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Análisis - Optimización de la eficiencia energética en centrales eléctricas de carbón: una guía completa

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Por: Mónica Y. Marín

Mejorar la eficiencia energética en las centrales eléctricas de carbón es esencial para reducir el impacto ambiental y optimizar la utilización de los recursos. Con la eficiencia energética puedes ahorrar dinero, optimizar tus activos y reducir las emisiones. Este artículo explora varias estrategias recomendadas para mejorar la eficiencia energética en las centrales eléctricas de carbón.

Tecnologías de combustión avanzadas

La implementación de tecnologías de combustión avanzadas, como la combustión en lecho fluidizado circulante (CFB) y los ciclos de vapor supercrítico, mejora significativamente la eficiencia de las centrales eléctricas alimentadas con carbón. Esto no sólo reduce las emisiones de CO2 sino que también promueve prácticas energéticas sostenibles. Es importante comprender que las tecnologías de combustión avanzadas tienen un impacto directo en las emisiones relacionadas con la atmósfera. Una central eléctrica de 300 MW con un aumento del 2 % en la eficiencia podría reducir las emisiones de CO2 en 90.000 toneladas al año.

Central eléctrica IGCC

Las centrales eléctricas de ciclo combinado de gasificación integrada (IGCC) utilizan generadores de turbinas de vapor y combustión contemporáneas, empleando carbón para producir gas de síntesis. La gasificación, un proceso con una huella ambiental mínima, contribuye a una mayor eficiencia en comparación con las centrales eléctricas tradicionales.

La gasificación del carbón implica convertir el carbón en gas de síntesis mediante procesos de alta temperatura por encima de los 1800 °C. Este método permite la separación de dióxido de carbono (CO2) relativamente puro antes de la generación de energía, lo que ofrece un enfoque más eficiente y respetuoso con el medio ambiente.

El gas de síntesis, generado a altas temperaturas en el gasificador, se somete a un tratamiento para la limpieza del gas y la eliminación de partículas antes de ser dirigido a la cámara de combustión y la turbina de gas para generar electricidad. El calor recuperado de los gases de escape de la turbina de gas, combinado con el vapor producido durante el proceso de gasificación, se utiliza para impulsar un generador de turbina de vapor, produciendo electricidad adicional.

Sistemas combinados de calor y energía (CHP)

La utilización de sistemas combinados de calor y energía (CHP) captura el exceso de calor generado durante la producción de energía para otros procesos industriales o calefacción urbana. Este enfoque mejora significativamente la eficiencia general de la planta, la seguridad energética y la rentabilidad. La cogeneración aumenta la seguridad energética y la eficiencia energética entre un 65 y un 85 %. También disminuye los costos de energía y los riesgos del proceso energético. Hay cinco tecnologías de motor primario predominantes utilizadas para los sistemas CHP: motores alternativos, turbinas de gas, microturbinas, pilas de combustible y calderas/vapor.

Eficiencia mejorada de la caldera

El mantenimiento regular y la optimización del rendimiento de la caldera desempeñan un papel crucial en la mejora de la eficiencia energética. Tener un mantenimiento periódico para garantizar el correcto funcionamiento de los equipos de calderas es fundamental para garantizar la eficiencia energética y reducir costes, OPEX y CAPEX. Considere la posibilidad de adoptar tecnologías avanzadas de calderas, como la combustión en lecho fluidizado, para mejorar la eficiencia de la combustión y reducir las emisiones.

También se recomienda realizar pruebas de eficiencia de la caldera para monitorear y controlar el rendimiento de la caldera durante la vida útil de la central eléctrica de carbón.

Recuperación de calor residual

El calor residual industrial se refiere a la energía generada en procesos industriales que a menudo no se utiliza y se libera al medio ambiente como residuo. Esta energía no utilizada se puede emplear a través de diversas tecnologías de recuperación de calor residual, lo que ofrece una valiosa fuente de energía y contribuye a una reducción en el consumo total de energía. Aproximadamente entre el 20 y el 50% de la energía aportada en los procesos industriales se pierde como calor residual, que se manifiesta en gases de escape calientes, agua de refrigeración y calor disipado de las superficies de los equipos y de los productos calentados. El uso predominante de la quema de combustibles fósiles en la producción de energía industrial agrava aún más este problema al transferir calor al medio ambiente en lugar de a los materiales de fabricación previstos, lo que genera un importante desperdicio de energía.

Las tecnologías de recuperación de calor residual liberan el potencial de la energía no utilizada generada en los procesos industriales, contribuyendo a una reducción del consumo energético general. Este enfoque genera ahorros de costos, reduce el impacto ambiental y mejora el flujo de trabajo y la productividad.

Sistemas de refrigeración eficientes

La utilización principal del agua en la generación de energía se centra en la refrigeración del condensador. Las centrales térmicas exigen un volumen sustancial de agua de refrigeración para condensar el vapor de escape de las turbinas de vapor. Históricamente, las centrales eléctricas han empleado tres métodos para el enfriamiento del condensador: enfriamiento de un solo paso, evaporativo y seco, cada uno con sus distintas ventajas e inconvenientes.

En el proceso de enfriamiento de un solo paso, se extrae agua, generalmente de un lago, se hace circular a través de un condensador y luego se devuelve a su fuente a la misma velocidad pero a una temperatura elevada. Este método se destaca por la eficiencia superior de la planta de energía en comparación con alternativas como las torres de enfriamiento.

El enfriamiento evaporativo suele ser el segundo método más eficaz para mejorar la eficiencia de la planta. La temperatura de condensación se alinea estrechamente con la temperatura ambiente de bulbo húmedo. Las plantas de energía equipadas con torres de enfriamiento generalmente usan menos del 5% del agua de enfriamiento en comparación con una planta similar que emplea enfriamiento de un solo paso.

El enfriamiento seco expulsa el calor del condensador a la atmósfera utilizando aire a través de un intercambiador de calor externo. Hay dos tipos: directo, donde el vapor se condensa en un condensador enfriado por aire (ACC) que se encuentra comúnmente en las plantas de ciclo combinado alimentadas por gas; e indirecto, donde el vapor se condensa en un condensador tradicional que utiliza agua de refrigeración y luego se transfiere a un intercambiador de calor enfriado por aire. Los sistemas híbridos combinan refrigeración húmeda y seca.

Si bien el enfriamiento seco tiene la ventaja de eliminar la necesidad de agua de enfriamiento de las centrales eléctricas, presenta desafíos en términos de costo y rendimiento. El costo de capital para las plantas con enfriamiento seco es más de un 10% mayor que el de aquellas con enfriamiento húmedo, principalmente debido a los requisitos de grandes intercambiadores de calor, ventiladores, motores de accionamiento y estructuras de acero elevadas. El costo específico del sistema de enfriamiento seco es de tres a cinco veces mayor que el de una torre de enfriamiento húmedo, agregando aproximadamente un 12,6% al costo de capital promedio de una planta de vapor típica de 500 MW. Los potentes ventiladores necesarios para la circulación del aire aumentan la carga parásita de la unidad, lo que resulta en una reducción de la potencia neta. El enfriamiento seco también genera una temperatura de condensación de vapor más alta, lo que reduce la eficiencia promedio de la unidad en un 10 % o más en los días más calurosos y potencialmente limita la capacidad durante condiciones de alta temperatura. Por lo tanto, optimizar los sistemas de refrigeración es crucial para minimizar el consumo de energía auxiliar.

Técnicas de mantenimiento predictivo

La implementación de técnicas de mantenimiento predictivo, como el monitoreo de condiciones, el modelado predictivo y el análisis del modo de falla, garantiza la detección proactiva de posibles problemas de la maquinaria. Esto ayuda a prevenir el tiempo de inactividad y optimizar el rendimiento de la planta.

Captura y almacenamiento de carbono (CAC)

Las tecnologías de captura de carbono, incluidos los métodos de poscombustión, precombustión y oxicorte, desempeñan un papel crucial en la reducción de las emisiones de dióxido de carbono. Las opciones de almacenamiento, como el almacenamiento geológico y el almacenamiento en yacimientos de petróleo y gas agotados, contribuyen a un futuro energético sostenible.

El principal desafío surge de los aportes de energía adicionales necesarios para la captura de dióxido de carbono, lo que lleva a una disminución de la eficiencia energética general con las tecnologías actuales. En consecuencia, la decisión crucial radica en evaluar si mejorar la eficiencia energética existente es beneficioso o si tiene más sentido aprovechar el calor disponible para impulsar tecnologías específicas de captura de carbono a través de la integración de procesos.

Capacitación y sensibilización de los empleados

Empoderar a los operadores de la planta con capacitación sobre las mejores prácticas para una operación eficiente y fomentar una cultura de eficiencia energética dentro de la planta garantiza la contribución activa de todos los miembros del personal.

Al combinar estas estrategias, las centrales eléctricas de carbón pueden lograr mejoras significativas en la eficiencia energética al tiempo que abordan las preocupaciones ambientales y garantizan la sostenibilidad a largo plazo. Un enfoque holístico que integre diversas tecnologías y prácticas operativas es esencial para obtener resultados óptimos en la búsqueda de una producción de energía eficiente y sostenible.

Fuente: powermag.com - https://www.iea.org