TERMOELECTRICA

Energía termoeléctricaSe denomina energía termoeléctrica a la forma de energía que resulta de liberar el agua por medio de un combustible para mover un alternador y producir energía eléctrica.

Desde la antigüedad, el ser humano ha necesitado generar energía térmica para cubrir sus necesidades de abrigo, alimentación, iluminación, fabricación de herramientas, y también para resolver todos aquellos problemas que no puede afrontar con el sólo uso de su fuerza física, como accionar medios transparentes, maquinarias , armamento, etc.

La energía termoeléctrica puede usar como combustibles productos fósiles como petróleo, carbón o gas natural (ciclo combinado), átomos de uranio, en el caso de la energía nuclear, y energía solar para la generación solar-termoeléctrica.

Energía termosolar

La cantidad de radiación solar disponible para convertir en energía útil depende de varios factores: posición del sol en el cielo, condiciones atmosféricas, altura sobre el nivel del mar y la duración del día. Uno de los usos más rentables del sol se da en las plantas termosolares.

La energía termosolar, a diferencia de la fotovoltaica que transforma los rayos directamente del sol en energía eléctrica, conlleva un proceso más complejo. Mediante la radiación solar se calienta un aceite especial de origen sintético hasta alcanzar los 400ºC. Con ese aceite se calienta agua. Esa agua se evapora y pasa a unas turbinas cuyo moviento produce la energía eléctrica. El proceso, por tanto, es mucho más complicado que el que se produce en las plantas fotovoltaicas. El rendimiento es mayor también. Se trata de unos cilindros parabólicos. En su centro llevan unos tubos receptores de calor HC (por la sigla de “Heat Collection”) por los que circula el aceite. Los rayos del sol sobre el cristal se reflejan al tubo por donde circula el aceite que se calienta. Ese aceite pasa por unos intercambiadores agua-aceite. Con el aceite calientas el agua, la evaporas y el vapor de agua mueve unas turbinas. Ahí es cuando se produce la electricidad.

'¿Qué pasa cuando no hay sol?

El proceso para empezar a producir la energía es siempre el mismo sea invierno o verano. Mientras menos meses de sol la producción de la planta será menor. Si un día llueve lo normal sería que ese día no se produjera, pero la mayoría de las plantas termosolares llevan lo que se denomina “almacenamiento de sales”. Las sales se utilizan para producir las 24 horas del día. El procedimiento es el siguiente: con el sol aparte de calentar el aceite para evaporar agua, también calientas aceite que pasa por unos intercambiadores aceite-sales. Las sales se guardan en dos tanques con temperaturas de 300 y 400 grados. Las sales se van pasando de un tanque a otro para que se mantengan a la temperatura adecuada. Por la noche cuando se ha ido el sol se pasa a hacer el proceso contrario, con las sales se calienta el aceite que vuelve a calentar el agua y producir vapor que será el que siga moviendo las turbinas que producen la electricidad.

El número de este tipo de plantas en España es relativamente pequeño. En abril de 2010 según la Asociación Española de la Industria Solar Termoléctrica había 14 plantas con potencia de 50MW, la mayoría en Andalucía (6) y Extremadura (6). Aunque hay bastantes más en construcción y preasignadas.

Posible destrucción

Un reciente estudio de Greenpeace, elaborado junto a la Asociación Europea de la Energía Solar Termoeléctrica (ESTELA) y la Agencia Internacional de la Energía (AIE), estima que la

energía termoeléctrica podría llegar a cubrir el 7% de la demanda eléctrica mundial en 2030 y más de la cuarta parte para 2050.

Central termoeléctrica

Termoeléctrica Bocamina II, ubicada en Coronel Chile, Entró en funcionamiento el año 2012.

Una central termoeléctrica es una instalación empleada en la generación de energía eléctrica a partir de la energía liberada en forma de calor, normalmente mediante la combustión de combustibles fósiles como petróleo,gas natural o carbón. Este calor es empleado por un ciclo termodinámico convencional para mover un alternador y producir energía eléctrica.

Cuando el calor se obtiene mediante la fisión controlada de núcleos de uranio la central se llama central nuclear. Este tipo de central no contribuye al efecto invernadero, pero tiene el problema de los residuos radioactivos que han de ser guardados durante miles de años y la posibilidad de accidentes graves.

Índice

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1   Introducción 2   Historia 3   Centrales termoeléctricas de ciclo convencional 4   Centrales termoeléctricas de ciclo combinado

o 4.1   GICC 5   Impacto ambiental 6   Ventajas e inconvenientes

o 6.1   Ventajas o 6.2   Inconvenientes

7   Véase también 8   Referencias 9   Enlaces externos

Introducción[editar]

Prácticamente todas las centrales eléctricas de carbón, nucleares, geotérmicas, energía solar térmica o de combustión de biomasa, así como algunas centrales de gas natural son centrales

termoeléctricas. El calor residual de una turbina de gas puede usarse para producir vapor y a su vez producir electricidad en lo que se conoce como un ciclo combinado lo cual mejora la eficiencia. Las centrales termoeléctricas no nucleares, particularmente las de combustibles fósiles se conocen también como centrales térmicas o centrales termoeléctricas convencionales.

Historia[editar]

La primera central termoeléctrica fue construida por Sigmund Schuckert en la ciudad de Ettal en Baviera y entró en funcionamiento en 1878. Las primeras centrales comerciales fueron Pearl Street Station en Nueva York y la Edison Electric Light Station, en Londres, que entraron en funcionamiento en 1882.

Estas primeras centrales utilizaban motores de vapor de pistones. El desarrollo de la turbina de vapor permitió construir centrales más grandes y eficientes por lo que hacia 1905 la turbina de vapor había reemplazado completamente a los motores de vapor de pistones en las grandes centrales eléctricas.

Centrales termoeléctricas de ciclo convencional[editar]

Se llaman centrales clásicas o de ciclo convencional a aquellas centrales térmicas que emplean la combustión del carbón, petróleo (aceite) o gas natural para generar la energía eléctrica. Son consideradas las centrales más económicas y rentables, por lo que su utilización está muy extendida en el mundo económicamente avanzado y en el mundo en vías de desarrollo, a pesar de que estén siendo criticadas debido a su elevado impacto medioambiental.

A continuación se muestra el diagrama de funcionamiento de una central térmica de carbón de ciclo convencional:

Diagrama de una central térmica de carbón de ciclo convencional

1. Torre de refrigeración 10. Válvula de control de gases 19. Supercalentador

2. Bomba hidráulica 11.Turbina de vapor de alta presión 20. Ventilador de tiro forzado

3. Línea de transmisión (trifásica) 12. Desgasificador 21. Recalentador

4. Transformador (trifásico) 13. Calentador 22. Toma de aire de combustión

5. Generador eléctrico (trifásico) 14. Cinta transportadora de carbón 23. Economizador

6. Turbina de vapor de baja presión 15. Tolva de carbón 24. Precalentador de aire

7. Bomba de condensacion 16. Pulverizador de carbón 25. Precipitador electrostático

8. Condensador de superficie 17. Tambor de vapor 26. Ventilador de tiro inducido

9. Turbina de media presión 18. Tolva de cenizas 27. Chimenea de emisiones

Centrales termoeléctricas de ciclo combinado[editar]

Esquema básico de funcionamiento de una central térmica de ciclo combinado.

Artículo principal: Ciclo combinado

En la actualidad se están construyendo numerosas centrales termoeléctricas de las denominadas de ciclo combinado, que son un tipo de central que utiliza gas natural, gasóleo o incluso carbón preparado como combustible para alimentar unaturbina de gas. Luego los gases de escape de la turbina de gas todavía tienen una elevada temperatura, se utilizan para producir vapor que mueve una segunda turbina, esta vez de vapor. Cada una de estas turbinas está acoplada a su correspondiente alternador para generar energía eléctrica.1

Normalmente durante el proceso de partida de estas centrales solo funciona la turbina de gas; a este modo de operación se lo llama ciclo abierto.2 Si bien la mayoría de las centrales de este tipo pueden intercambiar el combustible (entre gas y diésel) incluso en funcionamiento.

Como la diferencia de temperatura que se produce entre la combustión y los gases de escape es más alta que en el caso de una turbina de gas o una de vapor, se consiguen rendimientos muy superiores, del orden del 55%.

Este tipo de centrales generaron el 32% de las necesidades españolas de energía eléctrica en 2008.3

GICC[editar]Artículo principal: GICC

En los últimos tiempos se viene desarrollando una nueva tecnología, la Gasificación integrada en ciclo combinado (GICC), que mediante un sistema de gasificación del carbón, reduce ostensiblemente las emisiones contaminantes a la atmósfera, al poder aplicar el ciclo combinado al carbón.1

Impacto ambiental[editar]

Artículo principal: Impacto ambiental potencial de proyectos de centrales termoeléctricas

Central térmica de Compostilla II, en Cubillos del Sil, León (España).

La emisión de residuos a la atmósfera y los propios procesos de combustión que se producen en las centrales térmicas tienen una incidencia importante sobre el medio ambiente. Para tratar de paliar, en la medida de lo posible, los daños que estas plantas provocan en el entorno natural, se incorporan a las instalaciones diversos elementos y sistemas.

Algunos tipos de centrales termoeléctricas contribuyen al efecto invernadero emitiendo dióxido de carbono. No es el caso de las centrales de energía solar térmica que al no quemar ningún combustible, no lo hacen. También hay que considerar que la masa de este gas emitida por unidad de energía producida no es la misma en todos los casos: el carbón se compone de carbono e impurezas. Casi todo el carbono que se quema se convierte en dióxido de carbono -también puede convertirse en monóxido de carbono si la combustión es pobre en oxígeno-. En el caso del gas natural, por cada átomo de carbono hay cuatro de hidrógeno que también producen energía al combinarse con oxigeno para convertirse en agua, por lo que contaminan menos por cada unidad de energía que producen y la emisión de gases perjudiciales procedentes de la combustión de impurezas -como los óxidos de azufre- es mucho menor.

El problema de la contaminación es máximo en el caso de las centrales termoeléctricas convencionales que utilizan como combustible carbón. Además, la combustión del carbón tiene como consecuencia la emisión de partículas y óxidos de azufre que contaminan en gran medida la atmósfera.4 En las de fueloil los niveles de emisión de estos contaminantes son menores, aunque ha de tenerse en cuenta la emisión de óxidos de azufre y hollines ácidos, prácticamente nulos en las plantas de gas.

En todo caso, en mayor o menor medida todas ellas emiten a la atmósfera dióxido de carbono, CO2. Según el combustible, y suponiendo un rendimiento del 40% sobre la energía primaria consumida, una central térmica emite aproximadamente:

CombustibleEmisión de CO2

kg/kWh

Gas natural 0,685

Gas natural(ciclo combinado)

0,545

Fuelóleo 0,705

Biomasa (leña, madera) 0,826

Carbón 1,005

Las centrales de gas natural pueden funcionar con el llamado ciclo combinado, que permite rendimientos mayores (de hasta un poco más del 50%), lo que todavía haría las centrales que funcionan con este combustible menos contaminantes.

Ventajas e inconvenientes[editar]

Ventajas[editar]

Son las centrales más baratas de construir (teniendo en cuenta el precio por megavatio instalado), especialmente las de carbón, debido a la simplicidad (comparativamente hablando) de construcción y la energía generada de forma masiva.[cita requerida]

Las centrales de ciclo combinado de gas natural son mucho más eficientes (alcanzan el 50%) que una termoeléctrica convencional, aumentando la energía eléctrica generada (y por tanto, las ganancias) con la misma cantidad de combustible, y rebajando las emisiones citadas más arriba en un 20%, quedando así en 0,54 kg de CO2, por kWh producido.

La gran cantidad de energía térmica generada (en las más eficientes, al menos el 50% del total de la energía consumida) podría emplearse como energía residual para calefactar (o incluso refrigerar) edificios mediante una red de distribución.

Inconvenientes[editar]

El uso de combustibles genera emisiones de gases de efecto invernadero y, en algunos casos, de lluvia ácida a la atmósfera, junto a partículas volantes (hollines) en las de carbón, si no están bien depurados los humos.

Los combustibles fósiles no son una fuente de energía infinita, por lo tanto su uso está limitado por la disponibilidad de las reservas y/o por su rentabilidad económica.

Afectan negativamente a los ecosistemas fluviales cuando la refrigeración se hace mediante el agua del río en cuestión[cita requerida] (lo que no es frecuente, pues es más eficiente hacerla mediante vaporización).

Termoelectricidad

Sección de un termopar o termocupla.

Se denominan fenómenos termoeléctricos o termoelectricidad a tres fenómenos relacionados entre sí por lasrelaciones de Thomson, descubiertas por lord Kelvin:1 el efecto Seebeck, el efecto Peltier y el calor de Thomson.

Cuando dos metales distintos a temperaturas diferentes se ponen en contacto formando una unión bimetálica, entre ambos lados de la unión se genera una fuerza electromotriz. Este fenómeno se denomina efecto Seebeck y es la base del funcionamiento de los termopares, un tipo de termómetro usado en el control del flujo de gas en dispositivos domésticos como cocinas, calefactores y calentadores de agua corriente.

Cuando se hace circular una corriente a través de una unión bimetálica, para mantener constante la temperatura de la unión hay que entregar o extraer calor, según sea el sentido de circulación. Este fenómeno, llamado efecto Peltier, tiene aplicación práctica en dispositivos de refrigeración pequeños, teniendo la ventaja, a diferencia de los refrigeradoresbasados en la compresión y descompresión de gases, de no tener partes móviles que se desgasten.

Es menos conocido el fenómeno denominado calor de Thomson, descubierto por William Thomson, lord Kelvin. Cuando fluye una corriente a través de un conductor homogéneo de sección transversal constante donde se ha establecido un gradiente de temperatura, para mantener invariable la distribución de temperatura hay que entregar o extraer calor del conductor.2

Índice

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1   Aspectos históricos 2   Aplicaciones de la termoelectricidad 3   Principios fundamentales

o 3.1   Breve apunte sobre los coeficientes Seebeck, Peltier y Thomson 3.1.1   Relaciones entre los coeficientes Seebeck, Peltier y Thomson

o 3.2   Principios de la conversión de energía por efecto termoeléctrico o 3.3   Rendimiento de la conversión y parámetros importantes

3.3.1   Cálculo del rendimiento termoeléctrico 3.3.2   Parámetros importantes

o 3.4   Módulos termoeléctricos 3.4.1   Optimización geométrica 3.4.2   Módulos segmentados

4   Materiales termoeléctricos o 4.1   Aplicaciones a bajas temperaturas o 4.2   Aplicaciones a temperatura ambiente o 4.3   Aplicaciones a temperaturas intermedias

o 4.4   Aplicaciones a altas temperaturas 5   Optimización de materiales termoeléctricos 6   Vías de investigación 7   Véase también 8   Notas y referencias 9   Bibliografía 10   Enlaces externos

Aspectos históricos[editar]

El primer efecto termoeléctrico fue descubierto por el físico alemán Thomas Johann Seebeck en 1821. Seebeck se dio cuenta de que una aguja metálica es desviada cuando se le sitúa entre dos conductores de materiales distintos unidos por uno de sus extremos y sometidos a una diferencia de temperatura (véaseEfecto Seebeck). Este efecto es de origen eléctrico, ya que al unir dos materiales distintos y someterlos a una diferencia de temperatura aparece una diferencia de potencial. La principal aplicación práctica del efecto Seebeck es la medida de temperatura mediante termopares.3 4

Unos años más tarde, en 1834, el físico francés Jean-Charles Peltier descubrió el segundo efecto termoeléctrico: en la unión de dos materiales diferentes sometidos a una corriente eléctrica aparece una diferencia de temperaturas (véase Efecto Peltier).

El físico inglés William Thomson (lord Kelvin) demuestra en 1851 que los efectos Seebeck y Peltier están relacionados: un material sometido a un gradiente de temperatura y recorrido por una corriente eléctrica intercambia calor con el medio exterior. Recíprocamente, un material sometido a un gradiente de temperatura y recorrido por un flujo de calor genera una corriente eléctrica. La diferencia fundamental entre los efectos Seebeck y Peltier considerados por separado y el efecto Thomson es la existencia de este último en un único material, sin necesidad de que exista una unión entre materiales distintos (véase Efecto Thomson).

Aplicaciones de la termoelectricidad[editar]

Las aplicaciones actuales y potenciales son los materiales termoeléctricos se basan en dos aspectos del efecto Thomson:

Por un lado, el establecimiento de un flujo de calor, opuesto a la difusión térmica, cuando un material sometido a un gradiente de temperatura es atravesado por una corriente eléctrica, permite pensar en aplicaciones de refrigeración termoeléctrica. Esta solución alternativa a la refrigeración clásica que utiliza ciclos de compresión-expansión no necesita de partes móviles, lo que incrementa su fiabilidad y elimina los ruidos y vibraciones. Estas propiedades son fundamentales en aplicaciones en las que la temperatura debe ser regulada de forma muy precisa y fiable, como por ejemplo en los contenedores empleados en el transporte de órganos para trasplantes o en aquellas en las que las vibraciones son un inconveniente grave, como por ejemplo: los sistemas de guía que emplean láser, o loscircuitos integrados. Además, la posibilidad de crear un flujo térmico a partir de una corriente eléctrica de manera directa hace innecesario el empleo de gases como el freón, que resultan perjudiciales para la capa de ozono.

Por otra parte, la posibilidad de convertir un flujo de calor en corriente eléctrica permite aplicaciones de generación eléctrica mediante efecto termoeléctrico, sobre todo a partir de fuentes de calor residual como los tubos de escape de los automóviles, las chimeneas de los incineradores, los circuitos de refrigeración de las centrales nucleares. El uso de esta tecnología supondría en estos casos una mejora en el rendimiento energético del sistema completo de manera «limpia». El calor residual es aprovechado para obtener un mayor

aprovechamiento de la energía. Por ejemplo: el empleo de la termoelectricidad en los automóviles permitiría suplir parcialmente el trabajo del alternador, reduciendo así aproximadamente en un 10% el consumo de combustible.5

Además, la gran fiabilidad y durabilidad de estos sistemas (gracias a la ausencia de partes móviles) ha motivado su empleo en la alimentación eléctrica de sondas espaciales, como ocurre en la sonda espacial Voyager, lanzada al espacio en 1977. En ella el flujo de calor establecido entre el material fisible PuO2 (el PuO2 esradiactivo y se desintegra, constituyendo entonces una fuente de calor) y el exterior atraviesa un sistema de conversión termoeléctrica a base de SiGe (un termopar de silicio y germanio), permitiendo de esta manera la alimentación eléctrica de la sonda (las sondas espaciales no pueden alimentarse mediante paneles solaresmás allá de Marte, ya que el flujo solar es demasiado débil). Véase el artículo Generador termoeléctrico de radioisótopos.

Como se verá a continuación, los sistemas de conversión que utilizan el efecto termoeléctrico tienen un rendimiento muy pequeño, ya sea generando electricidad o funcionando como refrigeradores. De momento sus aplicaciones están limitadas a sectores comerciales en los que la fiabilidad y la durabilidad son más importantes que el precio, como puedan ser productos generados por electrosoldadura como las rejillas electrosoldadas utilizadas en suelos de plataformas petrolíferas o en industria. Sin embargo la termoelectricidad fue utilizada extensamente en las partes alejadas de la Unión Soviética durante la década de 1920 para accionar radios. El equipo utilizaba barras de bimetal, un extremo de las cuales se insertaba en la chimenea para conseguir calor, y el otro extremo se ponía en el exterior, en el frío.

Principios fundamentales[editar]

La conversión de energía por efecto termoeléctrico (en el sentido calor → electricidad o electricidad → calor) se basa a su vez en los efectos Seebeck, Peltier yThomson.

Breve apunte sobre los coeficientes Seebeck, Peltier y Thomson[editar]Artículos principales: Efecto Seebeck, Efecto Peltier y Efecto Thomson.

Coeficiente Seebeck. Una diferencia de temperatura dT entre las uniones de dos materiales distintos a y b implica una diferencia de potencial eléctrico dV, según la ecuación:

El coeficiente Seebeck, llamado también «poder termoeléctrico», se mide en V.K-1 (o más frecuentemente en µV.K-1 dado los valores de este coeficiente en los materiales más usuales). Los coeficientes Seebeck de ambos materiales por separado se relacionan con el coeficiente Seebeck del par según:

Coeficiente Peltier. En el caso del efecto Peltier, una corriente eléctrica I recorre un circuito formado por los dos materiales, lo que conlleva una liberación decalor Q en uno de los materiales y una absorción en el otro, según la ecuación:

Coeficiente Thomson. Al contrario que los coeficientes Seebeck y Peltier, el de Thomson puede definirse directamente para un único material. Cuando existen simultáneamente un gradiente de temperatura y una corriente eléctrica hay una generación o absorción de calor en cada segmento del material considerado individualmente. El gradiente del flujo térmico en el seno del material viene dado por:

donde x es la coordenada espacial y τ es el coeficiente Thomson del material.

Relaciones entre los coeficientes Seebeck, Peltier y Thomson[editar]

Kelvin demostró que los tres coeficientes Seebeck, Peltier y Thomson no eran independientes entre sí, estando relacionados por las ecuaciones:

Principios de la conversión de energía por efecto termoeléctrico[editar]

Para la refrigeración o la generación de electricidad por efecto termoeléctrico, un "módulo" está constituido por "pares" conectados eléctricamente. Cada uno de estos pares está formado por un material semiconductor de tipo P (S>0) y de un material tipo N (S<0). Ambos materiales están unidos por un material conductor cuyo poder termoeléctrico se supone que es nulo. Las dos ramas (P y N) del par y todas las de los otros pares que componen el módulo se conectan eléctricamente en serie, y en paralelo desde el punto de vista térmico (véase el esquema de la derecha). Esta disposición permite optimizar el flujo térmico que atraviesa el módulo y su resistencia eléctrica. Para simplificar, todo el desarrollo que sigue se realizará para un único par, formado por materiales de sección constante.

La figura de la derecha presenta el esquema básico de un par P-N utilizado para la refrigeración termoeléctrica.

La corriente eléctrica es impuesta de tal manera que los portadores de carga eléctrica (electrones y huecos) se desplazan de la fuente fría a la caliente (en el sentido termodinámico) en las ramas del par. Al hacerlo contribuyen a una transferencia de entropía de la fuente fría a la caliente, y por tanto a un flujo térmico que se opone al de la conducción térmica.

Si los materiales utilizados tienen buenas propiedades termoeléctricas (se verá a continuación cuáles son los parámetros más importantes), este flujo térmico creado por el movimiento de los portadores de carga será más importante que el debido a la conductividad térmica, lo cual permitirá evacuar el calor de la fuente fría hacia la caliente, actuando como un refrigerador.

En el caso de la generación de electricidad, es el flujo de calor el que implica un desplazamiento de los portadores de carga y por lo tanto, la aparición de una corriente eléctrica.

Rendimiento de la conversión y parámetros importantes[editar]

Cálculo del rendimiento termoeléctrico[editar]

El cálculo del rendimiento de la conversión que realiza un sistema termoeléctrico se efectúa determinando la relación entre el flujo de calor y la corriente eléctrica en el material. Para ello se utilizan las relaciones de Seebeck, Peltier y Thomson (véase más arriba), pero también las leyes de transferencia de calor y de la corriente eléctrica.

El siguiente ejemplo presenta el cálculo del rendimiento de la conversión en el caso de la refrigeración (el caso de generación eléctrica puede realizarse haciendo razonamientos análogos). Retómese el esquema precedente. En cada una de las ramas del par, el flujo de calor generado por el efecto Peltier se opone a la conductividad térmica. El flujo total en las ramas P y N será:

 y 

siendo x la coordenada espacial (ver esquema), λp y λn las conductividades térmicas de los materiales y Ap y An sus secciones.

El calor se extrae de la fuente de frío con un flujo Qf:

<

Al mismo tiempo, la corriente que recorre las dos ramas es inicialmente el resultado del calor por efecto Joule I2ρ/A por unidad de longitud de las ramas. Utilizando la ecuación de Domenicali6 y suponiendo que el coeficiente Thomson es nulo (esto hace suponer que S es independiente de la temperatura, ver la relación de Thomson), la conservación de la energía en el sistema se escribe en las dos ramas:

 y 

Considerando las condiciones en los límites, T=Tf en x=0 y T=Tc en x=Lp o x=Ln con Lp y Ln las longitudes de las ramas P y N, Tf y Tc las temperaturas son las de las fuentes de frío y calor, Qf se escribe:

con K y R las conductividad térmica y la resistencia eléctrica totales de cada una de las ramas del par.

 y 

La potencia eléctrica W disipada en el par debida al efecto Joule y al efecto Seebeck es:

El rendimiento del sistema termoeléctrico de refrigeración corresponde al cociente entre el calor extraído de la fuente fría y la potencia eléctrica disipada, es decir:

Para una ΔT dada, el rendimiento depende de la corriente eléctrica que circula. Dos valores particulares de corriente permiten maximizar bien el rendimiento de la conversión η o el calor extraído de la fuente fría Q_f.

Por un razonamiento similar, el rendimiento de un par P-N usado para generar electricidad vendrá dado por la potencia eléctrica útil consumida por una resistencia de carga R con un flujo térmico atravesando el material:

En este caso también existen dos valores particulares de I que maximizan el rendimiento de la conversión o bien la potencia eléctrica entregada por el sistema.

Parámetros importantes[editar]

Maximizando estos dos rendimientos de conversión, se puede demostrar que dependen únicamente de las temperaturas Tf y Tc y de un número adimensional (sin unidades) ZpnTM llamado "factor de mérito" (TM es la temperatura media del sistema, TM=(Tf+Tc)/2) cuya expresión es:

Hay que remarcar que para un par termoeléctrico cualquiera, el valor de Zpn no es una propiedad intrínseca del material, sino que depende de las dimensiones relativas del módulo, dada la relación existente entre las dimensiones y R y K (resistencia eléctrica y la conductividad térmica). El rendimiento de conversión del sistema (funcionando como generador eléctrico o como dispositivo de refrigeración) es máximo cuando Zpn es máximo, es decir, cuando el producto RK es mínimo, lo que sucede cuando:

En este caso, el factor de mérito Zpn se convierte en una función exclusiva de los parámetros intrínsecos de los materiales:

Así, para conseguir un óptimo rendimiento de la conversión conviene elegir los materiales que forman el par de forma que se maximice Zpn. Como regla general, esto no se limita simplemente a optimizar los factores de mérito individuales de cada material que forma el par Z=S2/(ρλ). En la mayoría de temperaturas utilizadas en la práctica, y sobre todo en aquellas empleadas para la generación de electricidad, las propiedades termoeléctricas de los mejores materiales de tipo P y N son similares. En estos casos, el factor de mérito del par es próximo al valor medio de los factores de mérito individuales, y es razonable el optimizar los factores de mérito de cada uno de los materiales de forma independiente.

La optimización de los materiales para su empleo en la conversión de energía mediante efecto termoeléctrico pasa pues necesariamente por la optimización de sus propiedades de conducción eléctrica y térmica, de manera que se maximice el factor de mérito:

Así pues, un buen material termoeléctrico poseerá simultáneamente un coeficiente Seebeck elevado, una buena conductividad eléctrica, y una reducidaconductividad térmica.

Evolución del rendimiento de conversión en función del factor de mérito.

La figura de al lado muestra la evolución del rendimiento de conversión de un sistema termoeléctrico en las condiciones ideales en función del factor de mérito ZT. Por ejemplo, si ZT=1 y la diferencia de temperatura es de 300 °C, el rendimiento de conversión será del 8%, lo que significa que según el caso considerado (generación de electricidad o refrigeración) que el 8% del calor que atraviesa el material será convertido en electricidad, o bien que el calor extraído por el elemento refrigerador corresponderá al 8% de la potencia eléctrica empleada.

Módulos termoeléctricos[editar]

Optimización geométrica[editar]

Se ha visto que las propiedades de conversión del par de materiales termoeléctricos que constituyen un módulo no son exclusivamente intrínsecas, también dependen de la geometría del sistema (longitud y sección de las ramas del módulo) que influye a su vez en la resistencia eléctrica R y la conductividad térmica K de las ramas. En efecto, resulta necesario que K sea lo bastante reducida para que un gradiente térmico pueda mantenerse, pero también debe ser del valor suficiente como para que el calor pueda recorrer el módulo: si K es nulo, ningún calor recorrerá el módulo y entonces no hay conversión. Del mismo modo, R debe elegirse de manera que se alcance el mejor compromiso posible entre la potencia eléctrica y la diferencia de potencial eléctrica. Una vez elegidos los materiales que forman el módulo (gracias al factor de mérito ZT), es necesario optimizar la geometría del sistema para poder conseguir el rendimiento de la conversión, la potencia eléctrica o la mayor extracción de calor posible en función de la aplicación del módulo.

Módulos segmentados[editar]

En general, los materiales empleados en la fabricación de módulos de conversión termoeléctrica sólo son eficaces en un determinado rango de temperaturas. Así, por ejemplo, la aleación SiGe usada para alimentar la sonda Voyager sólo es eficaz a temperaturas superiores a los 1000K aproximadamente. En aplicaciones en las que el rango de temperaturas de trabajo es muy grande, resulta interesante usar varios materiales termoeléctricos en cada rama, cada uno de ellos con un intervalo de temperaturas en el que se maximiza su rendimiento. En estos casos se dice que el módulo termoeléctrico está segmentado.

La figura de al lado ilustra el concepto de módulo termoeléctrico segmentado. En este caso se tiene un gradiente de temperatura muy importante (700K de diferencia entre la zona caliente y la fría), y ningún material conocido es eficaz en todo este rango de temperatura. Cada una de las dos ramas del par está entonces formada por varios materiales (en el caso representado dos para la rama N y tres para la rama P). La longitud de cada uno de estos materiales se elige de forma que sean utilizados en el rango de temperaturas en el que sean más eficaces. Por lo tanto, un módulo construido de esta manera permitiría lograr un rendimiento de conversión, una potencia eléctrica o una extracción de calor, más elevada que si cada rama estuviera compuesta de un único material. De estaforma, los mejores rendimientos logrados en laboratorio con este tipo de módulos son actualmente próximos al 15% (lo que significa que el 15% del calor que recorre el material es convertido en potencia eléctrica). Sin embargo, los módulo segmentados resultan mucho más caros que los módulos "simples", lo que restringe su empleo a aplicaciones en las que el coste no resulta un factor decisivo a la hora de la elección.

Materiales termoeléctricos[editar]

Aplicaciones a bajas temperaturas[editar]

El material termoeléctrico más comúnmente utilizado a bajas temperaturas (150K-200K), está formado sobre la base de Bi1-xSbx (una aleación de bismuto yantimonio) pero desafortunadamente sólo posee buenas características termoeléctricas para el tipo N (conducción por electrones), lo que reduce el rendimiento de conversión del sistema, puesto que ningún material tipo P es eficaz a estas temperaturas (recuérdese que un sistema de conversión termoeléctrica se compone de ramas tipo P y N). Curiosamente, a pesar de que sus propiedades son relativamente medias (ZT~0,6), la aplicación de un campo magnético permite duplicar el factor de mérito, superando la unidad. Esta propiedad hace que estos materiales se empleen asociados a un imán permanente.7

Aplicaciones a temperatura ambiente[editar]

Actualmente, el material más estudiado es el Bi2Te3 (aleación de bismuto y telurio). Se emplea en dispositivos que funcionan a temperaturas próximas a la ambiente, lo que incluye a la mayoría de los dispositivos de refrigeración termoeléctrica. Las mejores prestaciones se han obtenido con la aleación Sb2Te3 (una aleación compuesta por antimonio y telurio) que posee la misma estructura cristalina.8 Pueden conseguirse tanto muestras de tipo P como N, simplemente por medio de pequeñas variaciones de la composición en las proximidades de la estequiometría. En ambos casos los valores del factor de mérito ZT se aproximan a la unidad 1 a temperaturas cercanas a la

ambiente.9 Estos buenos valores ZT se obtienen en parte gracias a la muy reducidad conductividad térmica λ, que aproximadamente es de 1 W.m-1.K-1 en los mejores materiales.

Aplicaciones a temperaturas intermedias[editar]

Para su empleo a temperaturas medias (entre los 550K y 750K aproximadamente), el material más empleado es el telurio de plomo PbTe y sus aleaciones (PbSn) Te (Sn = estaño). Ambos compuestos, PbTe y SnTe pueden formar una solución sólida completa lo que permite optimizar la banda prohibida del semiconductor al valor deseado. Los mejores materiales obtenidos poseen factores de mérito próximos a la unidad a una temperatura cercana a los 700K.10 Sin embargo, estos valores se obtienen únicamente en materiales de tipo N. Por tanto, actualmente el PbTe no puede constituir por si solo las dos ramas de un termoelemento. La rama P se construye generalmente con un material de tipo TAGS (por sus componentes Telurio-Antimonio-Germanio-Plata), que alcanzan valores de mérito superiores a la unidad a 700K pero exclusivamente para el tipo P.11 Por lo tanto, resulta crucial descubrir un material que pueda emplearse como tipo P y N en esta gama de temperaturas, ya que industrialmente, resulta más fácil emplear el mismo material para las dos ramas, eliminando además la necesidad de emplear Telurio, que es extremadamente tóxico.12

Aplicaciones a altas temperaturas[editar]

Las aleaciones a base de silicio y germanio poseen buenas características termoeléctricas a altas temperaturas (por encima de 1000K) y son utilizadas principalmente para la generación de electricidad en el campo espacial.13 14 De este tipo son las aleaciones utilizadas para la alimentación eléctrica de la sondas espaciales, como es el caso de la Voyager.

Optimización de materiales termoeléctricos[editar]

La expresión del factor de mérito ZT=(S2T)/(ρλ) resume por sí sola la dificultad de optimizar las propiedades de un material termoeléctrico. De forma intuitiva parece difícil que un material posea simultáneamente una buena conductividad eléctrica y una mala conductividad térmica, que es una característica de los materiales aislantes. En el caso ideal, un buen material termoeléctrico debería poseer la conductividad eléctrica de un metal y al mismo tiempo la conductividad térmica de unvidrio!15

Al numerador del factor de mérito ZT, S2σ (σ es la conductividad eléctrica, inversa de la resistividad eléctrica: σ=1/ρ) se le llama factor de potencia. En aplicaciones de generación de electricidad mediante el efecto termoeléctrico, la potencia útil sera tanto más grande cuanto mayor sea el factor de potencia. Por desgracia, el coeficiente Seebeck y la conductividad eléctrica no son independendientes entre sí, y varían de manera contraria con la concentración de los portadores de carga (concentración de electrones o huecos, véase semiconductor): los mejores poderes termoeléctricos se conseguirán con materiales con una pequeña concentración de portadores mientras que las mejores conductividades eléctricas se obtienen con materiales con una fuerte concentración de portadores. La solución de compromiso entre ambos factores implica la utilización de semiconductores como materiales termoeléctricos.

El segundo factor importante en la expresión del factor de mérito ZT (además del factor de potencia) es la conductividad térmica: un material tendrá propiedades termoeléctricas óptimas si posee una débil conductividad térmica. En efecto, de forma intuitiva, una buena conductividad térmica tendería a oponerse al establecimiento del gradiente térmico: el calor atravesaría el material sin dificultad. Así, para optimizar los materiales, el objetivo sería disminuir la conductividad térmica sin degradar la conductividad eléctrica. Sólo la contribución de las vibraciones de la red (véase conductividad térmica) deberá entonces reducirse, no la contribución a la conducción debida a los portadores de carga (electrones y huecos).

Vías de investigación[editar]

En el párrafo precedente se ha visto que en la actualidad, los mejores materiales utilizados en la construcción de dispositivos de conversión termoeléctrica poseenfactores de mérito ZT de valor cercano a 1. Este valor no permite obtener rendimientos de conversión que hagan estos sistemas rentables para aplicaciones destinadas al "gran público". Por ejemplo, harían falta materiales con un ZT=3 para poder desarrollar un refrigerador doméstico competitivo. En el caso de sistemas de generación de electricidad (que podrían utilizarse, por ejemplo, en los tubos de escape de coches o camiones, o sobre microprocesadores, es posible aumentar la rentabilidad de los sistemas de dos formas: incrementando significativamente sus rendimientos (consiguiendo por ejemplo un ZT>2), o bien reduciendo sus costes de producción. Resumiendo, el objetivo de este párrafo es exclusivamente presentar de una forma no exhaustiva las vías de investigación abiertas en la actualidad, tanto en laboratorios industriales como públicos.

Véase también[editar]

Para una mejor comprensión de este artículo, es interesante leer los conceptos desarrollados en:

Efecto Peltier-Seebeck Efecto Thomson Efecto termoeléctrico

En Bolivia existen doce empresas con 106 unidades de generación eléctrica, entre hidroeléctricas y termoeléctricas, distribuidas en siete de los nueve departamentos del país, según los datos oficiales registrados hasta 2012.

La potencia instalada por tipo de generación en el Sistema Interconectado Nacional (SIN) corresponde en 69,84% a las unidades termoeléctricas y 30,16% a las hidroeléctricas, señala el Anuario Estadístico 2012 de la Autoridad de Fiscalización y Control Social de Electricidad (AE).

Las centrales eléctricas que conecta el SIN en Bolivia están en La Paz, Cochabamba, Santa Cruz, Chuquisaca, Potosí, Oruro y Beni.

En este marco, la empresa Cobee opera con 30 unidades hidroeléctricas y dos termoeléctricas ubicadas en El Alto, en la zona El Kenko.

La empresa Corani cuenta con nueve unidades en el departamento de Cochabamba.

La Empresa Eléctrica Guaracachi opera 24 unidades termoeléctricas distribuidas en cinco centrales, las cuales están instaladas en Santa Cruz, Sucre y Potosí.

Asimismo, la Empresa Eléctrica Valle Hermoso tiene 12 unidades termoeléctricas, 3 en la central Carrasco, 8 en Valle Hermoso y una en El Alto.

Por su parte, la empresa Río Eléctrico SA (Eresa) opera 7 unidades hidroeléctricas, todas ubicadas en los márgenes del río Yura, Potosí.

La Sociedad Industrial Energética y Comercial Andina SA (Synergia) opera la Central Kanata con una unidad hidroeléctrica, ubicada en Cochabamba, en la vertiente sur de la cordillera del Tunari.

La Compañía Eléctrica Central Bulo Bulo (CECBB) tiene dos unidades termoeléctricas también en Cochabamba.

Según el informe, desde 2007, la firma Guabirá Energía SA (GBE) cuenta con una unidad de generación termoeléctrica, siendo la primera empresa en el SIN que utiliza bagazo (residuos de caña de azúcar) como combustible.

La empresa Servicios de Desarrollo de Bolivia SA (SDB) opera la Central Hidroeléctrica Quehata con dos unidades de generación en Cochabamba.

Por su parte, la Empresa Nacional de Electricidad (ENDE) tiene 8 unidades, y ENDE Andina 4 unidades de generación termoeléctrica.

La Hidroeléctrica Boliviana (HB) posee 4 unidades, dos de las cuales son las hidroeléctricas más grandes del país, una de 38,4 megavatios (MW) y la otra de 51,1 MW.

475 MW es la potencia efectiva de las unidades generadoras del sector hidroeléctrico, según datos a 2012.

980,6 MW es la potencia efectiva de las plantas termoeléctricas, con un aporte del 69,8% al Sistema Nacional.

Centrales Térmicas de Gas

Las Centrales Térmicas de Gas son tanto plantas de ciclo simple, usando como combustible unicamente gas natural, como combinado, usando el ciclo de la turbina de gas junto con una unidad de combustión de carbón.  En la mayoría de los casos, las plantas de combustión de gas, operan en un ciclo combinado usando una turbina de gas y vapor para generar electricidad. Por lo tanto, muchas aplicaciones son similares a las de las plantas de combustión de carbón, ej. circuitos de refrigeración, bombas de refrigeración y turbinas de vapor.

Las Aplicaciones en las turbinas de gas, los conductos de gas, las tomas de aire o las conducciones de emanación de proceso, etc. requieren diferentes soluciones de mantenimiento. Henkel ofrece productos diseñados para resolver estas necesidades.

Número

Equipamiento Reto Solución Loctite

1 Tanque de agua de alimentación

La protección contra la corrosión de los tanques de agua de alimentación y la reparación de la superficie interior de los tanques corroidos.

Después de la preparación superficial por limpieza con chorro de arena, recubrir completamente la superficie interior con LOCTITE PC   7255 Cerámico Pulverizablepara obtener un recubrimiento protector de la superficie interior del tanque.

También la protección exterior de las superficies de las tuberías de agua

Recubrir la superficie exterior de las tuberías de agua con LOCTITE PC   7255 Pulverizable o LOCTITE 7227  / 7228 Cerámico Aplicable a Brocha (Gris/Blanco).

Maquinaria pesada  / eje y ensamblajes

Prevenir la pérdida y la corrosión de las fijaciones de las cajas de rodamientos para asegurar la fiabilidad de los componentes montados.

Aplicar LOCTITE 2701 Fijador de Tornillería de Alta Resistencia en las fijaciones de las cajas de rodamientos y asegurar el montaje.

2 / 3 Bombas de agua de refrigeración

Prevenir fallos en las juntas de la carcasa de la bomba y sus componentes.

Sellar todas las bridas de las carcasas de las bombas con LOCTITE 518 Sellador de Juntas para evitar cualquier fuga. Por favor, consultar también en los manuales específicos de bombas para localizar un gran número de soluciones que Henkel ofrece para reparar y mantener las bombas.

Bancadas y cimentación

Reparar las grietas, erosionado y desconchado de las bancadas de maquinaria como bombas o reductoras. Proporcionar un recubrimiento Resistente al Ataque químico en el hormigón de las bancadas y evitar fugas por la cimentación.

Reparar cualquier grieta o daño en pequeñas zonas de la bancada con LOCTITE 7257 Magna Crete. Para daños en zonas grandes o si se precisa una superficie de hormigón suave y con alta reistencia química, usar LOCTITE 7204 High Performance Quartz.

4 Tuberías de gas, racores y estaciones de reducción de presión

Prevenir fugas en las unionesroscadas de los conductos de gas.

Sellar todas las uniones roscadas con LOCTITE 577 Sellador de Roscas. El producto tiene la homologación para gas  DVGW (NG-5146AR0621) y está testado por EN 751-1. Usar para 3“ de tamaño de rosca. Si se aplica a una temperatura inferior a 5  °C, LOCTITE 577 cura en combinación con el Activador LOCTITE 7649. Recomendado para presiones de hasta 7 bar.

Detectar fugas en sistemas manuales de gas.

Usar LOCTITE 7100 Detector de Fugas, es un aerosol de fácil uso que permite detectar fugas en todos los sistemas presurizados de gas, aire

comprimido, helio, nitrógeno, etc. al igual que con hierro, cobre o tuberías de plástico.

Eliminar el óxido, corrosión y agarrotamiento de las piezas.

Usar LOCTITE 7840 Aflojador Efecto Hielo, en componentes y uniones roscadas oxidadas, corroías o gripadas. LOCTITE 7840 Aflojador Efecto Hielo, está formulado en una base mineral especial. El choque térmico producido por el producto enfriará las partes hasta temperaturas de -43  °C, produciendo micro-grietas en la capa de óxido. Esto permite que los componentes lubricantes del producto, penetren directamente en el óxido por capilaridad. Las partes liberadas permanecen lubricadas y protegidas de la corrosión.

Operación

Unidades de generación

La planta cuenta con tres unidades de generación y cada una de ellas está compuesta por una turbina aeroderivada, cuyo combustible es gas natural, la cual acciona un reductor de velocidad por medio de engranajes, y éste mueve finalmente un generador eléctrico.

Para lograr una operación las unidades cuentan con sistemas auxiliares que garantizan arranques y paradas controladas, así como lubricación en todos sus cojinetes.

La eficiencia y potencia de las unidades es dependiente de la calidad y temperatura del aire que es succionado (para ventilación, enfriamiento y combustión) así como por la calidad del gas natural que se mezcla con aire y agua desmineralizada para reducir los gases de efecto invernadero que están contenidos en los gases de combustión.

Generación eléctrica

Los dos generadores de cada unidad, producen hasta 45MW y el tercer generador produce hasta 50MW de potencia a una tensión de 11.5kV que son conducidos hasta una subestación elevadora de tensión, de donde sale a 230kV y se transportan por una línea de alta tensión, en tres fases, por 5.5km hasta la subestación Carrasco, que es el nodo donde la energía generada en la Central Bulo Bulo se inyecta al Sistema Interconectado Nacional (SIN).

La operación de la central es dirigida por el Centro Nacional de Despacho de Carga (CNDC) desde la ciudad de Cochabamba, desde donde se supervisa en línea todos los 

parámetros eléctricos como tensión, frecuencia, potencia, etc.

Balance de planta

Los sistemas de balance de planta con que se cuentan son:

Provisión de agua, a partir de pozos profundos que transportan agua cruda hasta un tanque intermedio de transferencia, para finalmente bombear el agua a un tanque de agua cruda dentro la planta.

Enfriamiento de aire, que utiliza en primer lugar un circuito cerrado de agua con bombas, chillers y radiadores, éstos últimos montados en la casa de filtros de las unidades de generación para enfriar el aire de entrada a la turbina, y en segundo lugar un circuito abierto que usa los chillers, torres de enfriamiento y bombas de recirculación.

Tratamiento de agua, donde el agua cruda pasa por un proceso que comprende filtros de arena, filtros de hilo trenzado, ósmosis reversa, de-carbonatación y electro desionización para obtener agua desmineralizada que se inyectará en la cámara de combustión de las turbinas.

Sala de Control, es el lugar desde donde se supervisan y controlan todos los parámetros de funcionamiento de las unidades de generación y de los sistemas de balance de planta.

Bibliografia

http://www.hidrocarburosbolivia.com/noticias-archivadas/491-energia-archivado/energia-01-01-2014-01-07-2014/67766-sector-electrico-boliviano-cuenta-con-106-unidades-generadoras.html

http://www.centralbulobulo.com/

https://es.wikipedia.org/wiki/Energ%C3%ADa_termoel%C3%A9ctrica

https://es.wikipedia.org/wiki/Central_termoel%C3%A9ctrica

https://es.wikipedia.org/wiki/Termoelectricidad

http://www.loctite.es/centrales-termicas-de-gas-5027.htm

http://es.slideshare.net/vfrbgtnhymju/central-trmica-de-gas