Recientemente, las centrales eléctricas térmicas han aparecido bastante en las noticias, principalmente en el contexto de reducciones de carga o cierres totales debido a que el agua de los ríos utilizada para su enfriamiento se calienta demasiado o porque el nivel del río ha descendido hasta un punto en el que ya no puede proporcionar suficiente caudal. Obviamente, esto es un problema, pero ayuda entender cómo llegamos a este punto y qué se puede hacer para solucionarlo.
Las centrales térmicas, también llamadas plantas de energía, vienen en una amplia variedad de formas y tamaños, desde las antiguas plantas de carbón y gas hasta las modernas centrales nucleares. Algo como una estación de energía solar concentrada (CSP) también es una central térmica, ya que todas poseen una fuente de calor utilizada para generar electricidad, ya sea una caldera, el núcleo de un reactor nuclear o una gran cuba de sodio calentada por el Sol a través de espejos masivos o tubos llenos de aceite en colectores parabólicos.
Excepto por las turbinas de gas de ciclo abierto (OCGT), que son básicamente motores a reacción conectados a un generador, esta energía térmica se utiliza para generar vapor que impulsa una turbina de vapor. Una vez que la mayor parte de la energía del vapor se ha agotado, este debe condensarse nuevamente en agua, por ejemplo, para que pueda ser conducido de regreso al generador de vapor. Cómo se realiza este paso de condensación es la pregunta aquí, con una serie de métodos disponibles.
¿Cómo gestionan el calor las centrales térmicas?
La opción más económica de todas es, por supuesto, utilizar el enfriamiento de paso único (once-through cooling) proveniente de un cuerpo de agua cercano. Esto puede ser un lago, río o embalse local. Las desventajas obvias aquí son que uno tiene poco control sobre qué escombros y contaminantes pueden querer filtrarse junto con el agua, ni tampoco se puede controlar la temperatura que tendrá el agua en la toma. Afortunadamente, se puede filtrar la vida silvestre en su mayor parte utilizando sistemas como rejillas que bloquean físicamente la entrada.
Entre las décadas de 1950 y 1990, cuando se construían muchas centrales térmicas nuevas, no existía un problema real en cuanto a las temperaturas de los ríos, con caudales generalmente altos y veranos relativamente suaves, especialmente en Europa. Sin embargo, si observamos, por ejemplo, el caudal de descarga histórico del río Danubio, así como las series temporales del nivel del agua para el periodo 2008–2026 medidas en una ubicación específica, podemos ver que en las últimas décadas hay menos periodos húmedos, más periodos secos y, en general, el nivel del agua desciende con mayor frecuencia a niveles más bajos.
Quizás no sea sorprendente que la temperatura del agua esté directamente correlacionada con la temperatura del aire, con estudios recientes como un artículo de investigación de 2024 de Jiang Sun et al. que muestra una clara tendencia al calentamiento, como se demostró para la cuenca del río Oder (Odra) en Europa central. La tasa de calentamiento difiere según la ubicación, variando de 0.229°C a 0.720°C por década, creando una diferencia leve pero finalmente notable que, en otras ubicaciones que experimentan olas de calor aún más severas como España o Francia, será más pronunciada para sus sistemas fluviales.
Es difícil culpar a los ingenieros de las décadas de 1960 y 1970 por no tener en cuenta este calentamiento y la baja pluviosidad, ya que no habrían tenido control sobre ello, pero no es como si no tuviéramos literalmente décadas de ciencia climática prediciendo lo que sucedería con la quema continua de combustibles fósiles.
¿Por qué las centrales nucleares sufren tanto con el calor?
Una pregunta interesante que uno puede hacerse antes de entrar en los detalles técnicos de la fontanería de una central eléctrica, es por qué parece que son básicamente siempre las centrales nucleares las que parecen verse afectadas por el aumento de las temperaturas, en lugar de otros tipos de centrales térmicas. La respuesta corta es que los reactores de agua ligera son bastante ineficientes, con la respuesta larga implicando una explicación detallada sobre el ciclo de Rankine, la eficiencia térmica y por qué incluso una versión de reactor de agua a presión (PWR) de un reactor de agua ligera (LWR) funciona a una temperatura de núcleo abismalmente baja, lo que resulta en una gran cantidad de calor residual que debe disiparse.
Podemos ver el efecto de esto con las cifras de eficiencia de, por ejemplo, un LWR moderno típico como el VVER-1200, que es de aproximadamente el 35%, a pesar de ser ya un PWR con una eficiencia correspondientemente mayor que un reactor de agua en ebullición (BWR) que opera a presiones atmosféricas. El diseño VVER-440 más antiguo, del cual cuatro unidades han estado operando desde 1982 en la Central Nuclear de Paks en Hungría, tiene una eficiencia aún menor, justo por debajo del 30%.
Idealmente, lo que se desea es una presión y temperatura supercrítica o incluso ultra-supercrítica para una eficiencia óptima. Esta comprensión es lo que ha impulsado la eficiencia térmica de las plantas de carbón al aumentar las temperaturas y presiones del vapor que llega a la turbina de vapor. Con el LWR promedio funcionando en el régimen subcrítico, su eficiencia térmica es bastante baja y, por lo tanto, el calor residual (Qout) es relativamente alto, casi todo lo cual termina siendo vertido en el condensador.
Este parámetro Qout se deriva del teorema de Carnot>). El ciclo de Rankine derivado, centrado en la turbina de vapor, puede usarse para describir el motor térmico típico basado en turbinas de vapor, estableciendo así un límite superior en la eficiencia alcanzable al convertir el calor en trabajo.
Aunque este conocimiento no proporciona inmediatamente una solución para que dichas centrales térmicas subcríticas se vean obligadas a reducir su potencia o incluso cerrarse durante las olas de calor, añade un contexto importante al problema que debe resolverse.
¿Es posible modernizar el enfriamiento de las plantas?
El resultado de todo esto es que en 1979 nadie se preocupaba por la idea de utilizar el enfriamiento de paso único con agua de río para una central nuclear, porque nadie imaginó que tendríamos tanto cambio climático dentro de la vida útil del proyecto. Esto nos deja a los que estamos en 2026 con la pregunta de cuáles son las opciones para solucionar este descuido temporal.
La buena noticia aquí es que solo concierne a algo de fontanería y la construcción de algunas estructuras adicionales. La mala noticia es que es una modernización bastante extensa que hasta ahora ha tenido poca adopción, incluso si hay ejemplos históricos. Uno es la unidad de BWR de doble reactor General Electric Nine Mile Point Clean Energy Center en Nueva York, cuya Unidad 1 cuenta con enfriamiento de paso único del Lago Ontario, mientras que la Unidad 2 utiliza una torre de enfriamiento de tiro natural (NDCT).
Curiosamente, originalmente ambas unidades estaban destinadas a extraer su agua de enfriamiento del Lago Ontario, pero en febrero de 1976 la Comisión Reguladora Nuclear (NRC) recibió una solicitud para cambiar el sistema de enfriamiento de la entonces Unidad 2 en construcción para que utilizara dicha NDCT. El informe ambiental y técnico de la NRC para este cambio se puede encontrar como un PDF escaneado del documento original.
Esta transición hacia torres de enfriamiento representa una inversión de capital significativa, pero ofrece una resiliencia necesaria ante el aumento de temperaturas fluviales que estamos presenciando globalmente. Vía CNX Software.
