Una central eléctrica de carbón o central eléctrica de carbón es una central térmica que quema carbón para generar electricidad . En todo el mundo hay más de 2.400 centrales eléctricas alimentadas con carbón, con una capacidad total de más de 2.000 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 debido a la contaminación del aire . [4] [5]
Una central eléctrica de carbón es un tipo de central eléctrica de combustibles fósiles . El carbón generalmente se pulveriza 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 los generadores . Así, la energía química almacenada en el carbón se convierte sucesivamente en energía térmica , energía mecánica y, finalmente, energía eléctrica .
Las centrales eléctricas alimentadas con carbón emiten más de 10 mil millones de toneladas de dióxido de carbono cada año, [6] aproximadamente una quinta parte de las emisiones mundiales de gases de efecto invernadero , por lo que son la principal causa del cambio climático . [7] Más de la mitad de toda la electricidad generada a partir de carbón en el mundo se genera en China. [8] En 2020, el número total de plantas comenzó a caer [9] [10] ya que se están retirando en Europa [11] y América [12] , aunque todavía se construyen en Asia, casi todas en China. [13] Algunas siguen siendo rentables porque los costos para otras personas debido al impacto ambiental y de salud de la industria del carbón no se incluyen en el costo de generación, [14] [15] pero existe el riesgo de que las plantas más nuevas se conviertan en activos abandonados . [16] El Secretario General de la ONU ha dicho que los países de la OCDE deberían dejar de generar electricidad a partir del carbón para 2030, y el resto del mundo para 2040. [17] Vietnam se encuentra entre los pocos países en rápido desarrollo dependientes del carbón que se comprometieron plenamente a eliminarlo progresivamente. energía de carbón sin límites para la década de 2040 o tan pronto como sea posible a partir de entonces. [18]
Las primeras centrales eléctricas de 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 dar servicio a áreas más amplias.
El carbón se transporta por camión de carretera, ferrocarril , barcaza , barco minero o tubería de lodo de carbón . A veces se construyen estaciones generadoras junto a una mina; especialmente la minería del carbón, como el lignito , que no es lo suficientemente valioso para transportarlo a larga distancia; También pueden recibir el carbón mediante cintas transportadoras o enormes camiones con motor diesel- eléctrico . Un gran tren de carbón llamado "tren unitario" puede tener 2 km de largo y contener entre 130 y 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 de tres a cinco trenes por día, especialmente en la "temporada alta" durante los meses más calurosos del verano o los meses más fríos del invierno (dependiendo del clima local), cuando el consumo de energía es alto.
Los descargadores modernos utilizan dispositivos de descarga giratorios, que eliminan los problemas de congelación del carbón en los vagones de descarga inferiores. El descargador incluye un brazo posicionador del tren que tira de todo el tren para colocar cada vagón sobre una tolva de carbón. El dumper sujeta un 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 todavía están acoplados. La descarga de un tren unitario dura unas tres horas.
Los trenes más cortos pueden utilizar vagones con un "descarga de aire", que depende de la presión de aire del motor más una "zapata" en cada vagón. Esta "zapata" 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 en la parte inferior del vagón se abran, arrojando el carbón por la abertura en el caballete. La descarga de uno de estos trenes lleva entre una hora y una hora y media. Los descargadores más antiguos todavía pueden utilizar vagones de descarga inferior operados manualmente y un "agitador" adjunto para descargar el carbón.
Un minero (buque de carga que transporta carbón) puede contener 41.000 toneladas (40.000 toneladas largas) de carbón y tarda varios días en descargarse. Algunos mineros 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 generalmente no tienen motor y deben ser movidas por remolcadores o remolcadores .
Para fines de arranque o auxiliares, la planta podrá utilizar también fueloil. El fueloil puede entregarse a las plantas mediante oleoductos , camiones cisterna , vagones cisterna o camiones. El petróleo se almacena en tanques cilíndricos verticales de acero con capacidades de hasta 14.000 metros cúbicos (90.000 bbl). El no más pesado . 5 "búnker" y no. 6 los combustibles generalmente se calientan con vapor antes de bombearlos en climas fríos.
Como tipo de central térmica , una central de carbón convierte la energía química almacenada en el carbón sucesivamente en energía térmica , energía mecánica y, finalmente, energía eléctrica . El carbón generalmente se pulveriza y luego se quema en una caldera de carbón pulverizado . El calor de la quema de carbón pulverizado convierte el agua de la caldera en vapor , que luego se utiliza para hacer girar turbinas que hacen girar los generadores . En comparación con una central térmica que quema otros tipos de combustible, se requiere un procesamiento de combustible específico del carbón y una eliminación de cenizas.
Para unidades de más de 200 MW de capacidad, se proporciona redundancia de componentes clave mediante la instalación de duplicados de ventiladores de tiro forzado e inducido, precalentadores de aire y recolectores de cenizas volantes. En algunas unidades de unos 60 MW, se pueden prever dos calderas por unidad. Las cien centrales eléctricas de carbón más grandes varían en tamaño entre 3.000 MW y 6.700 MW.
El carbón se prepara para su uso triturándolo en trozos de menos de 5 cm de tamaño. Luego, el carbón se transporta desde el patio de almacenamiento a los silos de almacenamiento internos mediante cintas transportadoras a velocidades de hasta 4.000 toneladas por hora.
En las plantas que queman carbón pulverizado, los silos alimentan el carbón a pulverizadores (molinos de carbón) que toman los trozos más grandes de 5 cm, los muelen hasta obtener la consistencia de talco , los clasifican y los mezclan con aire de combustión primaria, que transporta el carbón al horno de caldera y precalienta el carbón para eliminar el exceso de humedad. Una planta de 500 MW e puede tener seis pulverizadores de este tipo, 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, pueden introducirse directamente en los silos que luego alimentan los 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 carbón más grande. trozos de combustible.
Las plantas diseñadas para lignito (lignito) 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 obtener una producción de calor equivalente. Dichos 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 del carbón negro y típicamente extraen gas caliente del nivel de salida del horno y lo mezclan con el carbón entrante en molinos tipo ventilador que inyectan la mezcla de carbón pulverizado y gas caliente en la caldera.
Las cenizas suelen almacenarse 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 en el aire, las estructuras plantean graves riesgos para la salud del medio ambiente circundante. [19] Las empresas de servicios eléctricos a menudo han construido estanques sin revestimiento , especialmente en los Estados Unidos, y por lo tanto los productos químicos de las cenizas pueden filtrarse a las aguas subterráneas y superficiales. [20]
Desde la década de 1990, las empresas eléctricas de Estados Unidos han diseñado muchas de sus nuevas plantas con sistemas de manejo de cenizas secas. Las cenizas secas se eliminan en vertederos, que normalmente incluyen revestimientos y sistemas de monitoreo de aguas subterráneas. [21] Las cenizas secas también pueden reciclarse en productos como hormigón, rellenos estructurales para la construcción de carreteras y lechadas. [22]
Las cenizas volantes se capturan y eliminan de los gases de combustión mediante precipitadores electrostáticos o filtros de bolsa de tela (o, a veces, ambos) ubicados en la salida del horno y antes del ventilador de tiro inducido. Las cenizas volantes se retiran periódicamente de las tolvas de recolección debajo de los precipitadores o filtros de bolsas. Generalmente, las cenizas volantes se transportan neumáticamente a silos de almacenamiento y se almacenan in situ en estanques de cenizas , o se transportan en camiones o vagones de ferrocarril a los vertederos .
En la parte inferior del horno hay una tolva para la recogida de las cenizas del fondo . Esta tolva se mantiene llena de agua para apagar las cenizas y el clinker que caen del horno. Se incluyen disposiciones para triturar los clinkers y transportarlos y las cenizas de fondo a estanques de cenizas en el sitio o fuera del sitio a los vertederos. Los extractores de cenizas se utilizan para descargar las cenizas de las calderas alimentadas con residuos sólidos municipales.
Una política energética , una ley energética y un mercado eléctrico bien diseñados son fundamentales para lograr flexibilidad. [23] Aunque técnicamente la flexibilidad de algunas centrales eléctricas alimentadas con carbón podría mejorarse, son menos capaces de proporcionar generación gestionable que la mayoría de las centrales eléctricas alimentadas con gas . La flexibilidad más importante es una carga mínima baja, [24] sin embargo, algunas mejoras de flexibilidad pueden ser más costosas que la energía renovable con baterías . [25]
Generación mundial de electricidad en 2021 por fuente (la generación total fue de 28 petavatios-hora ) [26]
A partir de 2020, [actualizar]dos tercios del carbón quemado se destinarán a generar electricidad. [10] 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 estaban operativos 2059 GW de energía de carbón, se pusieron en servicio 50 GW y se inició la construcción de 25 GW (la mayoría de estos tres en China); y 38 GW retirados (principalmente EE. UU. y UE). [28]
Hay 4 tipos principales de centrales eléctricas de carbón en orden creciente de eficiencia: subcríticas, supercríticas , ultrasupercríticas y cogeneración (también llamada calor y energía combinados o CHP). [29] La subcrítica es el tipo menos eficiente; sin embargo, innovaciones recientes han permitido modernizaciones de plantas subcríticas más antiguas para igualar o incluso superar la eficiencia de las plantas supercríticas. [30]
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 (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 de carbón convencionales.
Como el carbón es principalmente carbón , las centrales eléctricas alimentadas con carbón tienen una alta intensidad de carbono . En promedio, las centrales eléctricas de 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 durante el ciclo de vida de las fuentes de energía ). En 2018, el carbón quemado para generar electricidad emitió más de 10 Gt CO 2 [31] del total de 34 Gt procedentes de la quema de combustible [32] (las emisiones totales de gases de efecto invernadero para 2018 fueron 55 Gt CO 2 e [33] ).
De 2015 a 2020, aunque la generación con carbón apenas cayó en términos absolutos, parte de su cuota de mercado se la llevaron la energía eólica y solar. [27] En 2020, solo China aumentó la generación de energía a partir de carbón, y a nivel mundial cayó un 4%. [27] Sin embargo, en 2021, China declaró que limitaría la generación de carbón hasta 2025 y posteriormente la eliminaría gradualmente con el tiempo. [37] 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. [17] La eliminación gradual en Asia puede ser un desafío financiero ya que las plantas allí son relativamente jóvenes: [2] en China, los beneficios colaterales de cerrar una planta varían mucho dependiendo de su ubicación. [38]
El amoníaco tiene una alta densidad de hidrógeno y es fácil de manipular. Puede utilizarse para almacenar combustible libre de carbono en la generación de energía con turbinas de gas y ayudar a reducir significativamente las emisiones de CO₂ como combustible. [39] En Japón, el primer gran proyecto de prueba de cuatro años se inició en junio de 2021 para desarrollar tecnología que permitiera coencender una cantidad significativa de amoníaco en una planta comercial de carbón a gran escala. [40] [41] Sin embargo, hay demanda de hidrógeno y amoníaco con bajas emisiones de carbono para el transporte marítimo sostenible , que, a diferencia de la generación de electricidad, tiene pocas otras opciones limpias. [42]
Algunas centrales eléctricas se están convirtiendo para quemar gas, biomasa o residuos, [43] y la conversión al almacenamiento térmico se probará en 2023. [44]
En 2020, en China se estaba considerando modernizar algunas centrales eléctricas de carbón existentes con captura y almacenamiento de carbono , [45] pero esto es muy costoso, [10] reduce la producción de energía y, para algunas plantas, no es técnicamente factible. [46]
Las centrales eléctricas que queman carbón matan a miles de personas cada año con sus emisiones de partículas , contaminantes microscópicos del aire que entran en los pulmones y otros órganos humanos e inducen una variedad de condiciones médicas adversas, incluyendo asma , enfermedades cardíacas , bajo peso al nacer y cánceres . Sólo en Estados Unidos, estas partículas, conocidas como PM2,5 (partículas con un diámetro de 2,5 μm o menos), causaron al menos 460.000 muertes adicionales en dos décadas. [47]
En algunos países, la contaminación se controla en cierta medida mediante las mejores técnicas disponibles , por ejemplo las de la UE [48] a través de su Directiva sobre emisiones industriales . En los Estados Unidos, las plantas alimentadas con carbón se rigen a nivel nacional por varias regulaciones sobre contaminación del aire, incluida la regulación de Estándares de Mercurio y Tóxicos del Aire (MATS), [49] por pautas de efluentes para la contaminación del agua , [50] y por residuos sólidos. regulaciones bajo la Ley de Recuperación y Conservación de Recursos (RCRA). [51]
Las centrales eléctricas de carbón siguen contaminando en países poco regulados; como los Balcanes Occidentales , [52] India, Rusia y Sudáfrica; [53] causando más de cien mil muertes prematuras cada año. [4] [54] [55]
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 . [53] Las muertes prematuras debido a la contaminación del aire se han estimado en 200 por GW-año; sin embargo, pueden ser mayores alrededor de las centrales eléctricas donde no se utilizan depuradores o menores si están lejos de las ciudades. [56] La evidencia indica que la exposición al azufre, sulfatos o PM2.5 provenientes de las emisiones de carbón puede estar asociada con un mayor riesgo relativo de morbilidad o mortalidad que el de otros componentes PM2.5 o PM2.5 de otras fuentes por unidad de concentración. [57]
Los contaminantes como los metales pesados que se filtran al agua subterránea desde estanques de almacenamiento de cenizas de carbón sin revestimiento o vertederos contaminan el agua, posiblemente durante décadas o siglos. [58] Las descargas de contaminantes de los estanques de cenizas a los ríos (u otros cuerpos de agua superficial) generalmente incluyen arsénico , plomo, mercurio , selenio , cromo y cadmio . [50]
Las emisiones de mercurio de las centrales eléctricas alimentadas con carbón pueden volver a caer a la tierra y al agua en forma de lluvia y luego ser convertidas en metilmercurio por las bacterias. [59] A través de la biomagnificación , este mercurio puede alcanzar niveles peligrosamente altos en los peces. [60] Más de la mitad del mercurio atmosférico proviene de centrales eléctricas alimentadas con carbón. [61]
Las centrales eléctricas de carbón también emiten dióxido de azufre y nitrógeno . [62] Estas emisiones provocan lluvia ácida , que puede reestructurar las redes alimentarias y provocar el colapso de las poblaciones de peces e invertebrados . [62] [63]
A partir de 2018, [actualizar]se pronostica que la contaminación local en China, que tiene con diferencia la mayor cantidad de centrales eléctricas alimentadas con carbón, se reducirá aún más en las décadas de 2020 y 2030, especialmente si las plantas pequeñas y de baja eficiencia se retiran anticipadamente. [64]
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 tales, tienen un desempeño deficiente en los mercados energéticos en tiempo real , donde no pueden responder a los cambios en el precio marginal local. En 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 gestionables que sustituyen el papel de carga base en la red. [sesenta y cinco]
Rusia canaliza amplios subsidios a su industria del carbón debido a su importancia para los ingresos de exportación, las comunidades mineras y los oligarcas propietarios de las empresas de carbón. [66] [ necesita cotización para verificar ]
En 2020, la industria del carbón recibió 18 mil millones de dólares subsidiados. [2]
La financiación del carbón es el apoyo financiero proporcionado a proyectos relacionados con el carbón, que incluyen la minería del carbón y las centrales eléctricas alimentadas con carbón. [67] Su papel en la configuración del panorama energético global y sus impactos ambientales y climáticos lo han convertido en un tema de preocupación. Ha llamado la atención la desalineación de la financiación del carbón con los objetivos climáticos internacionales, en particular el Acuerdo de París . [68]
El Acuerdo de París tiene como objetivo limitar el calentamiento global a muy por debajo de 2 grados Celsius e idealmente limitarlo a 1,5 grados Celsius. Para lograr estos objetivos se necesita una reducción sustancial de las actividades relacionadas con el carbón. [69]
Los estudios, incluida la contabilidad de las emisiones de carbón basada en finanzas, han revelado una desalineación del financiamiento del carbón con los objetivos climáticos. [68] Las principales naciones, como China, Japón y Estados Unidos, han ampliado su apoyo financiero a la infraestructura energética de carbón en el extranjero. [67] [70] Los mayores patrocinadores son los bancos chinos en el marco de la Iniciativa de la Franja y la Ruta (BRI). [71] [67] Este apoyo ha generado importantes riesgos climáticos y financieros a largo plazo y perjudica los objetivos de reducción de emisiones de CO2 establecidos por el Acuerdo de París, del que China, Estados Unidos y Japón son signatarios. Se prevé que una parte sustancial de las emisiones de CO 2 asociadas se produzcan después de 2019 [68].
La financiación del carbón plantea desafíos para la descarbonización global del sector de generación de energía. [70] 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. [72] Para abordar estas preocupaciones y alinearse con los objetivos climáticos, existe un llamado creciente a favor de políticas más estrictas con respecto a la financiación del carbón en el extranjero. [67] [68] Países, incluidos Japón y Estados Unidos, han enfrentado críticas por permitir la financiación de ciertos proyectos de carbón. Fortalecer las políticas, potencialmente prohibiendo por completo el financiamiento público de proyectos de carbón, mejoraría sus esfuerzos climáticos y su credibilidad. Además, una mayor transparencia en la divulgación de detalles financieros es crucial para evaluar sus impactos ambientales. [68]
En la India, los factores de capacidad están por debajo del 60%. [73] En 2020, las centrales eléctricas de carbón en los Estados Unidos tenían un factor de capacidad general del 40%; es decir, operaron a poco menos de la mitad de su capacidad nominal acumulada. [74]
Si el calentamiento global se limita a muy por debajo de 2 °C como se especifica en el Acuerdo de París , se pronostican activos abandonados de plantas de carbón por más de 500 mil millones de dólares para 2050, principalmente en China. [75] En 2020, el grupo de expertos Carbon Tracker estimó que el 39% de las plantas alimentadas con carbón ya eran más caras que las nuevas energías renovables y el almacenamiento y que el 73% lo sería en 2025. [76] A partir de 2020, [actualizar]aproximadamente la mitad de las empresas de energía de carbón de China son perdiendo dinero y las centrales eléctricas antiguas y pequeñas "no tienen esperanzas de obtener beneficios". [77] A partir de 2021, [actualizar]la India mantendrá en funcionamiento posibles activos varados subvencionándolos. [78] [79] [80]
En mayo de 2021, el G7 se comprometió a poner fin al apoyo a las centrales eléctricas de carbón dentro de un año. [81]
La política energética de China con respecto al carbón y el carbón en China son los factores más importantes para el futuro de las centrales eléctricas de carbón, porque el país tiene muchas. [82] Según un análisis, los funcionarios locales invirtieron excesivamente en energía alimentada con carbón a mediados de la década de 2010 porque el gobierno central garantizaba las horas de funcionamiento y fijaba un alto precio mayorista de la electricidad. [83]
En las democracias, la inversión en energía a base de carbón sigue una curva ambiental de Kuznets . [84] La política energética de la India sobre el carbón es un tema en la política de la India . [85] [86]
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 ; [87] [88] y en sitios de nuevas plantas propuestas, como en Kenia [89] y China. [90]
China generó el 53% de la energía total mundial a partir de carbón en 2020, nueve puntos porcentuales más que cinco años antes.
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