Las microturbinas de gas son máquinas de combustión basadas en el mismo principio que las turbinas convencionales pero simplificando los elementos mecánicos.
Las turbinas para generación de energía, constan habitualmente de un compresor de aire de varias etapas, una cámara de combustión y varias etapas de turbina en las que se absorbe toda la energía de los gases de escape. El movimiento de las turbinas de generación (usadas habitualmente en centrales de cogeneración) está entre las 15.000 y las 20.000 revoluciones. Para poder realizar el acoplamiento a un generador, se usa un reductor mecánico que ajusta la velocidad a unas 1.500 rpm.
Ilustración 1: Turbina de generación convencional
Las Microturbinas simplifican todos estos elementos quedando únicamente una pieza móvil en toda la máquina. Esta pieza móvil contiene la única etapa de compresor, la única etapa de turbina y el eje del alternador. El conjunto gira sobre unos cojinetes de aire que permiten alcanzar las 96.000 rpm. Para poder adaptar la corriente generada a una corriente aterna de 50 Hz útil, se utiliza electrónica de potencia. Se genera corriente alterna a frecuencia variable, se convierte a corriente continua y, mediante un inversor, se vuelve a convertir en corriente alterna. De este modo, el movimiento de la máquina es independiente de la frecuencia de la red y, podemos decir que la máquina está permanentemente sincronizada. Esta sincronización permanente o este acoplamiento por inversor, facilita la conexión de las microturbinas tanto a las redes de baja tensión de los centros consumidores como a los cuadros de conexión a la red. No es necesario ningún elemento intermedio, la microturbina conecta directamente y sincroniza al conectarla a un cuadro de baja tensión.
En el inversor, las microturbinas ya disponen de las protecciones eléctricas de baja tensión y el hecho que la máquina pueda girar a diferentes revoluciones sin perder el sincronismo, hace la conexión muy sencilla y fiable.
Ilustración 2: Única parte móvil de una microturbina Capstone
Ilustración 3: Sección de una microturbina Capstone C65
Por lo que se refiere a la parte termodinámica, la microturbina sigue un ciclo de Brayton regenerativo mejora su rendimiento eléctrico al utilizar un recuperador de calor de los gases a la salida de la cámara de combustión para precalentar el aire comburente después del compresor. Con ello se consigue que una turbina de tan solo 65 kW eléctricos tenga un rendimiento eléctrico del 29% comparable al de turbinas de tamaños 100 veces mayor. El nuevo modelo de Capstone de 200 kW tiene ya un rendimiento eléctrico del 33%.
Ilustración 4: Ciclo de Brayton
A pesar de esta reducción en la temperatura de los gases de escape, todavía nos queda más del 50% de la potencia térmica del combustible en forma de calor aprovechable a unos 300 ºC. Disponer de todo el calor a esta temperatura y en forma de gases, facilita también su recuperación y aplicaciones frente a los motores alternativos.
Por su simplicidad mecánica las microturbinas aceptan diferentes tipos de combustibles y, variando los inyectores y el programa electrónico, se consigue utilizar desde biogás de vertedero con tan solo el 35% de metano a GLP con PCI muy elevado. Esta capacidad de adaptarse a diferentes calidades del biogás sin perder rendimiento, hace de la microturbina la máquina de combustión ideal para instalaciones como vertederos o depuradoras de tamaño pequeño o mediano.
Ilustración 5: Ciclo regenerativo de una microturbina
Por lo que se refiere a los elementos contaminantes, las microturbinas Capstone aceptan entre 5.000 y 70.000 ppmv de H2S dependiendo del modelo. Estos valores no son posibles si se realiza recuperación térmica por las condensaciones ácidas que hay en los gases de escape pero, nos da una idea, de la capacidad enorme de trabajar con combustibles “no convencionales”.
En resumen las microturbinas se adaptan perfectamente a los combustibles no convencionales como el biogás y permiten mantener una elevada eficiencia energética a cargas parciales. Esto se debe a la capacidad de una microturbina de mantener el 85% del rendimiento eléctrico cuando trabaja solo al 50% de su carga y a la modularidad que supone instalar varias turbinas que pueden arrancar y parar en función de la cantidad de biogás, a un solo motor de mayor tamaño que tendrá muchos problemas para seguir en funcionamiento a bajas cargas parciales. Además, con la modularidad, se optimizan los costes de mantenimiento ya que los equipos parados no computan mientras que un gran equipo a una baja carga, sigue contabilizando horas de operación cuyo coste de mantenimiento repercutido por kWh generado será mayor.