2. CENTRALES TÉRMICAS. EL PROBLEMA DEL CO2

2.1. Participación de las centrales térmicas en España

En el cuadro de la figura 2.2 se indica la potencia eléctrica total instalada a 31-12-2005, incluyendo autoproductores, cuya potencia agregada continúa creciendo. Destaca la entrada en servicio en el año de parques eólicos y las nuevas centrales de gas de ciclo combinado {11}.

La producción eléctrica, en bornas de generador, en el conjunto nacional ascendió en 2005 a 278500 Gwh, un 4,6% superior a la del año anterior. La estructura de generación, como puede observarse, muestra un significativo descenso de la producción hidroeléctrica, muy por debajo de los niveles del año hidráulico medio.

Por lo que respecta a la producción con centrales de carbón, se produjo un aumento del 1%, con lo que la participación de dicha producción dentro del conjunto total nacional alcanzó el 27,8%. Para el ciclo combinado el aumento fue mucho mayor, del 11.6%, con lo que llega a un participación del 18.3%, sin contar el régimen especial.

Fig. 2.1. Energía eléctrica consumida en España en 2005 para diferentes tecnologías de producción

Respecto a la potencia instalada, para datos del 2005, queda reflejada en esta tabla {12,13}.

Fig. 2.2. Potencia instalada en España en 2005 para diferentes tecnologías de producción

Estos datos reflejan la importancia de esta tecnología en la producción de energía eléctrica lo que supone el vertido a la atmósfera gases de combustión procedente de estas plantas. Las emisiones de CO2

vertidas en el año 2005 por centrales termoeléctricas de carbón fueros 73,44 millones de toneladas, para un total de 26 centrales cuya producción fue de 77.395 GWh, y con tecnología de ciclo combinado fueron 13,29 millones de toneladas, para 25 centrales con producción de 58.831 GWh {7}, sin contabilizar el régimen especial el cual aumentaría la energía producida por las centrales de ciclo combinado. Estos datos revelan la inclinación del mercado hacia el ciclo combinado, entre otros factores, se podría decir que los ciclos combinados actuales son más limpios desde el punto de vista de las emisiones de CO2 que las centrales térmicas de carbón pulverizado.

En el mapa de la figura 2.3 podemos ver la distribución de las centrales térmicas por la geografía española. Como se puede observar las centrales se encuentran cerca de las principales cuencas mineras o cerca de los principales puertos, es decir donde se encuentra el combustible o donde se recibe importado.

Fig. 2.3. Distribución de centrales térmicas en España

2.2. Central termoeléctrica de carbón pulverizado

2.2.1. Introducción

Se denominan centrales termoeléctricas de carbón aquellas centrales que producen energía eléctrica a partir de la combustión de carbón (o fuel-oil) en una caldera diseñada al efecto.

El esquema de funcionamiento de todas las centrales termoeléctricas de carbón es prácticamente el mismo, existiendo dentro del propio recinto de la planta, sistemas de almacenamiento del combustible que utiliza (parque de carbón, depósitos de fuel-oil) para asegurar que se dispone permanentemente de una adecuada cantidad de éste. El carbón (hulla, antracita, lignito,...) 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 chorro de aire precalentado (caso de quemar de fuel-oil, éste es precalentado para que fluidifique, siendo inyectado posteriormente en quemadores adecuados a este tipo de combustible).

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

El vapor que sale de la turbina es enviado a unos condensadores. Allí es enfriado y convertido de nuevo en agua líquida. 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.

Una vista general de una central termoeléctrica de carbón, como la descrita, es la siguiente:

Fig. 2.4. Vista general de una central térmica de carbón pulverizado

El combustible está almacenado en los parques adyacentes de la central, desde donde, mediante cintas transportadoras (1), es conducido al molino (3) para ser triturado. Una vez pulverizado, se inyecta, mezclado con aire caliente a presión, en la caldera (4) para su combustión.

Dentro de la caldera se produce el vapor que acciona los álabes de los cuerpos de las turbinas de alta presión, media presión y baja presión (9), haciendo girar el rotor de la turbina que se mueve solidariamente con el rotor del generador (13), donde se produce energía eléctrica, que inmediatamente después va hacia los trasformadores para elevar su tensión. Se distribuye mediante líneas de transporta a alta tensión (14) a los centros de consumo. Los residuos de la combustión son las cenizas (5) y los gases de combustión. Para minimizar los efectos de la combustión de carbón sobre el medio ambiente, la central posee una chimenea (8) de gran altura (en ocasiones de más de 300 metros), que dispersa los contaminantes en las capas altas de la atmósfera, y precipitadores (7) que retienen buena parte de los mismos en el interior de la propia central.

Después de accionar las turbinas, el vapor pasa a la fase líquida en el condensador (10). El agua obtenida por la condensación del vapor se somete a diversas etapas de calentamiento y se inyecta de nuevo en la caldera en las condiciones de presión y temperatura más adecuadas para obtener el máximo rendimiento del ciclo.

El sistema de agua de circulación que refrigera el condensador puede operarse en circuito cerrado, trasladando el calor extraído del condensador a la atmósfera mediante torres de refrigeración (12), o descargando dicho calor directamente al mar o al río.

2.2.2. Combustible: Carbón

Las características y propiedades de los carbones varían mucho con respecto al tipo de carbón se estudie. Entre los parámetros que afectan a las propiedades del carbón se encuentra las temperaturas y las presiones a las que se haya formado el carbón; cuanto mas altas son las presiones y temperaturas, mayor es el rango y el carbón que se forma es más rico en carbono y tiene un mayor poder calorífico.

Los distintos tipos de carbón que se distinguen son: Antracita: es el mejor de los carbones, muy poco contaminante y de alto poder calorífico. Es un carbón muy duro que posee un color negro lustroso brillante. No se coquifica, tiene un elevado porcentaje de carbono y menos del 8% de materias volátiles. Cuesta mucho de hacer arder, a menos de que la temperatura del hogar sea elevada, y requiere un tiro intenso. La antracita arde sin llama o con llamas muy cortas y azuladas. Este carbón esta muy indicado cuando es esencial una combustión sin humo.

Carbones bituminosos (Hulla): la hulla es muy rica en carbono y tiene un alto poder calorífico, por lo que es muy usada en las plantas de producción de energía. Posee un elevado porcentaje de materias volátiles -puede alcanzar porcentajes de hasta un 45%- y arde con llamas largas amarillas y humeantes. Su porcentaje de materias volátiles, humedad, ceniza y azufre varía considerablemente. Los carbones bituminosos pueden

ser coquificables y fritables; estos últimos no se hinchan ni se sueldan formando una sola masa al calentarlos, como acontece con los primeros.

Carbones sub-bituminosos: se conocen algunas veces con el nombre de lignitos negros. Son carbones bituminosos de baja calidad que han perdido la estructura leñosa de los lignitos. Los carbones sub-bituminosos se desintegran cuando se exponen al aire, y requieren mucha vigilancia mientras están almacenados. Su porcentaje de materias volátiles varía desde 35 hasta el 45% y su contenido de humedad oscila entre 17 y 20%. Lignitos: Los lignitos constituyen el estado de transición entre la turba y el carbón sub-bituminoso. Tienen aspecto de madera y frecuentemente de arcilla. Posee potencias caloríficas bajas y elevado contenido de humedad y cenizas: la humedad inicial llega hasta 30-45% pero la pierden fácilmente exponiéndolas al aire, lo cual puede producir una rápida desintegración de este combustible. De no adoptar grandes precauciones al almacenarlos, están sujetos al riesgo de la combustión espontánea. Los lignitos como combustibles sólo tienen interés consumiéndolos en instalaciones situadas en bocas de minas.

Turba: la turba es un combustible muy mediocre, empleado en algunos países como medio de calefacción doméstica. En estado natural está impregnada de agua, debido a lo cual ha de secarse siempre antes de su empleo.

Las composiciones típicas de los diferentes tipos de carbones se muestran a continuación {14}.

Análisis Elemental Tipo de Carbón

C (%) H (%) Otros (%)

Poder calorífico (Kcal/mol)

Materias Volátiles (%)

Turba

Lignito

Hulla

Antracita

57

72

87

96

6

5

5

2

37

23

8

2

5400

6700

8700

8400

65

55

25

5

Fig. 2.5. Composición de carbones

2.2.2.2. Combustión de combustibles

Teoría de combustión

La combustión es el conjunto de procesos físico-químicos por los cuales se libera controladamente parte de la energía interna del combustible, una parte de la cual se va a manifestar en forma de calor y es la que a nosotros nos interesa.

La reacción de un elemento químico con el oxígeno se llama oxidación. La combustión no es más que una reacción de oxidación, es una reacción fuertemente exotérmica (liberación de calor).

Los combustibles tienen en su composición unos elementos principales, combustibles (C, H, S) y otros no combustibles, como el V, Ni, Na, Si,…

El comburente más habitual usado en la combustión es el aire (21% O, 73% N2 (inerte)).

Se llama calor de combustión a la disminución de entalpía de un cuerpo a una presión y temperatura definidas. El calor que se libera cuando el combustible arde en una llama o cuando los componentes principales reaccionan con el oxígeno. En la combustión, cada uno de los componentes combustibles del combustible va a sufrir la reacción de oxidación correspondiente. Los elementos no combustibles del combustible se suelen combinar para dar subproductos, muchos de ellos contaminantes.

Reacción de combustión

Se trata de una reacción de oxidación con la particularidad de que se realiza muy rápidamente, es exotérmica. Esta reacción se produce entre los elementos combustibles de un combustible y el oxígeno del comburente. Para que un combustible sufra la combustión, es necesario que alcance su temperatura de ignición. Se define el punto de ignición de un combustible como la temperatura a la cual, una vez iniciada la llama, ésta ya no se extingue. Es ésta temperatura de 20 a 60ºC más alta que la temperatura de inflamación.

En una reacción de oxidación tipo existen:

Primer Miembro Segundo Miembro Combustible + comburente Gases de combustión + calor

• Combustible: Toda sustancia capaz de arder. • Comburente: Sustancia que aporta el oxígeno para que el

combustible sufra oxidación.

Los combustibles industriales suelen estar constituidos por mezclas de pocos elementos, ya que esto simplifica en gran medida el proceso.

Los componentes de un combustible se pueden clasificar en:

• Combustibles • Inertes. Estos hay que eliminarlos y por lo tanto resultan

perjudiciales • Gases de combustión

El carbón, así como los materiales asociados con el mismo, contienen elementos que pueden ser liberados durante la combustión, gasificación o pirólisis, dando lugar a contaminantes potenciales de la atmósfera. Se han desarrollado equipos, tales como ciclones, precipitadores electrostáticos, filtros húmedos y secos, destinados a atrapar partículas y polvo emitidos en la combustión de carbón y lignito y en plantas de gasificación, los cuales pueden adquirirse fácilmente y son perfectamente capaces de alcanzar los estándares establecidos.

Cenizas: Existe la necesidad de eliminar la ceniza acumulada sin perjudicar al medio ambiente. Ciertas cenizas, en especial las procedentes de centrales térmicas que queman combustibles pulverizados, se utilizan principalmente en aplicaciones de ingeniería civil tales como relleno para la construcción, sustitutivo del cemento en el hormigón o en elementos prefabricados. El uso de piedra caliza añadida a la cámara de combustión en calderas de lecho fluidizado con el fin de retener azufre incrementa el volumen de residuos sólidos a desechar, aunque la propiedad de autofraguado de esta ceniza constituye una ventaja.

Dióxido de Azufre: Con frecuencia, el carbón y el petróleo contienen compuestos de azufre que, en la combustión, emiten dióxido de azufre a la atmósfera, el cual puede retornar a la superficie terrestre, generalmente en forma de lluvia, dando lugar a la lluvia ácida. La emisión de dióxido de azufre de centrales térmicas de carbón puede reducirse de tres maneras:

• pretratamiento del carbón • tratamiento durante la combustión • eliminación del dióxido de azufre del gas de combustión

Se ha descubierto que el pretratamiento del carbón puede eliminar sólo de un 5 a un 30% del azufre. El azufre restante está combinado en la estructura del carbón y no puede eliminarse por medio de procesos físicos tales como el lavado. Los procesos de desulfurización del gas tienen amplia aceptación en centrales térmicas de carbón pulverizado, aunque la inversión y los costes de operación de la planta adicional necesaria aumentan considerablemente el coste de producción de electricidad o calor. Por tanto, los esfuerzos se han concentrado en procesos en los cuales el azufre se elimina con la ceniza en el sistema de combustión u otro reactor.

Óxidos de Nitrógeno: Todos los procesos de combustión tienden a producir óxidos de nitrógeno debido a la reacción entre el nitrógeno presente en el aire y el oxígeno a las temperaturas que se alcanzan durante la combustión. En la combustión del carbón, aumenta la formación de óxidos de nitrógeno a causa de la oxidación de compuestos derivados del nitrógeno presentes en el carbón.

Dióxido de Carbono: Durante la combustión, todos los combustibles fósiles liberan dióxido de carbono, que es responsable de aproximadamente el 50% de cualquier efecto causado por los “gases de invernadero”, entre los que también se incluyen el metano, el óxido nitroso y los clorofluorocarbonos, fabricados por el hombre y cuyo efecto sobre el equilibrio de los gases en la atmósfera puede dar lugar a un aumento de las temperaturas.

En algunas ocasiones se pueden encontrar pequeñas cantidades de elementos tales como plomo, cadmio y arsénico, que pueden ser emanados a la atmósfera durante la combustión.

En general, los productos de combustión se llaman humos. Se definen éstos como la masa de compuestos que resultan de un proceso de combustión. Mayoritariamente están formados por óxidos de los elementos combustibles de un combustible, además de por los elementos del combustible que no sufren reacción, donde hay que incluir el N2 del aire que no va a reaccionar con el oxígeno.

Otros elementos que pueden aparecer en los humos pueden ser pequeñas proporciones de elementos en suspensión, como carbón u hollín (que se define como una sustancia alquitranosa de coquización).

Los humos pueden clasificarse en secos (sin agua) o húmedos (con agua).

2.3. Central termoeléctrica de Ciclo Combinado

2.3.1. Introducción

Consiste en la combinación de turbinas de gas con turbinas de vapor. En este proceso las altas temperaturas de los gases de escape de la turbina de gas se aprovechan, mediante una Caldera de Recuperación (HRSG), para generar el vapor de agua que se expande en la turbina de vapor.

Uno de los parámetros fundamentales en una central termoeléctrica es la eficiencia o rendimiento, que indica la parte de la energía del combustible que se transforma de forma efectiva en energía eléctrica. La importancia de desarrollar centrales con una mayor eficiencia se fundamenta en:

• Reducir costes, por un menor consumo específico de combustible. • Reducir el impacto medioambiental, puesto que se minimiza la

emisión CO2 de contaminantes por kWh producido. • Preservar recursos de combustibles limitados (gas natural, petróleo,

carbón).

En las centrales térmicas la electricidad se genera por la expansión de un fluido a alta presión y temperatura en turbinas, que transmiten su movimiento a los generadores de corriente eléctrica. De esta forma el rendimiento viene determinado por la relación entre las temperaturas máxima y mínima en el proceso o ciclo termodinámico, de manera que cuanto más extremas sean estas condiciones mayor es el rendimiento.

Una vista general de una central de ciclo combinado puede ser como muestra la siguiente figura.

Fig. 2.6. Vista general de una central térmica de ciclo combinado

Tras pasar el aire por un sistema de limpieza (mediante filtros) el aire (1) entra en el compresor para aumentar su presión, después se dirige a la cámara de combustión (3) donde se produce la reacción de combustión. El combustible normalmente es gas natural, salvo problemas de suministro, que pueden quemar fuel. Una vez que se produce la combustión, los gases con gran cantidad de entalpía van a la turbina donde serán expandidos (2). El movimiento de la turbina hace girar a un generador (4), que produce electricidad que inmediatamente después pasa a los transformadores (5) el los que se elevará la tensión, para hacer transportada por las líneas (6).

Los gases de escape de la turbina de gas van a una caldera de vapor o caldera de recuperación (HRSG) (7) en la cual se genera vapor de agua a alta presión y temperatura para se expandido en la turbina de vapor (8) que también hace mover un generador eléctrico. Para recuperar el agua del ciclo es condensada (10) e incorporada al proceso. Normalmente hay tres procesos para condensar el agua procedente de la turbina de vapor: primero, un intercambiador de calor formado por un conjunto de tubos por

los que circulan el agua fría proveniente de un rió o mar; segundo, mediante torres de refrigeración (11) si no se dispone mucho agua; y tercero, el agua utilizada para enfriar el vapor en el condensador puede volver directamente al origen en cuyo caso se denomina sistema de refrigeración de ciclo abierto.

En la tabla de la figura 2.7 {17,22 ,23} se han resumido las ventajas que presentan los Ciclos Combinados, frente a las Centrales Térmicas clásicas:

Fig. 2.7. Ventajas de las centrales de ciclo combinado frente a las centrales térmicas de carbón pulverizado

La relación de potencia entre turbina de gas y turbina de vapor suele ser de 2 a 1. En cuanto a la configuración del ciclo, es posible una disposición de eje único, en la que ambas turbinas se sitúan sobre el mismo eje, accionando un alternador común.

En la figura 2.8 se muestra el esquema simple de un ciclo combinado.

Fig. 2.8. Esquema de una central de ciclo combinado

El desarrollo tecnológico del ciclo combinado ha venido marcado por los avances en la tecnología de turbinas de gas, ya que la tecnología de materiales permite temperaturas más alta en el primer escalón de la turbina y por tanto los gases de escape, lo que permite generar vapor de mayor calidad.

Actualmente, se están construyendo gran cantidad de centrales de ciclo combinado en todo el mundo, especialmente en los países desarrollados.

A escala mundial, la potencia instalada conjunta de turbinas de gas y ciclos combinados es de 350 GW (año 2001), con un aumento de 25-30 GW/año de nuevas plantas. En particular, en España se prevé que en el año 2010 un 28% de la generación eléctrica se produzca mediante ciclos combinados, con 14.800 MW de potencia instalada {20, 21}.

2.3.1.1. Emisiones contaminantes

Estas centrales suelen presentarse como tecnologías limpias debido a la reducción de las emisiones de contaminantes que en ellas se consiguen. Se alude en primer término al vertido casi nulo de Dióxido de Azufre (SO2) debido a que este elemento (S) es prácticamente inexistente en el gas natural. Y se insiste mucho en las reducciones que comportaba en las emisiones de Dióxido de Carbono (CO2) por kWh producido, con el consiguiente alivio del efecto invernadero. No deben ignorarse tampoco, por su contribución al cambio climático, las fugas accidentales de metano (CH4, componente casi exclusivo del gas natural) cuyo potencial de calentamiento a 20 años es 56 veces mayor que el de una cantidad igual de CO2. La tasa

de aumento anual de CH4 es del 0,6% y es responsable, aproximadamente, del 16% del calentamiento terrestre actual {18}.

Un balance similar ofrecen las emisiones de óxidos de Nitrógeno (NOx). Estas sustancias son componentes de las llamadas lluvias ácidas y se producen por reacción directa del Nitrógeno y el Oxígeno del aire al elevarse la temperatura. Una central de aproximadamente 1000 MW que funcione unas 6.600 horas equivalentes al año emitiría del orden de 2.100 Tm {19}. Estas sustancias son también precursores de la formación de Ozono troposférico, un peligroso contaminante que está alcanzando valores alarmantes en la atmósfera de ciertas zonas del territorio peninsular (Madrid, Huelva, Tarragona, Puertollano...).

2.3.2. Combustible: Gas Natural

El gas natural es incoloro, inodoro, insípido, sin forma particular y más ligero que el aire. Se presenta en su forma gaseosa por debajo de los -161ºC. Por razones de seguridad, se le añade mercaptan, un agente químico que le da un olor a huevo podrido, con el propósito de detectar una posible fuga de gas.

El gas natural es una mezcla de hidrocarburos ligeros compuesto principalmente de metano, etano, propano, butanos y pentanos. Otros componentes tales como el CO2, el helio, el sulfuro de hidrógeno y el nitrógeno se encuentran también en el gas natural. La composición del gas natural nunca es constante, sin embargo, se puede decir que su componente principal es el metano. Posee una estructura de hidrocarburo simple, compuesto por un átomo de carbono y cuatro átomos de hidrógeno (CH4). El metano es altamente inflamable, se quema fácilmente y casi totalmente y emite muy poca contaminación. El gas natural no es ni corrosivo ni tóxico, su temperatura de combustión es elevada y posee un estrecho intervalo de inflamabilidad, lo que hace de él un combustible fósil seguro en comparación con otras fuentes de energía. Además, por su densidad de 0,60, inferior a la del aire (1,00), el gas natural tiene tendencia a elevarse y puede, consecuentemente, desaparecer fácilmente del sitio donde se encuentra por cualquier grieta.

La composición del gas natural varía según la zona geográfica, la formación o la reserva de la que es extraído. Los diferentes hidrocarburos que forman el gas natural pueden ser separados utilizando sus propiedades físicas respectivas (peso, temperatura de ebullición, presión de vaporización).

Fig. 2.9. Composición típica de un gas natural

A una presión atmosférica normal, si el gas natural se enfría a una temperatura de - 161°C aproximadamente, se condensa bajo la forma de un líquido llamado gas natural licuado (GNL). Una cierta masa de este líquido ocupa casi 600 veces menos volumen que el gas natural y es dos veces menos pesado que el agua (45% de densidad aproximadamente). Es inodoro, incoloro, no es corrosivo ni tóxico .Cuando se evapora se quema solamente en concentraciones del % al 15% mezclado con el aire. Ni el GNL ni su vapor pueden explotar al aire libre. Puesto que el gas natural licuado ocupa menos espacio, el gas natural se licua para facilitar su transporte y almacenaje.

El gas natural es considerado como un combustible limpio. Bajo su forma comercializada, casi no contiene azufre y virtualmente no genera dióxidos de azufre (SO2). Sus emisiones de óxidos de nitrógeno (No) son menores a las generadas por el petróleo y el carbón. Las emisiones de dióxido de carbono (CO2) son inferiores a las de otros combustibles fósiles. La combustión de gas natural emite del 40 à 50% menos que el carbón y 25 à 30% menos que el petróleo {26}.

Normalmente, el gas natural tal cual se presenta después de su extracción no se puede transportar, ni tiene una utilización comercial, pues necesita antes una primera transformación. El gas natural comercial se compone casi exclusivamente de metano y de etano, excluyendo las impurezas que como la humedad deben ser removidas del gas natural bruto. El transporte por gasoductos impone a su vez reglas sobre la calidad del gas natural. En cualquier caso, el gas natural debe ser tratado con el fin de eliminar el vapor de agua, los sólidos y los otros contaminantes y separarlo de ciertos hidrocarburos cuyo valor es más elevado como producto separado que como producto mezclado.