Central Térmica y Central Térmica Ciclo Combinado

CENTRAL TÉRMICA CONVENCIONAL

1. ¿Qué es una central térmica convencional?

En las centrales térmicas convencionales (o termoeléctricas convencionales) se produce electricidad a partir de combustibles fósiles como carbón, fueloil o gas natural, mediante un ciclo termodinámico de agua-vapor. El término ‘convencionales’ sirve para diferenciarlas de otras centrales térmicas, como las nucleares o las de ciclo combinado.

2. Componentes principales de una central térmica convencional

• Caldera. En este espacio el agua se transforma en vapor, cambiando su estado. Esta acción se produce gracias a la combustión del gas natural (o cualquier otro combustible fósil que pueda utilizar la central), con la que se generan gases a muy alta temperatura que al entrar en contacto con el agua líquida la convierten en vapor.

El agua que se transforma en vapor circula por unas cañerías llamadas serpentines, donde se produce el intercambio de calor entre los gases de la combustión y el agua.

• Turbina de vapor. Máquina que recoge el vapor de agua y que, gracias a un complejo sistema de presiones y temperaturas, consigue que se mueva el eje que la atraviesa. Esta turbina normalmente tiene varios cuerpos, de alta, media y baja presión, para aprovechar al máximo el vapor de agua.

El eje que atraviesa los diferentes cuerpos está conectado con el generador.

• Generador. Máquina que recoge la energía mecánica generada en el eje que atraviesa la turbina y la transforma en eléctrica mediante inducción electromagnética. Las centrales eléctricas transforman la energía mecánica del eje en una corriente eléctrica trifásica y alterna.

3. Funcionamiento de una central térmica convencional

El funcionamiento de las centrales termoeléctricas convencionales es el mismo independientemente del combustible que se utilice.

Sin embargo, sí hay diferencias en el tratamiento previo que se hace al combustible y del diseño de los quemadores de las calderas de las centrales. 

• Centrales de carbón. Donde el combustible debe ser triturado previamente.
• Centrales de fueloil. Donde el combustible se calienta para una utilización más fácil.
• Centrales de gas natural. Que no precisa almacenaje, llegando así directamente porgaseoductos. 
• Centrales mixtas. Que pueden utilizar diferentes combustibles, siendo necesarios los tratamientos previos anteriormente citados.

Una vez el combustible está en la caldera, se quema. Esto provoca que se produzca energía calorífica que se utilizará para calentar agua y así transformarla en vapor a una presión muy elevada.

A partir de este vapor se hace girar una turbina y un alternador para que este produzca electricidad.

La electricidad generada pasa por un transformador para aumentar su tensión y así transportarla reduciendo las pérdidas por Efecto Joule.

El vapor que sale de la turbina se envía a un elemento llamado condensador para convertirlo en agua y así retornarlo a la caldera para empezar un nuevo ciclo de producción de vapor.

En el siguiente juego interactivo puedes conocer de una manera más gráfica el funcionamiento de una central térmica convencional.

4. Impactos medioambientales de las centrales térmicas convencionales

La incidencia de este tipo de centrales sobre el medio ambiente se produce de dos maneras básicas:

Emisión de residuos a la atmósfera

 Este tipo de residuos provienen de la combustión de los combustibles fósiles que utilizan las centrales térmicas convencionales para funcionar y producir electricidad. Esta combustión genera partículas que van a parar a la atmósfera, pudiendo perjudicar el entorno del planeta.

Por eso, las centrales térmicas convencionales disponen de chimeneas de gran altura que dispersan estas partículas y reducen, localmente, su influencia negativa en el aire.

Además, las centrales termoeléctricas disponen de filtros de partículas que retienen una gran parte de estas, evitando que salgan al exterior.

Transferencia térmica

Algunas centrales térmicas (las denominadas de ciclo abierto) pueden provocar el calentamiento de las aguas del río o del mar.

Este tipo de impactos en el medio se solucionan con la utilización de sistemas de refrigeración, cuya tarea principal es enfriar el agua a temperaturas parecidas a las normales para el medio ambiente y así evitar su calentamiento.

CENTRAL TÉRMICA DE CICLO COMBINADO

1. ¿Qué es una central térmica de ciclo combinado?

 La central térmica de ciclo combinado es aquella donde se genera electricidad mediante la utilización conjunta de dos turbinas:

• Un turbogrupo de gas
• Un turbogrupo de vapor

Es decir, para la transformación de la energía del combustible en electricidad se superponen dos ciclos:

• El ciclo de Brayton (turbina de gas): toma el aire directamente de la atmósfera y se somete a un calentamiento y compresión para aprovecharlo como energía mecánica o eléctrica.
• El ciclo de Rankine (turbina de vapor): donde se relaciona el consumo de calor con la producción de trabajo o creación de energía a partir de vapor de agua. 

2. Ventajas del Ciclo Combinado

Las características principales de las centrales térmicas de ciclo combinado son:

• Flexibilidad. La central puede operar a plena carga o cargas parciales, hasta un mínimo de aproximadamente el 45% de la potencia máxima.
• Eficiencia elevada. El ciclo combinado proporciona mayor eficiencia por un margen más amplio de potencias.
• Sus emisiones son más bajas que en las centrales térmicas convencionales.
• Coste de inversión bajo por MW instalado.
• Periodos de construcción cortos.
• Menor superficie por MW instalado si lo comparamos con las centrales termoeléctricas convencionales (lo que reduce el impacto visual).
• Bajo consumo de agua de refrigeración.
• Ahorro energético en forma de combustible

3. Partes fundamentales de una central de ciclo combinado

Para entender el funcionamiento de una central térmica de ciclo combinado hay que conocer primero las partes que la forman:

• Turbina de gas. Que consta de:
  • Compresor, cuya función es inyectar el aire a presión para la combustión del gas y la refrigeración de las zonas calientes.
  • Cámara de combustión, donde se mezcla el gas natural (combustible) con el aire a presión, produciendo la combustión.
  • Turbina de gas, donde se produce la expansión de gases que provienen de la cámara de combustión.

Consta de tres o cuatro etapas de expansión y la temperatura de los gases en la entrada está alrededor de 1.400ºC saliendo de la turbina a temperaturas superiores a los 600ºC.  

• Caldera de recuperación. En esta caldera convencional, el calor de los gases que provienen de la turbina de gas se aprovecha en un ciclo de agua-vapor.
• Turbina de vapor. Esta turbina acostumbra a ser de tres cuerpos y está basada en la tecnología convencional.

Es muy habitual que la turbina de gas y la turbina de vapor se encuentren acopladas a un mismo eje de manera que accionan un mismo generador eléctrico. 

Turbina de vapor del Bloque V de la Central Térmica de Ciclo Combinado

4. Funcionamiento de una central de ciclo combinado

En primer lugar el aire es comprimido a alta presión en el compresor, pasando a la cámara de combustión donde se mezcla con el combustible.

A continuación, los gases de combustión pasan por la turbina de gas donde se expansionan y su energía calorífica se transforma en energía mecánica, transmitiéndolo al eje.

Los gases que salen de la turbina de gas se llevan a una caldera de recuperación de calor para producir vapor, a partir de este momento tenemos un ciclo agua-vapor convencional.

A la salida de la turbina el vapor se condensa (transformándose nuevamente en agua) y vuelve a la caldera para empezar un nuevo ciclo de producción de vapor.

Actualmente la tendencia es acoplar la turbina de gas y la turbina de vapor a un mismo eje, de manera que accionan conjuntamente un mismo generador eléctrico.

5. Impactos medioambientales de les centrales de ciclo combinado

La utilización de gas natural para la generación de electricidad mediante la tecnología del ciclo combinado se encuentra dentro de la política medioambiental de un gran número de países, ya que ofrece un gran número de ventajas en comparación con el resto de tecnologías de producción eléctrica.

En concreto, las emisiones de CO ₂ en relación a los kWh producidos son menos de la mitad de las emisiones de una central convencional de carbón.

6. CENTRALES NUCLEARES

Son instalaciones similares a las centrales termoeléctricas clásicas de combustibles fósiles, con el calor generado en un reactor de fisión. El reactor está encerrado dentro de una vasija de acero de 20 cm de grosor. El refrigerante se introduce por la parte inferior del reactor y calor que recoge se aprovecha para hacer girar turbinas de vapor que, a su vez, impulsan a un alternador para producir energía eléctrica.

La vasija está en el interior de un edificio de contención, construido con paredes de hormigón de hasta 5 m de grosor, recubiertas interiormente por un revestimiento de acero. Dentro de este edificio se alberga todo el material que tenga contacto con la radiactividad, incluso se mantiene una ligera depresión del aire en el interior para que no haya escapes, y hay unas piscinas para almacenamiento de combustible nuevo y gastado. Otro edificio contiguo alberga las instalaciones auxiliares de control y generación. Estas centrales se denominan centrales de neutrones lentos o térmicos, y existen dos tipos, dependiendo de que el circuito de agua que pasa por el reactor pase o no por la turbina:

• Centrales de agua en ebullición (BWR)

Tienen un circuito primario de agua que pasa por el reactor y tras evaporarse, el vapor pasa por la turbina. Un circuito secundario condensa el agua del circuito primario.

• Centrales de agua a presión (PWR)

Eel circuito primario de agua que pasa por el reactor y se usa para evaporar agua de un circuito secundario, y este vapor es el que pasa por la turbina. Un circuito terciario condensa el agua del circuito secundario.

Las nuevas investigaciones avanzan en el campo de centrales de neutrones rápidos, en las cuales no hay moderador y el combustible es plutonio-239. Además, se aprovecha el plutonio procedente de la desmantelación de armamento nuclear. Aunque se utilizan tecnologías muy avanzadas, los rendimientos de las centrales termonucleares tienen valores alrededor del 0,08%. En climas muy fríos se aprovecha el calor residual como calefacción, con lo que el rendimiento de la cogeneración alcanza hasta el 2,5 %.