Cogeneración y Eficiencia Energética: Optimización de Centrales y Reducción de Emisiones

El coste unitario de producción en una central nuclear es altamente sensible al grado de carga debido a su estructura de costes. Tienen costes fijos muy elevados asociados a su construcción, mantenimiento, seguridad y gestión de residuos, que son independientes de la cantidad de electricidad generada. Sin embargo, sus costes variables, como el del combustible nuclear, son relativamente bajos. Esto implica que, a menor grado de carga, el coste unitario aumenta porque los costes fijos se reparten entre menos unidades de energía producida. Por esta razón, las centrales nucleares están diseñadas para operar a plena capacidad de manera continua, siendo ideales para cubrir la demanda base, ya que no son económicamente viables a carga parcial.

En cambio, las centrales de cogeneración, aunque también tienen costes fijos importantes, presentan una mayor flexibilidad operativa y un coste variable que puede ser más significativo dependiendo del tipo de combustible utilizado (gas, biomasa, etc.). Su versatilidad les permite adaptarse mejor a variaciones en la demanda, lo que las hace más útiles en periodos de carga parcial o para complementar el suministro durante picos de demanda. Esto las diferencia de las nucleares, que están orientadas a maximizar la generación constante y minimizar el coste unitario a través de su operación continua y a plena capacidad.

¿Cómo evitar que se quemen los tubos en una caldera convencional?

* Tubos de mayor calidad (aumenta costes).
* Limitar Qext: como ya tenemos vapor, que es lo que queríamos para turbinar, alejamos los tubos del foco de Q.
* Ensuciamiento: introducimos cenizas en la zona de TdC llama-fluido, pero evitaremos el depósito de minerales en el interior.

Turbina de gas: Muy alta calidad. Potencia media-alta.

Los gases que salen de la turbina son un flujo continuo y están bastante limpios, pocos HC sin quemar y sin partículas, por tanto, cuando se enfríen no habrá depósito de hollín. Se pueden llevar a una caldera de recuperación (aplicación habitual: producir vapor) o a un secadero (se pueden usar directamente por ser limpios). Puesto que tampoco hay S, se pueden enfriar los gases (que están a 500-600 ºC) de forma muy eficiente, hasta prácticamente 70-100 ºC, porque puede haber condensación. Casi toda la energía residual de la turbina está en los gases: pocas pérdidas. Estos tienen bastante O2, se utiliza dosado pobre para tener acotada la T de entrada a la turbina y no dañar los álabes. En algunas turbinas hay sistemas de post-combustión, unos quemadores bastante económicos.

MCIA: Media-baja potencia. Diesel o gas natural: industrial 50-55%. Bastante electricidad, menos Q. El otro 50% Qres, que una parte está en el circuito de refrigeración (producción de agua caliente a ~100 ºC, pocas aplicaciones) y otra parte en los gases: Dosado pobre, por tanto, tienen aire. En Diesel gases +sucios (hollín y partículas), por tanto, habrá que expulsarlos a T elevada.

Ciclo combinado: Muy alta potencia.

Se puede sacar Q de los humos de la turbina de gas (500-600 ºC), también del ciclo de vapor (sacrificando W de la turbina). En ambos casos se sacrifica la cogeneración. El rendimiento eléctrico sin cogeneración puede llegar al 60%, si hay cogeneración ~45%. Es complicado extraer Q. No hay muchas instaladas. Mucha electricidad, poco Q.

Turbina de vapor: Potencia alta. Del 100% del combustible obtendremos 40% de electricidad y 60% de Q residual (40-50% condensador y 10-20% humos caldera)

Una caldera de una central térmica tiene un rendimiento = 80%. El típico de una caldera industrial es de 90%. La nuestra es +grande pero peor rendimiento porque los humos son +sucios, con +S, y si hay condensación puede dañarse mucho la caldera (por ácido sulfúrico). De los humos que salen a 200 ºC de la caldera no se puede aprovechar nada.

Qres del condensador normalmente se evacúa con agua. Hay un flujo de agua caliente importante. Problema: esta agua está como MÁXIMO a 30-35 ºC, esto es, mucha agua a T insuficiente, pocas aplicaciones (suelo radiante, piscinas climatizadas)

Para utilizar un motor de vapor como un motor base de cogeneración hay 2 soluciones (en ambos casos, extraer en turbina sacrifica W. No pasa en las de gas): Extracción de vapor en la turbina para utilizarlo en algunas aplicaciones (2-3 bar) y cuando condense llevarlo al condensador / Si se necesita gran cantidad de vapor a T elevada: hacer +pequeña la turbina. Sacar vapor a 1,5-2 bar a 150 ºC. Expande a una p mucho +alta que la que tendría si fuese +grande.

Tienen +potencia que las de gas, pero peor rendimiento (80-85%), si hacemos cogeneración se sacrifica el W de la turbina. Ambas turbinas tienen rendimientos globales muy altos, pero con poca producción de electricidad y mucho Q (industria química, agroalimentaria). RCE > 1. Tipos:

-Turbina de Contrapresión: +sencilla y eficiente para Q de proceso. Vapor ingresa a alta p y se expande para producir Wmec. A diferencia de turbinas de condensación convencional, el vapor no se expande hasta p de condensación, sino hasta p intermedia que permita utilizarlo directamente para procesos industriales de transferencia de Q. Ventaja: muy eficiente para aplicaciones de cogeneración, ya que permite aprovechar Q directamente del vapor de escape a una p adecuada para los procesos. Aplicaciones: Calefacción de edificios, procesos industriales que requieren vapor de baja-media p

Reburning: utilizado en la industria para mejorar la eficiencia de sistemas de control de emisiones.

1. Combustión clásica: Formación de NOx

2. Destrucción de NOx en atmósfera reductora: Añadimos combustible a secas sobre una nube con poco aire. Sobrará bastante combustible. De manera artificial se han reducido los NOx casi por completo, pero tenemos combustión incompleta.

3. Final combustión: Aportamos aire terciario, se quema el combustible que quedaba.

No se trata de no producir NOx, sino de reducirlos. Quizá no llegue para cumplir la normativa, pero el postratamiento necesario será +pequeño y barato.

Combustión en lecho fijo: Potencia baja-muy baja

Combustión rápida: mucho aire, todo el N2 al aire / lenta: colchón de coque que reduce NOx

Si queremos utilizar lecho fijo para centrales de media-alta potencia hay que mejorar la relación aire/combustible: carbón pulverizado.

Etapa 1: triturador, se obtiene gravilla de carbón (1-10 mm) / 2: molino, se alimenta de gravilla de carbón, pasa por las muelas. Todo lo que se produce en el molino va directamente a los quemadores. Para variar la potencia también hay que variar la carga del molino / 3: combustión. La mezcla de aire + carbón llega al quemador.

En el cono de sombra se produce el secado del carbón y la pirólisis, se produce una combustión premezclada principalmente. Se queda una nube de brasas. No es una llama exactamente, cada brasa tiene su frente de llama individual. La nube de coque llega hasta cuando acaben de quemarse las brasas.

Problema: la llama son muchos metros si queremos mucha potencia, y además no puede tocar la pared del hogar. Hogar +grande: costes inviables / Llama + compacta: aportar aire secundario para que el oxígeno por difusión llegue a todas las partículas de coque. También va a hacer que avance +rápido la difusión / Dividir llamas, varios quemadores.

Mejor Solución: aumentar el Q que viene de la cámara de combustión y enviarlo al cono de sombra, para acelerar el proceso de secado y pirólisis. Así el cono de sombra sería + corto. Esto se hace utilizando material refractario en las paredes, de esa manera Q se concentra y tendremos TdC por radiación hacia el cono.

Para producir -NOx en lecho fijo, la combustión debe ser lenta y controlada. Esto se logra manteniendo Ts moderadas, regulando el O2 y utilizando el colchón de coque como agente reductor, reacciona con los NOx y los transforma en N2

Además, dividir el lecho en zonas escalonadas y evitar T extremas son estrategias clave para minimizar la formación.

Quemadores tangenciales: dispuestos en esquinas de la cámara de combustión y generan un movimiento rotacional en la llama. Beneficios técnicos: Mejor estabilidad de combustión: La disposición en espiral permite un flujo de aire y combustible más homogéneo / Mayor eficiencia térmica: Se logra una distribución más uniforme del calor dentro de la cámara / T constante: evita la formación de puntos calientes que pueden dañar los materiales de la caldera. Reducción de contaminantes: Menos NOx: mezcla optimizada aire-combustible y la combustión progresiva reducen la producción / Mejor aprovechamiento del combustible: minimiza inquemados, reduciendo emisiones de hollín y CO

+Turbina de Condensación con Extracción: permite mayor flexibilidad para ajustar el balance entre generación eléctrica y Q térmica. Vapor ingresa a alta p en la turbina y se expande parcialmente. Durante la expansión, se extrae una parte del vapor a una p intermedia para aplicaciones de Q térmica (como calefacción o procesos industriales). Condensación final: el vapor restante continúa expandiéndose hasta alcanzar p de condensación, momento en el que es dirigido al condensador para su enfriamiento. Aplicaciones: Plantas de cogeneración y procesos donde se necesita una combinación de E y Q a diferentes niveles de p. 

NOx se genera principalmente en la combustión de combustibles sólidos:

NOx térmico (principal contribuyente): Se forma cuando altas Ts (+1000 °C) provocan que el N2 del aire reaccione con el O₂ para producir NO y NO₂. Este tipo de NOx es más común en llamas con exceso de aire, como en centrales térmicas convencionales.

NOx de combustible: a partir del N2 presente químicamente en el combustible sólido (carbón, biomasa, residuos sólidos, etc.), se libera en forma de compuestos volátiles durante la pirólisis y se oxida durante la combustión. 

NOx instantáneo: Se forma en la etapa inicial de la combustión, en la zona donde la mezcla aire-combustible es altamente rica en O2 y se producen reacciones rápidas.

Reducir la formación de NOx: Control de T de la llama: Mantener por debajo de 1000 °C mediante: Exceso de aire controlado o añadiendo inertes (como cenizas o gases recirculados) para disipar Q / Reburning / Quemadores en U/tangenciales

Eliminar NOx ya formado: Recirculación de gases de escape (EGR): a la cámara de combustión para reducir la concentración de O2 y bajar la T de combustión.

Ventajas de los combustibles sólidos:

1. Abundancia y disponibilidad: carbón, biomasa y residuos sólidos, son ampliamente disponibles en muchas regiones del mundo, especialmente el carbón.

2. Bajo coste relativo: Comparado con combustibles líquidos o gas, precio más bajo en términos de coste energético (€/MWh).

3. Capacidad de almacenamiento y transporte: fáciles de almacenar y transportar. A diferencia de líquidos o gas, no requieren infraestructura costosa como tanques presurizados o criogénicos. El almacenamiento a cielo abierto es posible.

4. Flexibilidad en calderas: Tecnologías como el lecho fluidizado permiten el uso de combustibles sólidos de baja calidad (carbón con alto contenido de cenizas o humedad, biomasa húmeda, etc.), haciendo viable su aprovechamiento incluso con características no ideales.

5. Uso diversificado: son utilizados no solo en la generación de energía, sino también en procesos industriales como la producción de cemento o acero.

Emisiones contaminantes: NOx: contribuyen a la formación de lluvia ácida y smog fotoquímico, además de ser gases de efecto invernadero.  SOx: El S presente en el combustible (especialmente el carbón) se oxida durante la combustión. Al mezclarse con agua, forman ácido sulfúrico (H₂SO₄), que genera corrosión ácida en los tubos y chimeneas y contribuye a la lluvia ácida. Partículas y cenizas: restos inorgánicos, que pueden ser liberadas en forma de partículas finas. Algunas son altamente perjudiciales para la salud, ya que afectan las vías respiratorias al ser inhaladas. CO₂: especialmente el carbón, tienen una alta relación carbono/hidrógeno, lo que resulta en mayores emisiones de CO2 por unidad de energía generada.

Ensuciamiento y formación de depósitos: cenizas y partículas sólidas pueden acumularse en las superficies internas de las calderas, reduciendo la TdC. Impacto de la humedad: Los combustibles con alto contenido de humedad requieren mayor energía para el secado durante la combustión, reduciendo la eficiencia térmica (también puede provocar combustión incompleta y generación de hollín) Baja reactividad de algunos combustibles (como el carbón antracita) tienen baja reactividad y requieren Ts +altas para una combustión eficiente.