Cómo el calentamiento global está haciendo que las plantas de energía produzcan menos electricidad

Las centrales de carbón, gas y energía nuclear que generan la mayor parte de la electricidad del mundo deben mantenerse frescas para que funcionen correctamente. Sin embargo, esto será cada vez más desafiante a medida que el mundo se calienta.

El calor residual de estas instalaciones generalmente se libera a la atmósfera o fuentes de agua cercanas. Durante las olas de calor o las sequías, el calor excesivo o la falta de agua hace que sea mucho más difícil mantener frescas las plantas. 

Cuando esto sucede, las plantas deben reducirse, lo que significa que se corta la producción de electricidad. Esto a menudo se produce justo cuando la demanda de electricidad alcanza su punto máximo debido a que la gente depende cada vez más del aire acondicionado para mantenerse fresco.

En un nuevo artículo, publicado en Environmental Research Letters , encontramos que en un mundo que se calienta, se necesitarían construir cientos de plantas de energía adicionales en las próximas décadas simplemente para compensar esta pérdida de energía.

Sin embargo, esta no es la única opción. Si las naciones, en cambio, se enfocan en tecnologías como la solar y la eólica, que producen menos emisiones y se ven menos afectadas por el clima cálido, el sector de la electricidad contribuirá menos y será menos víctima del cambio climático.

Mantener frescas las plantas de energía

En las centrales térmicas, solo el 30-50% de la energía almacenada en el carbón, el gas o el combustible nuclear se utiliza para generar electricidad. El resto de la energía se disipa en forma de calor, y mucha. 

Estas plantas generalmente están ubicadas a lo largo de ríos o lagos y usan agua en sistemas de enfriamiento de un solo paso o de recirculación para eliminar este calor residual. El aumento de las temperaturas hace que esto sea menos eficiente.

En los días más calurosos, es posible que se reduzca la producción de algunas plantas de energía o incluso que deban cerrarse por completo porque no pueden mantenerse frescas. Esto sucedió con las plantas nucleares en Francia y Alemania durante las olas de calor de 2019. 

Es difícil estimar la respuesta del mundo real de las plantas de energía al clima extremo debido a la falta de datos de interrupciones de la planta de energía a escala diaria. 

Sin embargo, en nuestro estudio pudimos aprovechar los datos de interrupciones a escala diaria de la Administración de Información de Energía en todas las plantas de energía nuclear en los EE. UU. Y de la Red Europea de Operadores de Sistemas de Transmisión de Electricidad en interrupciones específicas en un subconjunto de centrales térmicas de la UE. .

Juntos, estos dos conjuntos de datos nos permiten construir relaciones observadas entre las reducciones diarias de capacidad de la planta de energía y las condiciones climáticas, como muestran los gráficos a continuación.

La figura de la izquierda muestra cómo la capacidad operativa promedio de la planta disminuye a medida que aumentan las altas temperaturas diarias. La figura de la derecha muestra que a valores de escorrentía muy bajos, como durante una sequía, o valores de escorrentía muy altos, como durante una inundación, la capacidad promedio de la planta disminuye.

Debido a que solo tenemos una pequeña muestra de datos (las distribuciones de temperatura y escorrentía agrupadas en cada panel muestran todos los valores de temperatura y escorrentía observados en nuestro conjunto de datos), existe incertidumbre en nuestra estimación sobre la relación entre la capacidad de la planta y el clima. Esta incertidumbre se puede ver en el área sombreada en gris de cada panel.

Relación estimada entre la capacidad de la central eléctrica y la temperatura máxima diaria, así como la escorrentía o la disponibilidad de agua

El gráfico muestra que, históricamente, las centrales térmicas tienen muchas más probabilidades de reducir su producción en los días calurosos. Por ejemplo, cuando las temperaturas superan los 40 ° C, las plantas de energía tienden a operar al 90-93% de su capacidad total. 

Puede que no parezca una gran pérdida, pero las olas de calor a menudo cubren un área amplia , lo que significa que docenas de plantas de energía podrían experimentar una reducción simultánea. 

Cuando se combina con el hecho de que las demandas de electricidad son más altas en estos días calurosos cuando la gente enciende sus acondicionadores de aire, tiene el potencial de causar un problema.

Calentamiento global y suministro de electricidad

Las temperaturas están subiendo y las olas de calor son cada vez más frecuentes . En algunas regiones, estas condiciones ya se están acercando a los límites de la tolerancia humana. 

Nuestra defensa contra el clima peligrosamente caluroso es el aire acondicionado y, a medida que el mundo se vuelve más cálido y rico, se proyecta que su uso se disparará. El aire acondicionado ya representa alrededor del 10% del uso de electricidad en los EE. UU.

Mientras tanto, es probable que las centrales eléctricas se vean afectadas por este calor extremo con más frecuencia. Evaluamos cuánto usando proyecciones de temperatura y escorrentía del conjunto de modelos climáticos utilizados en el quinto informe de evaluación (AR5) del Panel Intergubernamental sobre Cambio Climático (IPCC ). 

Estimamos la capacidad de la planta de energía en el día más caluroso del año en un clima histórico, entre 1981 y 2005, y en 2 ° C y 4 ° C de calentamiento global por encima de las temperaturas preindustriales. Los resultados se pueden ver en el cuadro a continuación, con una disminución de la capacidad durante los meses más calurosos del verano.

Pérdida estimada de capacidad de generación en centrales nucleares de EE. UU. Y centrales térmicas de la UE en el día local más caluroso del año

A 2 ° C de calentamiento, la capacidad de la planta de energía se reduce en aproximadamente un 2% en promedio y hasta un 4,5% en el peor de los casos. A 4C, esto es mucho mayor, con una caída de 3.3% en promedio y 6.5% en el peor de los casos. 

Para poner estos números en contexto, la generación de energía nuclear francesa se redujo en aproximadamente un 8% en 2019 debido a una ola de calor. En un futuro más cálido, esto sería aún mayor: entre el 9% y el 13%. 

Esta brecha en el suministro de electricidad significa que la sociedad probablemente tendrá menos energía para hacer funcionar los acondicionadores de aire durante las futuras olas de calor, lo que aumenta los riesgos de enfermedades relacionadas con el calor.

El hecho de que estos riesgos recaigan en gran medida en comunidades desfavorecidas significa que centrarse en el acceso a la electricidad es aún más crítico para los esfuerzos de justicia y equidad climática. 

La descarbonización es beneficiosa para todos

El impacto de las futuras restricciones eléctricas depende de las decisiones de infraestructura que se tomen hoy y, específicamente, de la cantidad de electricidad que la sociedad genera mediante las centrales térmicas. 

Más calentamiento global y más generación de energía térmica conducirán a más restricciones.

Para evaluar las restricciones futuras de electricidad, fusionamos nuestras proyecciones de capacidad de la planta de energía con escenarios que describen posibles trayectorias de generación de energía térmica global decreciente o creciente.

De acuerdo con nuestro análisis, la cantidad de electricidad producida mediante centrales térmicas es el factor principal en la escala de las restricciones futuras. 

Por ejemplo, en un escenario en el que la generación de energía térmica se elimine en su mayoría y se reemplace con energías renovables para fines de siglo, como lo muestra la línea azul en el gráfico a continuación, las restricciones globales sobre los días calurosos podrían reducirse en más del 50% de nivel actual, a pesar de un mayor número de olas de calor.

Por el contrario, si la generación de energía térmica aumenta en el futuro, como lo muestra la línea roja en el gráfico a continuación, las restricciones podrían triplicarse con creces desde el nivel actual para fines de siglo.

Reducción estimada en diferentes escenarios del sistema energético para las próximas décadas.

La capacidad de generación de electricidad perdida debido a las restricciones tendría que ser compensada, y esto podría significar la construcción de más centrales eléctricas para compensar la capacidad perdida en otras instalaciones.

En un escenario de aumento de la generación de energía térmica, estas restricciones podrían requerir una capacidad de generación adicional de 125-200 gigavatios (GW) de electricidad, equivalente a 250 a 450 centrales eléctricas de tamaño promedio para fines de siglo. 

El sector de la electricidad es tanto una causa como una víctima del cambio climático, pero la cantidad de electricidad que se ve afectada por el calentamiento global depende en gran medida de las decisiones que tome la sociedad en el futuro cercano.

Los avances en las tecnologías renovables significan que hay alternativas disponibles que usan menos agua y se ven menos afectadas por el clima cálido. Además, cuanto más rápida sea la transición a la energía sin carbono, menos subirán las temperaturas y más rápido se romperá el círculo vicioso.

Por: Dr. Ethan Coffel y Dr. Justin Mankin, Carbon Brief.