Centrales eléctricas de ciclo combinado e IGCC

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

• Energia

En las centrales térmicas convencionales se utilizan turbinas de vapor para producir energía eléctrica. En las centrales de ciclo combinado, en cambio, la turbina de vapor se combina con la turbina de gas. En ambas instalaciones, los combustibles más utilizados son la hulla, los aceites pesados y el gas natural. Además se pueden utilizar residuos urbanos y vegetales, fuel oil, gasoil, biogás, etc.

En las centrales de ciclo combinado, el combustible se quema y con el gas producido se acciona la turbina de gas. Esta turbina de gas, a su vez, actúa sobre el generador y se obtiene electricidad. Pero el proceso no termina ahí. Se utiliza para recuperar el calor de los gases de escape de la turbina de gas y evaporar el agua. A continuación, el vapor de agua afecta a la turbina de vapor, que actúa sobre el generador y finalmente se produce electricidad. Por tanto, la electricidad se obtiene en dos puntos.

Tras la separación entre las centrales térmicas convencionales y las eléctricas de ciclo combinado, la pregunta viene de por sí, ¿qué ventaja tiene la segunda sobre la anterior? Las centrales térmicas tienen una gran limitación tecnológica, ya que el rendimiento de las instalaciones actuales no puede superar el 42%. Por el contrario, cuando la caldera convencional se sustituye por un conjunto de turbinas de gas y calderas de recuperación, el rendimiento térmico de toda la instalación y la potencia eléctrica generada aumentan.

Para una mejor comprensión de la instalación de ciclo combinado utilizaremos la imagen lateral. En este esquema se muestra una caldera a una presión y una turbina de vapor de condensación. Este es el ciclo más sencillo que se utiliza en las centrales de ciclo combinado.

La turbina que se muestra en la imagen consume gas natural, pero también hay combustible líquido y hulla preparada para quemar. Sin embargo, la turbina de gas es la más útil de todas, ya que tiene una distribución de energía por cada 100 unidades de combustible captado: generación de energía eléctrica (entre un 25 y un 35% del total), gases de salida a alta temperatura (entre un 55 y un 75% del total) y ciertas pérdidas por radiación térmica, refrigeración del aceite lubricante, etc.

Como ya se ha indicado, el gas quemado en el quemador y producido afecta a la turbina de gas. A continuación, el gas de salida se utiliza como fuente de calor para la evaporación del agua. La temperatura de los gases de salida oscila entre 440 y 550 ºC. Para poder recuperar esta energía calorífica, los gases se introducen en la caldera de recuperación. La caldera de recuperación es un intercambiador de calor. En ella los gases suministran su energía calorífica al agua de alimentación, lo que permite la evaporación del agua.

La estructura de este intercambiador de calor intermedio es la misma que la de las calderas convencionales. Los componentes principales son el economizador, los tubos de evaporación y el recalentador. En el economizador, el agua de alimentación se calienta casi hasta alcanzar la temperatura de evaporación. A continuación, los tubos de evaporación reciben el agua del depósito de vapor, se genera el vapor saturado y se introduce de nuevo en el almacén. Finalmente se genera el vapor sobrecalentado que se envía a la turbina en el recalentador.

De la caldera se extraen, por tanto, gas y vapor sobrecalentado. El gas sale por la chimenea, perdiéndose la mayor parte de la energía calorífica. El vapor entra en la turbina de vapor. El vapor de alta presión y temperatura se expande hasta una presión inferior a la atmosférica y afecta a los brazos de la turbina. Finalmente, la turbina actúa sobre el generador y la energía mecánica se transforma en energía eléctrica.

El vapor que sale de la turbina se encuentra a muy baja presión y temperatura debido al agotamiento de su energía durante la expansión. Sin embargo, sigue en estado de vapor. Dado que el circuito de agua de la central es de ciclo cerrado, es necesario que el vapor vuelva a ser agua para poder entrar en la bomba de agua de alimentación de la caldera. Para ello, el vapor se introduce en el condensador de la central. El condensador es un gran intercambiador de calor. Allí el vapor se enfría y se liquida. El calor desprendido durante este proceso se cede al caudal de refrigeración exterior. Como fluido de refrigeración se utiliza agua de río, lago o mar. Cuando la central está lejos de fuentes de agua, por el contrario, se utiliza aire para enfriar el condensador. En estos casos es necesario construir torres de refrigeración. Las estructuras similares a las chimeneas de hormigón son amplias y aumentan el coste de la central.

El parámetro que nos indica la eficiencia del ciclo combinado es el rendimiento eléctrico global del ciclo, es decir, el parámetro que considera el ciclo en su conjunto. El consumo de combustible se realiza únicamente en la turbina de gas (Q) y la electricidad se genera en dos puntos: en la turbina de gas (E) y en la turbina de vapor (ELT). Por tanto, el rendimiento del ciclo es:

h = Ciclo/Qciclo ₌ (E+MST)/Q

El rendimiento puede rondar el 50-65% (recuérdese que el de la central térmica convencional oscila entre el 37% y el 42%). Como se ve, la diferencia entre ambos es evidente. Sin embargo, hay que tener en cuenta que el ciclo combinado requiere una mayor inversión.

Pero el ciclo combinado descrito tiene dos limitaciones. Por un lado, el caudal de vapor que se puede generar mediante la recuperación del calor de los gases de salida de la turbina de gas es menor que el que necesita la turbina de vapor. Por otra parte, la temperatura del vapor sobrecalentado es muy alta y la diferencia entre la temperatura de salida de los gases de la turbina de gas y la temperatura del vapor no es suficiente para que el intercambio de calor se produzca de forma satisfactoria.

Para mejorar el rendimiento de la central se utiliza la postcombustión y los motores de combustión periódicos. La postcombustión se realiza mediante la colocación de un quemador a la entrada de la caldera de recuperación, en el punto de vertido de los gases procedentes de la turbina de gas, para aumentar la temperatura de los gases y generar más vapor. Por otra parte, la sustitución de las turbinas de gas por motores de combustión periódicos incrementa el rendimiento de la central entre un 34 y un 42%.

IGCC: ciclo combinado de gasificación integrada

Esta tecnología limpia utiliza una mezcla de gas, producto de la gasificación del combustible fósil, para alimentar el ciclo combinado de turbinas de gas y vapor. Los combustibles más utilizados son las fracciones pesadas (fuelóleos) procedentes del refino de hulla y petróleo. El rendimiento de esta tecnología es muy elevado, en torno al 42%. Además, las emisiones de contaminantes a la atmósfera se reducen considerablemente, alcanzando el 99% del azufre de la hulla y el 90% de los compuestos de nitrógeno de los gases de escape y el 35% del dióxido de carbono.