El problema de la energía.Capítulo 2. Centrales Térmicas Convencionales

Supongo que usted ya sabe que cuando respira emite CO2 a la atmosfera, Tal vez en breve tengamos que pagar un impuesto medioambiental por ello…. (espero no estar dando ideas a nadie).

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Siento bromear al respecto, especialmente si se considera la enorme preocupación que suscita el cambio climático, y los gases de efecto invernadero. Ha quedado demostrado que estamos jugando con fuego, y que el CO2 es uno de los grandes responsables de los problemas ambientales.

Tanto es así que la medida de reducción de emisiones de CO2 en cualquier proceso de consumo de energía, es el estándar oficial para valorar cuando algo es limpio o no.

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El ciclo  de consumo-generación de CO2 más simple es puramente natural. Las plantas, con ayuda de la radiación solar y mediante la fotosíntesis “capturan” CO2 de la atmósfera. Este gas es después liberado cuando las mismas son consumidas por los animales, cuando se queman en un incendio, o simplemente cuando mueren y se descomponen lentamente. Nosotros hemos alterado ese ciclo natural liberando grandes cantidades de CO2, mediante la combustión de los combustibles fósiles (en su origen, plantas o animales muertos), reduciendo la superficie forestal del planeta, y respirando…

Como sabemos, una combustión no es mas que una reacción química de oxidación (requiere oxigeno y genera, entre otros, CO2).Este es el punto “sucio” de las centrales térmicas convencionales, el proceso de combustión y la consiguiente emisión a la atmosfera de subproductos de combustión (NOx, partículas y sobre todo CO2).No soy experto medioambiental pero está claro que la generación de CO2 resulta de todo punto indeseable.

Nuevamente la tecnología avanza y se logra capturar la mayor parte de subproductos contaminantes antes de su expulsión por las grandes chimeneas, no así el CO2 dado que la tecnología de captura de este gas está todavía en fases de desarrollo muy tempranos. No se puede evitar, quemar cosas supone generar CO2.

En algunos casos, sin embargo, no hacemos otra cosa que acelerar los ciclos naturales, aunque sin alterar el balance neto; por ejemplo, el biogás generado por la descomposición de basuras orgánicas, simplemente irá a parar a la atmosfera y recordemos que presenta grandes concentraciones de metano (CH4), también considerado gas de efecto invernadero. Mediante su captura y aprovechamiento energético, solo lo sustituimos por CO2. Cierto que la digestión de residuos es considerablemente mas lenta, pero el balance global del proceso no se altera.

Es el mismo concepto que se emplea en el uso del biodiesel o la biomasa (restos de actividades agrícolas no aprovechables o cultivos vegetales producidos al efecto). Se considera que el CO2 liberado durante su combustión, es el mismo que se capturó previamente a la atmosfera durante su vida.

Tal vez, usted no sepa que el 87 % de la energía eléctrica que consume en su vivienda, negocio o industria, procede de centrales térmicas convencionales. Es decir, las que consumen fuel, carbón o gas. La calidad de producción es muy elevada, con regímenes de funcionamiento muy altos y gran fiabilidad y también lo es el volumen de producción.

 La tecnología básica de aprovechamiento (ciclos de turbina de vapor, turbina de gas, o combinados) es similar a la empleada en las centrales nucleares (turbina de vapor) con la única excepción de sustituir el núcleo de generación de vapor (reactor nuclear en el segundo caso, frente a calderas en el primero).

El funcionamiento básico es el siguiente:

El combustible o fuente de energía primaria se somete a un proceso de combustión en el interior de calderas. Se puede quemar casi cualquier materia de origen orgánico (con presencia de carbono), desde los combustibles fósiles tradicionales, de mayor poder calorífico, pasando por biomasa (madera, o residuos vegetales para hablar claro), biogás (resultado de la digestión anaerobia de basuras o purines) hasta residuos solidos urbanos (incineradoras de los grandes vertederos).

Los combustibles pueden ser solidos, líquidos o gaseosos. Incluso el carbón puede someterse a un proceso de gasificación con el fin de lograr materia prima más eficiente en el proceso de combustión.

El calor generado se utiliza para generar vapor a partir de un circuito de agua. El vapor, a unas determinadas condiciones de presión y temperatura, es conducido hasta una turbina (esencialmente un eje giratorio al que se añade un conjunto de álabes), donde la entalpia del vapor se trasfiere a la turbina (conversión de energía química o térmica en mecánica). Ese mismo eje lleva acoplado un alternador que, en su movimiento, excita los devanados y genera electricidad (conversión de energía mecánica en eléctrica).

En las turbinas de gas el proceso es algo diferente. Se introduce una mezcla de aire comprimido y combustible (al igual que en cualquier motor térmico) en una cámara de combustión. El proceso genera gases de escape a alta presión que se introducen en la turbina. Así, es la energía cinética de los mismos la que impulsa los álabes y el eje de la turbina.

Como vemos, el funcionamiento básico de las turbinas de gas es similar al de las turbinas hidráulicas (donde el movimiento del eje se logra con un caudal de agua a determinadas condiciones de velocidad y altura de presión)  e incluso al de los MCI, aunque en estos últimos la transferencia de energía mecánica es diferente.

El ultimo y mas eficiente proceso de aprovechamiento de las centrales térmicas es en realidad una combinación “ciclo combinado” de turbina de gas y vapor.

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Tal y como hemos descrito, las turbinas de gas aprovechan la energía de los gases de escape de combustión para su trasformación en electricidad. Una vez extraida gran parte de la energia de los cases, los mismos se reutilizan para generar vapor en una caldera de recuperación que, finalmente, se introduce en la turbina de vapor. Se han desarrollado incluso ciclos combinados motor de combustión interna-turbina de gas siguiendo un principio invertido.

Para aplicaciones de potencias inferiores, se suelen emplear también los motores de combustión interna (MCI), del tipo “encendido provocado”. Aunque se trata de soluciones mucho mas limitadas a rangos de hasta unos cuantos megavatios de potencia, a partir de las cuales dejan de ser económicamente competitivos frente a las turbinas.

En ese caso la técnica es mucho mas simple y se llevan a cabo solo 2 transformaciones de energía; energía química a mecánica (el motor que acciona un cigüeñal), mecánica a eléctrica (alternador acoplado al mismo eje).

En general, los rendimientos medios de proceso se pueden caracterizar como sigue:

-Motores térmicos: en torno al 35  %

-Ciclo turbina de vapor: 35-40%

-Ciclo turbina de gas: 35 %

-Ciclo combinado: 55-60%.

Se trata de una medida del grado de aprovechamiento de la energía disponible en el combustible. Es decir, en el mejor de los casos (sistemas de ciclo combinado), cabria esperar la obtención de 60 kW eléctricos por cada 100 kW disponibles en el combustible utilizado, en términos de potencia. Las centrales nucleares, por su parte, y según la caracterización de rendimientos expuesta (Ciclo turbina de vapor), realmente solo obtienen 1 GW de potencia eléctrica por cada 3 GW liberados en el interior del reactor durante la fisión.

Diag0A priori, parecen rendimientos bastante pobres. Como media “desaprovechamos” alrededor de 2 tercios de la energía que consumimos en las centrales. Entonces, ¿Dónde va a parar la energía no aprovechada? En su mayor parte se trata de perdidas de calor liberado  a la atmosfera a través de las propias calderas, circuitos de vapor o gases o caudales de fluidos cuyas condiciones de temperatura y presión (energía), después de su paso por las turbinas, son demasiado pobres para ser aprovechados y se condensan en torres de refrigeración (caso de los ciclos de vapor) o se expulsan directamente a la atmosfera (turbina de gas y MCI).

En realidad, es tecnológicamente poco eficiente (si obviamos los ciclos combinados), obtener energía eléctrica a partir de combustibles fósiles o reacciones nucleares. Es solo que, como ya hemos mencionado en otros artículos, es la única forma de generar grandes volúmenes de energía apta para su consumo en las ciudades y con niveles de productividad (energia generada por KW de potencia instalada) muy elevados. De forma comparativa, un captador solar fotovoltaico, tiene un rendimiento en el proceso de transformación de la radiación solar en electricidad del 20%.

La generación de calor a partir de electricidad (termos eléctricos, hornos de inducción, estufas, calefactores, etc…) es también  un despropósito energético si consideramos que, por cada kWh de energía eléctrica consumida en ese proceso, se ha malgastado previamente otros 2 kWh de calor en las centrales, evacuado a la atmosfera sin ninguna utilidad. En otras palabras 1 kWh de calor obtenido por este medio, ha supuesto un consumo de más de 3 kWh de combustibles.

Una simple caldera o calentador de gas de vivienda, solo consume algo más de 1 kWh de energía del combustible para generar 1 kWh de calor.

Resulta también evidente que se existiera una demanda de calor importante, (calefacción, ACS, procesos industriales, etc…) en las proximidades de la central, gran parte de esos 2 tercios de energía desaprovechada podrían ser recuperados y utilizados. En los países de clima frio es frecuente la disposición de redes urbanas de calor, cuyo origen se sitúa en las propias centrales termoeléctricas. Veremos también como los sistemas de generación “distribuidos” o de cogeneración basan su conveniencia en este aspecto y logran rendimientos globales de hasta el 90% en el proceso de aprovechamiento energético.

En la actualidad, se investiga en la mejora de turbinas y el desarrollo de motores de combustión internos más eficientes, y es probable que se logren mejores resultados en cuanto a eficiencia o aprovechamiento. Es cuestión de tiempo y de i+D.

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En el caso de las calderas, por ejemplo, el desarrollo de sistemas de baja temperatura empieza a ser la solución habitual de mercado, con rendimientos entre el 95-98% en el proceso de conversiones uso de postcombustión en MCI así mismo mejora ligeramente la eficiencia.

El uso de fuel como combustible de las centrales térmicas es cada vez menor y se generaliza el empleo de gas, mucho mas limpio desde el punto de vista medioambiental y más fácil de transportar si se dispone de una red de gaseoductos.

En resumen, con CO2 o sin el, y en un escenario a corto-medio plazo sin centrales nucleares en España, las térmicas convencionales ocupan el principal y mas fiable, segmento de generación de grandes potencias para electricidad, y en una versión mas modesta, también para los transportes.

Hasta el desarrollo de sistemas de captura de CO2, no son las mas adecuadas si se pretende el cumplimiento de los objetivos del protocolo de Kyoto y reducción de gases contaminantes, y tampoco si se aceptan las previsiones de duración de fuentes de energía convencionales (de 40 a 100 años según el combustible).

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