Un generador de vapor supercrítico es un tipo de caldera que opera a presión y temperatura supercríticas , frecuentemente utilizada en la producción de energía eléctrica .
A diferencia de una caldera subcrítica en la que se forman burbujas de vapor, un generador de vapor supercrítico funciona por encima de la presión crítica : 22 megapascales (3200 psi ) y la temperatura 374 °C (705 °F). En estas condiciones, la densidad del agua líquida disminuye suavemente sin cambio de fase, volviéndose indistinguible del vapor . La temperatura del agua cae por debajo del punto crítico a medida que trabaja en una turbina de alta presión y entra en el condensador del generador , lo que resulta en un uso ligeramente menor de combustible. La eficiencia de las plantas de energía con generadores de vapor supercríticos es mayor que con vapor subcrítico porque la eficiencia termodinámica está directamente relacionada con la magnitud de su caída de temperatura. A presión supercrítica, el vapor a mayor temperatura se convierte de manera más eficiente en energía mecánica en la turbina (como lo indica el teorema de Carnot ).
Técnicamente, el término "caldera" no debería utilizarse para un generador de vapor de presión supercrítica ya que no se produce ebullición.
Los generadores de vapor supercríticos contemporáneos a veces se denominan calderas Benson. [1] En 1922, Mark Benson obtuvo una patente para una caldera diseñada para convertir agua en vapor a alta presión.
La seguridad era la principal preocupación detrás del concepto de Benson. Los generadores de vapor anteriores estaban diseñados para presiones relativamente bajas de hasta aproximadamente 100 bar (10 MPa ; 1.450 psi ), lo que correspondía al estado de la técnica en el desarrollo de turbinas de vapor en ese momento. Una de sus características técnicas distintivas era el tambor separador de agua/vapor remachado. En estos tambores se terminaban los tubos llenos de agua después de haber pasado por el horno de la caldera.
Estos tambores colectores estaban destinados a llenarse parcialmente con agua y encima del agua había un espacio lleno de deflectores donde se acumulaban el vapor de agua y el vapor de la caldera. Las gotas de agua arrastradas eran recogidas por los deflectores y devueltas a la bandeja de agua. El vapor, en su mayor parte seco, se canalizaba fuera del tambor como salida de vapor separada de la caldera. Estos tambores eran a menudo la fuente de explosiones de calderas , normalmente con consecuencias catastróficas.
Sin embargo, este tambor podría eliminarse por completo si se evitara por completo el proceso de separación por evaporación. Esto sucedería si el agua ingresara a la caldera a una presión superior a la presión crítica (3206 libras por pulgada cuadrada, 22,10 MPa); se calentara a una temperatura superior a la temperatura crítica (706 °F, 374 °C) y luego se expandiera (a través de una boquilla simple) para formar vapor seco a una presión subcrítica menor. Esto podría obtenerse en una válvula de estrangulación ubicada aguas abajo de la sección del evaporador de la caldera.
A medida que la tecnología Benson fue evolucionando, el diseño de las calderas se fue alejando del concepto original introducido por Mark Benson. En 1929, una caldera de prueba construida en 1927 empezó a funcionar por primera vez en la central térmica de Gartenfeld, en Berlín, en modo subcrítico con una válvula de mariposa totalmente abierta. La segunda caldera Benson empezó a funcionar en 1930 sin válvula de presurización a presiones de entre 40 y 180 bares (4 y 18 MPa; 580 y 2.611 psi) en la fábrica de cables de Berlín. Esta aplicación supuso el nacimiento de la moderna caldera Benson de presión variable. Después de ese desarrollo, la patente original dejó de utilizarse. Sin embargo, se mantuvo el nombre de "caldera Benson".
1957: La Unidad 6 de la central eléctrica Philo en Philo, Ohio, fue la primera unidad generadora de vapor eléctrico supercrítico comercial del mundo [2] y podía funcionar a corto plazo a niveles ultrasupercríticos. [3] Hubo que esperar hasta 2012 para que se inaugurara la primera planta de carbón de EE. UU. diseñada para funcionar a temperaturas ultrasupercríticas: la planta de carbón John W. Turk Jr. en Arkansas . [4]
Se han proyectado dos innovaciones para mejorar los generadores de vapor de paso único [ cita requerida ] :
El 3 de junio de 2014, la organización de investigación del gobierno australiano CSIRO anunció que había generado "vapor supercrítico" a una presión de 23,5 MPa (3410 psi) y 570 °C (1060 °F) en lo que afirma es un récord mundial para la energía solar térmica. [5]
Estas definiciones sobre la generación de vapor se encontraron en un informe sobre la producción de carbón en China investigado por el Center for American Progress . [6]
El vapor de las centrales nucleares normalmente entra en las turbinas a valores subcríticos: para los generadores de vapor de tubo en U, 77 bar (1117 psi) y 294 °C (561 °F), con una temperatura y presión comparables para los generadores de vapor de paso único. [7]
El término "tecnología ultrasupercrítica avanzada" (AUSC) o "tecnología de 700 °C" se utiliza a veces para describir generadores donde el agua está a más de 700 °C (1292 °F). [8]
La industria del carbón ha utilizado el término alta eficiencia y bajas emisiones ("HELE") para describir la generación de carbón supercrítico y ultrasupercrítico. [9] [10]
Mitsubishi Hitachi Power Systems, líder en la industria (a partir de 2019), registra una eficiencia de generación de energía de ciclo combinado de turbina de gas ( valor calorífico inferior ) muy por debajo del 55 % para una temperatura de entrada de la turbina de gas de 1250 °C (2282 °F), aproximadamente el 56 % para 1400 °C (2552 °F), aproximadamente el 58 % para 1500 °C (2732 °F) y el 64 % para 1600 °C (2912 °F), todos los cuales superan ampliamente (debido a la eficiencia de Carnot) los umbrales para la tecnología AUSC o ultrasupercrítica, que aún están limitados por la temperatura del vapor. [11]