Generación de Energía Usando Combustibles Fósiles

La combustión es una de las tecnologías más antiguas para producir energía. La reacción química involucra la oxidación del combustible (carbón, búnker o gas), y la liberación de calor y dióxido de carbono como subproducto. La presión, temperatura y sedimentación son los procesos que determinan las propiedades químicas y físicas de los combustibles fósiles. Por lo tanto, el carbón, petróleo y el gas natural, son los combustibles más comunes para la generación de energía en la actualidad.

La generación de energía eléctrica que utiliza combustibles fósiles, se produce usando plantas térmicas. Por lo general una planta térmica tiene cuatro componentes: 1) una caldera, 2) una turbina de vapor para transformar el calor en energía mecánica, 3) un generador de electricidad y 4) un condensador para enfriar el vapor y reciclar el agua. En estos sistemas, el principal componente es el calor proveniente de la combustión del combustible fósil.

La mayoría de plantas térmicas que funcionan a base de combustibles fósiles, se encuentran en los departamentos de Escuintla y Guatemala. El combustible que más se utiliza es el carbón, seguido por el búnker y en un menor porcentaje el diésel. La Tabla 1 proporciona el listado de todas las plantas de energía eléctrica que usan combustibles fósiles. A continuación, se describen dichas plantas.

Por lo general existen tres modelos generales de tecnología de calderas: las calderas de parrilla, las calderas con carbón pulverizado y las calderas de lecho fluidizado. Las calderas de parrilla son la tecnología más sencilla. En estas, una faja transportadora alimenta el combustible (carbón) hacia la parrilla, donde se quema y las partículas volátiles se terminan de quemar en la parte superior de la caldera. Un sistema de tuberías de agua realiza la transferencia de calor para conducir el vapor de agua hacia la turbina. En las calderas de carbón pulverizado, el carbón se alimenta en forma de pequeñas partículas menores a las 100 micras por medio de un flujo controlado de aire. En este caso, el material pulverizado y las partículas volátiles se queman en la misma parte de la caldera. En las calderas de lecho fluidizado, las partículas microscópicas de carbón se alimentan por medio de corrientes controladas de aire, lo que hace que se comporten como fluidos.

En éste último caso, la combustión es más eficiente que en los casos anteriores y necesitan de menores temperaturas. Si la presión se aumenta, los gases calientes producidos pueden ser utilizados en una turbina de gas usando un proceso llamado lecho fluidizado presurizado. Las ventajas de la combustión de lecho fluidizado es que permite la reducción de contaminantes ambientales ya que elementos con sulfuro pueden ser removidos con mayor facilidad usando cal. Las tecnologías más avanzadas para combustión de carbón incluyen combustión subcrítica, supercrítica y ultra supercrítica. Además, también está la gasificación integrada en ciclos combinados que incrementa la eficiencia de combustión de carbón hasta un 45 %.

En Guatemala, la tecnología predominante para la combustión son las calderas acuotubulares y el carbón utilizado para generación de electricidad es la hulla bituminosa, el cual es importado de Colombia. El 80 % se produce en las regiones de Guajira y César, localizadas en la vertiente del Atlántico de Colombia (UPME, 2012). La hulla bituminosa posee un menor contenido de carbón que la antracita, y un poder calorífico más bajo. La eficiencia de combustión reportada para esta tecnología es de 35 %. Los bajos precios de este combustible hacen que la generación de carbón sea económicamente competitiva. Desde el año 2008, se ha incrementado la potencia de placa de plantas de carbón, llegando a los 580 MW en el 2015. La planta Jaguar Energy es la más grande con 300 MW de potencia de placa. La generación con carbón aportó 2,172 GWh en el año 2016 (AMM, 2016).

Por otro lado, los ingenios azucareros producen energía térmica con bagazo de caña durante la época de zafra. La energía térmica se aprovecha en los procesos de producción de azúcar y de etanol. Adicionalmente, también producen electricidad que venden al SNI. Por esta razón los ingenios azucareros son conocidos como cogeneradores. Durante el período de no zafra, la mayoría de los ingenios producen energía con carbón. Sin embargo, es difícil cuantificar la cantidad exacta de carbón que se consume, así como la cantidad de energía que se genera con esta fuente energética.

En Guatemala, los motores reciprocantes de combustión interna usan búnker para producir energía eléctrica. Estos motores usan pistones para convertir el calor en energía mecánica y pueden ser de dos o de cuatro tiempos. El combustible es búnker C, también conocido como fuel oil no. 6. Este, es un hidrocarburo líquido muy pesado y viscoso, con una composición química de hidrocarburos pesados, de 30 átomos de carbono por molécula. Su composición promedio es de 15 % alcanos; 15 % compuestos polares de nitrógeno, oxígeno y azufre; 25 % de compuestos aromáticos y 45 % de ciclo alcanos. Es un líquido de alta viscosidad, que necesita precalentamiento a 104-127oC para poder ser utilizado. La generación con plantas búnker aportó 650 GWh de electricidad a la red en el año 2016. La potencia de placa de los motores reciprocantes se estima arriba de los 700 MW; sin embargo, estos operan con un factor de planta muy bajo.

En Guatemala, se reporta un grupo de generadores que utilizan turbinas de gas. Una turbina de gas funciona a base de gas natural, pero en Guatemala se usa el diésel como combustible. La tecnología de turbinas se basa en el ciclo de Brayton. Este sistema permite que el combustible ingrese a una presión elevada y combustione dentro de la cámara de la turbina. La combustión a alta presión genera un movimiento de las astas, las cuales conectadas a un generador, producen electricidad. Existen dos categorías de turbinas: las aeroderivadas y las industriales (heavy-duty). Las aeroderivadas son turbinas de aeronaves modificadas en tamaños de 50 MW. Las industriales, por el contrario, están diseñadas para producir alrededor de 30 MW. Las turbinas de gas aportan un porcentaje menor al 1 % del total de la matriz energética. Con una potencia de placa que llega a los 250 MW, estas plantas aportaron un total de 5 GWh a la red del sistema nacional interconectado, en el año 2016 (AMM, 2016).

A continuación, la Tabla 1, presenta la capacidad instalada de plantas de generación de energía eléctrica a partir de combustibles fósiles.


Tabla 1: Plantas de generación de energía eléctrica a partir de combustibles fósiles en Guatemala. Fuente: AMM (2016).

La cantidad de energía que se puede obtener a partir del carbón, búnker y diésel, está correlacionada con sus propiedades fisicoquímicas. Por lo tanto, a continuación, en la Tabla 1 se presentan las propiedades de los combustibles fósiles, utilizados en Guatemala.

Combustible Poder Calorífico Densidad
Carbón (Hulla Bituminosa) 27
Bunker C (Fuel Oil No.6) 150,000 42.6 7.998-8.108 lbs/gal
Diésel 142,200 43.1 0.832 kg/l

Tabla 1: Propiedades físico químicas del carbón, búnker C, y diésel. Fuente: INCYT (2017).


Mapa 1: Plantas térmicas operando con combustibles fósiles en Guatemala. Potencia instalada representada por tamaño de círculo. Fuente: CNEE (2017).