la central termoeléctrica

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Nº 34 – ENERO 2012
ISSN 1989-1520
Depósito Legal: SE 7617-2010
LA CENTRAL TERMOELÉCTRICA
AUTOR: ANTONIO ELÍAS JURADO PEREA
DNI: 44.253.518T
ESPECIALIDAD: TECNOLOGÍA
En una central hidroeléctrica, la producción de energía eléctrica se puede realizar a
partir de la combustión de carbón, fuel-oil o gas natural, etc., en el interior de una
caldera. Generalmente,
este tipo de instalaciones se denominan centrales
termoeléctricas convencionales, para diferenciarlas de otras centrales termoeléctricas
que, como las nucleares o las solares, generan electricidad también a través de un
ciclo termodinámico, pero utilizando fuentes de energía diferentes de los combustibles
fósiles y recurriendo a una tecnología muy avanzada, mucho más reciente que la
aplicada en las centrales termoeléctricas convencionales.
Componentes principales de una central térmica convencional:
Caldera: en este espacio el agua se transforma en vapor, es decir,
•
cambia su estado. Esta acción se produce gracias a la combustión del gas natural
(o cualquier otro combustible fósil que pueda utilizar la central) la cual genera
gases a muy alta temperatura que al entrar en contacto con el agua líquida la
convierte en vapor. Este agua circula por unas cañerías llamadas serpentines
donde se produce el intercambio de calor entre los gases de la combustión y el
agua.
•
Turbina de vapor: es la máquina que recoge el vapor de agua y gracias a un
complejo sistema de presiones y temperaturas, consigue que se mueva el eje que
la atraviesa. Esta turbina tiene 4 cuerpos, uno de alta presión, uno de media
presión y dos de baja presión. El eje atraviesa los cuatro cuerpos y está conectado
con el generador.
•
Generador: máquina que recoge la energía mecánica generada por el eje que
atraviesa la turbina y la transforma en eléctrica. Las centrales eléctricas
transforman la energía mecánica del eje en una corriente eléctrica trifásica y
alterna.
Funcionamiento de las centrales termoeléctricas clásicas
Sea cual sea el combustible fósil utilizado, ya hemos indicado que los más
usuales son el fuel-oil, gas o carbón, las centrales termoeléctricas funcionan según el
mismo esquema básico; las diferencias vienen dadas por el peculiar tratamiento que
cada uno de los combustibles mencionados experimenta antes de ser inyectado en la
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caldera. Asimismo, determinadas instalaciones, como los quemadores de la caldera,
varían dependiendo de dicho factor.
Uno de los elementos esenciales en una instalación termoeléctrica es el
depósito donde se almacena el combustible, ubicado dentro del propio recinto. En las
centrales de carbón, el mineral se tritura previamente en molinos, que lo convierte en
un polvo muy fino; de esta manera, la combustión resultará más fácil. Desde el molino
se envía a la caldera mediante chorros de aire precalentado. En las centrales de fueloil, este componente se precalienta para asegurar su fluidificación; posteriormente en
inyectado en quemadores especialmente adaptados, cuyo diseño y funcionamiento es
diferente si el combustible empleado es gas. Las centrales mixtas disponen de
instalaciones aptas para quemar indistintamente todo tipo de combustibles fósiles.
Cuando el gas, carbón o el fuel-oil ha llegado a la caldera, los quemadores
provocan su combustión, como consecuencia de la cual se genera energía calorífica.
Esta energía transforma el agua que transita por la vasta red de tubos que compones
la caldera en vapor, a elevada temperatura. A continuación, el vapor de agua, a gran
presión, penetra en la turbina, integrada por tres cuerpos, de alta, media y baja
presión, unidos a un mismo eje. En el primero de estos cuerpos, el de alta presión,
existen centenares de paletas o álabes de pequeño tamaño. En el segundo, los álabes
también numerosos son mayores. Finalmente, las paletas del cuerpo de baja presión
son aún más grandes que las precedentes. Con esta gradación de tamaños se
aprovecha al máximo la fuerza del vapor, puesto que éste va disminuyendo su presión
poco a poco; ésta es la razón de que los álabes de la turbina crezcan en tamaño a
medida que se pasa de un cuerpo a otro. Antes de que el vapor penetre en la turbina
es necesaria su deshumidificación. Si no se sometiera a dicho proceso, las diminutas
gotas de agua que transporta en suspensión serian despedidas a gran velocidad
contra los álabes, erosionando el mecanismo.
Así pues, el vapor de agua a presión provoca el giro de los álabes o paletas de
la turbina y la hace girar generando una energía mecánica. Por otra parte, el eje que
mantiene unidos los tres cuerpos de la turbina hace girar, a su vez, un alternador que
se encuentra conectado a ella, produciendo energía eléctrica. Gracias al empleo de un
transformador, la energía eléctrica pasa a la red de transporte tras elevar su tensión.
El vapor, cuya presión ha resultado ya muy debilitada, pasa a los
condensadores, donde se enfría y se convierte nuevamente en agua. El agua retorna
otra vez a los tubos que conforman las paredes de la caldera, reiniciándose así el ciclo
productivo.
La protección del medio ambiente
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La emisión de residuos a la atmósfera y los propios procesos de combustión
que se producen en las centrales termoeléctricas 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.
El problema con la contaminación es máximo en el caso de las centrales
termoeléctricas convencionales que utilizan como combustible carbón. En las de fueloil o gas, los niveles de polución son mucho menores, prácticamente inapreciables en
las plantas de gas. Sin embargo, la combustión del carbón tiene como consecuencias
la emisión de partículas y ácidos de azufre. Unos de los sistemas ideados para reducir
el volumen de emanaciones es la construcción de chimeneas de gran altura que sirven
para dispersar las mencionadas partículas en la capas altas de la atmósfera,
consiguiendo así que su nociva influencia sea mínima. Por otra parte, el empleo de
filtros electrostáticos y precipitadores permite la retención de estas partículas volátiles
dentro de la propia central.
En las centrales de fuel-oil, la emisión de partículas sólidas es, como se ha
indicado, mucho más pequeña. No obstante, ha de tenerse en cuenta la emisión de
óxidos de azufre y hollines ácidos. El efecto de los primeros puede ser anulado
parcialmente a través de diversos sistemas de purificación; los hollines pueden ser
neutralizados gracias a la adicción de neutralizantes de la acidez.
El proceso de combustión que se verifica en las centrales termoeléctricas
constituye una forma de contaminación (contaminación térmica) que puede ser
contrarrestada gracias a la instalación de torres de refrigeración. Como se ha indicado,
el agua que, tras ser convertida en vapor, se emplea para hacer girar la turbina, es
enfriada en los condensadores para volver nuevamente a los conductos de la carera.
La refrigeración se lleva a cabo utilizando el agua del mar o la de algún río cercano a
la instalación; esta agua recibe el calor incorporado por el agua de la central que
atraviesa los condensadores. Cuando los caudales de los ríos son pequeños, las
centrales emplean sistemas de refrigeración en circuito cerrado, a través de torres
refrigerantes, para evitar así la contaminación térmica. El agua caliente procedente de
los condensadores penetra en la torre a determinada altura. De manera natural, el aire
frío asciende en forma continua en la torre. El agua, al penetrar en ella desciende por
su propio peso y, en su caída, tropieza con un sistema de rejillas colocadas de tal
manera que la pulverizan hasta convertirla en una fina lluvia. Cuando las gotas de
agua caen contactan con la corriente de aire frío ascendente, pierden su calor. El agua
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enfriada de esta manera retorna a los condensadores por medio de un circuito
cerrado; el proceso de producción continúa eliminado los daños medioambientales.
En diversos países se han puesto en marcha proyectos encaminados a
aprovechar estos residuos nocivos producidos por la combustión en las centrales
termoeléctricas; asimismo, el exceso térmico de estas plantas puede servir para criar
determinadas especies marinas, cuyo desarrollo se beneficia del aumento de la
temperatura de las aguas en las que se desarrollan.
La aplicación de las nuevas tecnologías
La gasificación del carbón in situ o el empleo de maquinaria hidráulica de
arranque de mineral y de avance continuo son dos de los procedimientos utilizados
para optimizar el aprovechamiento del carbón. Con estos sistemas es posible explotar
yacimientos de poco espesor o bien aquellos en los que el mineral se encuentra
disperso o mezclado en exceso. La gasificación consiste en inyectar oxígeno en el
yacimiento para provocar la combustión del carbón. Así se produce un gas
aprovechable para generar energía eléctrica gracias a la instalación de centrales
eléctricas en la bocamina. El segundo de los procedimientos mencionados se lleva a
cabo lanzando potentes chorros de agua contra las vetas de mineral para provocar los
denominados barros de carbón que a través de tuberías, son evacuados fuera de la
mina.
Por otra parte, puede mencionarse también el sistema de combustión de
carbón en lecho fluidificado. Según este método, el carbón se quema en un lecho de
partículas inertes, por ejemplo caliza, a través del cual se hace pasar una corriente de
aire que soporta el peso de las partículas, manteniéndolas en suspensión.
Finalmente, cabe citar diversas líneas de investigación con nuevas tecnologías,
encaminadas a sustituir el fuel-oil, en un intento de reducir la dependencia respecto del
petróleo.
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Diagrama de una central térmica de carbón de ciclo convencional
1. Torre de refrigeración
10. Válvula de control de gases 19. Supercalentador
11.Turbina de vapor de alta
2. Bomba hidráulica
20. Ventilador de tiro forzado
presión
3. Línea de transmisión
12. Desgasificador
21. Recalentador
(trifásica)
22. Toma de aire de
4. Transformador (trifásico)
13. Calentador
combustión
14. Cinta transportadora de
5. Generador eléctrico (trifásico)
23. Economizador
carbón
6. Turbina de vapor de baja
15. Tolva de carbón
24. Precalentador de aire
presión
7. Bomba de condensación
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 emision
Central térmica de ciclo combinado
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La central térmica de ciclo combinado es aquella donde se genera electricidad
mediante la utilización conjunta de dos máquinas generadoras:
a) Un turbogrupo de gas
b) Un turbogrupo de vapor
Es decir, para la transformación de la energía del combustible en electricidad se
superponen dos ciclos:
a) El ciclo de Brayton (turbina de gas): Toma el aire directamente de la atmósfera y se
somete a un calentamiento y compresión para aprovecharlo como energía mecánica o
eléctrica.
b) El ciclo de Rankine (turbina de vapor): Donde se relaciona el consumo de calor con la
producción de trabajo o creación de energía a partir de vapor.
Las características principales de las centrales térmicas de ciclo combinado son:
•
Flexibilidad: la central puede operar a plena carga o cargas parciales,
hasta un mínimo de aproximadamente el 45% de la carga máxima.
•
Eficiencia elevada: el ciclo combinado proporciona mayor eficiencia por
un margen más amplio de potencias.
•
Consideraciones medioambientales: Sus emisiones son más bajas.
•
Coste de inversión bajo por MW instalado, periodos de construcción
cortos, menor superficie por MW instalado y bajo consumo de agua de
refrigeración.
2. Ventajas del Ciclo Combinado
39
•
Menor impacto visual y costes menores de inversión.
•
Menores emisiones y ahorro energético en forma de combustible.
•
Mayor rendimiento de la planta y flexibilidad en la operación.
•
Mayor eficacia para una amplia categoría de potencias.
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Partes fundamentales de una central de ciclo combinado
Para entender el funcionamiento de una Central Térmica de Ciclo Combinado, que se
explicará en el siguiente punto, hay que conocer primero las partes que la forman:
•
Turbina de gas: consta de compresor, cámara de combustión y la propia
turbina.
•
Compresor: generalmente es un compresor por etapas y su función es
inyectar el aire a presión por la combustión del gas y la refrigeración de las
zonas calientes.
•
Cámara de combustión: en este punto de la instalación es donde se
mezclan el gas natural con el aire a presión y se produce la combustión.
•
Turbina de gas: en ella se produce la expansión de gases que
provienen de la cámara de combustión. Consta de tres o cuatro etapas de
expansión y la temperatura de los gases en la entrada está alrededor de 1.400º
C saliendo de la turbina a temperaturas superiores a los 600º C.
•
Caldera de recuperación: en esta caldera convencional el calor de
los gases que provienen de la turbina de gas se aprovechan en un ciclo
de agua-vapor.
•
Turbina de vapor: esta turbina acostumbra a ser de tres cuerpos
y está basada en la tecnología convencional. Es muy habitual que la
turbina de gas y la turbina de vapor se encuentren acopladas a un
mismo eje de manera que accionan un mismo generador eléctrico.
Funcionamiento de una central de ciclo combinado
En primer lugar, el aire es comprimido a alta presión en el compresor, después pasa a
la cámara de combustión donde se mezcla con el combustible. A continuación, los
gases de combustión pasan por la turbina de gas donde se expansionan y su energía
calorífica se transforma en energía mecánica transmitiéndolo al eje de la turbina.
Los gases que salen de la turbina de gas se llevan a una caldera de
recuperación de calor para producir vapor, a partir de este momento tenemos un ciclo
agua-vapor
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convencional
explicado
en
el
apartado
de
centrales
térmicas
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convencionales. A la salida de la turbina el vapor se condensa (trasformándose
nuevamente en agua) y vuelve a la caldera para empezar un nuevo ciclo de
producción de vapor. Actualmente la tendencia es acoplar la turbina de gas y la turbina
de vapor a un mismo eje de manera que accionan conjuntamente un mismo generador
eléctrico.
Impactos medioambientales de les centrales de ciclo combinado
La utilización de gas natural para la generación de electricidad mediante la
tecnología del ciclo combinado se encuentra dentro de la política medioambiental de
un gran número de países, ya que ofrece un gran número de ventajas en comparación
con el resto de tecnologías de producción eléctrica. En concreto, las emisiones de CO
2
en relación a los KWh producidos son menos de la mitad de las emisiones de una
central convencional de carbón.
¿Que es la biomasa? La palabra biomasa describe los materiales provenientes de seres vivos
animales o vegetales. Es decir, toda la materia orgánica (materia viva) procedente del reino
animal y vegetal. Toda esta materia se convierte en energía si le aplicamos procesamientos
químicos. La biomasa era la fuente energética más importante para la humanidad hasta el inicio
de la revolución industrial, pero su uso fue disminuyendo al ser sustituido por el uso masivo de
combustibles fósiles. Actualmente el mundo de la biomasa está repartido de forma muy
desigual. Mientras que en los países desarrollados es la energía renovable la más utilizada y
conocida, a muchos países en vías de desarrollo es la principal fuente de energía la biomasa y
cada vez mejor. Eso también ha hecho que las industrias utilicen la biomasa en vez de los
combustibles fósiles que son contaminantes.
La energía de la biomasa proviene en última instancia del Sol. Los vegetales
absorben y almacenan una parte de la energía solar que llega a la tierra, llega también
a los animales en forma de alimento y energía. Cuando la materia orgánica almacena
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la energía solar, también crea subproductos que no sirven para los animales ni para
fabricar alimentos pero si para hacer energía de ellos.
Tipos de biomasa
La biomasa se puede clasificar en tres grandes grupos:
•
Biomasa natural: es la que se produce a la naturaleza sin la intervención
humana.
•
Biomasa residual: son los residuos orgánicos que provienen de las
actividades de las personas. Por ejemplo, restos del trabajo del campo, de los
albañiles cuando transforman la madera o de las ciudades (residuos sólidos
urbanos (RSU).
•
Biomasa producida: son los cultivos energéticos, es decir, campos de
cultivo donde se ha un tipo de especie con la único finalidad de su
aprovechamiento energético.
Conversión de la biomasa en energía
Existen diferentes formas para transformar la biomasa en energía que se pueda
aprovechar, pero hay dos de ella que hoy en día se utilizan más: métodos
termoquímicos y bioquímicos.
•
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Métodos termoquímicos
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Es la manera de utilizar el calor para transformar la biomasa. Los materiales que
funcionan mejor son los de menor humedad (madera, paja, cáscaras, etc.). Se utilizan
para:
•
Combustión: existe cuando quemamos la biomasa con mucho aire (20-40%
superior al teórico) a una temperatura entre 600 y 1.300ºC. Es el modo más básico
para recuperar la energía de la biomasa, de donde salen gases calientes para producir
calor y poderla utilizar en casa, en la industria y para producir electricidad.
•
Pirolisis: se trata de descomponer la biomasa utilizando el calor (a unos 500ºC)
sin oxígeno. A través de este proceso se obtienen gases formados por hidrógeno,
óxidos de carbono e hidrocarburos, líquidos hidrocarbonatos y residuos sólidos
carbonosos. Este proceso se utilizaba hace ya años para hacer carbón vegetal.
•
Gasificación: existen cuando hacemos combustión y se producen diferentes
elementos químicos: monóxido de carbono (CO), dióxido de carbono (CO2), hidrógeno
(H2) y metano (CH4), en cantidades diferentes. La temperatura de la gasificación
puede estar entre 700 y 1.500ºC y el oxígeno entre un 10 y un 50%. Según se utilice
aire u oxígeno, se crean dos procedimientos de gasificación distintos. Por un lado, el
gasógeno o “gas pobre” y por otro el gas de síntesis. La importancia de éste es que
puede transformar en combustibles líquidos (metanol y gasolinas), por eso se están
haciendo grandes esfuerzo que tienden a mejorar el proceso de gasificación con
oxigeno.
•
Co-combustión: consiste en la utilización de la biomasa como combustible de
ayuda mientras se realiza la combustión de carbón en las calderas. Con este proceso
se reduce el consumo de carbón y se reducen las emisiones de CO2.
•
Métodos bioquímicos
Se llevan a cabo utilizando diferentes microorganismos que degradan las moléculas.
Se utilizan para biomasa de alto contenido en humedad. Los más corrientes son:
•
Fermentación alcohólica: técnica que consiste en la fermentación de hidratos
de carboneo que están en las plantas y en la que se consigue un alcohol (etanol) que
se puede utilizar para la industria: disolventes y combustibles.
•
Fermentación metánica: es la digestión anaerobia (sin oxigeno) de la biomasa,
donde la materia orgánica se descompone (fermenta) y se crea el biogás.
Sistemas de aprovechamiento de la biomasa
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Si a la gran variedad de biomasa existente aplicamos distintas tecnologías podemos
transformar esta energía para usarla en:
Producción de energía térmica: son sistemas de combustión directa. Se utilizan
para dar calor, que se puede utilizar directamente, como por ejemplo, para cocer
alimentos o para secar productos agrícolas. También se pueden aprovechar para
hacer vapor para la industria o para generar electricidad. El peligro sin embargo, es la
contaminación.
Producción de biogás: la finalidad es conseguir combustible, principalmente el
metano, muy útil para aplicaciones térmicas para el sector ganadero u agrícola,
subministrando luz y calor. Endesa tiene una planta de producción de biogás en el
municipio de Garraf (Barcelona).
•
Producción de biocombustibles: son una alternativa a los combustibles
tradicionales del transporte y tienen un grado de desarrollo desigual en los diferentes
países. Existen dos tipos de biocombustibles: bioetanol y biodiesel.
•
Bioetanol: substituye la gasolina. En el caso del etanol, y en cuanto a la
producción de materia prima, actualmente se obtiene de cultivos tradicionales como el
cereal, el maíz y la remolacha.
•
Biodiesel: Su principal aplicación va dirigida a la substitución del gasoil. En un
futuro servirá para variedades orientadas a favorecer las calidades de producción de
energía.
Producción de energía eléctrica: la electricidad se puede producir par
combustión o gasificación y se pueden obtener potencias de hasta 50 MW.
O por gasificación.
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¿Qué es una central de biomasa? Es una instalación industrial diseñada para generar
energía eléctrica a partir de recursos biológicos. Estos recursos biológicos utilizados como
combustibles son la leña, desechos orgánicos, excrementos de animales, celulosa y una inmensa
cantidad de materiales orgánicos. Esta es una central que utiliza fuentes renovables para la
producción de energía eléctrica.
Funcionamiento de una central de biomasa de generación eléctrica
Una central de biomasa se ocupa de obtener energía eléctrica mediante los
distintos procesos de transformación de la materia orgánica. En primer lugar, el
combustible principal de la instalación y los residuos forestales se almacenan en la
central. Allí se los trata para reducir su tamaño, si fuera necesario. A continuación,
pasa a un edificio de preparación del combustible, donde se clasifica en función de su
tamaño
y
finalmente
se
llevan
a
los
correspondientes
almacenes.
A continuación son conducidos a la caldera para su combustión, eso hace
que el agua de las tuberías de la caldera se convierta en vapor debido al calor. El agua
que circula por las tuberías de la caldera proviene del tanque de alimentación: donde
se precalienta mediante el intercambio de calor con los gases de combustión aún más
lentos
que
salen
de
la
propia
caldera.
Del mismo modo que se hace en otras centrales térmicas convencionales, el
vapor generado a la caldera va hacia la turbina de vapor que está unida al generador
eléctrico (donde se produce la energía eléctrica que se transportará a través de las
líneas
correspondientes).
El vapor de agua se convierte en líquido al condensador, y desde aquí es nuevamente
enviado al tanque de alimentación cerrándose así el circuito principal agua-vapor de la
central.
Impacto ambiental de una central de biomasa
Esta es la única fuente de energía que aporta un balance de CO2 favorable,
siempre y cuando la obtención de la biomasa se realice de una forma renovable y
sostenible de manera que el consumo del recurso se haga más lentamente que la
capacidad de la Tierra para regenerarse. De esta manera la materia orgánica es capaz
de retener durante su crecimiento más CO2 del que libera en su combustión, sin
incrementar la concentración de CO2.
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Aunque el potencial energético existente en el planeta sería suficiente para
cubrir todas las necesidades energéticas, esta no se puede utilizar en su totalidad, ya
que exigiría el aprovechamiento a gran escala de los recursos forestales. Esto haría
imposible mantener el consumo por debajo de la capacidad de regeneración, lo cual
reduciría muy considerablemente la energía neta resultante y conduciría a un
agotamiento de dichos recursos a la vez que daría lugar a efectos medioambientales
negativos.
Los efectos producidos serian tales como la deforestación y el aumento notable
de las emisiones de CO2, lo que implicaría una contribución al cambio climático. 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.
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 ácidos de
azufre que contaminan en gran medida la atmósfera. En las de fuel-oil 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.
Bibliografía:
Tecnologías de generación eléctrica
Gilberto Enriquez Harper
Autor-Editor, 2009
Fuentes de energía
José Roldan Viloria
Ed. Paraninfo, S. A., 2008.
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