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).
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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