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Generación de electricidad

Sin quitar importancia a su utilización en la industria siderúrgica y otros usos, la mayor parte del carbón que se extrae en todo el mundo se utiliza en la generación de electricidad. En el gráfico siguiente se puede ver la importancia del carbón en la generación de energía eléctrica, pues representa aproximadamente un 40% de los combustibles utilizados para producir aproximadamente el 37% de la electricidad generada en el mundo.

La Agencia Internacional de la Energía (IEA) ha previsto un crecimiento medio anual en el consumo del carbón para la generación de Energía Eléctrica del orden del 2,2 % a nivel mundial en el período 2000-2030.

Son varias las tecnologías para generar energía eléctrica a partir del carbón, desde las más conocidas (las centrales térmicas), a las más modernas, (las centrales de ciclo combinado o las híbridas).

Las centrales térmicas

Las centrales térmicas convencionales de carbón, queman dicho combustible para conseguir calor con el que se produce el vapor que mueve las turbinas que generan la electricidad. Cuanto más eficaz sea este proceso, mejor uso se hará del carbón, pues se ahorrará una parte, se dejarán menos residuos, y se expulsarán menos gases a la atmósfera, para una misma cantidad de calor generado en la combustión.

La eficiencia en las centrales termoeléctricas convencionales se aumenta con la mejora de la combustión. Lo primero que se puede hacer, es pulverizar el carbón para hacer mayor el área efectiva sobre la que se produce la combustión en la caldera (donde éste se quema, llegando a alcanzar temperaturas de unos 1.400 ºC). Los gases calientes que se producen se hacen pasar por unos tubos por los que pasa agua, convirtiéndola en vapor a alta presión.

El vapor, a alta presión, se lleva a unas turbinas en las que se expande, haciendo girar el rotor, que es la parte móvil de las mismas. Para aumentar el rendimiento del proceso, esto puede hacerse en varias etapas de presión. La turbina está a su vez conectada a un generador, que transforma la energía producida por el giro del rotor de la turbina en electricidad, aprovechando los principios básicos del electromagnetismo.

Una vez que el vapor pasa por la turbina, se condensa utilizando para ello agua procedente de las torres de refrigeración (las torres anchas de forma hiperbólica por las que sale gran cantidad de vapor de agua, y que no debe confundirse con los gases contaminantes como el SO2, NOx, etcétera, que salen con los humos por las chimeneas más altas que los dispersan y diluyen.) Una vez que el vapor pasa de nuevo a forma líquida (agua) se recircula para volver a ser calentada.

La electricidad generada pasa por subestaciones de transformación, en las que se aumenta su voltaje, para facilitar y abaratar su transporte a través de las líneas de alta tensión, que llevarán la electricidad hasta las cercanías de los puntos de consumo. Una vez que se llega a las proximidades de los puntos de consumo, la electricidad pasa de nuevo por una subestación de transformación, en la que se disminuye su voltaje para posibilitar el consumo, ya que los aparatos y demás aplicaciones domésticas o industriales, que necesitan de electricidad para funcionar se han diseñado para hacerlo con tensiones mas pequeñas que las que se utilizan para el transporte de la electricidad.

La mejora de la combustión del carbón es uno de los objetivos que se persigue continuamente, estando de plena actualidad lo que se denomina el desarrollo de las “tecnologías limpias del carbón”. Cuanto más eficiente sea la combustión habrá menos emisiones de gases nocivos para la misma cantidad de calor generada.

Ciclos Combinados

Una alternativa a la combustión del carbón, es la gasificación. Cuando el carbón entra en contacto con vapor y el oxígeno, se producen reacciones que generan un gas combustible (compuesto principalmente por monóxido de carbono e hidrógeno) que puede quemarse en turbinas de gas apropiadas. Si el calor residual de estas turbinas se utiliza para producir vapor y mover con él una turbina adicional, la mejora del rendimiento energético es evidente.

Estos procesos (IGCC, ciclos combinados de gasificación integrada), actualmente en desarrollo, conducen a un doble aprovechamiento y con los avances recientes en las turbinas de gas pueden permitir llegar a aprovechamientos térmicos del 45-50%, además de disminuir las emisiones de SOx, NOx y CO2.

Híbridos y sistemas avanzados

Están también en desarrollo los ciclos combinados híbridos que desarrollan las mejores características de gasificación y combustión, utilizando el carbón en dos etapas. En la primera de las etapas, se gasifica la mayoría del carbón destinando el gas al movimiento de una turbina de gas, mientras que en la segunda etapa se quema el carbón residual carbonizado, para la producción de vapor. Con este sistema, es posible alcanzar eficiencias de más del 50%.

Además, las técnicas de combustión limpias del carbón se han orientado también a utilizar el carbón con otros sistemas generación, en particular a la quema conjunta de biomasa o residuos junto con el carbón (“co-combustión”). Entre los beneficios que tiene la aplicación de ésta técnica, se encuentra la reducción de las emisiones de CO2, SOx y NOx, y el aprovechamiento conjunto de la biomasa para la producción de energía, sin necesidad de tener una planta dedicada exclusivamente a ello, siendo éste un ejemplo de compatibilizar la combustión del carbón con las energías renovables y con la industria de los residuos.

Por otro lado, el uso de células de combustible ha demostrado que para plantas de hasta 2 MW existen métodos de utilización del hidrógeno para la gasificación del carbón. Sin embargo, los equipos y el mercado del hidrógeno deben desarrollarse todavía, para que se lleve a hecho la utilización de esta técnica.