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Centrales eléctricas térmicas

El agua permite de manera indirecta la generación de electricidad al enfriar las centrales eléctricas que usan el calor para hacer vapor que propulsa una turbina de vapor. Estas instalaciones termoeléctricas comprenden alrededor del 75% de las centrales eléctricas del mundo. El enfriamiento con agua se usa para proteger el equipo y aumentar la eficiencia. En general, el sector eléctrico es el usuario más grande de agua en los Estados Unidos, responsable de casi la mitad de todas las extracciones de agua (más de 606 mil millones de litros al día [161 mil millones de galones], incluyendo agua de mar), principalmente de agua superficial.1M.A. Maupin et al., “Estimated use of water in the United States in 2010”, U.S. Geological Survey Circular 1405, 5 de noviembre de 2014, accedido el 26 de agosto de 2016, doi: 10.3133/cir1405. Cuando tomamos en cuenta solo las extracciones de agua dulce, entonces las centrales eléctricas y la agricultura cada una extrae aproximadamente 435 mil millones de litros al día (115 mil millones de galones). La agricultura utiliza significativamente más agua subterránea para el riego. El sector de la minería, que incluye la extracción para la producción de combustibles, requiere otros 19 mil millones de litros al día (5 mil millones de galones), y el sector industrial, que incluye las refinerías y otras instalaciones para mejorar los combustibles, es responsable de otros 61 mil millones de litros al día en extracciones (16 mil millones de galones).

La mayor parte del agua que se extrae para enfriar las centrales eléctricas regresa a la fuente, aunque a una temperatura y calidad diferentes. La cantidad de agua extraída y consumida por las centrales eléctricas térmicas depende de una mezcla de factores que incluyen el combustible (carbón, gas, nuclear, etc.), el diseño de las turbinas, la tecnología de enfriamiento y el clima local. Las centrales eléctricas nucleares requieren más agua porque, a diferencia de las centrales eléctricas propulsadas por carbón o gas natural, no pueden liberar ningún desecho de calor a la atmósfera a través de chimeneas. El beneficio de este escenario es que a las centrales eléctricas nucleares les faltan emisiones, pero la desventaja es que las vías fluviales absorben su desecho de calor.

Los tres métodos de enfriamiento más comunes son circuito abierto, circuito cerrado y enfriamiento por aire. En promedio, se extraen alrededor de 57 litros de agua (15 galones) y se consumen un poco menos de 4 litros (1 galón) por cada kilovatio-hora (kWh) de electricidad generada en los Estados Unidos. Debido a que las casas típicas en EE.UU. utilizan entre 10 y 40 kWh de electricidad al día, la generación de electricidad por sí sola requiere entre 1,100 y 2,300 litros de agua para enfriar al día (entre 300 y 600 galones). Esa misma casa puede consumir otros 570 litros adicionales al día (150 galones) para lavar, cocinar, tomar y regar el jardín. Eso significa que indirectamente usamos de dos a cuatro veces más agua para nuestras luces y enchufes que directamente para nuestros grifos y duchas.

El enfriamiento de circuito abierto (paso único) extrae grandes volúmenes de agua superficial salina o dulce, la pasa una vez a través de la central eléctrica, y la regresa casi toda a la fuente con pequeñas cantidades consumidas a lo largo del proceso por la evaporación. Si bien el enfriamiento de circuito abierto es eficiente y tiene costos bajos de infraestructura y operación, el agua desechada es más caliente que el agua a temperatura ambiente, lo que causa contaminación térmica, que puede dañar los ecosistemas acuáticos. Como resultado, las agencias ambientales regulan las temperaturas de las descargas, tomando en cuenta la capacidad de disipación de calor del cuerpo de agua. Si los operadores de una central eléctrica regresan el agua por encima de la temperatura aprobada, incurren en una multa y pueden ser forzados a limitar sus operaciones. Además, los sistemas de toma de agua en las centrales eléctricas pueden dispersar y afectar la vida acuática.

Antes de su cierre a finales de 2014, el permiso de descarga de Vermont Yankee les permitía elevar la temperatura del río tanto como 7°C (13°F) durante los meses de invierno y tanto como 3°C (5°F) en el verano y otoño. La central pudo descargar hasta 2 mil millones de litros (543 galones) de agua calentada al día, y parte de ella a temperaturas tan calientes como 41°C (105°F). Ese flujo de agua caliente podía llegar tan lejos como 89 kilómetros (55 milas) corriente abajo.

La imagen estereotípica de una torre de enfriamiento de circuito cerrado es una parábola de concreto inversa con nubes blancas de vapor de agua escapando a la atmósfera. Las torres de enfriamiento extraen agua y luego la ponen a circular nuevamente hasta que se evapora, lo que produce un efecto de enfriamiento. Debido a que la evaporación induce al enfriamiento, las torres de enfriamiento de circuito cerrado consumen el agua que toman.

Para el año 2005, 43% de las centrales eléctricas térmicas de los EE.UU. eran instalaciones grandes de electricidad con una capacidad de generación de más de 100 MW. De estas centrales eléctricas grandes, 42% usaba torres de enfriamiento de circuito cerrado y un poco más de 14% usaba embalses de enfriamiento. El 43% restante de estas centrales eléctricas grandes usan enfriamiento de pase único, y un poco menos de 1% usa enfriamiento seco, que también se conoce como enfriamiento por aire.2C. W. King, A. S. Stillwell, K. T. Sanders y M. E. Webber, “Coherence between water and energy policies,” Natural Resources Journal 117 (2013); y National Energy Technology Laboratory, Estimating Freshwater Needs to Meet Future Thermoelectric Generation Requirements (Laboratorio Nacional de Tecnología de Energía del Departamento de Energía de EE.UU., 2008), DOE/NETL-400/2008/1391. La mayoría de esas centrales eléctricas con sistemas de enfriamiento de pase único fueron construidas antes de la aprobación de la Ley de Agua Limpia en la década de los 70. Muchas de ellas también evitaron los controles estrictos de emisiones porque fueron construidas antes de que la legislación que regula la contaminación del aire por parte de las centrales eléctricas se convirtiera en ley. Ya sean más viejas, sucias o sedientas, el cierre de centrales eléctricas a cambio de centrales más nuevas, limpias y eficientes sigue siendo un tema álgido en los debates de políticas públicas.

Debido a las preocupaciones ecológicas, la Comisión de Tierras del Estado de California propuso una suspensión de la construcción de centrales eléctricas más nuevas con sistemas de enfriamiento de circuito abierto en la costa. Sin embargo, esta propuesta entra en conflicto con un esfuerzo por separado de fomentar centrales eléctricas nuevas en las regiones costeras en donde el enfriamiento de circuito abierto puede usar agua de mar en lugar de agua dulce del interior.3Resolución propuesta por la Comisión de Tierras del Estado de California sobre el enfriamiento de pase único en las centrales eléctricas de California (Sacramento: Comisión de Tierras del Estado de California, 2006), accedido el 27 de agosto de 2016, enlace. En otras palabras, las preocupaciones ecológicas sobre la vida silvestre oceánica están en conflicto directo con las preocupaciones ecológicas sobre el suministro de agua dulce en el interior. Sin embargo, para la conservación, eficiencia y uso de opciones alternativas conservadoras de agua, es posible satisfacer al mismo tiempo los objetivos ecológicos en conflicto.

La Estación Generadora Nuclear San Onofre en las afueras de San Diego, California, usaba agua del Océano Atlántico para enfriar sus sistemas. El propietario de la central cerró permanentemente las instalaciones en el 2013.

Existen tecnologías de enfriamiento con mayor eficiencia de agua; sin embargo, esos sistemas tienen algunas desventajas. Los sistemas de enfriamiento seco operan como los radiadores en los automóviles al poner en circulación un refrigerante dentro de una serie de tuberías cerradas junto con aire que sopla sobre el sistema para enfriar las tuberías. Los sistemas de enfriamiento por aire extraen y consumen menos de 10% de agua que los sistemas de enfriamiento mojado.4C. Kutscher et al. “Hybrid Wet-Dry Cooling for Power Plants,” (presentado en el taller Parabolic Trough Technology, Incline Village, Nevada, 14-16 de febrero de 2006).  Sin embargo, los sistemas de enfriamiento seco tienen costos capitales más altos, y reducen la eficiencia general de la central, lo que aumenta los costos y las emisiones por unidad de electricidad generada. Debido a que la capacidad de calor del aire es mucho más baja que la del agua, los sistemas de enfriamiento por aire requieren mucho más aire para llegar al mismo enfriamiento que el agua. Por lo tanto, los sistemas de enfriamiento seco requieren instalaciones mucho más grandes para crear superficies de enfriamiento más grandes, lo que aumenta dramáticamente los costos capitales. Además, una central eléctrica con enfriamiento seco puede experimentar una pérdida de 1% de eficiencia por cada grado que aumenta de temperatura, limitando la capacidad de generación de electricidad cuando no está haciendo calor afuera.

Un sistema de enfriamiento seco, como esta unidad de condensador, no requiere agua pero es más costoso de construir y operar que un sistema de enfriamiento mojado tradicional de circuito abierto o cerrado.

Debido a que incluyen tanto sistemas mojados de circuito cerrado como equipos de enfriamiento seco, los sistemas de enfriamiento híbrido mojado-seco son un compromiso entre los sistemas de enfriamiento mojado y seco.5El sistema de enfriamiento híbrido para central eléctrica de Johnson Controls, Inc. es un ejemplo notable de un diseño híbrido que reduce el uso de agua, consultar: Electric Power Research Institute, “Technology Insights Brief: Thermosyphon Cooler Hybrid System for Water Savings in Power Plants”, Technology Insights: A Report from EPRI’s Innovation Scouts (Palo Alto, Electric Power Research Institute, 2012). Los sistemas de enfriamiento híbrido mojado-seco pueden consumir volúmenes menores de agua la mayor parte del año al operar principalmente en modo seco con la flexibilidad de operar de manera más eficiente en modo mojado durante la época más caliente del año cuando el enfriamiento adicional aumenta la salida de electricidad de la central. Lamentablemente, los recursos de agua están generalmente menos disponibles durante las épocas de demanda pico. Aunque los sistemas de enfriamiento seco y los sistemas de enfriamiento híbrido mojado-seco son tecnologías comprobadas, son generalmente más costosos. No obstante, en las regiones con limitaciones de agua en las que no hay agua disponible para el enfriamiento, el enfriamiento seco es a menudo la única alternativa. En esos casos, el costo capital inicial y la reducción de eficiencia de la central eléctrica son más justificables.

Casi todas las primeras centrales termoeléctricas usaban enfriamiento de circuito abierto. Sin embargo, durante los años 60 y 70, aumentaron las preocupaciones ecológicas sobre el uso de agua por parte del sector de la electricidad, iniciando una era de presión reguladora para reducir el uso de agua en las centrales eléctricas. Una de las piezas clave de legislación fue la Ley de Agua Limpia, que estableció el marco para regular las descargas de contaminación química y térmica a las aguas de Estados Unidos.6“History of the Clean Water Act”, Agencia de Protección Ambiental de EE.UU., accedido el 27 de octubre de 2012, enlace; y “Summary of the Clean Water Act: 33 U.S.C. §1251 et seq. (1972)”, Agencia de Protección Ambiental de EE.UU., accedido el27 de octubre de 2012, enlace.

La Ley de Agua Limpia prohibió la descarga sin permiso de cualquier contaminante desde una fuente puntual a las aguas navegables. Si bien la legislación reguló las fuentes puntuales (lugares individuales como tuberías y canales hechos por el hombre), ignoró fuentes más amplias de contaminación como la escorrentía en un área extensa incluyendo granjas y otras operaciones agrícolas. Aunque las casas generalmente necesitan un permiso para que su agua residual fluya hacia las alcantarillas o sistemas sépticos, las instalaciones industriales, municipales y comerciales deben obtener permisos para descargas que fluyan a las vías fluviales superficiales. La ley también establece regulaciones para los requisitos de toma de las centrales eléctricas. Por consiguiente, las centrales eléctricas construidas después de 1972 han utilizado casi exclusivamente diseños de circuito cerrado con torres de enfriamiento a manera de servir muchos intereses ecológicos reduciendo enormemente la dispersión e impacto en la vida silvestre acuática y reduciendo la contaminación térmica al limitar los retornos de agua caliente.

Image Credits: zhangyang13576997233/Shutterstock.com; Jeffrey M. Phillips/Webber Energy Group; Vaclav Volrab/Shutterstock.com; iofoto/Shutterstock.com; Brisbane/Shutterstock.com.

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