Análisis de ciclo de vida de plantas de potencia con ciclo de Rankine: comparativa entre planta termosolar y planta de carbón

Equation Chapter 1 Section 1 Trabajo Fin de Grado Grado en Ingeniería de las Tecnologías Industriales Análisis de ciclo de vida de plantas de potencia con ciclo de Rankine: comparativa entre planta termosolar y planta de carbón Autor: Alexis Javier Graciani García Tutores: Gonzalo Sánchez Martínez y José Fernando Vidal Barrero Dpto. de Ingeniería Energética Dpto. de Ingeniería Química y Ambiental Escuela Técnica Superior de Ingeniería Universidad de Sevilla Sevilla, 2023 iii Trabajo Fin de Grado Grado en Ingeniería de Tecnologías Industriales Análisis de ciclo de vida de plantas de potencia con ciclo de Rankine: comparativa entre planta termosolar y planta de carbón Autor: Alexis Javier Graciani García Tutor: Gonzalo Sánchez Martínez José Fernando Vidal Barrero Dpto. de Ingeniería Energética Dpto. de Ingeniería Química y Ambiental Escuela Técnica Superior de Ingeniería Universidad de Sevilla Sevilla, 2023 v Trabajo Fin de Grado: Análisis de ciclo de vida de plantas de potencia con ciclo de Rankine: comparativa entre planta termosolar y planta de carbón Autor: Alexis Javier Graciani García Tutor: Gonzalo Sánchez Martínez y José Fernando Vidal Barrero El tribunal nombrado para juzgar el Proyecto arriba indicado, compuesto por los siguientes miembros: Presidente: Vocales: Secretario: Acuerdan otorgarle la calificación de: Sevilla, 2023 El Secretario del Tribunal vii A mi familia A mis maestros ix Agradecimientos En primer lugar me gustaría agradecer a mis padres, Inmaculada y Miguel, que tanto se han esforzado en darme una educación y conjunto de valores con tanta dedicación y cariño, así como pagarme con paciencia cada matrícula y con todavía más paciencia apoyarme en las pendientes más inclinadas de la carrera. A mi hermano, abuelos y familia que han aportado su grano de arena en la formación de mi carácter y especialmente a mi prima María Ángeles y mi tío Paco pues su ejemplo y consejos me encaminaron a esta bonita profesión. A Humberto y Andrés, y al resto de mis compañeros que pasamos tantas horas en la ETSI, al resto de mis amigos y especialmente a Carmen, que me vieron entrar en esta escuela y hoy salir como ingeniero. Alexis Graciani García ÍNDICE DE TABLAS Tabla 1:Plantas termosolares en Andalucía ............................................................................................. 11 Tabla 2: Tipos de Carbón ......................................................................................................................... 14 Tabla 3: Matriz de Indicadores de Calidad del Dato (DQI) ................................................................... 21 Tabla 4: Agregación individual de DQI para obtener un DQI Total ..................................................... 21 Tabla 5: Impactos escogidos para Planta de Carbón .............................................................................. 25 Tabla 6: Impactos referenciados a Unidad Funcional ............................................................................ 26 Tabla 7: Producción de Energía de la CT los Barrios ............................................................................. 27 Tabla 8: Categorías de Impacto de planta de carbón .............................................................................. 27 Tabla 9: Impactos escogidos para la Planta Termosolar ........................................................................ 30 Tabla 10: Factores de Potencia de Plantas Termosolares ....................................................................... 31 Tabla 11: Impactos referenciados a la Unidad Funcional ...................................................................... 31 Tabla 12: Categorías de Impactos de planta termosolar ......................................................................... 32 Tabla 13: Comparación Total entre Planta de Carbón y Termosolar .................................................... 33 Tabla 14: Comparativa de Impacto de Planta de carbón y Termosolar en etapa de producción ......... 34 Tabla 15: Comparativa de Impacto de Planta de Carbón y Termosolar en etapa de construcción ..... 35 xvii ÍNDICE DE ILUSTRACIONES Ilustración 1: Antracita ............................................................................................................................. 14 Ilustración 2: Yacimientos Mineros en Andalucía ................................................................................. 15 Ilustración 3: Yacimientos Carboníferos principales en España ........................................................... 16 Ilustración 4: C.T. Los Barrios ................................................................................................................. 24 Ilustración 6: Planta Termosolar Palma del Río II.................................................................................. 30 Notación 1,4-DCB 1,4-Dicloro Benceno CFC11 Triclorofluorometano GWh Gigawatio por hora kBq Kilobecquerel KJ/seg Kilojulio por segundo MW Megavatio NOx Óxidos de nitrógeno PM 2,5 Materia particulada de 2.5 micras 1 INTRODUCCIÓN 1.1 Estado del Arte Tecnología Termosolar El planeta Tierra recibe 1,7𝑥1014 kJ/seg del sol, una energía que puede ser aprovechada por el ser humano para obtener energía sin tener que depender de un combustible no renovable. Las plantas de potencia termosolares utilizan la radiación solar reflejadas por espejos para calentar un fluido, cuando no directamente agua, que mediante un intercambiador aporta calor al vapor que alimenta la turbina generadora de potencia. Existe diferentes tipos de plantas en función del tipo de espejo y como estos concentran la radiación. Estas tecnologías son los canales parabólicos, la tecnología de torre central o de torre con campo de heliostato, las centrales de reflectores lineales Fresnel y por último los discos parabólicos con motor Stirling. Las tres primeras tecnologías presentan instalaciones comerciales en funcionamiento desde hace décadas, mientras que la segunda aún se halla en un estado de desarrollo. Estas tecnologías surgieron un impulso hacia su madurez comercial durante los años 80 tras la Crisis del Petróleo, siendo la más abundante la de canales parabólicos. 1.1.1 Situación en Andalucía Andalucía es un lugar privilegiado para la energía termosolar. De manera natural presenta estadísticas de irradiación solar que favorece la instalación de plantas solares. Así mismo durante los primeros pasos del desarrollo de la tecnología termosolar, fue elegida para instalar la primera instalación de España, CESA 1 (Central Termosolar de Almería) en el desierto de Tabernas, que surgió como un proyecto común del gobierno de España y la Agencia Internacional de la Energía. Años después obtuvo el hito de tener la primera instalación de torre central comercial del mundo, PS 10, construida por Abengoa. Esta compañía sevillana realiza proyectos EPC en todo el mundo hoy en día, así como otros servicios de ingeniería relacionados con este tipo de planta. Hoy en día el 44% de la energía termosolar producida en España proviene de instalaciones en la comunidad andaluza, siendo Sevilla la provincia que más plantas de este tipo contiene, así como instalaciones experimentales Stirling. En términos cuantitativos suma 997,4 MW de potencia instalada repartida entre 24 plantas. Tabla 1:Plantas termosolares en Andalucía 12 1.1.2 Situación en España En España, la energía termosolar se caracteriza por cuatro aspectos. En primer lugar, la concentración de las plantas en el sur peninsular, la inferioridad de esta tecnología en potencia instalada y producción frente a la fotovoltaica y la eólica y la explosión de esta tecnología durante la primera década del nuevo mileno. Gráfico 1: Producción Energética Española 02/2022 a 01/2023 La primera característica se puede explicar en la mejor radiación solar y climatología que presenta frente a regiones más norteñas, lo que permite mejores resultados en producción y en rentabilidad. Esto favorece también la producción fotovoltaica, pero no explica la diferencia de potencia instalada entre ambas. Es la diferencia de coste inicial entre ambas tecnologías, y su diferencia de LCOE lo que incentiva a los inversores privados a primar los proyectos fotovoltaicos. Como se puede observar en el gráfico anterior, la energía producida en el año 2022 por la solar térmica apenas resulta el 1% de la generación total. La tercera característica, la construcción de numerosas centrales durante la primera década del nuevo siglo, y la súbita reducción de construcción de nuevas está ligada al último aspecto de esta tecnología en España, que es la abundancia de centrales limitadas las potencias instaladas a 50 MW, en contraste con la potencia de otras fuentes o la potencias cada vez mayor de las plantas de la misma tecnología en el resto del mundo. Esto se debe al interés de las empresas propietarias a no superar dicha potencia por ser uno de los límites usados en el Real Decreto 661/2007 para separar grupos de instalaciones. Al estar por debajo de este límite, por ejemplo, no se está obligado a negociar la energía libremente en el mercado eléctrico y se puede entregar libremente a una empresa distribuidora, o es competencia de la comunidad autónoma dar la autorización administrativa para su construcción o cierre, entre otros. En España no se instalan nuevas centrales de torre desde 2011, frente al incremento de potencia instalada de otras renovables hasta hoy en día. Actualmente en España hay 49 plantas en activo, sumando 2,3 GW en total. Industrialmente se reconoce en las empresas españolas la capacidad de realizar proyectos EPC y gestión de esta tecnología, llevando a cabo proyectos en todo el mundo como Abengoa en Cerro Dominador (Chile) o Inerco en Brasil. 1.1.3 Situación en el Mundo El incremento de los costes de los combustibles fósiles, una mayor conciencia respecto al calentamiento global y las dificultades de suministro de combustibles por cambios geopolíticos llevan incentivando el incremento de la producción renovable en todos los países. En esta corriente la tecnología termosolar sigue creciendo, con un know-how cada vez más establecido, lo que permite mejores rendimientos, plantas de mayor potencia y 63,30 27,96 4,07 4,53 19,82 275,97 156,28 PRODUCCION ENERGÉTICA ESPAÑOLA 02/22-01/23 13 sistemas de almacenamiento que permiten suministrar energía más allá del anochecer. De las , de las 115 plantas en operación para julio de 2022, 51 plantas estaban en suelo hispano, frente 14 chinas y 10 estadounidenses. Sin embargo, son China y los Emiratos Árabes quienes lideran la construcción de nuevas plantas. Es notable mencionar la inversión que se realiza en esta tecnología en países árabes, como Marruecos con 5 plantas en funcionamiento y expandiendo su potencia instalada con la instalación de Ouzarzate que con varias torres supera los 400 MW instalados, o Emiratos Árabes con una intención de diversificar el origen de su mix energético y hacerlo menos dependiente del petróleo, pese a las reservas que cuentan. De las plantas examinadas que se encuentren en operación o construcción, el 23,4% superan los 50 MW, siendo construidas en su mayoría después del 2010, lo que permite observar el incremento de potencia con el tiempo, producto de la mejora de la tecnología. El subtipo de tecnología termosolar de potencia más abundante es el canal parabólico, con una presencia del 56% de plantas en operación o en construcción, frente a un 22.5% plantas de torre central. Es importante notar que de las 10 en construcción para 2022, 8 están diseñadas con un sistema de almacenamiento que supera las 8 horas, lo que les permitiría aventajar a otras renovables en horas de producción. 1.1.4 Conclusión La tecnología termosolar es una tecnología con suficientes plantas en operación y la suficiente vida útil acumulada como para rechazar que sea una tecnología experimental, si bien aún permite desarrollo para mejorar su eficiencia y reducir costes. Es por ello por lo que numerosos países y empresas apuestan por esta tecnología, que permite suministrar potencia sin consumir combustible y con menor dependencia de las horas diurnas al poder tener almacenamiento térmico. España, y Andalucía más concretamente, tiene el potencial geográfico y el know-how técnico para mantenerse como potencia en esta tecnología, y así reducir su dependencia energética del exterior. Sin embargo, la falta de apuesta durante la última década puede suponer un golpe para la industria local y permitir que otros países superen al país en el mercado internacional, como proyectistas o productores de estos equipos. 1.2 Estado del Arte Energía basada en Carbón El carbón es una roca sedentaria, de origen vegetal y usada principalmente para la producción energética. A partir de un proceso llamado carbonificación, materia vegetal proveniente de los árboles y helechos gigantes del Carbonífero queda enterrada y en un proceso anaeróbico con temperaturas que no superan los 250º, altas presiones geológicas y el paso del tiempo (hasta los 200 millones de años para la antracita), van perdiendo sus composiciones orgánicas originales con la eliminación del agua, hidrógeno, dióxido de carbono, metano (el temido grisú) y otros elementos de peso molecular bajo. De esta manera se obtiene una composición de sustancias orgánicas macromoleculares de densidad variable formada de largas cadenas de átomos de carbono con enlace simple y múltiples. Sus principales compuestos son por lo tanto carbón, agua, oxigeno, nitrógeno y pequeñas cantidades de azufre. El tipo del carbón depende directamente de la antigüedad de su formación, pues a medida que aumenta el tiempo de carbonificación, más aumenta el porcentaje de carbono puro y menor es su humedad, en general aumenta la pureza. Esto se traduce en un mayor poder calorífico, pero también en una menor volatibilidad. Visualmente en un carbón relativamente reciente aún se puede apreciar formas vegetales. 14 Tabla 2: Tipos de Carbón Como puede observarse en la tabla anterior, la clasificación de los tipos de carbón no está estandarizada y depende de cada país, pero pueden definirse los siguientes tipos principales: • Turba: es el tipo de carbón que se forma en la primera etapa de la carbonificación. Es el que tiene menor cantidad proporcional de carbono y menor poder calorífico. Sin embargo, se usa también como combustible porque sigue teniendo más poder calorífico que la madera, aunque también se usa como abono. Se caracteriza por ser una masa de color pardo oscuro, terroso y donde aún se aprecia los componentes vegetales a partir de los que se formó. • Lignito: el siguiente tipo de carbón en el proceso de carbonificación es un material leñoso, de color negro o pardusco oscuro y con gran cantidad de material volátil que se generó entorno a la edad Terciaria (1 a 45 millones de años). • Carbón Bituminoso o Hullas: carbón de mayor calidad y poder calorífico entre 24 y 35 MJ/kg (aunque menor que la antracita), de color negro o marrón oscuro y relativamente duro, que se identifica por presentar bandas brillantes y bandas mates oscuras, y puede contener betún. A partir de la hulla se obtiene coque por destilación, en un proceso desarrollado por primera vez por Darby. • Antracita: carbón duro, última etapa del proceso de carbonificación y por lo tanto que presenta la mayor cantidad de carbono, menor cantidad de material volátil y por lo tanto más difícil de encender pese a tener mayor poder calorífico. Tiene una estructura cristalina y de color negro brillante. Ilustración 1: Antracita El carbón ha sido usado como combustible desde la antigüedad siendo el carbón natural el origen mayoritario, pero fue durante la primera Revolución Industrial donde la invención de la máquina de vapor por James Watt para potenciar la industria emergente y el desarrollo de la siderúrgica aumentó exponencialmente la demanda de esta roca mineral. Con el desarrollo de la electrificación, las plantas térmicas de carbón han sido una 15 instalación clave en su despliegue y desarrollo, y desde el diseño y construcción en 1884 de la primera turbina de vapor por el ingeniero inglés Sir Parsons esta ha sido su tecnología fundamental para la producción de potencia eléctrica. Desde entonces la tecnología ha evolucionado, buscando primero la mejora de rendimientos por motivos económicos y el agotamiento de las primeras fuentes, y actualmente por la reducción de las emisiones contaminantes causantes del calentamiento global. Algunas tecnologías más conocidas aplicadas a las plantas de carbón son para mejorar el rendimiento y reducir emisiones son: • Pulverización del carbón: el carbón es molido finamente y soplado en la zona de la llama de la caldera, logrando un mayor rendimiento de la combustión y consiguiendo las emisiones de monóxido de carbono. • Filtro electrostático: equipo a la salida de gases de la chimenea que captura partículas y elementos contaminantes mediante la precipitación por ionización de estas partículas. El carbón es un combustible de origen mineral cuya explotación se hace en minas, que se pueden dividir principalmente en dos tipos: • Minas en superficie o a cielo abierto: se realiza excavando el terreno y retirando la tierra para acceder a las capas de carbón. Es más sencilla, barata y con mejor rendimiento que la minería subterránea al poder usarse máquinas mayores, y más segura al trabajar los mineros al aire libre y no en galerías. Pero por otro lado generan un mayor impacto y afecta más al terreno al generar grandes huecos que deben ser rellenados. • Minas subterráneas: esos yacimientos se basan en túneles que se adentran en el terreno, al que se accede mediante pozos o galerías inclinadas. Se trata de un tipo de explotación más costosa y de menor rendimiento, debido a que las herramientas son más pequeñas para poder introducirlas en las minas y se requiere trasportar el carbón hacia el exterior de la mina mediante trenes de vagonetas o cintas trasportadoras. Además el grisú, una mezcla de gases volátiles formado principalmente por metano, se desprende del carbón y representa un gran peligro por la posibilidad de explotar. Esto implica la necesidad de equipos de ventilación y maquinaría que no produzca chispas. 1.2.1 Situación en Andalucía La extracción de carbón en Andalucía, si bien minoritaria respecto a otras regiones de España, puede ser trazada hasta varios milenios atrás. Además de su aplicación industrial hay numerosos ejemplos como los altos hornos de Málaga o el abastecimiento de combustible para la “Máquina de Fuego”, una máquina de vapor para extraer el agua de las minas de Almadén en el siglo XVIII. En Andalucía se encontraban yacimientos en la cuenca de Peñarroya-Belmez-Espiel (Córdoba) o en Villanueva del Río y Minas (Sevilla). Ilustración 2: Yacimientos Mineros en Andalucía 16 En la comunidad autónoma representa un 5% de la potencia instalada (datos de diciembre de 2021), sufriendo una aceleración del cierre de centrales debido a los planes públicos de reducción de emisiones. Sin embargo, la crisis energética por el encarecimiento del gas ha provocado que estos planes queden en suspenso. Esto sucede con la principal planta de la región, la CT Los Barrios, pues si bien se autorizó su cierre y desmantelamiento en 2020, retomó la actividad en febrero de 2022 siendo la única en activo. No han tenido la misma suerte otras plantas de Viesgo como la de Puente Nuevo, o la planta de Carboneras (Almería) que alcanzaba los 1.16 GW de potencia a partir de hulla importada. 1.2.2 Situación en España Pese a tener una dependencia de combustibles extranjeros que ronda el 70% (Banco de España, 2022) y ser su única fuente autóctona significativa de combustible, el país cesó la extracción de carbón en 2018. Este sector sin embargo ha estado en una situación delicada desde sus orígenes, pues la mayoría son yacimientos de difícil extracción o con un mineral de baja calidad lo que implica una baja rentabilidad cuando no directamente supone pérdidas su actividad. Entre las razones de la crisis actual se encuentra la competencia de otras fuentes de energía como el gas y petróleo o las renovables en expansión, los impactos medioambientales (y más concretamente las emisiones contaminantes) que producen su extracción y uso, el ser un sector caracterizado por el tamaño pequeño de las explotaciones lo que dificulta la inversión, y la elevada siniestralidad y conflictividad laboral del sector. Esto unido a un plan de descarbonización tanto europeo como nacional, ha ido reduciendo el número de explotaciones abiertas hasta desaparecer. Sin embargo en España hay datadas 4550 millones de toneladas, siendo accesibles 1187 millones según datos de la asociación del carbón europea EURACOAL (Eurocoal, 2018). Estas se encuentran en su mayoría en depósitos en el Principado de Asturias (carbón bituminosos y antracita), Puertollano (carbón bituminoso), en la provincia de Teruel (carbón subbituminoso) y yacimientos de lignito en Galicia. Ilustración 3: Yacimientos Carboníferos principales en España 17 1.2.3 Situación en el Mundo El carbón es la mayor fuente de energía y a la vez el mayor foco de emisiones atmosféricas de CO2. Pero al mismo tiempo se trata de un combustible abundante (con reservas para más de 200 años) y muy repartido en el mundo, al que otros combustibles como el petróleo y el gas que se concentran en pocas áreas terrestres. Esto ha permitido al carbón mantener un precio bajo y estable, haciéndolo una fuente de energía muy atractiva para los países. Las mayores reservas se encuentran en Estados Unidos, Rusia y China, sin embargo el despegue económico y productivo de China hace de este país el mayor extractor, pues este crecimiento económico va parejo de un incremento de la intensidad energética. No es la excepción en Asía, sino su mayor ejemplo, pues esta área geográfica basa su consumo energético en combustibles fósiles, llegando a un 77% de la combinación de carbón y gas en los países del ASEAN (Hon Chung Lau, 2023). No se puede obviar la situación respecto al carbón en la UE, que sigue siendo una potencia económica con una población de 446 millones de habitantes (Eurostat, 2023) con un alto nivel de vida, lo que conlleva un algo alto consumo eléctrico. Si bien la Comisión Europea está embarcada en un proceso de descarbonización dentro de varios planes incluido el Green Plan, lo cierto es que el inicio de la guerra de Ucrania y la perdida de las importaciones de combustibles fósiles desde Rusia ha supuesto una aceleración en la búsqueda de nuevas fuentes externas pero también la reapertura de minas de carbón autóctonas. 1.2.4 Conclusión La producción energética de carbón es una industria compleja tanto por factores internos como externos, que presenta ventaja a las renovables en no depender de condiciones meteorológicas ni reservorios de energía, y ventaja a otras no renovables al depender de un combustible barato y distribuido. Pero los impactos asociados a su uso en emisiones contaminantes y el depender de minas que generan impacto en el terreno, frente a renovables más baratas que no contaminan la han señalado como la primera tecnología no renovable a extinguir, si bien condiciones políticas e internacionales parecen darle oxígeno a esta industria y evitar su desaparición 1.3 Objetivo El siguiente trabajo de fin de grado parte del proyecto docente iniciado por la Universidad de Sevilla para la creación de una red internacional de trabajos de fin de estudios centrados en energías renovables y con formación integral en competencias STEM, y como tal pretende formar parte de un repositorio que recoja documentos relativos a dicha temática. El tema escogido pretende satisfacer mediante el estudio de impactos de dos tecnologías, una de fuente renovable como la tecnología termosolar y otra no renovable como la térmica de carbón, una serie de objetivos englobados en el desarrollo de las tecnologías renovables y el proceso de transición energética en el que se está embarcando la sociedad. En primer lugar, el propio análisis de ciclo de vida comparativo de ambas tecnologías de producción de potencia, siendo la primera una tecnología renovable de menor potencia instalada que la fotovoltaica o eólica, que dispone de la capacidad de almacenamiento no redox, mientras que la segunda fue una fuente fundamental durante los siglos pasados, pero ha sido relegada por el ciclo combinado en España, si bien sigue siendo una de las fuentes principales en países como Alemania o China. En segundo lugar, esta comparativa entre renovable y no renovable es importante en el proceso en el que se encuentra la sociedad de transición entre sistemas energéticos. Actualmente se está desarrollando un debate público sobre las tecnologías de potencia, en el que participan numerosos “stakeholders”, algunos de ellos sin una base técnica sobre la cual dar argumentos basados en criterios científicos. La aseveración comparativa extraída del estudio permite añadir argumentos objetivos al proceso, así como discernir caminos para esta transformación a través de las tecnologías que ofrece el mix energético. Además, establece un marco para contextualizar los impactos fruto de la producción energética de la que los ciudadanos y empresas obtienen la energía diaria. Finalmente, estos impactos que se recogen en el inventario para la realización del análisis de ciclo de vida (ACV), son importantes pues son también examinados en las evaluaciones ambientales Este documento, de 24 2.2 Suposiciones y limitaciones El carbón escogido es “Hard Coal” (carbón bituminoso) de origen indonesio exportado hasta Europa. El motivo de escoger este tipo de carbón es que la muestra que recoge el programa SimaPro únicamente es de Lignito y de carbón bituminoso. En España el carbón térmico que se consume para producir electricidad (principal función de este mineral en el país) se importa, pues en 2018 cesó la explotación de los yacimientos nacionales. De este carbón importado para uso en centrales térmicas, el mayor porcentaje corresponde a la suma de antracita y hulla bituminosa, siendo la subbituminosa un cuarto restante y las compras de lignito despreciables. Por otro lado, los mayores importadores en porcentaje son Rusia e Indonesia para el año del estudio. Sin embargo, el primer origen de exportación se ha descartado porque debido a las sanciones internacionales implementadas hace un año, y el estancamiento de la guerra en Ucrania se puede aceptar que estas sanciones continuarán. Una característica del lignito es la ausencia de un mercado internacional de su intercambio. Esto es debido a que poder calorífico es relativamente bajo respecto a los costes de su transporte, lo que no hace rentable su exportación. Es por eso que las importaciones de lignito que se nombran antes son despreciables y el hecho de que las plantas de carbón que utilizan este tipo de carbón se encuentren anexas a una mina de lignito, del que se abastecen. Esta elección introduce una inexactitud en el problema, que si bien se considera asumible para el análisis cualitativo de las dos tecnologías. 2.3 Análisis de Inventario 2.3.1 Recopilación de datos Para la obtención de datos en función de una referencia real se han utilizado los datos de emisiones de la Central Térmica de Los Barrios por tratarse de una central en funcionamiento cercana de la que se encuentran suficientes datos públicos, principalmente se usarán aquellos presentes en el Registro Estatal de Emisiones y Fuentes Contaminantes. Ilustración 4: C.T. Los Barrios Al estudiar la pestaña de emisiones se observa dos aspectos a simple vista; que se lleva un registro por años desde el 2017 hasta el 2020 (si bien en otras pestañas amplia la información hasta el 2022) y que el orden de magnitud de la masa de emisiones varía mucho entre diferentes sustancias contaminantes. En 25 primer lugar hay que estudiar la dimensión temporal, y en el apartado de información del complejo/instalación se puede ver información general como la serie cronología de principales contaminantes y la de horas de funcionamiento. En ambas se ve que hay una caída drástica en 2020, correspondiéndose con los planes de desmantelamiento, y como hay un nuevo pico en 2022. Se puede encontrar una explicación a ello en la crisis del COVID y la crisis energética tras la guerra de Ucrania. Por ello se escoge el año 2019 como año de estudio por considerarse un año de funcionamiento estándar sin las perturbaciones por las crisis antes nombradas. Por otro lado, en un proceso iterativo se van introduciendo en el inventario aquellas emisiones más abundantes, y se van descartando aquellas que por tienen un efecto despreciable, como ya se estableció en el apartado de limitaciones. Un ejemplo de esto es la inclusión del monóxido de carbono, cuya emisión fue de 22 toneladas para 2019, y sin embargo al calcular su impacto se ve que no varían los valores en las categorías de impacto al ser despreciable respecto al resto de entradas y salidas. El único valor que no es extraído directamente de la fuente es el carbón, que es obtenido mediante estequiometría con el CO2 y la ecuación química básica de la combustión, y aplicándosele un coeficiente para recoger la pureza media de tipo de carbón elegido para el estudio (85%). C+O2=CO2 De esta manera en primera iteración se escoge el agua captada de red, el carbón utilizado como combustible, los óxidos de nitrógeno, el dióxido de azufre, el dióxido de carbono y añadiéndosele en una segunda iteración la emisión de partícula fina como emisiones al aire. Otras emisiones son descartadas debido a que su orden de magnitud es muy inferior a estas emisiones escogidas, y que su impacto queda opacado por los impactos que ya se recogen. En consecuencia se obtiene el siguiente inventario de flujos: Tabla 5: Impactos escogidos para Planta de Carbón Impacto Valor Carbón 197.590,7 ton/año Agua 16-013 m3/año SO2 308.7 ton/año NOx 401,3 ton/año CO2 630.000 ton/año Partícula 10.200 ton/año Estos flujos se corresponden los dos primeros a entradas al sistema mientras que los cuatro finales son emisiones, siendo todos representativos del proceso de generación de potencia. Para obtener las entradas correspondientes a la etapa de construcción se hace uso de la base de datos de impactos que contiene Simapro. Para ello se hace uso del producto recogido como “Hard Coal Power Plant, construcción 500W”. Hay que tener en cuenta que en este producto están incluidos los impactos por desecho del material tras desmantelar la planta. 2.3.2 Cálculo de datos Una vez recogidos los consumos y emisiones estos deben ser todos referidos a la unidad funcional, es decir, la unidad de corriente debe estar referida por GWh. Para ello se va a utilizar la producción energética del mismo año del que se toman los datos (637 GWh), dado que son entradas y salidas anuales. 26 Tabla 6: Impactos referenciados a Unidad Funcional Impacto Valor Carbón 310 ton/GWh Agua 25 m3/GWh SO2 0,485 ton/GWh NOx 0,63 ton/GWh CO2 989,011 ton/GWh Partícula 16,013 ton/GWh Por otro lado los impactos de construcción de la planta están referidos a una planta de 500 MW, cuando la planta de referencia es de 570 MW. Por ello, utilizando una opción que ofrece Simapro, se va a escalar los impactos recogidos por el software a la potencia de referencia, suponiendo que escalan de manera lineal. Esta suposición se puede hacer dado que el coeficiente para escalar la potencia es cercano a la unidad, y por lo tanto el error si escalase de otra forma es pequeño. Se puede comparar los valores que se obtienen con valores de otras fuentes para validad estos datos. Por ejemplo, a partir de los datos de Red Eléctrica, se puede comparar el impacto en CO2 con las emisiones reales, que se obtiene al dividir las emisiones totales provenientes del carbón entre la energía total producida ese año de esa misma fuente. Se obtiene un valor de 977917 ton/GWh que es muy parecido al valor que se ha obtenido con las suposiciones que se han asumido. 2.4 Evaluación del impacto del ciclo de vida Tras introducir estos valores en Simapro, a partir de la base de datos del programa que convierte los flujos brutos en valores de las categorías de impacto de punto medio, debido al método que se ha escogido. Estos a su vez pueden asignarse a las 3 etapas en la que se estudia el sistema, la construcción, la generación de energía y los impactos por la obtención del combustible. Los impactos que se obtienen relativos a la construcción de la planta van a ser referidos a la unidad funcional, pero al tratarse de unos impactos que no se pueden imputar a un único año, se utilizará la producción de veinte años de funcionamiento, a partir de la mediana de producción real de estas dos últimas décadas. Esto se hace en primer lugar porque los impactos en la construcción deben de ser imputados a toda la vida útil de la planta, no a un único año. Sin embargo, para una planta de 35 años de funcionamiento se escogen los últimos 20 porque la propia planta ha ido incorporando nuevos equipos y expansiones que han aumentado la potencia y el rendimiento, de tal manera que utilizar las últimas dos décadas permiten suponer una planta más estable en sus especificaciones técnicas. Por otro lado 20 años es un periodo más cercano al tiempo de funcionamiento de las plantas termosolares actuales y por lo tanto permite una mejor comparación entre los dos casos. Se estudian tres medidas para referenciar los impactos, estos son la suma de los valores reales de energía producida los últimos 20 años, la media de estos valores por el tamaño de la muestra y finalmente la mediana de los estos valores por el tamaño de la muestra. Este estudio entre los tres valores se justifica en la búsqueda de un valor que represente de forma ajustada la producción de la planta pero sin que las variaciones de producción por motivos externos interfieran en los resultados, de tal manera que se puedan extrapolar los resultados a otras plantas. Esto se puede ver en los últimos 4 años de producción, donde la producción difiere mucho de otros años de funcionamiento real. Finalmente se escoge la mediana por ser el resultado que mejor se adapta a estos requerimientos, principalmente ser menos sensible a valores extremos, dando como resultado 64.157 GWh. 27 Tabla 7: Producción de Energía de la CT los Barrios Año Producción GWh 2021 0 2020 4 2019 690 2018 3.194 2017 3.334 2016 990,8 2015 1.705,3 2014 3.005,1 2013 2.923,8 2012 3.556,1 2011 2.341,1 2010 2.489 2009 3.221,7 2008 2.023,6 2007 4.228,1 2006 3.691 2005 3.989,2 2004 3.984 2003 3.548,9 2002 4.074 2001 4.018 2000 4.310 De estos procedimientos se obtienen los siguientes impactos en punto medio: Tabla 8: Categorías de Impacto de planta de carbón En color amarillo aparecen marcada cada etapa con más peso por categoría de impacto (excepto en la categoría de formación de ozono, salud humana, en el que hay dos categorías prácticamente con el mismo peso). Se 28 puede observar que la etapa con más peso es la obtención del carbón, siendo despreciable los impactos de las otras dos etapas en algunas categorías como en la ecotoxicidad marina. Sin embargo en aquellas categorías relacionadas con las emisiones de gases contaminantes, como la acidificación (que provoca lluvia ácida) o la formación de ozono que afecte al ecosistema (relacionado en punto final con la formación de smog), y sobre todo el calentamiento global tienen un origen principal en la producción de potencia mediante la combustión de carbón en la planta. Esta distribución de orígenes mayoritarios en las fases de producción y obtención de combustible se puede explicar en el hecho de que estas dos etapas están sostenidas durante toda la vida útil de la planta, al contrario que la construcción que queda limitada a los primeros años del proyecto. Al normalizar los valores de las categorías mediante la opción de la que dispone Simapro, se obtiene los siguientes valores comparables entre ellos: Gráfica 1: Impactos Normalizados planta de carbón Se observa que el mayor impacto no es el calentamiento global como podría pensarse a partir de la primera tabla de categorías de impactos, sino que esta categoría superior al resto es la toxicidad cancerígena en humanos. Especificando que se muestre los impactos normalizados por los procesos de los que provienen, se encuentra que esta contaminación es producto principalmente de la escoria de la minería del carbón. 132,480,62 1,86 73,0623,06164,1667,49 539,74 4,61 14,09 426,40 341,37 2324,96 13,11 1,51 1,91E-03 1,65E+02 1,12 0,00 500,00 1000,00 1500,00 2000,00 2500,00 Impactos normalizados Planta de carbón 29 3 ANÁLISIS DE CICLO DE VIDA DE PLANTA TERMOSOLAR 3.1 Descripción del sistema Una planta de potencia termosolar es una instalación que utiliza la irradiancia solar reflejada a través de una serie de espejos sobre un conducto por el que circula un fluido caloportador, para trasportar la energía térmica de origen renovable hasta una turbina donde la pérdida de presión y temperatura generará un par que genere la energía eléctrica. El procedimiento es similar a la planta de carbón pues ambas están basadas en un ciclo de Rankine, siendo la principal diferencia el origen del calor aportado. Esta instalación puede contar con un sistema de almacenamiento térmico basado en una variedad de tecnologías (sales fundidas, almacenamiento de vapor…), de tal manera que pueda seguir aportando potencia si se nubla o incluso durante la noche. El ciclo de vida de esta planta a partir de las entradas y emisiones en diferentes etapas se puede representar mediante el siguiente diagrama: Diagrama de Ciclo de Vida de Planta de planta Termosolar 3.2 Suposiciones y limitaciones De la planta solo se va a tomar los datos de consumo de agua. El primer motivo es porque las emisiones y consumos son despreciables frente a las cantidades de la planta de carbón, por lo cual de cara a analizar y comparar las emisiones con la finalidad establecida en el objetivo se pueden suponer despreciables. El segundo motivo es que la fuente recoge todas las emisiones establecidas por su protocolo, no aquellas que caractericen los impactos de la tecnología. Por ello aquel impacto que se escoja debe de ser representativo 30 de las plantas termosolares y ajustarse al objetivo planteado. 3.3 Análisis de Inventario 3.3.1 Recopilación de datos Para la obtención de datos en función de una referencia real se han utilizado los datos de la Central Termosolar de Palma del Río I por tratarse de una central en funcionamiento cercana de la que se encuentran suficientes datos públicos, principalmente se usarán aquellos presentes en el Registro Estatal de Emisiones y Fuentes Contaminantes. Ilustración 5: Planta Termosolar Palma del Río II Al estudiar la pestaña de emisiones y consumos se observa que las emisiones son despreciables frente a las emisiones que produce la planta de carbón, excepto en el consumo de agua. Esta se supone toda de origen fluvial dado que la fuente de datos señala que proviene casi completamente de cauce superficial. De esta manera se obtiene el siguiente inventario de flujo: Tabla 9: Impactos escogidos para la Planta Termosolar Impacto Valor Agua 537.488 m3/año Este flujo constituye una entrada del sistema. Para obtener las entradas correspondientes a la etapa de construcción se hace uso de la base de datos de impactos que contiene Simapro. Para ello se hace uso del producto recogido como “Concentrated solar power plant, solar thermal parabolic trough, 50 MW {ZA}| concentrated solar power plant construction, solar thermal parabolic trough, 50 MW | APOS, U”. Se escoge esta por ser una planta de igual potencia y e igual tipo de planta termosolar, de canales parabólicos. En el modelado de esta planta está incluido el desecho de acero y el desmantelamiento de la carretera. 3.3.2 Cálculo de datos Una vez recogidos los consumos y emisiones estos deben ser todos referidos a la unidad funcional, es decir, la unidad de corriente debe estar referida por GWh. Para ello se va a suponer la producción energética anual a partir de la potencia de la planta y el factor de potencia medio de esta tecnología para 31 el año 2019, que se puede obtener a partir de los datos de Red Eléctrica Española. Esto se hace para poder comparar con los dos ACV en un mismo año de referencia. 𝐸𝑛𝑒𝑟𝑔í𝑎 =50𝑀𝑊∗8760 ℎ𝑜𝑟𝑎𝑠∗ 0.256 103=112,128 𝐺𝑊ℎ Tabla 10: Factores de Potencia de Plantas Termosolares Año Potencia (MW) Producción GWh Factor de Potencia 2018 2.304 4.424 21,9% 2019 2.304 5.166 25,6% 2020 2.304 4.538 22,5% 2021 2.304 4.706 23,3% 2022 2.304 4.123 20,4% Se obtiene la siguiente entrada: Tabla 11: Impactos referenciados a la Unidad Funcional Impacto Valor Agua 4.793,5 m3/GWh 3.4 Evaluación del impacto del ciclo de vida Tras introducir estos valores en Simapro, a partir de la base de datos del programa que convierte los flujos brutos en valores de las categorías de impacto de punto medio, debido al método que se ha escogido. Estos a su vez pueden asignarse a 2 etapas, una de construcción y otra de producción de potencia, pues al no necesitar combustible no se producen impactos por su extracción y transporte. Al igual que en el caso del ACV de la planta del carbón, los impactos de la planta termosolar se van a dividir entre la producción del ciclo de vida supuesto de 20 años, mediante una producción energética basada en la mediana de los factores de potencia (22.5%), pues el factor de potencia es más estable en la termosolar. 𝐸𝑛𝑒𝑟𝑔í𝑎 = 50𝑀𝑊∗8760 ℎ𝑜𝑟𝑎𝑠 ∗0.225 1000 ∗20= 1.971 𝐺𝑊ℎ 32 Tabla 12: Categorías de Impactos de planta termosolar Todos los impactos tienen una parte de origen durante la producción de magnitud despreciable respecto al producido durante la construcción de la instalación, excepto una que no es despreciable sino superior al impacto de origen de construcción. Esto se corresponde con una producción de energía donde la fuente de energía es renovable y sin impactos, como es la irradiación solar. La única excepción es el consumo de agua, requerido durante la vida productiva de la planta y que es origen de la mayoría del consumo de agua en su ciclo de vida. Este se debe al sistema de intercambio de calor del condensador que suele utilizar agua para enfriar el líquido caloportador, con sistemas como torres de refrigeración, y para la limpieza de los cristales que reflejan la luz solar. Al normalizar los impactos se obtiene los siguientes resultados: Gráfica 2: Impactos Normalizados de la Termosolar De nuevo el mayor impacto es la toxicidad cancerígena en humanos proveniente mayoritariamente de la escoria subproducto de los hornos para los materiales de construcción. 9,63 0,92 4,8416,746,9419,809,6196,471,1230,81 434,02 319,26 2728,59 3,19 3,98 0,0419,7320,94 0,00 500,00 1000,00 1500,00 2000,00 2500,00 3000,00 Impactos normalizados de la Termosolar 33 4 COMPARACIÓN DE RESULTADOS Antes siquiera de comparar valores, solamente observando los diagramas de ciclo de vida de ambos casos, se observa que la planta termosolar tiene menos flujos de impactos o consumos que la planta termosolar, principalmente. Al pasar a una comparación cuantitativa mediante los resultados obtenidos con el programa se obtiene la siguiente tabla: Tabla 13: Comparación Total entre Planta de Carbón y Termosolar Categoría de impacto Mayor Carbón Termosolar Diferencia Global warming Carbón 1,06E+06 7,71E+04 193% Stratospheric ozone depletion Termosolar 0,04 0,06 132% Ionizing radiation Termosolar 895,63 2327,42 162% Ozone formation, Human health Carbón 1503,34 344,38 177% Fine particulate matter formation Carbón 589,68 177,54 170% Ozone formation, Terrestrial ecosystems Carbón 2915,88 351,74 188% Terrestrial acidification Carbón 2765,88 393,96 186% Freshwater eutrophication Carbón 350,48 62,64 182% Marine eutrophication Carbón 21,27 5,16 176% Terrestrial ecotoxicity Termosolar 2,14E+05 4,68E+05 154% Freshwater ecotoxicity Termosolar 1,07E+04 1,09E+04 102% Marine ecotoxicity Carbón 1,48E+04 1,39E+04 106% Human carcinogenic toxicity Termosolar 2,39E+04 2,81E+04 115% Human non-carcinogenic toxicity Carbón 4,10E+05 9,96E+04 176% Land use Termosolar 9,35E+03 2,46E+04 162% Mineral resource scarcity Termosolar 229,54 4320,82 195% Fossil resource scarcity Carbón 1,62E+05 1,93E+4 188% Water consumption Termosolar 299,00 5584,30 195% En la tabla anterior se comparan los valores de las categorías de impactos no normalizadas. De las 18 categorías examinadas, en 10 de ellas el carbón es superior en magnitud a la termosolar. En la tabla se resalta en amarillo aquellas categorías de especial interés en este estudio. La primera categoría es el calentamiento global, donde el carbón produce emisiones de efecto invernadero equivalentes dos órdenes de magnitud mayores. Esta diferencia es natural por el consumo de combustible por parte de la planta no renovable frente a la no renovable, que igualmente produce esta emisión pero durante la construcción. Otra comparativa con resultado evidente es la comparativa entre la reducción del consumo de combustible fósil, que comparte explicación con la categoría anterior. Una diferencia sustancial entre ambas fuentes es el uso de terreno, que es un 62% mayor en la termosolar. Esto se debe a que la planta de canales parabólicos modelo de este estudio (y recogida en Simapro) ocupa el equivalente a 3800 hectáreas de terreno agrícola, frente a las entorno 25 hectáreas que ocupa el modelo de la planta de carbón. Si bien esta cantidad de terreno no significa el tamaño de un parque de canales parabólicos sino el equivalente en terreno impactado por la construcción de este, no deja de ser representativo de esta tecnología la necesidad de ocupar terreno para aprovechar la irradiancia solar (medida en Watios/𝑚2) y el contener el recorrido del conducto con fluido calentado por los espejos. Finalmente, como se ha 40 Descripción del Carbón de la Tecnosfera Anexo B: Suma, Media y Mediana de Potencias Año Producción GWh 2021 0 2020 4 2019 690 2018 3194 2017 3334 2016 990,8 2015 1705,3 2014 3005,1 2013 2923,8 2012 3556,1 2011 2341,1 2010 2489 2009 3221,7 2008 2023,6 2007 4228,1 2006 3691 2005 3989,2 2004 3984 2003 3548,9 2002 4074 2001 4018 2000 4310 Suma 61321,7 Mediana*20 64157 Media*20 55747 41 Año Potencia (MW) Producción GWh Factor de Potencia 2018 2304 4424 21,9% 2019 2304 5166 25,6% 2020 2304 4538 22,5% 2021 2304 4706 23,3% 2022 2304 4123 20,4% Media 22,7% Mediana 22,5% Anexo C: Orígenes de Impactos 10 Principales orígenes de Calentamiento Global en planta de carbón 10 Principales Orígenes de Toxicidad Cancerígena Humana en planta de carbón 42 10 Principales Orígenes de Uso de Tierra en planta termosolar 10 Principales Orígenes de Toxicidad Humana Cancerígena en planta termosolar 43 REFERENCIAS Agencia Internacional de la Energía. 2023. Agencia Internacional de la Energía-Combustibles y tecnologías. [En línea] 11 de Mayo de 2023. [Citado el: 20 de Junio de 2023.] https://www.iea.org/fuels-and-technologies/. Banco de España. 2022. Informe Anual. Capítulo 4, España y la Unión Europea frente a la Crisis Energética: Ajuste a corto plazo y retos pendientes. Madrid : s.n., 2022. Clean Air Technology Center. 1999. Óxidos de Nitrógeno (NOx) ¿Por qué y cómo se controlan? Chicago : s.n., 1999. Decarbonization of ASEAN´s power sector: A holistic approach. Lang, Hon Chung. 2023. s.l. : Energy Reports, 2023, Vol. 9. Eurocoal. 2018. EURACOAL. [En línea] 2018. [Citado el: 6 de Junio de 2023.] https://euracoal.eu/info/country-profiles/spain/. Fernandez Mateo, Ignacio. 2015. El sector de la minería en España ¿Llega el fin del Carbón Nacional? Madrid : s.n., 2015. Jiménez, S. 2012. Combustión de Carbón. Laboratorio de investigación en tecnologías de la combustión. 2012. Junta de Castilla y León. Energía y Minería en Castilla y León. 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RETEMA (Revista Técnica de Medio Ambiente). 2022. 44 45 GLOSARIO LCOE: Coste Normalizado de la Energía (Levelized Cost Of Energy) pg. 12 EPC: Proyecto de diseño, Construcción y puesta en marcha (Engineering, Procurement and Construction) pg. 13 Know-how: conocimiento práctico de una tecnología y procedimiento pg. 13 ASEAN: Asociación de Naciones de Asia Suroriental pg. 17 UE: Unión Europea pg. 17 Stakeholders: grupos de interés pg. 18 STEM: Ciencia, tecnología, ingeniería y matemáticas (Science, Technology, Engineering and Mathematics) pg. 18 Smog: niebla de origen contaminante pg.19