¿Existen alternativas al vapor en las centrales térmicas?

Question

Una central térmica es una central en la que la energía térmica se transforma en energía eléctrica. En la mayor parte del mundo, el motor principal es de vapor. El agua se calienta, se convierte en vapor y hace girar una turbina de vapor que acciona un generador eléctrico".

¿Por qué se elige el H2O? ¿No debería utilizarse un líquido con un punto de ebullición más bajo?

Además, ¿por qué no se pueden utilizar las siguientes configuraciones? ¿Han sido todas debidamente consideradas?

1) Líquido expansivo: En esta configuración, un líquido elegido se calienta, se expande y se utiliza para empujar pistones, sin llegar a hervir. Como un líquido es difícilmente compresible, ¿no debería la expansión generar una presión tremenda? Además, no hay calor latente.

2) Expansión de un sólido vacío en un líquido: En esta configuración, un sólido vacío especialmente elaborado se calienta en un líquido para dar lugar a un gran aumento de volumen. A continuación, el líquido empuja un pistón.

3) Fuertes tiras bimetálicas equilibradas: En esta configuración, se utilizan tres conjuntos de tiras/varillas bimetálicas para empujar un pistón cuando se enfría (y se doblan cuando se calienta).

4) Expansión del hielo: En esta configuración, el H2O congelado en regiones frías, naturales o artificiales, se expande alrededor de un 9% y se utiliza para empujar pistones.

Answer 1

Líquido en expansión: la expansión por unidad de energía es ínfima comparada con la expansión en la transición de fase de líquido a gas.

Sólido en expansión: aún peor que líquido en expansión

Tiras bimetálicas: muy poca capacidad de transferencia de energía y largo ciclo de enfriamiento.

Hielo: véase "sólido en expansión" más arriba.

La siguiente mejor opción tras la conversión de (cualquier) líquido en gas es la expansión gaseosa directa, como se hace en los motores de combustión interna; esta última es mucho menos eficiente.

En cuanto a la elección del agua: es fácil de conseguir, relativamente no tóxico y hierve a una temperatura razonable: no muy caliente, pero no tan baja como para hervir, por ejemplo, a temperatura ambiente.

Answer 2

Por lo general, las centrales de gas modernas utilizan ciclos combinados y se prevé que alcancen más de a 61 % de eficiencia térmica que es, a mi entender, el más alto de cualquier tecnología contemporánea. La primera etapa se basa en la expansión térmica de los gases, similar a la de un motor a reacción; la segunda etapa, que funciona a menor temperatura, es el clásico ciclo de vapor. Así que la respuesta es sí .

Wikipedia también enumera tecnologías alternativas a la turbina de gas en la primera etapa: "Otros ciclos combinados de éxito histórico han utilizado ciclos calientes con turbinas de vapor de mercurio, generadores magnetohidrodinámicos o pilas de combustible de carbonato fundido, con centrales de vapor para el ciclo de "fondo" de baja temperatura."

Answer 3

Un líquido con un punto de ebullición más bajo sería mejor, sin embargo el punto de ebullición todavía tiene que estar por encima de la temperatura ambiente, y simplemente no hay líquidos disponibles con su punto de ebullición a una temperatura mejor y sin otras desventajas.

Los líquidos con punto de ebullición a baja temperatura se utilizan en la generación de energía térmica cuando la alta temperatura es inferior a la de las centrales térmicas de gas o carbón, por ejemplo, las centrales geotérmicas o solares. Aquí se suele utilizar un líquido de hidrocarburo, y esta tecnología se conoce como ciclo rankine orgánico . Los hidrocarburos son agradables porque se pueden diseñar para que tengan el punto de ebullición que se desee, pero no son adecuados para las centrales eléctricas normales porque empiezan a descomponerse a altas temperaturas.

También se investiga CO supercrítico $_2$ pero, según tengo entendido, no se trata de la eficiencia térmica, sino de otras ventajas como el menor tamaño o las emisiones de CO $_2$ capturar. También se está investigando turbinas de gas inerte pero allí la principal aplicación son las centrales nucleares.

En cuanto a tus otras configuraciones, pareces pensar que es preferible una relación de expansión más baja. No es así, cuanto más alta, mejor. El agua hirviendo tiene un coeficiente de dilatación de aproximadamente 1000, o 100000%, así que intenta superarlo. El vapor también puede alcanzar la presión que quieras, pero los límites de presión los dictan los materiales de construcción, no el medio de trabajo.