Todo lo que debes saber sobre las turbinas de vapor

Las turbinas de vapor utilizan agua que se calienta a temperaturas extremadamente altas y se convierte en vapor para hacer girar las palas de una turbina, con el fin de crear energía mecánica o rotativa.

Esta energía rotativa causada por la turbina de vapor a alta presión se utiliza para generar electricidad en un generador adjunto. Los generadores de turbina de vapor requieren una fuente de combustible externa para calentar el agua y convertirla en el vapor necesario para la producción eléctrica.

Los generadores de turbina de vapor tienen muchas formas y tamaños, pero todos siguen las mismas leyes fundamentales de la física para generar electricidad.

Cómo funciona una turbina de vapor

Un generador de turbina de vapor funciona calentando el agua a temperaturas extremadamente altas hasta que se convierte en vapor, entonces la energía del vapor se utiliza para hacer girar las palas de una turbina para crear energía mecánica o rotacional.

Esta energía rotativa causada por la turbina de vapor a alta presión se utiliza para generar electricidad a partir de un generador conectado.

En este vídeo se explica completamente el diagrama que aparece a continuación, o bien lea el tutorial paso a paso sobre el funcionamiento de una turbina de vapor:

En el diagrama siguiente vemos un ejemplo simplificado de cómo funciona una turbina de energía de vapor. A continuación, una sencilla guía paso a paso:

(1) Se utiliza una fuente de calor de algún tipo -quizás un combustible fósil quemado o calor solar- para crear energía térmica.

(2) La caldera, que contiene agua, utiliza la energía térmica para convertir el agua en vapor a alta presión.

En el diagrama anterior se puede ver el siguiente paso en el proceso de la turbina de vapor:

(3) Si el sistema utiliza un combustible fósil como fuente de calor, se necesita un tubo de escape para liberar los contaminantes. Si el sistema utiliza energía solar para la conversión de calor, entonces no se necesita un tubo de escape porque el sistema de energía solar no liberará ningún contaminante.

(4) El vapor del agua de la caldera se bombea a la turbina de vapor. La energía del vapor hace girar los álabes de la turbina.

(5) El generador está unido a la turbina de vapor por un eje giratorio. Al girar la turbina de vapor, el generador gira y crea electricidad.

(6) El vapor que utiliza su energía para hacer girar la turbina pasa y se enfría mediante una torre de refrigeración. Como alternativa, el vapor podría enfriarse de forma natural, quizás utilizando un lago o un río,

(7) La torre de refrigeración libera a la atmósfera el vapor ya utilizado, de menor energía y enfriado. El agua restante que se ha enfriado de nuevo a un estado líquido se bombea de nuevo a la caldera y repite el proceso de nuevo, creando más energía a partir del vapor.

Cálculo de la potencia de vapor

El cálculo de la potencia de vapor en un generador de turbina de vapor depende de muchos factores. El tamaño de la turbina es un factor, el tipo de turbina de vapor, la presión y la temperatura del vapor de entrada, la presión y la temperatura del vapor de escape y el caudal de vapor.

La energía de vapor representa casi el 90% de la electricidad generada en Estados Unidos, sobre todo a partir de la energía nuclear, el carbón y la quema de gas natural. En mucha menor medida, las turbinas solares concentradas utilizan la energía de vapor para generar electricidad.

El ciclo Rankine utiliza teorías y ecuaciones que pueden ayudar a determinar la potencia de vapor de una turbina de vapor.

En general, el ciclo Rankine es un proceso que convierte el calor en trabajo, siendo el calor suministrado por una fuerza externa en un sistema cerrado que suele utilizar agua.

La mayoría de los generadores de energía de vapor utilizan este tipo de sistema de ciclo cerrado y la fuente de calor externa es la energía nuclear, los combustibles fósiles o la energía solar térmica.

El ciclo Rankine puede ayudarnos a calcular la potencia de vapor de un generador de turbina de vapor utilizando la forma de flujo constante de la primera ley de la termodinámica para una turbina isentrópica:

q = 0 = h2-h1+wt (Btu/lbm | kJ/Kg)

En esta ecuación las diferencias de energía cinética y potencial entre la entrada y la salida son despreciables. Así, a partir de ahí la ecuación que mostrará el trabajo de la turbina de vapor por unidad de masa que pasa por la turbina es la diferencia entre la entalpía de entrada y la entalpía de salida inferior:

Wt = h1 – h2 (Btu/lbm | kJ/Kg)

Tipos de turbinas de vapor

Existen dos tipos generales de diseños de turbinas de vapor.

Un tipo se llama turbina de impulso. En este tipo de turbina de vapor, el rotor gira debido a la fuerza o al empuje directo del vapor sobre los álabes (turbina de impulso).

El otro tipo de turbina de vapor se llama turbina de reacción. Este tipo de turbina de vapor funciona según el principio de que el rotor gira a partir de, como su nombre indica, una fuerza de reacción en lugar de una fuerza de impacto o impulso. La fuerza de reacción procede del cambio de energía de la presión del vapor cuando éste sale de los álabes. (turbina de reacción)

Entender la distinción entre estos dos tipos de turbinas es importante, pero no debe considerarse una distinción absoluta en las turbinas reales: Una turbina de impulso utiliza tanto la fuerza del vapor como, en menor medida, una fuerza reactiva cuando los álabes curvados hacen que el vapor cambie de dirección y presión. Una turbina de reacción se mueve por una fuerza reactiva pero, de nuevo en menor medida, parte del movimiento es causado por la fuerza de impulso del vapor que golpea los álabes.

Impacto medioambiental de la energía de vapor

El impacto medioambiental de la energía de vapor depende del tipo de sistema de turbina de vapor que se utilice para crear el vapor.

En la actualidad, los tres principales sistemas utilizados para crear electricidad a partir de la energía de vapor son: la energía nuclear, la energía del carbón (combustibles fósiles) y la energía solar concentrada. Cada sistema de energía de vapor tiene un impacto diferente en el medio ambiente.

El uso de la energía solar concentrada para crear energía de vapor tendrá el impacto más leve en el medio ambiente porque no se emitirán contaminantes desde el sistema a la atmósfera, excepto quizás durante la construcción del sistema.

El uso de la energía nuclear para generar electricidad a partir de un generador de turbina de vapor sí emite dióxido de carbono y otros contaminantes al aire y al agua. También existe la pequeña probabilidad de que se produzca una catástrofe cuando se trata de energía nuclear. Aparte del riesgo de fusión nuclear, los reactores nucleares emiten menos contaminantes comunes a la atmósfera que las centrales de carbón. (más información sobre la energía nuclear)

Las centrales de carbón y la quema de combustibles fósiles para generar energía de vapor también tienen un impacto más negativo en el medio ambiente que la energía solar concentrada. El carbón y otros combustibles fósiles liberan bastante dióxido de carbono y otros contaminantes a la atmósfera. La mayor parte de la electricidad generada en el mundo proviene de la energía del carbón o de la quema de combustibles fósiles para hacer girar un generador de turbina de vapor.

El impacto medioambiental agregado de la energía de vapor es mucho peor que el de otras fuentes de energía como la solar, la eólica y la hidráulica.