Agua para energía: las necesidades hídricas de las centrales termoeléctricas

La disponibilidad de agua y energía representa un aspecto fundamental a la hora de satisfacer las necesidades humanas básicas y garantizar el desarrollo de las economías a nivel mundial. No es, por tanto, casualidad que los sectores del agua y la energía están estrechamente interrelacionados. Por un lado, se requiere energía para el bombeo, el tratamiento y la desalinización del agua. Por otro, grandes volúmenes de agua son necesarios en la práctica totalidad de procesos de producción de energía: extracción de materias primas, refrigeración de plantas termoeléctricas, procesos de limpieza, producción de biocombustibles, funcionamiento de las turbinas, etc.

Según datos del Banco Mundial, muchas regiones a nivel mundial se están enfrentando ya a graves problemas de escasez de agua y energía. Adicionalmente, se estima que las demandas de agua y energía aumentarán en los próximos años y los efectos del cambio climático no harán sino agravar aún más el problema. Por tanto, identificar y entender las sinergias de este “nexo” se alza como una cuestión esencial para asegurar la provisión de energía en un mundo donde la disponibilidad de agua es cada vez más limitada.

Figura 1. El reto del agua y la energía. Fuente: www.un.org

La producción de energía eléctrica representa uno de los mayores usos del agua en todo el mundo. Además de las centrales hidroeléctricas, las termoeléctricas (aquellas que emplean como combustible el carbón, el gas natural o el uranio, entre otros) también emplean grandes volúmenes de agua, principalmente como medio refrigerante (esto es, disipar el calor “residual” de los sistemas para permitir el correcto funcionamiento de las instalaciones). Se estima que alrededor de 53.000 millones de metros cúbicos de agua dulce se emplean para producción termoeléctrica a escala global (McNabb, 2019). La temperatura necesaria para producir electricidad en este tipo de instalaciones varía según el tipo de combustible empleado y, en consecuencia, cada tipo de central requiere diferentes cantidades de agua de refrigeración. La refrigeración es la actividad que implica las mayores cantidades de agua y, por lo tanto, el sistema de refrigeración debe considerarse una parte integral del proceso de generación de energía pudiendo tener una gran influencia en el rendimiento y la disponibilidad global de la central.

Existen diferentes tipos de sistemas de refrigeración que requieren diferentes volúmenes de agua. Tal y como muestra la Figura 2, los sistemas de refrigeración más populares son los de ciclo abierto (“once-through cooling”) y las torres de refrigeración (“recirculating cooling”). Los primeros extraen el agua de una masa de agua, pasándola a través de un condensador de vapor y devolviéndola posteriormente a la fuente de agua a una temperatura más alta (normalmente limitada por la legislación medioambiental). Esta tecnología de refrigeración evapora una pequeña fracción del agua extraída. Por el contrario, una torres de refrigeración es un mecanismo de evacuación de calor, que arroja a la atmósfera el calor residual del agua de refrigeración. Este sistema de refrigeración extrae mucha menos agua que los sistemas de ciclo abierto, pero precisa de un mayor consumo hídrico.

Consumo hidrico

Figura 2. Extracción y consumo hídrico de los principales sistemas de refrigeración (determinados por el tamaño de las flechas). Fuente: https://arizonaenergy.org

En resumen, tanto los diferentes tipos de tecnología de generación como los diferentes tipos sistemas de refrigeración instalados en las centrales dan lugar a diferentes extracciones y consumos de agua, lo que requiere ser riguroso al hablar del uso del agua en las centrales eléctricas. En este sentido, es imprescindible diferenciar entre los conceptos de extracción y consumo hídrico. Las extracciones de agua se definen como la cantidad total de agua captada de una masa de agua, independientemente de la cantidad que se consuma de ese volumen total. En cambio, el consumo de agua queda definido como la parte de agua extraída que se evapora durante el proceso de enfriamiento en las centrales termoeléctricas y, por ende, se elimina del entorno de agua próximo. La parte del agua extraída que no se consume (pierde) es devuelta después de su uso a una masa de agua como, por ejemplo, un acuífero o el cauce del un río, representando el flujo de retorno o “agua descargada”.

Recientes investigaciones para el caso español (aquí) han mostrado que, para el conjunto del sector termoeléctrico, las centrales nucleares son las principales demandantes de agua, seguidas de las de carbón y, finalmente, las de gas natural y ciclo combinado. Estudios internacionales también confirman este hecho, como se muestra en la siguiente tabla.

Tabla 1. Coeficientes medios de extracción y consumo hídrico (m3/MWh) de las principales centrales termoeléctricas, por tipo de combustible y sistema de refrigeración. Fuente: adaptación a partir de Macknick et al., (2012).

Referencias:

Macknick, J., Newmark, R., Heath, G., & Hallett, K. C. (2012). Operational water consumption and withdrawal factors for electricity generating technologies: a review of existing literature. Environmental Research Letters, 7(4), 045802.

McNabb, D. E. (2019). Global Pathways to Water Sustainability. Springer.

 

Esta entrada al blog ha sido elaborada por Diego Sesma Martín, investigador postdoctoral del Departamento de Economía de la Universidad Pública de Navarra (UPNA) e investigador del Instituto Inarbe (Institute for Advanced Research in Business and Economics) de la UPNA y del programa DeSIRE, 4TU Centre for Resilience Engineering (Países Bajos)