Centrals elèctriques de cicle combinat i IGCC

2001/05/01 Astobiza, Amaia Iturria: Elhuyar aldizkaria

• Energia

En les centrals tèrmiques convencionals s'utilitzen turbines de vapor per a produir energia elèctrica. En les centrals de cicle combinat, en canvi, la turbina de vapor es combina amb la turbina de gas. En totes dues instal·lacions, els combustibles més utilitzats són l'hulla, els olis pesats i el gas natural. A més es poden utilitzar residus urbans i vegetals, fuel, gasoil, biogàs, etc.

En les centrals de cicle combinat, el combustible es crema i amb el gas produït s'acciona la turbina de gas. Aquesta turbina de gas, al seu torn, actua sobre el generador i s'obté electricitat. Però el procés no acaba aquí. S'utilitza per a recuperar la calor dels gasos de fuita de la turbina de gas i evaporar l'aigua. A continuació, el vapor d'aigua afecta a la turbina de vapor, que actua sobre el generador i finalment es produeix electricitat. Per tant, l'electricitat s'obté en dos punts.

Després de la separació entre les centrals tèrmiques convencionals i les elèctriques de cicle combinat, la pregunta ve de per si mateix, quin avantatge té la segona sobre l'anterior? Les centrals tèrmiques tenen una gran limitació tecnològica, ja que el rendiment de les instal·lacions actuals no pot superar el 42%. Per contra, quan la caldera convencional se substitueix per un conjunt de turbines de gas i calderes de recuperació, el rendiment tèrmic de tota la instal·lació i la potència elèctrica generada augmenten.

Per a una millor comprensió de la instal·lació de cicle combinat utilitzarem la imatge lateral. En aquest esquema es mostra una caldera a una pressió i una turbina de vapor de condensació. Aquest és el cicle més senzill que s'utilitza en les centrals de cicle combinat.

La turbina que es mostra en la imatge consumeix gas natural, però també hi ha combustible líquid i hulla preparada per a cremar. No obstant això, la turbina de gas és la més útil de totes, ja que té una distribució d'energia per cada 100 unitats de combustible captat: generació d'energia elèctrica (entre un 25 i un 35% del total), gasos de sortida a alta temperatura (entre un 55 i un 75% del total) i certes pèrdues per radiació tèrmica, refrigeració de l'oli lubrificant, etc.

Com ja s'ha indicat, el gas cremat en el cremador i produït afecta a la turbina de gas. A continuació, el gas de sortida s'utilitza com a font de calor per a l'evaporació de l'aigua. La temperatura dels gasos de sortida oscil·la entre 440 i 550 °C. Per a poder recuperar aquesta energia calorífica, els gasos s'introdueixen en la caldera de recuperació. La caldera de recuperació és un bescanviador de calor. En ella els gasos subministren la seva energia calorífica a l'aigua d'alimentació, la qual cosa permet l'evaporació de l'aigua.

L'estructura d'aquest bescanviador de calor intermèdia és la mateixa que la de les calderes convencionals. Els components principals són l'economitzador, els tubs d'evaporació i el recalentador. En l'economitzador, l'aigua d'alimentació s'escalfa gairebé fins a aconseguir la temperatura d'evaporació. A continuació, els tubs d'evaporació reben l'aigua del dipòsit de vapor, es genera el vapor saturat i s'introdueix de nou en el magatzem. Finalment es genera el vapor sobreescalfat que s'envia a la turbina en el recalentador.

De la caldera s'extreuen, per tant, gas i vapor sobreescalfat. El gas surt per la xemeneia, perdent-se la major part de l'energia calorífica. El vapor entra en la turbina de vapor. El vapor d'alta pressió i temperatura s'expandeix fins a una pressió inferior a l'atmosfèrica i afecta als braços de la turbina. Finalment, la turbina actua sobre el generador i l'energia mecànica es transforma en energia elèctrica.

El vapor que sali de la turbina es troba a molt baixa pressió i temperatura a causa de l'esgotament de la seva energia durant l'expansió. No obstant això, segueix en estat de vapor. Atès que el circuit d'aigua de la central és de cicle tancat, és necessari que el vapor torni a ser aigua per a poder entrar en la bomba d'aigua d'alimentació de la caldera. Per a això, el vapor s'introdueix en el condensador de la central. El condensador és un gran bescanviador de calor. Allí el vapor es refreda i es liquida. La calor despresa durant aquest procés se cedeix al cabal de refrigeració exterior. Com a fluid de refrigeració s'utilitza aigua de riu, llac o mar. Quan la central està lluny de fonts d'aigua, per contra, s'utilitza aire per a refredar el condensador. En aquests casos és necessari construir torres de refrigeració. Les estructures similars a les xemeneies de formigó són àmplies i augmenten el cost de la central.

El paràmetre que ens indica l'eficiència del cicle combinat és el rendiment elèctric global del cicle, és a dir, el paràmetre que considera el cicle en el seu conjunt. El consum de combustible es realitza únicament en la turbina de gas (Q) i l'electricitat es genera en dos punts: en la turbina de gas (E) i en la turbina de vapor (ELT). Per tant, el rendiment del cicle és:

h = Cicle/Qciclo ₌ (E+MST)/Q

El rendiment pot rondar el 50-65% (recordi's que el de la central tèrmica convencional oscil·la entre el 37% i el 42%). Com es veu, la diferència entre tots dos és evident. No obstant això, cal tenir en compte que el cicle combinat requereix una major inversió.

Però el cicle combinat descrit té dues limitacions. D'una banda, el cabal de vapor que es pot generar mitjançant la recuperació de la calor dels gasos de sortida de la turbina de gas és menor que el que necessita la turbina de vapor. D'altra banda, la temperatura del vapor sobreescalfat és molt alta i la diferència entre la temperatura de sortida dels gasos de la turbina de gas i la temperatura del vapor no és suficient perquè l'intercanvi de calor es produeixi de manera satisfactòria.

Per a millorar el rendiment de la central s'utilitza la postcombustió i els motors de combustió periòdics. La postcombustió es realitza mitjançant la col·locació d'un cremador a l'entrada de la caldera de recuperació, en el punt d'abocament dels gasos procedents de la turbina de gas, per a augmentar la temperatura dels gasos i generar més vapor. D'altra banda, la substitució de les turbines de gas per motors de combustió periòdics incrementa el rendiment de la central entre un 34 i un 42%.

IGCC: cicle combinat de gasificació integrada

Aquesta tecnologia neta utilitza una mescla de gas, producte de la gasificació del combustible fòssil, per a alimentar el cicle combinat de turbines de gas i vapor. Els combustibles més utilitzats són les fraccions pesades (fuels) procedents del refinament d'hulla i petroli. El rendiment d'aquesta tecnologia és molt elevat, entorn del 42%. A més, les emissions de contaminants a l'atmosfera es redueixen considerablement, aconseguint el 99% del sofre de l'hulla i el 90% dels compostos de nitrogen dels gasos de fuita i el 35% del diòxid de carboni.