3 Uso indirecto del agua para la generación de energía: Plantas de energía termoeléctricas

Además de la generación directa de energía, el agua permite indirectamente la generación de energía a través de la refrigeración que proporciona para plantas de energía termoeléctricas que operan en el ciclo de vapor (también conocido como ciclo Rankine). Las centrales termoeléctricas utilizan calor para producir energía y son responsables de más del 90% de la electricidad generada en los Estados Unidos (aproximadamente 3500 de los 4000 millones de MWh generados anualmente). La mayoría de esas plantas de energía, que satisfacen el 75% de las necesidades de energía, utilizan el ciclo de vapor, que requiere una refrigeración extensa. Las centrales eléctricas también utilizan agua para la producción de combustibles en la mina o el punto de extracción y para el control de emisiones en la central eléctrica. El sector minero, que incluye las industrias extractivas para la producción de combustibles, requiere otros 4 mil millones de galones por día, y el sector industrial, que incluye refinerías y otras instalaciones para mejorar los combustibles, es responsable de otros 14 mil millones de galones por día de retiros en los Estados Unidos (USGS, 2014).

Como se señaló anteriormente, el sector de la energía es la mayor causa de extracciones de agua, pero el sector agrícola es el mayor consumidor de agua. Este fenómeno se debe a que la mayor parte del agua que se extrae para las centrales eléctricas se devuelve a la fuente, aunque con una calidad diferente (principalmente a una temperatura diferente). El sector de la energía retira principalmente el agua superficial, aunque en algunos lugares también retira el agua subterránea. De las aguas superficiales, aproximadamente un tercio es agua salina. La mayor parte del agua salina extraída es para las plantas de energía de refrigeración ubicadas en la costa (aunque algunas plantas de energía utilizan aguas subterráneas salobres para la refrigeración).

En todo el sector de energía termoeléctrica a nivel nacional, se extraen aproximadamente 15 galones de agua y se consume menos de 1 galón por cada kilovatio-hora de electricidad que se genera. Las represas hidroeléctricas están asociadas con casi 20 galones de agua consumidos por kilovatio-hora, principalmente porque el aumento de la superficie de los embalses artificiales más allá del caudal nominal del río acelera las tasas de evaporación de las cuencas fluviales (Torcellini et al., 2003).

El ciclo de Rankine, que lleva el nombre del famoso termodinamista William Rankine, también se conoce como el ciclo de vapor. Utiliza calor para crear vapor que impulsa una turbina que hace girar un generador para producir electricidad. El ciclo de vapor se utiliza para generar aproximadamente el 75% de toda la energía en los Estados Unidos. Un paso clave en el ciclo de vapor es el enfriamiento para condensar el vapor en agua líquida para que pueda usarse de nuevo en un bucle continuo. Este enfriamiento se puede lograr con una variedad de fluidos, pero debido a la alta capacidad calorífica, la abundancia relativa y la distribución generalizada del agua, es el refrigerante más común del mundo.

Otros ciclos de potencia incluyen el ciclo de Brayton, que también se conoce como ciclo abierto, ciclo simple o turbina de combustión. Estos sistemas a menudo utilizan turbinas que se denominan «aeroderivadas» debido a su linaje con turbinas que se utilizan para la propulsión de aviones. Un ciclo combinado se llama así porque combina un ciclo Rankine y un ciclo Brayton para operar con mayor eficiencia.

Open-loop, or once-through, cooling withdraws large volumes of surface water, fresh and saline, for one-time use and returns nearly all the water to the source with poca parte del agua total que se consume debido a la evaporación. Si bien la refrigeración de circuito abierto es eficiente energéticamente y baja en costos operativos y de infraestructura, el agua descargada es más cálida que el agua ambiente, lo que causa contaminación térmica, que puede matar peces y dañar los ecosistemas acuáticos. Por lo tanto, las agencias ambientales regulan las temperaturas de descarga, teniendo en cuenta la capacidad de disipación de calor de un cuerpo de agua.

La refrigeración de circuito cerrado requiere menos extracción de agua, ya que el agua se recircula mediante el uso de torres de refrigeración o estanques de evaporación (que son depósitos dedicados a la refrigeración de centrales eléctricas). Sin embargo, dado que el enfriamiento se logra esencialmente a través de la evaporación, el enfriamiento de circuito cerrado causa un mayor consumo de agua. La alternativa, la refrigeración por aire, no requiere agua, sino que se enfría mediante el uso de ventiladores que mueven el aire sobre un radiador similar al de los automóviles. Sin embargo, la eficiencia de la planta de energía para la refrigeración por aire es menor, los costos de capital iniciales son más altos y los requisitos inmobiliarios a veces son mayores, lo que a menudo hace que esta opción sea menos atractiva económicamente a menos que los recursos hídricos sean escasos.

A pesar de que las centrales eléctricas devuelven la mayor parte del agua que retiran, la necesidad de cantidades tan grandes de agua a la temperatura adecuada para el enfriamiento introduce vulnerabilidades para las centrales eléctricas. Si una sequía severa o una ola de calor reduce la disponibilidad de agua o restringe su eficacia para el enfriamiento debido a inhibiciones de transferencia de calor o límites de contaminación térmica, el hecho de que la planta de energía consuma tan poca agua se vuelve menos importante que el hecho de que necesite el agua en primer lugar.

Las centrales eléctricas construidas hace más de 50 años utilizan casi exclusivamente diseños de refrigeración de circuito abierto, que tienen extracciones de agua muy altas. Cuando se construyeron estas plantas de energía, el agua se percibía como abundante y las regulaciones ambientales eran prácticamente inexistentes. Durante las décadas de 1960 y 1970, las preocupaciones ambientales sobre el agua aumentaron, iniciando una era de presión regulatoria para reducir el uso de agua en las centrales eléctricas.

La legislación clave fue la Ley de Agua Limpia (Clean Water Act, CWA), que según la Agencia de Protección Ambiental (EPA) «establ establece la estructura básica para regular las descargas de contaminantes en las aguas de los Estados Unidos y regular los estándares de calidad para las aguas superficiales» (EPA CWA Summary, EPA CWA History). La Ley Federal de Control de la Contaminación del Agua de 1948 sirvió de base para el marco regulatorio que más tarde se convirtió en la CWA en el lenguaje popular en 1972 después de una reorganización y expansión significativas. La CWA otorga a la EPA autoridad para implementar programas de control de la contaminación, incluido el establecimiento de estándares de aguas residuales para la industria y estándares de calidad del agua para aguas superficiales.

La CWA prohibió la descarga no permitida de cualquier contaminante de una fuente puntual a aguas navegables, lo que llevó a la creación del programa de permisos del Sistema Nacional de Eliminación de Descargas de Contaminantes (NPDES, por sus siglas en inglés) de la EPA para controlar las descargas. Las fuentes puntuales (es decir, las ubicaciones discretas, como tuberías o zanjas artificiales) están reguladas por el CWA. Si bien los hogares generalmente no necesitan un permiso NPDES para sus flujos de aguas residuales en las alcantarillas o sistemas sépticos, las instalaciones industriales, municipales y de otro tipo deben obtener permisos para sus descargas que van a las aguas superficiales. De esta manera, la CWA regula las descargas de las centrales eléctricas. También regulan los requisitos de admisión.

Las plantas de energía construidas desde entonces han utilizado casi exclusivamente diseños de circuito cerrado con torres de enfriamiento como una forma de servir a muchos intereses ambientales al reducir en gran medida el arrastre (los peces y los organismos acuáticos se retiran del medio ambiente a las instalaciones de la planta de energía) y el impacto (los peces y los organismos acuáticos se fijan contra pantallas de ingesta de agua) de la vida silvestre acuática. Al hacerlo, las extracciones de agua han disminuido en respuesta al §316 (b) de la CWA aprobada en 1972.

También evitan el calentamiento artificial de los ambientes acuáticos, que es una forma de contaminación térmica y está regulada por el §316(a) de la CWA. La sabiduría convencional concluye que las torres de enfriamiento tienen menos impacto que los sistemas de enfriamiento de bucle abierto porque extraen menos agua, a pesar de que las torres de enfriamiento consumen más agua, como se señaló anteriormente.

En la primera década del siglo XXI, el 43% de las centrales termoeléctricas estadounidenses eran grandes instalaciones eléctricas con capacidades de generación de más de 100 MW. De estas grandes centrales eléctricas, el 42% utilizó torres de refrigeración de recirculación húmeda (es decir, de circuito cerrado) y el 14,5% utilizó depósitos de refrigeración. El 43% restante de estas grandes centrales eléctricas utiliza refrigeración de una sola vez, y poco menos del 1% utiliza refrigeración en seco (King et al., 2013). La mayoría de esas plantas con sistemas de enfriamiento de una sola vez se construyeron antes de que se promulgara la CWA o se expidieron una vez que se aprobó la legislación. Muchas de ellas son también las mismas plantas que se construyeron antes de los estrictos controles de emisiones. Esto significa que la mayoría de ellos tienen décadas de antigüedad y están al mismo tiempo sucios y sedientos (excepto los que agregaron depuradores) y que si se cierran a cambio de plantas más nuevas, más limpias y más delgadas sigue siendo un debate de política pública muy disputado.

En el futuro, los nuevos sistemas híbridos y secos podrían tener una mayor implementación debido a los requisitos reglamentarios y la competencia por el agua que se avecinan. Por ejemplo, la Comisión Estatal de Tierras de California propuso una moratoria en la construcción de nuevas plantas de energía con sistemas de enfriamiento de circuito abierto, lo que choca con esfuerzos separados para empujar las plantas de energía a regiones costeras donde el enfriamiento de circuito abierto puede usar agua de mar para ahorrar agua dulce interior (CASLC, 2006). El agua costera tiene mayores beneficios de rendimiento porque se encuentra a una temperatura relativamente más baja, lo que mejora la eficiencia de la planta de energía. Sin embargo, las preocupaciones ambientales sobre la vida silvestre oceánica están en conflicto directo con las preocupaciones ambientales sobre el suministro de agua dulce interior.

Como se señaló anteriormente, existen tecnologías de refrigeración más eficientes en el consumo de agua; sin embargo, estos sistemas tienen inconvenientes. Los sistemas refrigerados en seco extraen y consumen menos del 10% del agua de los sistemas refrigerados en húmedo. Sin embargo, los sistemas de refrigeración en seco tienen costos de capital más altos y reducen la eficiencia general de la planta, lo que aumenta los costos y las emisiones por unidad de electricidad generada. Debido a que la capacidad calorífica del aire es mucho menor que la del agua, se debe mover mucho más aire para lograr el mismo enfriamiento que con el agua. Esto significa instalaciones mucho más grandes para crear las superficies de enfriamiento más grandes en los sistemas de enfriamiento en seco, lo que aumenta drásticamente los costos de capital. Además, una central eléctrica con refrigeración en seco puede experimentar una pérdida de eficiencia del 1% por cada aumento de 1°F del condensador, lo que limita la generación de energía en función de la temperatura del aire ambiente (Kutscher et al., 2006).

Debido a que incluyen refrigeración húmeda y seca de circuito cerrado, los sistemas híbridos de refrigeración húmeda y seca proporcionan un compromiso entre los sistemas de refrigeración húmeda y seca. Por lo tanto, los sistemas híbridos de enfriamiento húmedo–seco pueden tener un bajo consumo de agua durante gran parte del año al operar principalmente en modo seco, pero tienen la flexibilidad para operar de manera más eficiente en modo húmedo durante las épocas más calurosas del año. Desafortunadamente, los recursos hídricos suelen estar menos disponibles durante estas horas de máxima demanda. Aunque los sistemas de refrigeración en seco e híbridos son tecnologías probadas, los bajos precios del agua y los derechos de agua para los generadores de energía generalmente impiden que sean diseños económicamente competitivos. Sin embargo, en regiones con escasez de agua donde no hay agua disponible para la refrigeración, la refrigeración en seco es a menudo la única alternativa. En tales casos, los costos iniciales de capital y las cargas parasitarias de eficiencia son más fácilmente justificables.