La necesidad de que la energía del carbón sea más limpia, más eficiente y más económica, está impulsando la evolución a diseños cada vez más avanzados en productos de tecnologías supercríticas (SC), produciendo un incremento de los niveles de exigencia para los fabricantes del sector. El aumento de la competencia en el desarrollo de las tecnologías SC para cumplir las diversas necesidades de los operadores y garantizar mayores beneficios ambientales, ha propiciado la creación de una nueva generación de equipos que están acelerando la implementación de las tecnologías supercríticas. Entre los ejemplos más destacados en el desarrollo de este tipo de tecnologías, se incluye el uso de paredes de calderas más delgadas capaces de reducir el tiempo de su puesta en marcha, turbinas compatibles con calderas SC, mejores diseños de hornos en configuraciones verticales/espirales, así como en diseño de dos pasos.
Dado que las tecnologías para calderas desde 1980 evolucionaron a partir de la subcrítica a la supercrítica, y a su vez a la ultra supercrítica (USC), ha permitido lograr un incremento de la eficiencia de las plantas de energía con el paso del tiempo. La diferencia básica entre la SC y la tecnología subcrítica convencional se encuentra en las condiciones de vapor/presión. Concretamente, las unidades SC y USC de carbón pulverizado (CP) operan a mayores temperaturas y presiones, a fin de lograr una eficiencia superior y producir menos emisiones de CO2.
De acuerdo con el Instituto Mundial del Carbón, las nuevas unidades accionadas por CP que incorporan estas tecnologías alcanzan mayores eficiencias operativas que las unidades convencionales. En el caso de las SC y USC, las condiciones de vapor del agua en la caldera es sometido a tan altas temperaturas y presiones que se genera una distinción clara entre su fase líquida y gaseosa.
En la tecnología SC, el agua alcanza una presión de más de 221 bar (370ºC de temperatura de saturación). A una presión de trabajo de hasta 190 bar el ciclo se conoce como subcrítico, indicando una mezcla no homogénea de agua y vapor en la sección del evaporador de la caldera. Otros términos como supercrítica avanzada y ultra supercrítica significan nuevos aumentos de las condiciones de vapor/presión para mejorar la eficiencia general. Concretamente, la supercrítica avanzada opera por encima del punto crítico del agua/vapor (250 bar), mientras que la ultra supercrítica funciona a presiones superiores de los 290 bar.
El incremento de la eficiencia del ciclo de la turbina de vapor es evaluada a través de los aumentos en la presión de vapor y temperatura. Las mejoras drásticas en el rendimiento de la planta de energía se puede lograr mediante el aumento de las condiciones de admisión de vapor, desde el convencional ciclo de un solo recalentamiento de 165 bar / 538°C a niveles de hasta 310 bar en temperaturas de más de 600°C.
Los avances más recientes en la tecnología de caldera se han realizado a través de mejoras en la expansión de la eficiencia mediante la reducción de las pérdidas aerodinámicas y de fugas, logrado gracias a un avance evolutivo enfocado hacia una mayor densidad de potencia y eficiencia. Para obtener una alta densidad de potencia se necesitó desarrollar nuevas aleaciones de rotor y cubo, junto con mejoras en el diseño y análisis de dispositivos acoplados en las paletas. Esto se ha traducido en un aumento de las tensiones admisibles, lo que permite la construcción de largos cubos para incrementar el área de escape.
Los últimos avances en la tecnología SC para mejorar la expansión de la eficiencia, se han logrado mediante la implementación de nuevos desarrollos tales como:
– Mejora en la densidad de energía de las turbinas de vapor, como el aumento del número de etapas, la disminución del diámetro interior del anillo y optimización de los niveles de la etapa de reacción.
– Mejoras en los elementos de diseño mecánico, incluyendo el sellado avanzado, cubierta integral y avanzados programas de enfriamiento.
– Mejora en el diseño de presión alta, media y baja.
– Avanzado diseño de baja presión con pala de 45 pulgadas.
Mientras que el nivel de eficiencia global de una planta de carbón promedia es actualmente del 28%, las plantas de energía de última generación de tipo SC pueden alcanzar una eficiencia superior al 45%. También requieren de menos carbón, por lo que además reduce las emisiones y los costes de combustible. Como resultado, la tecnología supercrítica se ha convertido en la mejor opción para las nuevas plantas en los países industrializados.
Empresas de todo el mundo han llevado a cabo diversas iniciativas conjuntas con el fin de aumentar aún más el uso de las tecnologías SC en el mercado de la energía. En los próximos años, las adiciones en la capacidad de generación eléctrica, sobre todo en la región del Asia-Pacífico, se espera que sean muy dependientes de las plantas de carbón, a pesar de las políticas gubernamentales orientadas más al uso de fuentes renovables.
Particularmente, en países como India y China, donde se genera la mayor parte de la energía mundial a partir del carbón, los gobiernos y las compañías eléctricas están centrando más sus planes en las tecnologías supercríticas para reducir las emisiones y mejorar la eficiencia global, al tiempo que proporciona energía más segura y más económica.
