Locomotora de turbina de vapor
Ya sea quemando carbón, concentrando la luz solar o dividiendo átomos, la mayoría de las centrales térmicas utilizan la energía para lo mismo: calentar agua hasta convertirla en vapor para mover una turbina. La generación basada en el vapor produce el 80% de la electricidad mundial.
Tras más de un siglo de mejoras graduales en el ciclo del vapor, los ingenieros han recogido la mayoría de los frutos maduros y persiguen rendimientos decrecientes, gastando millones de dólares por cada punto porcentual de mejora de la eficiencia. Estas mejoras se propagan a otras fases de la producción de electricidad, lo que permite a las centrales extraer más trabajo por unidad de combustible.
En un generador alimentado con combustibles fósiles, esto significa menos emisiones de dióxido de carbono por la misma unidad de electricidad producida. En una central termosolar, esto se traduce en una mayor capacidad con menores costes de explotación.
El mes pasado, en una sesión informativa sobre el presupuesto y en dos comparecencias diferentes ante el Congreso, el Secretario de Energía, Ernest Moniz, mencionó específicamente las iniciativas de dióxido de carbono supercrítico del Departamento de Energía. La solicitud presupuestaria del departamento para 2016 asigna 44 millones de dólares a investigación y desarrollo en este frente, incluido un sistema de demostración de turbina supercrítica de 10 megavatios.
Turbinas de vapor Ge
La mayor parte de la electricidad de Estados Unidos se produce con la ayuda de motores de turbina de vapor: según el Departamento de Energía estadounidense, más del 88% de la energía de este país se produce a través de generadores de turbina de vapor en centrales eléctricas como las termosolares, las de carbón y las nucleares. Al ofrecer mayor eficiencia y bajos costes, las turbinas de vapor se han convertido en parte integrante de muchas industrias estadounidenses de producción de energía.
La primera turbina de vapor moderna fue desarrollada por Sir Charles A. Parsons en 1884. Esta turbina se utilizó para iluminar una exposición en Newcastle (Inglaterra) y sólo producía 7,5 KW de energía. Ahora, los generadores de turbina de vapor pueden producir más de 1.000 MW de energía en centrales eléctricas a gran escala. Aunque la capacidad de generación ha aumentado enormemente desde Parsons, el diseño sigue siendo el mismo. Pero, por intuitivo que sea el diseño de Parsons, no es tan simple como el vapor moviéndose a través de las palas. Se basaba en la Segunda Ley de la Termodinámica y en el Teorema de Carnot (), que afirma que a mayor temperatura del vapor mayor eficiencia de la central. Veamos cómo el vapor ayuda a alimentar la mayoría de las centrales eléctricas del país.
Rendimiento de la turbina de vapor
Varias personas intentaron utilizar la presión del vapor para producir algún tipo de energía mecánica, pero no lo consiguieron (Watt, 1769; von Kempelen, 1784; Trevithick, principios del siglo XIX). La primera turbina de vapor fue desarrollada por De Laval en la década de 1870; su dispositivo se utilizó para separar la nata de la leche. Sin embargo, Charles Parsons fue el primero en utilizar el vapor como fluido de trabajo para generar electricidad.
El objetivo general es mover un generador eléctrico de forma circular, lo que puede hacerse con una turbina. Para accionar una turbina, es necesario utilizar un fluido de trabajo. El agua puede utilizarse para mover una turbina y generar electricidad, lo que se conoce como hidroelectricidad. La figura 3.1a muestra el esquema de una rueda hidráulica y su funcionamiento, y la figura 3.1b muestra una imagen de una turbina moderna. Una turbina utiliza la fuerza del agua (y los molinos de viento también funcionan según este principio) para hacer girar una rueda (o turbina). La turbina que gira puede utilizarse para mover otra cosa, como algo que muela el trigo hasta convertirlo en harina.
Turbina de vapor
Dado que la turbina genera movimiento rotatorio, resulta especialmente adecuada para accionar generadores eléctricos. La turbina de vapor es una forma de motor térmico que obtiene gran parte de su mejora en eficiencia termodinámica del uso de múltiples etapas en la expansión del vapor, lo que resulta en una mayor aproximación al proceso ideal de expansión reversible.
Las turbinas de vapor se fabrican en una gran variedad de tamaños, desde pequeñas unidades de < 0,75 kW utilizadas como accionamientos mecánicos para bombas, compresores y otros equipos accionados por ejes, hasta turbinas de 1,5 GW utilizadas para generar electricidad. Existen varias clasificaciones para los modelos de turbinas de vapor.
Las centrales eléctricas utilizan grandes turbinas de vapor que accionan generadores eléctricos para producir la mayor parte de la electricidad mundial. La aparición de las grandes turbinas de vapor hizo que la generación de electricidad en las centrales pasara a formar parte del proceso, ya que las máquinas de vapor alternativo de gran potencia pasaron a ser muy voluminosas y funcionaban a baja velocidad. La mayoría de las centrales eléctricas son centrales de combustibles fósiles y centrales nucleares; algunas instalaciones utilizan vapor geotérmico, o emplean energía solar concentrada (CSP) para crear el vapor.