Generación de energía eléctrica (I): Conceptos termodinámicos

Es mi intención empezar una serie de artículos (todavía no sé cuántos saldrán) sobre la generación de energía eléctrica, explicando desde el punto de vista técnico cómo se obtiene esa energía a través de las distintas fuentes: carbón, gas, uranio, solar, eólica...

Pero para entender cómo se puede obtener energía a partir de determinada técnica, hay que conocer los conceptos físicos y químicos que hay detrás de ella. Por eso hoy os voy a hablar de termodinámica, para empezar.

Los que todavía siguen leyendo y no se han ido corriendo a mirar vídeos de gatos haciendo cosas graciosas: tranquilos, voy a explicar cosas muy sencillas y muy intuitivas; termodinámica para dummies... como yo, vaya.

Vamos a empezar por los ciclos termodinámicos: ¿qué es un ciclo termodinámico?  

Pues no es más que un mecanismo por el cual obtenemos un trabajo a partir de una energía, normalmente calorífica. Sé que en este momento los físicos se estarán tirando de los pelos por haberlo simplificado tanto; pero amigos, decir que un ciclo termodinámico es un camino cerrado entre los dos estados térmicos de un sistema no es intuitivo, ni sencillo, ni leches.

¿Y cómo obtenemos ese trabajo? Pues depende de cómo sea el ciclo, pero básicamente tenemos un foco frío al que tenemos que imprimir una energía (un trabajo) para llegar a tener un foco caliente, con una energía mayor, del que vamos a extraer otro trabajo.

Pero antes de meterme en jardines de explicaciones de los que no pueda salir, lo explicaré con ejemplos reales.

El ciclo termodinámico más sencillo es el de Carnot:

una máquina absorbe un calor Q₁ de una fuente de energía para ceder otro calor Q₂ a un foco frío, produciendo así un trabajo.

Este ciclo tiene cuatro etapas:

• una primera de compresión adiabática (sin transferencia de calor), el gas se comprime aumentando de temperatura. Pero el aumento de temperatura no se produce por transferencia de calor, sino por el trabajo de compresión (por ejemplo, el trabajo que hace una bomba).
• En la segunda se produce una expansión isoterma, el gas se expande manteniendo la temperatura constante. Para mantener la temperatura constante mientras el gas se expande, éste absorbe calor del medio (por ejemplo, una caldera en la que se quema un combustible y éste cede su calor al gas).
• En la tercera el gas se expande adiabáticamente (otra vez sin transferencia de calor), y en este caso sí se enfría, hasta alcanzar la temperatura que tenía al comienzo de la primera etapa. Como no hay transferencia de calor, lo que se produce es un trabajo (por ejemplo, la expansión de un gas en una turbina).
• La cuarta y última etapa consiste en una compresión isoterma, para cerrar el ciclo. El gas se comprime conservando la temperatura, por lo que sí habrá transferencia de calor (por ejemplo, el vapor que se condensa en la tapa de una olla al cocinar).

Una vez que se han aclarado estos conceptos, podremos entender mejor los procedimientos por los cuales se obtiene energía eléctrica en una central térmica, por ejemplo.

En el caso de una central térmica convencional, el mecanismo por el cual obtenemos el trabajo necesario para que la turbina se mueva y con ella el generador eléctrico acoplado al eje, es el ciclo de Rankine, o ciclo de vapor, que no es más que un ciclo de Carnot mejorado (ya que el ciclo de Carnot es teórico y solo es válido cuando el fluido es un gas ideal): se calienta una masa de agua en una caldera hasta obtener vapor, este vapor se comprime y se sigue calentando hasta que tiene las condiciones óptimas de presión y temperatura, momento en el cual se conduce a la turbina, donde se expande y le imprime una energía, que hará que gire el eje y el alternador genere la energía eléctrica.

En el caso de las centrales de gas natural, el ciclo termodinámico que se utiliza es el de Brayton: se comprime una masa de aire que se inyecta en una cámara de combustión, los gases de combustión (aire y combustible oxidado) se expanden en una turbina de gas, que mueve el alternador, etc.

En centrales de ciclo combinado tendremos una turbina de gas y otra de vapor, ambas acopladas al alternador.

Y ahora que me odiáis profundamente por haberos metido este rollo infumable, es cuando os digo que tranquilos, el próximo post de la serie será más práctico. Empezaré explicando cómo funciona una central térmica convencional (o una central térmica de carbón, como prefiráis).

Y completamente off-topic, quiero hacerme un poco de autobombo. Hoy mismo empiezo a colaborar en Escéptica.org, un portal sobre escepticismo, ciencia y feminismo en español, de la red Skepchick. Os recomiendo dar una vuelta por allí, y no solo porque me han dejado participar a mí, sino porque la calidad es realmente buena.