Turbinas de gas SIEMENS

La turbina de gas más grande del mundo, con una potencia de 340 MW, se construyó en noviembre de 2007. En combinación con una turbina de vapor proporcionarán a una nueva central de ciclo combinado un récord de eficiencia de más del 60%, cuando entre en funcionamiento en 2011.

Los habitantes de Irsching en Baviera se asombraron al paso del remolque de gran tamaño que transportaba la nueva turbina para la central de ciclo combinado de la ciudad. La turbina mide 13 m de longitud, cinco metros de altura, y pesa 444 toneladas. Para realizar este transporte se hubo de reformar un puente a la entrada de la ciudad.

La turbina viajó 1.500 kilometros para llegar a Irsching, inicialmente por el agua del río Havel, varios canales, el Rin y el Main. A continuación, recorrió el canal Main-Danubio hasta Kelheim, en donde fue cargada en un camión para recorrer los 40 Km finales. Esta odisea se llevó a cabo debido a que la única manera de probar a fondo este tipo de grandes turbinas es ponerlas en funcionamiento en una central energética. Según Hans-Otto Rohwer, director del proyecto PG en Irsching, fue una coincidencia que la empresa de energía EON tuviera la intención de ampliar la central eléctrica de Irsching.

En 2007 Siemens también construyó una planta de ciclo combinado en la central de Baviera (bloque 5) de EON Kraftwerke GmbH. La planta, finalizada en 2009, incluye dos pequeñas turbinas de gas y una turbina de vapor. Siemens también construyó un nuevo bloque en la planta 4, para instalar la turbina gigante. La producción de la turbina de 340 MW, que es igual a la de 13 motores de avión Jumbo, es suficiente para suministrar energía a la población de una ciudad del tamaño de Hamburgo. Siemens utiliza la infraestructura existente allí, comprando gas natural de EON-Ruhrgas, y vendiendo la electricidad que produce la planta.

Para probar la turbina en condiciones reales, durante 18 meses, se instalaron 3.000 sensores para registrar todo, desde la temperatura y la presión a la tensión mecánica y la deformación del material. Si un componente era defectuoso, o no, los ordenadores conectados a los sensores avisaban del problema de inmediato, para proceder a eliminar, sustituir o reelaborar el componente. La mayor parte de la tecnología de medición estaba oculta, destacando una sección de 21 remolques de oficinas para las estaciones de medición. Los remolques parecían pequeños al lado de la sala de turbinas, de 30 metros de altura. A pesar de su enorme tamaño, la fachada metálica de la nueva instalación parece ligera y moderna en comparación con tres de las viejas plantas construidas en las décadas de 1960 y 70, con sus torres de hormigón de 200 metros de altura.

En un espacio en el suelo, entre la turbina y el generador, está instalado el sistema de lubricación, para mantener todas las piezas móviles del conjunto del eje lubricado. Sobre una de las paredes se encuentra la unidad de admisión de aire, que trae aire fresco desde el exterior. El equipo de aire acondicionado dispone de filtros y atenuadores de ruido, pudiendo suministrar hasta 800 kg de aire por segundo, cuando la planta opera a plena capacidad, lo que permite renovar el aire dentro de la sala en pocos minutos.

El conjunto de turbina de gas y de vapor tienen una eficiencia de más del 60%, dos puntos porcentuales por encima de la, hasta entonces, planta más eficiente del mundo, la de Mainz-Wiesbaden.

En términos relativos, se quema menos combustible y se produce menos dióxido de carbono que en una central de la misma potencia eléctrica que queme otros combustibles o tenga otras turbinas. La planta de Irsching produce 40.000 toneladas menos de CO² al año que la de Mainz-Wiesbaden. En comparación con el promedio de las centrales de carbón, que tienen una eficiencia del 42%, la nueva central de Irsching emite alrededor de 2,3 millones de toneladas menos de CO² al año, a igualdad de produccción de electricidad.

Turbina Siemens SGT5-8000H.

Después de montar una turbina de gas aun queda mucho trabajo por hacer. El personal técnico ha de probar todos los sistemas para asegurarse de que las tuberías de alimentación de gas son estancas, los cables eléctricos están debidamente aislados y todas las válvulas abren y cierran de forma rápida y fiable. Es similar a una comprobación final antes de una misión espacial y la cuenta atrás se pone en marcha, con el encendido de los motores programado, en el caso de la central de Irsching para mediados de diciembre de 2007.

Siemens tenía una buena razón para decidirse a utilizar una turbina gigante en lugar de dos más pequeñas, como las que EON puso en marcha en la central de al lado. El precio del megavatio (MW) producido y la eficiencia se correlacionan con el tamaño de la turbina, en otras palabras, cuanto más grande es, más económico será, según explica Willibald Fischer, responsable del desarrollo de la familia de turbinas 8000H. El desarrollo de la turbina SGT5-8000H, como la que equipa la central de Irsching costó 550 millones de €.

En 1990, las turbinas de gas más grandes producían 150 MW y, junto con una turbina de vapor de 75 MW, se conseguía una eficiencia del 52%. La turbina de gas de Irsching tiene una potencia de 340 MW, que en combinación con una turbina de vapor de 190 MW aprovechan más del 60% del contenido energético del gas.

Los ingenieros que diseñaron la turbina se enfrentaron a dos desafíos, por una parte el aumento de la cantidad de aire y gases quemados que fluyen a través de la turbina cada segundo y, por otra la elevación de la temperatura de combustión de los gases, lo que hace que la producción de esfuerzo útil aumente más que las pérdidas en el interior de la turbina, aumentando su eficiencia.

Conseguir esto es difícil, cuando los álabes metálicos de la turbina han de trabajar movidos por gases calientes a una temperatura de entre 1.200 y 1.500 ° C . En la práctica, la temperatura máxima a la que se puede exponer la superficie de los álabes es 950 grados, la del rojo vivo, si se aumenta la temperatura el material comienza a perder estabilidad y se oxida. Una solución al problema es proporcionar un recubrimiento cerámico a la superficie de los álabes.

Se consigue reducir la transferencia de calor desde los gases quemados al metal de los álabes aplicando un recubrimiento de protección térmica formado por dos capas: una de 300 micras de espesor (La capa inferior directamente aplicada sobre el metal) y una capa de cerámica fina en la parte superior de esta, que proporciona aislamiento térmico.

Los álabes también se refrigeran de forma activa. Para ello se construyen huecos en su interior por donde circula una corriente de aire frío generado por el compresor. Los álabes en la parte frontal (la parte más caliente de la turbina) también tienen unos finos agujeros, por los que se escapan chorros de aire que fluye a través de los álabes, cubriéndoles con una delgada película aislante de aire, como un escudo protector.

Montaje en la planta de turbinas de gas de Siemens en Berlín.

Los álabes de la turbina están expuestos a enormes fuerzas centrífugas. El extremo de cada álabe está sometido a 10.000 veces la fuerza de la gravedad, que supone que sobre cada centímetro cúbico del material del álabe se ejerce una fuerza similar al peso del cuerpo de una persona adulta.

Los álabes de las turbinas de gas se funden de una aleación de níquel y posteriormente se endurecen, intentando que el material tenga una estructura fibrosa en la dirección en que actua la fuerza centrífuga. En los de la turbina gigante de Irsching se utilizan aleaciones de grano fino, más resistentes a la rotura.

Los ingenieros también han optimizado la forma de los álabes con la ayuda de programas de simulación en 3D, de forma que la distancia entre los álabes y la pared de la turbina sea lo más pequeñao posible. Como consecuencia prácticamente todo los gases pasan a través de los álabes y hacen un trabajo útil.

Una vez finalizado el periodo de prueba de 18 meses, siendo los resultados preliminares satisfactorios, los ingenieros dieron el visto bueno para comercializar el modelo de turbina. Después de completar con éxito todas las pruebas, la turbina fue revisada y desarmada, y todos sus componentes examinados exhaustivamente. Comprobando que todo se encontraba en orden, la unidad se volvió a ensamblar sin los instrumentos de medida.

La turbina de gas más grande del mundo sale a la carretera y llega en un remolque de plataforma a su destino.

Después de las operaciones de revisión, los ingenieros instalaron una turbina de vapor adicional sobre el extremo del eje del generador eléctrico. La turbina utiliza el vapor producido en un intercambiador de calor, mediante los gases quemados que salen de la turbina de gas a 600 °C. Sólo a través de este proceso de ciclo combinado puede aprovecharse el 60% de la energía del gas. Una vez acabada la central con todos sus equipos la inversión ascendió a 450 millones de €.

Con un peso de 444 toneladas, la turbina más grande del mundo está siendo colocada cuidadosamente sobre sus soportes.

Las centrales de ciclo combinado con turbinas de gas, se pueden poner rápidamente en marcha, utilizándose para cubrir las necesidades de los picos de consumo. Pero la central de Irsching tiene un rendimiento muy bueno, como para utilizarse simplemente para cubrir los picos de consumo. Su alta eficiencia hace que sea rentable para su uso en los periodos de carga media en la red eléctrica, a pesar de los precios del gas, ligeramente más altos que los de otros combustibles. La instalación generará electricidad entre 3.000 y 7.000 horas al año.