Unidad 1 Centrales 1 Centrales Termoeléctricas Convencionales 1.1 Arreglos 1.1 Arreglos generales de sistemas convencionales. Una central termoeléctrica es una instalación empleada en la generación de energía eléctrica a partir de la energía liberada en forma de calor, normalmente mediante la combustión de combustibles fósiles como petróleo, gas natural o carbón. Este calor es empleado por un ciclo termodinámico convencional para mover un alternador y producir energía eléctrica. • Algunas centrales termoeléctricas contribuyen al efecto invernadero emitiendo
dióxido de carbono. • También hay que considerar que la masa de este gas emitida por unidad de
energía producida no es la misma en todos los casos: el carbón se compone de carbono e impurezas. Casi todo el carbono que se quema se convierte en dióxido de carbono (también puede convertirse en monóxido de carbono si la combustión es pobre en oxígeno). En el caso del gas natural, por cada átomo de carbono hay cuatro de hidrógeno que también producen energía al convertirse en agua, por lo que contaminan menos por cada unidad de energía que producen. • Prácticamente todas las centrales eléctricas de carbón, nucleares, geotérmicas,
energía solar térmica o de combustión de biomasa, así como algunas centrales de gas natural son centrales termoeléctricas. El calor residual de una turbina de gas puede usarse para producir vapor y a su vez producir electricidad en lo que se conoce como un ciclo combinado lo cual mejora la eficiencia.
1.2 Combustibles fósiles; características y situación actual Un combustible fósil es aquel que procede de la biomasa producida hace millones de años que pasó por grandes procesos de transformación hasta la formación de sustancias de gran contenido energético como el carbón, el petróleo, o el gas natural, etc. No es un tipo de energía renovable, por lo que no se considera como energía de la biomasa, sino que se incluye entre las energías fósiles. La mayor parte de la energía empleada actualmente en el mundo proviene de los combustibles fósiles. Se utilizan en el transporte, para generar electricidad, para calentar ambientes, para cocinar, etc. Tipos de combustibles fósiles Los combustibles fósiles son cuatro: petróleo, carbón, gas natural y gas licuado del petróleo. Se formaron hace millones de años, a partir de restos orgánicos de plantas y animales muertos. Durante miles de años de evolución del planeta, los restos de seres que lo poblaron en sus distintas etapas se fueron depositando en el fondo de mares, lagos y otros cuerpos de agua. Allí fueron cubiertos por capa tras capa de sedimento. Fueron necesarios millones de años para que las reacciones químicas de descomposición y la presión ejercida por el peso de esas capas transformasen a esos restos orgánicos en gas, petróleo o carbón. Los combustibles fósiles son recursos no renovables ya que no se reponen por procesos biológicos como por ejemplo la madera. En algún momento, se acabarán, y tal vez sea necesario disponer de millones de años de una evolución y descomposición similar para que vuelvan a aparecer. Petróleo
Botella de petróleo. El petróleo es un líquido oleoso compuesto de carbono e hidrógeno en distintas proporciones. Se encuentra en profundidades que varían entre los 600 y los 5.000 metros. Este recurso ha sido usado por el ser humano desde la Antigüedad: los egipcios usaban petróleo en la conservación de las momias, y los romanos, de combustible para el alumbrado. El petróleo y sus derivados tienen múltiples y variadas aplicaciones. Además de ser un combustible de primer orden, también constituye una materia prima fundamental en la industria, pues a partir del petróleo se pueden elaborar fibras, caucho artificial, plásticos, jabones, asfalto, tintas de imprenta, caucho para la fabricación de neumáticos, nafta, gasolina y un sin número de productos que abarcan casi todos los productos del campo. Carbón
El carbón es un mineral que se formó a partir de los restos vegetales prehistóricos, principalmente de los helechos arborescentes. Esos restos sepultados por el fango y bajo los efectos del calor, la presión y la falta de oxígeno, tomaron la estructura mineral que hoy presentan.
La importancia del carbón radica en su poder energético como combustible y en el hecho de constituir la materia prima fundamental en la elaboración de infinidad de artículos. Las primeras máquinas de vapor, como barcos, trenes y maquinaria industrial se movieron gracias a la energía que suministraba a este material. Posteriormente fue desplazado por el petróleo; sin embargo, hoy en día el carbón parece recuperar su posición privilegiada, pues éste es materia prima para la elaboración de plástico, colorantes, perfumes y aceites. Gas natural El gas natural está compuesto principalmente por metano, un compuesto químico hecho de átomos de carbono e hidrógeno. Se encuentra bajo tierra, habitualmente en compañía de petróleo. Se extrae mediante tuberías, y se almacena directamente en grandes contenedores de aluminio. Luego se distribuye a los usuarios a través de gasoductos. Como es inodoro e incoloro, al extraerlo se mezcla con una sustancia que le da un fuerte y desagradable olor. De este modo, las personas pueden darse cuenta de que existe una filtración o escape de gas.
Gas licuado del petróleo El gas licuado del petróleo es una mezcla de propano y butano, que se obtiene al refinar petróleo o al extraer gas natural. Generalmente se distribuye mediante tanques de gas y se utiliza en calefacción doméstica, vehículos motorizados y procesos industriales.
1.3 Ciclos de vapor, equipos térmicos y producción eléctrica. Resultante de un proceso de cuatro conversiones de energía: • En la primera, la energía de entrada, que es la energía química del combustible
fósil o gas es convertida en energía térmica, en la forma de calor radiante y calor sensible. • La segunda conversión es la que se pr oduce por intercambio de calor, de la
energía térmica en energía termodinámica de algún fluido de trabajo (la más común agua, gases de la combustión y agua pesada) en el ciclo termodinámico de la instalación. • La tercera es de la energía termo dinámica en energía mecánica de rotación, en
una turbina.
• La cuarta conversión es de la energía me cánica entregada por la turbina en
energía eléctrica en el generador. Cada uno de los procesos de conversión acarrea pérdidas de energía, la mayor de las cuales se produce en el ciclo termodinámico. • La energía d e salida de la central (Energía Neta) es la resultante de restar a la
generada por sus máquinas (Energía Bruta) los consumos requeridos por la planta para su operación (Consumos Propios). • La energía disponible para el consumo (Energía Demandada) será la diferencia
entre la entregada por la central y las pérdidas para hacerla llegar a los consumidores (Pérdidas de Transporte y Distribución). • El concepto de Eficiencia está directamente relacionado con el Rendimiento del
proceso de conversión energética de la central. • A su vez, el Rendimiento de la Central se obtiene del producto de los Rendimientos
de Proceso, que son los de los equipos o sistemas que conforman las instalaciones de la central.
• El rendimiento de un equipo o sistema es el cociente entr e la Energía útil de Salida
y la Energía de Entrada.
• A modo de ejemplo, el rend imiento de un generador será la relación entre la
energía mecánica en el eje que lo impulsa y la energía eléctrica en sus terminales. • La naturaleza irreversible c aracterística a los procesos de transferencia de calor
es la causa fundamental de la ineficiencia de una planta energética de tecnología térmica. • Las maquinas térmicas so n capaces de utilizar solamente una porción de la
energía generada por los combustibles que utilizan. El calor restante de la combustión es generalmente desaprovechado. • El rendimiento glob al de este tipo de centrales es habitualmente algo inferior al
50%.
1.4 Balances de energía, pérdidas y eficiencias por equipos y generales
BALANCES DE ENERGÍA
Los balances de energía resultan fundamentales para establecer las variaciones de energía que se producen durante un proceso industrial, o bien para determinar los requerimientos
energéticos
de
una
determinada
industrial. Algunos ejemplos son los siguientes:
operación
o
proceso
Energía que es necesario suministrar a un calderín de ebullión en una columna de destilación.
Calor que se debe suministrar o retirar a través del encamisado de un reactor para realizar una reacción endotérmica o exotérmica.
Calor que debemos suministrar a una caldera en un ciclo termodinámico de Rankine.
Potencia requerida para bombear un fluido a una determinada altura. En cualquiera de estas situaciones es imprescindible plantear y resolver balances de energía de foma análoga a como se han realizado en secciones anteriores los balances de materia. Todo balance de energía responde a la siguiente ecuación de conservación:
[Acumulación
de
energía]=
[Entrada
de
energía]-[Salida
energía]+[Generación de energía]-[Consumo de energía]
de
1.5 Impactos al medio ambiente. • Son las centrales más ba ratas de construir (teniendo en cuenta el precio por mega
watt
instalado),
especialmente
las
de
carbón,
debido
a
la
simplicidad
(comparativamente hablando) de construcción y la energía generada de forma masiva. • El uso de combustibles fó siles genera emisiones de gases de efecto invernadero
y de lluvia ácida a la atmósfera, junto a partículas volantes (en el caso del carbón) que pueden contener metales pesados. • Al ser los combustible s fósiles una fuente de energía finita, su uso está limitado a
la duración de las reservas y/o su rentabilidad económica.
Impactos Ambientales Potenciales: • Sus emisiones térmicas y de vapor pueden alterar el microclima local. • Afectan negativamente a l os ecosistemas fluviales debido a los vertidos de agua
caliente en estos. • Su rendimiento (en m uchos casos) es bajo (comparado con el rendimiento ideal),
a pesar de haberse realizado grandes mejoras en la eficiencia (un 30-40% de la energía liberada en la combustión se convierte en electricidad, de media). • Los impactos nega tivos pueden ocurrir durante la construcción, así como durante
la operación de las plantas termoeléctricas. Los impactos de la construcción son causados, principalmente, por las siguientes actividades de la preparación del sitio:
desbroce, excavación, movimiento de tierras, drenaje, dragado y/o embalse de los ríos y otras extensiones de agua, establecimiento de las áreas de colocación, de préstamo y de relleno. Se emplea un gran número de trabajadores en la construcción de las centrales energéticas, y esto puede causar impactos socioculturales importantes en las comunidades locales.
• Las plantas termoeléctricas son consideradas fuentes importantes de emisiones
atmosféricas y pueden afectar la calidad del aire en el área local o regional. La combustión que ocurre en los proyectos termoeléctricos emite dióxido de Sulfuro (S02), óxidos de nitrógeno (NOx), monóxido de carbono (CO), dióxido de carbono (C02) y partículas (que pueden contener metales menores). Las cantidades de cada uno dependerán del tipo y el tamaño de la instalación y del tipo y calidad del combustible, y la manera en que se queme. • La dispersión y las concen traciones de estas emisiones, a nivel de la tierra, son el
resultado de una interacción compleja de las características físicas de la chimenea de la planta, las cualidades físicas y químicas de las emisiones, las condiciones meteorológicas en el sitio, o cerca del mismo durante el tiempo que se requiere para que las emisiones se trasladen desde la chimenea hasta el receptor a nivel de la tierra, las condiciones topográficas del sitio de la planta y las áreas circundantes, y la naturaleza de los receptores (p.ej., seres humanos, cultivos y vegetación nativa). • Típicamente, el agua de enfriamiento limpia constituye el efluente más importante
que proviene de las plantas termoeléctricas. Puede ser reciclada o descargada a la extensión de agua superficial, sin causar efectos mayores en cuanto a su calidad
química. Sin embargo, debe ser considerado el efecto del calor residual sobre la temperatura del agua ambiental, durante la evaluación de las plantas que contemplen utilizar, sin reciclaje, el agua de enfriamiento. Un aumento pequeño en la temperatura del agua ambiental puede alterar, radicalmente, las comunidades de las plantas y la fauna. • Los otros efluentes que producen los proyectos termoeléctricos son menos
abundantes, pero pueden alterar, grandemente, la calidad del agua. Por ejemplo, los efluentes de las plantas termoeléctricas a carbón contienen el agua de lavado del sistema de enfriamiento, de la caldera, del des mineralizador, del regenerador de resinas, del eliminador de ceniza y el escurrimiento de los montones de carbón, ceniza y del patio, así como otras descargas de bajo volumen causadas por los accidentes o derrames. Se encuentran diferentes combinaciones de metales y otros químicos en estos efluentes. En las plantas a petróleo los derrames de combustible tienen un impacto negativo sobre la calidad del agua.
Efectos Globales y Regionales: • Las emisiones de los p royectos termoeléctricos pueden provocar lluvia ácida,
especialmente si el combustible es carbón con un alto contenido de azufre. La precipitación ácida acelera el deterioro de los edificios y monumentos; altera, radicalmente, los ecosistemas acuáticos de ciertos lagos y daña la vegetación de los ecosistemas forestales. Además, el uso de los combustibles fósiles en las plantas termoeléctricas genera C02 y NOx, y el calentamiento mundial ha sido atribuido al aumento de la concentración de C02 y NOx en la atmósfera. Sin embargo, es imposible, actualmente, predecir la contribución exacta de las emisiones específicas de un proyecto termoeléctrico en particular, a estos problemas regionales y globales.
Impactos sobre la Comunidad: • Uno de los impactos más importantes de las plantas termoeléctricas se relaciona
con la afluencia de trabajadores durante el período de construcción. Pueden ser necesarios varios miles de trabajadores durante algunos años para la construcción de una planta grande, y cientos de trabajadores para su operación. Existe potencial para mucha tensión si la comunidad receptora es pequeña. Se puede producir una condición de "crecimiento rápido" o desarrollo inducido. Esto puede tener efectos negativos importantes en la infraestructura existente de la comunidad: las escuelas, política, prevención de incendios. servicios médicos, etc.
- SCHNIEPP, H. ,1968. Erdöl. Frankh·sche Verlangshandlung, W. Keller & Co.
