Reducción del consumo de agua para la refrigeración de plantas de generación térmica

La forma más eficiente de enfriar las plantas térmicas es utilizando el sistema de una sola vez, por el cual "el agua se retira de los cuerpos de agua cercanos, se desvía a través de un condensador donde absorbe el calor del vapor y luego se descarga de nuevo a su fuente original a temperaturas más altas. Debido a que los sistemas de refrigeración de una sola vez no reciclan el agua de refrigeración, esto conduce a volúmenes muy altos de extracciones diarias de agua. Las estructuras de ingesta de agua en las centrales eléctricas con enfriamiento de una sola vez pueden matar a varios millones de peces al año, y la descarga térmica aguas abajo también puede dañar a los organismos acuáticos, afectando a todos los ecosistemas acuáticos. Además, el gran volumen de agua necesario para el funcionamiento de los sistemas de refrigeración de una sola vez hace que las centrales eléctricas sean especialmente vulnerables en tiempos de sequía y calor extremo» (NDRC 2014).

La refrigeración de la torre de recirculación y la refrigeración en seco son opciones de refrigeración alternativas que reducen considerablemente el uso de agua en comparación con los sistemas de refrigeración de una sola vez.

La refrigeración de la torre de recirculación todavía prevé una ingesta de agua de fuentes externas, pero la cantidad retirada es un 95% menor que en los sistemas de refrigeración una vez sembrados, con una reducción comparable de los impactos negativos en los ecosistemas. El agua se mantiene circulando en el sistema, absorbiendo el calor del vapor utilizado para generar energía a través de un condensador y liberándolo a través de la evaporación dentro de una torre de enfriamiento. Sin embargo, dado que el enfriamiento tiene lugar a través de la evaporación de una fracción del agua extraída, la recirculación del enfriamiento húmedo aún puede ser problemática en condiciones de escasez severa de agua.

El enfriamiento en seco depende del aire como medio de transferencia de calor, en lugar de la evaporación del circuito del condensador. Como resultado, las pérdidas de agua son mínimas. Hay dos tipos básicos de técnicas de enfriamiento en seco disponibles. El enfriamiento directo en seco utiliza un condensador refrigerado por aire casi como en un radiador de automóvil. Emplea aire forzado de alto flujo a través de un sistema de tubos aletados en el condensador dentro del cual circula el vapor. De este modo, transfiere directamente el calor del vapor al aire ambiente. Enfriar una planta de energía de esta manera requiere menos del 10% del agua utilizada en una planta equivalente enfriada por humedad. Alrededor del 1-1.5% de la producción de la central eléctrica se consume para impulsar los grandes ventiladores. Un diseño alternativo incluye un circuito de enfriamiento del condensador como en el enfriamiento de recirculación húmeda, pero el agua que se utiliza es encerrada y enfriada por un flujo de aire a través de tubos aletados en una torre de enfriamiento. Por lo tanto, el calor se transfiere al aire mediante un proceso menos eficiente que el enfriamiento húmedo, pero mejorando el enfriamiento directo en seco, ya que el uso de energía es solo el 0,5% de la producción. Según la EIA, había 719 sistemas de un solo paso, 819 sistemas de recirculación y solo 61 sistemas de refrigeración en seco e híbridos instalados en los Estados Unidos en 2012. A falta de información análoga para la UE y suponiendo que aproximadamente los mismos niveles de madurez tecnológica se apliquen al sector de la electricidad en todos los países desarrollados, es posible suponer que la refrigeración seca/híbrida representa menos del 4 % de todos los sistemas de refrigeración instalados en centrales térmicas de la UE.

NDRC, tomando como referencia una central eléctrica de carbón convencional, cuantifica el uso del agua de las opciones alternativas de refrigeración de dos maneras: las extracciones de agua, es decir, la cantidad de agua que se extrae de la cuenca hidrográfica y luego, posiblemente y parcialmente, se devuelve a ella; y el consumo de agua, es decir, la cantidad de agua extraída se transforma en vapor y, por lo tanto, no se devuelve directamente a la cuenca hidrográfica después de la refrigeración. Para los sistemas de refrigeración en seco, ambos ascienden a 0 l/MWh. Los requisitos de extracción de agua para los sistemas de refrigeración de una sola pasada y los sistemas de refrigeración de ciclo cerrado son, respectivamente, de entre 75 710 y 189 270 litros por megavatio-hora (l/MWh) y entre 1 890 y 4 540 l/MWh. El consumo de agua, por otra parte, da lugar a unos 380-1 200 l/MWh para la refrigeración de una sola pasada y a 1 820-4 169 l/MWh para la refrigeración de ciclo cerrado. Por lo tanto, los sistemas de una sola vez extraen más agua de la cuenca hidrográfica, pero también le devuelven más agua que los sistemas de ciclo cerrado. Sin embargo, es el proceso de retirada el que produce efectos negativos más graves en el medio ambiente, matando directamente a la fauna fluvial y devolviendo el agua a una temperatura superior a los rangos ecológicamente deseables.

La participación de las partes interesadas es una parte importante del proceso de autorización de las centrales de generación de electricidad, pero es difícil extrapolar las implicaciones para un componente específico de la central. Las torres de enfriamiento, que pueden tener más de 50 m de altura, son posiblemente uno de los componentes más visibles de una planta, y por lo tanto puede haber una oposición local al impacto estético negativo de una torre imponente en un paisaje. Sin embargo, pueden establecerse medidas de mitigación y compensación, por ejemplo, diseñando y ubicando la planta para minimizar la visibilidad de sus infraestructuras más destacadas desde zonas habitadas cercanas, o examinándola plantando árboles alrededor de la planta o construyendo colinas artificiales (bermas del suelo) que se mezclen con el paisaje natural y bloqueen la vista de la planta. Las comunidades locales pueden ser directamente compensadas financieramente por la pérdida de bienestar causada por los impactos estéticos sufridos, o pueden emprenderse otras acciones compensatorias, como la construcción de infraestructura socialmente útil como parques, escuelas, etc.

Dado que estas opciones reducen las extracciones de agua de una cuenca, se espera que las partes interesadas que dependen de los mismos recursos hídricos que las centrales eléctricas que aplican estas medidas las vean favorablemente. Los cambios resultantes en los derechos de uso del agua deben debatirse entre todas las partes interesadas y acordarse con ellas y con las autoridades de las cuencas hidrográficas en consecuencia.

La refrigeración de la torre de recirculación es aproximadamente un 40% más costosa (DOE de EE. UU., 2009) que la refrigeración húmeda de una sola vez, y se puede aplicar cuando la disponibilidad de agua es limitada o es necesario reducir el impacto del arrastre y el impacto y las descargas térmicas.

Ambas opciones de refrigeración en seco proporcionan una flexibilidad mucho mayor en la ubicación de nuevas centrales eléctricas, ya que se independiza de la disponibilidad de una gran masa de agua. El principal inconveniente de esta opción radica en sus costes económicos. Con ambos tipos de refrigeración en seco, la transferencia de calor es significativamente menos eficiente que con las opciones de refrigeración «húmeda», por lo que requiere instalaciones de refrigeración muy grandes y mecánicamente complejas. Esto resulta en costos más altos. El funcionamiento de un sistema de refrigeración en seco requiere de hecho 1-1,5% de la energía generada por la planta, en comparación con el 0,5% de un sistema de recirculación y prácticamente cero para una sola vez. La física de la evaporación aplicada en las torres de enfriamiento húmedo permite, de hecho, una transferencia de calor más eficiente que la del vapor o el agua al aire a través de aletas metálicas, y por lo tanto aumenta toda la eficiencia técnica y económica de la planta. Tenga en cuenta que la eficiencia térmica y, por lo tanto, las condiciones económicas de operación varían con las condiciones climáticas de la ubicación de las plantas, y pueden ser considerablemente diferentes en toda Europa.

Esto apunta a una segunda limitación técnica del enfriamiento en seco: en un clima cálido, el aire ambiente con temperaturas superiores a 40 ° C reduce sustancialmente el potencial de enfriamiento de un sistema de enfriamiento en seco, en comparación con un sistema «húmedo», que basa su potencial en temperaturas de bulbo húmedo mucho más bajas.

Una posible salida podría ser un sistema híbrido seco / recirculador. El enfriamiento en seco podría usarse en condiciones de escasez de agua y podría combinarse con un uso limitado de un sistema de torre de enfriamiento de recirculación cuando las temperaturas alcanzan su punto máximo. El sistema de refrigeración de la torre de recirculación también se puede utilizar durante períodos en los que hay abundancia de agua.

Las cifras de costos obviamente varían con las condiciones específicas de cada planta. Sin embargo, en general, US DOE (2009) informa que los sistemas de enfriamiento de recirculación húmeda son un 40% más caros que los sistemas de paso, mientras que los sistemas de enfriamiento seco son de tres a cuatro veces más caros que un sistema de enfriamiento húmedo de recirculación. Por el momento, los sistemas de recirculación húmeda son considerados la mejor tecnología disponible para el enfriamiento de plantas térmicas por la Agencia de Protección Ambiental de los Estados Unidos (EPA), ya que minimizan el impacto en los ecosistemas hídricos al tiempo que mantienen asequible el aumento de los costos.

En el lado positivo, tanto los sistemas de recirculación como los sistemas secos prácticamente no tienen consumo de agua ni impacto en los ecosistemas hídricos, lo que puede compensar al menos parcialmente los costos adicionales de capital y operación, en particular en condiciones de escasez de agua provocada por el cambio climático.

La elección del sistema de refrigeración es una parte importante del diseño de una central eléctrica. Está sujeto a los procesos de autorización aplicados para otorgar el permiso para construir y operar centrales eléctricas, que varía de un país a otro. Dado que los sistemas de refrigeración en seco son menos eficientes energéticamente que otros sistemas de refrigeración, en el momento en que ocupan el último lugar en el orden de las mejores tecnologías disponibles de la UE para la refrigeración, y se superan por la refrigeración de la torre de recirculación. Si bien no se excluye el uso de refrigeración en seco, se limita a lugares con recursos hídricos muy limitados o con preocupaciones ambientales particulares relacionadas con el uso del agua.

Para las unidades grandes, también se deben considerar las implicaciones de seguridad relacionadas con la eliminación del calor de descomposición después de un apagado de emergencia con pérdida de potencia.

Las modificaciones de los acuerdos de uso del agua resultantes de la reducción de las necesidades hídricas de las plantas que aplican estas opciones deben acordarse formalmente con las autoridades de las cuencas hidrográficas, sobre la base de consultas con todas las partes interesadas afectadas.

En el caso de las nuevas instalaciones, el tiempo de ejecución es el mismo que el de las instalaciones a las que pertenecen. Para las adaptaciones, varía con las tecnologías. Para sustituir un sistema de transmisión, un estudio sobre la adaptación de las centrales eléctricas costeras californianas (Tetra Tech, 2008) indica un tiempo de inactividad de la central (para permitir la instalación y conexión del nuevo sistema de refrigeración) de seis semanas como estimación conservadora para las centrales fósiles, mientras que la adaptación del sistema de refrigeración de las centrales nucleares podría requerir hasta doce meses debido a su complejidad técnica.

La vida útil es la misma que la de la planta de generación de electricidad a la que pertenece la medida específica. La vida útil de las centrales térmicas varía con la tecnología: las centrales nucleares, aunque su vida útil de diseño suele ser de 40 años, pueden seguir funcionando hasta 70 años (Scientific American, 2009), mientras que las centrales de combustibles fósiles varían entre 25 y 50 años (plantas de gas natural y carbón, respectivamente).