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viernes, 3 de agosto de 2018

Centrales Termoeléctricas


Figura 1: Esquema de funcionamiento una Central Termoeléctrica

Las centrales termoeléctricas generan energía eléctrica a partir del vapor de agua producido por la combustión de combustible (carbón, fuel-oil, gas) y uranio en las Centrales Nucleares en las que el quemador y la caldera están sustituidos por un Reactor Nuclear.

Leyenda de la figura 1:

(1) Quemador

El quemador provoca la combustión.

(2) Tubos

Una extensa red formada por miles de tubos de agua tapizan la caldera.

(3) Caldera

En la cámara de combustión o caldera se genera la energía calorífica.

(4) Eje de la caldera a la turbina

El agua se vaporiza gracias al calor desprendido por la combustión y va hacia la turbina a gran presión.

La turbina consta de tres cuerpos (de alta, media y baja presión, respectivamente) que están unidos por un mismo eje.

Antes de entrar el vapor se deshumidifica, pues el agua en suspensión erosiona a los álabes.

(5) Álabes

El cuerpo de alta presión posee centenares de álabes o paletas de pequeño tamaño; el de media presión posee asimismo centenares de álabes, pero de mayor tamaño que los anteriores; el de baja presión, por último, tiene álabes aún más grandes que los precedentes.

El objetivo de esta triple disposición es aprovechar al máximo la fuerza del vapor, ya que éste va perdiendo presión progresivamente.

Así pues, el vapor de agua a presión hace girar los álabes de la turbina, generando energía mecánica.

(6) Generador

El eje que une a los tres cuerpos de la turbina (de alta, media y baja presión) hace girar al mismo tiempo un alternador unido a ella, produciendo energía eléctrica.

(7) Ciclo productivo

El agua es conducida otra vez a los tubos que tapizan las paredes de la caldera a fin de reiniciar el ciclo productivo.

(8) Red de transporte

La energía eléctrica es vertida a la red de transporte a alta tensión mediante un transformador elevador.

(9) Condensadores

El vapor (una vez debilitada su presión) es enviado a unos condensadores.

Allí es convertido de nuevo en agua.

Posibles combustibles

El esquema básico de funcionamiento de todas las centrales termoeléctricas clásicas es prácticamente el mismo, independientemente de que utilicen carbón, fuel-oil o gas.

Las únicas diferencias sustanciales consisten en el distinto tratamiento previo que sufre el combustible antes de ser inyectado en la caldera y en el diseño de los quemadores de la misma, que varía según sea el tipo de combustible empleado:

Carbón

Si se trata de una central termoeléctrica de carbón, éste es previamente triturado en molinos pulverizadores hasta quedar convertido en un polvo muy fino, para facilitar su combustión.
                    
De los molinos es enviado a la caldera de la central mediante chorros de aire precalentado.

Tecnologías del carbón:

● Combustión en lecho fluido

Consiste esencialmente en efectuar la combustión del carbón en un lecho compuesto por partículas de este combustible, sus cenizas y un absorbente alcalino -generalmente caliza- que se mantiene suspendido por la acción de una corriente ascendente de aire.

De esta forma, el conjunto tiene la apariencia de un líquido en ebullición. Con ello, se obtiene un mejor rendimiento en el proceso de combustión, al haber una mayor superficie de contacto entre el aire y las partículas reaccionantes.

El aspecto más positivo de esta nueva tecnología es que se consigue con ella una considerable disminución del impacto medioambiental, ya que se da lugar a una fuerte reducción de las emisiones de óxidos de azufre (SO2), de nitrógeno (NO2) y de carbono (CO2) en el proceso de combustión.

● Gasificación

Puede efectuarse de dos formas: transformando en gas el carbón una vez que éste es extraído de la mina, para la cual se inyecta en una reactor oxígeno -o aire y vapor- junto con el mineral a fin de dar lugar a un gas apto para ser quemado en una central eléctrica; o efectuando una gasificación "in situ" o subterránea, es decir, inyectando oxígeno directamente en el yacimiento.

La tecnología de gasificación del carbón ha conseguido en los últimos años resultados muy positivos cuando se encuentra acoplada a un ciclo combinado, es decir, a sistemas que permiten el aprovechamiento asociado de una turbina de vapor y una turbina de gas.

Se consigue una gran disminución de emisores de SO2, NO2 y CO2.

Fuel-oil

En una central termoeléctrica de fuel-oil, el combustible es precalentado para que fluidifique e inyectado posteriormente en quemadores adecuados a este tipo de derivado del petróleo.

Gas

Si se trata de una central termoeléctrica de gas, los quemadores están diseñados específicamente para quemar dicho combustible.

Calderas, quemadores y turbinas

Una vez en la caldera, los quemadores provocan la combustión del carbón, fuel-oil o gas, generando energía calorífica. Esta convierte a su vez, en vapor a alta temperatura el agua que circula por una extensa red formada por miles de tubos que tapizan las paredes de la caldera. Este vapor entra a gran presión en la turbina de la central, la cual consta de tres cuerpos -de alta, media y baja presión, respectivamente- unidos por un mismo eje.

En el primer cuerpo (alta presión) hay centenares de álabes o paletas de pequeño tamaño. El cuerpo a media presión posee asimismo centenares de álabes pero de mayor tamaño que los anteriores. El de baja presión, por último, tiene álabes aún más grandes que los precedentes. El objetivo de esta triple disposición es aprovechar al máximo la fuerza del vapor, ya que este va perdiendo presión progresivamente, por lo cual los álabes de la turbina se hacen de mayor tamaño cuando se pasa de un cuerpo a otro de la misma., Hay que advertir, por otro lado, que este vapor, antes de entrar en la turbina, ha de ser cuidadosamente deshumidificado. En caso contrario, las pequeñísimas gotas de agua en suspensión que transportaría serían lanzadas a gran velocidad contra los álabes, actuando como si fueran proyectiles y erosionando las paletas hasta dejarlas inservibles.



Figura 2: Turbina de vapor

El vapor de agua a presión, por lo tanto, hace girar los álabes de la turbina generando energía mecánica. A su vez, el eje que une a los tres cuerpos de la turbina (de alta, media y baja presión) hace girar al mismo tiempo a un alternador unido a ella, produciendo así energía eléctrica. Esta es vertida a la red de transporte a alta tensión mediante la acción de un transformador.

Por su parte, el vapor -debilitada ya su presión- es enviado a unos condensadores. Allí es enfriado y convertido de nuevo en agua. Esta es conducida otra vez a los tubos que tapizan las paredes de la caldera, con lo cual el ciclo productivo puede volver a iniciarse

Dentro del propio recinto de la central termoeléctrica clásica, existen sistemas de almacenamiento de combustible (parque de carbón, depósitos de fuel-oil, etc.) para garantizar que se dispone permanentemente de una adecuada cantidad del mismo.


Figura 3: Central Termoeléctrica

Centrales nucleares

En las centrales nucleares, el uranio necesario para tres años de funcionamiento se introduce en la caldera nuclear cuando arranca por primera vez la central; aproximadamente cada año se sustituye la tercera parte del que más se ha "gastado".


Figura 4: Pastillas de uranio

El principio de funcionamiento de las centrales nucleares es el mismo que el de las centrales térmicas convencionales, sólo que la caldera se sustituye por el reactor nuclear, y el calor procedente de la fusión de los núcleos de uranio, que es el combustible de estas centrales.


Figura 5: Reacción en cadena

Fisión nuclear

La fisión nuclear es una reacción nuclear o interacción que afecta al núcleo de los átomos de ciertos elementos químicos pesados (uranio, torio, plutonio) cuando colisionan con una partícula subatómica que carece de carga eléctrica, llamada "neutrón".

A consecuencia del impacto, el núcleo se escinde en dos fragmentos, liberándose en el proceso una gran cantidad de energía y emitiéndose de dos a tres neutrones, que a su vez colisionarán con otros átomos de uranio, produciéndose una reacción en cadena.

La gran cantidad de calor generada en dicha fisión es utilizada para convertir en vapor a alta temperatura un líquido -generalmente, agua ligera (H 2O) o agua pesada (H 2O 2)- que circula por una serie de conductos.

Y ese vapor, de manera semejante a como ocurre en las centrales termoeléctricas clásicas, es empleado para accionar un grupo turbina-alternador y producir así energía eléctrica.



Figura 6: Esquema de funcionamiento de un reactor de agua a presión

Hay diferentes tipos de reactores nucleares:

● De agua a presión (PWR)

En el reactor de agua a presión, el sistema de refrigeración extrae la energía calorífica que se produce en el núcleo del reactor merced a las reacciones de fisión nuclear.

Está formado por dos circuitos autónomos y cerrados que no se comunican en ningún momento: por el primer circuito o circuito primario, circula agua a gran presión que transporta el calor producido en la reacción nuclear; este calor es cedido en un generador de vapor donde se inicia el circuito secundario, siendo el vapor secundario el que acciona la turbina acoplada al generador eléctrico.

● De agua en ebullición (BWR)

El reactor de agua en ebullición se caracteriza por ser de ciclo directo, esto es, por disponer de un único circuito de refrigeración recorrido por agua que entra en ebullición y se vaporiza en el núcleo del reactor.

El vapor así producido mueve los álabes de la turbina que acciona el generador eléctrico.

● De grafito-gas (GCR)

El reactor de grafito-gas se caracteriza por tener un núcleo formado por uranio natural y grafito (este último funciona como moderador) que está refrigerado por gas -generalmente dióxido de carbono- a una presión relativamente elevada.

● Reactor rápido         

Los reactores rápidos o reproductores son reactores en los que la mayoría de las fisiones son producidas por neutrones de elevada energía (neutrones rápidos) en un núcleo de combustible formado por Plutonio 239.

En estas unidades, por cada fisión se produce al menos un nuevo átomo de Plutonio 239, al incidir los neutrones sobrantes de la reacción de fisión en una masa fértil de Uranio 238 que rodea al núcleo de combustible: son, pues, reactores reproductores, ya que generan durante su funcionamiento más combustible del que consumen.

Así pues, aumentan las reservas energéticas contenidas en el uranio existente en el mundo.

Centrales Nucleares y Medio ambiente

La contaminación radioactiva puede causar lesiones de leves a mortales, inmediatas o genéticas, tanto para el ser humano como para el resto de los seres vivos del planeta.

Por ello las nucleares son vigiladas y controladas de forma exhaustiva.

Las fuentes de generación de impacto radiológico ambiental son:

● Los efluentes gaseosos y líquidos
                                                                                                           
En el refrigerante del reactor, y en el aire y gases que circulan en la central puede retenerse radiación, de manera que el sistema de vigilancia de efluentes mide y supervisa el nivel de actividad de los efluentes gaseosos y líquidos antes de su descarga al exterior; y el sistema  de vigilancia radiológico ambiental mide los niveles de radioactividad en el medio ambiente circundante a la instalación, activando las alarmas y respuestas para el caso de superarse los límites establecidos admisibles de contaminación.

Son productos de la fisión con períodos de semi-desintegración cortos, es decir, cuya radiactividad decae hasta ser inocua en unos pocos decenios.

Se acondicionan e inmovilizan en bidones dentro de recintos diseñados para este fin en la propia central, hasta que son retirados para su transporte a un almacén definitivo.

● Los residuos sólidos de alta actividad

Son los elementos combustibles gastados.

Antes de almacenarse definitivamente en formaciones geológicas salinas profundas, graníticas o cualquiera de las alternativas tecnológicas disponibles, han de permanecer en piscinas especiales existentes en las propias centrales para que su actividad descienda.

Centrales Termoeléctricas clásicas y Medio Ambiente

Para evitar que el funcionamiento de las centrales termoeléctricas clásicas (carbón, fuel-oil, gas) pueda dañar el entorno natural, estas plantas llevan incorporados una serie de sistemas y elementos que afectan a la estructura de las instalaciones, como es el caso de las torres de refrigeración.

La incidencia de este tipo de centrales sobre el medio ambiente se produce por la emisión de residuos a la atmósfera (procedentes de la combustión del combustible) y por vía térmica, (calentamiento de las aguas de los ríos por utilización de estas aguas para la refrigeración en circuito abierto).

 Por lo que se refiere al primero de los aspectos citados, esa clase de contaminación ambiental es prácticamente despreciable en el caso de las centrales termoeléctricas de gas y escasa en el caso de las de fuel-oil, pero exige, sin embargo, la adopción de importantes medidas en las de carbón.

La combustión del carbón, en efecto, provoca la emisión al medio ambiente de partículas y ácidos de azufre. Para impedir que estas emisiones puedan perjudicar al entorno de la planta, dichas centrales poseen chimeneas de gran altura -se están construyendo chimeneas de más de 300 metros- que dispersan dichas partículas en la atmósfera, minimizando su influencia. Además, poseen filtros electrostáticos o precipitadores que retienen buena parte de las partículas volátiles en el interior de la central. Por lo que se refiere a las centrales de fuel-oil, su emisión de partículas sólidas es muy inferior, y puede ser considerada insignificante. Sólo cabe tener en cuente la emisión de hollines ácidos -neutralizados mediante la adición de neutralizantes de la acidez- y la de óxidos de azufre -minimizada por medio de diversos sistemas de purificación.

En cuanto a la contaminación térmica, ésta es combatida especialmente a través de la instalación de torres de refrigeración. Como se señalaba anteriormente, el agua que utiliza la central, tras ser convertida en vapor y empleada para hacer girar la turbina, es enfriada en unos condensadores para volver posteriormente a los conductos de la caldera. Para efectuar la operación de refrigeración, se emplean las aguas de algún río próximo o del mar, a las cuales se transmite el calor incorporado por el agua de la central que pasa por los condensadores. Si el caudal del río es pequeño, y a fin de evitar la contaminación térmica, las centrales termoeléctricas utilizan sistemas de refrigeración en circuito cerrado mediante torres de refrigeración.

En este sistema, el agua caliente que proviene de los condensadores entra en la torre de refrigeración a una altura determinada. Se produce en la torre un tiro natural ascendente de aire frío de manera contínua. El agua, al entrar en la torre, cae por su propio peso y se encuentra en su caída con una serie de rejillas dispuestas de modo que la pulverizan y la convierten en una lluvia muy fina. Las gotas de agua, al encontrar en su caída la corriente de aire frío que asciende por la torre, pierden su calor. Por último, el agua así enfriada vuelve a los condensadores por medio de un circuito cerrado y se continua el proceso productivo sin daño alguno para el ambiente.


Figura 7: Torres de refrigeración de una Central Térmica de carbón

Cabe mencionar, por último, que diversos países -entre ellos España- están desarrollando proyectos de investigación que permiten aprovechar las partículas retenidas en los precipitadores y los efluentes térmicos de estas centrales de manera positiva. Así, se estudia la posibilidad de emplear cenizas volantes, producidas por la combustión del carbón, como material de construcción o para la recuperación del aluminio en forma de alúmina. Y se utilizan los efluentes térmicos de estas plantas para convertir en zonas cultivables extensiones de terrenos que antes no lo eran, o para la cría de determinadas especies marinas, cuya reproducción se ve favorecida gracias al aumento de la temperatura de las aguas en las que se desarrollan.



FUENTE BIBLIOGRÁFICA:

UNESA: Centrales eléctricas.



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