Descripción tecnológica
El ciclo combinado, enlaza un ciclo abierto de turbina de gas (a través de una caldera de recuperación) con un ciclo cerrado de turbina de vapor, tal y como muestra la figura.
La energía térmica se aporta en forma de combustible, gas natural en la cámara de combustión de la turbina de gas.Aquí se quema con el aire comburente previamente comprimido en el compresor.
Los gases calientes producidos en la cámara de combustión son conducidos a la turbina donde se expanden accionando simultáneamente el compresor y el generador, y creando de este modo energía eléctrica. Esta parte corresponde a lo que se denomina «topping cycle».
La característica principal que presenta el combustible mencionado es su elevado poder calorífico, lo cual permite una mayor eficiencia en el ciclo termodinámico. Además, es fácil de manejar y mezclar con el comburente. En este proceso el gas natural cobra una especial importancia, ya que los gases de escape de su combustión no contienen azufre y, por tanto, son más limpios.
Los gases de escape de la turbina de gas, aún calientes, generan vapor en la caldera de recuperación. Este último se expande en la turbina de vapor arrastrando el generador para producir energía eléctrica. A esta parte del ciclo se le denomina «bottoming cycle».
La razón del rápido desarrollo de los ciclos combinados se basa en dos aspectos principales:
- El aire es un medio disponible barato que puede ser empleado a altas temperaturas sin problemas.
- El ciclo de vapor ya es un viejo conocido en las plantas convencionales y se adecua termodinámicamente para ser empleado en el «bottoming cycle».
- Los componentes empleados en un ciclo combinado son utilizados en otras plantas, por lo que sus costos de desarrollo son reducidos. En los últimos años las turbinas de gas se han desarrollado hasta alcanzar altas temperaturas de entrada de gases, lo que ha permitido obtener rendimientos muy elevados.
Existen dos causas principales por las que el rendimiento de un proceso real es significativamente menor que el rendimiento ideal de Carnot:
- Por un lado, el aporte de energía al proceso tiene lugar con un gran diferencial de temperatura. En un ciclo convencional la temperatura del vapor vivo puede ser del orden de 540°C, mientras que la temperatura en el hogar de la caldera es de 1.750 a 2.250°C.
- Por otro lado, la temperatura del foco frío está por encima de la temperatura del ambiente.
Estos dos efectos provocan pérdidas.
El interés del ciclo combinado radica, como ya hemos dicho, en adecuarse a estos dos procesos. Es prácticamente imposible optimizar un único proceso en ambas direcciones, sin embargo, mediante la combinación de dos procesos podemos acercarnos a ambos extremos mejorando así el resultado.
Teniendo en cuenta que los gases de combustión procedentes de la cámara de combustión alimentan directamente a la turbina de gas, no requiriéndose, por tanto, ningún tipo de intercambiador, la energía puede aportarse en un rango de temperaturas muy elevado. No obstante, libera la energía a relativamente alta temperatura a la atmósfera. Este hecho, tan determinante en el ciclo simple, no lo es en el ciclo combinado ya que esa energía es recuperada en otro ciclo. El ciclo de vapor recoge esta energía y la emplea en su turbina y, aunque éste no trabaje a alta temperatura, sí es capaz de ceder la energía sobrante a una temperatura muy cercana a la ambiental, minimizando las pérdidas. La combinación, pues, mejora el rendimiento batiendo las expectativas de cualquier otro ciclo simple.
Aunque en los ciclos reales no se llega, por supuesto, a esos rendimientos, sí da una idea de las posibilidades de cada proceso. Se aprecia que el ciclo combinado tiene un rendimiento muy superior a uno simple tan desarrollado e implantado como es el ciclo convencional con recalentamiento. Por otro lado, las pérdidas en el ciclo combinado son superiores debido a que el acoplamiento de los dos ciclos se produce con una diferencia de temperatura relativamente importante.
Naturalmente las eficiencias de cualquier ciclo real son menores que las ideales, debido a las pérdidas. Estas pérdidas pueden ser de dos tipos: pérdidas energéticas, es decir pérdidas de calor por radiación y convección; y pérdidas energéticas causadas por procesos irreversibles de acuerdo con la segunda ley de la termodinámica.
Por otro lado, el diagrama de Sankey supone una forma gráfica de representar el balance total de la energía puesta en juego en un ciclo termodinámico. Por lo tanto, representa la conversión de energía que se da desde la disponible en el combustible en la entrada, hasta la producción final. Esta puede ser en forma de energía eléctrica o mecánica según sea el caso, teniendo en cuenta todas las pérdidas que tienen lugar a lo largo del ciclo.
Las magnitudes se representan tanto en cantidades globales como en porcentajes sobre la potencia calorífica del combustible.
En el caso de los ciclos combinados, los términos que aparecen en este tipo de diagrama son:
- Potencia calorífica de entrada del combustible medida a partir del poder calorífico inferior.
- Potencia eléctrica obtenida en el generador o generadores del ciclo de gas.
- Potencia eléctrica obtenida en el generador del ciclo de vapor.
- Pérdidas mecánicas y de calor, por radiación, en la caldera de recuperación.
- Pérdidas de calor en los gases de escape de la chimenea de la caldera de recuperación.
- Pérdidas mecánicas y eléctricas en los generadores tanto del ciclo de vapor como en el de gas.
- Pérdidas de calor en el agua de condensación del condensador.
- Potencia de autoconsumo de la planta.