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Oct 25, 2023

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

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 y más eficiente, sino que también permiten, por ejemplo, que el calor residual industrial se use productivamente 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 en, por ejemplo, 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 vincular los centros de datos a las redes de calefacción. Aunque la calefacción urbana no es nueva, puede ayudar a facilitar a la humanidad hacia un futuro bajo en carbono, sin perder un poco de comodidad.

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

La explosión de vapor de la ciudad de Nueva York de 2007 fue una de las doce explosiones de tuberías de vapor desde 1987, y la explosión de 2007 involucró la ruptura 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 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 segunda generación y las mejoras posteriores (como tuberías aisladas en lugar de tuberías de concreto simple) generalmente se basarían en plantas térmicas de cogeneración, por lo que que las ciudades y comunidades cercanas podrían recibir calor y electricidad. Este enfoque encontró una gran aceptación en los países escandinavos, así como en la antigua Unión Soviética.

Sin embargo, la construcción de los sistemas de DH se ha estancado en gran medida durante 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 las tuberías para un nuevo sistema de DH o para ampliar un sistema de DH existente a menudo estuvo ausente. Muchos sistemas de DH existentes también cambiaron sus fuentes de energía nuclear baja en carbono a combustibles fósiles, como fue el caso de las redes de DH en la antigua URSS. Greifswald de Alemania Oriental 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. describir los planes de DH que existían en ese entonces para extender aún más el uso de la cogeneración de plantas de energía nuclear en la parte europea de la URSS. Por supuesto, con el colapso de la URSS en 1991, los pocos sistemas de DH que se implementaron desde entonces utilizan principalmente combustibles fósiles como fuente.

Ciudades como Berlín son un buen ejemplo aquí, con sus dos sistemas de DH separados (occidental y oriental). Aunque esta red se extiende esencialmente al tamaño de la ciudad antes del colapso de la URSS, 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, con la mayor parte absorbida por la quema (altamente contaminante) de desechos sólidos comunales (basura) y biomasa, principalmente en forma de astillas de madera en el actual plantas de carbón Sin embargo, 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 implica convertir la electricidad en calor utilizando tecnologías como calefacción resistiva, bombas de calor, etc.

Como muestra la situación en Berlín y la ciudad de Nueva York, tener un sistema de DH no significa necesariamente que sea bajo en carbono o que se convierta fácilmente de una monstruosidad que eructa 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 calor residual industrial, 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 lo suficientemente cerca del usuario final, esto significa que la energía eléctrica debe transferirse a través de líneas de transmisión a esta instalación de almacenamiento. Sin suficiente capacidad disponible en estas líneas de transmisión, el exceso de energía aún tendría que reducirse. 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 demandas de calefacción insatisfechas.

El escenario más eficiente 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. Esta planta fue modernizada 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 en 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 tendría que desviar menos vapor, lo que permitiría 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.

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 febrero de 2021 en Texas que dejaron a muchos hogares sin gas ni electricidad. De manera similar, muchas industrias requieren una fuente constante de calor, como la fabricación de vidrio y acero, así como la industria petroquímica. Estas demandas de calefacción se escalan en una amplia gama de temperaturas, desde alrededor de 100 °C para sistemas DH, hasta 300 a ~1000 °C para calor industrial.

La demanda de confiabilidad refuerza la importancia de tener fuentes confiables que prueben el calor. Aquí, las plantas nucleares 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. Esta es también la razón por la cual las plantas químicas y otras industrias que buscan alejarse de los combustibles fósiles tienen un gran interés en los reactores modulares pequeños para el calor de procesos industriales, ya que incluso las caídas breves en el calor suministrado pueden detener la producción o incluso destruir una línea de fabricación. .

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 también proporcionando 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.

La confiabilidad de las plantas nucleares de cogeneración se ha demostrado durante muchas décadas, lo que las ha convertido en una opción obvia para naciones como China, que buscan alternativas para las plantas de 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 nuclear, junto con energía eléctrica y calor para la desalinización, eliminando efectivamente la mayor parte del uso de combustibles fósiles por parte de los habitantes de la ciudad.

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 perjudicial. Dependiendo de la situación, un sistema de bomba de calor puede ser una alternativa aceptable, proporcionando una eficiencia mucho mayor que un sistema de calefacción resistivo simple. Estos, por supuesto, requieren una fuente confiable de energía eléctrica, pero los sistemas de bomba de calor se pueden instalar a voluntad del propietario de la casa.

Desde 2004, la UE tiene en vigor la Directiva CHP (Combined Heat and Power), 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.

Al comparar los esfuerzos de descarbonización de la calefacción de la UE con las naciones que han adoptado completamente el uso de energía nuclear para DH y calor industrial, surgen 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 ha torpedeado por completo la economía detrás de la participación del gas fósil de cualquier manera.

[Imagen de encabezado: La planta de energía nuclear flotante Akademik Lomonosov, amarrada en Pevek, Rusia. Proporciona energía y calor a la comunidad aislada.]