INTRODUCCION
Nuestro
equipo hablarà acerca del funcionamiento de centrales termoeléctricas
denominadas de ciclo combinado, que son un tipo de central que utiliza gas
natural, gasóleo o incluso carbón preparado como combustible para alimentar una
turbina de gas. Luego los gases de escape de la turbina de gas todavía tienen
una elevada temperatura, se utilizan para producir vapor que mueve una segunda
turbina, esta vez de vapor. Cada una de estas turbinas está acoplada a su
correspondiente alternador para generar energía eléctrica.
Normalmente
durante el proceso de partida de estas centrales solo funciona la turbina de
gas; a este modo de operación se lo llama ciclo abierto.2 Si bien la mayoría de
las centrales de este tipo pueden intercambiar el combustible (entre gas y
diésel) incluso en funcionamiento.
Como la diferencia de temperatura que se
produce entre la combustión y los gases de escape es más alta que en el caso de
una turbina de gas o una de vapor, se consiguen rendimientos muy superiores,
del orden del 55%.
Por
esta razón entraremos de fondo al tema incluyendo las características de este
combustible, impactos ambientales, diagrama de flujo, y las generalidades de la
planta de ciclo combinado.
:
GENERALIDADES
DEL GAS NATURAL (METANO)
El
gas natural extraído de los yacimientos, es un producto incoloro e inodoro, no
tóxico y más ligero que el aire. Procede de la descomposición de los sedimentos
de materia orgánica atrapada entre estratos rocosos y es una mezcla de
hidrocarburos ligeros en la que el metano (CH4) se encuentra en grandes
proporciones, acompañado de otros hidrocarburos y gases cuya concentración
depende de la localización del yacimiento.
La
explotación a gran escala de esta fuente energética natural cobró especial
relevancia tras los importantes hallazgos registrados en distintos lugares del
mundo a partir de los años cincuenta. Gracias a los avances tecnológicos
desarrollados, sus procesos de producción, transporte, distribución y
utilización no presentan riesgos ni causan impacto ambiental apreciable.
El
Gas Natural es la fuente de energía
primaria de más rápido crecimiento en los últimos años.
* Su mayor incremento ha sido en la
generación de la electricidad
* Emite menos dióxido de carbono que el
petróleo y el carbón
* En los países industrializados dadas las
ventajas económicas y ambientales su consumo es el que supera con creces al
resto de combustibles tradicionales.
El
gas natural
Es
hoy en día, una energía que circula bajo el suelo de la mayor parte de las
ciudades del mundo civilizado; aporta comodidad doméstica y provee a la
industria de la energía que necesita.
.
GENERALIDADES
DE LA PLANTA DE CICLO COMBINADO
Una
Central Térmica de Ciclo Combinado es un planta de producción energía eléctrica
basada en dos máquinas térmicas, con dos ciclos térmicos diferentes: turbina de
gas y turbina de vapor. El calor no utilizado por uno de los ciclos (la turbina
de gas) se emplea como fuente de calor del otro (el ciclo agua-vapor que
alimenta la turbina de vapor). De esta forma los gases calientes de escape del
ciclo de turbina de gas entregan la energía necesaria para el funcionamiento
del ciclo de vapor acoplado. Esta configuración permite un muy eficiente empleo
de combustible, con rendimientos que superan el 55% (es decir, más del 55% de
la energía contenida en el combustible se convierte en energía eléctrica).
La energía obtenida en estas instalaciones puede ser utilizada, además de la generación eléctrica, para calefacción a distancia y para la obtención de vapor de proceso.
El
rendimiento de los ciclos combinados nuevos que operan en la actualidad es del
orden del 57 %. Este valor supera a los rendimientos de los ciclos abiertos de
turbinas de gas y de los de vapor que trabajan en forma independiente.
El
desarrollo práctico de los ciclos combinados estuvo fuertemente vinculado al
desarrollo tecnológico de los materiales para construir turbinas de gas capaces
de operar a relaciones de presión relativamente altas, de 10:1 hasta 13:1, y
con temperaturas de entrada del orden de 1080 ºC. Esto originó un retaso en el
avance de la utilización de estos ciclos. Esta situación mejoró en la década de
los 90 y en la actualidad en el mercado se encuentran turbinas que admiten
temperaturas de entrada del orden de los 1400 ºC. Las mejoras en el diseño de
componentes y materiales han permitido elevar la potencia y la eficiencia
térmica de las turbinas de gas y por lo tanto del ciclo combinado. La
utilización de materiales cerámicos y monocristalinos en los álabes de la
turbina ha contribuido enormemente a este avance.
Una de
las limitaciones que imponen los materiales y las temperaturas de trabajo
asociadas, a los equipos y componentes del circuito de los gases de combustión,
son los esfuerzos térmicos que aparecen cuando estos ciclos se operan en forma
intermitente o “se ciclan”. Estos esfuerzos son mayores que los que se producen
en operación continua, ya que cuando se efectúa el ciclado los transitorios de
arranque y parada son mucho más frecuentes. En estos transitorios se produce
fatiga termomecánica de los metales base. Tanto este tipo de paradas como las
de emergencia afectan fuertemente la vida útil de la turbina, ya que en este aspecto
cada arranque equivale a aproximadamente veinte horas de operación en régimen
continuo y cada parada de emergencia equivale a diez arranques normales (unas
doscientas horas de funcionamiento).
Por otra
parte se ha comprobado que aún en condiciones normales de operación mucho de
los componentes del citado circuito de gases de combustión no alcanzan el
tiempo de vida útil previsto. Por ejemplo los álabes de la turbina de gas
presentan frecuentemente fallas antes de cumplir la vida útil establecida en el
diseño.
Otra
limitación de estos ciclos es la respuesta de la turbina de gas de acuerdo con
las condiciones ambientales. Así, en días calurosos la turbina trabaja con
menor eficiencia que en los días fríos. Una turbina de gas que se opera con una
temperatura ambiente de 0 ºC produce alrededor del 15 % más de energía
eléctrica que la misma máquina a 30 ºC. Asimismo los climas secos favorecen la
eficiencia de estos equipos. Por estas razones las eficiencias nominales
expresan los resultados de los cálculos de potencia basados en condiciones
ambientales normalizadas ISO (15ºC, 1,013 bar. y 60% de humedad relativa).
En lo que
respecta a la contaminación ambiental, los combustores de baja emisión de NOx
fueron uno de los más importantes logros en la tecnología de las turbinas de
gas. No obstante implican la limitación de tener mayor inestabilidad de llama
que los de difusión convencionales por la necesidad de usar mezclas
aire-combustible más pobres. La oscilación de la llama puede producir
vibraciones y ruido inaceptables y además afectar la vida útil y la fiabilidad
operativa de la turbina de gas.
Aspectos positivos y limitaciones de los ciclos
combinados.
Además de
la flexibilidad de utilización, ya sea para generación de energía eléctrica
como para obtención de vapor, este tipo de configuración permite la conversión
o “repowering” de instalaciones térmicas con turbinas de vapor con el
consiguiente aumento de la eficiencia integral de las mismas.
Los fabricantes de turbinas de gas y plantas de ciclo combinado indican las siguientes razones para justificar el mayor uso de los mismos:
Los fabricantes de turbinas de gas y plantas de ciclo combinado indican las siguientes razones para justificar el mayor uso de los mismos:
1) Disponibilidad de grandes volúmenes de gas
natural.
2) Posibilidad de uso de otros combustibles,
diesel, carbón gasificado, etc., con rendimientos elevados pero con
limitaciones en el funcionamiento de los quemadores. El diseño se optimiza para
gas natural.
3) Elevados rendimientos con buen factor de carga.
4) Bajo impacto ambiental en relación con las
emisiones de NOx y menor eliminación de calor al medio ambiente.
5) Menores requerimientos de refrigeración respecto
a una central convencional de igual potencia.
6) Bajos costos de capital y cortos plazos de
entrega de las plantas, para los niveles de eficiencia obtenidos.
7) Ventajas asociadas a la estandarización de
componentes, con la simplificación de su montaje y mantenimiento.
CARACTERISTICAS
DEL GAS NATURAL
Se denomina gas natural a una mezcla de gases, cuyos
componentes principales son hidrocarburos gaseosos.
Básicamente es un combustible de origen fósil que procede de
la descomposición de materia orgánica.
No existe una teoría rigurosa sobre su formación pero se
puede asegurar que proviene de un proceso análogo al de la formación del
petróleo.
El gas natural se encuentra en la naturaleza en las llamadas
“bolsas de gas “, bajo tierra, cubiertas por capas impermeables que impiden su
salida al exterior.
El gas natural se puede encontrar acompañando al crudo en
pozos petrolíferos (gas natural asociado) o bien en yacimientos exclusivos de
gas natural (gas natural no asociado).
El poder calórico del gas natural es variable de acuerdo a su
composición, estando comprendido generalmente entre 9.000 y 9.500 cal/m3, a
menos que se trate de un gas con importante contenido de inertes o por el
contrario de hidrocarburos pesados, siendo así de menor o mayor poder calórico respectivamente.
La densidad, medida respecto de la del aire tomada como
unidad, oscila comúnmente entre 0,6 y 0,7 según sea el contenido de
hidrocarburos condensables (propano y superiores), pudiendo aún ser mayor si
fuese muy rico en estos últimos.
No tiene color ni olor, aunque para su detección, se
incorpora un componente químico (mercaptano) que le proporciona un olor
característico.
Según sea el contenido de gasolina se lo denomina gas rico o
gas seco. Como zona límite entre ambos categorías puede establecerse una banda
comprendida entre 10 y 20 litros de gasolina por cada 1.000 m3 de gas.
En caso de contener, el gas natural, anhídrido carbónico en
proporciones tales que hagan que el poder calórico esté por debajo de los
valores que especifiquen los contratos de venta, debe someterse a procesos de
extracción del mismo, así como también del hidrógeno sulfurado u otros
compuestos de azufre que lo hacen sumamente corrosivo y además inaceptable para
ciertos usos industriales.
DATOS DE
PRODUCCION DE ELECTRICIDAD
El gas natural es el más limpio de
los combustibles fósiles, razón por la cual la mayoría de las plantas de ciclo
combinado queman ese gas. Sin embargo, en algunas plantas se puede emplear
diesel como alternativa, pero sólo en casos de emergencia, ya que su costo es
elevado. En México, el diesel es el combustible fósil más caro entre los que
son empleados para la generación de energía eléctrica.
Por otra parte, las plantas de ciclo combinado requieren de inversiones de 500 a 600 dólares por cada kW y sólo las plantas tipo turbo gas demandan inversiones menores. Éstas últimas realizan un ciclo Brayton o gas-aire y cuentan con turbinas como las de los aviones tipo jet. En las plantas tipo turbo gas se emplea aire comprimido para quemar el combustible y da como resultado una mezcla de alta presión y alta temperatura que impulsa a la turbina y ésta es la fuerza motriz primaria que genera energía eléctrica y que comprime el aire. La mezcla gaseosa a la salida de la turbina se lanza al ambiente; sin embargo, esta mezcla todavía es muy caliente. En las plantas de ciclo combinado se instala una caldera (generador de vapor) de recuperación de calor y este vapor es empleado subsiguientemente para mover una turbina de vapor y se aprovecha aun más el contenido energético del combustible.
Por otra parte, las plantas de ciclo combinado requieren de inversiones de 500 a 600 dólares por cada kW y sólo las plantas tipo turbo gas demandan inversiones menores. Éstas últimas realizan un ciclo Brayton o gas-aire y cuentan con turbinas como las de los aviones tipo jet. En las plantas tipo turbo gas se emplea aire comprimido para quemar el combustible y da como resultado una mezcla de alta presión y alta temperatura que impulsa a la turbina y ésta es la fuerza motriz primaria que genera energía eléctrica y que comprime el aire. La mezcla gaseosa a la salida de la turbina se lanza al ambiente; sin embargo, esta mezcla todavía es muy caliente. En las plantas de ciclo combinado se instala una caldera (generador de vapor) de recuperación de calor y este vapor es empleado subsiguientemente para mover una turbina de vapor y se aprovecha aun más el contenido energético del combustible.
Las inversiones moderadas, las altas
eficiencias1 y la relativa limpieza del gas natural han ocasionado que los
sistemas eléctricos de América del Norte hayan crecido en los últimos años,
utilizando mayoritariamente esta tecnología. Estados Unidos aumentó su
capacidad en 187 GW (GigaWatts [GW = 109 W]) entre los años 2000 y 2003, de los
cuales 110 GW fueron de ciclo combinado y 65 GW de turbo gas (éstos últimos
para satisfacer demandas de punta)2. De esta manera, son 175 GW que emplean gas
natural. De 2000 a 2003, el sistema eléctrico mexicano creció en 7.3 GW, la capacidad
de ciclo combinado aumentó en 7.5 GW y la capacidad en vapor e hidroeléctricas
disminuyó debido al retiro de plantas obsoletas. El crecimiento del consumo de
gas natural en América del Norte ha ocasionado que el costo haya pasado del
orden de 2.50 a 4.50 dólares por millón de BTU (British Thermal Units).
Estados Unidos importa gas natural de
Canadá, mientras México lo importa de Estados Unidos. Actualmente, México
importa 700,000 millones de BTU al día, y considerando el precio del gas
natural en cinco dólares por millón de BTU, encontramos que se importa 3.5
millones de dólares cada día. Para aliviar el déficit entre demanda y oferta,
en un par de años se importará gas natural licuado en Altamira, Tamaulipas. En
el noreste de México han entrado en operación 4. 37 GW en plantas de ciclo
combinado.
- 35 % menos de consumo de combustible que una
central convencional
- Consumo de agua reducido frente a las centrales
convencionales (1/3 de lo que consume una central de ciclo simple de fuel
o carbón) debido a que la turbina de gas no precisa de refrigeración
alguna y únicamente se requiere agua para el ciclo de vapor.
·
En estos momentos se está experimentando un rápido crecimiento del
número de centrales de gas en los países desarrollados. El motivo fundamental
es económico, puesto que su gran eficiencia permite una rápida recuperación del
capital invertido en la construcción. Por otra parte, este capital es mucho
menos elevado que el invertido en otro tipo de centrales como las nucleares. El
precio del kilovatio de potencia instalado de una central de gas de ciclo
combinado es aproximadamente un factor 5 más bajo que el de una nuclear. En
cambio, los costes de explotación de una nuclear son más bajos que los de una
de gas. La opción de las empresas de generación eléctrica por el gas frente a
la nuclear se debe a la enorme diferencia de inversiones necesarias.
En países como España se está produciendo un rapidísimo aumento de la potencia de gas instalada. Según datos de Red Eléctrica Española (REE), en el sistema peninsular funcionaban 8.259 megavatios de centrales de gas en ciclo combinado a finales de 2004, y hay solicitadas autorizaciones para unos 40.000 megavatios. La primera de esas instalaciones arrancó en el año 2002, lo que da idea de su rapidísimo crecimiento.
Además de los motivos económicos antes citados, hay que tener en cuenta otra serie de factores clave. En primer lugar, las compañías eléctricas se encuentran en un ciclo inversor, puesto que están recibiendo anualmente dinero fresco en concepto de Costes de Transición a la Competencia. En segundo lugar, hay una verdadera carrera por ocupar este nuevo nicho de negocio. Además, se acaba de aprobar el Plan Nacional de Asignaciones, que otorga derechos de emisión de gases de invernadero a los diferentes agentes consumidores de combustibles fósiles, y todas las empresas han luchado por conseguir más derechos. El círculo se cierra con la situación política y social de clara oposición a un relanzamiento de la energía nuclear.
Si se estudia la evolución histórica de los precios del gas natural, se puede ver que sufren unas variaciones similares a los precios del petróleo. Luego la opción por el gas no otorgará ni energía barata ni independencia energética, sino que el suministro de gas experimenta los mismos avatares que el del petróleo, incluidas las posibles tensiones internacionales por el control de los yacimientos.
En países como España se está produciendo un rapidísimo aumento de la potencia de gas instalada. Según datos de Red Eléctrica Española (REE), en el sistema peninsular funcionaban 8.259 megavatios de centrales de gas en ciclo combinado a finales de 2004, y hay solicitadas autorizaciones para unos 40.000 megavatios. La primera de esas instalaciones arrancó en el año 2002, lo que da idea de su rapidísimo crecimiento.
Además de los motivos económicos antes citados, hay que tener en cuenta otra serie de factores clave. En primer lugar, las compañías eléctricas se encuentran en un ciclo inversor, puesto que están recibiendo anualmente dinero fresco en concepto de Costes de Transición a la Competencia. En segundo lugar, hay una verdadera carrera por ocupar este nuevo nicho de negocio. Además, se acaba de aprobar el Plan Nacional de Asignaciones, que otorga derechos de emisión de gases de invernadero a los diferentes agentes consumidores de combustibles fósiles, y todas las empresas han luchado por conseguir más derechos. El círculo se cierra con la situación política y social de clara oposición a un relanzamiento de la energía nuclear.
Si se estudia la evolución histórica de los precios del gas natural, se puede ver que sufren unas variaciones similares a los precios del petróleo. Luego la opción por el gas no otorgará ni energía barata ni independencia energética, sino que el suministro de gas experimenta los mismos avatares que el del petróleo, incluidas las posibles tensiones internacionales por el control de los yacimientos.
AMBIENTAL
DE EL GAS NATURAL (METANO) Y SUS EFECTOS EN EL MEDIO AMBIENTE
El empleo
racional de la energía se basa en establecer criterios para lograr el máximo
rendimiento con el menor impacto ambiental y cada generación debe garantizar a
las futuras la disponibilidad de recursos energéticos, en beneficio del medio
ambiente y del bienestar y seguridad de sus habitantes.
Entre las alternativas energéticas el gas natural
es reconocido como una energía noble por su eficiencia, limpieza y precios
competitivos. Es el combustible que menos contamina, calienta con rapidez y no
necesita almacenaje previo, por lo que proporciona un elevado grado de confort
en los hogares.
En la industria, la calidad de su llama, regular y
sin impurezas, permite numerosas aplicaciones. Su combustión hace posible una
mejor regulación de la temperatura en las cámaras de combustión de una extensa
gama de equipos, así como su aplicación directa en el tratamiento de múltiples
productos. Por su alto contenido en hidrógeno, el gas natural es la materia
prima más utilizada en la producción de amoniaco para fertilizantes, así como
en otras aplicaciones petroquímicas.
Como combustible es utilizado en la totalidad de
los sectores industriales que demandan energía térmica. Las aplicaciones
industriales más destacadas son la generación de vapor, cocción de productos
cerámicos, alimentarios, tratamientos térmicos, procesos de secado directo,
sistema de calefacción, generación electrónica y hornos de fusión.
Medio ambiente
La composición química del gas natural es la razón
de su amplia aceptación como el más limpio de los combustibles fósiles. En
efecto, la mayor relación hidrógeno/carbono en la composición del gas natural,
en comparación con la de otros combustibles fósiles, hace que en su combustión
se emita menos CO2 por unidad de energía producida.
La combustión del gas natural, compuesto
principalmente por metano (CH4), produce un 25% menos de CO2 que los productos
petrolíferos y un 40% menos de CO2 que la combustión del carbón por unidad de
energía producida. Se atribuye al CO2 el 65% de la influencia de la actividad
humana en el efecto invernadero, y al CH4 el 19% de dicha influencia.
La mayor parte del CO2 emitido (75% - 90%) es
producido por la combustión de combustibles fósiles. Sin embargo, las emisiones
de metano son producidas en su mayoría por la ganadería y la agricultura, los
vertederos, las aguas residuales, y las actividades relacionadas con los
combustibles fósiles. A las empresas que distribuyen gas natural les
corresponde menos del 10% de las emisiones de metano a la atmósfera, cifra que
cada año se va reduciendo por las medidas que han adoptado las empresas como
renovación de tuberías antiguas, recuperación de venteos de gas, etc.
De este modo, el gas natural es el combustible
fósil que emite menos CO2 por unidad de energía producida. Por tratarse de un
gas, su mezcla con aire y posterior combustión es más fácil que con otros
combustibles fósiles y la ausencia de partículas y compuestos corrosivos de
azufre, facilitan la recuperación del calor residual y, por tanto, las
eficacias de su utilización. Además, las reservas de gas natural son
abundantes, y su transporte y distribución mediante tuberías enterradas hacen
que su impacto sobre el paisaje sea mínimo.
Por su rendimiento y baja emisión de contaminantes,
el gas natural es especialmente apropiado para la generación de electricidad y
cogeneración, uso de calderas y hornos industriales, automoción, climatización
y otros usos en los sectores comercial y doméstico.
El gas natural es un combustible que tiene un
impacto medioambiental mínimo comparado con el resto de los combustibles
fósiles y cuya utilización contribuye a reducir la emisión de gases de efecto
invernadero.
PROYECTOS
A FUTURO DEL GAS NATURAL
*Reemplazar ventajosamente
a otros combustibles.
*Crecimiento de procesos
industriales, como la industria de la cerámica, del cemento y la fabricación de
vidrio. En la fabricación del acero puede ser usado como reductor siderúrgico
en lugar del coque (Hierro esponja).
*El gas natural va a crecer mas como
fuente de energía, tanto para la producción de vapor como para el calentamiento
de las unidades de cracking y de reforming, permite una perfecta regulación de
la temperatura; por el ajuste de la relación aire-gas y la uniformidad de
composición del gas natural, presenta una nula corrosión de los haces tubulares
gracias a la ausencia de impurezas, y facilita la posibilidad de utilización
del gas natural con mezcla variable de otros gases residuales disponibles en la
industria gracias a la ductibilidad de los quemadores.
*El metano y etano constituyen la
materia base en procesos fundamentales de la petroquímica, tan importantes como
por ejemplo la producción de hidrógeno, de metanol, de amoniaco, de acetileno,
de ácido cianhídrico, etc.
*Generalmente es solo metano y se usa
como combustible en vehículos con motores de combustión interna en remplazo de
las gasolinas, tendrá bajo costo y menor incidencia en la contaminación
ambiental.
*Las ventajas del GNC (Gas Natural Comprimido)
respecto de la gasolina son:
1) El costo inferior del GNC.
2) La menor contaminación ambiental,
debido a la ausencia total de plomo y benceno en el GNC.
3) La mayor duración del motor.
4) Mayor duración del aceite, debido a
la menor carbonización.
REFLEXION
SOBRE EL USO DE LAS FUENTES DE ENERGIA EN NUESTRO PAIS
La Energía Eléctrica en México se considera estratégico para la
soberanía nacional. Por lo tanto, hay ciertas limitaciones para la
participación privada y se permite a las empresas extranjeras operar en el país
sólo a través de contratos de servicio específicos. Según establece la
Constitución, el sector eléctrico es de propiedad federal y es la Comisión Federal de
Electricidad (CFE) quien controla esencialmente todo el sector. Los
intentos de reformar el sector se han enfrentado tradicionalmente a una gran
resistencia política y social en México, donde los subsidios para consumidores
residenciales absorben considerables recursos fiscales.
El sector eléctrico se basa en gran
medida en fuentes térmicas (74% de la capacidad instalada total), seguido por
la generación hidroeléctrica (22%). Aunque la explotación de recursos solares,
eólicos y biomasa cuentan con un gran potencial, la energía geotérmica es el
único recurso renovable (excluyendo la hidroeléctrica) con una contribución considerable
a la matriz de energía (2% de la capacidad de generación total). Los planes de
expansión para el período 2006-2015 suponen la incorporación de unos 24.000 MW
de nueva capacidad de generación, con un predominio de ciclos combinados
En 1993
la producción nacional de energía primaria fue de 2.126,5 Petacalorías1
de las cuales el 89,7% correspondió a los hidrocarburos como principal fuente
de energía, el 4,4% a la biomasa y a la electricidad respectivamente y el 1,5%
al carbón.
1 Petacalorías = 1,015
calorías
Con
relación a los hidrocarburos del 89,7%, el 69,3% correspondió al petróleo
crudo, el 15% al gas asociado, el cual registró un aumento del 0,3% con
relación al año anterior, el 3% a productos condensados y el 2,4% a gas no
asociado. En cuanto a la biomasa, del 4,4%, el 3,4% correspondió a la leña y 1%
al bagazo de caña de azúcar. Respecto a la electricidad, del 4,4%, el 3,1%
correspondió a la hidroenergía, el 0,7% a geoenergía y el 0,6% a la
nucleoenergía
Con
relación al consumo final de energía por sectores, para 1992, el 39%
correspondió al transporte, el 34% a la industria y a la minería, el 24% al
sector residencial y público y el 3% al sector agropecuario
BIBLIOGRAFIA