Centrais eléctricas de ciclo combinado e IGCC

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

• Energia

Nas centrais térmicas convencionais utilízanse turbinas de vapor paira producir enerxía eléctrica. Nas centrais de ciclo combinado, en cambio, a turbina de vapor combínase coa turbina de gas. En ambas as instalacións, os combustibles máis utilizados son a hulla, os aceites pesados e o gas natural. Ademais pódense utilizar residuos urbanos e vexetais, fuel oil, gasoil, biogás, etc.

Nas centrais de ciclo combinado, o combustible quéimase e co gas producido acciónase a turbina de gas. Esta turbina de gas, á súa vez, actúa sobre o xerador e obtense electricidade. Pero o proceso non termina aí. Utilízase paira recuperar a calor dos gases de escape da turbina de gas e evaporar a auga. A continuación, o vapor de auga afecta á turbina de vapor, que actúa sobre o xerador e finalmente prodúcese electricidade. Por tanto, a electricidade obtense en dous puntos.

Tras a separación entre as centrais térmicas convencionais e as eléctricas de ciclo combinado, a pregunta vén de seu, que vantaxe ten a segunda sobre a anterior? As centrais térmicas teñen una gran limitación tecnolóxica, xa que o rendemento das instalacións actuais non pode superar o 42%. Pola contra, cando a caldeira convencional substitúese por un conxunto de turbinas de gas e caldeiras de recuperación, o rendemento térmico de toda a instalación e a potencia eléctrica xerada aumentan.

Paira una mellor comprensión da instalación de ciclo combinado utilizaremos a imaxe lateral. Neste esquema móstrase una caldeira a unha presión e una turbina de vapor de condensación. Este é o ciclo máis sinxelo que se utiliza nas centrais de ciclo combinado.

A turbina que se mostra na imaxe consome gas natural, pero tamén hai combustible líquido e hulla preparada paira queimar. Con todo, a turbina de gas é a máis útil de todas, xa que ten una distribución de enerxía por cada 100 unidades de combustible captado: xeración de enerxía eléctrica (entre un 25 e un 35% do total), gases de saída a alta temperatura (entre un 55 e un 75% do total) e certas perdas por radiación térmica, refrixeración do aceite lubricante, etc.

Como xa se indicou, o gas queimado no quemador e producido afecta á turbina de gas. A continuación, o gas de saída utilízase como fonte de calor paira a evaporación da auga. A temperatura dos gases de saída oscila entre 440 e 550 ºC. Paira poder recuperar esta enerxía calorífica, os gases introdúcense na caldeira de recuperación. A caldeira de recuperación é un intercambiador de calor. Nela os gases fornecen a súa enerxía calorífica á auga de alimentación, o que permite a evaporación da auga.

A estrutura deste intercambiador de calor intermedia é a mesma que a das caldeiras convencionais. Os compoñentes principais son o economizador, os tubos de evaporación e o recalentador. No economizador, a auga de alimentación quéntase case até alcanzar a temperatura de evaporación. A continuación, os tubos de evaporación reciben a auga do depósito de vapor, xérase o vapor saturado e introdúcese de novo no almacén. Finalmente xérase o vapor sobrecalentado que se envía á turbina no recalentador.

Da caldeira extráense, por tanto, gas e vapor sobrecalentado. O gas salgue pola cheminea, perdéndose a maior parte da enerxía calorífica. O vapor entra na turbina de vapor. O vapor de alta presión e temperatura expándese até unha presión inferior á atmosférica e afecta os brazos da turbina. Finalmente, a turbina actúa sobre o xerador e a enerxía mecánica transfórmase en enerxía eléctrica.

O vapor que salgue da turbina atópase a moi baixa presión e temperatura debido ao esgotamento da súa enerxía durante a expansión. Con todo, segue en estado de vapor. Dado que o circuíto de auga da central é de ciclo pechado, é necesario que o vapor volva ser auga paira poder entrar na bomba de auga de alimentación da caldeira. Paira iso, o vapor introdúcese no condensador da central. O condensador é un gran intercambiador de calor. Alí o vapor arrefríase e liquídase. A calor desprendida durante este proceso cédese ao caudal de refrixeración exterior. Como fluído de refrixeración utilízase auga de río, lago ou mar. Cando a central está lonxe de fontes de auga, pola contra, utilízase aire paira arrefriar o condensador. Nestes casos é necesario construír torres de refrixeración. As estruturas similares ás chemineas de formigón son amplas e aumentan o custo da central.

O parámetro que nos indica a eficiencia do ciclo combinado é o rendemento eléctrico global do ciclo, é dicir, o parámetro que considera o ciclo no seu conxunto. O consumo de combustible realízase unicamente na turbina de gas (Q) e a electricidade xérase en dous puntos: na turbina de gas (E) e na turbina de vapor (ELT). Por tanto, o rendemento do ciclo é:

h = Ciclo/Qciclo ₌ (E+MST)/Q

O rendemento pode roldar o 50-65% (lémbrese que o da central térmica convencional oscila entre o 37% e o 42%). Como se ve, a diferenza entre ambos é evidente. Con todo, hai que ter en conta que o ciclo combinado require una maior investimento.

Pero o ciclo combinado descrito ten dúas limitacións. Por unha banda, o caudal de vapor que se pode xerar mediante a recuperación da calor dos gases de saída da turbina de gas é menor que o que necesita a turbina de vapor. Por outra banda, a temperatura do vapor sobrecalentado é moi alta e a diferenza entre a temperatura de saída dos gases da turbina de gas e a temperatura do vapor non é suficiente para que o intercambio de calor prodúzase de forma satisfactoria.

Paira mellorar o rendemento da central utilízase a postcombustión e os motores de combustión periódicos. A postcombustión realízase mediante a colocación dun quemador á entrada da caldeira de recuperación, no punto de vertedura dos gases procedentes da turbina de gas, paira aumentar a temperatura dos gases e xerar máis vapor. Por outra banda, a substitución das turbinas de gas por motores de combustión periódicos incrementa o rendemento da central entre un 34 e un 42%.

IGCC: ciclo combinado de gasificación integrada

Esta tecnoloxía limpa utiliza una mestura de gas, produto da gasificación do combustible fósil, paira alimentar o ciclo combinado de turbinas de gas e vapor. Os combustibles máis utilizados son as fraccións pesadas (fuelóleos) procedentes do refino de hulla e petróleo. O rendemento desta tecnoloxía é moi elevado, en torno ao 42%. Ademais, as emisións de contaminantes á atmosfera redúcense considerablemente, alcanzando o 99% do xofre da hulla e o 90% dos compostos de nitróxeno dos gases de escape e o 35% do dióxido de carbono.