El proceso o reacción físico-química, por la cual obtenemos calor y trabajo de los gases de origen fósil utilizados como combustibles, es la combustión de los mismos. Este proceso se trata básicamente de una oxidación a alta temperatura que presenta un balance energético positivo.
Cada gas tiene un punto de auto-ignición, que en presencia de oxígeno hace que la combustión se mantenga, siempre que la el suministro de oxígeno no cese. El oxígeno para la combustión va a proceder siempre del aire atmosférico, que está formado mayoritariamente >70% por nitrógeno N2, que no interviene en la combustión y un 21% de oxígeno que actúa como oxidante en la combustión.
Los gases combustibles mayoritarios tienen las siguientes formulaciones químicas:
Estos gases producen una combustión en exceso de oxígeno según las siguientes ecuaciones:
La característica común a todas ellas es que consumen oxígeno y producen como subproducto dos gases, dióxido de carbono (CO2) y agua (H2O).
El cálculo del aire necesario para la combustión. Se realiza para que el gas sobrante, que es el nitrógeno del aire, que no interviene en la combustión, actúe como moderador de la temperatura de la combustión, evitando de esta forma que se alcancen temperaturas demasiado elevadas para las máquinas que las utilizan. Alcanzando valores máximos, por ejemplo en el caso de las turbinas de gas, de 1.300 ºC aproximadamente.
Nos centraremos ahora en la combustión del gas más consumido en la península ibérica que es el Gas Natural, cuya composición aproximada en la red de distribución es la siguiente:
Esta mezcla de gases proporciona en la combustión un poder calorífico y una densidad media aproximada:
De forma que cada metro cúbico de volumen suministrado en el punto de consumo en condiciones normales (25ºC y presión atmosférica) contiene 0,79 Kg de gas y proporciona en la combustión una energía equivalente de 11,68 kWh o lo que es lo mismo 4,2 MJ.
Entonces si la energía proporcionada por la combustión de un metro cúbico normal de gas natural es de 11,68 kWh, que es su poder calorífico superior o PCS, ¿qué es el PCI o poder calorífico inferior?.
Aquí hay un asunto curioso y algo injusto desde mi punto de vista, por que la empresa suministradora de gas, nos va a cobrar en el recibo del gas, por los kWh de gas consumidos a PCS. Pero realmente ese no es el calor útil proporcionado por la combustión.
El motivo es que entre los gases de la combustión está el agua, que es líquida a temperatura ambiente, pero que resulta un gas, a las temperaturas a las que se produce la combustión. En otras palabras, parte de los 11,68 kWh de energía que se producen en la combustión, son consumidos por las moléculas de agua que se forman en ésta para el cambio de estado de líquido a en vapor. De esta forma la energía neta finalmente proporcionada por la combustión es de alrededor de 10,52 kWh por metro cúbico. Cantidad a la que denominamos poder calorífico inferior, y frente a la cual son medidos todos los parámetros térmicos de las máquinas e instalaciones que utilizan estos gases como combustible.
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