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Si observamos la columna de humo blanco que se eleva desde la chimenea de una central térmica y pensamos que "el calor del combustible se convierte directamente en electricidad", perdemos de vista la importancia de la eficiencia y el impacto ambiental. En realidad, la central convierte la energía química del combustible en el calor de los gases de combustión, hace girar una turbina con vapor o gas a alta temperatura y suministra la energía a la red eléctrica mediante un generador y un transformador. La caldera, la turbina, el condensador, el sistema de tratamiento de gases de combustión y los equipos de refrigeración están interconectados por un equilibrio entre eficiencia y flexibilidad de producción.

Turbina y generador dentro de la central térmica de IruEjemplo de turbina y generador

Imagen: Waste turbina y generador en bloque en la central térmica de Iru (Lauri Veerde, CC BY-SA 4.0), Wikimedia Commons. Un ejemplo del interior, no una fotografía de la central específica utilizada en las comparaciones.

Versión de 30 segundos

  • Una turbina de vapor funciona con el ciclo Rankine; una turbina de gas funciona con el ciclo Brayton. Un ciclo combinado (CCGT), que también produce vapor a partir del calor residual, alcanza una alta eficiencia.

  • La eficiencia de generación depende no solo de la temperatura de combustión, sino también de la presión y temperatura del vapor, el vacío del condensador, la temperatura del agua de refrigeración, la carga parcial y la frecuencia de arranque y parada de la unidad.

  • El carbón es un combustible estable, pero la gestión del CO₂ y los contaminantes atmosféricos es compleja. Las centrales de ciclo combinado de gas natural emiten menos y arrancan más rápido, pero están expuestas a fugas de metano y fluctuaciones en el precio del combustible.

  • La descarbonización combina la energía térmica con las energías renovables y las baterías, y compara la biomasa, la cogeneración de hidrógeno/amoniaco y la captura y almacenamiento de carbono (CCS/CCUS) en función de su ciclo de vida.

  • Para la energía térmica que respalda la generación variable, el valor se determina menos por la producción que por la carga mínima, la tasa de rampa, el tiempo de arranque, la inercia síncrona y la intensidad de las emisiones.

1. El camino del calor a la electricidad

Diagram 1 · Use the button to switch views
Esquema de una GTCC que separa los sistemas de gas de combustión, agua de alimentación de vapor y agua de refrigeración, y dos generadores

Figura 1: Un ciclo combinado acciona primero un generador de turbina de gas y luego transfiere el calor residual a través del generador de vapor de recuperación de calor (HRSG) al vapor para un segundo generador de turbina. El vapor se condensa, se bombea y se devuelve al HRSG; un sistema de refrigeración por agua independiente elimina el calor del condensador.

Sea Q_{in} la energía química del combustible de entrada y P_e la energía eléctrica de salida; la eficiencia de generación se puede estimar como:

La eficiencia de salida es la energía eléctrica de salida dividida por el combustible de entrada después del consumo auxiliar.

donde \dot m_f es el caudal másico de combustible y LHV es el poder calorífico inferior. Es importante comparar en la salida. Eficiencia: después de restar la energía consumida por los equipos auxiliares (bombas de agua de alimentación, ventiladores de tiro forzado, tratamiento de gases de combustión, bombas de agua de refrigeración).

2. El ciclo Rankine y las turbinas de vapor

En las calderas que queman carbón, fueloil pesado, biomasa y combustibles similares, el agua se convierte en vapor a alta presión. El vapor se expande por etapas a través de las turbinas de alta, media y baja presión, regresa al agua en el condensador y se realimenta a la caldera mediante la bomba de agua de alimentación. La eficiencia térmica ideal del ciclo Rankine es:

La eficiencia Rankine es el trabajo neto de la turbina dividido por el calor de entrada de la caldera.

Y se mejora mediante el recalentamiento, el calentamiento regenerativo del agua de alimentación y el funcionamiento supercrítico.

Cuanto mayor sea la temperatura del vapor, mayor será la eficiencia; sin embargo, la fluencia, la oxidación y la corrosión en los tubos de la caldera, las palas de la turbina y las soldaduras se agravan. Las unidades ultrasupercríticas (USC) utilizan acero con alto contenido de cromo y aleaciones a base de níquel, y la vida útil del material y los intervalos de mantenimiento son mayores. En última instancia, esto determina el costo de generación. En la etapa final de la turbina, las gotas de agua en el vapor húmedo erosionan las palas, por lo que se instalan separadores de humedad y recalentadores para solucionar este problema.

El condensador convierte el vapor en agua a baja presión, reduciendo la presión de salida de la turbina para aumentar el trabajo extraído. Cuando la temperatura del agua de mar es alta en verano o el rendimiento de la torre de refrigeración disminuye, la presión del condensador aumenta y tanto la producción como la eficiencia se reducen. No solo la fuente de calor, sino también el agua de refrigeración y las condiciones ambientales del río o mar del que se extrae forman parte del ciclo térmico.

3. Turbinas de gas y ciclos combinados

Una turbina de gas comprime el aire en un compresor, quema el combustible en la cámara de combustión y expande el gas resultante a alta temperatura a través de una turbina. La eficiencia ideal del ciclo Brayton se determina aproximadamente mediante la relación de presión r_p y la relación de calores específicos \gamma, ya que:

La eficiencia ideal del ciclo Brayton aumenta con la relación de presión, sujeta a los límites del compresor y la turbina.

Aumento de la relación de presión Aumenta la eficiencia ideal, pero el trabajo del compresor, la temperatura de las palas, el margen de sobretensión y el aire de refrigeración se convierten en limitaciones.

Los gases de escape de un ciclo simple siguen estando calientes. Un ciclo combinado (CCGT), que incorpora un generador de vapor de recuperación de calor (HRSG) para producir vapor y una turbina de vapor para utilizarlo, extrae el calor del combustible en dos etapas. El CCGT de gas natural combina una alta eficiencia de suministro con un tiempo de arranque relativamente corto y se utiliza como generación flexible que se adapta a la variabilidad solar y eólica.

Por otro lado, los arranques y paradas repetidos aumentan el estrés térmico y reducen la vida útil. El funcionamiento del CCGT requiere optimizar no solo la eficiencia a carga nominal, sino también las emisiones a baja carga, la producción mínima, la tasa de rampa, el suministro de combustible y la planificación del mantenimiento.

4. Tratamiento de gases de combustión y carga ambiental

El carbono del combustible se convierte principalmente en CO₂; el nitrógeno, junto con la combustión a alta temperatura, produce NOx; el azufre se convierte en SOx; y el contenido de cenizas se convierte en material particulado. Para cumplir con los requisitos de emisiones, se combinan sistemas de desnitrificación (DeNOx, SCR), precipitadores electrostáticos o filtros de mangas y equipos de desulfuración. Regulaciones. El reactivo de desulfuración, el amoníaco, los ventiladores y la circulación del líquido absorbente aumentan el consumo de energía auxiliar y generan residuos, por lo que las emisiones deben calcularse para toda la instalación, no solo para la concentración en la chimenea.

Las emisiones de CO₂ de un combustible pueden estimarse a partir del consumo de combustible y su contenido de carbono.

El contenido de carbono del combustible y la relación de masa molecular de carbono a CO₂ determinan las emisiones directas.

Aquí, w_C representa la fracción de masa de carbono en el combustible. Al comparar fuentes de energía, se debe considerar el CO₂ en g/kWh en función de la energía emitida, en lugar de en las terminales del generador, considerando el ciclo de vida completo (fabricación de equipos, transporte de combustible y eliminación), y separando el factor de capacidad y las emisiones de arranque.

5. Cogeneración de hidrógeno/amoníaco y CCS

El hidrógeno no emite CO₂ al quemarse, pero su método de producción determina las emisiones atribuibles a él como fuente de energía. El hidrógeno azul procedente del reformado de gas natural con CCS, y el hidrógeno verde procedente de la electrólisis con electricidad renovable, deben evaluarse considerando la eficiencia energética y el transporte. Fugas y almacenamiento. El hidrógeno tiene una alta velocidad de llama e inflamabilidad, por lo que es necesario abordar el retroceso de llama en la cámara de combustión, los NOx y la fragilización del material.

El amoníaco es fácil de transportar en estado líquido, pero su lenta velocidad de combustión dificulta el tratamiento del amoníaco no quemado (deslizamiento) y los NOx. Aumentar la proporción de co-combustión incrementa tanto el alcance de las obras de modernización como el coste del combustible, por lo que debe sopesarse frente a la prolongación de la vida útil de las plantas existentes, la construcción de nuevas unidades de combustión dedicadas y la comparación con energías renovables más baterías.

La CCS (Captura y Almacenamiento de Carbono) separa el CO₂ de los gases de combustión, lo comprime, lo transporta y lo almacena bajo tierra. La absorción con aminas utiliza vapor y electricidad para la separación, lo que reduce la eficiencia de generación en varios puntos. Es necesario evaluar la viabilidad, incluyendo la exploración de emplazamientos de almacenamiento, la monitorización de fugas, la gestión de fases en el oleoducto y la responsabilidad a largo plazo. Cuando la CCUS utiliza el CO₂ capturado como materia prima o combustible, también conviene confirmar cuánto tiempo tarda en volver a la atmósfera.

6. Valor en las operaciones de la red

Una central térmica puede proporcionar producción continua siempre que se asegure el suministro de combustible, y suministra a la red la inercia y la corriente de cortocircuito de un generador síncrono. Algunas turbinas de gas pueden arrancar en minutos o decenas de minutos, lo que las hace idóneas para el equilibrio entre la oferta y la demanda. Las centrales de carbón y las grandes turbinas de vapor tienen cargas mínimas más altas y tiempos de arranque más prolongados, y el seguimiento frecuente de la carga reduce su vida útil.

Sea R=dP/dt la tasa de rampa, P_{min} la carga mínima y t_{start} el tiempo de arranque; el rango en el que la unidad puede cubrir el error de previsión de energías renovables se evalúa mejor que solo con la potencia nominal, ya que

El rango de despacho disponible está limitado por la tasa de rampa, el tiempo transcurrido y la carga mínima estable.

La combinación de energía térmica con baterías, energía hidroeléctrica, respuesta a la demanda e interconexiones reduce el tiempo que una unidad térmica necesita permanecer inactiva a baja carga.

7. Lectura Equipos e investigación actuales

En Japón, TEPCO/JERA, Kansai Electric Power, Tohoku Electric Power y otras empresas impulsan el desarrollo de sistemas térmicos de GNL de mayor eficiencia, controles ambientales para centrales térmicas de carbón y la coordinación operativa con energías renovables. En el extranjero, GE Vernova, Siemens Energy y Mitsubishi Heavy Industries están implementando grandes turbinas de gas, turbinas de vapor, centrales de ciclo combinado de gas (CCGT) y combustores compatibles con amoníaco/hidrógeno. Más allá de los nombres de los productos, conviene comparar la eficiencia nominal, la carga mínima, el tiempo de arranque, las especificaciones del combustible, el intervalo de mantenimiento y las garantías de emisiones.

Los temas de investigación abarcan materiales de ultra alta temperatura, combustores de bajas emisiones de NOx, optimización de la combustión de calderas mediante IA, recuperación de calor, hibridación con pilas de combustible de óxido sólido, membranas de separación de CO₂ y modelos de vida útil para una operación flexible. Es importante confirmar si las mejoras de eficiencia de una nueva tecnología se mantienen una vez incluidos los costos de energía auxiliar, reemplazo de catalizadores, pretratamiento de combustible y conexión a la red.

Conclusión

La energía térmica es una tecnología que permite diseñar Combustible, cámara de combustión, ciclo térmico, turbina, generador, tratamiento de gases de combustión, refrigeración y operaciones de red como un todo integrado. Si solo se considera la eficiencia, las configuraciones de ciclo combinado y a mayor temperatura resultan ventajosas; sin embargo, la vida útil de los materiales, los ciclos de arranque y parada, el suministro de combustible, las emisiones de CO₂/NOx, el agua de refrigeración y las condiciones ambientales locales también la limitan.

Al evaluar equipos o investigaciones, es útil verificar: (1) qué ciclo, a qué temperatura y presión; (2) la eficiencia de suministro y el rendimiento a carga parcial; (3) cuántos minutos se tarda en cambiar la producción y cuántos años de vida útil consume; y (4) cómo se ven las emisiones una vez que se incluyen la producción de combustible, el transporte, el tratamiento de gases de combustión y la captura y almacenamiento de carbono (CCS).

Comprueba tu comprensión
¿Se pueden comparar las centrales térmicas solo por sus cifras de eficiencia?

Hay que tener en cuenta el poder calorífico, la producción bruta frente a la neta y las condiciones de carga. La eficiencia también varía. a carga parcial.

Referencias

8. Balance térmico y producción neta

\dot Q_{fuel}=P_{gross}+\dot Q_{condenser}+\dot Q_{stack}+\dot Q_{other}

P_{net}=P_{gross}-P_{aux},\qquad \eta_{net}=\frac{P_{net}}{\dot m_f H}

9. Contabilidad de la entalpía en el ciclo Rankine

w_t=h_3-h_4,\qquad w_p=h_2-h_1,\qquad q_{in}=h_3-h_2

\eta_R=\frac{w_t-w_p}{q_{in}} =\frac{(h_3-h_4)-(h_2-h_1)}{h_3-h_2}

10. Cogeneración y el límite superior de eficiencia

\eta_{total}=\frac{P_{net}+Q_{useful}}{\dot m_f H}
\eta_C=1-\frac{T_L}{T_H}

11. Funcionamiento de turbinas de gas y ciclos combinados

w_{GT}=w_t-w_c
\eta_{CC}=\eta_g+(1-\eta_g)\eta_s

12. Materiales y estrés térmico

\sigma_{th}\propto\frac{E\alpha\Delta T}{1-\nu}

13. Intensidad de emisiones y captura y almacenamiento de carbono (CCS)

I_{CO_2}=\frac{EF_{fuel}}{\eta_{net}}
I_{life}=I_{upstream}+I_{transport}+I_{plant}-I_{stored}
\text{Avoidance rate}=1-\frac{I_{CCS}}{I_{reference}}

14. Un ejemplo práctico de 30 MW

P_{net}=1\times50\times0.60=30\ \mathrm{MW}
\dot m_f=\frac{30}{50\times0.50}=1.2\ \mathrm{kg/s}

15. Fuentes primarias japonesas

16. Lista de verificación de revisión

Antes de comparar dos unidades térmicas, verifique la base del poder calorífico, la producción bruta frente a la neta, el comportamiento a carga parcial, la tasa de rampa, el consumo durante el arranque, el suministro de combustible, las limitaciones del agua de refrigeración y las emisiones del ciclo de vida.

17. Pérdidas de energía auxiliar y refrigeración

18. Recuperación de calor y condiciones del vapor

19. Control de la combustión y NOx

20. Operación y mantenimiento flexibles

21. Límites del ciclo de vida del combustible

22. Seguridad y monitoreo

23. Alcance de la comparación

Para una verificación cruzada de notación consistente, la edición japonesa también utiliza \eta=W_{net}/Q_{in} , P_{gross} , \dot Q_{condenser} , \dot Q_{stack} , P_{aux} , \dot m_f , H , h , w_p\simeq v(P_2-P_1) , T_H , T_L , \eta_g , \eta_s , \eta_g=0.40 , \eta_s=0.35, \eta_{CC}=0.61, \Delta T, E, \alpha, \nu, EF_{fuel}, NH_3, N_2O y r.

Otras fuentes utilizadas por la edición japonesa son combustibles bajos en carbono y CCUS para energía.

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