Una central eléctrica de vapor es una central eléctrica en la que el generador eléctrico es impulsado por vapor : el agua se calienta, se evapora y hace girar una turbina de vapor que impulsa un generador eléctrico. Después de pasar por la turbina, el vapor se condensa en un condensador . La mayor variación en el diseño de las centrales eléctricas de vapor se debe a las diferentes fuentes de combustible.
Casi todas las centrales eléctricas de carbón , nucleares , geotérmicas , solares térmicas , de incineración de residuos y muchas centrales eléctricas de gas natural son eléctricas de vapor. El gas natural se quema con frecuencia en turbinas de gas y calderas . El calor residual de una turbina de gas se puede utilizar para generar vapor en una planta de ciclo combinado que mejora la eficiencia general.
En todo el mundo, la mayor parte de la energía eléctrica se produce en plantas de energía eléctrica a vapor. [1] Las únicas alternativas ampliamente utilizadas son la energía fotovoltaica , la conversión de energía mecánica directa como la que se encuentra en la energía hidroeléctrica y de las turbinas eólicas, así como algunas aplicaciones más exóticas como la energía de las mareas o la energía de las olas y, finalmente, algunas formas de plantas de energía geotérmica. [2] Las aplicaciones de nicho para métodos como la betavoltaica o la conversión de energía química (incluida la electroquímica ) solo son relevantes en baterías y baterías atómicas . Las pilas de combustible son una alternativa propuesta para una futura economía del hidrógeno .
Las máquinas de vapor alternativas se han utilizado como fuentes de energía mecánica desde el siglo XVIII, y James Watt realizó mejoras notables . Las primeras centrales eléctricas comerciales de Nueva York y Londres, en 1882, también utilizaban máquinas de vapor alternativas. A medida que aumentaban los tamaños de los generadores, las turbinas acabaron sustituyendo a las demás debido a su mayor eficiencia y menor coste de construcción. En la década de 1920, cualquier central eléctrica de más de unos pocos miles de kilovatios utilizaba una turbina como motor principal.
La eficiencia de una planta de energía eléctrica a vapor convencional, definida como la energía producida por la planta dividida por el poder calorífico del combustible consumido por ella, es típicamente de 33 a 48%, limitada como todos los motores térmicos por las leyes de la termodinámica (Ver: ciclo de Carnot ). El resto de la energía debe salir de la planta en forma de calor. Este calor residual puede eliminarse mediante agua de refrigeración o en torres de refrigeración . ( La cogeneración utiliza el calor residual para la calefacción urbana ). Una clase importante de plantas de energía a vapor está asociada con las instalaciones de desalinización , que se encuentran típicamente en países desérticos con grandes suministros de gas natural . En estas plantas, el agua dulce y la electricidad son productos igualmente importantes.
Dado que la eficiencia de la planta está limitada fundamentalmente por la relación entre las temperaturas absolutas del vapor a la entrada y la salida de la turbina, las mejoras de eficiencia requieren el uso de vapor a mayor temperatura y, por lo tanto, a mayor presión. Históricamente, se han utilizado experimentalmente otros fluidos de trabajo, como el mercurio , en una planta de energía con turbina de vapor de mercurio , ya que estos pueden alcanzar temperaturas más altas que el agua a presiones de trabajo más bajas. Sin embargo, las malas propiedades de transferencia de calor y el evidente riesgo de toxicidad han descartado el mercurio como fluido de trabajo.
Otra opción es utilizar un fluido supercrítico como fluido de trabajo. Los fluidos supercríticos se comportan de forma similar a los gases en algunos aspectos y a los líquidos en otros. El agua supercrítica o el dióxido de carbono supercrítico se pueden calentar a temperaturas mucho más altas que las que se alcanzan en los ciclos de vapor convencionales, lo que permite una mayor eficiencia térmica . Sin embargo, estas sustancias deben mantenerse a altas presiones (por encima de la presión crítica ) para mantener la supercriticidad y existen problemas con la corrosión. [3] [4]
Las centrales eléctricas de vapor utilizan un condensador de superficie enfriado por agua que circula a través de tubos. El vapor que se utiliza para hacer girar la turbina se descarga en el condensador y se condensa al entrar en contacto con los tubos llenos de agua fría que circula. El vapor condensado, comúnmente denominado condensado , se extrae por la parte inferior del condensador. La imagen adyacente es un diagrama de un condensador de superficie típico. [5] [6] [7] [8]
Para lograr la máxima eficiencia, la temperatura en el condensador debe mantenerse lo más baja posible para lograr la menor presión posible en el vapor de condensación. Dado que la temperatura del condensador casi siempre se puede mantener significativamente por debajo de los 100 °C, donde la presión de vapor del agua es mucho menor que la presión atmosférica, el condensador generalmente funciona al vacío . Por lo tanto, se deben evitar las fugas de aire no condensable en el circuito cerrado. Las plantas que operan en climas cálidos pueden tener que reducir la producción si su fuente de agua de enfriamiento del condensador se calienta; desafortunadamente, esto suele coincidir con períodos de alta demanda eléctrica para el aire acondicionado . Si no se dispone de una buena fuente de agua de enfriamiento, se pueden utilizar torres de enfriamiento para rechazar el calor residual a la atmósfera. También se puede utilizar un gran río o lago como disipador de calor para enfriar los condensadores; los aumentos de temperatura en aguas naturales pueden tener efectos ecológicos indeseables, pero también pueden mejorar incidentalmente la producción de peces en algunas circunstancias. [ cita requerida ]
En el caso de una planta de energía eléctrica a vapor convencional que utiliza una caldera de tambor , el condensador de superficie elimina el calor latente de vaporización del vapor a medida que cambia de estado de vapor a líquido. Luego, la bomba de condensado bombea el agua condensada a través de un calentador de agua de alimentación , que eleva la temperatura del agua mediante el uso de vapor de extracción de varias etapas de la turbina. [5] [6]
El precalentamiento del agua de alimentación reduce las irreversibilidades involucradas en la generación de vapor y, por lo tanto, mejora la eficiencia termodinámica del sistema. [9] Esto reduce los costos operativos de la planta y también ayuda a evitar el choque térmico en el metal de la caldera cuando el agua de alimentación se reintroduce en el ciclo de vapor.
Una vez que esta agua está dentro de la caldera o generador de vapor , comienza el proceso de agregar el calor latente de vaporización . La caldera transfiere energía al agua mediante la reacción química de quemar algún tipo de combustible. El agua ingresa a la caldera a través de una sección en el paso de convección llamada economizador . Desde el economizador, pasa al tambor de vapor, desde donde baja por los bajantes hasta los cabezales de las paredes de agua de entrada inferiores. Desde los cabezales de entrada, el agua sube a través de las paredes de agua. Parte de ella se convierte en vapor debido al calor que generan los quemadores ubicados en las paredes de agua delanteras y traseras (normalmente). Desde las paredes de agua, la mezcla de agua y vapor ingresa al tambor de vapor y pasa a través de una serie de separadores de vapor y agua y luego secadores dentro del tambor de vapor . Los separadores de vapor y secadores eliminan las gotas de agua del vapor; el agua líquida transportada a la turbina puede producir una erosión destructiva de las aspas de la turbina y el ciclo a través de las paredes de agua se repite. Este proceso se conoce como circulación natural .
Las plantas geotérmicas no necesitan calderas, ya que utilizan fuentes de vapor que se producen de forma natural. Se pueden utilizar intercambiadores de calor cuando el vapor geotérmico es muy corrosivo o contiene demasiados sólidos en suspensión. Las plantas nucleares también hierven agua para generar vapor, ya sea haciendo pasar directamente el vapor de trabajo a través del reactor o utilizando un intercambiador de calor intermedio.
Una vez que el vapor es acondicionado por el equipo de secado dentro del tambor, se conduce desde el área superior del tambor a un complejo conjunto de tuberías en diferentes áreas de la caldera, las áreas conocidas como sobrecalentador y recalentador. El vapor de agua absorbe energía y se sobrecalienta por encima de la temperatura de saturación. Luego, el vapor sobrecalentado se conduce a través de las líneas de vapor principales hasta las válvulas de la turbina de alta presión.
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