Central eléctrica de carbón

Una central eléctrica de carbón o una central eléctrica de carbón es una central térmica que quema carbón para generar electricidad . Las centrales eléctricas de carbón generan más de un tercio de la electricidad mundial, pero causan cientos de miles de muertes prematuras cada año, principalmente por la contaminación del aire . [1]

Las centrales eléctricas de carbón subcríticas como esta en Tuticorin , India , son las menos eficientes.
Central eléctrica de Bełchatów en Bełchatów , Polonia
Central eléctrica de Frimmersdorf en Grevenbroich , Alemania
Diagrama de la central eléctrica de carbón

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 generadores . Así, 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 Gt de dióxido de carbono cada año, [2] casi una quinta parte de las emisiones totales, por lo que son la mayor fuente de gases de efecto invernadero que están causando el cambio climático . [1] En 2020, el número total de plantas comenzó a caer [3] [4] ya que se están retirando en Europa [5] y América [6] a pesar de que todavía se están construyendo en Asia, casi todas financiadas por China. [7] [8] 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 se incluyen en el costo de generación, [9] [10] pero existe el riesgo de que las plantas más nuevas se queden varadas activos . [11] 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. [12]

Componentes de una central eléctrica de carbón

Como tipo de central térmica , una central térmica de carbón convierte sucesivamente la energía química almacenada en el carbón 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 del carbón pulverizado en combustión convierte el agua de la caldera en vapor , que luego se utiliza para hacer girar turbinas que hacen girar generadores . En comparación con una central térmica que quema otros tipos de combustible, se requiere el procesamiento de combustible específico del carbón y la eliminación de cenizas.

Para unidades de más de 200 MW de capacidad, se proporciona redundancia de componentes clave instalando duplicados de ventiladores de tiro forzado e inducido, precalentadores de aire y colectores de cenizas volantes. En algunas unidades de aproximadamente 60 MW, se pueden proporcionar dos calderas por unidad. La lista de centrales eléctricas de carbón tiene las 200 centrales eléctricas más grandes que varían en tamaño desde 2.000MW a 5.500MW.

Procesamiento de combustible

El carbón se prepara para su uso triturando el carbón en bruto en pedazos de menos de 5 cm de tamaño. Luego, el carbón se transporta desde el patio de almacenamiento a los silos de almacenamiento en la planta mediante cintas transportadoras a velocidades de hasta 4.000 toneladas por hora.

En las plantas que queman carbón pulverizado, los silos alimentan carbón a pulverizadores (molinos de carbón) que toman las piezas más grandes de 5 cm, las muelen hasta obtener la consistencia de talco , las clasifican y las mezclan con aire de combustión primaria, que transporta el carbón a la 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, las piezas más grandes de 5 cm se pueden alimentar directamente en los silos que luego alimentan a los distribuidores mecánicos que dejan caer el carbón en una parrilla móvil o los quemadores ciclónicos , un tipo específico de combustor que puede quemar más grande de manera eficiente. pedazos de combustible.

Funcionamiento de la caldera

Las plantas diseñadas para el lignito (carbón marrón) 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 de energía más baja que el carbón negro y requiere un horno mucho más grande para 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 el carbón pulverizado y la mezcla de gas caliente en la caldera.

Eliminación de cenizas

La ceniza a menudo se almacena en estanques de ceniza . Aunque el uso de estanques de cenizas en combinación con controles de contaminación del aire (como depuradores húmedos ) disminuye la cantidad de contaminantes en el aire, las estructuras presentan serios riesgos para la salud del medio ambiente circundante. [13] Las empresas de servicios eléctricos 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 en las aguas subterráneas y superficiales. [14]

Desde la década de 1990, las empresas eléctricas de EE. UU. Han diseñado muchas de sus nuevas plantas con sistemas de manejo de cenizas secas. La ceniza seca se deposita en vertederos, que suelen incluir revestimientos y sistemas de control de aguas subterráneas. [15] La ceniza seca también se puede reciclar en productos como hormigón, rellenos estructurales para la construcción de carreteras y lechada. [dieciséis]

Recolección de cenizas volantes

Las cenizas volantes se capturan y eliminan del gas 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 recogida debajo de los precipitadores o filtros de mangas. Por lo general, las cenizas volantes se transportan neumáticamente a los silos de almacenamiento y se almacenan en el sitio en estanques de cenizas , o se transportan en camiones o vagones de ferrocarril a los vertederos .

Recolección y eliminación de cenizas de fondo

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 clinkers que caen del horno. Se incluyen arreglos para triturar los clinkers y transportar los clinkers triturados y las cenizas de fondo a los 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 de residuos sólidos municipales.

Flexibilidad

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Animación de la central eléctrica de carbón

Una política energética , una legislación energética y un mercado de la electricidad bien diseñados son fundamentales para la flexibilidad. [17] Aunque técnicamente la flexibilidad de algunas centrales eléctricas de carbón podría mejorarse, son menos capaces de proporcionar generación despachable que la mayoría de las centrales eléctricas de gas . La flexibilidad más importante es la carga mínima baja, [18] sin embargo, algunas mejoras de flexibilidad pueden ser más caras que la energía renovable con baterías . [19]

Generación mundial de electricidad por fuente en 2018. La generación total fue de 26,7 PWh . [20]

  Carbón (38%)
  Gas natural (23%)
  Hidro (16%)
  Nuclear (10%)
  Viento (5%)
  Aceite (3%)
  Solar (2%)
  Biocombustibles (2%)
  Otro (1%)

A partir de 2020dos tercios del carbón quemado son para generar electricidad. [4] A partir de 2018El carbón fue la mayor fuente de electricidad con un 38%, la misma proporción que 20 años antes: [21] los únicos países que generaron más de 350 TWh del total de unos 10.000 TWh en 2018 fueron China (4.732), India (1.176) y el Estados Unidos (1.246). [22]

A partir de 2018La energía de carbón en construcción era de 236 GW, se planificaron 339 GW, se pusieron en servicio 50 GW y se retiraron 31 GW. [23]

Como el carbón es principalmente carbono , las centrales eléctricas de 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 (véase también las emisiones de gases de efecto invernadero del ciclo de vida de las fuentes de energía ). En 2018 carbón quemado para generar electricidad emitida más de 10 Gt CO
2[2] del total de 34 Gt de la quema de combustible [24] (las emisiones totales de gases de efecto invernadero para 2018 fueron de 55 Gt de CO
2e [25] ).

Mitigación

Reducir progresivamente

En 2020, aunque China construyó algunas plantas, a nivel mundial se retiró más energía de carbón que se construyó: 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, limitando de lo contrario el calentamiento global a 1,5 ° C, un objetivo del Acuerdo de París , sería extremadamente difícil. [12]

Conversión

Algunas centrales eléctricas se están convirtiendo para quemar gas, biomasa o residuos, [26] y la conversión al almacenamiento térmico se probará en 2023. [27]

Captura de carbon

En 2020 se estaba considerando en China la modernización de algunas centrales eléctricas de carbón existentes con captura y almacenamiento de carbono , [28] pero esto es muy caro, [4] reduce la producción de energía y para algunas plantas no es técnicamente viable. [29]

Corrientes de desechos de la planta de energía de carbón

En algunos países, la contaminación se controla mediante las mejores técnicas disponibles , por ejemplo, las de la UE [30] a través de su Directiva sobre emisiones industriales . En los Estados Unidos, las plantas de carbón se rigen a nivel nacional por varias reglamentaciones sobre contaminación del aire, incluida la reglamentación sobre normas de mercurio y sustancias tóxicas del aire (MATS), [31] por directrices sobre efluentes para la contaminación del agua [32] y por desechos sólidos. regulaciones bajo la Ley de Conservación y Recuperación de Recursos (RCRA). [33]

Las centrales eléctricas de carbón continúan contaminando en países poco regulados como los Balcanes Occidentales , [34] India , Rusia y Sudáfrica , [35] causando cientos de miles de muertes prematuras cada año. [1]

Contaminación del aire local

El daño a la salud causado por las partículas , el dióxido de azufre y el óxido de nitrógeno se produce principalmente en Asia y, a menudo, se debe a la quema de carbón de baja calidad, como el lignito , en plantas que carecen de un tratamiento moderno de gases de combustión . [35] Las muertes tempranas debidas a la contaminación del aire se han estimado en 200 por GW-año, sin embargo, pueden ser más altas alrededor de las plantas de energía donde no se usan depuradores o más bajas si están lejos de las ciudades. [36]

La contaminación del agua

Los contaminantes como los metales pesados ​​que se filtran al agua subterránea desde los estanques de almacenamiento de cenizas de carbón sin revestimiento o los vertederos contaminan el agua, posiblemente durante décadas o siglos. [37] Las descargas de contaminantes de los estanques de cenizas a los ríos (u otras masas de agua superficial) suelen incluir arsénico , plomo , mercurio , selenio , cromo y cadmio . [32]

Las emisiones de mercurio de las centrales eléctricas de carbón pueden volver a caer sobre la tierra y el agua en la lluvia y luego ser convertidas en metilmercurio por las bacterias. [38] A través de la biomagnificación , este mercurio puede alcanzar niveles peligrosamente altos en el pescado. [39] Más de la mitad del mercurio atmosférico proviene de centrales eléctricas de carbón. [40]

Las centrales eléctricas de carbón también emiten dióxido de azufre y nitrógeno . [41] Estas emisiones conducen a la lluvia ácida , que puede reestructurar las redes alimentarias y provocar el colapso de las poblaciones de peces e invertebrados . [41] [42]

Mitigación de la contaminación local

A partir de 2018Se prevé que la contaminación local en China, que tiene con mucho la mayoría de las centrales eléctricas de carbón, se reducirá aún más en las décadas de 2020 y 2030, especialmente si las plantas pequeñas y de baja eficiencia se retiran antes de tiempo. [43]

Planta Castle Gate cerca de Helper, Utah .

El carbón se entrega por camión de carretera , ferrocarril , barcaza , barco minero o tubería de lechada de carbón . En ocasiones, las estaciones generadoras se construyen junto a una mina; especialmente una mina de carbón, como el lignito , que no es lo suficientemente valioso como para transportarlo a larga distancia; así que puede recibir carbón por cinta transportadora o masivas diesel-eléctricos -drive camiones . Un gran tren de carbón llamado "tren unitario" puede tener 2 km de largo y contener 130-140 vagones con alrededor de 100 toneladas de carbón en cada uno, para una carga total de más de 10000 toneladas. Una planta grande a plena carga requiere al menos una entrega de carbón de este tamaño todos los días. Las plantas pueden recibir de tres a cinco trenes al día, especialmente en la "temporada alta" durante el verano más caluroso o los meses de invierno más fríos (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 tren que tira de todo el tren para colocar cada vagón sobre una tolva de carbón. El volquete sujeta un automóvil individual contra una plataforma que hace girar el automóvil boca abajo para descargar el carbón. Los acopladores giratorios permiten que se lleve a cabo toda la operación mientras los coches todavía están acoplados. La descarga de una unidad de tren lleva unas tres horas.

Los trenes más cortos pueden usar vagones con "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 automóvil se abran, descargando el carbón a través de la abertura en el caballete. Descargar uno de estos trenes tarda entre una hora y una hora y media. Los descargadores más antiguos aún pueden usar vagones de descarga inferior accionados manualmente y un "agitador" adjunto para descargar el carbón.

Un carbonero (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 de los equipos de la planta. Para transportar carbón en aguas más tranquilas, como ríos y lagos, a menudo se utilizan barcazas de fondo plano . Barcazas son por lo general sin energía y deben ser movidos por remolcadores o remolcadores .

Para fines de puesta en marcha o auxiliares, la planta también puede utilizar fuel oil. El fueloil se puede entregar a las plantas por oleoducto , camión cisterna , carro tanque o camión. El aceite se almacena en tanques de acero cilíndricos verticales 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 bombear en climas fríos.

Hay 4 tipos principales de centrales eléctricas de carbón en orden creciente de eficiencia: subcríticas, supercríticas , ultra-supercríticas y de cogeneración (también llamadas calor y energía combinados o CHP). [44] Subcrítico es el tipo menos eficiente; sin embargo, las innovaciones recientes han permitido que las modificaciones de las plantas subcríticas más antiguas cumplan o incluso superen la eficiencia de las plantas supercríticas. [45]

Subvenciones

Los gobiernos del G20 , por sí solos, subvencionan el carbón en al menos 63.900 millones de dólares estadounidenses al año, de los cuales casi tres cuartas partes son para energía a partir de carbón. [1]

Finanzas

A partir de 2019los mayores patrocinadores son los bancos chinos bajo la Iniciativa Belt and Road (BRI). [46]

Factores de capacidad

En 2018, el factor de capacidad de las centrales eléctricas de carbón promedió el 51%, es decir, operaron aproximadamente la mitad de sus horas de funcionamiento disponibles. [47]

Activos varados

Si el calentamiento global se limita a muy por debajo de 2 ° C como se especifica en el Acuerdo de París , se pronostican activos varados en plantas de carbón de más de US $ 500 mil millones para 2050, principalmente en China. [48] 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 sería para 2025. [49] A partir de 2020Aproximadamente la mitad de las empresas eléctricas de carbón de China están perdiendo dinero y las centrales eléctricas antiguas y pequeñas "no tienen esperanzas de obtener beneficios". [50] A partir de 2018India mantiene en funcionamiento activos potenciales varados subsidiándolos. [51]

Greenpeace protestando contra el carbón en la Cancillería alemana

En 2021, el G7 se comprometió a poner fin al apoyo a las centrales eléctricas de carbón durante el año. [52]

La política energética de China con respecto al carbón y el carbón en China son los factores más importantes con respecto al futuro de las centrales eléctricas de carbón, porque el país tiene tantos. [53] Según un análisis, los funcionarios locales invirtieron en exceso en energía de carbón a mediados de la década de 2010 porque el gobierno central garantizaba las horas de funcionamiento y fijaba un precio mayorista elevado de la electricidad. [54] A partir de 2019La inversión de BRI puede ser para mantener empleadas a personas calificadas [55] y porque los bancos y las empresas estatales necesitan un lugar para colocar su capital y experiencia. [56]

En las democracias, la inversión en energía de carbón sigue una curva de Kuznets ambiental . [57] La política energética de la India sobre el carbón es un problema en la política de la India . [58] [59]

Protestas

Las protestas a menudo se han producido en sitios de minería [60] [61] y en sitios de nuevas plantas propuestas. [62]

La central eléctrica Holborn Viaduct en Londres , la primera central eléctrica de carbón a vapor pública del mundo, inaugurada en 1882

Las primeras centrales eléctricas de carbón se construyeron a finales del siglo XIX y utilizaron motores alternativos para generar corriente continua . Las turbinas de vapor permitieron la construcción de plantas mucho más grandes a principios del siglo XX y se utilizó corriente alterna para abastecer áreas más amplias.

  • Impulsando la Alianza del Carbón Pasada
  • Monitor de energía global

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  62. ^ Leithead, Alastair (5 de junio de 2019). "Fila sobre la planta de carbón del sitio del Patrimonio Mundial de Kenia" . Consultado el 6 de julio de 2019 .

  • Educación energética de plantas de energía a carbón por la Universidad de Calgary
  • Vídeo de cómo funciona una planta de carbón de la Autoridad del Valle de Tennessee
  • Vídeo de cómo funciona una planta de carbón de Ontario Power Generation
  • Electricidad a partir del carbón por la Asociación Mundial del Carbón
  • Plantas de energía de carbón del mundo mapeadas por Carbon Brief
  • End Coal por varios defensores del medio ambiente, la justicia social y la salud
  • Energía de carbón de la Agencia Internacional de Energía
  • Economía del carbón por Carbon Tracker
  • Centro de Investigación sobre Energía y Aire Limpio