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DATOS DE CATALOGACIN BIBLIOGRFICA

Calle Martnez Marco Antonio

Utilizacin del Gas Natural y el Gas Natural Licuado

Tomo VI

4ta. Edicin

Coleccin : Maestra en Gestin en la Industria de los Hidrocarburos

U VIRTUAL Centro de excelencia

Santa Cruz Bolivia

Enero, 2012

PRESENTACIN

En la actualidad la utilizacin del gas natural en sus diversas formas de transporte ha tenido

un incremento importante en el consumo mundial. Apoyado por las preferencias

ambientales y tecnolgicas se estima un crecimiento sostenido en la demanda en las

siguientes dcadas.

Por otra parte el gas natural licuado como fuente de energa conforma parte de un proyecto

en el que estn involucrados varios pases sudamericanos con el objetivo de balancear la

oferta y la demanda de nuestras regiones.

Esta publicacin realiza una recopilacin de informacin tcnica, econmica y de polticas

relacionada con el sector y lineamientos generales sobre la industria de los hidrocarburos

actual. Agradecemos el trabajo de apoyo realizado por los integrantes del Instituto Nacional

del Gas Natural que hicieron posible este texto base de la materia.

Marco Antonio Calle Martnez

NDICE

CAPTULO 1 ................................................................................................................... 1

LOS HIDROCARBUROS COMO FUENTE DE ENERGA ................................................................ 1 1.1. GENERALIDADES ............................................................................................................ 1 1.2. PRINCIPALES FUENTES DE ENERGA EN EL MUNDO ..................................................... 2 1.2.1. EL CARBN .................................................................................................................... 2 1.3. COMBUSTIN ................................................................................................................ 6 1.3.1. PODER CALORFICO ....................................................................................................... 7 1.3.2. CLASIFICACIN DE LOS COMBUSTIBLES ........................................................................ 8 1.4. GENERACIN DE ELECTRICIDAD .................................................................................. 16 1.4.1. CENTRALES TERMOELCTRICAS .................................................................................. 18 1.4.2. CENTRALES HIDROELCTRICAS .................................................................................... 21 1.4.3. CENTRALES ELICAS .................................................................................................... 22 1.4.4. CENTRALES FOTOVOLTAICAS ...................................................................................... 26 1.4.5. GENERACIN A PEQUEA ESCALA .............................................................................. 30 1.5. TURBINAS DE GAS ....................................................................................................... 35 1.6. REDES DE DISTRIBUCIN DE GAS. ............................................................................... 48 1.6.1. PROYECTOS DE REDES DE DISTRIBUCIN DE GAS NATURAL, NORMA 2.374.01 . Error! Marcador no definido. 1.7. GAS NATURAL VEHICULAR .......................................................................................... 69 1.7.1. GNV ............................................................................................................................. 70

CAPTULO 2 .................................................................................................................. 71

GAS NATURAL LICUADO ...................................................................................................... 71 2.1. INTRODUCCIN ...................................................................................................... 71 2.1.1. HISTORIA DEL GNL ....................................................................................................... 72 2.1.2. EL GNL EN LA ACTUALIDAD ......................................................................................... 73 2.1.3. CONCEPTOS ................................................................................................................. 73 2.1.4. COMPOSICIN TPICA DEL GNL ................................................................................... 76 2.1.5. PORQUE LICUAR EL GAS .............................................................................................. 77 2.1.6. TIPOS DE PLANTAS ...................................................................................................... 77 2.1.7. CADENA DE VALOR DEL GNL ....................................................................................... 78 2.1.8. SEGURIDAD DEL GNL ................................................................................................... 80 2.2. CONCEPTOS SOBRE REFRIGERACIN ............................................................... 81 2.2.1. HISTORIA ..................................................................................................................... 81 2.2.2. CONCEPTOS SOBRE REFRIGERACIN .......................................................................... 81 2.2.3. REFRIGERANTES .......................................................................................................... 82 2.2.4. CARACTERSTICAS DEL REFRIGERANTE ....................................................................... 83 2.3. PRE-TRATAMIENTO DEL GAS NATURAL LICUADO ....................................... 84 2.3.1. CONTAMINANTES DEL GAS NATURAL ......................................................................... 84 2.3.2. REMOCIN DE AGUA .................................................................................................. 84 2.3.3. REMOCIN DE CO2 Y H2S ........................................................................................... 85 2.3.4. REMOCIN DE LOS OTROS CONTAMINANTES ............................................................ 86 2.4. PROCESOS DE LICUEFACCIN ............................................................................ 87 2.4.1. REFRIGERACIN EN CASCADA ..................................................................................... 87 2.4.2. MEZCLA DE REFRIGERANTE ......................................................................................... 88

2.4.3. EL CICLO APCI .............................................................................................................. 89 2.4.4. EL CICLO PRITCHARD ................................................................................................... 90 2.4.5. CICLO EXPANSOR ......................................................................................................... 91 2.4.6. COMPARACIN DE CICLOS .......................................................................................... 92 2.4.7. CRITERIOS DE SELECCIN DEL SISTEMA ...................................................................... 92 2.4.8. OTROS SISTEMAS DE LICUEFACCIN DE GAS .............................................................. 93 2.5. REGASIFICACIN DEL GNL .................................................................................. 96 2.5.1. Instalaciones de Regasificacin de GNL ...................................................................... 97 2.5.2. CMO SE ALMACENA EL GNL .................................................................................... 100 2.5.3. NORMA OFICIAL MEXICANA, REQUISITOS DE SEGURIDAD PARA EL DISEO, CONSTRUCCIN, OPERACIN Y MANTENIMIENTO DE PLANTAS DE ALMACENAMIENTO DE GAS NATURAL LICUADO. ........................................................................................................ 108 2.6. BUQUES METANEROS.......................................................................................... 109 2.6.1. DATOS SOBRE BUQUES ............................................................................................. 110 2.6.2. ALMACENAMIENTO EN BUQUES ............................................................................... 110

CAPTULO 3 ................................................................................................................ 114

COMERCIO DEL GAS NATURAL LICUADO EN EL MUNDO .................................................... 114 3.1. INTRODUCCIN ......................................................................................................... 114 3.2. LAS RESERVAS DE GAS ............................................................................................... 115 3.3. MERCADO .................................................................................................................. 116 3.3.1. EVOLUCIN DEL CONSUMO DE COMBUSTIBLES ...................................................... 116 3.3.2. CRECIMIENTO ESPERADO PARA EL GAS (PRODUCCIN, TRANSPORTE POR GASODUCTO Y GNL) ............................................................................................................... 118 3.3.3. ACTORES INVOLUCRADOS EN LA CADENA ................................................................ 118 3.3.4. MERCADO ACTUAL Y FUTURO DE GNL ...................................................................... 119 3.3.4.1. PASES EXPORTADORES E IMPORTADORES .............................................................. 119 3.3.4.2. CRECIMIENTO DE LOS INTERCAMBIOS POR REGIN ................................................ 121 3.3.4.3. EVOLUCIN EN EL COMERCIO DE GNL...................................................................... 122 3.3.4.4. EXPORTACIONES VS. CAPACIDADES DE LICUEFACCIN ............................................ 124 3.3.4.5. CAPACIDAD DE LICUEFACCIN .................................................................................. 125 3.3.4.6. COSTOS INVOLUCRADOS ........................................................................................... 126 3.3.4.7. TIPOS DE CONTRATOS Y DIVERSIFICACIN DEL ABASTECIMIENTO .......................... 129 3.3.4.8. PERSPECTIVAS GLOBALES DEL GNL .......................................................................... 130 3.3.4.9. INTERROGANTES SOBRE EL COMERCIO DE GNL ....................................................... 130 3.3.4.10. PROYECTOS EN AMRICA LATINA ..................................................................... 132

CAPTULO 4 ................................................................................................................ 134

ECONOMA DEL GAS NATURAL LICUADO .......................................................................... 134 4.1. PROYECTOS DE GAS NATURAL LICUADO ................................................................... 134 4.2. VIABILIDAD ECONMICA DEL GNL ............................................................................ 140 4.3. CONTEXTO Y CONSIDERACIONES EN EL DESPACHO ECONMICO DE CARGA .......... 141 4.3.1. ESTRUCTURA DE COSTOS Y CONTRATOS DE GNL ..................................................... 141 4.3.2. REDUCCIONES EN LOS COSTOS DE LA INDUSTRIA DEL GNL ..................................... 142 4.3.3. COSTOS DE EXPLOTACIN Y PRODUCCIN ............................................................... 143 4.3.4. COSTOS DE LICUEFACCIN ........................................................................................ 144 4.3.5. COSTOS DE EMBARCACIN Y TRANSPORTE .............................................................. 145 4.3.6. COSTOS DE REGASIFICACIN .................................................................................... 147

4.3.7. ESTRUCTURA DEL MERCADO .................................................................................... 149 4.3.8. CONTRATOS DE LARGO Y CORTO PLAZO DEL GNL: EXPERIENCIA INTERNACIONAL . 150 4.3.9. COMPETITIVIDAD GNL CARBN GAS NATURAL-PETRLEO ................................ 157 4.3.10. DINMICA DEL PRECIO DEL PETRLEO ..................................................................... 157 4.3.11. PRECIO DEL CARBN ................................................................................................. 158 4.4. MERCADO INTERNACIONAL DEL GNL ....................................................................... 160 4.4.1. FUTURO DE GNL EN LATINO AMRICA Y EL CARIBE .................................................. 160 4.4.2. RIESGOS DE UN PROYECTO DE GNL .......................................................................... 160 4.4.3. GAS NATURAL ENTREGA EL PRIMER CARGAMENTO DE GAS NATURAL LICUADO A EDF (MADRID, (EUROPA PRESS)) .................................................................................................. 161 4.4.4. REPSOL-GAS NATURAL STREAM ................................................................................ 162 4.4.4.1 FLOTA DE METANEROS EN CRECIMIENTO ................................................................ 162 4.4.4.2. DINAMISMO DEL MERCADO DE GNL ESPAOL ........................................................ 163 4.4.5. REPSOL Y GAS NATURAL INCORPORAN EL METANERO 'IBRICA KNUTSEN' A SU FLOTA (MADRID, (EUROPA PRESS)) ................................................................................................... 163

CAPTULO 5 ................................................................................................................ 172

PRINCIPALES PROYECTOS DE HIDROCARBUROS EN EL MUNDO .......................................... 172 5.1. INTRODUCCIN ......................................................................................................... 172 5.2. ARGENTINA ............................................................................................................... 175 5.2.1. ACUERDO DE COOPERACIN TCNICA PARA IMPULSAR PROYECTOS EN EL REA ENERGTICA ........................................................................................................................... 175 5.3. EUROPA ..................................................................................................................... 176 5.3.1. ARGELIA AUMENTAR LA EXPORTACIN DE GAS EN 30.000 MILLONES DE METROS CBICOS ................................................................................................................................. 176 5.3.2. MEDVDEV AFIRMA QUE GASODUCTO NORTH STREAM ES ARTERIA ENERGTICA ESTRATGICA PARA TODA EUROPA ....................................................................................... 177 5.3.3. ESPAA NEGOCIA CON FRANCIA UN SEGUNDO GASODUCTO QUE ESTARA EN MARCHA EN 2015 ................................................................................................................... 177 5.3.4. MEDVDEV AFIRMA QUE RUSIA NO RECELA POR LA EJECUCIN DEL GASODUCTO NABUCCO ............................................................................................................................... 178 5.3.5. TOTAL INICIA LA EXPLOTACIN DE UN POZO DE PETRLEO EN EL MAR DE NORUEGA 179 5.3.6. GAZPROM FIRMA CON PETROLERA DE AZERBAIYN CONVENIO DE SUMINISTROS DE GAS AZERBAIYANO ................................................................................................................. 180 5.3.7. PUTIN DA SEAL PARA INICIAR CONSTRUCCIN DE GASODUCTO ORIENTAL ......... 180 5.4. URUGUAY .................................................................................................................. 184 5.4.1. BARCO CIENTFICO ALEMN BUSCA PETRLEO ....................................................... 184 5.5. ASIA ........................................................................................................................... 186 5.5.1. IRN DESTINAR 2000 MILLONES DE DLARES A DESARROLLO YACIMIENTO SOUTH PARS 186 5.6. OTROS PROYECTOS ................................................................................................... 188 5.6.1. PROYECTO DE GNL EN LA ZONA CENTRAL ................................................................ 188

CAPTULO 6 ................................................................................................................ 192

POLITICA HIDROCARBURFERA .......................................................................................... 192 6.1. POLTICA DE LOS HIDROCARBUROS .......................................................................... 192 6.2. PETRLEO Y GAS EN AMRICA LATINA ..................................................................... 193 6.2.1. DEPENDENCIA DEL PETRLEO Y GAS EN LOS PASES LATINOAMERICANOS ............ 193 6.2.1.1. PASES EXPORTADORES DE PETRLEO ......................................................... 194 6.2.1.2. PASES QUE SE AUTOABASTECEN DE PETRLEO ....................................... 195 6.2.1.3. PASES IMPORTADORES DE PETRLEO .......................................................... 196 6.2.2. LA POLTICA DEL PETRLEO EN AMRICA CENTRAL Y EL CARIBE ............................. 198 6.2.3. LA POLTICA DEL PETRLEO EN LA REGIN ANDINA ................................................ 199 6.2.3.1. COLOMBIA .............................................................................................................. 201 6.2.3.2. ECUADOR ................................................................................................................ 202 6.2.3.3. PER ......................................................................................................................... 202 6.2.3.4. BOLIVIA .................................................................................................................. 203 6.2.4. LA POLTICA DEL PETRLEO EN EL CONO SUR .......................................................... 206 6.2.4.1 BRASIL ..................................................................................................................... 208 6.2.4.2. CHILE ....................................................................................................................... 210 6.2.4.4. ARGENTINA ............................................................................................................ 213

1

CAPTULO 1

LOS HIDROCARBUROS COMO FUENTE

DE ENERGA

1.1. GENERALIDADES

Desde la aparicin del petrleo y el gas natural se lograron generar profundos cambios en

la matriz de consumo mundial de energa.

En el mundo hay grandes yacimientos petrolferos que estn siendo explotados, y debido

a que en la mayora de los casos el gas natural se extrae conjuntamente con el petrleo y

por mtodos similares; es tambin considerable la disponibilidad de este recurso de la

naturaleza.

.

2

En la actualidad este recurso se considera estratgico para la generacin de la energa a

nivel mundial y se estima que el precio de los hidrocarburos ira en aumento, debido a la

crisis mundial y al crecimiento de la poblacin y de manera paralela el consumo de

energa.

1.2. PRINCIPALES FUENTES DE ENERGA EN EL MUNDO

Los combustibles fsiles ms utilizados son: el petrleo, el carbn y el gas natural. En

encuestas realizadas sealan que el consumo de estos energticos en el mundo es de 72

millones de barriles de petrleo, 12.8 millones de toneladas de carbn y 6.400 millones

de metros cbicos de gas natural al da [Construmatica.com].

La mayora de los combustibles fsiles se utilizan en el transporte, las fbricas, la

calefaccin y las industrias de generacin de energa elctrica.

1.2.1. EL CARBN

El carbn, es un combustible slido de origen vegetal. Adems de carbono, el carbn

contiene hidrocarburos voltiles, azufre y nitrgeno, as como cenizas y otros elementos en

menor cantidad (potasio, calcio, sodio, magnesio, etc.).El carbn se puede obtener de dos

formas: en minas de cielo abierto o de tajo y en minas subterrneas [I. Mamani, 2008].

El carbn se utiliz desde principios del siglo XIX hasta la II Guerra Mundial para producir

combustibles gaseosos, o para fabricar productos petroleros mediante licuefaccin. La

fabricacin de combustibles gaseosos y otros productos a partir del carbn disminuy al

crecer la disponibilidad del gas natural. En la dcada de 1980, sin embargo, las naciones

industrializadas volvieron a interesarse por la gasificacin y por nuevas tecnologas limpias

de carbn.

La diversidad y abundancia de las reservas de carbn a nivel mundial, significan que el

carbn puede afrontar el desafo estratgico de contar con energa segura, se pronostica que

una vez que las reservas econmicas de petrleo y gas natural se hayan agotado, habr

todava muchas reservas de carbn ampliamente disponibles para satisfacer las necesidades

de energa del mundo [Catamutun.com].

3

El carbn puede tambin atender el desafo econmico de producir energa para las

industrias y hogares a un costo razonable y con la debida atencin al medioambiente.

El carbn tiene muchos usos importantes, aunque los ms significativos son la generacin

elctrica, la fabricacin de acero y cemento y los procesos industriales de

calentamiento. En el mundo en desarrollo es tambin importante el uso domstico del

carbn para calefaccin y coccin. El carbn es la mayor fuente de combustible usada para

la generacin de energa elctrica. Ms de la mitad dela produccin total de carbn a nivel

mundial, provee actualmente cerca del 40% de la electricidad producida mundialmente.

Muchos pases son altamente dependientes del carbn para su electricidad. La licuefaccin

del carbn cubre todas las necesidades de petrleo de Surfrica [Boletn informativo:

Carbn Natural].

Existen diferentes tipos de carbones minerales en funcin del grado de carbonificacin que

haya experimentado la materia vegetal que origin el carbn. Estos van desde la turba, que

es el menos evolucionado y en que la materia vegetal muestra poca alteracin, hasta la

antracita que es el carbn mineral con una mayor evolucin. Esta evolucin depende de la

edad del carbn, as como de la profundidad y condiciones de presin, temperatura,

entorno, etc., en las que la materia vegetal evolucion hasta formar el carbn mineral.

El rango de un carbn mineral se determina en funcin de criterios tales como su contenido

en materia voltil, contenido en carbono fijo, humedad, poder calorfico, etc

[Wikipedia.com]. As, a mayor rango, mayor es el contenido en carbono fijo y mayor el

poder calorfico, mientras que disminuyen su humedad natural y la cantidad de materia

voltil. Existen varias clasificaciones de los carbones segn su rango. Una de las ms

utilizadas divide a los carbones de mayor a menor rango en:

Antracita

Bituminoso bajo en voltiles

Bituminoso medio en voltiles

Bituminoso alto en voltiles

4

Sub-bituminoso

Lignito

Turba

Hulla es un carbn mineral de tipo bituminoso medio y alto en voltiles.

El carbn que convendra ser ms utilizado es la Antracita, ya que es el tipo ms puro,

conteniendo de un 90 a un 100% de carbn debido a que estuvo expuesto a temperaturas

y presiones muy altas [Al final.com]. Se utiliza sobre todo como combustible y como

fuente de carbono industrial, aunque se inflama con ms dificultad que otros carbones, la

antracita libera una gran cantidad de energa al quemarse y desprende poco humo y

holln. La antracita se form principalmente hacia el final del periodo carbonfero como

consecuencia de movimientos telricos que generaron calor y presin que transformaron

los materiales carbonosos que existan en la Tierra. Sin embargo, de acuerdo a la realidad,

esto no es totalmente posible puesto que la antracita se encuentra a mucha profundidad y

en capas muy finitas, por lo que su explotacin es muy costosa. No obstante, hay

productores mundiales de antracita que por sus condiciones econmicas elevadas pueden

acceder a los medios para explotarla.

La turba es una sustancia compuesta de material orgnico originado por la descomposicin

incompleta de restos vegetales carentes de aire, en un medio altamente saturado de agua.

Completan su composicin restos de musgos, gramneas, a veces mezclados con

fragmentos leosos y partculas de humus. En la actualidad es utilizada, entre otras cosas,

como insumo en la industria perfumera y en jardinera [Al final.com] .

El lignito es otra variedad del carbn, de calidad intermedia entre el carbn de turba y el

bituminoso. Suele tener color negro pardo y estructura fibrosa o leosa, tiene una capacidad

calorfica inferior a la del carbn comn debido a la gran cantidad de agua y escasez de

carbono que contiene.

5

Sin embargo, ciertos productos de la combustin del carbn pueden tener efectos

perjudiciales sobre el medio ambiente. Al quemar carbn se produce dixido de carbono

entre otros compuestos. Muchos cientficos creen que debido al uso extendido del carbn y

otros combustibles fsiles (como el petrleo) la cantidad de dixido de carbono en la

atmsfera terrestre podra aumentar hasta el punto de provocar cambios en el clima de la

Tierra.

Con relacin a los productos derivados del petrleo se han de determinar en primer lugar

sus tipos de producto que son los siguientes:

La gasolina destinada a los automviles que se diferencia entre la comnmente

denominada super de 97 octanos y la denominada sin plomo que a la vez se presenta con

la forma de 95 octanos (eurosuper) y de 98 octanos (sper plus). Hay que decir que la

gasolina normal (de 93 octanos) ya se elimin de las gasolineras en Baleares a finales de

1993.

Los combustibles destinados a la aviacin, denominado queroseno, que a su vez se

diferencia entre el Jet A-1 y el JP-8. Los gasleos presentados en tres tipos, que son, el

gasoil A, el gasoil B y el gasoil C. Los fuel oils, a su vez, presentados bajo la forma de

fueloil 1, fueloil 2 y fueloil BIA [Al final.com].

Recuperacin y transporte del petrleo: Se producen problemas medioambientales al

perforar pozos y extraer fluidos porque el petrleo bombeado desde las profundas rocas

almacn suele ir acompaado de grandes volmenes de agua salada. Esa salmuera

contiene numerosas impurezas, por lo que debe ser llevada de nuevo a las rocas almacn

o destruida en la superficie.

El petrleo es transportado a la refinera situada a menudo a grandes distancias en

camiones o en petroleros, y en ocasiones se producen vertidos accidentales. Estos vertidos,

especialmente los de gran volumen, pueden resultar muy perjudiciales para la vida salvaje y

el hbitat.

6

1.3. COMBUSTIN

Se entiende por combustin, la combinacin qumica violenta del oxgeno (o comburente),

con determinados cuerpos llamados combustibles, que se produce con notable

desprendimiento de calor [R. Fresno, M. Mesny].

Para que se produzca la combustin, las siguientes tres condiciones deben cumplirse

Debe haber combinacin qumica, los productos finales una vez producida la

combustin debe ser qumicamente distintos a los productos inciales.

La combinacin qumica debe producirse violenta e instantneamente

Debe haber un desprendimiento de calor, se debe liberar cierta cantidad de calor.

Para que se produzca la combustin se necesita oxgeno, el cual se encuentra en el aire,

desperdiciando los gases que se encuentran en pequea proporcin, el aire est constituido

por 23 % de oxgeno y 77% de nitrgeno.

Tambin es necesario que la temperatura en algn punto de la mezcla de oxgeno y

combustible, adquiera un determinado valor.

Una combustin se considera imperfecta, cuando parte del combustible, que entra en

reaccin, se oxida en grado inferior al mximo, o no se oxida; la combustin es completa

cuando el combustible quema en su totalidad.

Todos los combustibles utilizados en los diversos procesos industriales estn constituidos

nicamente por dos sustancias qumicas, el carbono y el hidrgeno los cuales estn unidos

entre s, formando los diversos combustibles utilizados.

La propagacin de calor debe cesar para un valor finito de la velocidad de inflamacin. Por

lo tanto, la buena combustin est comprendida dentro de dos valores, lmites definidos de

la velocidad de inflamacin de la llama, y son los llamados lmites inferiores de

inflamacin que se produce cuando falta combustible, y lmite superior de inflamacin que

es cuando falta oxgeno.

7

La forma de producirse la combustin vara segn el estado del combustible, lo cual

veremos a continuacin:

Los combustibles son elementos que se los utilizan en los procesos industriales para la

produccin de calor. Son formaciones de origen orgnico, animal o vegetal, que sufrieron

los efectos de los movimientos y plegamientos terrestres.

Estn constituidos principalmente por carbono e hidrgeno, los que segn vimos al

combinarse con el oxgeno queman, desprendiendo calor.

El carbono es el elemento que constituye el mayor porcentaje volumtrico del combustible,

constituyendo el 80 a 90 % volumen del mismo.

El carbono no arde directamente, sino que es llevado al estado de incandescencia por el

hidrgeno. El hidrgeno constituye el 5 o 6 % de los combustibles slidos y el 8 al 15 % de

los lquidos.

La presencia del oxgeno en la molcula de combustible, le resta al mismo poder calorfico,

ya que, se va a combinar con parte del hidrgeno que tiene, para formar agua.

En el combustible tambin se puede encontrar el azufre desde 0.5 % en combustible

lquidos hasta 1 o 1.5 % en carbones, y el nitrgeno (en carbones) de 0.7 hasta 9.3 %.

1.3.1. PODER CALORFICO

La unidad que se emplea para medir la cantidad de calor desarrollada en la combustin se

denomina poder calorfico.

Se entiende por poder calorfico de un combustible, la cantidad de calor producida por la

combustin completa de un kilogramo de esa sustancia. Tal unidad se la mide en cal/kg de

combustible.

Si la cantidad de combustible que se quema en un mol, el calor desprendido recibe el

nombre de efecto trmico (poco usado).

8

De la diferencia entre el poder calorfico superior (NS) y el poder calorfico inferior (NI) se

obtendra uno u otro segn el estado de agregacin que forma parte de los productos de

combustin.

Si la temperatura de los productos finales de combustin es tal que el vapor de agua que se

ha formado continu en ese estado, tendremos el poder calorfico inferior del combustible

(NI).

En cambio, si la temperatura de los productos finales es suficientemente baja como para

que aquella se condense, tendremos el poder calorfico superior del combustible (NS). La

diferencia entre ellos ser igual el calor desprendido por la condensacin del agua [R.

Fresno, M. Mesny].

1.3.2. CLASIFICACIN DE LOS COMBUSTIBLES

1.3.2.1. COMBUSTIBLES SLIDOS

El proceso de combustin de estos combustibles difiere bastante con respecto a los

combustibles lquidos y los gaseosos.

La buena o mala combustin del slido depende de la facilidad del acceso del aire a las

diversas partculas del combustible. Estas deben estar distribuidas uniformemente sobre la

superficie de combustin, no se debe encontrar amontonado o agolpado.

El proceso de combustin de un slido est dividido en cuatro perodos o fases a saber:

Secado del combustible: Al comenzar a recibir calor, el combustible se seca,

evaporando la humedad que posee, convirtindose en vapor de agua.

La destilacin: Comienza cuando se ha evaporado toda la humedad del combustible.

Este se compone de hidrocarburos ms simples, comenzando a quemar los ms voltiles

(requieren menor temperatura de inflamacin.

9

Al aumentar la temperatura debido a la combustin de los primeros hidrocarburos que

queman se alcanzan las condiciones para que se quemen los hidrocarburos menos

voltiles, casi todos los componentes activos del combustible.

Quemadas todas las sustancias voltiles, la llama se apaga. Quedando las cenizas del

slido, considerndose la escoria y los componentes inactivos.

Entre los combustibles slidos podemos mencionar los siguientes:

Maderas: Utilizados como combustibles en bosques o en estufas hogareas (poder

calorfico hasta 4500 cal / Kg. secos).

Carbones fsiles: Cuanto ms antiguo son los restos orgnicos y mayores presiones

soportan, mayor es la cantidad del carbn.

Antracita: Son los carbones ms antiguos. Tienen gran contenido de carbono y pocos

materiales voltiles y oxgeno. (NS = 7800 a 8600 cal /kg).

Hulla: Son los carbones ms utilizados en la industria, se distingue tres tipos: hulla seca,

hulla grasa y la hulla magra.

Hulla seca: hornos de arrabio y en la produccin de coque metalrgico. (NS =

7500 cal / kg.)

Hulla grasa: en la produccin de gas alumbrado y coque. (NS = 8300 a 8600

cal/kg.)

Hulla magra: desprende pocas materias voltiles. (NS = 7900 a 8370 cal / kg.).

Lignito: Son combustibles que proceden de la carbonizacin natural de la madera. Al

quemarse desprende el azufre provocando mal olor y daos en metales y estructuras. Hay

dos tipos distintos:

Lignitos perfectos: ms antiguos (poder calorfico = 6000 cal / Kg.)

Lignitos leosos: ms jvenes. (Poder calorfico = 5000 a 5700 cal /Kg.)

10

Turba: Son carbones de menor calidad. De 3200 a 4000 cal / Kg. = NS.

Residuos orgnicos: Son restos muy grasos comprendidos entre los carbones y el petrleo.

Prcticamente no se utilizan.

Carbn vegetal o de lea: Provienen de la carbonizacin de la madera. NS = 6000 a 7000

cal / Kg., no contiene azufre.

1.3.2.2. COMBUSTIBLES LQUIDOS

Al calentarse un combustible lquido, existe un perodo de destilacin en el cual el lquido

se descompone en diversos componentes voltiles [R. Fresno, M. Mesny].

Se debe distinguir dos casos segn la forma en que se queman. Si son suficientemente

voltiles para que al calentarse emitan vapores en suficiente cantidad como para continuar

ardiendo, se comporta como un combustible gaseoso. En cambio, en los lquidos menos

voltiles no es necesario efectuar una vaporizacin para que se produzca la combustin. En

tal caso se forma una mezcla de aire combustible, conservndose este ltimo en estado

lquido todava, aunque finalmente pulverizado, constituyendo una mezcla carbnica. Por

ejemplo esta mezcla se produce en un carburador de un motor a explosin.

Los combustibles lquidos presentan, en general, mejores condiciones que los slidos para

entrar en combustin. Los combustibles lquidos son sustancias que se las obtienen por

destilacin, ya sea del petrleo crudo o de la hulla. Sometindolos a procesos trmicos se

puede obtener mayor diversidad de productos derivados.

El punto de inflamacin es aquel para el cual el lquido desprende materias voltiles

inflamables. Cuando la temperatura y la presin alcanza determinado valor la propagacin

del frente de combustin se hace ms rpida que en condiciones normales.

El punto de combustin, que se produce por encima del punto de inflamacin, es la

temperatura a la cual el combustible es capaz de proseguir por si solo la combustin, una

vez que este se ha iniciado en un punto de su masa.

11

El punto de inflamacin espontneo, se produce a aquella temperatura a la cual el

combustible es capaz de entrar por si solo en combustin, sin necesidad de un foco exterior

que la produzca. Este punto depende de la presin a la que se halle sometido el lquido. Si

la presin es mayor, menor ser la temperatura de inflamacin.

1.3.2.3. COMBUSTIBLES LQUIDOS ARTIFICIALES

Los petrleos estn constituidos por distintos hidrocarburos, de distintos grados de

densidad y volatilidad. La diversidad en las proporciones en los elementos que los

componen, hacen que difieran fundamentalmente las caractersticas del petrleo obtenido

en lugar con respecto al obtenido en otro sitio.

Los diversos subproductos obtenidos, tanto en la dilatacin primaria como en la secundaria,

son sometidos a procesos de refinacin, con el objeto de eliminar los componentes

indeseables y nocivos que puede contener los mismos.

El petrleo en estado crudo tiene muy poco uso como combustible, pues desprende vapores

sumamente inflamables.

Si la destilacin primaria y secundaria a la que se somete el petrleo se obtiene una gran

diversidad de subproductos, los principales de los cuales se indican a continuacin:

Nafta: Es un combustible altamente voltil, muy inflamable y es utilizado, sobre

todo, como combustible para motores a explosin. Su poder calorfico es 11000

cal/Kg.

Kerosene: Constituye un derivado menos voltil e inflamable que la nafta. Su poder

calorfico es de 10500 cal / Kg. Se utiliza en calefaccin y en las turbohlices y

reactores de las turbina de gas de los motores de aviacin.

Gas-oil: es denso, menos voltil que el petrleo. Su poder calorfico es igual a

10250 cal / Kg. Se lo utiliza mucho en calefaccin y para hornos industriales y

metalrgicos.

12

Diesel-oil: es un subproducto obtenido de los derivados ms pesados del petrleo.

Se quema ms lentamente que el gas-oil. Se utiliza slo en motores Diesel lentos en

los cuales el combustible dispone ms tiempo para quemar. Su poder calorfico es

de 11000 cal / Kg.

Fuel-oil: es un subproducto obtenido de los derivados ms pesados del petrleo. Se

quema con dificultad. Su poder calorfico es igual a 10000 cal / Kg.

Alquitrn de hulla: es un subproducto obtenido de la fabricacin del coque. Puede

quemar directamente pero se lo utiliza poco como combustible, usndolo slo en

hogares especiales para este, que puedan vencer la viscosidad del mismo. Su poder

calorfico es de 9100 cal /Kg.

Alquitrn de lignito: se lo obtiene de la destilacin del lignito. Su poder calorfico

es 9600 cal / Kg. Es muy similar al gas-oil, pero al utilizarlo en motores diesel, su

comportamiento es muy inferior del de los derivados del petrleo.

Alcoholes: pueden quemar muy fcilmente. Tienen diversos orgenes (derivaciones

de: petrleo, vino, papas, etc.). Los alcoholes puros, como combustibles tienen muy

poco uso. Su mayor empleo est en la fabricacin de mezclas con benzol, bencina o

naftas con objeto de mejorar la calidad de las mismas.

1.3.2.4. COMBUSTIBLES GASEOSOS

El estado gaseoso de los combustibles, hace que se produzca una eficiente combustin, la

cual recibe el nombre de explosin. La facilidad de acceso del aire a las diversas partculas

del combustible, hace que la propagacin se efectu en forma rpida [R. Fresno, M.

Mesny].

Si la presin o la temperatura, alcanza un valor por arriba de un lmite determinado, la

propagacin adquiere valores muy grandes y deja de ser una explosin para ser una

detonacin, en la cual la velocidad de la reaccin qumica que se produce sea mucho

mayor.

La velocidad de propagacin en una onda detonante, para una combustin de hidrgeno y

oxgeno puro alcanza un valor 2000 m/s.

13

Los puntos de inflamacin de una mezcla estn de acuerdo a la temperatura para cada uno

de las mezclas:

Para el acetileno 425 C

Para el metano 700 C

Para el hidrgeno 585 C

Para el xido de carbono 650 C

Los combustibles gaseosos son los que mejores condiciones tienen para entrar en

combustin, entre ellos podemos citar: Gas natural, gas de alumbrado, acetileno, gas de

agua, gas de aire, gas pobre o mixto, gas de alto horno, etc.

Gas natural: Es el gas que se obtiene directamente de los yacimientos petrolferos.

Este gas es el encargado de empujar al petrleo a la superficie. Su uso es muy

utilizado en los alrededores de los yacimientos. Su poder calorfico es de 9500 cal /

m3.

Gas de alumbrado: Se lo denomina tambin gas de hulla. Se lo obtiene de la

combustin incompleta de la hulla. Por cada 100 Kg. de carbn que se carbonizan,

se obtienen unos 30 35 metros cbicos de gas de alumbrado. Es un excelente

combustible, usado principalmente para usos domsticos y para pequeos hornos

industriales. Su precio es elevado. Su poder calorfico es de entre 4380 y 5120

cal/m3.

Acetileno: Se obtiene del tratamiento del carburo de calcio del agua. Es un

excelente combustible. Su poder calorfico es superior a 18000 cal / m3.

Gas de agua: Se obtiene haciendo pasar vapor de agua a travs de una masa de

carbn de coque incandescente. Su poder calorfico es de 2420 cal / m3.

14

Gas de aire: Se lo obtiene haciendo pasar aire por un manto de hulla o lignito

incandescente de gran espesor. Su poder calorfico es de 1080 cal / m3.

Gas pobre o mixto: Se lo obtiene haciendo pasar una corriente de aire hmedo, es

decir, una mezcla de aire y vapor de agua a travs de una masa de gran espesor de

hulla o lignito incandescente. La mezcla de vapor de agua y aire, quema

parcialmente, produciendo cantidades variables de xido de carbono e hidrgeno,

estas sustancias van a constituir los elementos activos del gas mixto. Tiene un poder

calorfico de entre 1200 y 1500 cal / m3.

Gas de altos hornos: Se obtiene de los hornos de fundicin. Al cargar un alto

horno con mineral para obtener lingotes de hierro, se desprende una serie de gases

que salen parcialmente quemados y pueden ser posteriormente utilizados en la

misma planta industrial como combustible. Se los utiliza principalmente para la

calefaccin o para la produccin de fuerza motriz. Su poder calorfico es de 900

cal/m3.

1.3.2.5. CALORMETROS

Son aparatos que se los utilizan en los laboratorios para la determinacin de los poderes

calorficos de los combustibles [R. Fresno, M. Mesny].

Calormetro de Junkers: Se lo usa para determinar el poder calorfico de los combustibles

lquidos o gaseosos. La transmisin entre los gases de combustin y el agua, se hace por

medio del principio de contracorriente, existiendo circulacin permanente mientras dure la

experiencia. Consta de dos cilindros coaxiales a y b, de paredes delgadas. En la parte

inferior del cilindro interior se coloca un mechero con el combustible cuyo poder calorfico

se quiere determinar. Los productos de combustin siguen el camino indicado, saliendo al

exterior por un tubo d cuya vlvula V1 fija la velocidad de salida de dichos gases,

indicando la temperatura de los mismos.

15

El agua de condensacin se junta en l y sale por f al exterior donde se recoge en una

probeta graduada de un litro aproximadamente. (NS = poder calorfico superior; M =

cantidad de agua en circulacin, que recogemos mientras quemamos los G gramos de

combustible; G = masa del combustible que quemamos; t2 = temperatura de salida del agua

y t1 = temperatura de entrada del agua.)

NS * G = M (t2 - t1) " NS = M / G (t2 - t1)

1.3.2.6. CALOR LATENTE

Se entiende por calor latente de condensacin, la cantidad de calor desprendida por la

condensacin de un kilogramo de vapor, en estado de condensacin lapso durante el cual la

temperatura del cuerpo permanece constante.

Este calor representa el desprendimiento de una cierta cantidad de la energa interna que

posee el vapor, debido a que al pasar del estado de vapor al estado lquido, disminuye la

energa interna de sus molculas y aumenta la cohesin molecular.

1.3.2.7. COMBUSTIN DEL CARBONO

En el proceso de la combustin completa, con el oxgeno qumicamente necesario, el

carbono se combina con esta sustancia produciendo anhdrido carbnico.

C + O2 (g) CO2 (g) + calor

1M 1M

12Kg 32Kg 44Kg

22.4m3

22.4m3

16

Esto significa que un mol de carbono se combina con un mol de oxigeno produciendo 1

mol de anhdrido carbnico. Conocidos los pesos molares de estas sustancias resulta que

12kg de carbono, al reaccionar con 32kg de oxgeno, producen 44kg de anhdrido

carbnico. Como se ve, se cumple aqu la ley de la conservacin del peso, es decir, la suma

de los pesos de las sustancias antes de reaccionar es igual al peso de los productos de la

reaccin.

En esta combustin, la cantidad de oxigeno presente es, exactamente, la necesaria para que

todo el carbono queme produciendo, nicamente, anhdrido carbnico; se la llama cantidad

mnima o terica de oxgeno.

1.4. GENERACIN DE ELECTRICIDAD

En trminos generales, la generacin de energa elctrica consiste en transformar alguna

clase de energa qumica, mecnica, trmica o luminosa, entre otras, en energa elctrica.

Para la generacin industrial se recurre a instalaciones denominadas centrales elctricas,

que ejecutan alguna de las transformaciones citadas. stas constituyen el primer escaln del

sistema de suministro elctrico [Wikipedia.com].

Desde que Nikola Tesla descubri la corriente alterna y la forma de producirla en los

alternadores, se ha llevado a cabo una inmensa actividad tecnolgica para llevar la energa

elctrica a todos los lugares habitados del mundo, por lo que, junto a la construccin de

grandes y variadas centrales elctricas, se han construido sofisticadas redes de transporte y

sistemas de distribucin. Sin embargo, el aprovechamiento ha sido y sigue siendo muy

desigual en todo el planeta. As, los pases industrializados o del Primer mundo son grandes

consumidores de energa elctrica, mientras que los pases del llamado Tercer mundo

apenas disfrutan de sus ventajas.

17

Figura 1.1.Planta nuclear en Cattenom Francia.

Fuente: http://www.scholar.google.com

La demanda de energa elctrica de una ciudad, regin o pas tiene una variacin a lo largo

del da. Esta variacin es funcin de muchos factores, entre los que destacan: tipos de

industrias existentes en la zona y turnos que realizan en su produccin, climatologa

extremas de fro o calor, tipo de electrodomsticos que se utilizan ms frecuentemente, tipo

de calentador de agua que haya instalado en los hogares, la estacin del ao y la hora del

da en que se considera la demanda. La generacin de energa elctrica debe seguir la curva

de demanda y, a medida que aumenta la potencia demandada, se debe incrementar la

potencia suministrada. Esto conlleva el tener que iniciar la generacin con unidades

adicionales, ubicadas en la misma central o en centrales reservadas para estos perodos. En

general los sistemas de generacin se diferencian por el periodo del ciclo en el que est

planificado que sean utilizados; se consideran de base la nuclear y la elica, de valle la

termoelctrica de combustibles fsiles, y de pico la hidroelctrica principalmente (los

combustibles fsiles y la hidroelctrica tambin pueden usarse como base si es necesario).

Dependiendo de la fuente primaria de energa utilizada, las centrales generadoras se

clasifican en termoelctricas, hidroelctricas, nucleares, elicas, solares termoelctricas,

solares fotovoltaicas y mareomotrices. La mayor parte de la energa elctrica generada a

18

nivel mundial proviene de los tres primeros tipos de centrales reseados. Todas estas

centrales, excepto las fotovoltaicas, tienen en comn el elemento generador, constituido por

un alternador, movido mediante una turbina que ser distinta dependiendo del tipo de

energa primaria utilizada.

Por otro lado, un 64% de los directivos de las principales empresas elctricas consideran

que en el horizonte de 2018 existirn tecnologas limpias, asequibles y renovables de

generacin local, lo que obligar a las grandes corporaciones del sector a un cambio de

mentalidad [Wikipedia.com].

1.4.1. CENTRALES TERMOELCTRICAS

Una central termoelctrica es una instalacin empleada para la generacin de energa

elctrica a partir de calor. Este calor puede obtenerse tanto de combustibles fsiles

(petrleo, gas natural o carbn) como de la fisin nuclear del uranio u otro combustible

nuclear. Las centrales que en el futuro utilicen la fusin tambin sern centrales

termoelctricas.

Figura 1.2.Rotor de una turbina de una central termoelctrica.

Fuente: http://www.scholar.google.com

19

En su forma ms clsica, las centrales termoelctricas consisten en una caldera en la que se

quema el combustible para generar calor que se transfiere a unos tubos por donde circula

agua, la cual se evapora. El vapor obtenido, a alta presin y temperatura, se expande a

continuacin en una turbina de vapor, cuyo movimiento impulsa un alternador que genera

la electricidad. Luego el vapor es enfriado en un Condensador donde circula por tubos agua

fra de un caudal abierto de un ro o por torre de refrigeracin.

En las centrales termoelctricas denominadas de ciclo combinado se usan los gases de la

combustin del gas natural para mover una turbina de gas. En una cmara de combustin se

quema el gas natural y se inyecta aire para acelerar la velocidad de los gases y mover la

turbina de gas. Como, tras pasar por la turbina, esos gases todava se encuentran a alta

temperatura (500C), se reutilizan para generar vapor que mueve una turbina de vapor.

Cada una de estas turbinas impulsa un alternador, como en una central termoelctrica

comn. El vapor luego es enfriado por medio de un caudal de agua abierto o torre de

refrigeracin como en una central trmica comn. Adems, se puede obtener la

cogeneracin en este tipo de plantas, al alternar entre la generacin por medio de gas

natural o carbn. Este tipo de plantas est en capacidad de producir energa ms all de la

limitacin de uno de los dos insumos y pueden dar un paso a la utilizacin de fuentes de

energa por insumos diferentes.

Las centrales trmicas que usan combustibles fsiles liberan a la atmsfera dixido de

carbono (CO2), considerado el principal gas responsable del calentamiento global.

Tambin, dependiendo del combustible utilizado, pueden emitir otros contaminantes como

xidos de azufre, xidos de nitrgeno, partculas slidas (polvo) y cantidades variables de

residuos slidos. Las centrales nucleares pueden contaminar en situaciones accidentales y

tambin generan residuos radiactivos de diversa ndole [Wikipedia.com].

20

Figura 1.3. Central termo solar funcionando en Sevilla Espaa

Una central trmica solar o central termo solar (Ver Figura 1.3), es una instalacin

industrial en la que, a partir del calentamiento de un fluido mediante radiacin solar y su

uso en un ciclo termodinmico convencional, se produce la potencia necesaria para mover

un alternador para generacin de energa elctrica como en una central trmica clsica.

En ellas es necesario concentrar la radiacin solar para que se puedan alcanzar temperaturas

elevadas, de 300 C hasta 1000 C, y obtener as un rendimiento aceptable en el ciclo

termodinmico, que no se podra obtener con temperaturas ms bajas. La captacin y

concentracin de los rayos solares se hacen por medio de espejos con orientacin

automtica que apuntan a una torre central donde se calienta el fluido, o con mecanismos

ms pequeos de geometra parablica.

El conjunto de la superficie reflectante y su dispositivo de orientacin se denomina

heliostato. Su principal problema medioambiental es la necesidad de grandes extensiones

de territorio que dejan de ser tiles para otros usos (agrcolas, forestales, etc.)

21

1.4.2. CENTRALES HIDROELCTRICAS

Una central hidroelctrica es aquella que se utiliza para la generacin de energa elctrica

mediante el aprovechamiento de la energa potencial del agua embalsada en una presa

situada a ms alto nivel que la central. El agua se lleva por una tubera de descarga a la sala

de mquinas de la central, donde mediante enormes turbinas hidrulicas se produce la

electricidad en alternadores [Wikipedia.com].

Figura 1.4. Rotor de una turbina de una central hidroelctrica.

Fuente: http://www.scholar.google.com

Las dos caractersticas principales de una central hidroelctrica, desde el punto de vista de

su capacidad de generacin de electricidad son:

La potencia, que es funcin del desnivel existente entre el nivel medio del embalse y el

nivel medio de las aguas debajo de la central, y del caudal mximo turbinable, adems

de las caractersticas de la turbina y del generador.

La energa garantizada en un lapso determinado, generalmente un ao, que est en

funcin del volumen til del embalse, de la pluviometra anual y de la potencia

instalada.

22

La potencia de una central hidroelctrica puede variar desde unos pocos Mw, hasta varios

Gw. Hasta 10 Mw se consideran mini centrales. En China se encuentra la mayor central

hidroelctrica del mundo (la Presa de las Tres Gargantas), con una potencia instalada de

22.500 Mw. La segunda es la Represa de Itaip (que pertenece a Brasil y Paraguay), con

una potencia instalada de 14.000 Mw en 20 turbinas de 700 Mw cada una.

Esta forma de energa posee problemas medioambientales al necesitar la construccin de

grandes embalses en los que acumular el agua, que es sustrada de otros usos, incluso

urbanos en algunas ocasiones.

Actualmente se encuentra en desarrollo la explotacin comercial de la conversin en

electricidad del potencial energtico que tiene el oleaje del mar, en las llamadas centrales

mareomotrices. Estas utilizan el flujo y reflujo de las mareas.

En general pueden ser tiles en zonas costeras donde la amplitud de la marea sea amplia, y

las condiciones morfolgicas de la costa permitan la construccin de una presa que corte la

entrada y salida de la marea en una baha. Se genera energa tanto en el momento del

llenado como en el momento del vaciado de la baha.

1.4.3. CENTRALES ELICAS

La energa elica es la que se obtiene del viento, es decir, de la energa cintica generada

por efecto de las corrientes de aire o de las vibraciones que dicho viento produce. Los

molinos de viento se han usado desde hace muchos siglos para moler el grano, bombear

agua u otras tareas que requieren una energa [Melecsa.com].

En la actualidad se usan aerogeneradores para generar electricidad, especialmente en reas

expuestas a vientos frecuentes, como zonas costeras, alturas montaosas o islas. La energa

del viento est relacionada con el movimiento de las masas de aire que se desplazan de

reas de alta presin atmosfrica hacia reas adyacentes de baja presin, con velocidades

proporcionales al gradiente de presin.

23

Figura 1.5. Capacidad elica mundial total instalada y previsiones 1997-2010.

Fuente: World Wind Energy Association

Las turbinas elicas se basan en la accin del viento sobre palas. El viento produce dos

efectos: arrastre y sustentacin. Hay turbinas que actan por uno u otro efecto o por una

combinacin de ambos. Los aerogeneradores se pueden clasificar de acuerdo a su potencia

nominal en:

Micro turbinas (< 3 kW), usadas por pequeos consumidores de energa como

ser sistemas aislados de telecomunicaciones, viviendas aisladas, caravanas,

barcos, etc. Generalmente producen electricidad que sirve para la carga de

bateras de almacenamiento. El generador elctrico es de imanes permanentes y

se acciona directamente por la turbina elica, sin que haya caja multiplicadora

de velocidad entre el eje del rotor y el generador elctrico.

Pequeos aerogeneradores (< 50 kW), este rango de aerogeneradores cubre el

mismo tipo de demanda que los anteriores, pero con mayor potencia, adems se

usan en sistemas hbridos para abastecer ncleos de poblaciones aislados.

24

Grandes aerogeneradores (< 850 kW), su funcin es la produccin de

electricidad para su inyeccin a la red. Son aerogeneradores rpidos de eje

horizontal preferentemente con rotor tripala.

Aerogeneradores multimegavat (1 a 3 Mw), con dimetros en el rango de 50 a

90 m y altura del buje (centro de giro del rotor) entre 60 y 100 m, son grandes

maquinas que han iniciado su introduccin comercial desde el ao 2000 y en

particular en instalaciones marinas offshore.

As mismo en su utilizacin, se distinguen dos grandes campos de aplicacin de las

maquinas elicas:

Sistemas aislados o autnomos, formados por microturbinas o pequeos

aerogeneradores, tienen como funcin principal cubrir la demanda de energa de

pequeos consumidores, en general ncleos aislados.

Parques elicos, estn conformados por un conjunto de aerogeneradores de gran

potencia, y su funcin es la de actuar como una central de produccin elctrica

para su inyeccin a la red de alta tensin.

Las principales ventajas de la energa elica son las siguientes:

No hay emisin de gases contaminantes, ni efluentes lquidos y gaseosos ni de residuos

slidos, tampoco utiliza agua. Es una fuente de energa renovable, sin requerir de procesos

de extraccin subterrneos o a cielo abierto, como ocurre en minera o geotermia.

Su uso y posibles incidentes en su explotacin no implican riesgos ambientales de gran

impacto (derrames, explosiones, incendios, etc.). Ahorra combustibles fsiles y diversifica

el suministro elctrico.

25

Figura 1.6. Parque elico Sierra Cabrera, Valencia, Espaa. Potencia total

21 Mw.

Fuente: http://www.scholar.google.com

Los principales problemas asociados con la energa elica son:

El viento es disperso y de gran variabilidad y fluctuacin (tanto en velocidad como

en direccin), por lo que no todos los lugares son adecuados para una explotacin

tcnica y econmicamente viable de la energa elica.

Aumento del nivel de ruido, un aerogenerador puede producir niveles molestos si

est situado en un lugar cercano a un ncleo habitado.

Los parques elicos como el de la Figura 1.6 requieren un rea de terreno

considerable dado que se deben mantener distancias entre aerogeneradores de orden

del centenar de metros a fin de evitar los efectos de sobra elica o de la perturbacin

de las maquinas entre ellas mismas.

Los rotores de las centrales elicas pueden producir interferencias con los campos

electromagnticos y afectar a la transmisin de seales (telefona, televisin, radio,

etc.).

26

A pesar de los efectos medioambientales anteriormente citados, la energa elica

presenta un elevado nivel de aceptacin social por parte de la poblacin frente a

otros tipos de energa (nuclear, trmica, de carbn, etc.), que muestran unos niveles

de rechazo mucho ms elevados.

1.4.4. CENTRALES FOTOVOLTAICAS

El sol es una fuente inagotable de energa debido a las reacciones nucleares. La energa

irradiada por el sol procede de la fusin de tomos de deuterio para dar tomos de helio. El

astro irradia ms energa en un segundo que la consumida por la humanidad en toda su

historia [Melecsa.com].

Figura 1.7. Panel solar.

Fuente: http://www.scholar.google.com

Una parte de esta energa llega a la tierra en forma de radiacin electromagntica. La tierra

recibe en el exterior de su atmosfera una potencia total de 1,73 1014

kW. Bajo la perspectiva

humana, la fuente energtica solar puede considerarse como inagotable. La potencia de la

radiacin solar que se recibe en un instante determinado sobre un metro cuadrado de

superficie se conoce como irradiancia Is y se expresa en W/m2.

27

Para una distancia media Tierra-Sol el valor de la irradiancia en el plano exterior a la

atmosfera y perpendicular a los rayos del sol se conoce como constante solar Ss. El valor

determinado por la NASA indica que la constante solar es de 1353 W/m2.

Se denomina energa solar fotovoltaica a la obtencin de energa elctrica a travs de

paneles fotovoltaicos. Los paneles, mdulos o colectores fotovoltaicos estn formados por

dispositivos semiconductores tipo diodo que, al recibir radiacin solar, se excitan y

provocan saltos electrnicos, generando una pequea diferencia de potencial en sus

extremos.

El acoplamiento en serie de varios de estos fotodiodos permite la obtencin de voltajes

mayores en configuraciones muy sencillas y aptas para alimentar pequeos dispositivos

electrnicos. A mayor escala, la corriente elctrica continua que proporcionan los paneles

fotovoltaicos se puede transformar en corriente alterna e inyectar en la red elctrica.

Los sistemas fotovoltaicos convencionales poseen baja eficiencia, estos valores varan

segn el material de fabricacin. El material ms comn es el silicio, con el cual se

obtienen las siguientes configuraciones:

Silicio puro mono-cristalino, est basado en secciones de una barra de silicio

perfectamente cristalizado en una sola pieza. En laboratorio se han alcanzado

rendimientos mximos del 24,7% para este tipo de paneles, siendo el de los ms

comercializados, del 16%.

Silicio puro poli-cristalino, los materiales son semejantes a los del tipo anterior,

aunque en este caso el proceso de cristalizacin del silicio es diferente, los

paneles poli-cristalinos se basan en secciones de una barra de silicio que se ha

estructurado desordenadamente en forma de pequeos cristales.

28

Son visualmente muy reconocibles por presentar una superficie de aspecto

granulado. Se obtiene con ellos un rendimiento inferior al anterior (en

laboratorio del 19,8% y en los mdulos comerciales del 14%), siendo su precio

tambin ms bajo.

Silicio amorfo, basado tambin en el silicio, pero a diferencia de los dos

anteriores, no sigue ninguna estructura cristalina. Paneles de este tipo son

habitualmente empleados para pequeos dispositivos electrnicos (calculadoras,

relojes) y en pequeos paneles porttiles. Su rendimiento mximo alcanzado en

laboratorio ha sido del 13% y en los mdulos comerciales del 8%.

Silicio Ribbon, estas clulas fotovoltaicas de tipo ribbon se las obtienen

mediante el estiramiento de silicio fundido en lugar de la utilizacin de un

lingote. El principio de funcionamiento es el mismo que en el caso de las clulas

mono-cristalinas y poli-cristalinas. El recubrimiento anti-reflectante utilizado en

la mayora de las clulas ribbon tiene una apariencia prismtica multicolor.

El aprovechamiento ptimo del espectro solar en aplicaciones terrestres, se va

desarrollando de manera activa en los ltimos aos. Se est trabajando en el desarrollo de

nuevos materiales que competirn con los elementos ms conocidos como es el silicio y el

As Ga. Es el caso del llamado black silicon, que tiene una respuesta ptica mucho ms

amplia que los elementos mencionados.

Alemania es en la actualidad el segundo productor mundial de energa solar fotovoltaica

tras Japn, con cerca de 5 millones de metros cuadrados de colectores de sol, aunque slo

representa el 0,03% de su produccin energtica total.

La venta de paneles fotovoltaicos ha crecido en el mundo al ritmo anual del 20% en la

dcada de los noventa. En la Unin Europea el crecimiento medio anual es del 30%, y

Alemania tiene el 80% de la potencia instalada de la unin.

29

Figura 1.8. Generador de energa solar fotovoltaica de concentracin Amonix

7700, EEUU.

Fuente: http://www.scholar.google.com

Los principales problemas de este tipo de energa son su elevado coste en comparacin con

los otros mtodos, la necesidad de extensiones grandes de territorio que se sustraen de otros

usos, la competencia del principal material con el que se construyen con otros usos (el

slice es el principal componente de los circuitos integrados), o su dependencia con las

condiciones climatolgicas.

Este ltimo problema hace que sean necesarios sistemas de almacenamiento de energa para

que la potencia generada en un momento determinado, pueda usarse cuando se solicite su

consumo [Melecsa.com].

Actualmente se estn instalando centrales elctricas fotovoltaicas con concentracin, la

esencia de la tecnologa de concentracin radica fundamentalmente en la reduccin del

dispositivo receptor de la radiacin solar incidente debido a la posibilidad de concentrar la

luz.

30

El proceso se realiza mediante la interposicin de un dispositivo ptico entre la fuente de

radiacin y la superficie de absorcin capaz de concentrar la radiacin incidente sobre una

superficie ms pequea que la superficie de entrada. Adems estn estudiando sistemas

como el almacenamiento cintico, bombeo de agua a presas elevadas, almacenamiento

qumico, entre otros.

1.4.5. GENERACIN A PEQUEA ESCALA

Un grupo electrgeno (Ver Figura 1.9) es una mquina que mueve un generador de

energa elctrica a travs de un motor de combustin interna. Es comnmente utilizado

cuando hay dficit en la generacin de energa de algn lugar, o cuando hay corte en el

suministro elctrico y es necesario mantener la actividad [Wikipedia.com].

Figura 1.9.Grupo electrgeno de 500 Kw instalado en un complejo turstico

en Egipto.

Fuente: http://www.scholar.google.com

Una de sus utilidades ms comunes es en aquellos lugares donde no hay suministro a travs

de la red elctrica, generalmente son zonas agrcolas con pocas infraestructuras o viviendas

aisladas. Otro caso es en locales de pblica concurrencia, hospitales, fbricas, etc., que, a

falta de energa elctrica de red, necesiten de otra fuente de energa alterna para abastecerse

en caso de emergencia. Un grupo electrgeno consta de las siguientes partes:

31

Motor de combustin interna: El motor que acciona el grupo electrgeno

suele estar diseado especficamente para ejecutar dicha labor. Su potencia

depende de las caractersticas del generador. Pueden ser motores de gasolina o

diesel.

Sistema de refrigeracin: El sistema de refrigeracin del motor es problemtico, por

tratarse de un motor esttico, y puede ser refrigerado por medio de agua, aceite o aire.

Alternador: La energa elctrica de salida se produce por medio de un alternador

apantallado, protegido contra salpicaduras, autoexcitado, autorregulado y sin escobillas,

acoplado con precisin al motor. El tamao del alternador y sus prestaciones son muy

variables en funcin de la cantidad de energa que tienen que generar.

Depsito de combustible y bancada: El motor y el alternador estn acoplados y

montados sobre una bancada de acero. La bancada incluye un depsito de combustible

con una capacidad mnima de funcionamiento a plena carga segn las especificaciones

tcnicas que tenga el grupo en su autonoma.

Sistema de control: Se puede instalar uno de los diferentes tipos de paneles y sistemas

de control que existen para controlar el funcionamiento, salida del grupo y la proteccin

contra posibles fallos en el funcionamiento.

Interruptor automtico de salida: Para proteger al alternador, llevan instalado un

interruptor automtico de salida adecuado para el modelo y rgimen de salida del grupo

electrgeno. Existen otros dispositivos que ayudan a controlar y mantener, de forma

automtica, el correcto funcionamiento del mismo.

Regulacin del motor: El regulador del motor es un dispositivo mecnico diseado

para mantener una velocidad constante del motor con relacin a los requisitos de carga.

La velocidad del motor est directamente relacionada con la frecuencia de salida del

alternador, por lo que cualquier variacin de la velocidad del motor afectar a la

frecuencia de la potencia de salida.

32

La Pila Voltaica se denomina ordinariamente pila elctrica a un dispositivo que genera

energa elctrica por un proceso qumico transitorio, tras de lo cual cesa su actividad y han

de renovarse sus elementos constituyentes, puesto que sus caractersticas resultan alteradas

durante el mismo. Se trata de un generador primario. Esta energa resulta accesible

mediante dos terminales que tiene la pila, llamados polos, electrodos o bornes. Uno de ellos

es el polo positivo o nodo y el otro es el polo negativo o ctodo. En espaol es habitual

llamarla as, mientras que las pilas recargables o acumuladores, se ha venido llamando

batera. (Ver Figura 1.10).

Figura 1.10. Esquema funcional de una pila elctrica.

Fuente: http://www.scholar.google.com

La primera pila elctrica fue dada a conocer al mundo por Volta en 1800, mediante una

carta que envi al presidente de la Royal Society londinense, por tanto son elementos

provenientes de los primeros tiempos de la electricidad. Aunque la apariencia de una pila

sea simple, la explicacin de su funcionamiento dista de serlo y motiv una gran actividad

cientfica en los siglos XIX y XX, as como diversas teoras, y la demanda creciente que

tiene este producto en el mercado sigue haciendo de l objeto de investigacin

intensa[Wikipedia.com]..

El funcionamiento de una pila se basa en el potencial de contacto entre dos sustancias,

mediado por un electrolito.

33

Cuando se necesita una corriente mayor que la que puede suministrar un elemento nico,

siendo su tensin en cambio la adecuada, se pueden aadir otros elementos en la conexin

llamada en paralelo. La capacidad total de una pila se mide en amperios-hora (Ah); es el

nmero mximo de amperios que el elemento puede suministrar en una hora. Es un valor

que no suele conocerse, ya que no es muy claro dado que depende de la intensidad

solicitada y la temperatura.

Un importante avance en la calidad de las pilas ha sido la pila denominada seca, al que

pertenecen prcticamente todas las utilizadas hoy da (2008). Las pilas elctricas, bateras y

acumuladores se presentan en unas cuantas formas normalizadas en funcin de su forma,

tensin y capacidad que tengan.

Los metales y productos qumicos constituyentes de las pilas pueden resultar perjudiciales

para el medio ambiente, produciendo contaminacin qumica. Es muy importante no

tirarlas a la basura (en algunos pases no est permitido), sino llevarlas a centros de

reciclado. En algunos pases, la mayora de los proveedores y tiendas especializadas

tambin se hacen cargo de las pilas gastadas. Una vez que la envoltura metlica que recubre

las pilas se daa, las sustancias qumicas que contienen se ven liberadas al medio ambiente

causando contaminacin.

Con mayor o menor grado, las sustancias son absorbidas por la tierra pudindose filtrar

hacia los mantos acuferos y de stos pueden pasar directamente a los seres vivos, entrando

con esto en la cadena alimenticia. Las pilas son residuos peligrosos por lo que desde el

momento en que se empiezan a reunir, deben ser manejadas por personal capacitado que

siga las precauciones adecuadas empleando todos los procedimientos tcnicos y legales

para el manejo de dicho residuos.

Estas pilas suelen utilizarse en los aparatos elctricos porttiles, que son una gran cantidad

de dispositivos que se han inventado y que se nutren para su funcionamiento de la energa

facilitada por una o varias pilas elctricas o de bateras recargables. Entre los dispositivos

de uso masivo destacan juguetes, linternas, relojes, telfonos mviles, marcapasos,

audfonos, calculadoras, ordenadores personales porttiles, reproductores de msica, radio

transistores, mando a distancia, etc.

34

Una celda, clula o pila de combustible de la Figura 1.11 es un dispositivo electroqumico

de generacin de electricidad similar a una batera, que se diferencia de esta en estar

diseada para permitir el reabastecimiento continuo de los reactivos consumidos. Esto

permite producir electricidad a partir de una fuente externa de combustible y de oxgeno, en

contraposicin a la capacidad limitada de almacenamiento de energa de una batera.

Adems, la composicin qumica de los electrodos de una batera cambia segn el estado

de carga, mientras que en una celda de combustible los electrodos funcionan por la accin

de catalizadores, por lo que son mucho ms estables.

Figura 1.11.Pila de hidrgeno. La celda en s es la estructura cbica del

centro de la imagen.

Fuente: http://www.scholar.google.com

En las celdas de hidrgeno los reactivos usados son hidrgeno en el nodo y oxgeno en el

ctodo. Se puede obtener un suministro continuo de hidrgeno a partir de la electrlisis del

agua, lo que requiere una fuente primaria de generacin de electricidad, o a partir de

reacciones catalticas que desprenden hidrgeno de hidrocarburos.

35

El hidrgeno puede almacenarse, lo que permitira el uso de fuentes discontinuas de energa

como la solar y la elica. El hidrgeno gaseoso (H2) es altamente inflamable y explosivo,

por lo que se estn desarrollando mtodos de almacenamiento en matrices porosas de

diversos materiales.

Un generador termoelctrico de radioistopos es un generador elctrico simple que

obtiene su energa de la liberada por la desintegracin radiactiva de determinados

elementos. En este dispositivo, el calor liberado por la desintegracin de un material

radiactivo se convierte en electricidad directamente gracias al uso de una serie de

termopares, que convierten el calor en electricidad gracias al efecto Seebeck en el llamado

Unidad de calor de radioistopos (o RHU en ingls).

Los RTG se pueden considerar un tipo de batera y se han usado en satlites, sondas

espaciales no tripuladas e instalaciones remotas que no disponen de otro tipo de fuente

elctrica o de calor. Los RTG son los dispositivos ms adecuados en situaciones donde no

hay presencia humana y se necesitan potencias de varios centenares de vatios durante

largos perodos de tiempo, situaciones en las que los generadores convencionales como las

pilas de combustible o las bateras no son viables econmicamente y donde no pueden

usarse clulas fotovoltaicas [Wikipedia.com].

1.5. TURBINAS DE GAS

Una turbina de gas, es una turbo-mquina motora, cuyo fluido de trabajo es un gas. Como

la compresibilidad de los gases no puede ser despreciada, las turbinas a gas son turbo-

mquinas trmicas [Wikipedia.com].

Comnmente se habla de las turbinas a gas por separado de las turbinas ya que, aunque

funcionan con sustancias en estado gaseoso, sus caractersticas de diseo son diferentes, y,

cuando en estos trminos se habla de gases, no se espera un posible cambio de fase, en

cambio cuando se habla de vapores s.

36

El ejemplo ms antiguo de la propulsin por gas puede ser encontrado en un egipcio

llamado Hero en 150 A.C. Hero invent un juguete que rotaba en la parte superior de una

olla hirviendo debido al efecto del aire o vapor caliente saliendo de un recipiente con

salidas organizadas de manera radial en un slo sentido (Figura 1-12).

Figura 1.12. Turbina de Vapor inventada por Hero.

Alrededor de 1500 D.C., Leonardo Da Vinci dibuj un esquema de un dispositivo que

rotaba debido al efecto de los gases calientes que suban por una chimenea. El dispositivo

debera rotar la carne que estaba asando.

En 1629 otro italiano desarroll un dispositivo que uso el vapor para rotar una turbina que

mova maquinaria. Esta fue la primera aplicacin prctica de la turbina de vapor. En 1678

un jesuita llamado Ferdinand Verbiest construy un modelo de un vehculo automotor que

usaba vapor de agua para movilizarse.

La primera patente para una turbina fue otorgada en 1791 a un ingls llamado John Barber.

Incorporaba mucho de los elementos de una turbina de gas moderna, pero usaban un

compresor alternativo. Hay muchos otros ejemplos de turbina por varios inventores, pero

no son consideradas verdaderas turbinas de gas porque utilizaban vapor en cierto punto del

proceso.

37

En 1872, un hombre llamado Stolze dise la primera turbina de gas. Incorporaba una

turbina de varias etapas y compresin en varias etapas con flujo axial prob sus modelos

funcionales en los aos 1900.En 1914 Charles Curtis aplic para la primera patente en los

Estados Unidos para una turbina de gas. Esta fue otorgada pero gener mucha controversia.

La Compaa General Electric comenz su divisin de turbinas de gas en 1903. Un

Ingeniero llamado Stanford Moss dirigi la mayora de los proyectos. Su desarrollo ms

notable fue el turbo super-cargador.

Este utilizaba los gases de escape de un motor alternativo para mover una rueda de turbina

que, a su vez, mova un compresor centrfugo utilizado para supercargar. Este elemento

hizo posible construir las primeras turbinas de gas confiables.

En los aos 30, tantos britnicos como alemanes disearon turbinas de gas para la

propulsin de aviones. Los alemanes alcanzaron a disear aviones de propulsin a chorro y

lograron utilizarlos en la 2 guerra mundial.

Una turbina de gas simple est compuesta de tres secciones principales: un compresor,

un quemador y una turbina de potencia. Las turbinas de gas operan en base en el principio

del ciclo Brayton, en donde aire comprimido es mezclado con combustible y quemado bajo

condiciones de presin constante.

El gas caliente producido por la combustin se le permite expandirse a travs de la turbina

y hacerla girar para llevar a cabo trabajo. En una turbina de gas con una eficiencia del 33%,

aproximadamente 2/3 del trabajo producido se usa comprimiendo el aire. El otro 1/3 est

disponible para generar electricidad, impulsar un dispositivo mecnico, etc.

Una variacin del sistema de turbina simple (Brayton) es el de aadir un regenerador. El

regenerador es un intercambiador de calor que aprovecha la energa de los gases calientes

de escape al precalentar el aire que entra a la cmara de combustin. Este ciclo

normalmente es utilizado en turbinas que trabajan con bajas presiones. Ejemplos de

turbinas que usan este ciclo son: la Solar Centaur de 3500 hp hasta la General Electric

Frame 5 de 35000 hp.

38

Las turbinas de gas con altas presiones de trabajo pueden utilizar un interenfriador para

enfriar el aire ente las etapas de compresin, permitiendo quemar ms combustible y

generar ms potencia.

El factor limitante para la cantidad de combustible utilizado es la temperatura de los gases

calientes creados por la combustin, debido a que existen restricciones a las temperaturas

que pueden soportar los alabes de la turbina y otras partes de la misma.

Con los avances en la Ingeniera de los materiales, estos lmites siempre van aumentando.

Una turbina de este tipo es la General Electric LM1600 versin marina.

Existen tambin turbinas de gas con varias etapas de combustin y expansin y otras con

interenfriador y regenerador en el mismo ciclo. Estos ciclos los podemos ver a continuacin

en las Figuras 1.13 y 1.14.

Figura 1.13.Turbinas de Gas.

39

Figura 1.14. Turbinas de Gas con intercambiador.

Fuente: http://www.scholar.google.com

El ciclo de Brayton de aire normal, es el ciclo ideal de una turbina de gas simple. El ciclo

abierto de una turbina de gas simple, que utiliza un proceso de combustin interna se puede

observar en la grfica siguiente. Cabe anotar que tambin existe un ciclo cerrado terico de

una turbina de gas simple. En la Figura 1.15 podemos observar el compresor, la cmara de

combustin, la turbina, el aire y combustible en el ciclo abierto Brayton.

Figura 1.15.Turbina de Gas Simple.

40

El rendimiento del ciclo de Brayton de aire normal se encuentra como sigue.

Ec. 1-1

Sin embargo notamos que,

1

4

2

3

1

2

4

3

P

P

P

p

P

P

P

P

Ec.1-2

31.

)1/(

4

3

4

3

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1

2

1

2

EcT

T

p

P

T

T

P

Pkkkk

41. 11

1

4

4

3

1

4

2

3

1

2

4

3 EcT

T

T

Ty

T

T

T

T

T

T

T

T

5-1 Ec.

/)1)(/(

11

12 kkPptermic

El rendimiento del ciclo de Brayton de aire normal es, por lo tanto, una funcin de la

relacin isentrpica de presin. El rendimiento aumenta con la relacin de presin, y esto es

evidente en el diagrama T-s ya que al ir aumentando la relacin de presin, se cambiar el

ciclo de 1-2-3-4-1 a 1-2-3-4-1.

El ltimo ciclo tiene mayor suministro de calor y la misma cantidad de calor cedido, que el

ciclo original, y por tanto, tiene mayor rendimiento; advierta, sin embargo, que el ltimo

ciclo tiene una temperatura mxima (T3) ms alta que la del ciclo (T3). En la turbina de gas

real, la temperatura mxima del gas que entra a la turbina es determinada por

consideraciones metalrgicas. Por lo tanto si fijamos la temperatura T3 y aumentamos la

relacin de presin, el ciclo resultante es 1-2-3-4-1.

41

Este ciclo tendr un rendimiento ms alto que el del ciclo original, pero, de esta manera,

cambia el trabajo por kilogramo de substancia de trabajo.

Con el advenimiento de los reactores nucleares, el ciclo cerrado de la turbina de gas ha

cobrado gran importancia. El calor se transmite ya sea directamente o a travs de un

segundo fluido, del combustible en el reactor nuclear a la substancia de trabajo en la turbina

de gas; el calor es cedido de la substancia de trabajo al medio exterior.

La turbina de gas real, difiere principalmente del ciclo ideal a causa de las irreversibilidades

en el compresor y en la turbina y debido al descenso de presin en los pasos de flujo y en la

cmara de combustin (o en el cambiador de calor en una turbina de ciclo cerrado).

Los rendimientos del compresor y de la turbina estn definidos en relacin a los procesos

isentrpicos. Los rendimientos son los siguientes:

Ciclo de una Turbina de Gas Simplemente con Regenerador: El rendimiento del ciclo

de una turbina de gas, puede mejorarse con la adicin de un regenerador. Se puede observar

el ciclo en la Figura 1.16.

42

Figura 1.16. Turbina de Gas con Regeneracin.

Fuente: http://www.scholar.google.com

Observe como el intercambiador de calor utiliza la energa en forma de calor de los gases

de escape para calentar el aire de entrada a la cmara de combustin.

Note que el ciclo 1-2x3-4-y -1, la temperatura de los gases que salen de la turbina en el

estado 4, es ms alta que la temperatura de los gases que salen del compresor: por lo tanto

puede transmitirse calor de los gases de salida a los gases de alta presin que salen del

compresor; si esto se realiza en un intercambiador de calor de contracorriente, conocido

como regenerador, la temperatura de los gases que salen del regenerador Tx pueden tener

en el caso ideal, una temperatura igual a T4, es decir, la temperatura de los gases de salida

de la turbina [Wikipedia.com].

En este caso la transmisin de calor de la fuente externa slo es necesaria para elevar la

temperatura desde Tx hasta T3 y esta transmisin de calor est representada por el rea x-3-

d-b-x; el rea y-1-a-c-y y representa el calor cedido.

43

La influencia de la relacin de presin en el ciclo simple de una turbina de gas con

regenerador, se ve al considerar el ciclo 1-2-3-4-1; en este ciclo, la temperatura de los

gases de salida de la turbina es exactamente igual a la temperatura de los gases que salen

del compresor; por lo tanto, aqu no hay posibilidad de utilizar un regenerador. Esto puede

verse mejor al determinar el rendimiento del ciclo de gas ideal de la turbina con

regenerador.

El rendimiento de este ciclo con regeneracin se encuentra como sigue, donde los estados

son:

Pero para el regenerador ideal, T4 = Tx y por lo tanto qH = wt; de donde,

Vemos, as, que para el ciclo ideal con regeneracin el rendimiento trmico depende no

slo de la relacin de presin, sino tambin de la relacin de la mnima a la mxima

temperaturas.

44

Tambin notamos que, en contraste con el ciclo de Brayton, el rendimiento disminuye al

aumentar la relacin de presin. El rendimiento trmico contra la relacin de presin, para

este ciclo.

La efectividad o rendimiento de un regenerador est dada por el trmino rendimiento del

regenerador; El estado x representa a los gases de alta presin que salen del regenerador. En

el regenerador ideal habra una diferencia infinitesimal de temperaturas entre los dos flujos

y los de alta presin saldran del regenerador a la temperatura Tx pero T3 = T4. En el

regenerador real que debe operar a una diferencia de temperaturas finita Tx y, por lo tanto,

la temperatura real que sale del regenerador, es menor que Tx.

El rendimiento del regenerador se define como,

Si suponemos el calor que el calor especfico es constante, el rendimiento del regenerador

tambin est dado por la relacin

45

Es bueno sealar que se puede alcanzar un rendimiento alto usando un regenerador con una

gran rea de transmisin de calor; sin embargo, esto tambin incrementa el descenso de

presin, que representa una prdida, y tanto el descenso de presin como el rendimiento del

regenerador, deben considerarse para determinar que regenerador dar el mximo

rendimiento trmico del ciclo.

Desde el punto de vista econ