La energía nuclear como alternativa para reducir las emisiones de gases de efecto invernadero

Figura 1: La industria de la energía nuclear. Imagen tomada de: www.npr.org

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Los retos por reducir los efectos del cambio climático requieren considerar a la energía nuclear como parte del componente energético mundial.

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El crecimiento poblacional y sus consecuentes requerimientos de energía para el desarrollo económico y calidad de vida, por su lado los cambios climáticos que demandan la reducción de gases de efecto invernadero, plantean un reto para la humanidad. La energía nuclear requiere ser desmitificada y puede ser vista como una alternativa para la reducción de emisiones de CO2

Expandir el acceso a la energía y al mismo tiempo reducir drásticamente las emisiones de gases de efecto invernadero que son los causantes del calentamiento global y los cambios climáticos son unos de los retos fundamentales a los que debe hacer frente la humanidad. 

Este artículo se centra en el sector de generación de energía eléctrica debido a que constituye el principal objetivo ya identificado para la reducción del uso de carbón como fuente de generación (del idioma inglés: decarbonization). La información y resultados son tomados principalmente del estudio realizado por El Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT) denominado Future of Nuclear Energy in a Carbon-Constrained World. El análisis presentado por MIT está diseñado con el objetivo de servir de manera balanceada y basado en hechos como guía a todos las partes interesadas en la energía nuclear. 

Antecedentes y accidentes 

En 1986 la palabra Chernobyl se transformó en sinónimo de muerte a escala mundial, como consecuencia del que sin duda ha sido el mayor accidente nuclear de la historia de la humanidad, causado por fallas humanas, este accidente nuclear ocasionó la muerte de 43 personas como consecuencia directa, así como la exposición a la radiación de 4000 personas. Aun hoy en día existe una zona de exclusión de 30 Km alrededor del reactor nuclear de Chernobyl. (Grimes, DR, 2016). 

En 2011 los efectos combinados de un terremoto y de un tsunami, desencadenaron un accidente en la planta de energía nuclear de Fukushima Daiichi en Japón. Esto condujo a las autoridades japonesas a evacuar cerca de 200.000 personas de la región circundante. Este evento renovó las preocupaciones de la población respecto a la seguridad de las instalaciones nucleares. Aunque las consecuencias radiológicas del accidente han sido mínimas, la infraestructura nuclear en Japón fue temporalmente puesta fuera de operación y solo algunas plantas muy necesarias fueron puestas nuevamente en operación. A raíz de este evento, 5 países: Alemania, Suiza, Bélgica, Taiwán y Corea del Sur, anunciaron su intención de la eliminación gradual de la energía nuclear. 

A pesar de este panorama poco alentador para la energía nuclear, algunas oportunidades han aparecido para la industria nuclear con propósitos civiles.  

Que tenemos en la actualidad 

Internacionalmente existe una ascendente preocupación respecto al cambio climático. Con un crecimiento de la población mundial que se orienta hacia los 9 mil millones para el año 2050 y con el potencial de varias economías emergentes de sacar de la pobreza a millones de personas, esto acarrea requerimientos económicos y energéticos que deben ser afrontados.  

En consecuencia solo un esfuerzo concertado para reducir el uso del carbón en los actuales sistemas de generación de energía tendría impacto significativo en los efectos de cambio climático. En este contexto, existen oportunidades para la energía nuclear de jugar un rol importante a largo plazo en los requerimientos globales de energía. (MITEI, 2018. p. 15) 

El acceso al a electricidad juega un rol preponderante en las mejoras de los estándares de vida, educación y salud. Existe una métrica bien conocida que asocia el desarrollo social y económico de los países y el uso per-capita de electricidad, ver figura 2. En la medida que los países se desarrollan, el uso de la energía eléctrica tiende a incrementarse. De acuerdo a las estimaciones actuales el consumo de electricidad en los países no pertenecientes a La Organización para la Cooperación Económica y el Desarrollo (OECD), ver cuadro No. 1, se espera un crecimiento de 60% para el año 2040, por su parte los requerimientos globales de energía se espera crezca en 45% (U.S. Energy Information Administration, 2017). 

En la actualidad la energía nuclear provee cerca del 11% del suministro eléctrico mundial y constituye la mayor porción de toda la energía eléctrica generada mundialmente a partir de fuentes de bajo consumo de carbón.

Índice de desarrollo humano versus consumo de electricidad promedio

Figura 2. Índice de desarrollo humano versus consumo de electricidad promedio

Fuente: Bloomberg New Energy Finance, New Energy Outlook 2017.

En el futuro cercano la electricidad continuará siendo generada a partir de una mezcla de combustibles fósiles, energía hidráulica, en algunos casos a partir de la energía del sol y del viento, así como de la energía nuclear.

El futuro del uso de la energía nuclear es incierto debido a varias razones, principalmente a los altos y crecientes costos de implementación y mantenimiento, así como a la persistencia de preocupación acerca de la seguridad de las plantas nucleares y la proliferación de armas nucleares.

El mundo debe afrontar el reto de reducir drásticamente las emisiones de gases que producen el efecto invernadero, mientras que simultáneamente se requiere expandir el acceso a la energía y en consecuencia a oportunidades económicas para millones de personas.

La Organización para la Cooperación Económica y el Desarrollo (OECD), está conformada por 218 países, esta organización tiene como misión promover políticas que mejoren el bienestar económico y social de la población alrededor del mundo.

A continuación algunos países pertenecientes a la OECD:

  • América: Estados Unidos, Canadá, Chile, and México.
  • Asia: Australia, Japón, Nueva Zelanda y Corea del Sur.
  • Europa: Alemania, Austria, Bélgica, España, Francia, Grecia, Italia, Noruega, Italia, Portugal, Reino Unido, Suiza.

Algunos países que no pertenecen a la OECD:

  • Asia: China, Hong Kong, India, Indonesia, Corea del Norte, Pakistán.
  • Europa y Eurasia: Bulgaria, Croacia, Rusia, Serbia, Ucrania.
  • Este-medio: Emiratos árabes Unidos, Irán, Iraq, Kuwait, Qatar, Saudí Arabia, Siria, Yemen.
  • América: Argentina, Bolivia, Brasil, Colombia, Cuba, Ecuador, Guyana, Nicaragua, Panamá, Paraguay, Venezuela.

Fuente: OECD, 2018

Cuadro 1. La Organización para la Cooperación Económica y el Desarrollo (OECD)

Perspectiva del sector eléctrico a nivel internacional

El sector de generación eléctrica actualmente emite en promedio 500 gramos de dióxido de carbono por kilovatio/hora (gCO2/kWh), esta industria ha sido identificada internacionalmente como un objetivo de atención temprana para la eliminación de uso de carbón (decarbonization) como combustible, con un objetivo para el año 2050 de reducir a 50 gCO2/kWh. (World Nuclear News, 2018).

El sector de energía eléctrica es internacionalmente una de las áreas del mercado de energía de más dinámico crecimiento. De igual modo desde hace algunas décadas, el uso de la electricidad como forma de energía, ha sido de las de más rápido crecimiento a nivel mundial. En el reporte de la Administración de Información para la Energía de los Estados Unidos en su Pronóstico Internacional de Energía 2017 (EIA International Energy Outlook 2017 - IEO2017), el cual presenta un análisis de largo plazo con proyecciones hasta el año 2050, estima que la generación de energía a nivel mundial crecerá casi 45% para mediados de siglo, de 23,4 billones (1012) kilovatios hora (KWh) en el 2015 hasta 25,3 billones KWh en 2020 y 34 billones KWh en 2040 (U.S. Energy Information Administration, 2017).

El mayor crecimiento está proyectado que ocurra en los países en vías de desarrollo no pertenecientes a la OECD, principalmente China e India. La tasa de crecimiento para generación de energía eléctrica en los países no-OECD es de 1,9% por año a partir de 2015 hasta el año 2040. En las naciones pertenecientes a la OECD, en donde ya existe una infraestructura más consolidada y cuyo crecimiento poblacional es relativamente lento e incluso en declive, la generación eléctrica está proyectada se incremente en 1% anual entre 2015 y 2040 (U.S. Energy Information Administration, 2017). Particularmente en los Estados Unidos, la demanda de electricidad se proyecta que crezca entre 0,5% y 1% por año en el mismo periodo, mucho menos que el promedio de los países OECD (MITEI, 2018, p. 2).

Perspectiva a nivel internacional para la energía nuclear

En la actualidad el mundo produce tanta electricidad a partir de la energía nuclear, como la producida en la década de 1960 a partir de todas las fuentes combinadas. El uso civil de plantas de energía provee el 11% de las necesidades mundiales de electricidad, esto con reactores en 32 países. La capacidad instalada para la generación de electricidad a partir de reactores nucleares de energía, totaliza a nivel mundial más de 392 gigawatts (GW). En la actualidad, 55 reactores de energía nuclear están en proceso de construcción, lo que equivales a 16% de la capacidad nuclear actual (MITEI, 2018, p. 3).

La generación eléctrica a partir de la energía nuclear se estima que crezca de 2,3 billones (1012) KWh en 2020 a 2,7 billones KWh en 2020 y 3,7 billones en 2040, esto con base en la información de International Energy Outlook 2017.

Las preocupaciones con respecto a la seguridad y disponibilidad de energía con relación a las emisiones de CO2 es el principal factor que ha determinado en el desarrollo de nuevas capacidades de generación de energía nuclear.

Prácticamente toda la expansión neta en la capacidad instalada a nivel mundial proviene de los países no-OECD, esto liderado por los planes de incorporación de capacidad nuclear en China e India para el periodo 2012 a 2040. Otros países no-OECD interesados en la energía nuclear han iniciado programas para tal fin, con ello han logrado pequeños pero significativos planes para el desarrollo de la capacidad nuclear. Ejemplo de ello son los Emiratos Árabes, que ha iniciado un programa de desarrollo de energía nuclear en cooperación con la Agencia Internacional de la Energía Atómica (IAEA por sus siglas en inglés). Este proyecto de los Emiratos Árabes está liderado por un consorcio Coreano de energía y contempla la construcción de 4 reactores de energía nuclear con capacidad combinada de 5,6 GW.

En los países europeos pertenecientes a la OECD, la capacidad nuclear promedio se espera decaiga en más de 30%. En Japón, de igual modo se espera decaiga, esto luego del accidente de Fukushima. En consecuencia, la capacidad combinada de generación de energía nuclear en los países pertenecientes a la OECD se espera decrezca en 6 GW en el periodo 2012 a 2040 (MITEI, 2018, p.4).

Reducción de emisiones en el sector eléctrico

En el caso específico del sector de generación de energía eléctrica a nivel mundial, el término utilizado en ingles decarbonization significa lograr una sustancial reducción, en un orden de magnitud o más, de las emisiones de gases de efecto invernadero. Esto es necesario para mitigar los efectos del cambio climático. Lograr esta reducción sustancial

Lograr el objetivo concertado internacionalmente en el 2015 a través del Acuerdo de París (ver cuadro 2), de estabilizar para el año 2050 a 2°C el promedio del calentamiento global, requiere alcanzar esta reducción sustancial de las emisiones de gases de efecto invernadero –en inglés deep decarbonization- en todo el sector de generación de energía eléctrica a nivel mundial. Específicamente, hay análisis de expertos que han concluido que las tasas de emisión de CO2 para el sector eléctrico mundial deben reducirse a un rango de 10 a 25 gCO2/KWh, esto comparado con el promedio mundial actual de 500 gCO2/KWh.

Logar el objetivo de reducir significativamente las emisiones de CO2 sin tomar en cuenta la opción de la energía nuclear requeriría una expansión considerable de las fuentes de energía renovables y capacidades de almacenamiento con baterías, lo cual conduciría a incrementos sustanciales en los costos de la energía. (MITEI, 2018, p. 23).

Factores políticos y culturales son los que tendrán influencia en los casos individuales de cada país para la ruta a seguir en la reducción de las emisiones. Actualmente las medidas de la eficiencia de la energía y de la conservación de la energía son empleadas como una manera efectiva en costos para reducir la demanda de energía y por lo tanto reducir las emisiones de CO2. Sin embargo, estas medidas no serían adecuadas para reducir significativamente las emisiones globales. Los estudios que han explorado opciones para alcanzar las metas del año 2050 se han enfocado principalmente en el potencial de transformar el sector de energía eléctrica debido a que los costos de la reducción de las emisiones de carbono en este sector son inicialmente más bajas respecto a otros sectores. Por ejemplo y como contraste, lograr para mediados de siglo, cambios significativos y reducción de emisiones de carbono en el sector de transporte e industrial se estima sea más difícil y mucho más costoso (MITEI, 2018, p. 4).

Lograr la reducción de las emisiones de carbono en cumplimiento con los Acuerdos de París de 2015, establece un reto para los países. Por ejemplo, los Estados Unidos producen aproximadamente 470 gCO2/kWh provenientes del sector eléctrico, con lo cual es el segundo mayor productor de gases de efecto invernadero luego de China la cual produce 680 gCO2/kWh. En el caso de los EEUU, para alcanzar el objetivo de estabilización climática en 2050 pautado en el Acuerdo de París, se requiere que las emisiones se reduzcan en más de 97%, es decir se requeriría reducir la intensidad de las emisiones de carbono provenientes del sector eléctrico de aproximadamente 470 gCO2/kWh a 15 gCO2/kWh

A continuación se presenta un cuadro explicativo respecto a cambio climático y la trayectoria de 2°C.

Los países desarrollados y en vías de desarrollo, 195 en total, en el marco de las Naciones Unidas y en la Convención por el cambio climático realizado en París en diciembre de 2015, convinieron y firmaron el denominado Acuerdo de París, en el cual se establecen la toma de acciones específicas con respecto al cambio climático, así como en mantener reportes y seguimiento con relación a los avances.

El acuerdo de París propone el fortalecimiento de la respuesta mundial a la amenaza del cambio climático, parte de los objetivos a largo plazo es el de mantener el aumento de la temperatura media mundial muy por debajo de 2 °C sobre los niveles preindustriales. Así como limitar el aumento a 1,5 °C, lo que reducirá considerablemente los riesgos y el impacto del cambio climático.

Fuente: Comisión Europea (2015).

Cuadro 2. Acuerdo de París y trayectoria de 2°C

Oportunidades para la energía nuclear más allá de la electricidad 

Los tradicionales reactores de energía nuclear (light water reactor – LWR), producen cantidades de energía utilizable en forma de calor a temperaturas de aproximadamente 300°C, este vapor es luego convertido en electricidad a través de luso de la fuerza de turbinas movidas a vapor. En los reactores nucleares más avanzados (diseños de IV generación), el principal producto sigue siendo vapor, sin embargo, con el potencial de producir temperaturas mucho más altas (500 a 800 °C). Esta capacidad de suministrar altas temperaturas ofrece una oportunidad incomparable para los reactores nucleares de altas temperaturas (HTR, por sus siglas en inglés) a través de ofrecer energía en forma de calor en diversas aplicaciones industriales (ver figura 3). 

El sector industrial en diferentes países es un consumidor de energía muy importante, por ejemplo, en Estados Unidos, el 25% de toda la energía producida es empleada en el sector industrial y el 80% de esa energía es en forma de calor. 

Potencial para producir calor en los procesos nucleares

Figura 3. Potencial para producir calor en los procesos nucleares

Fuente. The Future of Nuclear Energy in a Carbon-Constrained World

Sin embargo, los requerimientos industriales en términos de forma de energía son muy diversos, el tamaño de su demanda de energía, desde 1 MW hasta miles de MW de energía térmica, así como las temperaturas requeridas, las cuales varían en rangos de 200°C hasta 1500°C. Para determinar la aplicabilidad potencial del calor generado a parir de los procesos nucleares, se requiere considerar 2 atributos principales: El tamaño del sector industrial, en donde e tamaño es medido en términos de requerimientos térmicos y los requerimientos de temperatura del proceso específico. (MITEI, 2018, p. 25) 

Debido a que los Estados Unidos es el segundo país mayor productor de gases de efecto invernadero y el de mayores requerimientos de energía, además que existe información disponible, se toma como ejemplo para ilustrar el caso. Cada año la Agencia de Protección Ambiental (EPA, por sus siglas en inglés) publica información respecto a las emisiones provenientes de cada sector industrial en los Estados Unidos y que producen más de 25 mil toneladas equivalentes por año de CO2. El estudio realizado por el MIT (The Future of Nuclear Energy in a Carbon-Constrained World), utilizó la base de datos de la EPA del año 2017 para identificar lugares y sectores que fuesen lo suficientemente grandes para operar con el calor proveniente de procesos nucleares y que tuviesen requerimientos de temperatura compatibles con reactores avanzados (reactores nucleares de altas temperaturas - HTR). Este análisis consideró un reactor estándar de 300 MW y un reactor más pequeño de 150 MW, los resultados sobre el uso de calor se muestra en la figura 4. 

Resultados para la energía nuclear en el uso de la generación de calorPotencial para producir calor en los procesos nucleares

Figura 4. Resultados para la energía nuclear en el uso de la generación de calor

Fuente. MIT - The Future of Nuclear Energy in a Carbon-Constrained World

En resumen el análisis refleja que el uso del calor proveniente del proceso nuclear pudiera atraer cerca del 17% (134 GW) de los 795 GW del componente industrial en los Estados Unidos. (MITEI, 2017, p. 26).

En el caso particular de las refinerías que son grandes consumidores de energía, ellos suplen sus requerimientos externos de energía a través del uso del gas producido de sus propios proceso industriales, en otro caso el gas se convertiría en un producto de desperdicio del proceso de refinación de crudo. (MITEI, 2017, p.27).

El rol de la energía nuclear en el sistema de generación para el año 2050

El principal reto para la generación futura de los sistemas mundiales de energía es evitar continuar dañando el medio ambiente y a su vez continuar generando altos niveles de confiabilidad en el suministro de energía, seguridad y disponibilidad. La reducción en las emisiones de carbono será uno de los objetivos clave, las inversiones futuras en este sector tendrán la guía de las políticas nacionales e internacionales respecto a la energía y cambio climático.

Mientras que por una parte existe acuerdo internacional de lograr la reducción significativa de las emisiones en el sector eléctrico con el objetivo de mitigar los efectos del cambio climático, por el otro lado se mantienen considerables incertidumbres y debates respecto a la relativa contribución de algunas tecnologías de bajo uso de carbón (low-carbon technologies) con relación a los futuros sistemas de generación de energía. La mezcla óptima de tecnología en un ambiente con restricciones en el uso de carbón, dependerá de las características individuales.

El uso por si solo de los costos energéticos de la tecnología o los Costos nivelados de electricidad (en inglés: levelized cost of electricity - LCOE), el cual es una métrica ampliamente usada para comparar los costos de generación de electricidad, producirá una falla en valorar adecuadamente la producción de energía proveniente de fuentes de bajo carbón que debe ser despachada al sistema eléctrico. Aún más, estas métricas tienen serias deficiencias cuando se emplea para evaluar los costos de integración del sistema. El valor integral de una tecnología determinada en el sistema eléctrico puede ser entendido solamente cuando las tecnologías son evaluadas en conjunto y no de manera aislada. Las herramientas de soporte de decisiones, incluido los modelos de optimización de sistemas de energía, pueden contribuir a explorar estas sinergias, al mostrar o iluminar mecanismos, incertidumbres y riesgos y guiar a los que planean, desarrollan políticas y negocios (MITEI, 2018, p.5).

En particular las herramientas de modelado de capacidad de expansión o planeación de capacidades han sido usadas para explorar cual es la mezcla de recursos disponibles para generación de electricidad que puede producir los resultados de menor costo para el sistema como un todo y bajo diferentes escenarios (MITEI, 2018, p.6).

La construcción de nuevas plantas nucleares tiene un costo económico elevado y esto establece una limitación para la expansión en el uso de la energía nuclear, principalmente en escenarios donde se mantiene el estatus-quo y limitaciones modestas con relación a las emisiones de carbono. En los países o regiones del mundo donde las emisiones de carbono no plantean una limitante y no es considerado un factor preponderante, allí los combustibles fósiles (carbón o gas natural) generalmente constituyen una alternativa de bajo costo para la generación de energía eléctrica (MITEI; 2018, p.24).

Las imposiciones y acuerdos referentes a establecer restricciones en el uso de carbón y las emisiones de gases de efecto invernadero, crea oportunidades para el uso de la energía nuclear. La magnitud de estas oportunidades se incrementa en la medida en que decrecen los costos de la tecnología nuclear.

La reducción de costos para la implementación de la tecnología nuclear puede ayudar a su vez a reducir los costos que pueden conducir a obtener objetivos aún más modestos en términos de la reducción de las emisiones de gases en el sector de generación de electricidad, como por ejemplo 100 gCO2/KWh.

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