3.1: Conceptos básicos de producción eléctrica a partir de turbinas de vapor

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3.1 Conceptos básicos de la producción de electricidad a partir de turbinas

Historia

Hubo varias personas que intentaron usar la presión de vapor para producir algún tipo de energía mecánica, pero realmente no pudieron lograrlo (incluyendo 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 crema de la leche. Sin embargo, Charles Parsons fue el primero en utilizar el vapor como fluido de trabajo para la generación de electricidad.

Mecánica

El objetivo general es mover un generador eléctrico de manera circular, lo que se puede hacer con una turbina. Para que una turbina sea accionada, se debe utilizar un fluido de trabajo. El agua se puede utilizar para conducir una turbina para obtener electricidad, se le conoce como hidroelectricidad. La Figura 3.1a muestra el esquema de una rueda hidráulica y cómo funciona, 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 girar una rueda (o turbina). La turbina giratoria se puede utilizar para mover otra cosa, como algo que molerá el trigo para convertirlo en harina.

Esquema de agua girando una rueda de agua. La rueda gira en sentido horario, el agua fluye de derecha a izquierda — Figura 3.1a: Esquema del agua girando una rueda de agua. El agua es el fluido de trabajo para girar la rueda, que también se conoce como turbina.

*Crédito: top-alternativa-energía-sources.com*

rueda siendo girada por agua vertiendo desde arriba — Crédito: *Permaculturar en Portugal Blog*

Un fluido de trabajo debe cumplir ciertos criterios. Debe ser:

barato;
disponibles o capaces de producirse en grandes cantidades;
razonablemente seguro y respetuoso con el medio ambiente.

Una de las pocas sustancias que cumple con este criterio es el agua. Sin embargo, como no tenemos cascadas ilimitadas para producir hidroelectricidad, lo siguiente mejor es “agua gaseosa”, o vapor. Y para producir electricidad, queremos que la turbina gire muy rápido, y la forma de hacerlo es con vapor a alta presión.

La forma de producir vapor a alta presión se basa en la Ley de Boyle: Para una cantidad fija de gas mantenida a una temperatura constante, la presión por el volumen equivale a una constante (P*V = constante). Para esta aplicación, la Ley de Boyle cobra importancia cuando se combina con la obra de Charles y Gay-Lussac, donde el volumen es proporcional a la temperatura. Por lo tanto, para una cantidad fija de gas a presión constante, entonces P*V = (constante) *T. Si el volumen se mantiene constante, y la temperatura aumenta, entonces la presión también aumentará. La clave para producir vapor a alta presión es producir vapor a alta temperatura. Si se alimenta vapor de alta presión y alta temperatura a una turbina, se permite que el vapor se expanda a través de la turbina y el volumen aumenta. Durante la expansión, a medida que aumenta el volumen, la presión disminuye, lo que a su vez provoca que la temperatura baje. La Figura 3.2a es un esquema que resume cómo el vapor juega un papel en la turbina.

Esquema de cómo el vapor juega un papel en la turbina. Descrito en pozo en pie de foto — Figura 3.2a: Esquema de vapor a alta temperatura y alta presión como fluido de trabajo para una turbina. A medida que el vapor atraviesa la turbina, el volumen del agua aumenta y la temperatura y la caída de presión; el vapor se condensa a agua y se vuelve a utilizar en el proceso.

*Crédito: Dra. Caroline B. Clifford*

El mismo esquema que el anterior, pero un generador está unido a la turbina. El subtítulo describe bien — Figura 3.2b: El mismo esquema, pero con un generador unido a la turbina. A medida que la turbina gira, el generador gira, que luego genera electricidad.

*Crédito: Dra. Caroline B. Clifford*

Cuando la turbina está conectada a un generador, entonces se produce electricidad. Un generador es una bobina de alambre que gira muy rápidamente alrededor de un conjunto de imanes. Entonces, si agregamos un generador a la turbina... (ver Figura 3.2b) Como se ve en la Figura 3.1, el agua se puede utilizar para hacer girar una turbina, que luego gira el generador para obtener electricidad. Un ejemplo de planta hidroeléctrica es la de la presa Hoover en Nevada (ver Figura 3.3).

Figura 3.3: Presa Hoover por la noche.

*Crédito: Buró de Reclamación, Andrew Pernick, Fotógrafo*

Casi el 99% de nuestra electricidad proviene de generadores. En el pasado, 12-15% de la electricidad era producida por instalaciones hidroeléctricas, pero ese número ha bajado al 6-9%. La hidroelectricidad está limitada por la ubicación (cascadas), por lo tanto, la electricidad tiene que provenir de otra fuente. El 85-94% restante proviene de plantas eléctricas en las que se utiliza vapor como fluido de trabajo en la turbina. Entonces, ¿cómo hacemos esto de la manera más barata y confiable posible? El vapor es el fluido de trabajo que se utiliza, así que ahora vamos a entrar en cómo hacemos esto.