¡Adelante a todo vapor!

¡Adelante a todo vapor!
Al estallar la demanda mundial de electricidad, las turbinas de vapor tienen un futuro acalorado por
delante
Morand Fachot
Las turbinas de vapor, introducidas por primera vez en el siglo 19, han estado desde entonces en gran
medida presentes en la demanda de la generación de energía eléctrica, propulsión marina y en la
industria. Son responsables de la producción de alrededor del 80% de la electricidad del mundo, a
partir de combustibles fósiles y nucleares, así como de determinadas fuentes renovables, y es probable
que continúen generando la mayor parte de ella en el futuro inmediato.
Tecnología bien establecida
Las turbinas de vapor, que utilizan el calor derivado de la quema de combustibles fósiles (carbón o petróleo), de
los reactores nucleares y de la biomasa y otras fuentes renovables para accionar generadores, se introdujeron por
primera vez en la década de 1890.
Desarrolladas a partir de un diseño inicial de 1884 por el ingeniero británico Charles Parsons, las turbinas de
vapor (e hidráulicas) se convirtió rápidamente en la principal fuente de generación de electricidad. La tecnología
de generación por turbina de vapor ha evolucionado considerablemente en los últimos años y la flexibilidad de las
turbinas de vapor les permite ser utilizadas para una amplia gama de aplicaciones, que operan en combinación con
diferentes fuentes de energía y otros sistemas para mejorar su eficiencia general.
Flexibles y múltiples aplicaciones
La mayor parte de la electricidad producida en el mundo de hoy es generada por turbinas de vapor. Su capacidad
puede ir desde 50 kW hasta varios cientos de MW para grandes centrales eléctricas. A diferencia de las turbinas
de gas, en las cuales el calor es un subproducto de la generación de energía, las turbinas de vapor generan
electricidad a partir de un derivado de calor (el vapor).
Esto les permite funcionar con una amplia gama de combustibles, incluidos los combustibles fósiles, la biomasa y
la energía nuclear, y en una variedad de instalaciones no necesariamente diseñadas principalmente para la
generación de electricidad. Estos pueden incluir sistemas de cogeneración (potencia combinada de calor), en el
que el vapor se extrae de la turbina y se utiliza para la calefacción de distritos enteros o es convertido a otras
formas de energía térmica, incluyendo agua caliente o fría, así como en instalaciones industriales como refinerías,
plantas químicas y fábricas de pasta y papel. En la última categoría, los combustibles de bajo costo, tales como
aceites residuales de refinería, astillas de madera, combustibles sucios (una mezcla de virutas gruesas de la corteza
y la fibra de madera) y otros combustibles derivados de subproductos se queman para alimentar las turbinas de
vapor, lo que maximiza el uso de energía y la reducción de la cantidad de los productos de desecho.
De las fuerzas naturales...
Las turbinas de vapor se encuentran en toda la cadena de generación de energía, en particular en el
aprovechamiento de las energías renovables en las que el calor natural de la tierra y el sol se convierten en plantas
de energía geotérmica y en instalaciones CSP (energía solar concentrada).
Las turbinas de vapor hacen posible la generación de electricidad a partir de fuentes geotérmicas (véase el artículo
sobre energía geotérmica en este e-tech). Cuando es sobrecalentado (es decir, de 240°C - 300°C) el vapor seco
presente puede ser utilizado directamente en las turbinas de vapor para producir electricidad. Sin embargo, cuando
sólo está disponible agua caliente en lugar de vapor seco, el exceso de agua se debe quitar del vapor en plantas
flash o el vapor deberá producirse mediante un intercambiador de calor (véase el artículo sobre la energía
geotérmica en este e-tech para más detalles). El uso de vapor sobrecalentado de la tierra directamente en las
turbinas de vapor presenta un número de retos dado que las partículas sólidas y los productos químicos corrosivos
son propensos a estar presentes, lo que lleva al probable deterioro temprano y la corrosión de los álabes de la
turbina, y requiere turbinas especialmente diseñadas.
La tecnología de turbinas de vapor se alinea con la producción de electricidad a partir de las tres tecnologías más
comunes de CSP: cilindro-parabólicos, torres de energía solar y sistemas lineales de Fresnel (véase el artículo
sobre la CSP en este e-tech para más detalles). En plantas de colectores parabólicos, un fluido de transferencia de
calor (por ejemplo, aceite térmico sintético o sal fundida) se calienta por la luz solar enfocada y se bombea a
través de intercambiadores de calor para producir vapor. En las otras instalaciones, la luz del sol centrada se
utiliza para hervir el agua directamente, produciendo vapor que se introduce en las turbinas de vapor para generar
electricidad.
...o de los combustibles fósiles y las fuentes nucleares
La mayor parte de la electricidad generada por turbinas de vapor proviene del calor resultante de la combustión de
combustibles fósiles, como el carbón y el petróleo, o de los reactores nucleares. Esto seguirá siendo así durante
décadas; el reto será lograr la generación de energía más limpia y más eficiente de los combustibles fósiles.
Según la IEA (Agencia Internacional de Energía) la demanda mundial de electricidad se incrementará en más de
dos tercios de 2011 a 2035. Parte de la producción de electricidad, que actualmente es de un 41% de carbón, se
reducirá a 33% y la energía nuclear va a constituir entre el 12% y 18%, dependiendo de cómo evolucionen los
distintos escenarios mencionados por la IEA. Sin embargo, si se tiene en cuenta la creciente importancia de las
energías renovables como la geotérmica y termosolar, que también se utilizan para la alimentación de las turbinas
de vapor, está claro que estas seguirán proporcionando la mayor parte de la electricidad mundial.
Las turbinas de vapor instaladas en las centrales nucleares presentan otras características y son de un diseño
diferente a las que funcionan con combustibles fósiles, pero su principio de funcionamiento es similar.
Mejorando la eficiencia
Los fabricantes de turbinas de vapor producen modelos que se pueden utilizar con diferentes tipos de
combustibles y en diferentes aplicaciones, con algunas modificaciones. Por ejemplo, los principales productores
de turbinas de vapor ofrecen máquinas derivadas de sus familias de turbinas de vapor de plantas de energía
térmica para uso en CSP e instalaciones geotérmicas de energía, aplicando modificaciones para optimizar su
funcionamiento en diferentes condiciones y con fuentes de calor alternativas.
El aumento de la eficiencia de las plantas de energía térmica a gas es posible usando configuraciones CCP
(paquete de ciclo combinado), donde uno o más turbina(s) de vapor es (son) instalada(s) para utilizar calor
residual (de escape) de una turbina de gas.
Los paquetes de turbinas de gas tienen índices de eficiencia térmica de 35% - 40% por su cuenta. Sin embargo, si
se utilizan en configuración CCP la turbina de vapor adicional puede elevar la calificación global de eficiencia
térmica a más del 60%.
Asimismo, en las centrales eléctricas que utilizan turbinas de vapor, el calor residual de las turbinas de alta presión
puede ser utilizado en turbinas de baja presión para aumentar la eficiencia térmica.
Enorme mercado global
De acuerdo con un informe de Diciembre del 2013 de GlobalData, “Turbinas de vapor en energía térmica, 2013”,
el mercado mundial de turbinas de vapor, que se beneficia de la expansión de la demanda de energía eléctrica, las
nuevas instalaciones y la modernización de las antiguas, tuvo un valor de USD 14,1 billones en 2013, se espera
que crezca a una tasa compuesta anual del 4,3% GACR (tasa de crecimiento anual compuesta) para llegar a USD
19 billones en 2020.
A su vez, el mercado global de servicios de MRO (mantenimiento, reparación y revisión) de las turbina de vapor
se prevé que casi duplique su tamaño entre 2012 y 2017, creciendo a una tasa compuesta anual del 9,6% para
llegar a USD 35,4 billones.
Cuestión de Normas Internacionales
Las turbinas de vapor se han instalado por más de un siglo, la tecnología está madura y las Normas
Internacionales elaboradas por el TC (Comité Técnico) 5: Turbinas de vapor, han contribuido a la expansión del
sector.
Estas normas se refieren a las especificaciones, así como a pruebas de aceptación relacionadas con la exactitud de
varios tipos y tamaños de turbinas y de los sistemas de control de velocidad. Las normas para los ensayos de
verificación térmica de turbinas de vapor retroalimentadas también son importantes, ya que “hoy en día el
mercado de adaptación de las máquinas existentes antiguas o componentes es comparable a la de las nuevas
máquinas de cualquier tamaño”, según datos del TC 5.
El TC 5 también ha publicado una especificación técnica sobre pureza de vapor, un factor muy importante para
minimizar el riesgo de falla de la turbina debido a la corrosión o pérdida de eficiencia o de salida. Sin embargo,
esta especificación no se aplica a “plantas geotérmicas en las que la turbina se alimenta directamente de las
fuentes geotérmicas”, ya que el vapor a partir de estas fuentes puede contener partículas sólidas de origen natural
y productos químicos corrosivos.
Los fabricantes han puesto de relieve la importancia de las Normas Internacionales de IEC para las turbinas de
vapor en sus documentos, destacando en particular que sus resultados de ensayos “cumplieron o excedieron los
requisitos establecidos por las normas IEC”.
Fuente: Página web de IEC
Traducción al español: Secretaría Ejecutiva de COPANT