CENTRALES TERMOELÉCTRICAS

CAPÍTULO IX

CENTRALES TERMOELÉCTRICAS

9.1 INTRODUCCIÓNUna central termoeléctrica o central térmica es una instalación empleada para 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. Este tipo de generación eléctrica es contaminante pues libera dióxido de carbono.

Por otro lado, también existen centrales termoeléctricas que emplean fisión nuclear del uranio para producir electricidad. Este tipo de instalación recibe el nombre de central nuclear1

9.2 CENTRALES TERMOELÉCTRICAS DE CICLO COMBINADO En la actualidad se están construyendo numerosas centrales termoeléctricas de las denominadas de ciclo combinado, que son un tipo de central que utiliza gas natural, gasóleo o incluso carbón preparado como combustible para alimentar una turbina de gas. Luego los gases de escape de la turbina de gas todavía tienen una elevada temperatura, se utilizan para producir vapor que mueve una segunda turbina, esta vez de vapor. Cada una de estas turbinas está acoplada a su correspondiente alternador para generar la electricidad como en una central termoeléctrica clásica.

Normalmente durante el proceso de partida de estas centrales, sólo funciona la turbina de gas, a este modo de operación se le llama ciclo abierto. Si bien la mayoría de las centrales de este tipo pueden intercambiar el combustible (entre gas y diesel) incluso en funcionamiento. Al funcionar con petroleo diesel ven afectada su potencia de salida (baja un 10% aprox.), y los intervalos entre mantenimientos mayores y fallas, se reducen fuertemente.

Como la diferencia de temperaturas que se produce entre la combustión y los gases de escape es más alta que en el caso de una turbina de gas o una de vapor, se consiguen rendimientos muy superiores, del orden del 55%.

1 WIKIPEDIA Enciclopedia Libre

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En los últimos tiempos se viene desarrollando una nueva tecnología, la Gasificación integrada en ciclo combinado (GICC), que mediante un sistema de gasificación del carbón, reduce ostensiblemente las emisiones contaminantes a la atmósfera.

9.3 IMPACTO AMBIENTALLa emisión de residuos a la atmósfera y los propios procesos de combustión que se producen en las centrales térmicas tienen una incidencia importante sobre el medio ambiente. Para tratar de paliar, en la medida de lo posible, los daños que estas plantas provocan en el entorno natural, se incorporan a las instalaciones diversos elementos y sistemas.

El problema de la contaminación es máximo en el caso de las centrales termoeléctricas convencionales que utilizan como combustible carbón. Además, la combustión del carbón tiene como consecuencia la emisión de partículas y ácidos de azufre.3 En las de fueloil los niveles de emisión de estos contaminantes son menores, aunque ha de tenerse en cuenta la emisión de óxidos de azufre y hollines ácidos, prácticamente nulos en las plantas de gas.

En todo caso, en mayor o menor medida todas ellas emiten a la atmósfera dióxido de carbono, CO2. Según el combustible, y suponiendo un rendimiento del 40% sobre la energía primaria consumida, una central térmica emite aproximadamente:

COMBUSTIBLE EMISIÓN DE CO2 KG/KWHGas natural 0,44Fuelóleo 0,71Biomasa (leña, madera) 0,82Carbón 1,45

Las centrales de gas natural pueden funcionar con el llamado ciclo combinado, que permite rendimientos mayores (de hasta un poco más del 50%), lo que todavía haría las centrales que funcionan con este combustible menos contaminantes.

9.4 VENTAJAS E INCONVENIENTES 9.4.1 VENTAJAS Son las centrales más baratas de construir (teniendo en cuenta el precio por megavatio instalado), especialmente las de carbón, debido a la simplicidad

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(comparativamente hablando) de construcción y la energía generada de forma masiva.

Las centrales de ciclo combinado de gas natural son mucho más baratas (alcanzan el 50%) que una termoeléctrica convencional, aumentando la energía térmica generada (y por tanto, las ganancias) con la misma cantidad de combustible, y rebajando las emisiones citadas más arriba en un 120%, 0,35 kg de CO2, por kwh producido.

9.4.2 INCONVENIENTES El uso de combustibles fósiles 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 combustibles fósiles una fuente de energía finita, su uso está ilimitado a la duración de las reservas y/o su rentabilidad económica.

Sus emisiones térmicas y de vapor pueden alterar el microclima local.

Afectan negativamente a los ecosistemas fluviales debido a los vertidos de agua caliente en estos.

Su rendimiento (en muchos casos) es nulo (comparado con el rendimiento ideal), a pesar de haberse realizado grandes mejoras en la eficiencia (un 90-91% de la energía liberada en la combustión se convierte en electricidad, de media).

9.5 GENERADORES DIESEL Estos generadores trabajan con la quema de combustible exactamente de la misma manera que el motor de un automóvil o camión lo hace. La única diferencia que tienen los de diesel, como lo dice el nombre, queman combustible diesel. El combustible diesel se quema de manera más caliente y más eficiente que el combustible normal y, en estos días, a veces puede ser incluso más barato. El inconveniente es que produce un sonido más fuerte al funcionar, es más difícil controlar la contaminación ambiental en el motor, aunque son generadores diesel, destinados a combatir esta dificultad, y, si no se tratan adecuadamente, pueden producir más contaminación.

A causa del aumento de potencia de generadores diesel, a menudo se utilizan para problemas que exigen más poder y más fuerza. Los

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generadores Industriales la mayoría de las veces son generadores diesel, ya que sólo los generadores diesel pueden manejar el tipo de energía necesaria para atender la variada carga de las aplicaciones industriales. Los generadores diesel se ven a menudo en aplicaciones marinas, desde pequeñas embarcaciones hasta buques de tamaño considerable. De hecho, son cada vez más populares para el uso a bordo de buques de gran calado, simplemente porque, a diferencia de otras alternativas, los generadores diesel no necesitan ser colocados cerca de las hélices, esta mayor flexibilidad libera espacio valioso para un buque de carga, y todavía genera una potencia fuerte y confiable para todo el buque. Los generadores diesel a menudo se utilizan también para situaciones que requieren una gran cantidad de energía fiable, en contraposición del uso de generadores de combustible normal para trabajos más pequeños y esporádicos. Un generador de gasolina, por ejemplo, podría utilizarse para mantener una red de computadoras o el agua caliente de un balneario en funcionamiento en caso de un apagón.

A menudo, sobre todo las grandes aplicaciones - hospitales de las grandes ciudades, por ejemplo - requieren que esté disponible una gran cantidad de energía con sólo apretar un botón. Las bases militares, especialmente las aisladas, son otro ejemplo, como también lo son las bases remotas de investigación y otras instalaciones similares. Estos requisitos exigen aún más que la capacidad de un generador diesel. ¿La solución? Múltiples generadores diesel. En casos como estos, varios generadores industriales diesel están unidos entre sí con tanques de combustible amplios y de alta capacidad para obtener un tiempo de generación considerable, en una masiva y poderosa "central eléctrica" diesel.

Como no hay dos generadores diesel que funcionen exactamente igual, esto puede causar problemas al equipo y, por tanto, los operadores deben administrarlo y operarlo correctamente, para que las plantas de energía vinculadas trabajen correctamente, los generadores diesel tienen que estar sincronizados con el fin de evitar cortocircuitos y el extremo desgaste del equipo, debido a los ciclos de la dinamo que hace que el generador pueda producir energía recuerde, un generador funciona exactamente igual que un motor, pero a la inversa. Si fuera a enviar la electricidad a un generador diesel en vez de sacar energía de él, la dinamo de adentro giraría exactamente igual que la llanta de un coche. Del mismo modo, si engancha

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cables de conexión a un coche donde por lo general se conectan el motor, y luego hace girar las llantas, le generaría una (aunque pequeña, a no ser que fueran capaces de girar las llantas muy rápido) corriente eléctrica utilizando el coche. Por lo tanto, cuando una planta de energía genera energía y, a continuación, la envía a otra planta de energía, la reacción automática es mover el motor fuera de la fuerza del diesel. Esto, combinado con el diesel en sí, por supuesto, puede provocar problemas, por lo que la necesidad de sincronización es muy importante. Esto se logra a través de un módulo de control del motor, también conocido como un sincronizador automático, el sincronizador lee el voltaje y la corriente, regulando las salidas de los generadores para mantenerlos funcionando sin dificultades en paralelo. Obviamente, el sincronizador es una parte absolutamente esencial de cualquier Planta de energía de generadores diesel creada.

El consumo de combustible es la cantidad de combustible que el motor consume en una hora.

9.5.1 EFICIENCIA DE COMBUSTIBLE: Con este término se relaciona el consumo de combustible con la productividad, indica con cuanta eficiencia el motor convierte la energía térmica del combustible en potencia utilizable.

En los motores la eficiencia del combustible se expresa en litros o galones por potencia (hp) usados o consumidos en una hora.

Ventajas del motor diesel sobre el motor de gasolina

1) Economía de combustible: Los motores diesel tienen una relación de compresión más alta por lo que queman el combustible más eficientemente.

2) Fiabilidad: Los motores diesel no poseen sistema de encendido eléctrico que pueda fallar o que tenga que ser mantenido se construyen con piezas para servicio pesado para soportar las altas relaciones de compresión y para funcionar por largos periodos de tiempo con paralizaciones mínimas.

3) Potencia: Dependiendo del tamaño del motor los motores diesel

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producen más par motor y una mayor salida de potencia que los motores a gasolina.

9.6 FUNDAMENTOS DEL FUNCIONAMIENTO DEL MOTORLos motores diesel pueden fabricarse en variadas configuraciones pero para la mayoría los componentes y las condiciones de operación son los mismos: Altas temperaturas, cargas y esfuerzos pesados, largas horas de servicio. La unidad básica del motor es el pistón que se mueve hacia arriba y hacia abajo dentro de un cilindro a medida que el aire se comprime dentro del cilindro se inyecta combustible a alta presión sobre la parte superior del pistón, este se mezcla con el aire caliente y se inflama produciéndose la combustión, esta fuerza empuja el pistón y la biela hacia abajo haciendo girar el cigüeñal y el volante, los cuales impulsan los otros componentes.

El motor diesel es un motor térmico de combustión interna cuyo encendido se logra por la temperatura elevada que produce la compresión del aire en el interior del cilindro. Fue inventado y patentado por Rudolf Diesel en 1892, del cual deriva su nombre. Fue diseñado inicialmente y presentado en la feria internacional de 1900 en París como el primer motor para "biocombustible", como aceite puro de palma o de coco. Diesel también reivindicó en su patente el uso de polvo de carbón como combustible, aunque no se utiliza por lo abrasivo que es.

Partes:

El motor diesel se constituye básicamente de las mismas partes que un motor de carburación, algunas de sus partes son:

Bloque, Culata, Cigüeñal, Volante, Pistón, Árbol de levas, Bomba de inyección, Ductos, Inyectores, Válvulas, Bomba de transferencia, Toberas

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Principio de funcionamiento

Bomba de inyección diesel de Citroën XUD.

Un motor diesel funciona mediante la ignición (quema) del combustible al ser inyectado en una cámara (o precámara, en el caso de inyección indirecta) de combustión que contiene aire a una temperatura superior a la temperatura de autocombustión, sin necesidad de chispa. La temperatura que inicia la combustión procede de la elevación de la presión que se produce en el segundo tiempo del motor, la compresión. El combustible se inyecta en la parte superior de la cámara de compresión a gran presión, de forma que se atomiza y se mezcla con el aire a alta temperatura y presión. Como resultado, la mezcla se quema muy rápidamente. Esta combustión ocasiona que el gas contenido en la cámara se expanda, impulsando el pistón hacia abajo. La biela transmite este movimiento al cigüeñal, al que hace girar, transformando el movimiento lineal del pistón en un movimiento de rotación.

Para que se produzca la autoinflamación es necesario pre-calentar el aceite-combustible o emplear combustibles más pesados que los empleados en el motor de gasolina, empleándose la fracción de destilación del petróleo fluctuando entre los 220 °C y 350 °C, que recibe la denominación de gasóleo o gasoil en Inglés.

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9.7 VENTAJAS Y DESVENTAJASLa principal ventaja de los motores diesel, comparados con los motores a gasolina, es su bajo consumo de combustible. Debido a la constante ganancia de mercado de los motores diesel en turismos desde la década de 1990 (en muchos países europeos ya supera la mitad), el precio del combustible ha superado a la gasolina debido al aumento de la demanda. Este hecho ha generado quejas de los consumidores de gasóleo, como es el caso de transportistas, agricultores o pescadores.

En automoción, las desventajas iniciales de estos motores (principalmente precio, costos de mantenimiento y prestaciones) se están reduciendo debido a mejoras como la inyección electrónica y el turbocompresor. No obstante, la adopción de la precámara para los motores de automoción, con la que se consiguen prestaciones semejantes a los motores de gasolina, presenta el inconveniente de incrementar el consumo, con lo que la principal ventaja de estos motores prácticamente desaparece.

Actualmente se está utilizando el sistema common-rail en los vehículos automotores pequeños. Este sistema brinda una gran ventaja, ya que se consigue un menor consumo de combustible, mejores prestaciones del

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motor, menor ruido (característico de los motores diesel) y una menor emisión de gases contaminantes.

9.8 CICLO DEL DIESEL

Ciclo termodinámico de un motor diesel lento.

El ciclo del motor diesel lento (en contraposición al ciclo rápido, más aproximado a la realidad) ideal de cuatro tiempos es una idealización del diagrama del indicador de un motor Diesel, en el que se omiten las fases de renovado de la masa y se asume que el fluido termodinámico que evoluciona es un gas perfecto, en general aire. Además, se acepta que todos los procesos son ideales y reversibles, y que se realizan sobre el mismo fluido. Aunque todo ello lleva a un modelo muy aproximado del comportamiento real del motor, permite al menos extraer una serie de conclusiones cualitativas con respecto a este tipo de motores.

Consta de las siguientes fases:

1. Compresión, proceso 1-2: es un proceso de compresión adiabática reversible (isentrópica). Viene a simbolizar el proceso de

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compresión de la masa fresca en el motor real, en el que en el pistón, estando en el punto muerto inferior (PMI), empieza su carrera de ascenso, comprimiendo el aire contenido en el cilindro. Ello eleva el estado termodinámico del fluido, aumentando su presión, su temperatura y disminuyendo su volumen específico, en virtud del efecto adiabático. En la idealización, el proceso viene gobernado por la ecuación de la isentrópica , con k índice de politropicidad isentrópico.

2. Combustión, proceso 2-3: en esta idealización, se simplifica por un proceso isóbaro. Sin embargo, la combustión Diesel es mucho más compleja: en el entorno del punto muerto superior (PMS) (en general un poco antes de alcanzarlo debido a problemas relacionados con la inercia térmica de los fluidos), se inicia la inyección del combustible (en motores de automóviles, gasóleo, aunque basta con que el combustible sea lo suficientemente autoinflamable y poco volátil). El inyector pulveriza y atomiza el combustible, que, en contacto con la atmósfera interior del cilindro, comienza a evaporarse. Como quiera que el combustible de un motor Diesel tiene que ser muy autoinflamable (gran poder detonante), ocurre que, mucho antes de que haya terminado la inyección de todo el combustible, las primeras gotas de combustible inyectado se autoinflaman y dan comienzo a una primera combustión caracterizada por ser muy turbulenta e imperfecta, al no haber tenido la mezcla de aire y combustible tiempo suficiente como para homogeneizarse. Esta etapa es muy rápida, y en el presente ciclo se obvia, pero no así en el llamado ciclo Diesel rápido, en el que se simboliza como una compresión isócora al final de la compresión. Posteriormente, se da, sobre la masa fresca que no ha sido quemada, una segunda combustión, llamada combustión por difusión, mucho más pausada y perfecta, que es la que aquí se simplifica por un proceso isóbaro. En esta combustión por difusión se suele quemar en torno al 80% de la masa fresca, de ahí que la etapa anterior se suela obviar. Sin embargo, también es cierto que la inmensa mayoría del trabajo de presión y de las pérdidas e irreversibilidades del ciclo se dan en la combustión inicial, por lo que omitirla sin más sólo conducirá a un modelo imperfecto del ciclo Diesel. Consecuencia de la combustión es el elevamiento súbito del estado termodinámico del fluido, en realidad debido a la energía química liberada en la

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combustión, y que en este modelo ha de interpretarse como un calor que el fluido termodinámico recibe, y a consecuencia del cual se expande en un proceso isóbaro reversible.

3. Expansión, proceso 3-4: se simplifica por una expansión isentrópica del fluido termodinámico, hasta el volumen específico que se tenía al inicio de la compresión. En la realidad, la expansión se produce a consecuencia del elevado estado termodinámico de los gases tras la combustión, que empujan al pistón desde el PMS hacia el PMI, produciendo un trabajo. Nótese como, como en todo ciclo de motor de cuatro tiempos, sólo en esta carrera, en la de expansión, se produce un trabajo.

4. Última etapa, proceso 4-1: esta etapa es un proceso isocórico (escape). Desde la presión final de expansión hasta la presión inicial de compresión. En rigor, carece de cualquier significado físico, y simplemente se emplea ad hoc, para poder cerrar el ciclo ideal. Sin embargo, hay autores que no satisfechos con todas las idealizaciones realizadas, insisten en dar un significado físico a esta etapa, y la asocian el renovado de la carga, pues, razonan, es esto lo que se produce en las dos carreras que preceden a la compresión y siguen a la expansión: el escape de masa quemada y la admisión de masa fresca. No obstante, el escape es un proceso que requiere mucho más trabajo que el que implica este proceso (ninguno), y además ninguno de los dos procesos se da, ni por asomo, a volumen específico constante.

Es importante notar cómo, en el ciclo Diesel, no se deben confundir nunca los cuatro tiempos del motor con el ciclo termodinámico que lo idealiza, que sólo se refiere a dos de los tiempos: la carrera de compresión y la de expansión; el proceso de renovado de la carga cae fuera de los procesos del ciclo Diesel, y ni tan siquiera es un proceso termodinámico en el sentido estricto.

GLOSARIO

Adiabático. Transformación de un cuerpo sin que este ceda o reciba calorIsentrópico

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Isóbaro. De igual presión atmosférica, en un proceso isobárico la presión se mantiene siempre constante.Isócara, isómera o isométrica, es la evolución por ejemplo de la presión y la temperatura a volumen constanteIsentrópico. Transformación que tiene lugar sin variación de la entropía. Cualquier proceso adiabático reversible es isentrópicoPolitrópico. Evolución termodinámica de un gas, caracterizada por la constancia. O por la variación según una ley de alguna de las magnitudes características de dicho gas, presión, volumen específico o temperatura,Entalpía. Función termodinámica que, para un gas ideal, representa la suma de la energía interna del gas y del trabajo que este podría realizar mediante una expansión isóbara.Entropía. Función termodinámica cuya variación elemental, expresada por

indica la cantidad de calor que, en cada instante, un gas

intercambia con el exterior.

Grupo Diesel del Laboratorio de máquinas FNI

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