Cogeneración y calefacción urbana para hogares confortables y fábricas felices

La mayor parte del uso de energía de la sociedad moderna se gasta en calefacción de alguna forma, ya sea para calentar agua, elevar la temperatura de una habitación o para su uso en procesos industriales. Esto lo convierte en un excelente objetivo para las mejoras en la eficiencia y la resiliencia, así como en el esfuerzo por descarbonizar la producción mundial de energía. En este caso, es probable que la calefacción urbana y soluciones similares desempeñen un papel importante en un futuro próximo.

En las últimas décadas, varias naciones ya han construido extensas redes de calefacción urbana o están en proceso de hacerlo. La principal ventaja de estas redes de calefacción es que no solo permiten una generación de calor centralizada más eficiente, sino que también permiten, p. El calor residual industrial debe usarse de manera productiva en lugar de desperdiciarse, incluso si la mayor parte del calor provendrá de fuentes dedicadas o. centrales térmicas de cogeneración.

Recientemente, la calefacción urbana ha recibido un gran impulso, por ejemplo, en China en forma de cogeneración nuclear, mientras que también se está explorando el potencial de usar el almacenamiento térmico para amortiguar el calor para su uso posterior junto con el concepto de conectar los centros de datos a las redes de calefacción. . Aunque la calefacción urbana no es nueva, puede ayudar a la humanidad a un futuro bajo en carbono, sin perder un poco de comodidad.

Historia complicada

El principal beneficio de la calefacción urbana (DH) es su aumento de la eficiencia general en comparación con muchas fuentes de calor más pequeñas, como las calderas domésticas individuales alimentadas con gas o aceite mineral, también debido al uso de lo que de otro modo habría sido principalmente calor residual. Además, las fuentes que aportan calor al sistema pueden ser muy diversas, incluso si el carbón fue el combustible elegido para calentar las parrillas en occidente. Los sistemas DH de primera generación se construyeron a fines del siglo XIX, y la red basada en vapor de Nueva York es un excelente ejemplo de esto. Este tipo de sistema de primera generación también muestra los problemas que han impedido su adopción en muchas otras ciudades.

La explosión de vapor de Nueva York de 2007 fue una de las doce explosiones de tuberías de vapor desde 1987, y la explosión de 2007 involucró la explosión de una tubería de 83 años y permitió que el vapor caliente y presurizado atravesara el suelo, hiriendo gravemente a las personas y causando una gran cantidad de de. daño Los sistemas de DH que se construyeron a partir de la década de 1930 y hasta la década de 1970 usarían agua caliente, calentada por plantas de cogeneración. Si bien aún están presurizados, estos sistemas no presentan los mismos riesgos de seguridad que un sistema de vapor presurizado.

En lugar de ser principalmente un grupo de plantas dedicadas a carbón que alimentan un sistema basado en vapor, estos sistemas DH de dos generaciones y las mejoras posteriores (como tuberías aisladas en lugar de tuberías simples de concreto) generalmente se basarían en la cogeneración de plantas térmicas. , por lo tanto. que los pueblos y comunidades cercanas podrían recibir calor y electricidad. Este enfoque encontró una gran asimilación en los países escandinavos, así como en la antigua Unión Soviética.

Fuentes de suministro de calor sugeridas para Berlín para 2030 bajo diferentes escenarios. (González-Salazar et al., 2020)

Sin embargo, la construcción de los sistemas de DH se ha estancado en gran medida en las últimas décadas. Debido a la disponibilidad de gas natural barato y, en el caso de países como Noruega y Francia, debido a los bajos precios de la electricidad, el incentivo financiero para instalar tuberías para un nuevo sistema de DH o ampliar un sistema de DH existente a menudo no existía. Muchos sistemas DH existentes también han cambiado sus fuentes de energía nuclear baja en carbono a combustibles fósiles, como fue el caso de las redes DH en la antigua Unión Soviética. Greifswald de GDR y VVER PWR de cogeneración similares se cerraron en la década de 1990, y las plantas de carbón y gas ocuparon su lugar.

En el Boletín del OIEA de marzo de 1989, Losev et al. describe los planes de DH que existían entonces para ampliar aún más el uso de la cogeneración de plantas de energía nuclear en la parte europea de la Unión Soviética. Por supuesto, con el colapso de la Unión Soviética en 1991, los pocos sistemas de DH que se han implementado desde entonces utilizan principalmente combustibles fósiles como fuente.

Ciudades como Berlín son un buen ejemplo aquí, con sus dos sistemas de DH separados (oeste y este). Aunque esta red se extiende esencialmente al tamaño de la ciudad antes del colapso de la Unión Soviética, sigue siendo el sistema de DH más grande de Alemania. Actualmente, Berlín está tratando de encontrar formas de alejarse de las plantas de carbón con alto contenido de carbono que proporcionan la mayor parte de su suministro de calor, con Gonzalez-Salazar et al. (2020) proporcionando algunos escenarios posibles.

En su evaluación de fuentes alternativas, encontraron que el calor residual industrial podría proporcionar una pequeña contribución, donde la mayor parte se obtiene mediante la quema de residuos sólidos municipales (basura) (altamente contaminantes) y biomasa, principalmente en forma de astillas de madera en el presente. plantas de carbón Por otro lado, la gran mayoría del suministro de calor sería proporcionado por gas fósil (GN), con la idea de que las alternativas de GN como el hidrógeno (verde) podrían intercambiarse en algún punto (distante) en el futuro.

En sus escenarios ideales, también se utilizaría power-to-heat (P2H), que consiste en convertir la electricidad en calor mediante tecnologías como la calefacción resistiva, las bombas de calor, etc.

Encontrar el equilibrio adecuado

La central nuclear suiza de Beznau en 2003. (foto: Roland Zumbühl)

Como muestra la situación en Berlín y Nueva York, tener un sistema de DH no significa necesariamente que sea bajo en carbono o que se convierta fácilmente de una monstruosidad de contaminación. Además de integrar fuentes de calor bajas en carbono, el hecho es que la ubicación del suministro de calor es importante para la eficiencia del sistema. Para plantas térmicas y fuentes de residuos industriales, esto significa que deben estar ubicadas lo suficientemente cerca del consumidor, generalmente dentro de unas pocas decenas de kilómetros para minimizar las pérdidas de calor.

Esto también juega un papel cuando se trata del escenario P2H de usar el exceso de energía de las instalaciones de energía solar y eólica para calentar alguna forma de almacenamiento térmico. Dado que el almacenamiento debe colocarse bastante cerca del usuario final, esto significa que la energía eléctrica debe transmitirse a través de líneas de transmisión a esta instalación de almacenamiento. Sin suficiente capacidad disponible en esas líneas de transmisión, el exceso de energía aún tendría que ser limitado. Confiar únicamente en el exceso de energía también significaría una entrada de calor muy variable en el sistema, lo que requeriría algún tipo de suministro de calor de respaldo, como combustibles fósiles o energía nuclear, o aceptaría períodos de requisitos de calefacción no satisfechos.

El escenario más eficaz es probablemente el de las plantas de cogeneración de energía nuclear tradicionales, como las que utilizan en gran medida los antiguos estados soviéticos, así como Suiza en su planta de energía nuclear de Beznau. Esa planta se renovó en 1984 para proporcionar calefacción urbana a las comunidades cercanas, lo que tuvo el beneficio adicional de que menos calor residual terminaba en el río cercano, además de ahorrar más de 14 millones de metros cúbicos de gas natural de los hogares conectados.

Un aspecto de estas plantas de cogeneración es que parte del vapor se utiliza para el sistema DH en lugar de para producir electricidad. Dado que este vapor se extrae después de que ya se ha expandido (parcialmente) en la etapa de turbina, la reducción en la producción de electricidad es generalmente mínima. Aun así, es concebible que al agregar almacenamiento térmico al sistema DH y aceptar el calor residual de los procesos industriales, así como de los centros de datos, etc., se desvíe menos vapor, lo que permite una mayor producción de electricidad, sin afectar el sistema. .

Usar P2H en este escenario probablemente tendría muy poco sentido, ya que agregar más calor liberaría más electricidad, pero P2H solo tiene sentido si ya hay un exceso de electricidad en la red local, lo que lo hace esencialmente inútil. Sin embargo, el uso de fuentes de calor relativamente constantes, como centros de datos e instalaciones de fundición de aluminio (como se ve, por ejemplo, en Noruega), podría proporcionar suministros de calor redundantes adicionales al sistema.

Subir la calefacción

Rangos de temperatura de los procesos de aplicación de calor y tipos de centrales nucleares (fuente: OIEA)

Tener acceso continuo a la calefacción es importante y una cuestión de supervivencia en muchas naciones, incluso durante eventos climáticos extremos como las tormentas invernales de Texas de febrero de 2021, en las que muchos hogares quedaron sin gas ni electricidad. De manera similar, muchas industrias requieren una fuente constante de calor, como la producción de vidrio y acero, así como la industria petroquímica. Estos requisitos de calefacción se escalan en una amplia gama de temperaturas, desde alrededor de 100 °C para sistemas DH, hasta 300 a ~1000 °C para calefacción industrial.

El requisito de confiabilidad refuerza la importancia de tener fuentes confiables que prueben el calor. Aquí, las plantas de energía nuclear son el único tipo de fuente que tiene un factor de capacidad de >90% y no depende del reabastecimiento de combustible diario, semanal o incluso mensual. Por lo tanto, las plantas químicas y otras industrias que pretenden alejarse de los combustibles fósiles tienen un gran interés en los pequeños reactores modulares para el calor de procesos industriales, ya que incluso pequeñas caídas en el calor suministrado pueden detener la producción o incluso destruir una línea de producción. .

Los reactores refrigerados por gas (HTR) de alta temperatura (helio), como el HTR-PM chino, alcanzan temperaturas mucho más altas que los reactores tradicionales refrigerados por agua (LWR o HWR), lo que los hace adecuados para un número aún mayor de procesos industriales, mientras que también proporciona energía eléctrica. Idealmente, esto debería proporcionar a los procesos industriales calor y energía las 24 horas del día, los 7 días de la semana durante los años que dure el combustible, lo que lo convierte en una fuente muy atractiva, económica y baja en carbono.

Los reactores Haiyang 1 y 2. (Crédito: SPIC)

La confiabilidad de las plantas de energía nuclear de cogeneración se ha demostrado durante muchas décadas, lo que las convierte en una opción obvia para naciones como China que buscan alternativas para las plantas de energía a carbón en sus sistemas de DH. La ciudad china de Haiyang, en la provincia de Shandong, está trabajando actualmente para convertir completamente su sistema DH de calderas de carbón a cogeneración nuclear. Como se informó, solo el calor del reactor AP-1000 Haiyang-1 fue suficiente para reemplazar 12 calderas de carbón.

El objetivo es producir suficiente calor para toda la ciudad de Haiyang usando esta única planta de energía nuclear, junto con electricidad y calor para la desalinización, eliminando efectivamente la mayor parte del uso de combustibles fósiles por parte de los residentes de la ciudad.

más allá del distrito

Una parte inevitable de un sistema de DH es que las tuberías aisladas de gran diámetro deben enterrarse en el suelo, lo que puede ser bastante perturbador. Dependiendo de la situación, la bomba de calor puede ser una alternativa aceptable, proporcionando una eficiencia mucho mayor que un sistema de calentamiento resistivo simple. Estos, por supuesto, requieren una fuente confiable de energía eléctrica, pero los sistemas de bomba de calor se pueden instalar a capricho del propietario de la casa.

Desde 2004, la UE tiene en vigor la Directiva CHP (Combined Heat and Electricity), que se supone que aumentará la proliferación de la cogeneración y la calefacción urbana dentro de la UE. A pesar de esto, el mayor cambio observable a menudo ha sido el cambio de hogares de aceite mineral para calefacción a gas (debido a los ahorros de costos percibidos), junto con un impulso para las bombas de calor.

La comparación de los esfuerzos de descarbonización de la calefacción de la UE con las naciones que han adoptado por completo el uso de la energía nuclear para DH y calor industrial, plantea muchas preguntas sobre la viabilidad de crear un sistema de DH con bajas emisiones de carbono sin involucrar la energía nuclear. Será interesante ver cómo funcionan las cosas a este respecto en los próximos años, especialmente con la crisis energética actual que torpedea por completo la economía detrás de la participación del gas fósil de cualquier manera.

[Heading image: The Akademik Lomonosov floating nuclear power plant, moored at Pevek, Russia. It provides power and heat to the isolated community.]

Victoria Prieto
Victoria Prieto

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