El incomprendido papel de la nuclear en los sistemas eléctricos bajos en emisiones

La sociedad en que vivimos jamás ha experimentado unos estándares tan altos de bienestar general. Los niveles de pobreza son menores que nunca[1], pero aun así un 13% de la población mundial no tiene aún acceso a un suministro eléctrico seguro y de calidad[2]. A la par, este consumo de energía está provocando varios problemas medioambientales que van desde la explotación de recursos energéticos como la minería, yacimientos petrolíferos y la fractura hidráulica, hasta el propio consumo de éstas. Mientras el 91% de la población mundial respira un aire que no cumple con los estándares de la Organización Mundial de la Salud[3], 7 millones acaban muriendo de forma prematura anualmente a causa de la contaminación atmosférica, a raíz de episodios de severa contaminación atmosférica en las ciudades o de cocinas a biomasa. Todo esto sin mencionar el problema del cambio climático derivado de la combustión de combustibles fósiles.

Una reducción del consumo de energía podría plantearse como a solución del problema, pero visto que varios estudios han relacionado el consumo de energía con el progreso social y humano, no es conveniente escoger tal camino[4]. De este modo nos planteamos una única alternativa: Cambiar nuestro sistema energético a uno bajo en emisiones contaminantes. Las energías solares fotovoltaica y térmica, la eólica, hidroeléctrica, mareomotriz y nuclear pueden hacerlo.

Human Development Report 1999, United Nations Development Programme, Table 1; International Net Electricity Consumption Information, Energy Administration, U.S. Department of Energy.

Aunque es cierto que hoy día la moda antinuclear es el día a día, es igual de cierto que la necesitamos tanto para mantener la estabilidad de los sistemas eléctricos de potencia como para reducir las emisiones, pese a quien le pese.

Desafortunadamente los sistemas de almacenamiento en baterías no están lo suficiente desarrollados para suministrar energía durante un periodo suficientemente largo de tiempo para poder prescindir totalmente de las centrales convencionales. Se están realizando avances en el campo de estabilidad de red, pero aún queda hasta que podamos prescindir totalmente de la generación con combustibles fósiles o nuclear. El mero intento de conseguirlo hoy dispararía los costes de producción de electricidad de forma exponencial a partir de aproximadamente el 80% del mix cubierto con renovables[5].

Por un no tan evidente lado, es necesaria una base de generación síncrona para así cumplir con algunas de las necesidades de regulación de la frecuencia que necesita la red eléctrica, siendo éste un valor fijo a 50 Hz en Europa y 60 Hz en Estados Unidos. Una desviación en los valores puede dar a contingencias de varios tipos con distintas consecuencias para la red eléctrica. Así fue el caso de los relojes europeos que se atrasaron 6 minutos por un problema en las centrales eléctricas de Polonia[6].

Así como tal, las grandes redes eléctricas deben funcionar obligatoriamente como si fueran relojes suizos: No se permiten desviaciones en los parámetros de la red: Cualquier desviación puede causar desde una caída de voltaje en un extremo de la red, hasta el disparo de las protecciones de centrales eléctricas conectadas a la red hasta la caída del sistema eléctrico entero.

Existen tres modos de regulación de la frecuencia: primaria, secundaria y terciaria.

  • La primaria consiste en utilizar la energía cinética almacenada en las grandes turbinas para dar tiempo a la regulación secundaria en ponerse en marcha. Solo los generadores síncronos de gran tamaño son capaces de realizar esta función, como por ejemplo las térmicas de carbón, gas, grandes hidroeléctricas y nuclear. Dentro de éstos, las turbinas de vapor son las que más inercia proporcionan.
Transmission and Distribution Electrical Engineering, 4th Edition. Dr C. R. Bayliss CEng FIET and B.J. Hardy CEng FIET
  • La secundaria consiste en aumentar o disminuir la potencia activa proporcionada por cualquier generador conectado a la red, para así equipararse a la demanda. Debido a que tarda unos segundos en actuar, es importante que la primaria cumpla con su cometido.

 

  • Finalmente, la regulación terciaria consiste en los llamados servicios de interrumpibilidad que pueden ofrecer las grandes industrias con altos consumos: Desconectan sus instalaciones a orden de REE –Red Eléctrica de España– cuando la red tenga una serie de contingencias que por sus características y situación de la red, requieran de este tipo de medidas para así evitar problemas mayores.

La energía nuclear es la única fuente baja en carbono que puede cumplir tanto con las regulaciones primarias y secundarias, siendo así la compañera ideal al resto de energías renovables que, por su carácter variable, necesitan de respaldo.

La demanda de energía eléctrica sigue un paso similar al de nuestra actividad diaria, con una gran y constante base, una demanda intermedia y otra de picos diarios puntuales. Las centrales térmicas y nucleares suelen formar parte de la base síncrona, debido a la inflexibilidad de algunas de ellas para subir y bajar carga con rapidez. Los ciclos combinados, hidroeléctrica y solar cubren los picos de consumo puntuales durante el día. En casos excepcionales, la nuclear puede bajar de potencia en fines de semana con alta penetración eólica. Fuera de España, la nuclear y carbón pueden subir y bajar carga para acomodar las necesidades del sistema eléctrico, como es el caso de Francia[7] y Alemania[8] respectivamente.

A diferencia de la creencia popular de que la nuclear es inflexible, ésta puede realizar ambas funciones de base y pico. De todos modos, en nuestro país su contribución no es suficientemente significativa para que deba realizar dichas variaciones de potencia, exceptuando algunos casos.

Load-following with nuclear power plants – Nuclear Energy Agency

Sin embargo, la capacidad de seguimiento de carga se verá limitada durante el fin del ciclo de operación del reactor, cuestiones físicas aparte.

Así pues, son centrales que funcionan las 24 horas del día los 7 días de la semana, aún teniendo en cuenta las averías o paradas no programadas más recientes: Cofrentes ha tenido un factor de capacidad (relación entre la energía producida en un periodo y el máximo producible en el mismo periodo) superior al 90% en los últimos siete años, tres de ellos llegando al 100%[9]. Vandellòs II, ha tenido un factor de capacidad en los últimos 7 años de casi el 89%, pese a que este 2018 probablemente no llegue al 60% debido a una avería, parada de recarga y sucesivos retrasos en su puesta en marcha[10][11].

El papel que desarrolla la nuclear implica que la clausura de estas centrales siempre irá acompañada de la sustitución de la cobertura con otro generador de mayores o similares características, de este modo, el cierre debe ir acompañado de la apertura o mantención de otras centrales de carbón o gas, tanto para cubrir las intermitencias de las renovables como para proporcionar inercia a la red eléctrica.

Siguiendo el mismo hilo, la nuclear no solo puede sustituir a los combustibles fósiles en el sistema de generación, sino que también puede suplir las bajadas de producción eólica y solar en episodios de olas de frío o calor[12]: No hay barrera técnica que impida realizar cambios de potencia[13]. De este modo se pueden complementar todos los tipos de fuentes de energía bajos en carbono, siempre y cuando no se discriminen unas fuentes de otras por razones más allá de las técnicas, todo lo contario a lo que vemos en algunos países de Europa.

Hacer lo contrario y discriminar a la nuclear, lleva o bien a un aumento de las emisiones o a un muy lento decrecimiento de éstas si las inversiones en el sector renovable son suficientes. Alemania, la meca de las energías renovables, se saltará los objetivos en emisiones de 2020 según un informe del propio gobierno alemán[14], en parte por culpa de su política antinuclear pese a las enormes inversiones.

Si se desea descarbonizar un sistema eléctrico de forma rápida, los mejores ejemplos son todos aquellos que han usado energía nuclear para hacerlo: Francia, Suecia, Estados Unidos y hasta Alemania son algunos de ellos.

China-U.S. cooperation to advance nuclear power. Junji Cao, Armond Cohen, James Hansen, Richard Lester, Per Peterson and Hongjie Xu (August 4, 2016) Science 353 (6299), 547-548

Ahora nuestras centrales nucleares están en riesgo de cerrar más pronto de lo que sus límites técnicos les permitirían operar, pudiendo perder así poco más de una quinta parte de la generación eléctrica anual del país, más importante es mantenerlas ahora con los precios del CO2 cuadruplicados respecto a hace un año[15], la contaminación atmosférica al alza, y un aumento del consumo de electricidad por la recuperación económica y el auge del vehículo eléctrico[16].

 

Este artículo nos lo envía Josep Rey un estudiante de 4º curso de ingeniería eléctrica para la Universidad Rovira y Virgili (Tarragona). Su interés por la energía eléctrica, renovables y nuclear empezó a la edad de 16 años, siendo escritor y traductor de temas de ésta índole desde los 17 años.



Por Colaborador Invitado
Publicado el ⌚ 22 octubre, 2018
Categoría(s): ✓ Ingeniería • Medio Ambiente