Ciclos Combinados, Sobre los Hombros de Gigantes (Segunda Parte)

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Antonio (Tony) Martínez (*)

Recientemente la aparición de un conejito “boludo” en el arte contemporáneo me llevó a la cima de la perplejidad al mostrarme el contraste entre lo que considera valioso y trascendente un ingeniero y el gran público.

En la primera parte de este artículo (publicado en la edición de Julio 2019 de este medio), explicamos qué era un ciclo combinado y nos aproximamos a algunos de los primeros inventores y empresarios de lo que fue el comienzo del camino para el futuro acople de un ciclo de producción combinado de energía de un ciclo de vapor (Ciclo de Rankine) y su respectiva turbina, con el ciclo de producción de energía por una turbina de gas (Ciclo de Brayton).

Terminamos esa primera parte del artículo en los orígenes de la turbina de vapor. Vimos cómo la historia del ciclo combinado descansa sobre los hombros de gigantes como James Watt, Charles Parsons y Matthew Boulton.

Ahora vamos por la turbina de gas que fue desarrollada en el siglo pasado, y es posterior a la turbina de vapor, y cuyas prestaciones para generar energía son muy superiores en cuanto al aumento de la temperatura y la presión. Por eso, pese a ser una idea del siglo XVIII, no se pudo llevar a la práctica hasta bien entrado el siglo XX.

La historia y el desarrollo de las turbinas de gas es de las más complejas y multidisciplinarias de la ingeniería. Requiere la combinación de conocimientos de diferentes temas como: resistencia de materiales, aerodinámica, termodinámica y mecánica de fluidos, entre otras.

En 1903 un noruego, Ægidius Elling, construye la primera turbina de gas que produce más energía que la que consume para mover los ejes y componentes.

En las entrañas de las turbinas de gas (y en las de vapor) se halla una verdadera obra de arte de la ingeniería, el álabe. La gran limitante en la aplicación y fabricación de las turbinas de gas y de las turbinas -en general- es el diseño del álabe, el elemento responsable como en un molino de viento, de transformar el paso de un flujo axial a un eje, a movimiento rotatorio de los álabes y por ende del eje al cual están conectados.

Su diseño debe ser tal que pueda aguantar temperaturas hasta de 1500 ﹾC y 25 atm de presión (la presión de 250 metros de agua), y su perfil se debe adaptar a las propiedades termodinámicas y aerodinámicas de cada etapa, optimizando la extracción de energía.

Debe ser resistente pero flexible (poder deformarse dentro de ciertos límites) para evitar fallas frágiles (las más catastróficas), pero a la vez debe ser duro en la superficie para evitar la erosión, para colmo, además de todo lo anterior, puede ser ahuecado por dentro para tener espacios disponibles en caso de refrigeración.

Sus limitantes dimensionales y de peso deben ser precisas para el paso eficiente del flujo entre la pieza y la carcasa de la turbina reduciendo turbulencias, y que su peso debe ser igual a los álabes de misma etapa o posición sobre el eje, con el fin de evitar que el eje se desbalancee.

No es de extrañar que solo hasta que se dieron los avances de la metalurgia (en los procesos de fabricación) y de las teóricas científicas y de ingeniería en el siglo pasado que se pudo desarrollar plenamente, y hacer el uso eficiente de las turbinas en general en el siglo XX.

Al álabe le debemos tanto la extracción de energía eléctrica de flujos de vapor y gas, como su uso en impulsar barcos y aviones. Su trascendencia y logro como pieza de ingeniería debería ser presentado como un logro artístico en los museos donde los niños de escuela pudieran conocerla y así poder valorar la importancia de la ciencia y la ingeniería en sus vidas y en las nuestras.

Aquí regresamos al conejito boludo. Hace poco irrumpió a nivel mundial una obra de arte contemporáneo “Rabbit”, escultura de acero inoxidable de forma redondeada (por eso lo llamo boludo), de alrededor de un metro de alto. ¿Su último valor en el mercado del “arte”?, ¡¡ 91 millones de dólares!!

De pronto, me imagino al conejito amarrado a un eje rotatorio soportando 1500 grados centígrados y las 25 atmósferas de presión, tratando de extraer, aunque sea un micro watt de energía de un flujo axial. Y todavía estoy tratando de extraer su trascendencia en la sociedad contra algo como el álabe y su importancia en la iluminación, la energía o el transporte en beneficio de la humanidad.

Fabricarlos dudo que cueste más de mil dólares. No obstante, para un ingeniero, la trascendencia o no de uno y el otro es más que evidente. Y la percepción de lo que es valioso o arte también.

Regresemos al tema… El uso de la turbina de gas en la generación comercial de la energía se la debemos oficialmente a la compañía suiza Brown, Boveri y Cie (BBC), en la década de los 30.

Como sabemos, la eficiencia en relación a  la producción de energía por peso de una turbina queda en evidencia cuando se comienza a usar como sistema de propulsión de aviones, y es por eso que los alemanes comenzaron a producir turbinas en serie para sus aviones al final de la segunda guerra mundial.

Aunque la idea original fue de un británico, Frank Whittle, quien patentó la tecnología en 1930, y el primer uso exitoso se registró en Inglaterra en 1937, nunca consiguió interés de la real fuerza aérea inglesa hasta que los británicos se enfrentaron a los Messerschmitt ME 262, en 1944. Gracias a Dios, la superioridad numérica de los aviones aliados al final de la guerra hizo que estos adelantos tecnológicos de los alemanes, como algunos otros, como los cohetes, no cambiaran su resultado final.

En el siglo XX y XXI, la fabricación y los adelantos tecnológicos en las turbinas vinieron de grandes empresas como Siemens, General Electric, Mitsubishi Heavy Industries y BBC.

En relación con los ciclos combinados, casi cualquier consultora y constructora de ingeniería a nivel nacional e internacional tiene una sección dedicada a la energía que se dedica al diseño y la construcción de plantas de generación de energía de ciclos combinados. Donde haya suministro de gas natural y agua es un sitio susceptible para instalar una planta de ciclos combinados. Su tecnología permite replicar diseños y plantas en cualquier parte.

España tiene grandes empresas dedicadas al diseño, la construcción y administración de plantas de ciclos combinados. Destaco a Iberdrola porque tiene especial relación con México, que actualmente construye varias plantas en ese país. También están IDOM, Initec y Técnicas Reunidas.

El futuro de las turbinas es promisorio con las nuevas revoluciones industriales, que incluye el uso de la inteligencia artificial y la impresión 3D. En el futuro serán mucho más eficientes y económicas.

El futuro de los ciclos combinados está más que asegurado al conformar uno de los procesos de producción de energía más confiable y eficiente. Si a esto le aunamos los futuros desarrollos tecnológicos y científicos de producción de gas natural a partir de recursos renovables (biogás) y todos los progresos que se están haciendo en la limpieza y captura de CO2 de las emisiones de estas plantas, pronto las plantas de ciclo combinado pasarán a estar más cerca de los sistemas de producción de energía con recursos renovables, y competirán muy bien como un medio de producción de energía casi 100% ecológico.

 

* El autor es Director Regional para Europa de The PSI Association CT Engineering Group.