Ni siquiera cerca.
Casi toda la generación de energía moderna (excepto las células solares y las turbinas eólicas) se basa en la turbina de vapor, que se entiende mejor por el ciclo de Rankine. Hay otros factores involucrados, pero en su mayor parte la eficiencia de una turbina o turbinas de vapor (si está en serie) está determinada por la temperatura de la fuente de calor y la temperatura del disipador de calor.
Por qué debería ser bastante obvio. La temperatura es una medida de la energía que tiene un sistema. La mayoría de los sistemas, como digamos un tazón de agua, tienen muy poca energía. El agua simplemente se sienta allí y no se mueve mucho porque no tiene mucha energía. Su temperatura es baja.
Pero, agregue energía en forma de calor a esa agua, y se vuelve más interesante. Agregue suficiente energía y el agua comienza a hervir, comienza a cambiar de agua a vapor. Ahora el vapor tiene mucha energía, y no se sienta plácidamente en un tazón. Se expande hacia afuera, llenando una habitación o más. De hecho, si toma un volumen de agua determinado y lo hierve, el volumen de vapor que tenga será 1600 veces mayor que el volumen de agua.
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Es esa gran expansión en volumen de la que se aprovechan las centrales térmicas. Si el agua hierve y se expande y la canalizas correctamente (como por ejemplo a través de tuberías), puedes usar ese vapor que fluye para impulsar un pistón o una turbina.
Por lo tanto, debería ser bastante obvio que cuanto más caliente es algo, más energía contiene. Pero, ¿qué pasa con la temperatura del disipador de calor? Bueno, cuanto más frío es el disipador de calor, más frío sale el vapor de la turbina. ¿Y qué, preguntas?
Piensa en ello de esta manera. Digamos que entras en una tienda con cien dólares en tu bolsillo y sales con 20 dólares restantes. Eso significa que esa tienda extrajo 80 dólares de usted. Digamos que luego entró a otra tienda al día siguiente con otros cien dólares y salió con 5 dólares. La primera pregunta debería ser, ¿de dónde sacas todo este dinero? Pero la segunda pregunta debería ser, ¿qué tienda fue más eficiente para extraer su dinero? Obviamente el segundo, porque extrajeron más dinero de ti.
Por lo tanto, cuanto mayor sea la temperatura de entrada a una turbina y más fría sea la temperatura de salida, mayor será el cambio de temperatura en la turbina, y eso significa más energía extraída. La mayoría de las plantas modernas tienen una eficiencia de entre 30 y 35%, lo que significa que, para una cantidad determinada de calor, extraen aproximadamente un tercio de la energía de ese calor y la convierten en energía mecánica, como por ejemplo una turbina giratoria.
Entonces, la pregunta es, ¿qué tan alto podemos llegar a la temperatura? La respuesta es bastante alta, pero hay otro problema. Cuando hierve agua, solo convierte parcialmente el agua en vapor. Parte de ella sigue siendo gotas líquidas arrastradas en el flujo de vapor. En realidad, estas gotas son las que ves cuando “ves” el vapor. El vapor puro es invisible.
La cantidad de vapor que queda como agua determina lo que se conoce como la calidad del vapor. Cuanto mayor sea la calidad, más vapor, menor será la calidad, menos vapor.
Entonces, ¿qué tiene que ver todo esto con la eficiencia? Bueno, el proceso de elevar la temperatura del agua o el vapor en un grado no requiere mucha energía. Pero el proceso de convertir agua en vapor es mil veces más intensivo en energía. Por lo tanto, si está tratando de encontrar la forma más eficiente de mover energía a su turbina, desea el proceso con mayor consumo de energía, y eso está hirviendo. Aumentar la temperatura del vapor realmente no te sirve de nada, o no mucho.
¿Entonces lo que hay que hacer? Bueno, la respuesta es bastante simple. Aumenta la presión sobre el agua. Cuanto mayor es la presión sobre el agua, mayor es la temperatura a la que puede hervir. Y cuanto mayor es la temperatura, más eficiente es la planta.
Entonces, ¿qué tan alto puede ir la presión? Bastante alto, pero nos encontramos con otro problema. En realidad, no es un problema sino una oportunidad (señal de cartel motivacional). A alrededor de 705 grados Fahrenheit, y 3200 libras por pulgada cuadrada, el agua pasa del fluido con buen comportamiento a algo conocido como fluido supercrítico. Los fluidos supercríticos tienen una presión y temperatura tan altas que no se comportan como un líquido o un gas. Son una especie de ambos al mismo tiempo.
Bueno, resulta que los fluidos supercríticos son una forma altamente eficiente de convertir energía, tan buena que están logrando eficiencias de hasta el 45%, lo cual es una locura. Combine eso con el reciclaje del calor residual para procesos industriales y obtendrá una eficiencia fantástica.
Más allá de los fluidos supercríticos se encuentran el uso de compresores de turbina de gas. En estos, un gas comprimido ingresa a un intercambiador de calor, se calienta y se expande, y la expansión del gas se utiliza para impulsar una turbina. Después de que el gas sale de la turbina, entra en un compresor, que aumenta su presión, y luego en otro intercambiador de calor donde se enfría antes de ser enviado de regreso a la fuente de calor. Debido a que las turbinas de gas se pueden combinar con turbinas de vapor en una disposición conocida como ciclo combinado, pueden lograr eficiencias superiores al 60%. Recicla el calor residual y esto supera el 90%.
Por supuesto, el santo grial de la generación de energía es el convertidor de energía directa. Tome un gas ionizado (un plasma) y colóquelo en un campo magnético. El plasma comenzará a girar en un círculo. Coloque conductores alrededor del plasma y generará una corriente. Combine eso con una turbina de gas y una turbina de vapor y ahora tiene más del 90% de eficiencia, y aún puede reciclar el calor residual.
Entonces, como dije, la turbina de vapor de su jardín no está ni cerca de la forma más eficiente de convertir energía en electricidad. Algunos de estos todavía están a años de ser convencionales, pero eventualmente llegarán.