La energía térmica de los reactores nucleares puede ser aprovechada para desarrollar tecnologías diferentes a la electricidad.
La energía nuclear puede ayudar a conseguir las metas de reducción de emisiones de gases efecto invernadero al reducir las emisiones relacionadas con la energía en áreas distintas a la generación de electricidad. A través de la cogeneración, que es la producción de energía eléctrica y térmica en la misma planta, la energía nuclear muestra una ventaja significativa en la producción de energía térmica para las industrias, el transporte y para la construcción. Como principal uso final de la energía, el mercado de la calefacción equivale aproximadamente al 50% del consumo mundial de energía final, el cual usa como energéticos primarios, la quema de carbón, petróleo, gas o madera. Por lo tanto, la cogeneración de las centrales nucleares es una de las formas prometedoras de aumentar la eficiencia energética y reducir las emisiones de gases de efecto invernadero.
La aplicación de la energía nuclear para la calefacción urbana o industrial comenzó casi simultáneamente cuando los reactores nucleares se utilizaron por primera vez para la generación de electricidad. Como se muestra en la figura 1, varios tipos de diseños de reactores nucleares son capaces de funcionar en diferentes rangos de temperatura, lo que convierte a la energía nuclear en una excelente fuente de energía candidata para el procesamiento de calor y una opción confiable, con bajas emisiones de CO2eq, para diversas aplicaciones como, la calefacción urbana, la desalinización, las refinerías de petróleo y la producción de hidrógeno. A continuación, presentamos una perspectiva breve de cada una de ellas.
Aplicación en los sistemas de calefacción urbana
La superficie de suministro de calor en China era de 14.700 millones de metros cuadrados, según se informó a principios de 2021. Las centrales combinadas de calor y energía alimentadas con carbón y las calderas sustentan el 70% del sistema de suministro de calor. En 2018, las emisiones de carbono debidas al suministro de calor urbano en el norte de China alcanzaron los 550 millones de toneladas. La calefacción urbana requiere una temperatura de funcionamiento relativamente más baja. Se pueden adaptar reactores nucleares tipo LWR o HWR para proporcionar calor a las comunidades sin un gran sacrificio de la producción de electricidad. A lo largo de la historia, se han explotado 21 centrales nucleares para cogenerar calefacción urbana. En el norte de Europa y Rusia, se ha adoptado la energía nuclear para el suministro de calefacción urbana debido al frío intenso de los inviernos prolongados. Además de las centrales nucleares terrestres, la primera central nuclear flotante del mundo, Akademik Lomonosov, suministra calor a la región de Chukotka, en el extremo nororiental de Rusia, desde 2020. En China también se ha puesto en funcionamiento la calefacción urbana nuclear. En 2020, la central nuclear de Haiyang, en el norte de China, empezó a suministrar calefacción urbana a 700.000 metros cuadrados de apartamentos. El sistema extrae vapor del circuito secundario de las dos unidades AP1000 y transfiere calor a la red de calefacción de la ciudad indirectamente a través del proceso de intercambio de calor de varias etapas en una estación de intercambio de calor in situ, como se muestra en la figura 2. En 2021, la superficie calefactada se ha ampliado hasta los 4.500.000 metros cuadrados, abarcando toda el área urbana. Además de la generación de electricidad, la calefacción nuclear ha reemplazado 12 calderas de agua locales alimentadas con carbón y ha evitado 180.000 toneladas de emisiones de carbono provocadas por la calefacción de carbón. También se lanzó un proyecto similar de calefacción urbana nuclear en Haiyan, en el sur de China, y comenzó el suministro de calor comunitario local a finales de 2021, con una potencia de calefacción de 400 MW y una capacidad de calefacción anual de 0,704 PJ. Además de la cogeneración, China tiene diseños de reactores de baja temperatura específicos para calefacción urbana, incluidos 200 MWt DHR-400 Yanlong, 200 MWt NHR-200 y 200 MWt LandStar-I.
Aplicación en la producción de hidrógeno
Para sectores difíciles de reducir, como el transporte de larga distancia y la fabricación de acero, donde la electrificación directa es de gran dificultad y requiere competencia económica, el hidrógeno se considera uno de los vectores de energía más importantes y eficaces para reducir sus emisiones de carbono. Las formas disponibles para producir hidrógeno incluyen procesos termoquímicos (como el reformado del gas natural), electrólisis o procesos biológicos. Estas técnicas requieren calor o electricidad a alta temperatura, que dependen en gran medida de recursos energéticos fósiles como el gas natural y el carbón. La energía nuclear atrae un interés creciente en la aplicación de la producción de hidrógeno. Rosatom y EDF están explorando las posibilidades de formar un acoplamiento entre los LWR existentes y los electrolizadores de baja temperatura. Cuando el precio de la electricidad es bajo o negativo, la producción de hidrógeno puede mejorar aún más la economía general de las plantas nucleares. También se investigan algunas aplicaciones de la producción de hidrógeno en algunos reactores nucleares avanzados de alta temperatura de cuarta generación. El HTGR puede funcionar a más de 900 °C, favoreciendo los requisitos de temperatura para la producción de hidrógeno y adaptándose para producir hidrógeno mediante acoplamiento con electrólisis de vapor de alta temperatura o procesos termoquímicos como se muestra en la figura 3. Países como EE. UU., Reino Unido, China y Rusia están llevando adelante la investigación, construcción y operación de HTGR.
Aplicación en sistemas de desalinización
La desalinización del agua de mar y del agua subterránea mineralizada es necesaria para suministrar agua dulce en muchas partes del mundo. La necesidad de desalinización y el tratamiento de aguas residuales urbanas crece constantemente. Como el costo de la desalinización depende en gran medida del consumo de electricidad y vapor, la cogeneración puede utilizar el vapor y la electricidad de las centrales nucleares para alimentar plantas de desalinización y así lograr un uso más eficiente de la energía y menores costos de desalinización. La desalinización mediante reactor se clasifica en dos modos. Uno es el modo de solo calor y el otro es el modo de calor, electricidad y agua. El vapor en el intercambiador de calor es la parte esencial del proceso de desalinización en ambos modos. La tecnología de desalinización típica se basa en la destilación, mediante la cual el agua salada entra en contacto con la superficie del tubo calentado por vapor y se evapora, dejando la sal separada del agua, como se muestra en la figura 4.
La desalación cogenerada con energía nuclear cuenta con más de 200 años de experiencia acumulada. En Japón, Kazajstán, Estados Unidos, India y Pakistán se han construido varios tipos de plantas de cogeneración nuclear, incluidas PWR, BWR, HWR y LMFR. El OIEA está fomentando la investigación y la colaboración sobre el despliegue a gran escala y las tecnologías novedosas de desalinización nuclear. En China se han construido varias centrales nucleares que utilizan tecnología de desalinización de agua de mar, como la central nuclear de Ningde, la central nuclear de Sanmen y la central nuclear de Hongyanhe. La central nuclear de Hongyanhe del Grupo General de Energía Nuclear (CGN) de China es el primer proyecto de desalinización de agua de mar con energía nuclear de China, que utiliza el calor residual de las unidades CPR1000. La capacidad máxima de producción de agua puede alcanzar las 15.000 m2 por día. El pequeño reactor modular PWR SMART, desarrollado por Corea, fue diseñado para cogenerar 90 MW(e) y 40.000 m³ al día de agua dulce. La central nuclear flotante, Akademik Lomonosov, desarrollada por Rusia, también busca la cogeneración de electricidad, calefacción urbana y desalinización.
Se han realizado estudios paramétricos sobre diseños con el concepto del SMR NuScale, para suministrar simultáneamente electricidad y calor con fines de desalinización. El resultado fue un modelo de planta de ocho módulos que podía producir 190 000 m3/día y aportar a la red eléctrica entre 227 MW y 348 MW.
Acople con las energías renovables
Dado que otras tecnologías renovables pueden asumir una gran parte de la generación de electricidad en la descarbonización, la energía nuclear puede servir como fuente de energía de carga base y mejorar la confiabilidad del suministro de energía y la capacidad de despacho. Mediante el seguimiento de la carga, las centrales nucleares pueden respaldar la red eléctrica respaldando la producción intermitente de fuentes renovables. En Francia, cada reactor realiza anualmente aproximadamente 30 variaciones de potencia en promedio, donde una gran variación de potencia típica puede implicar pasar del 100% de la potencia total al 20% en media hora. En China, se construyó un reactor de prueba basado en el concepto de reactores de sales fundidas de torio (TMSR), y se prevé acoplarlo al sistema de almacenamiento térmico, que será muy complementario a la producción de energía eólica y solar. Terrestrial Energy ha desarrollado el diseño del Reactor Integral de Sales Fundidas (IMSR), que enfatiza significativamente el acoplamiento entre el reactor y el sistema de energía renovable, como se muestra en la figura 5. Esto permite aprovechar las ventajas de las energías renovables no convencionales y las de la nuclear. Este acoplamiento es también conocido como, sistemas híbridos de generación.
Referencias
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