con mucho aire (20-40% superior al teórico) a una temperatura entre 600 y 1.300ºC. Es el modo más básico para recuperar la energía de la biomasa, de donde salen gases calientes para producir calor y poderla utilizar en casa, en la industria y para producir electricidad. Pirolisis: se trata de descomponer la biomasa utilizando el calor (a unos 500ºC) sin oxígeno. A través de este proceso se obtienen gases formados por hidrógeno, óxidos de carbono e hidrocarburos, líquidos hidrocarbonatos y residuos sólidos carbonosos. Este proceso se utilizaba hace ya años para hacer carbón vegetal. Gasificación: existen cuando hacemos combustión y se producen diferentes elementos químicos: monóxido de carbono (CO), dióxido de carbono (CO 2 ), hidrógeno (H 2 ) y metano (CH 4 ), en cantidades diferentes. La temperatura de la gasificación puede estar entre 700 y 1.500ºC y el oxígeno entre un 10 y un 50%. Según se utilice aire u oxígeno, se crean dos procedimientos de gasificación distintos. Por un lado, el gasógeno o gas pobre y por otro el gas de síntesis. La importancia de éste es que puede transformar en combustibles líquidos (metanol y gasolinas), por eso se están haciendo grandes esfuerzo que tienden a mejorar el proceso de gasificación con oxigeno. Co-combustión: consiste en la utilización de la biomasa como combustible de ayuda mientras se realiza la combustión de carbón en las calderas. Con este proceso se reduce el consumo de carbón y se reducen las emisiones de CO 2. Métodos bioquímicos Se llevan a cabo utilizando diferentes microorganismos que degradan las moléculas. Se utilizan para biomasa de alto contenido en humedad. Los más corrientes son: Fermentación alcohólica: técnica que consiste en la fermentación de hidratos de carboneo que están en las plantas y en la que se consigue un alcohol (etanol) que se puede utilizar para la industria: disolventes y combustibles. Fermentación metánica: es la digestión anaerobia (sin oxigeno) de la biomasa, donde la materia orgánica se descompone (fermenta) y se crea el biogás. Sistemas de aprovechamiento de la biomasa 43

11 Si a la gran variedad de biomasa existente aplicamos distintas tecnologías podemos transformar esta energía para usarla en: Producción de energía térmica: son sistemas de combustión directa. Se utilizan para dar calor, que se puede utilizar directamente, como por ejemplo, para cocer alimentos o para secar productos agrícolas. También se pueden aprovechar para hacer vapor para la industria o para generar electricidad. El peligro sin embargo, es la contaminación. Producción de biogás: la finalidad es conseguir combustible, principalmente el metano, muy útil para aplicaciones térmicas para el sector ganadero u agrícola, subministrando luz y calor. Endesa tiene una planta de producción de biogás en el municipio de Garraf (Barcelona). Producción de biocombustibles: son una alternativa a los combustibles tradicionales del transporte y tienen un grado de desarrollo desigual en los diferentes países. Existen dos tipos de biocombustibles: bioetanol y biodiesel. Bioetanol: substituye la gasolina. En el caso del etanol, y en cuanto a la producción de materia prima, actualmente se obtiene de cultivos tradicionales como el cereal, el maíz y la remolacha. Biodiesel: Su principal aplicación va dirigida a la substitución del gasoil. En un futuro servirá para variedades orientadas a favorecer las calidades de producción de energía. Producción de energía eléctrica: la electricidad se puede producir par combustión o gasificación y se pueden obtener potencias de hasta 50 MW. O por gasificación. 44

12 Qué es una central de biomasa? Es una instalación industrial diseñada para generar energía eléctrica a partir de recursos biológicos. Estos recursos biológicos utilizados como combustibles son la leña, desechos orgánicos, excrementos de animales, celulosa y una inmensa cantidad de materiales orgánicos. Esta es una central que utiliza fuentes renovables para la producción de energía eléctrica. Funcionamiento de una central de biomasa de generación eléctrica Una central de biomasa se ocupa de obtener energía eléctrica mediante los distintos procesos de transformación de la materia orgánica. En primer lugar, el combustible principal de la instalación y los residuos forestales se almacenan en la central. Allí se los trata para reducir su tamaño, si fuera necesario. A continuación, pasa a un edificio de preparación del combustible, donde se clasifica en función de su tamaño y finalmente se llevan a los correspondientes almacenes. A continuación son conducidos a la caldera para su combustión, eso hace que el agua de las tuberías de la caldera se convierta en vapor debido al calor. El agua que circula por las tuberías de la caldera proviene del tanque de alimentación: donde se precalienta mediante el intercambio de calor con los gases de combustión aún más lentos que salen de la propia caldera. Del mismo modo que se hace en otras centrales térmicas convencionales, el vapor generado a la caldera va hacia la turbina de vapor que está unida al generador eléctrico (donde se produce la energía eléctrica que se transportará a través de las líneas correspondientes). El vapor de agua se convierte en líquido al condensador, y desde aquí es nuevamente enviado al tanque de alimentación cerrándose así el circuito principal agua-vapor de la central. Impacto ambiental de una central de biomasa Esta es la única fuente de energía que aporta un balance de CO 2 favorable, siempre y cuando la obtención de la biomasa se realice de una forma renovable y sostenible de manera que el consumo del recurso se haga más lentamente que la capacidad de la Tierra para regenerarse. De esta manera la materia orgánica es capaz de retener durante su crecimiento más CO 2 del que libera en su combustión, sin incrementar la concentración de CO 2. 45

13 Aunque el potencial energético existente en el planeta sería suficiente para cubrir todas las necesidades energéticas, esta no se puede utilizar en su totalidad, ya que exigiría el aprovechamiento a gran escala de los recursos forestales. Esto haría imposible mantener el consumo por debajo de la capacidad de regeneración, lo cual reduciría muy considerablemente la energía neta resultante y conduciría a un agotamiento de dichos recursos a la vez que daría lugar a efectos medioambientales negativos. Los efectos producidos serian tales como la deforestación y el aumento notable de las emisiones de CO 2, lo que implicaría una contribución al cambio climático. La emisión de residuos a la atmósfera y los propios procesos de combustión que se producen en las centrales térmicas tienen una incidencia importante sobre el medio ambiente. Para tratar de paliar, en la medida de lo posible, los daños que estas plantas provocan en el entorno natural, se incorporan a las instalaciones diversos elementos y sistemas. El problema de la contaminación es máximo en el caso de las centrales termoeléctricas convencionales que utilizan como combustible carbón. Además, la combustión del carbón tiene como consecuencia la emisión de partículas y ácidos de azufre que contaminan en gran medida la atmósfera. En las de fuel-oil los niveles de emisión de estos contaminantes son menores, aunque ha de tenerse en cuenta la emisión de óxidos de azufre y hollines ácidos, prácticamente nulos en las plantas de gas. Bibliografía: Tecnologías de generación eléctrica Gilberto Enriquez Harper Autor-Editor, 2009 Fuentes de energía José Roldan Viloria Ed. Paraninfo, S. A.,