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GUIA Nº 3. CENTRALES TERMICAS A GAS.
PROFESOR: ING. GREGORIO BERMUDEZ
ASIGNATURA. GENERACION DE POTENCIA
CENTRALES TÉRMICAS

Las centrales térmicas son las que transforman energía térmica en energía
mecánica, la cual a su vez produce electricidad mediante la rotación del rotor
de un generador. Este tipo de centrales se puede clasificar por el tipo de
turbina (vapor o gas) y por el tipo de combustible que utilizan.

Los costos en que incurren las diferentes centrales se pueden clasificar en
inversión y operación, y dentro de estos últimos:
- costos fijos: que se refieren a personal, impuestos y seguros,
- costos variables: principalmente el combustible, pero también mantenimiento,
lubricantes y costo de partida entre otros.

Las centrales que vamos a analizar para efecto de este trabajo serán las Turbo
gas ciclo abierto y las Centrales a vapor, una pequeña descripción de cada una
se presenta a continuación.


3.3.1.- CENTRALES TURBO GAS CICLO ABIERTO DIESEL/G.N.

Este tipo de centrales se caracteriza por tener una turbina especialmente
diseñada para transformar la combustión de un gas a alta presión en el
movimiento de un eje solidario al rotor del generador, con la consiguiente
generación de energía eléctrica. Un dibujo simplificado de los elementos que
participan en el proceso que se lleva a cabo en este tipo de central se presenta
en la figura 6.




                         Figura 6: Turbina Ciclo abierto
Como se puede observar el compresor toma aire de la atmósfera, lo comprime
y lo deposita en la cámara de combustión, donde al mismo tiempo se inyecta
combustible y se provoca la combustión. Esta combustión provoca la rápida
expansión de los gases, lo que hace mover la turbina y a través de ésta el eje
del generador. Luego de este proceso el aire es devuelto a la atmósfera, por
esta razón es llamada de “ciclo abierto”.

El combustible que se utiliza para hacer la mezcla en la cámara de combustión
es principalmente gas natural, pero en general se presenta la flexibilidad de
utilizar diesel como sustituto. Al final, aproximadamente sólo un 34% de la
energía térmica es transformada en energía eléctrica.

Se han diferenciado dos mercados dentro de las turbinas de gas, basándose
en las potencias:
 a) Turbinas de gas industriales de baja potencia (con una potencia inferior a
10-13 MW)
 b) Turbinas de gas industriales de alta potencia (con una potencia superior a
los 10-13 MW).

El costo de inversión en este tipo de centrales es bajo, con un costo unitario
aproximado de 450 US$/kW en una central de 240 MW de potencia.



3.3.2.- CENTRAL TÉRMICA VAPOR CARBÓN Y/O GAS NATURAL

Este tipo de centrales corresponde a las que obtienen la energía mecánica
necesaria para mover el rotor del generador a partir del vapor formado al hervir
el agua en una caldera. El agua es tomada por una bomba y depositada en la
caldera a una alta presión. En este lugar el agua hierve debido al aumento de
temperatura que provoca la quema del combustible. Luego, este vapor a alta
presión se hace llegar a la turbina donde su expansión provoca el movimiento
de ésta última. El vapor que ha sido utilizado se transforma en agua al pasar
por un condensador y es tomado por la bomba para empezar nuevamente el
ciclo. Un dibujo simplificado del proceso que se lleva a cabo en este tipo de
centrales se puede ver en la figura 7.
Figura 7: Central térmica a vapor



El costo de inversión en este tipo de centrales es alto, con un costo unitario
aproximado de 1100 US$/kW en una central de 300 MW de potencia.



3.3.3.- CENTRAL DE CICLO COMBINADO

Este tipo de centrales térmicas corresponden a las que tienen dos tipos
diferentes de turbinas, a gas y de vapor. La idea de combinar estos dos tipos
de tecnologías es la de aprovechar al máximo el combustible, o sea, aumentar
la eficiencia del complejo en su totalidad.

El funcionamiento de este tipo de centrales se puede esquematizar como en la
siguiente figura:
Figura 8: Esquema Central Ciclo Combinado




En la figura se observa que el gas que fue utilizado para hacer girar la turbina a
gas sale a una alta temperatura de la cámara de combustión, por lo que es
posible reutilizarlo para calentar el agua y transformarla en vapor, el cual se
puede utilizar para hacer girar la segunda turbina, que es a vapor. La eficiencia
de estas centrales es cercana al 55%, lo que explica porque es tan utilizada en
generación térmica.
El número de turbinas a gas por turbina de vapor en las centrales de ciclo
combinado puede variar desde uno a cuatro, además de esto puede tener otras
variantes como que la turbina de gas y de vapor tengan un solo eje solidario, o
que por el contrario cada una tenga su propio eje.
Una de las grandes ventajas de este tipo de centrales es que permiten ser
construidas por parte, ya que la turbina a gas puede funcionar por sí sola, con
lo que al momento de construir estas centrales puede construirse la turbina a
gas, empezar a operar, y luego completar la construcción de la central de ciclo
combinado agregándole la turbina a vapor.



Para hacer una correcta evaluación de una central térmica es necesario tener
una buena estimación de los costos, tanto en la etapa de construcción como en
la etapa de operación.
En cuanto a los costos de construcción, se debe tener en cuenta el precio de
las turbinas y equipos necesarios para el buen funcionamiento de la central,
incluyendo el terreno, líneas eléctricas, transformadores, etc.
En los costos de operación, el costo más relevante es el del combustible, pero
también existen costos fijos, costos de personal, costos de partida y de parada,
costos de cambio entre estados o de setup. En relación al costo del
combustible hay que tener en cuenta la eficiencia de la central, y qué
combustible se está utilizando, ya que en general las centrales térmicas
pueden utilizar dos o más tipos de combustibles distintos.


Flexibilidad en centrales térmicas:

- Las pequeñas turbinas de gas (1-15 MW) compiten de forma efectiva con las
grandes (de hasta 60 MW). Por lo tanto, las centrales multi-unidad ofrecen
una       flexibilidad que resulta ventajosa cuando los clientes tienen
necesidades diversas de potencia.
- La licencia para construir una central puede ser vista como una opción call
sobre el valor de la central.
- Puede existir la opción para posponer la construcción.
- Los flujos de caja de la central dependen de la diferencia entre el precio de la
electricidad y el precio del combustible, por lo que está la opción de producir o
no producir electricidad dependiendo de los distintos precios que se presenten.
Este punto se aplica principalmente a las centrales que operan en “punta”, ya
que son las que corren riesgo de perder dinero en ese caso. En caso de no
generar se debe comprar a precio spot a otra central para cumplir con sus
contratos.
- Existe la opción de utilizar distintos combustible. En nuestro caso se puede
elegir entre diesel/GN y carbón/GN.
- Está la opción de abandonar la central.




Las turbinas son máquinas rotativas. En forma global se clasifican en tres
grandes familias:

   •   Las turbinas hidráulicas: son las más antiguas. Usan agua como fluido
       de trabajo. Sus antepasados directos son los molinos de agua. Hoy
       existen varios modelos básicos: Pelton, Francis y Kaplan (o hélice de
       paso variable). A estos modelos básicos se debe agregar la Mitchell-
       Banki que es muy utilizada en instalaciones de microhidráulica. La típica
       turbina hidráulica se usa en centrales de generación eléctrica sea
       centrales de pasada o centrales de embalse.
   •   Las turbinas a vapor: en este caso el fluido de trabajo es vapor de
       agua (típicamente). Aunque también hay instancias en que se han
fabricado usando otro vapor de trabajo (Mercurio, Propano u otro). Las
       típicas turbinas de vapor se dividen en de acción y de reacción. La
       turbina a vapor típicamente se usan en centrales térmicas de generación
       eléctrica. Estos son sistemas de combustión externa (el calor se usa
       para calentar el fluido de trabajo en forma indirecta en caldera).
   •   Las turbinas a gas: Son las más recientes. Si bien hay intentos de
       fabricarlas a inicios de este siglo, el primer ensayo exitoso es solo de
       1937. Difieren de las anteriores en el sentido de que se realiza
       combustión dentro de la máquina. Por lo tanto el fluido de trabajo son
       gases de combustión (de allí su nombre).

Si bien la turbina a gas es un motor de combustión interna y su ciclo tiene
puntos en común con los ciclos Otto o Diesel, tiene una diferencia fundamental.
Se trata (igual que todas las turbinas) de máquina de funcionamiento continuo.
Es decir, en régimen permanente cada elemento de ella está en condición
estable.


ANTECEDENTES BÁSICOS SOBRE EL FUNCIONAMIENTO:

Ciclo Utilizado:

El ciclo de la turbina a gas es el ciclo Joule o Brayton. Este se ilustra en la
figura T.1. en un diagrama p-V y uno T-S. En la figura T.2, se ilustra el ciclo en
diagrama de bloques. Consta de las siguientes evoluciones:


                                       •   En 1 se toma aire ambiente. Este se comprime
                                           hasta 2 según una adiabática (idealmente sin
                                           roce, normalmente una politrópica con roce).
                                              o Luego el aire comprimido se introduce a
                                                  una cámara de combustión. Allí se le
                                                  agrega una cierta cantidad de combustible
                                                  y este se quema. Al producirse la
                                                  combustión se realiza la evolución 2-3.
                                                  Típicamente esta es isobárica (o casi
                                                  isobárica, pues se pierde un poco de
                                                  presión por roce). Como a la cámara de
                                                  combustión entra tanto fluido como el que
                                                  sale, la presión casi no varía. La
                                                  temperatura T3 es una temperatura crítica,
                                                  pues corresponde a la mayor temperatura
                                                  en el ciclo. Además también es la mayor
                                                  presión. Por lo tanto los elementos
                                                  sometidos a T3 serán los más solicitados.
•   A continuación viene la expansión de los gases
                                          hasta la presión ambiente. Esta expansión la
                                          debemos dividir en dos fases. En la primera (de 3
                                          a 3') el trabajo de expansión se recupera en una
                                          turbina que sirve para accionar el compresor. En
                                          la segunda fase (de 3' a 4) existen dos opciones:
                                              o Si entre 3' y 4 se instala una turbina, el
                                                  trabajo de expansión se convierte en
                                                  trabajo mecánico. Se trata de un
                                                  turbopropulsor o lo que comúnmente se
                                                  llama turbina a gas.
                                              o Si entre 3' y 4 se sigue con la expansión
                                                  de los gases en una tobera, el trabajo de
                                                  expansión se convierte en energía cinética
                                                  en los gases. Esta energía cinética sirve
                                                  para impulsar el motor. Se trata de un
                                                  turboreactor o lo que comúnmente se
                                                  llama un motor a reacción.
                                      •   Finalmente los gases de combustión se evacúan
                                          a la atmósfera en 4. La evolución 4-1 es virtual y
                                          corresponde al enfriamiento de los gases hasta la
                                          temperatura ambiente.


Si bien este ciclo se realiza normalmente como ciclo abierto, también es posible
realizarlo como ciclo cerrado. Es decir tener un fluido de trabajo que siga las
evoluciones del ciclo. Entre 2 y 3 se le aporta calor externo y entre 4 y 1 se le
extrae. También es posible realizarlo sin combustión interna, haciendo un
aporte de calor entre 2 y 3. Esto se ha hecho en algunos motores solares en
que se opera según un ciclo Brayton.

Diagrama de Bloques:

A continuación veremos como se visualiza el ciclo de Joule en un diagrama de
bloques. Las componentes principales de la máquina son:


                                      •   Un turbocompresor que toma el aire ambiente
                                          (a p1 y T1) y lo comprime hasta p2 (evolución 1 -
                                          2). Este proceso se puede suponer adiabático.
                                          Idealmente es sin roce, pero en general es
                                          politrópica con roce.
                                      •   Luego el aire comprimido a p2 pasa a la cámara
                                          de combustión. Allí se le agrega una cierta
                                          cantidad de combustible el que se quema. Al
                                          quemarse la mezcla, la temperatura de los gases
                                          sube hasta T3. La combustión es prácticamente
                                          isobárica (evolución 2 - 3).
                                      •   A continuación los gases calientes y a alta
presión se expanden en la turbina T1. Esta
Alternativa 1: Turbopropulsor                 turbina acciona el turbocompresor por medio de
                                              un eje. La expansión en la turbina es hasta las
                                              condiciones 3'. Idealmente es expansión
                                              adiabática sin roce, pero en general es politrópica
                                              con roce (evolución 3 - 3').
                                          •   Luego los gases de escape se siguen
                                              expandiendo a través de una segunda turbina de
                                              potencia hasta alcanzar la presión ambiente (p4,
                                              evolución 3' - 4).Esta turbina de potencia entrega
                                              trabajo al exterior. Típicamente el trabajo se usa
                                              para accionar un generador o bien otro
                                              mecanismo (hélice en el caso de aviones con
                                              turbopropulsor o aspas en un helicóptero).

                                       Este caso es similar al anterior hasta el punto 3'. La
                                       diferencia estriba en que de allí en adelante, la segunda
                                       turbina es reemplazada por una tobera. El potencial de
                                       presión de los gases de escape en 3' es convertido en
                                       energía cinética. Los gases salen a C4.

                                       Es decir el trabajo de expansión se convierte en energía
                                       cinética y los gases salen del motor a gran velocidad,
                                       produciendo un empuje por efecto del principio de
                                       acción y reacción.

                                       El caso se ilustra en la figura de al lado, la que
                                       representa un turboreactor de flujo simple. Esto quiere
 Alternativa 2: Turboreactor           decir que todoel aire pasa por la cámara de combustión
                                       y turbina.




                                     Cogeneración


    Los sistemas de cogeneración son sistemas de producción conjunta de
    electricidad (o energía mecánica) y de energía térmica útil (calor) partiendo de
    un único combustible. El gas natural es la energía primaria más utilizada para
    el funcionamiento de las centrales de cogeneración de electricidad calor, las
    cuales funcionan con turbinas o motores de gas. No obstante, también se
    pueden utilizar fuentes de energía renovables y residuos como biomasa o
    residuos que se incineran.

    En un proceso de cogeneración, el calor se presenta en forma de vapor de
    agua a alta presión o en forma de agua caliente. Por ejemplo, se puede utilizar
    el vapor caliente que sale de una turbina de producción de energía eléctrica,
para suministrar energía para otros usos. Hasta hace poco lo usual era dejar
que el vapor se enfriara, pero con esta técnica, con el calor que le queda al
vapor se calienta agua para distintos usos.

El aprovechamiento del calor residual, los sistemas de cogeneración presentan
rendimientos globales del orden del 85%, lo que implica que el
aprovechamiento simultáneo de electricidad y calor favorezca la obtención de
elevados índices de ahorro energético, así como una disminución importante
de la factura energética, sin alterar el proceso productivo, ahorro energético
que se incrementa notablemente si se utilizan energías residuales.




En una central eléctrica tradicional los humos salen directamente por la
chimenea, mientras que en una planta de cogeneración los gases de escape se
enfrían transmitiendo su energía a un circuito de agua caliente/vapor. Una vez
enfriados los gases de escape pasan a la chimenea.

Las centrales de cogeneración de electricidad-calor pueden alcanzar un
rendimiento energético del orden del 90%. El procedimiento es más ecológico,
ya que durante la combustión el gas natural libera menos dióxido de carbono
(CO2) y óxido de nitrógeno (NOX) que el petróleo o el carbón. El desarrollo de
la cogeneración podría evitar la emisión de 127 millones de toneladas de CO2
en la UE en 2010 et de 258 millones de toneladas en 2020, ayudando a cumplir
los objetivos fijados en el Protocolo de Kioto.

La producción de electricidad por cogeneración representó en la UE en 1998 el
11% del total. Si se lograra aumentar hasta un 18%, el ahorro de energía
podría llegar a ser del 3-4% del consumo bruto total de la UE. Además, son
cada vez más numerosas las aplicaciones que se le está dando a esta técnica,
tanto en usos industriales, como en hospitales, hoteles, etc.




   •   VENTAJAS:
         o Ahorra energía y mejora la seguridad del abastecimiento.
         o Disminuye las pérdidas de la red eléctrica, especialmente porque
           las centrales de cogeneración se suelen situar próximas a los
           lugares de consumo
         o Aumenta la competencia entre los productores
         o Permite crear nuevas empresas
o    Se adapta bien a las zonas aisladas o ultraperiféricas



•   SISTEMAS DE COGENERACIÓN

Plantas con motores alternativos
Utilizan gas, gasóleo o fuel-oil como combustible. Son muy eficientes
eléctricamente, pero son poco eficientes térmicamente. El sistema de
recuperación térmica se diseña en función de los requisitos de la
industria y en general se basan en la producción de vapor a baja presión
(hasta 10 bares), aceite térmico y en el aprovechamiento del circuito de
alta temperatura del agua de refrigeración del motor. Son también
adecuadas la producción de frío por absorción, bien a través del vapor
generado con los gases en máquinas de doble efecto, o utilizando
directamente el calor del agua de refrigeración en máquinas de simple
efecto.
Plantas con turbinas de vapor
En estos sistemas, la energía mecánica se produce por la expansión del
vapor de alta presión procedente de una caldera convencional.

El uso de esta turbina fue el primero en cogeneración. Actualmente su
aplicación ha quedado prácticamente limitada como complemento para
ciclos combinados o en instalaciones que utilizan combustibles
residuales, como biomasa o residuos que se incineran.

La aplicación conjunta de una turbina de gas y una turbina de vapor es lo
que se denomina " Ciclo Combinado".
Plantas con turbinas de gas
En los sistemas con turbina de gas se quema combustible en un
turbogenerador, cediendo parte de su energía para producir energía
mecánica. Su rendimiento de conversión es inferior al de los motores
alternativos, pero presentan la ventaja de que permiten una recuperación
fácil del calor, que se encuentra concentrado en su práctica totalidad en
sus gases de escape, que está a una temperatura de unos 500ºC, idónea
para producir vapor en un generador de recuperación.

Se diferencian 2 tipos de ciclos: (1) simple, cuando el vapor se produce a
la presión de utilización del usuario; y (2) combinado, cuando el vapor se
produce a alta presión y temperatura para su expansión previa en una
turbina de vapor.

       •   Ciclo simple

    Es la planta clásica de cogeneración y su aplicación es adecuada
    cuando los requisitos de vapor son importantes (>10 t/h), situación
    que se encuentra fácilmente en numerosas industrias (alimentación,
    química, papelera). Son plantas de gran fiabilidad y
económicamente rentables cuando están diseñadas para una
  aplicación determinada.

  El diseño del sistema de recuperación de calor es fundamental,
  pues su economía está directamente ligada al mismo, ya que a
  diferencia de las plantas con motores alternativos el precio del calor
  recuperado es esencial en un ciclo simple de turbina de gas.

      •   Ciclo combinado

  Un ciclo combinado ayuda a absorber una parte del vapor generado
  en el ciclo simple y permite, por ello, mejorar la recuperación
  térmica, o instalar una turbina de gas de mayor tamaño cuya
  recuperación térmica no estaría aprovechada si no se utilizara el
  vapor en una segunda turbina de contrapresión.

  En un ciclo combinado el proceso de vapor es esencial para lograr
  la eficiencia del mismo. La selección de la presión y la temperatura
  del vapor vivo se hace en función de las turbinas de gas y vapor
  seleccionadas, selección que debe realizarse con criterios de
  eficiencia y economía. Por ello se requiere la existencia de
  experiencias previas e "imaginación responsable" para crear
  procesos adaptados a un centro de consumo, que al mismo tiempo
  dispongan de gran flexibilidad que posibilite su trabajo eficiente en
  situaciones alejadas del punto de diseño.

Una variante del ciclo combinado, es el ciclo combinado a
condensación

      •   Ciclo combinado a condensación

  Variante del ciclo combinado de contrapresión clásico, se basa en
  procesos estrictamente cogenerativos. Se basa en una gran
  capacidad de regulación ante demandas de vapor muy variables.

  El proceso clásico de regulación de una planta de cogeneración
  consiste en evacuar gases a través del by-pass cuando la demanda
  de vapor es menor a la producción y utilizar la post-combustión
  cuando sucede lo contrario.

  Bajando sensiblemente su potencia, no se consigue su adaptación a
  la demanda de vapor, debido a una importante bajada en el
  rendimiento de recuperación, ya que los gases de escapa
  mantienen prácticamente su caudal y bajan ostensiblemente su
  temperatura. Por ellos, las pérdidas de calor se mantienen
  prácticamente constantes, y la planta deja de cumplir los requisitos
  de rendimiento.

  Por contra, un ciclo de contrapresión y condensación permite
  aprovechar la totalidad del vapor generado, regulando mediante la
condensación del vapor que no puede usarse en el proceso,
      produciendo una cantidad adicional de electricidad.
Trigeneración
Se basa en la producción conjunta de calor, electricidad y frío.

Una planta de trigeneración es similar a una de cogeneración, a la que se
le ha añadido un sistema de absorción para la producción de frío. No
obstante existen una serie de diferencias.

La trigeneración, permite a la cogeneración, que inicialmente, no era
posible en centros que no consumieran calor, acceder a centros que
precisen frío que se produzca con electricidad. Facilita a la industria del
sector alimentario ser cogeneradores potenciales. Asimismo, permite la
utilización de cogeneración en el sector terciario (hoteles, hospitales,
etc.) donde además de calor se requiere frío para climatización, y que
debido a la estacionalidad de estos consumos (calor en invierno, frío en
verano) impedía la normal operación de una planta de cogeneración
clásica.

Esta modalidad de cogeneración tiene más aplicaciones:

  •    Aplicaciones de secado. Especialmente en industria cerámica que
       utilizada atomizadores. Son plantas muy simples y económicas, ya
       que los gases calientes generados por una turbina o un motor se
       utilizan directamente en el proceso de secado.
  •    Aplicaciones en la industria textil.
  •    Calefacción y refrigeración.
  •    Aplicaciones para industrias medioambientales, como plantas
       depuradoras de tipo biológico, o de concentración de residuos o de
       secado de fangos, etc, al demandar calor son potencialmente
       cogeneradoras. En estas aplicaciones puede ser un factor
       importante para la reducción del coste de tratamiento de os
       residuos.

Motor alternativo
En los sistemas basados en motores alternativos, el elemento motriz es
un motor de explosión. El calor recuperable se encuentra en forma de
gases calientes y agua caliente ( Circuito Refrigeración ).

   Tipo                Ventajas                      Desventajas
Turbina de     Amplia gama de
gas            aplicaciones
               Muy fiable                   Limitación en los combustibles
               Elevada temperatura de
               la energía térmica
               Rango desde 0,5 a 100        Tiempo de vida relativamente
               MW                           corto
Gases con alto
              contenido en oxígeno
              Rendimiento global muy
              alto                       Baja relación electricidad/calor
              Extremadamente segura
              Posibilidad de emplear
Turbina de    todo tipo de               No permite alcanzar altas
vapor         combustibles               potencias eléctricas
              Larga vida de servicio
              Amplia gama de
              potencias                  Pues en marcha lenta
              Coste elevado
              Elevada relación
              electricidad/calor
              Alto rendimiento           Alto coste de mantenimiento
              eléctrico
Motor
alternativo   Bajo coste
              Tiempo de vida largo
                                         Energía térmica muy
              Capacidad de               distribuida y a baja
              adaptación a variaciones   temperatura
              de la demanda

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  • 1. GUIA Nº 3. CENTRALES TERMICAS A GAS. PROFESOR: ING. GREGORIO BERMUDEZ ASIGNATURA. GENERACION DE POTENCIA CENTRALES TÉRMICAS Las centrales térmicas son las que transforman energía térmica en energía mecánica, la cual a su vez produce electricidad mediante la rotación del rotor de un generador. Este tipo de centrales se puede clasificar por el tipo de turbina (vapor o gas) y por el tipo de combustible que utilizan. Los costos en que incurren las diferentes centrales se pueden clasificar en inversión y operación, y dentro de estos últimos: - costos fijos: que se refieren a personal, impuestos y seguros, - costos variables: principalmente el combustible, pero también mantenimiento, lubricantes y costo de partida entre otros. Las centrales que vamos a analizar para efecto de este trabajo serán las Turbo gas ciclo abierto y las Centrales a vapor, una pequeña descripción de cada una se presenta a continuación. 3.3.1.- CENTRALES TURBO GAS CICLO ABIERTO DIESEL/G.N. Este tipo de centrales se caracteriza por tener una turbina especialmente diseñada para transformar la combustión de un gas a alta presión en el movimiento de un eje solidario al rotor del generador, con la consiguiente generación de energía eléctrica. Un dibujo simplificado de los elementos que participan en el proceso que se lleva a cabo en este tipo de central se presenta en la figura 6. Figura 6: Turbina Ciclo abierto
  • 2. Como se puede observar el compresor toma aire de la atmósfera, lo comprime y lo deposita en la cámara de combustión, donde al mismo tiempo se inyecta combustible y se provoca la combustión. Esta combustión provoca la rápida expansión de los gases, lo que hace mover la turbina y a través de ésta el eje del generador. Luego de este proceso el aire es devuelto a la atmósfera, por esta razón es llamada de “ciclo abierto”. El combustible que se utiliza para hacer la mezcla en la cámara de combustión es principalmente gas natural, pero en general se presenta la flexibilidad de utilizar diesel como sustituto. Al final, aproximadamente sólo un 34% de la energía térmica es transformada en energía eléctrica. Se han diferenciado dos mercados dentro de las turbinas de gas, basándose en las potencias: a) Turbinas de gas industriales de baja potencia (con una potencia inferior a 10-13 MW) b) Turbinas de gas industriales de alta potencia (con una potencia superior a los 10-13 MW). El costo de inversión en este tipo de centrales es bajo, con un costo unitario aproximado de 450 US$/kW en una central de 240 MW de potencia. 3.3.2.- CENTRAL TÉRMICA VAPOR CARBÓN Y/O GAS NATURAL Este tipo de centrales corresponde a las que obtienen la energía mecánica necesaria para mover el rotor del generador a partir del vapor formado al hervir el agua en una caldera. El agua es tomada por una bomba y depositada en la caldera a una alta presión. En este lugar el agua hierve debido al aumento de temperatura que provoca la quema del combustible. Luego, este vapor a alta presión se hace llegar a la turbina donde su expansión provoca el movimiento de ésta última. El vapor que ha sido utilizado se transforma en agua al pasar por un condensador y es tomado por la bomba para empezar nuevamente el ciclo. Un dibujo simplificado del proceso que se lleva a cabo en este tipo de centrales se puede ver en la figura 7.
  • 3. Figura 7: Central térmica a vapor El costo de inversión en este tipo de centrales es alto, con un costo unitario aproximado de 1100 US$/kW en una central de 300 MW de potencia. 3.3.3.- CENTRAL DE CICLO COMBINADO Este tipo de centrales térmicas corresponden a las que tienen dos tipos diferentes de turbinas, a gas y de vapor. La idea de combinar estos dos tipos de tecnologías es la de aprovechar al máximo el combustible, o sea, aumentar la eficiencia del complejo en su totalidad. El funcionamiento de este tipo de centrales se puede esquematizar como en la siguiente figura:
  • 4. Figura 8: Esquema Central Ciclo Combinado En la figura se observa que el gas que fue utilizado para hacer girar la turbina a gas sale a una alta temperatura de la cámara de combustión, por lo que es posible reutilizarlo para calentar el agua y transformarla en vapor, el cual se puede utilizar para hacer girar la segunda turbina, que es a vapor. La eficiencia de estas centrales es cercana al 55%, lo que explica porque es tan utilizada en generación térmica. El número de turbinas a gas por turbina de vapor en las centrales de ciclo combinado puede variar desde uno a cuatro, además de esto puede tener otras variantes como que la turbina de gas y de vapor tengan un solo eje solidario, o que por el contrario cada una tenga su propio eje. Una de las grandes ventajas de este tipo de centrales es que permiten ser construidas por parte, ya que la turbina a gas puede funcionar por sí sola, con lo que al momento de construir estas centrales puede construirse la turbina a gas, empezar a operar, y luego completar la construcción de la central de ciclo combinado agregándole la turbina a vapor. Para hacer una correcta evaluación de una central térmica es necesario tener una buena estimación de los costos, tanto en la etapa de construcción como en la etapa de operación. En cuanto a los costos de construcción, se debe tener en cuenta el precio de las turbinas y equipos necesarios para el buen funcionamiento de la central, incluyendo el terreno, líneas eléctricas, transformadores, etc. En los costos de operación, el costo más relevante es el del combustible, pero también existen costos fijos, costos de personal, costos de partida y de parada, costos de cambio entre estados o de setup. En relación al costo del
  • 5. combustible hay que tener en cuenta la eficiencia de la central, y qué combustible se está utilizando, ya que en general las centrales térmicas pueden utilizar dos o más tipos de combustibles distintos. Flexibilidad en centrales térmicas: - Las pequeñas turbinas de gas (1-15 MW) compiten de forma efectiva con las grandes (de hasta 60 MW). Por lo tanto, las centrales multi-unidad ofrecen una flexibilidad que resulta ventajosa cuando los clientes tienen necesidades diversas de potencia. - La licencia para construir una central puede ser vista como una opción call sobre el valor de la central. - Puede existir la opción para posponer la construcción. - Los flujos de caja de la central dependen de la diferencia entre el precio de la electricidad y el precio del combustible, por lo que está la opción de producir o no producir electricidad dependiendo de los distintos precios que se presenten. Este punto se aplica principalmente a las centrales que operan en “punta”, ya que son las que corren riesgo de perder dinero en ese caso. En caso de no generar se debe comprar a precio spot a otra central para cumplir con sus contratos. - Existe la opción de utilizar distintos combustible. En nuestro caso se puede elegir entre diesel/GN y carbón/GN. - Está la opción de abandonar la central. Las turbinas son máquinas rotativas. En forma global se clasifican en tres grandes familias: • Las turbinas hidráulicas: son las más antiguas. Usan agua como fluido de trabajo. Sus antepasados directos son los molinos de agua. Hoy existen varios modelos básicos: Pelton, Francis y Kaplan (o hélice de paso variable). A estos modelos básicos se debe agregar la Mitchell- Banki que es muy utilizada en instalaciones de microhidráulica. La típica turbina hidráulica se usa en centrales de generación eléctrica sea centrales de pasada o centrales de embalse. • Las turbinas a vapor: en este caso el fluido de trabajo es vapor de agua (típicamente). Aunque también hay instancias en que se han
  • 6. fabricado usando otro vapor de trabajo (Mercurio, Propano u otro). Las típicas turbinas de vapor se dividen en de acción y de reacción. La turbina a vapor típicamente se usan en centrales térmicas de generación eléctrica. Estos son sistemas de combustión externa (el calor se usa para calentar el fluido de trabajo en forma indirecta en caldera). • Las turbinas a gas: Son las más recientes. Si bien hay intentos de fabricarlas a inicios de este siglo, el primer ensayo exitoso es solo de 1937. Difieren de las anteriores en el sentido de que se realiza combustión dentro de la máquina. Por lo tanto el fluido de trabajo son gases de combustión (de allí su nombre). Si bien la turbina a gas es un motor de combustión interna y su ciclo tiene puntos en común con los ciclos Otto o Diesel, tiene una diferencia fundamental. Se trata (igual que todas las turbinas) de máquina de funcionamiento continuo. Es decir, en régimen permanente cada elemento de ella está en condición estable. ANTECEDENTES BÁSICOS SOBRE EL FUNCIONAMIENTO: Ciclo Utilizado: El ciclo de la turbina a gas es el ciclo Joule o Brayton. Este se ilustra en la figura T.1. en un diagrama p-V y uno T-S. En la figura T.2, se ilustra el ciclo en diagrama de bloques. Consta de las siguientes evoluciones: • En 1 se toma aire ambiente. Este se comprime hasta 2 según una adiabática (idealmente sin roce, normalmente una politrópica con roce). o Luego el aire comprimido se introduce a una cámara de combustión. Allí se le agrega una cierta cantidad de combustible y este se quema. Al producirse la combustión se realiza la evolución 2-3. Típicamente esta es isobárica (o casi isobárica, pues se pierde un poco de presión por roce). Como a la cámara de combustión entra tanto fluido como el que sale, la presión casi no varía. La temperatura T3 es una temperatura crítica, pues corresponde a la mayor temperatura en el ciclo. Además también es la mayor presión. Por lo tanto los elementos sometidos a T3 serán los más solicitados.
  • 7. A continuación viene la expansión de los gases hasta la presión ambiente. Esta expansión la debemos dividir en dos fases. En la primera (de 3 a 3') el trabajo de expansión se recupera en una turbina que sirve para accionar el compresor. En la segunda fase (de 3' a 4) existen dos opciones: o Si entre 3' y 4 se instala una turbina, el trabajo de expansión se convierte en trabajo mecánico. Se trata de un turbopropulsor o lo que comúnmente se llama turbina a gas. o Si entre 3' y 4 se sigue con la expansión de los gases en una tobera, el trabajo de expansión se convierte en energía cinética en los gases. Esta energía cinética sirve para impulsar el motor. Se trata de un turboreactor o lo que comúnmente se llama un motor a reacción. • Finalmente los gases de combustión se evacúan a la atmósfera en 4. La evolución 4-1 es virtual y corresponde al enfriamiento de los gases hasta la temperatura ambiente. Si bien este ciclo se realiza normalmente como ciclo abierto, también es posible realizarlo como ciclo cerrado. Es decir tener un fluido de trabajo que siga las evoluciones del ciclo. Entre 2 y 3 se le aporta calor externo y entre 4 y 1 se le extrae. También es posible realizarlo sin combustión interna, haciendo un aporte de calor entre 2 y 3. Esto se ha hecho en algunos motores solares en que se opera según un ciclo Brayton. Diagrama de Bloques: A continuación veremos como se visualiza el ciclo de Joule en un diagrama de bloques. Las componentes principales de la máquina son: • Un turbocompresor que toma el aire ambiente (a p1 y T1) y lo comprime hasta p2 (evolución 1 - 2). Este proceso se puede suponer adiabático. Idealmente es sin roce, pero en general es politrópica con roce. • Luego el aire comprimido a p2 pasa a la cámara de combustión. Allí se le agrega una cierta cantidad de combustible el que se quema. Al quemarse la mezcla, la temperatura de los gases sube hasta T3. La combustión es prácticamente isobárica (evolución 2 - 3). • A continuación los gases calientes y a alta
  • 8. presión se expanden en la turbina T1. Esta Alternativa 1: Turbopropulsor turbina acciona el turbocompresor por medio de un eje. La expansión en la turbina es hasta las condiciones 3'. Idealmente es expansión adiabática sin roce, pero en general es politrópica con roce (evolución 3 - 3'). • Luego los gases de escape se siguen expandiendo a través de una segunda turbina de potencia hasta alcanzar la presión ambiente (p4, evolución 3' - 4).Esta turbina de potencia entrega trabajo al exterior. Típicamente el trabajo se usa para accionar un generador o bien otro mecanismo (hélice en el caso de aviones con turbopropulsor o aspas en un helicóptero). Este caso es similar al anterior hasta el punto 3'. La diferencia estriba en que de allí en adelante, la segunda turbina es reemplazada por una tobera. El potencial de presión de los gases de escape en 3' es convertido en energía cinética. Los gases salen a C4. Es decir el trabajo de expansión se convierte en energía cinética y los gases salen del motor a gran velocidad, produciendo un empuje por efecto del principio de acción y reacción. El caso se ilustra en la figura de al lado, la que representa un turboreactor de flujo simple. Esto quiere Alternativa 2: Turboreactor decir que todoel aire pasa por la cámara de combustión y turbina. Cogeneración Los sistemas de cogeneración son sistemas de producción conjunta de electricidad (o energía mecánica) y de energía térmica útil (calor) partiendo de un único combustible. El gas natural es la energía primaria más utilizada para el funcionamiento de las centrales de cogeneración de electricidad calor, las cuales funcionan con turbinas o motores de gas. No obstante, también se pueden utilizar fuentes de energía renovables y residuos como biomasa o residuos que se incineran. En un proceso de cogeneración, el calor se presenta en forma de vapor de agua a alta presión o en forma de agua caliente. Por ejemplo, se puede utilizar el vapor caliente que sale de una turbina de producción de energía eléctrica,
  • 9. para suministrar energía para otros usos. Hasta hace poco lo usual era dejar que el vapor se enfriara, pero con esta técnica, con el calor que le queda al vapor se calienta agua para distintos usos. El aprovechamiento del calor residual, los sistemas de cogeneración presentan rendimientos globales del orden del 85%, lo que implica que el aprovechamiento simultáneo de electricidad y calor favorezca la obtención de elevados índices de ahorro energético, así como una disminución importante de la factura energética, sin alterar el proceso productivo, ahorro energético que se incrementa notablemente si se utilizan energías residuales. En una central eléctrica tradicional los humos salen directamente por la chimenea, mientras que en una planta de cogeneración los gases de escape se enfrían transmitiendo su energía a un circuito de agua caliente/vapor. Una vez enfriados los gases de escape pasan a la chimenea. Las centrales de cogeneración de electricidad-calor pueden alcanzar un rendimiento energético del orden del 90%. El procedimiento es más ecológico, ya que durante la combustión el gas natural libera menos dióxido de carbono (CO2) y óxido de nitrógeno (NOX) que el petróleo o el carbón. El desarrollo de la cogeneración podría evitar la emisión de 127 millones de toneladas de CO2 en la UE en 2010 et de 258 millones de toneladas en 2020, ayudando a cumplir los objetivos fijados en el Protocolo de Kioto. La producción de electricidad por cogeneración representó en la UE en 1998 el 11% del total. Si se lograra aumentar hasta un 18%, el ahorro de energía podría llegar a ser del 3-4% del consumo bruto total de la UE. Además, son cada vez más numerosas las aplicaciones que se le está dando a esta técnica, tanto en usos industriales, como en hospitales, hoteles, etc. • VENTAJAS: o Ahorra energía y mejora la seguridad del abastecimiento. o Disminuye las pérdidas de la red eléctrica, especialmente porque las centrales de cogeneración se suelen situar próximas a los lugares de consumo o Aumenta la competencia entre los productores o Permite crear nuevas empresas
  • 10. o Se adapta bien a las zonas aisladas o ultraperiféricas • SISTEMAS DE COGENERACIÓN Plantas con motores alternativos Utilizan gas, gasóleo o fuel-oil como combustible. Son muy eficientes eléctricamente, pero son poco eficientes térmicamente. El sistema de recuperación térmica se diseña en función de los requisitos de la industria y en general se basan en la producción de vapor a baja presión (hasta 10 bares), aceite térmico y en el aprovechamiento del circuito de alta temperatura del agua de refrigeración del motor. Son también adecuadas la producción de frío por absorción, bien a través del vapor generado con los gases en máquinas de doble efecto, o utilizando directamente el calor del agua de refrigeración en máquinas de simple efecto. Plantas con turbinas de vapor En estos sistemas, la energía mecánica se produce por la expansión del vapor de alta presión procedente de una caldera convencional. El uso de esta turbina fue el primero en cogeneración. Actualmente su aplicación ha quedado prácticamente limitada como complemento para ciclos combinados o en instalaciones que utilizan combustibles residuales, como biomasa o residuos que se incineran. La aplicación conjunta de una turbina de gas y una turbina de vapor es lo que se denomina " Ciclo Combinado". Plantas con turbinas de gas En los sistemas con turbina de gas se quema combustible en un turbogenerador, cediendo parte de su energía para producir energía mecánica. Su rendimiento de conversión es inferior al de los motores alternativos, pero presentan la ventaja de que permiten una recuperación fácil del calor, que se encuentra concentrado en su práctica totalidad en sus gases de escape, que está a una temperatura de unos 500ºC, idónea para producir vapor en un generador de recuperación. Se diferencian 2 tipos de ciclos: (1) simple, cuando el vapor se produce a la presión de utilización del usuario; y (2) combinado, cuando el vapor se produce a alta presión y temperatura para su expansión previa en una turbina de vapor. • Ciclo simple Es la planta clásica de cogeneración y su aplicación es adecuada cuando los requisitos de vapor son importantes (>10 t/h), situación que se encuentra fácilmente en numerosas industrias (alimentación, química, papelera). Son plantas de gran fiabilidad y
  • 11. económicamente rentables cuando están diseñadas para una aplicación determinada. El diseño del sistema de recuperación de calor es fundamental, pues su economía está directamente ligada al mismo, ya que a diferencia de las plantas con motores alternativos el precio del calor recuperado es esencial en un ciclo simple de turbina de gas. • Ciclo combinado Un ciclo combinado ayuda a absorber una parte del vapor generado en el ciclo simple y permite, por ello, mejorar la recuperación térmica, o instalar una turbina de gas de mayor tamaño cuya recuperación térmica no estaría aprovechada si no se utilizara el vapor en una segunda turbina de contrapresión. En un ciclo combinado el proceso de vapor es esencial para lograr la eficiencia del mismo. La selección de la presión y la temperatura del vapor vivo se hace en función de las turbinas de gas y vapor seleccionadas, selección que debe realizarse con criterios de eficiencia y economía. Por ello se requiere la existencia de experiencias previas e "imaginación responsable" para crear procesos adaptados a un centro de consumo, que al mismo tiempo dispongan de gran flexibilidad que posibilite su trabajo eficiente en situaciones alejadas del punto de diseño. Una variante del ciclo combinado, es el ciclo combinado a condensación • Ciclo combinado a condensación Variante del ciclo combinado de contrapresión clásico, se basa en procesos estrictamente cogenerativos. Se basa en una gran capacidad de regulación ante demandas de vapor muy variables. El proceso clásico de regulación de una planta de cogeneración consiste en evacuar gases a través del by-pass cuando la demanda de vapor es menor a la producción y utilizar la post-combustión cuando sucede lo contrario. Bajando sensiblemente su potencia, no se consigue su adaptación a la demanda de vapor, debido a una importante bajada en el rendimiento de recuperación, ya que los gases de escapa mantienen prácticamente su caudal y bajan ostensiblemente su temperatura. Por ellos, las pérdidas de calor se mantienen prácticamente constantes, y la planta deja de cumplir los requisitos de rendimiento. Por contra, un ciclo de contrapresión y condensación permite aprovechar la totalidad del vapor generado, regulando mediante la
  • 12. condensación del vapor que no puede usarse en el proceso, produciendo una cantidad adicional de electricidad. Trigeneración Se basa en la producción conjunta de calor, electricidad y frío. Una planta de trigeneración es similar a una de cogeneración, a la que se le ha añadido un sistema de absorción para la producción de frío. No obstante existen una serie de diferencias. La trigeneración, permite a la cogeneración, que inicialmente, no era posible en centros que no consumieran calor, acceder a centros que precisen frío que se produzca con electricidad. Facilita a la industria del sector alimentario ser cogeneradores potenciales. Asimismo, permite la utilización de cogeneración en el sector terciario (hoteles, hospitales, etc.) donde además de calor se requiere frío para climatización, y que debido a la estacionalidad de estos consumos (calor en invierno, frío en verano) impedía la normal operación de una planta de cogeneración clásica. Esta modalidad de cogeneración tiene más aplicaciones: • Aplicaciones de secado. Especialmente en industria cerámica que utilizada atomizadores. Son plantas muy simples y económicas, ya que los gases calientes generados por una turbina o un motor se utilizan directamente en el proceso de secado. • Aplicaciones en la industria textil. • Calefacción y refrigeración. • Aplicaciones para industrias medioambientales, como plantas depuradoras de tipo biológico, o de concentración de residuos o de secado de fangos, etc, al demandar calor son potencialmente cogeneradoras. En estas aplicaciones puede ser un factor importante para la reducción del coste de tratamiento de os residuos. Motor alternativo En los sistemas basados en motores alternativos, el elemento motriz es un motor de explosión. El calor recuperable se encuentra en forma de gases calientes y agua caliente ( Circuito Refrigeración ). Tipo Ventajas Desventajas Turbina de Amplia gama de gas aplicaciones Muy fiable Limitación en los combustibles Elevada temperatura de la energía térmica Rango desde 0,5 a 100 Tiempo de vida relativamente MW corto
  • 13. Gases con alto contenido en oxígeno Rendimiento global muy alto Baja relación electricidad/calor Extremadamente segura Posibilidad de emplear Turbina de todo tipo de No permite alcanzar altas vapor combustibles potencias eléctricas Larga vida de servicio Amplia gama de potencias Pues en marcha lenta Coste elevado Elevada relación electricidad/calor Alto rendimiento Alto coste de mantenimiento eléctrico Motor alternativo Bajo coste Tiempo de vida largo Energía térmica muy Capacidad de distribuida y a baja adaptación a variaciones temperatura de la demanda