Una central eléctrica de carbón o planta de energía de carbón es una central térmica que quema carbón para generar electricidad . En todo el mundo hay más de 2.400 centrales eléctricas de carbón, con una capacidad total de más de 2.130 gigavatios . [1] Generan alrededor de un tercio de la electricidad mundial , [2] pero causan muchas enfermedades y la mayoría de las muertes prematuras, [3] principalmente por la contaminación del aire . [4] [5] La capacidad instalada mundial se duplicó entre 2000 y 2023 y aumentó un 2% en 2023. [6]
Una central eléctrica de carbón es un tipo de central eléctrica que utiliza combustibles fósiles . El carbón se suele pulverizar y luego se quema en una caldera de carbón pulverizado . El calor del horno convierte el agua de la caldera en vapor , que luego se utiliza para hacer girar turbinas que hacen girar generadores . De este modo, la energía química almacenada en el carbón se convierte sucesivamente en energía térmica , energía mecánica y, finalmente, energía eléctrica .
Las centrales eléctricas de carbón emiten más de 10 mil millones de toneladas de dióxido de carbono cada año, [7] aproximadamente una quinta parte de las emisiones mundiales de gases de efecto invernadero , por lo que son la principal causa del cambio climático . [8] Más de la mitad de toda la electricidad a carbón del mundo se genera en China. [9] En 2020, el número total de plantas comenzó a disminuir [10] [11] a medida que se retiran en Europa [12] y América [13], aunque todavía se construyen en Asia, casi todas en China. [14] Algunas siguen siendo rentables porque los costos para otras personas debido al impacto en la salud y el medio ambiente de la industria del carbón no están incluidos en el costo de generación, [15] [16] pero existe el riesgo de que las plantas más nuevas se conviertan en activos varados . [17] El Secretario General de las Naciones Unidas ha dicho que los países de la OCDE deberían dejar de generar electricidad a partir de carbón para 2030, y el resto del mundo para 2040. [18] Vietnam es uno de los pocos países de rápido desarrollo dependientes del carbón que se comprometieron plenamente a eliminar gradualmente la energía a base de carbón sin restricciones para la década de 2040 o lo antes posible después de esa fecha. [19]
Las primeras centrales eléctricas alimentadas con carbón se construyeron a finales del siglo XIX y utilizaban motores alternativos para generar corriente continua . Las turbinas de vapor permitieron construir plantas mucho más grandes a principios del siglo XX y se utilizó corriente alterna para abastecer áreas más amplias.
El carbón se entrega por camión, ferrocarril , barcaza , barco minero o tubería de lodo de carbón . A veces se construyen centrales generadoras junto a una mina; especialmente una que extrae carbón, como lignito , que no es lo suficientemente valioso para transportarlo a larga distancia; por lo que pueden recibir carbón por cinta transportadora o camiones masivos con propulsión diésel-eléctrica . Un gran tren de carbón llamado "tren unitario" puede tener 2 km de largo, contener 130-140 vagones con alrededor de 100 toneladas de carbón en cada uno, para una carga total de más de 10.000 toneladas. Una planta grande a plena carga requiere al menos una entrega de carbón de este tamaño cada día. Las plantas pueden recibir hasta tres a cinco trenes al día, especialmente en la "temporada alta" durante los meses más calurosos del verano o los meses más fríos del invierno (según el clima local) cuando el consumo de energía es alto.
Los descargadores modernos utilizan dispositivos de descarga rotativos, que eliminan los problemas de congelación del carbón en los vagones de descarga inferior. El descargador incluye un brazo posicionador de trenes que tira de todo el tren para colocar cada vagón sobre una tolva de carbón. El descargador sujeta cada vagón individual contra una plataforma que gira el vagón boca abajo para descargar el carbón. Los acopladores giratorios permiten que toda la operación se realice mientras los vagones aún están acoplados entre sí. La descarga de un tren unitario lleva aproximadamente tres horas.
Los trenes más cortos pueden utilizar vagones con un "descargador de aire", que se basa en la presión de aire del motor más una "zapata caliente" en cada vagón. Esta "zapata caliente", cuando entra en contacto con un "riel caliente" en el caballete de descarga, dispara una carga eléctrica a través del aparato de descarga de aire y hace que las puertas de la parte inferior del vagón se abran, descargando el carbón a través de la abertura del caballete. La descarga de uno de estos trenes lleva entre una hora y una hora y media. Los descargadores más antiguos aún pueden utilizar vagones de descarga inferior operados manualmente y un "agitador" conectado para descargar el carbón.
Un buque de carga que transporta carbón puede contener 41.000 toneladas (40.000 toneladas largas) de carbón y su descarga lleva varios días. Algunos buques de carga llevan su propio equipo de transporte para descargar sus propios búnkeres; otros dependen del equipo de la planta. Para transportar carbón en aguas más tranquilas, como ríos y lagos, se suelen utilizar barcazas de fondo plano . Las barcazas no suelen tener motor y deben ser movidas por remolcadores .
Para fines de arranque o auxiliares, la planta también puede utilizar fueloil. El fueloil puede ser entregado a las plantas por tuberías , camiones cisterna , vagones cisterna o camiones. El fueloil se almacena en tanques de acero cilíndricos verticales con capacidades de hasta 14.000 metros cúbicos (90.000 bbl). Los combustibles más pesados , el "búnker" n.° 5 y el n.° 6, normalmente se calientan con vapor antes de bombearlos en climas fríos.
Como tipo de central térmica , una central eléctrica de carbón convierte la energía química almacenada en el carbón sucesivamente en energía térmica , energía mecánica y, finalmente, energía eléctrica . El carbón normalmente se pulveriza y luego se quema en una caldera de carbón pulverizado . El calor del carbón pulverizado que se quema convierte el agua de la caldera en vapor , que luego se utiliza para hacer girar las turbinas que hacen girar los generadores . En comparación con una central térmica que quema otros tipos de combustible, se requiere un procesamiento específico del combustible de carbón y la eliminación de cenizas.
En el caso de las unidades de más de 200 MW de capacidad, se garantiza la redundancia de los componentes clave mediante la instalación de duplicados de los ventiladores de tiro forzado e inducido, los precalentadores de aire y los colectores de cenizas volantes. En algunas unidades de unos 60 MW, se pueden instalar dos calderas por unidad. Las cien centrales eléctricas de carbón más grandes tienen un tamaño que va de los 3.000 MW a los 6.700 MW.
El carbón se prepara para su uso triturándolo en trozos de menos de 5 cm (2 pulgadas). Luego, el carbón se transporta desde el patio de almacenamiento hasta los silos de almacenamiento de la planta mediante cintas transportadoras a velocidades de hasta 4000 toneladas por hora.
En las plantas que queman carbón pulverizado, los silos alimentan carbón a los pulverizadores (molinos de carbón) que toman los trozos más grandes de 5 cm, los muelen hasta la consistencia del talco , los clasifican y los mezclan con aire de combustión primario, que transporta el carbón al horno de la caldera y lo precalienta para eliminar el exceso de contenido de humedad. Una planta de 500 MW puede tener seis de estos pulverizadores, cinco de los cuales pueden suministrar carbón al horno a 250 toneladas por hora a plena carga.
En las plantas que no queman carbón pulverizado, los trozos más grandes de 5 cm se pueden introducir directamente en los silos que luego alimentan distribuidores mecánicos que dejan caer el carbón sobre una parrilla móvil o los quemadores ciclónicos , un tipo específico de cámara de combustión que puede quemar eficientemente trozos más grandes de combustible.
Las plantas diseñadas para el lignito (carbón pardo) se utilizan en lugares tan variados como Alemania, Victoria, Australia y Dakota del Norte . El lignito es una forma de carbón mucho más joven que el carbón negro. Tiene una densidad energética menor que el carbón negro y requiere un horno mucho más grande para una salida de calor equivalente. Estos carbones pueden contener hasta un 70% de agua y cenizas , lo que produce temperaturas de horno más bajas y requiere ventiladores de tiro inducido más grandes. Los sistemas de combustión también difieren de los del carbón negro y, por lo general, extraen gas caliente del nivel de salida del horno y lo mezclan con el carbón entrante en molinos de tipo ventilador que inyectan la mezcla de carbón pulverizado y gas caliente en la caldera.
Las cenizas se almacenan a menudo en estanques de cenizas . Aunque el uso de estanques de cenizas en combinación con controles de la contaminación del aire (como depuradores húmedos ) disminuye la cantidad de contaminantes transportados por el aire, las estructuras plantean graves riesgos para la salud del medio ambiente circundante. [20] Las empresas de servicios públicos de energía a menudo han construido los estanques sin revestimientos , especialmente en los Estados Unidos, y por lo tanto, los productos químicos en las cenizas pueden filtrarse a las aguas subterráneas y superficiales. [21]
Desde la década de 1990, las empresas de energía de los Estados Unidos han diseñado muchas de sus nuevas plantas con sistemas de manejo de cenizas secas. Las cenizas secas se eliminan en vertederos, que generalmente incluyen revestimientos y sistemas de monitoreo de aguas subterráneas. [22] Las cenizas secas también se pueden reciclar en productos como hormigón, rellenos estructurales para la construcción de carreteras y lechada. [23]
Las cenizas volantes se capturan y se eliminan de los gases de combustión mediante precipitadores electrostáticos o filtros de mangas de tela (o, a veces, ambos) ubicados en la salida del horno y antes del ventilador de tiro inducido. Las cenizas volantes se eliminan periódicamente de las tolvas de recolección debajo de los precipitadores o filtros de mangas. Generalmente, las cenizas volantes se transportan neumáticamente a silos de almacenamiento y se almacenan en el sitio en estanques de cenizas , o se transportan en camiones o vagones de ferrocarril a vertederos .
En la parte inferior del horno hay una tolva para la recolección de cenizas de fondo . Esta tolva se mantiene llena de agua para apagar las cenizas y los clínkeres que caen del horno. Se incluyen dispositivos para triturar los clínkeres y transportarlos triturados y las cenizas de fondo a los estanques de cenizas del lugar o a los vertederos fuera del lugar. Los extractores de cenizas se utilizan para descargar las cenizas de las calderas alimentadas con residuos sólidos urbanos.
Una política energética , una legislación energética y un mercado eléctrico bien diseñados son fundamentales para la flexibilidad. [24] Aunque técnicamente la flexibilidad de algunas centrales eléctricas a carbón podría mejorarse, son menos capaces de proporcionar generación despachable que la mayoría de las centrales eléctricas a gas . La flexibilidad más importante es la baja carga mínima; [25] sin embargo, algunas mejoras de flexibilidad pueden ser más caras que la energía renovable con baterías . [26]
En 2020, [actualizar]dos tercios del carbón quemado se utilizó para generar electricidad. [11] En 2020, el carbón fue la mayor fuente de electricidad con un 34 %. [27] Más de la mitad de la generación de carbón en 2020 se produjo en China. [27] Alrededor del 60 % de la electricidad en China, India e Indonesia proviene del carbón. [2]
En 2020, en todo el mundo había 2.059 GW de energía a carbón en funcionamiento, 50 GW se pusieron en servicio y se inició la construcción de 25 GW (la mayoría de estos tres en China); y 38 GW se retiraron (principalmente en EE. UU. y la UE). [28]
En 2023, la capacidad mundial de energía a carbón aumentó a 2130 GW, impulsada por la incorporación de 47,4 GW por parte de China. [29] : 7–64
En la COP26 de 2021, los países se han sumado al compromiso mundial de convertir el carbón en energía limpia. Sin embargo, siguen existiendo desafíos intrincados, en particular en países en desarrollo como Indonesia y Vietnam. [30]
Existen cuatro tipos principales de centrales eléctricas de carbón, en orden creciente de eficiencia: subcríticas, supercríticas , ultrasupercríticas y de cogeneración (también denominadas cogeneración o CHP). [31] Las subcríticas son el tipo menos eficiente, sin embargo, las innovaciones recientes han permitido modernizar plantas subcríticas más antiguas para igualar o incluso superar la eficiencia de las plantas supercríticas. [32]
El ciclo combinado de gasificación integrada (IGCC) es una tecnología de generación de energía a partir de carbón que utiliza un gasificador de alta presión para convertir el carbón (u otros combustibles a base de carbono) en gas presurizado (gas de síntesis ) . La conversión del carbón en gas permite el uso de un generador de ciclo combinado , que normalmente logra una alta eficiencia. El proceso IGCC también puede permitir la eliminación de algunos contaminantes del gas de síntesis antes del ciclo de generación de energía. Sin embargo, la tecnología es costosa en comparación con las centrales eléctricas convencionales a carbón.
Como el carbón es principalmente carbono , las centrales eléctricas a carbón tienen una alta intensidad de carbono . En promedio, las centrales eléctricas a carbón emiten muchos más gases de efecto invernadero por unidad de electricidad generada en comparación con otras fuentes de energía (ver también emisiones de gases de efecto invernadero del ciclo de vida de las fuentes de energía ). En 2018, el carbón quemado para generar electricidad emitió más de 10 Gt de CO2 [ 33] de las 34 Gt totales de la quema de combustible [34] (las emisiones totales generales de gases de efecto invernadero para 2018 fueron 55 Gt de CO2e [ 35 ] ).
De 2015 a 2020, aunque la generación de carbón apenas cayó en términos absolutos, parte de su cuota de mercado fue arrebatada por la energía eólica y solar. [27] En 2020, solo China aumentó la generación de energía a carbón, y a nivel mundial cayó un 4%. [27] Sin embargo, en 2021, China declaró que limitaba la generación de carbón hasta 2025 y, posteriormente, la eliminaba gradualmente con el tiempo. [39] El Secretario General de la ONU ha dicho que los países de la OCDE deberían dejar de generar electricidad a partir de carbón para 2030 y el resto del mundo para 2040, de lo contrario, limitar el calentamiento global a 1,5 °C, un objetivo del Acuerdo de París , sería extremadamente difícil. [18] La eliminación progresiva en Asia puede ser un desafío financiero, ya que las plantas allí son relativamente jóvenes: [2] en China, los cobeneficios del cierre de una planta varían mucho según su ubicación. [40]
El amoníaco tiene una alta densidad de hidrógeno y es fácil de manipular. Se puede utilizar como combustible de almacenamiento libre de carbono en la generación de energía con turbinas de gas y ayudar a reducir significativamente las emisiones de CO₂ como combustible. [41] En Japón, el primer gran proyecto de prueba de cuatro años se inició en junio de 2021 para desarrollar tecnología que permita la co-combustión de una cantidad significativa de amoníaco en una planta comercial de carbón a gran escala. [42] [43] Sin embargo, el hidrógeno y el amoníaco con bajas emisiones de carbono tienen una gran demanda para el transporte marítimo sostenible , que a diferencia de la generación de electricidad, tiene pocas otras opciones limpias. [44]
Algunas centrales eléctricas se están convirtiendo para quemar gas, biomasa o residuos, [45] y la conversión a almacenamiento térmico se probará en 2023. [46]
En 2020, en China se estaba considerando modernizar algunas centrales eléctricas de carbón existentes con captura y almacenamiento de carbono , [47] pero es una medida muy costosa, [11] reduce la producción de energía y, para algunas plantas, no es técnicamente factible. [48]
Las centrales eléctricas que queman carbón matan a miles de personas cada año con sus emisiones de partículas , contaminantes microscópicos del aire que penetran en los pulmones y otros órganos humanos y provocan una variedad de condiciones médicas adversas, incluyendo asma , enfermedades cardíacas , bajo peso al nacer y cánceres . Solo en los EE. UU., dichas partículas, conocidas como PM 2.5 (partículas con un diámetro de 2,5 μm o menos), causaron al menos 460.000 muertes adicionales en dos décadas. [49]
En algunos países, la contaminación se controla en cierta medida mediante las mejores técnicas disponibles , por ejemplo, en la UE [50] a través de su Directiva sobre emisiones industriales . En los Estados Unidos, las plantas de carbón se rigen a nivel nacional por varias normas sobre contaminación del aire, entre ellas la normativa sobre estándares de mercurio y tóxicos del aire (MATS), [51] por directrices sobre efluentes para la contaminación del agua , [52] y por normas sobre residuos sólidos en virtud de la Ley de conservación y recuperación de recursos (RCRA). [53]
Las centrales eléctricas de carbón siguen contaminando en países con regulaciones poco estrictas, como los Balcanes Occidentales , [54] India, Rusia y Sudáfrica; [55] causando más de cien mil muertes prematuras cada año. [4] [56] [57]
Los daños a la salud causados por partículas , dióxido de azufre y óxido de nitrógeno se producen principalmente en Asia y a menudo se deben a la quema de carbón de baja calidad, como el lignito , en plantas que carecen de un tratamiento moderno de los gases de combustión . [55] Se ha estimado que las muertes prematuras debido a la contaminación del aire son 200 por GW-año, sin embargo, pueden ser más altas alrededor de las centrales eléctricas donde no se utilizan depuradores o más bajas si están lejos de las ciudades. [58] La evidencia indica que la exposición al azufre, sulfatos o PM 2,5 de las emisiones de carbón puede estar asociada con un mayor riesgo relativo de morbilidad o mortalidad que la de otros componentes de PM 2,5 o PM 2,5 de otras fuentes por unidad de concentración. [59]
Los contaminantes como los metales pesados que se filtran en las aguas subterráneas desde estanques de almacenamiento de cenizas de carbón sin revestimiento o vertederos contaminan el agua, posiblemente durante décadas o siglos. [60] Las descargas contaminantes de los estanques de cenizas a los ríos (u otros cuerpos de agua superficiales) suelen incluir arsénico , plomo, mercurio , selenio , cromo y cadmio . [52]
Las emisiones de mercurio de las centrales eléctricas de carbón pueden volver a caer sobre la tierra y el agua con la lluvia y luego ser convertidas en metilmercurio por las bacterias. [61] A través de la biomagnificación , este mercurio puede alcanzar niveles peligrosamente altos en los peces. [62] Más de la mitad del mercurio atmosférico proviene de las centrales eléctricas de carbón. [63]
Las centrales eléctricas de carbón también emiten dióxido de azufre y nitrógeno . [64] Estas emisiones provocan lluvia ácida , que puede reestructurar las redes alimentarias y provocar el colapso de las poblaciones de peces e invertebrados . [64] [65]
Se prevé que a partir de 2018 [actualizar]la contaminación local en China, que tiene con diferencia la mayor cantidad de centrales eléctricas a carbón, se reducirá aún más en las décadas de 2020 y 2030, especialmente si las plantas pequeñas y de baja eficiencia se retiran anticipadamente. [66]
Las centrales eléctricas de carbón tienden a servir como tecnología de carga base , ya que tienen altos factores de disponibilidad y son relativamente difíciles y costosas de aumentar y disminuir. Como tal, tienen un desempeño deficiente en los mercados de energía en tiempo real , donde no pueden responder a los cambios en el precio marginal local. En los Estados Unidos, esto ha sido especialmente cierto a la luz de la llegada del gas natural barato, que puede servir como combustible en plantas de energía despachables que sustituyen el papel de carga base en la red. [67]
Rusia canaliza amplios subsidios a su industria del carbón debido a su importancia para los ingresos de exportación, las comunidades mineras y los oligarcas que poseen compañías de carbón. [68] [ se necesita cita para verificar ]
En 2020, la industria del carbón recibió subsidios por 18 mil millones de dólares estadounidenses. [2]
La financiación del carbón es el apoyo financiero que se brinda a los proyectos relacionados con el carbón, que abarcan la minería del carbón y las centrales eléctricas a carbón. [69] Su papel en la configuración del panorama energético mundial y sus impactos ambientales y climáticos lo han convertido en un tema de preocupación. La falta de alineación de la financiación del carbón con los objetivos climáticos internacionales, en particular el Acuerdo de París , ha atraído la atención. [70]
El Acuerdo de París tiene por objeto limitar el calentamiento global a muy por debajo de los 2 grados Celsius e idealmente a 1,5 grados Celsius. Para alcanzar estos objetivos es necesario reducir sustancialmente las actividades relacionadas con el carbón. [71]
Los estudios, incluida la contabilidad financiera de las emisiones de carbón, han revelado una falta de alineación entre la financiación del carbón y los objetivos climáticos. [70] Las principales naciones, como China, Japón y los EE. UU., han brindado apoyo financiero a la infraestructura energética de carbón en el extranjero. [69] [72] Los mayores patrocinadores son los bancos chinos en el marco de la Iniciativa del Cinturón y la Ruta (BRI). [73] [69] Este apoyo ha generado importantes riesgos climáticos y financieros a largo plazo y perjudica los objetivos de reducción de las emisiones de CO2 establecidos por el Acuerdo de París, del que China, los Estados Unidos y el Japón son signatarios. Se prevé que una parte sustancial de las emisiones de CO2 asociadas se produzcan después de 2019. [70]
La financiación del carbón plantea desafíos a la descarbonización global del sector de generación de energía. [72] A medida que las tecnologías de energía renovable se vuelven competitivas en términos de costos, la viabilidad económica de los proyectos de carbón disminuye, lo que hace que las inversiones anteriores en combustibles fósiles sean menos atractivas. [74] Para abordar estas preocupaciones y alinearse con los objetivos climáticos, existe un creciente llamado a políticas más estrictas con respecto a la financiación del carbón en el extranjero. [69] [70] Los países, incluidos Japón y los EE. UU., han enfrentado críticas por permitir la financiación de ciertos proyectos de carbón. El fortalecimiento de las políticas, potencialmente prohibiendo por completo la financiación pública de proyectos de carbón, mejoraría sus esfuerzos climáticos y su credibilidad. Además, una mayor transparencia en la divulgación de los detalles de la financiación es crucial para evaluar sus impactos ambientales. [70]
En la India, los factores de capacidad están por debajo del 60%. [75] En 2020, las centrales eléctricas de carbón en los Estados Unidos tenían un factor de capacidad general del 40%; es decir, operaban a un poco menos de la mitad de su capacidad nominal acumulada. [76]
Si el calentamiento global se limita a muy por debajo de los 2 °C, como se especifica en el Acuerdo de París , se pronostica que los activos varados de las plantas de carbón ascenderán a más de 500 mil millones de dólares para 2050, principalmente en China. [77] En 2020, el grupo de expertos Carbon Tracker estimó que el 39% de las plantas de carbón ya eran más caras que las nuevas energías renovables y el almacenamiento y que el 73% lo serían para 2025. [78] A partir de 2020, [actualizar]aproximadamente la mitad de las empresas de energía a carbón de China están perdiendo dinero y las plantas de energía antiguas y pequeñas "no tienen esperanzas de obtener ganancias". [79] A partir de 2021, [actualizar]la India está manteniendo en funcionamiento los posibles activos varados subvencionándolos. [80] [81] [82]
En mayo de 2021, el G7 se comprometió a poner fin al apoyo a las centrales eléctricas de carbón en el plazo de un año. [83] El compromiso del G7 de poner fin al apoyo al carbón es significativo, ya que su capacidad de carbón disminuyó del 23% (443 GW) en 2015 al 15% (310 GW) en 2023, lo que refleja un cambio hacia políticas más ecológicas. Esto contrasta con China y la India, donde el carbón sigue siendo central para la política energética. [29] : 11
A partir de 2023, el Grupo de los Veinte (G20) posee el 92% de la capacidad de carbón operativa del mundo (1.968 GW) y el 88% de la capacidad de preconstrucción (336 GW). [29] : 11
La política energética de China en relación con el carbón y el carbón en China son los factores más importantes en relación con el futuro de las centrales eléctricas de carbón, porque el país tiene muchas. [84] Según un análisis, los funcionarios locales invirtieron demasiado en energía a carbón a mediados de la década de 2010 porque el gobierno central garantizó las horas de funcionamiento y estableció un alto precio mayorista de la electricidad. [85]
En las democracias, la inversión en energía a base de carbón sigue una curva ambiental de Kuznets . [86] La política energética de la India en relación con el carbón es un tema de la política del país . [87] [88]
En el siglo XXI la gente ha protestado a menudo contra la minería a cielo abierto, por ejemplo en el bosque de Hambach , el bosque de Akbelen y Ffos-y-fran ; [89] [90] y en los sitios donde se proponen nuevas plantas, como en Kenia [91] y China. [92]
Aumento anual del 2 % en el parque mundial de carbón operativo, que actualmente se sitúa en 2130 GW […] Figura 16: La capacidad mundial de energía a carbón sigue creciendo de forma constante a pesar del Acuerdo de París, con un repunte del 2 % en 2023
{{cite journal}}: Requiere citar revista |journal=( ayuda )China generó el 53% de la energía generada a carbón en el mundo en 2020, nueve puntos porcentuales más que cinco años antes
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