Ciclo del agua en una central térmica
ÍNDICE
Funcionamiento de una central térmica
El ciclo Rankine
La torre de refrigeración
Impacto ambiental
Medidas correctoras
Resumen y conclusiones
Anexo de fotografías
Bibliografía
FUNCIONAMIENTO DE UNA CENTRAL TÉRMICA
Una central térmica es un centro de producción de electricidad en el cual el elemento principal es el vapor (normalmente, vapor de agua). El agua se calienta, cambia a estado vapor, y ese vapor es el que hace girar a una turbina conectada a un generador eléctrico.
El tipo de combustible utilizado en una central térmica puede variar: carbón, gasóleo, gas natural, combustibles nucleares, energía geotérmica, energía solar térmica e incluso la incineración de residuos.
La mayoría de las centrales térmicas se construyen con grandes tamaños y para una operación continua de generación.
La eficiencia de este tipo de centrales se encuentra entre el 33 y el 48%, limitada por las leyes de la termodinámica (ciclo Rankine) que rigen el proceso, básicamente por los límites de temperatura del vapor en las turbinas. El resto de la energía calorífica no es aprovechable, con lo que debe ser evacuada de la central por medio de las torres de refrigeración.
Una mejora en la eficiencia implicaría trabajar a mayores temperaturas y mayores presiones de vapor.
El generador de vapor:
el generador de vapor tiene que producir la cantidad de vapor a la presión y temperatura requeridas para la alimentación de la turbina.
Una vez que el agua líquida se introduce en el generador hay que aportarle el suficiente calor sensible para que alcance la temperatura de cambio de estado y el calor latente para que se produzca ese cambio de estado. Este calor se suministra gracias a una reacción química de combustión de cualquiera de los combustibles citados anteriormente.
El agua pasa a fase vapor mediante cambiadores de calor, además existe un sistema de recirculación del vapor que no ha alcanzado la temperatura requerida. También se “seca” el vapor para que sea puro y no lleve gotas de agua con él a la turbina.
El ciclo en el generador de vapor se lleva a cabo mediante un circuito cerrado de agua, pero como es lógico hay pérdidas que compensar, para ésto se suministra agua del exterior de la planta, como puede ser de ríos, embalses, agua de mar, etc.
El agua que se introduce en la planta tiene impurezas, normalmente calcio y magnesio, lo cual endurece el agua y puede dañar los cambiadores de calor, ya que forman depósitos que pueden dar lugar a puntos calientes en el cambiador o incluso obstruirlo.
Para que esto no suceda, se somete el agua a un proceso de desmineralización , que no consiste más que en un intercambio iónico. El agua que se introduce al generador de vapor tiene una composición de iones de hidrógeno y grupos hidroxilo, la composición del agua pura. Aunque este agua puede volverse muy corrosiva en contacto con el oxígeno atmosférico.
La turbina de vapor:
una vez el vapor tiene la temperatura y la presión suficiente, pasa a la turbina.
Ésta está directamente conectada al generador eléctrico.
La inyección del vapor hace que la turbina gire a gran velocidad y se genere la energía eléctrica.
Condensador:
una vez que el vapor ha pasado por la turbina, es conducido a un condensador, donde cederá parte de su calor sensible al agua en estado líquido.
De esta forma se consigue una optimización del proceso, ya que el calor sensible del vapor sirve para precalentar el agua en estado líquido hasta 100ºC.
El agua utilizada procede de la torre de refrigeración. Este proceso se lleva a cabo de esta manera para no expulsar el vapor directamente a la atmósfera o al río o embalse, lo que provocaría una gran pérdida de rendimiento térmico.
EL CICLO RANKINE
El ciclo Rankine es un ciclo termodinámico que transforma el calor en trabajo. El calor se suministra con un circuito cerrado de un fluido (generalmente agua). Gracias a este ciclo se genera el 80% de la energía eléctrica mundial en las centrales térmicas.
El ciclo Rankine consiste en bombear el agua para que entre a una mayor presión en el generador de vapor, con lo que se reduce significativamente el costo energético del calentamiento.
La eficiencia del ciclo viene dada por las limitaciones del fluido a utilizar para la transmisión del calor. Normalmente la temperatura de entrada del vapor a la turbina es de 565ºC y la temperatura en el condensador desciende hasta los 30ºC aproximadamente.
El fluido con el que se trabaja en el ciclo Rankine se encuentra en un circuito cerrado y es reutilizado constantemente. Por esto, el vapor que sale por la torre de una central térmica no procede del ciclo de vapor, sino que es consecuencia del proceso de refrigeración y representa el calor que no puede ser aprovechado.
Para el ciclo Rankine se pueden utilizar muchos fluidos, pero es el agua la que se utiliza en mayor medida debido a sus propiedades químicas: no es tóxica, es poco reactiva, es abundante, barata y tiene unas propiedades termodinámicas favorables.
Una de las ventajas de este ciclo termodinámico sobre otros es que se reduce el consumo de energía de la bomba, ya que el fluido está en fase líquida cuando se comprime.
LA TORRE DE REFRIGERACIÓN
Las torres de refrigeración son infraestructuras que permiten expulsar a la atmósfera, de forma controlada y eficiente, el calor residual de un proceso industrial y, en el caso de que se ocupa este trabajo, en una central térmica de combustión.
La misión principal de la torre de refrigeración es enfriar el agua de los circuitos de refrigeración de la central (estos circuitos principalmente son los del condensador).
El funcionamiento es básicamente como se describe a continuación:
el agua bombeada desde el depósito de la torre es el agua refrigerante encaminada a través de enfriadores del proceso y los condensadores en una central térmica.
El agua fría absorbe calor de las corrientes calientes del proceso que necesitan ser enfriadas o condensadas, y el calor absorbido calienta el agua circulante.
El agua calentada vuelve a la cima de la torre de refrigeración y cae en chorros finos, presentando gran superficie para su enfriamiento con el aire, sobre el material de relleno dentro de la torre. A medida que gotea, entra en contacto con el aire que sube por la torre.
Este contacto provoca que una pequeña cantidad de agua sea perdida por arrastre del viento y otra parte del agua por evaporación. El calor necesario para evaporar el agua se deriva de la propia agua, que enfría el agua a su regreso al depósito original y en donde queda a disposición para volver a circular.
El agua evaporada deja las sales que lleva disueltas entre el grueso del agua que no ha sufrido la evaporación, lo que hace que la concentración de sales se incremente en el agua de refrigeración circulante. Para evitar que la concentración de sales en el agua llegue a ser demasiado alta, una parte del agua es retirada para su vertido. Se suministra al depósito de la torre nuevo contingente de agua fresca para compensar las pérdidas por el agua evaporada, el viento, y el agua retirada.
IMPACTO AMBIENTAL
El agua de enfriamiento limpia constituye el efluente más importante que proviene de las plantas termoeléctricas. Puede ser reciclada o descargada a la extensión de agua superficial, sin causar efectos mayores en cuanto a su calidad química.
Sin embargo, debe ser considerado el efecto del calor residual sobre la temperatura del agua ambiental, durante la evaluación de las plantas que contemplen utilizar, sin reciclaje, el agua de enfriamiento.
Un aumento pequeño en la temperatura del agua ambiental puede alterar, radicalmente, las comunidades de las plantas y la fauna.
Los otros efluentes que producen los proyectos termoeléctricos son menos abundantes, pero pueden alterar, grandemente, la calidad del agua.
Por ejemplo, los efluentes de las plantas termoeléctricas a carbón contienen el agua de lavado del sistema de enfriamiento, de la caldera, del desmineralizador, del regenerador de resinas, del eliminador de ceniza y el escurrimiento de los montones de carbón, y ceniza, así como otras descargas de bajo volumen causadas por los accidentes o derrames. Se encuentran diferentes combinaciones de metales y otros químicos en estos efluentes.
En las plantas a petróleo los derrames de combustible tienen un impacto negativo sobre la calidad del agua.
Algunos de los impactos pueden ser evitados completamente, o mitigados más exitosamente, a menor costo si el sitio se escoge prudentemente.
Si el alto volumen de agua que requieren las grandes plantas de este tipo, se toma de las extensiones de agua naturales, como ríos y bahías, existe el riesgo de mortandad para los organismos acuáticos, porque se arrastran y se chocan con el sistema de enfriamiento. Esto puede reducir grandemente la población de peces y moluscos, de los cuales algunos pueden tener importancia comercial.
Las descargas de agua caliente pueden elevar la temperatura del agua ambiental, alterando radicalmente, las comunidades de plantas y animales acuáticos, favoreciendo a los organismos que se adapten a temperaturas más altas. Entonces, las nuevas comunidades son vulnerables al efecto opuesto: una reducción brusca de la temperatura ambiental, después de la paralización de la planta, debido a las fallas o el mantenimiento programado.
Al utilizar torres de enfriamiento por evaporación, se reduce la cantidad de agua que debería ser empleada para enfriamiento, y se requiere, sólo una cantidad suficiente para compensar la evaporación. Las torres eliminan la descarga térmica, pero producen agua de purgación, que deberá ser eliminada.
Cualquiera de los métodos de enfriamiento implica algún consumo de agua.
MEDIDAS CORRECTORAS
Las medidas correctoras que se pueden aplicar, según el tipo de impacto ambiental, son las siguientes:
Para controlar los cambios en la calidad del agua superficial y freática se procede a tratar los efluentes, química o mecánicamente, en el sitio; prevenir la contaminación de las aguas freáticas mediante el uso de revestimientos; emplear pozos de inyección profundos, más bajos que las zonas potables; colocar forros en las piscinas y áreas donde se eliminan los desechos sólidos; diluir el efluente en el punto de descarga.
Para que no exista choque térmico para los organismos acuáticos, lo que se puede hacer es utilizar un diseño alternativo de disipación del calor; diluir el efecto término, descargando el agua en una extensión de agua más grande; instalar difusores mecánicos, enfriar el agua en el sitio, en una piscina de espera, antes de descargarla; explorar las posibilidades de utilizar el calor residual.
Para evitar el arrastre y choque de los organismos acuáticos se ubica la toma de agua en un área que evite los impactos importantes y se instalan mallas.
También es importante diseñar un plan de reciclaje del agua a fin de evitar cambios en la calidad de agua superficial y freática. Y construir canales y piscinas de espera en el sitio para que no haya cambios en el caudal y descarga del agua superficial.
RESUMEN Y CONCLUSIONES
Una central térmica es una gran instalación de combustión que necesita una gran cantidad de agua para llevar a cabo las operaciones de transmisión de calor.
El ciclo del agua en una central térmica se podría resumir en pocos pasos:
Hay una recepción de agua, la cual se desmineraliza y se purifica y se intruduce en un circuito cerrado.
El agua pasa a un generador de vapor donde se comprime y se eleva su temperatura hasta que cambia de estado a vapor.
Una vez formado el vapor, éste pasa a la turbina y la hace girar. La turbina, conectada al generador eléctrico, produce energía.
Cuando el vapor sale de la turbina se condensa, aprovechando su calor sensible para precalentar el agua líquida que va a pasar a vapor para introducirse en la turbina y completar el ciclo.
El impacto ambiental de una central térmica en cuanto al agua es considerable, ya que se afecta en gran medida a la fauna, a la flora y también a los acuíferos.
Si bien es cierto que existen muchas medidas correctoras que pueden evitar este gran impacto o reducirlo.
ANEXO DE FOTOGRAFÍAS
Vista desde abajo de las torres de refrigeración en una central térmica
Esquema
del generador de vapor de una central térmica
Esquema
de un condensador en una central térmica
Esquema
de una torre de refrigeración en una central térmica
BIBLIOGRAFÍA
Wikibooks: Potenciales impactos negativos y medidas de atenuación de una central térmica, http://es.wikibooks.org/wiki/Impactos_ambientales/Central_termoel%C3%A9ctrica_convencional#Potenciales_impactos__negativos__-__Medidas_de_atenuaci.C3.B3n
Wikipedia: Cooling tower, http://en.wikipedia.org/wiki/Cooling_tower
Wikipedia: Impacto ambiental potencial de proyectos de centrales termoeléctricas, http://es.wikipedia.org/wiki/Impacto_ambiental_potencial_de_proyectos_de_centrales_termoel%C3%A9ctricas
Wikipedia: Rankine cycle, http://en.wikipedia.org/wiki/Rankine_cycle
Wikipedia: Thermal power station, http://en.wikipedia.org/wiki/Thermal_power_station
Así mismo, todas las imágenes también han sido recopiladas de dichos artículos de la Wikipedia en Inglés.
Recursos energéticos, combustibles y explosivos 1