Reducción del consumo de agua para la refrigeración de las centrales de generación térmica

La forma más eficiente desde el punto de vista energético de enfriar las plantas térmicas es utilizar el sistema una vez a través del cual “el agua se extrae de las masas de agua cercanas, 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 una vez a través no reciclan el agua de refrigeración, esto conduce a volúmenes muy altos de extracciones diarias de agua. Las estructuras de admisión de agua en las plantas de energía con enfriamiento una vez a través pueden matar a varios millones de peces anualmente, 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 que se requiere para operar sistemas de refrigeración a través 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 alternativas de enfriamiento que reducen considerablemente el uso de agua en comparación con los sistemas de refrigeración que una vez se caen.

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 tosidas, 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 retirada, el enfriamiento húmedo recirculante todavía puede ser problemático en condiciones de escasez severa de agua.

El enfriamiento seco se basa en el 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 seco directo utiliza un condensador refrigerado por aire más o menos como en un radiador de automóvil. Emplea aire forzado de alto flujo a través de un sistema de tubos aletas en el condensador dentro del cual circula el vapor. Por lo tanto, transfiere el calor del vapor al aire ambiente directamente. El enfriamiento de una central eléctrica de esta manera requiere menos del 10 % del agua utilizada en una planta refrigerada por humedad equivalente. Alrededor del 1-1,5 % de la salida 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 húmedo de recirculación, pero el agua que se utiliza es cerrada y enfriada por un flujo de aire a través de tubos aletas en una torre de enfriamiento. Por lo tanto, el calor se transfiere al aire por medio de un proceso menos eficiente que el enfriamiento húmedo, pero mejorando en el enfriamiento seco directo, ya que el uso de energía es solo el 0,5 % de la producción. Según EIA, había 719 sistemas una vez en funcionamiento, 819 sistemas de recirculación, y solo 61 sistemas de refrigeración en seco e híbridos instalados en los EE.UU. en 2012. A falta de información análoga para la UE y suponiendo que se apliquen aproximadamente los mismos niveles de madurez tecnológica al sector eléctrico en 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 convencional de carbón, cuantifica el uso del agua de opciones alternativas de refrigeración de dos maneras: la extracción de agua, es decir, la cantidad de agua que se extrae de la cuenca del agua y luego, posiblemente y parcialmente, se devuelve a ella; y el consumo de agua, es decir, cuánta agua extraída se transforma en vapor y, por lo tanto, no regresa directamente a la cuenca del agua después de enfriarse. Para los sistemas de enfriamiento seco, ambos ascienden a 0 l/MWh. Los requisitos de extracción de agua para los sistemas de refrigeración de una sola vez y de ciclo cerrado son, respectivamente, unos 75.710-189,270 litros por megavatio-hora (l/MWh) y 1.890-4,540 l/MWh. El consumo de agua, por otro lado, da como resultado alrededor de 380-1,200 l/MWh para una vez y 1,820-4,169 l/MWh para enfriamiento de ciclo cerrado. Por lo tanto, los sistemas de una sola vez extraen más agua de la cuenca, pero también le devuelven más agua que los sistemas de ciclo cerrado. Sin embargo, es el proceso de retirada lo que produce efectos negativos más graves en el medio ambiente, al matar directamente la fauna fluvial y al devolver el agua a una temperatura por encima de los rangos ecológicamente deseables.

Categorías del IPCC

Estructural y físico: Opciones de ingeniería y entorno construido, Estructural y físico: Opciones tecnológicas

Participación de partes interesadas

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 planta. 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, se pueden establecer medidas de mitigación y compensación, por ejemplo, diseñando y colocando la planta para minimizar la visibilidad de sus infraestructuras más prominentes de las zonas habitadas cercanas, o mediante el cribado mediante la plantación de árboles alrededor de la planta o mediante la construcción de colinas artificiales (berms de suelo) que se mezclan con el paisaje natural y bloquean la vista de la planta. Las comunidades locales pueden ser compensadas directamente financieramente por la pérdida de bienestar causada por los impactos estéticos sufridos, o se pueden emprender otras acciones compensatorias, como la construcción de infraestructuras socialmente útiles como parques, escuelas, etc.

Dado que estas opciones reducen la extracción de agua de una cuenca, se espera que sean vistas favorablemente por las partes interesadas que dependen de los mismos recursos hídricos que las centrales eléctricas que aplican estas medidas. 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.

Factores de éxito y limitantes

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

Ambas opciones de enfriamiento en seco proporcionan mucha mayor flexibilidad en la ubicación de las nuevas centrales eléctricas, ya que se vuelve independiente de la disponibilidad de una gran masa de agua. El principal inconveniente de esta opción radica en sus costos económicos. Con ambos tipos de enfriamiento seco, la transferencia de calor es significativamente menos eficiente que con opciones de enfriamiento «húmedas», y por lo tanto requiere plantas de enfriamiento muy grandes y mecánicamente complejas. Esto resulta en mayores costos. El funcionamiento de un sistema de refrigeración en seco requiere de hecho el 1-1,5 % de la potencia 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 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 funcionamiento varían según 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 seco, en comparación con un sistema «húmedo», que basa su potencial en temperaturas mucho más bajas de bombilla húmeda.

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

Costes y beneficios

Obviamente, las cifras de costos varían con las condiciones específicas de cada planta. Sin embargo, en general US DOE (2009) informa que los sistemas de refrigeración 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 refrigeración húmeda 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 el aumento en los costos asequibles.

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

Aspectos legales

La elección del sistema de refrigeración es una parte importante del diseño de una planta de energía. Está sujeto a los procesos de autorización aplicados para otorgar el permiso para construir y operar centrales eléctricas, que varían de un país a otro. Dado que los sistemas de refrigeración en seco son menos eficientes energéticamente que otros sistemas de refrigeración, por el momento ocupan el último lugar en el orden de las Mejores Tecnologías Disponibles de la UE para la refrigeración, y están superados por la refrigeración de torres de recirculación. Si bien no se excluye el uso de refrigeración en seco, se limita a lugares con recursos hídricos muy restringidos o con preocupaciones ambientales particulares relacionadas con el uso del agua.

Para las unidades grandes, también deben tenerse en cuenta las implicaciones de seguridad relativas a la eliminación del calor de descomposición después de un cierre de emergencia con pérdida de energía.

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

Tiempo de implementación

Para las plantas nuevas, el tiempo de implementación es el mismo que para las plantas a las que pertenecen. Para readaptaciones, varía con las tecnologías. Para reemplazar un sistema de transmisión, un estudio sobre la modernización de las centrales eléctricas costeras californianas (Tetra Tech, 2008) indica un tiempo de inactividad de la planta (para permitir la instalación y conexión del nuevo sistema de refrigeración) de seis semanas como una estimación conservadora para las plantas fósiles, mientras que la adaptación del sistema de refrigeración de las centrales nucleares podría requerir hasta 12 meses debido a su complejidad técnica.

Tiempo de vida

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

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Referencias: