Termodinamikaren bigarren legearen arabera, energia-mota guztiak ez dira maila berekoak; goi-mailakoak erabateko energia edo lan mekaniko bihur daitezkeenak dira; hots, aldaketaren errendimendua % 100ekoa dutenak. Beraz, bihurketaren helburua da zenbait energia-motatatik lan mekanikoa lortzea, hortik maila bereko beste energia batzuk, elektrikoa adibidez, eskura baitaitezke. Hurrengo irudiak erakusten du gaur egun ezagutzen diren energia-iturrietatik goi-mailako energia-motak zein diren, baita energia mekanikoa eta elektrikoa lortzeko izaten diren prozesuak edo bideak ere. Kasu batzuetan, bihurketa zuzenak dira; beste batzuetan, ostera, tarteko prozesua behar dute, non fluido termodinamiko baten laguntza behar den.

Energia-iturrietatik goi-mailako energia lortzeko prozesuak

Goi-mailako energia mekanikoa lortzeko fluido termodinamiko bat behar denean, motor termiko deritzo beharrezko den instalazio oso bakoitzari. Aurreko irudian ikusten den legez, lehenbizi energia eman behar zaio fluido termodinamikoari; materiaren energia ematen bazaio, errekuntza-prozesu bat behar da, eta, amaieran, fluido termodinamikoak sortutako energia energia mekaniko bihurtuko da.

Zentral termiko izenpean biltzen diren instalazioek prozesu hori egiten dute: bero moduan fluido termodinamikoari emandako energia goi-mailako energia mekaniko bihurtzen da, eta, kasu gehienetan, energia mekanikoa energia elektriko bihurtzen da.

Energia-iturriaren arabera sailkatzen dira zentral termikoak. Horrela, materiaren energia kimikoa iturri duten zentral termikoak ikatzezkoak, fuel-oliozkoak, biomasazkoak eta abarrezkoak dira; materiaren energia nuklearra iturri dutenei dagokienez, fisiozkoak dira gaur egun garaturik dauden bakarrak, fusiozkoak esperimentazio-fasean baitaude. Naturako energia termikoa iturri duten zentral termikoak eguzkikoak, geotermikoak eta abarretakoak dira.

Sailkapena

Goian esan den bezala, zentral termikoak motor termikoak dira; oinarrizkoenak lurrun-turbina motorra eta gas-turbina motorra dira.

Lurrun-turbina turbomakinan oinarritutako kanpo-errekuntzako motorra da; erabiltzen den fluido termodinamikoa ura da $—$kondentsagarria, beraz$—$, eta lau gailu nagusik osatzen dute: lurrun-sorgailua, lurrun-turbina, kondentsadorea eta ur-ponpa.

Lurrun-turbinako zentral termikoaren oinarrizko eskema

Lurrun-sorgailuan, ur likidoa sartzen da, eta, kanpo-errekuntzako prozesu batetik jasotzen duen beroari esker, lurrundu egiten da, presioa konstantea dela. Lurrun gainberotua lortzen da, hau da, presio horri dagokion kondentsazio-tenperatura baino tenperatura handiagoa duen lurruna; lurrun horri lurrun bizi esaten zaio.

Lurrun bizia turbinara pasatzen da, eta hedatu egiten da; hedapen-prozesuetan, fluido termodinamikoaren presioa jaitsiz doa, eta lurrunaren bolumen espezifikoa handitu egiten da. Ezaugarri horiek ahalbidetzen dute, hain zuzen ere, lurrunean metatuko energia termikoa turbinako ardatzean lan mekaniko bihurtzea. Behin lan mekanikoa lortuz gero, energia erabiltzeko prest dago: itsasontziaren helizea mugitzeko, energia elektrikoa sortuko duen alternadorea mugitzeko eta abarretarako.

Turbinatik irteten den lurrunak presio eta tenperatura baxuak ditu, jadanik ez da lurrun bizia, baizik eta kondentsatzeko zorian dagoen lurruna. Lurrun hori birziklatzeko, kondentsadoretik pasarazten da, non lurruna ur likido bihurtzen den, presioa eta tenperatura konstante dituela. Prozesu horren ostean, beraz, ur likidoa presio eta tenperatura baxuan izaten da; ur horri elikatze-ur esaten zaio, lurrun-sorgailua elikatzeko erabiliko delako.

Elikatze-uraren presioa igotzeko, ponpa erabiltzen da. Ponpatze-prozesu horretan, entropia eta bolumen espezifikoa ia konstante mantentzen dira, eta lurrun-sorgailuko presioa lortzen da. Kontuan izan behar da askoz merkeagoa dela, kontsumitutako energiari begira, ur likidoaren presioa igotzea ur-lurrunarena baino, turbinan ekoiztutako energiarekin konparatuta oso kantitate txikia baita.

Orain arte deskribatutako oinarrizko zikloan, lurrun-sorgailuan sartuko den ura presio altukoa baina tenperatura baxukoa da, eta erregaia kontsumitu behar da uraren tenperatura igotzeko. Erregaiaren kontsumoa gutxitzeko, zentral termikoetan lurrun biziaren portzentaje bat, oro har % 20 ingurukoa, erabiltzen da elikatze-ura lurrun-sorgailuan sartu baino lehenago berotzeko; hartara, erregai-kontsumoa murriztu daiteke. Hori egiten denean, instalazioa leheneragarria dela esaten da.

Gas-turbinako instalazioak bi motatakoak izan daitezke: ziklo itxiko gas-turbina eta ziklo irekiko gas-turbina. Lehena, turbomakinan oinarritutako kanpo-errekuntzako motorra da, eta lau gailu nagusik osatzen dute: konpresorea, kanpo-errekuntzako ganbera, gas-turbina eta hozkailua. Bigarrena, turbomakinan oinarritutako barne-errekuntzako motorra da, eta hiru gailu nagusik osatzen dute: konpresorea, errekuntza-ganbera eta gas-turbina. Hurrengo irudian ikus daiteke bi instalazio-mota horien oinarrizko eskema mekanikoa.

Gas-turbinaren oinarrizko eskema: ezkerrean, ziklo itxia; eskuinean, ziklo irekia

Gas-turbinako instalazioetan erabiltzen den fluido termodinamikoa gasa da; beraz, erabiltzen diren presioetan, kondentsaezina da. Lehen aipatu den bezala, gasak konprimitzea askoz garestiagoa da likidoak konprimitzea baino. Horrelako instalazioetan konpresoreak kontsumitzen duen energia-kantitatea ez da txikia, eta, horregatik, hain zuzen ere, konpresorea turbinak berak mugitzen du, eta sobran dagoen energia da instalazioaren energia erabilgarria edo garbia.

Ziklo itxietako fluido termodinamikoa, ziklo itxia egiten duenez, ezaugarri termodinamikoengatik aukeratu ohi da. Ziklo irekietan, berriz, errekuntza-ganberan erregaia eta erregarria, airea, sartzen dira, eta turbinatik errekuntzako gasak pasatzen dira; nahaste hori da fluido termodinamikoa.

Ziklo itxietan, fluido termodinamikoa birziklatzeko hozkailua erabiltzen da: turbinatik irteten den fluxua hoztu egiten da, presioa konstantea dela betiere, eta berriro ere erabiltzeko moduan jartzen da.

Orain arte deskribaturiko hiru motor termikoek oinarrizko zentral termikoak osatzen dituzte, eta ziklo konbentzional esaten zaie. Gaur egun, oso gutxitan ikusten dira ziklo konbentzionalak energia elektrikoa ekoizteko zentral termikoetan, zentral nuklearretan eta eguzki-zentraletan baino ez dira izaten. Gainerako kasuetan, ziklo konbinatuko instalazioak eta baterako sorkuntzako instalazioak erabiltzen dira.

Ziklo konbinatuko instalazioetan, aurreko bi motor termikoak, ziklo irekiko gas-turbinarena eta lurrun-turbinarena, erabiltzen dira instalazio bakar batean (ikus hurrengo irudia). Errekuntza-prozesua gas-turbinan egiten da; horrela, errekuntzako tenperaturan izaten da lehendabiziko aprobetxamendua, eta gas-turbinaren energia-galerak gutxitzen dira. Gas-turbinako instalazioko turbina kontrapresiokoa da. Tenperatura egokian, gasaren hedapena geldiarazi egiten da, eta iheseko gasak lurrun-sorgailuan sartzen dira, lurrun-turbinako zikloa has dadin. Modu horretan, energia elektrikoa bi lekutan ekoizten da, gas-turbinan eta lurrun-turbinan.

Ziklo konbinatuko instalazioaren eskema

Ziklo konbinatuko zentrala (Panglima, Malaysia) (iturria: Press Picture Siemens AG, Energy Sector)

Baterako sorkuntzako instalazioak jartzen dira bero-beharra dagoen lekuetan; haietan, beroa ekoizteaz gainera, energia elektrikoa ere ekoizten da: Hala, energia hobeto aprobetxatzen da, eta bero-beharrak eta elektrizitate-beharrak asetzen dira aldi berean. Normalean, sortutako energia elektrikoa enpresak behar duena baino askoz gehiago denez, gainerakoa elektrizitate-sareari saltzen zaio, eta, hala, beste diru-sarrera bat sortzen da. Hori dela eta, gobernuek erregulatu egiten dute merkatu hori. Irudian, gas-turbinan oinarritutako baterako sorkuntzako instalazio baten eskema ikus daiteke.

Gas-turbinan oinarritutako baterako sorkuntzaren eskema

Errendimendua

Zentral termikoaren funtzionamendua neurtzeko erabiltzen den parametroa errendimendu termikoa da. Errendimenduak zentralera sartzen den energia-kantitatetik zenbat bihurtu den elektrizitate neurtzen du. Zentral batean sartzen den energia neurtzeko, erregai fosilen kasuan, erregaiaren beheko bero-ahalmena eta denbora zehatz batean kontsumitutako erregai-kantitatea, fluxu masikoa alegia, erabiltzen dira, eta instalazioaren potentzia garbia da ekoiztutako elektrizitatea neurtzeko parametroa:

$\eta =\frac{\text{EPEG}}{\dot{m}\cdot \text{EBBA}}$

non:

EPEG, ekoiztutako potentzia elektriko garbia den (kW-etan); $\dot{m}$, kontsumitutako erregaiaren fluxu masikoa (kg/s-tan); eta EBBA, erregaiaren beheko bero-ahalmena (kJ/kg-tan).

Ingurumenaren gaineko eragina

Energia-instalazio guztietan bezala, zentral termikoan ere ingurumenaren gaineko eragina oso kontuan hartzekoa da. Zentral termikoetan, hiru poluzio-iturri izan daitezke:

• Aireratzen diren gasak: errekuntzaren emaitza dira. Hauek dira nagusiak: batetik, karbono dioxidoa (CO₂) saihestezina da, eta, beste gasekin konparatuta, nolabait esateko "desiragarria" (errekuntza burutu dela adierazten duelako eta toxikoa ez delako), baina berotegi-efektua areagotzen du eta gutxitzeko bide bakarrak gutxiago kontsumitzea eta instalazioaren errendimendua igotzea dira. Horretarako, elektrizitatearen kontsumoa jaistea eta zentralen errendimendua areagotzea baino ez dago. Bestetik, karbono monoxidoa (CO) aireratzeak adierazten du errekuntza ez dela ona izan eta erregaiaren energia kimikoaren parte bat alferrik galdu dela. NO_x, SO₂ eta SO₃ oso poluitzaileak dira, eta ondorio nabarmenena euri azidoa eta smog fotokimikoa dira; gas horien presentzia erregai motaren eta erregaiaren kalitatearen araberakoa da. Ikusitako zentral termikoetan, erre gabeko erregaia ez da atmosferara botatzen, gehiegizko airea erabiltzen baita errekuntza-prozesuan.

• Hondakin solidoak: erregaitzat harrikatza erabiltzen duten zentraletan sortzen dira, batez ere. Harrikatzaren osagai bat errautsak dira; substantzia geldoak dira, eta galdararen behealdetik jasotzen dira. Errautsak berreskuratu egiten dira, eta asfaltoen eta material isolatzaileen fabrikazioan erabiltzen dira. Hondakin horien parte bat atmosferara botatzea eragozteko, tximiniaren aurretik iragazki elektrostatikoak ezartzen dira, errautsak atxiki eta gasak garbitzeko.

• Poluzio termikoa: atmosferara botatzen diren gaien bero-energia da. Bitara gerta daiteke: tximiniatik aireratzen diren gasen beroa eta kondentsadorea hozteko urak hartzen duen beroa. Kondentsadoreari dagokion energia-barreiatzea saihestezina da, zikloaren izaerak berekin duen ezinbesteko gertakaria delako. Gasena, berriz, ahalik eta gehien murrizten saiatu beharra dago. Irteerako gasen tenperatura jaitsi egin behar da; horretarako, errekuntza-airearen aurreberogailuak eta elikatze-uraren aurreberogailuak ezartzen dira haien ibilbidearen amaieran.

Hurrengo taulan, hainbat zentraletako errendimenduaren eta poluzioaren datuak erakusten dira.

Zentral elektriko batzuen errendimenduak eta gas poluitzaileak