¡Reflexionemos en medio de la crisis eléctrica en el país sobre una opción que puede ser interesante para Ecuador .. y de paso les recomiendo el podcast de Carlos Montúfar, fundador de la USFQ: https://www. forbes.com.ec/podcast/ecuador-puede-ser-pionero-tema-reactores-nucleares-modulares-n61529!
Somos y seguiremos siendo sociedades (y economías) basadas en energía, aunque con enormes ganancias en eficiencia, es decir menos energía por cada dólar de producción (ver gráfico #1 para América Latina donde las líneas azul y naranja, muestran cómo ha bajado en un 20% en 20 años el consumo de energía por unidad de PIB … y también las emisiones de CO2). Lo fuimos en los primeros albores utilizando nuestra propia energía o de los animales, y con los primeros instrumentos como el fuego, las máquinas para “extraer” trabajo de los ríos o del vapor, y luego el petróleo y tanto más.
Y tanta es nuestra productividad energética que Vaclav Smil 2024 nos recuerda: “El sistema energético … es fundamental para la vida moderna. Una persona promedio consume una energía equivalente a 800 kilogramos de petróleo crudo al año. En términos de trabajo físico, eso equivale a 60 personas trabajando día y noche todo el año sin parar, y el doble o el triple en las economías más ricas”.
Aquí analizaremos el impacto energético y económico de la energía nuclear, ciertamente algo de la fisión nuclear pero sobre todo el futuro (¿cuán lejano?) de la fusión. Energía que en las últimas dos décadas ha sido “demonizada” por sus riesgos de seguridad, sin duda exagerados porque las sociedades humanas tememos a eventuales “cisnes negros” destructivos (eventos con baja probabilidad pero de fuerte intensidad) como los cambios de siglo o ahora el cambio climático que podría liquidarnos (lo cual es más cercano a una ficción irreal), y también por el impacto del drama de la central de Chernobyl que recordemos fue una combinación de dudosa tecnología, errores humanos y de la sociedad soviética orientada al secretismo … estimado lector, usted puede estar seguro que muchos científicos vivirían sin problema cerca de una central nuclear.
Frente a la seguridad y el cambio climático es importante ver el gráfico #2 que muestra bondades de la energía nuclear … ¡sin duda la sociedad debe convencerse de aquello!
Recordemos que toda acción humana trae riesgos, por ejemplo los graves accidentes de las hidroeléctricas como el desastre de Banqiao en la China en 1975 (170 mil muertos), o de Vajont en Italia 1963 (2 mil muertos) y otros más en la construcción o en el desplazamientos de poblaciones.
Y podemos hacer esta comparación de impacto ambiental más visual …(gráfico #3)
Para lograr más apoyo, la energía nuclear aún debe superar una serie de riesgos y percepciones de riesgo, ligadas a lo tecnológico, económico, regulatorio, seguridad y más, que podemos en definitiva ligar al tema político en el sentido amplio y positivo de la palabra.
Nota: Vale recordar que el término energía se define como la capacidad para realizar un trabajo, y la potencia es la cantidad de trabajo efectuado por unidad de tiempo. Las expresiones trabajo y potencia (y las medidas como el caballo de fuerza) provienen de nuestro pasado lejano.
1.PRINCIPIOS BÁSICOS DE LA ENERGÍA
UNIDADES
Para entender mejor el concepto de energía, que es la capacidad de hacer trabajo o producir un cambio, es importante definir sus unidades.
- Kilocaloría: la energía necesaria para incrementar la temperatura de un litro de agua de 14.5 a 15.5 grados centígrados al nivel del mar.
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1 Joule (J): la energía necesaria para aumentar la velocidad de una masa de un kilogramo en 1 m/s . 1 kcal es equivalente a 4200 J
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1 Kw utilizado por una hora se denomina Kwh. La plantilla eléctrica refleja la energía total consumida en Kwh. 1 kWh es equivalente a unas 860 kcal, lo mismo que la energía calórica de dos porciones de un pastel de chocolate.
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Potencia: la rapidez con que se produce el cambio. 1 J/seg se denomina Watt . (No es lo mismo que Voltio). 1.000w = 1Kw / 1.000 kW = 1 Mw / 1.000Mw = 1 Gw
Es esencial entender algunos principios básicos (tomado de mi libro de Julio 2022 y en parte de Huber et al 2003).
Aprendimos a usar los constituyentes de la Tierra misma como la madera de los bosques, las plantas muertas y la biomasa que estaba comprimida y refinada durante cientos de millones de años en refinerías geofísicas. Libra por libra, el carbón guarda el doble de energía (calor) que la madera. Y el petróleo el doble que el carbón. Y un gramo de Uranio 235 es como 4 toneladas de carbón … pero hay que estar conscientes que la energía solar, la eólica o la biomasa van en contra de la tendencia histórica, porque son de baja densidad energética.
…”Las máquinas transformadoras de energía han ido en la misma dirección, hacia más potencia en menos espacio. Desde el caballo hasta los autos o los micro procesadores. Una locomotora de vapor requiere un caldero grande y pesado, una turbina a gas en un avión lo hace mejor y más rápido. Desde la potencia biológica de un caballo, luego el vapor, la combustión interna (una centena de Kwh por metro cúbico), la electricidad y finalmente la fotónica (un láser produce 10.000 Kwh por metro cúbico)”.
John Constable 2022 nos recuerda que el trabajo genera orden energético y este a su vez productos de mayor valor y riqueza, un estado improbable de la naturaleza que satisface nuestras necesidades. Los países eran pobres mientras usaban energías de baja calidad y el primer salto lo dio el carbón en Inglaterra y luego el petróleo: fuentes de alta calidad termodinámica. Y hoy queremos retroceder con fuentes de menor calidad como la energía eólica o la solar.
Y hay al menos tres elementos que destacar:
UNO, la producción de energía se ha centralizado. Antes estaba con nosotros en nuestro cuerpo. La alejamos hacia los animales, luego hacia máquinas, y ahora se produce mayoritariamente en centrales eléctricas fuera de las ciudades.
DOS, cada vez nos adentramos más en la materia para captar la energía ahí oculta. La energía nuclear es la última evolución en ese camino y lo mismo sucede con los datos: los computadores cuánticos usarán el conteo de átomo por átomo, allá en el fondo de la materia.
TRES, esencial, usamos la energía para generar cada vez más orden que es más útil y tiene más valor. Lo que importa es el orden energético y por eso el principal uso de la energía es para refinar, procesar y purificar la energía misma. Y se usa la energía ordenada para distanciarse del caos, y para lograr eso de una manera más rápida y en menos espacio (es decir aumentar la “densidad de potencia”), se debe botar al ambiente más y más rápido energía de bajo orden … por eso un boiler tiene una densidad de potencia de 1 kw por metro cúbico y un factor de desperdicio del 20%, pero para la combustión interna las cifras suben a 100 kw y 40% respectivamente … y en el láser se llega a 10.000 kw y 95% de “desperdicios”.
“… siempre es la misma pirámide: cantidades enormes de energía de baja calidad se consumen para entregar trabajo y potencia de alto valor, ya sea para abastecer un microprocesador o un SUV familiar, solo 2% de una energía que empieza en los pozos del Golfo de México termina alimentando el paseo de la familia”.
Esto último es muy importante, porque cuando hablamos de una economía de menos desperdicios y más sostenibilidad, siempre debemos estar claros que algunos desperdicios son evitables (el exceso de restos en un restaurant porque las raciones son demasiado grandes o la gente pide demasiado), pero otros son parte de un sistema termodinámico que dependen de la Segunda Ley de la Termodinámica … ¡inamovible! .
Recordemos para esto el principio básico de esa segunda ley: los motores térmicos que convierten la energía térmica en trabajo termodinámico tienen una eficiencia máxima de conversión que está relacionada con la temperatura del “depósito caliente” (la fuente de calor) y el “depósito frío” (el lugar al que finalmente se expulsa el calor), el calor fluye del lugar caliente al lugar frío, la única dirección en la que fluye espontáneamente. La eficiencia alcanza un límite establecido por la eficiencia de Carnot (ver gráfico #4).
Y con Martin 2024: “Algunos dispositivos para convertir energía química en trabajo no son motores térmicos per se. Una pila de combustible, por ejemplo, convierte la energía potencial química en energía eléctrica sin ninguna parte móvil. Sin embargo, todos estos dispositivos tienen su propio conjunto de límites prácticos y termodinámicos que reducen su eficiencia por debajo del 100%. La pila de combustible más eficiente es en la actualidad casi tan eficiente como el motor térmico a escala real más eficiente, se trata de las centrales eléctricas de gas natural de ciclo combinado (turbina de gas + turbina de vapor). Ambos convierten aproximadamente el 60% del valor calorífico inferior de su combustible de alimentación en energía mecánica …”.
Y queda una duda que no es objeto de este artículo, pero que constituye una discusión esencial hacia el futuro: ¿podremos tener sistemas energéticos que tengan menos desperdicios al convertirlos en trabajo?
… En todo caso, seguiremos en esa misma dirección de intensidad y eficiencia energética …
Y en ese futuro (gráfico #5) vemos que la energía nuclear (fisión y fusión) pueden tener un impacto muy importante (más del 50% de la electricidad generada), más aún en el escenario en que el mundo se impone y alcanza fuertes restricciones de carbono cero. Lo más realista es pensar que probablemente hacia el año 2050 y algo más, empezará la explotación comercial de las primeras centrales a fusión, y que su penetración en este siglo llegará quizás hacia el 15/20% y junto con la fisión alcanzarán un 30/40% de la producción eléctrica mundial.
Dentro del consumo global de energía, las proporciones van a cambiar, aunque no tan drásticamente como muchos quisieran. Entre gas, hidroelectricidad y renovables que son energías más limpias, se va a pasar de 35% hacia el 50% del total, pero todavía habrá espacio para el resto.
Obviamente las energías no renovables van a tomar un rol más preponderante en el futuro. Y la primera razón, como casi todo en economía, es porque tienen y tendrán costos cada vez más atractivos.
Sin embargo hay que ser prudentes con estas tecnologías porque así como pueden sorprendernos, también tienen sus limitaciones y una fundamental es que van en contra de principios antes señalados … Rogers 2019: “… La energía renovable debe definirse como la energía que no emite CO2 y que no está utilizando un recurso en peligro de agotarse en plazos razonables. Tanto la nuclear como la hidroeléctrica no emiten CO2, y además la hidro no necesita combustible y el combustible nuclear es barato y abundante, pero tienen fuerte oposición medio ambientalista … La energía eólica y solar son fuentes de energía erráticas.
El rendimiento depende del clima. Han bajado de costos pero aún dependen mucho de subsidios y regulaciones favorables. En muchos casos usar nuclear o comprar compensaciones de carbono es una solución mucho más barata”.
El futuro energético no debería basarse prioritariamente ni en petróleo ni carbón ciertamente, pero tampoco en solar o viento masivamente, sino una combinación de todos incluyendo lo nuclear (ojalá combinación no decidida por los políticos, sino por la interacción libre entre agentes … llamada mercado).
Mientras tanto, es sano que lo nuclear (que hoy representa el 9% en el mundo y el 17% en la OCDE de la generación eléctrica, que a su vez es un 50% de las fuentes energéticas) haya vuelto a la escena por varias razones:
Se pueden construir en cualquier parte,nuevas tecnologías con mayor seguridad y menor impacto de los residuos, *atractivo frente a la dependencia hidroeléctrica en muchos países y los riesgos de sequías, *energía limpia, *capacidad de carga superior al 90% (cuánto funcionan en promedio cada año) mientras la eólica o solar se sitúan hacia el 30%, *costos efectivos no bajos pero sí razonables ….
Y además los nuevos reactores de fisión modulares SMR (de 20 hasta 300 Mw) abren nuevas opciones: desplazarán al gas en la generación de calor, generarán hidrógeno de manera mucho más eficiente, capacidad de cogeneración como para la desalinización del agua de mar, o abastecerán necesidades específicas como energía para transporte de carga.
2.ENERGÍA NUCLEAR: FISIÓN Y FUSIÓN
Hay dos mecanismos esenciales…
A.La fisión
La usamos primero desgraciadamente con las bombas atómicas y luego vino la energía, cuya capacidad en los principales países vemos en el gráfico #6. Hay alrededor de 420 reactores en 37 países y 64 en construcción (más de 20 en China) que actualmente generan 370 Gw y se proyecta hacia 2050 alrededor de 600 a 700 Gw (escenario medio razonable). En América Latina hay 7 reactores (3 en Argentina arrancando hace más de 50 años, 2 en Brasil y 2 en México) con 5 Gw, y habrá un par más entre Argentina y Brasil, y quizás otros que se interesan como El Salvador, así se puede proyectar algo más del doble. Pero todo esto requiere, entre otros temas como regulaciones o decisiones políticas, que las inversiones mundiales de 50 mil millones anuales en la última década pasen a más del doble (los costos pueden ir de 50 millones hasta 3.000 millones por unidad).
Las plantas que aprovechan este proceso utilizan en su gran mayoría uranio. Se trata del elemento más pesado que podemos encontrar en la naturaleza y que se va desintegrando en otros elementos más ligeros a través de la reacción en cadena, y liberando energía.
Ojo: se emplea un recurso que hay que extraer de minas y se puede agotar, genera residuos contaminantes y además es esencial poder controlar dicha reacción en cadena para no provocar accidentes. Pero con avances tecnológicos existentes es una línea energética muy importante.
SMR – SMALL MODULAR REACTORES – Idea interesante para Ecuador
Los grandes reactores son muy atractivos pero enfrentan problemas como los costos totales (de 6 a 9 mil millones por Gw) o todavía las dificultades de evaluar correctamente costos y plazos (en Georgia un proyecto acaba de terminarse tras muchos años de atraso y 15 mil millones por Gw).
Por eso el esfuerzo actual hacia SMRs. Por ejemplo los Kairos Power que utilizan como refrigerante una sal fundida mezcla de fluorido de litio y de berilio, que transmite calor eficientemente (más que el agua), puede funcionar a baja presión y altas temperaturas, haciéndolo seguro y productivo, puede construirse en unidades pequeñas desde 50 Mw y podría estar listo comercialmente en una década.
O por ejemplo, los microreactores eVinci™ de Westinghouse, reactores modulares que utilizan combustible contenido en un unidad sólida sellada eliminando la necesidad de un refrigerante líquido como en los reactores tradicionales, mientras el calor se evacúa mediante tubos de calor lo cual es más eficiente. Pueden diseñarse desde pocos Mw y hacia escalas incluso menores lo cual los hace atractivos en zonas remotas, campos mineros y petroleros (¿Ecuador?) y requieren poca intervención humana, operando casi continuamente 8 a 10 años, hasta un cambio del paquete de combustible.
B.La fusión
Ojala en el futuro logremos desarrollar la fusión que es aún más atractiva porque se emplean de partida los elementos más ligeros como el hidrógeno (sobre todo deuterio o tritio para formar otros átomos más pesados liberando más energía) que es el elemento más abundante del universo, en esencia inagotable (… aunque ver más adelante comentarios sobre el tritio que no es un elemento tan sencillo). Los desechos que se producen no suponen contaminación, y la seguridad es mayor: en caso de falla o descontrol la reacción se frena sola.
La diferencia entre las dos se ilustra en el gráfico #7.
El desarrollo de la fusión tomará aún tiempo, quizás entre 20 y 40 años más pero así son las transiciones energéticas, Mc Kinsey 2024: “…nos hemos acostumbrado a las transformaciones vertiginosas. TikTok tardó nueve meses y ChatGPT sólo dos meses en conseguir 100 millones de usuarios. Pero las transiciones energéticas han llevado muchas décadas o siglos. Por ejemplo, en el siglo XIX, la biomasa representaba el 98 por ciento de la energía utilizada; con el tiempo el carbón, el petróleo y el gas la sustituyeron gradualmente; hacia el 2000, la proporción había caído por debajo del 10 por ciento. Después de la Revolución Industrial, la transición de los distintos sectores a nuevas formas de energía (de los caballos a los automóviles en la movilidad y de la biomasa a las calderas de gas en los edificios) tardó unos 50 años en promedio”.
3. LA FUSIÓN NUCLEAR: UN FUTURO AÚN COMPLEJO PERO MUY PROMISORIO
A. La física de la fusión
Empecemos con lo básico: la fusión nuclear es el proceso mediante el cual dos núcleos atómicos ligeros se combinan para formar un solo núcleo más pesado y se emiten al mismo tiempo enormes cantidades de energía. Y lo tenemos “a la mano”: el Sol es una estrella y genera su energía mediante la fusión nuclear de núcleos de hidrógeno en helio, en un estado de la materia denominado plasma (un gas caliente compuesto por iones positivos y por electrones que se desplazan libremente) y con propiedades únicas que lo distinguen de los sólidos, los líquidos y los gases. Impresionante: produce 620 millones de toneladas métricas de helio por segundo.
Ya que intentamos “imitar” al Sol, recordemos que ahí los núcleos necesitan colisionar unos contra otros a temperaturas altísimas, de más de 10 millones de grados Celsius, lo cual les permite vencer su repulsión eléctrica mutua, y al encontrarse a muy escasa distancia unos de otros, la fuerza nuclear atractiva es mayor que la repulsión eléctrica y pueden fusionarse. Obviamente esto debe darse en espacios pequeños, para incrementar las posibilidades de colisión, y ahí ayuda la presión producida por la enorme gravedad. Esas son las condiciones complejas que debemos reproducir. Todo es un juego entre la fuerza eléctrica que repele (desde grandes distancias), y la energía nuclear que atrae en cortos espacios (apoyada por la gravedad).
Las reacciones de fusión producen una cantidad de energía muy elevada —cuatro veces superior a la de las reacciones de fisión nuclear. En teoría, con apenas unos pocos gramos de estos reactivos se puede producir un terajulio de energía, que más o menos equivale a las necesidades energéticas de una persona en un país desarrollado a lo largo de sesenta años.
Veamos más de cerca este maravilloso proceso físico.
Por un lado, está la fuerza nuclear y una pregunta esencial: ¿en qué tipo de elementos de la naturaleza (de la famosa tabla de Mendeliev que todos estudiamos y sufrimos en el colegio) se “optimiza” esta fuerza? Tengamos en cuenta que cuando un nucleón (protón o neutrón) se añade a un núcleo, la fuerza nuclear atrae a otros nucleones, pero —debido al corto alcance de esta fuerza— principalmente a sus vecinos inmediatos. Pero como los nucleones del interior de un núcleo tienen más vecinos que los existentes en la superficie, a medida que crece un núcleo (elementos más pesados de la naturaleza) la energía de enlace por nucleón debido a la fuerza nuclear aumenta (porque hay proporcionalmente más nucleones en la superficie) … pero, según los cálculos, se aproxima a un valor límite correspondiente al de un núcleo cuyo diámetro equivalga al de casi cuatro nucleones.
Por otra parte, la fuerza electrostática es inversa al cuadrado de la distancia. Así, a un protón añadido a un núcleo le afectará una repulsión electrostática de todos los otros protones. Por tanto, debido a la fuerza electrostática, cuando los núcleos se hacen más grandes, la energía electrostática por nucleón aumenta sin límite.
El resultado neto de estas fuerzas opuestas es que generalmente la energía de enlace por nucleón aumenta según el tamaño del núcleo, hasta llegar a los elementos hierro y níquel (62Ni, 58Fe, 56Fe, y 60Ni), y un posterior descenso en los núcleos más pesados que no son estables.
Pero la fusión se basa en que hay una excepción al inicio de la cadena de elementos: el núcleo de helio 4 He, cuya energía de enlace es mayor que la del litio (el siguiente de la tabla). Esto se sustenta en unos de los grandes principios de la mecánica cuántica, el principio de exclusión de Pauli: debido a que los protones y los neutrones son fermiones, no pueden existir en el mismo estado, pero como el núcleo de 4 He está integrado por dos protones y dos neutrones, estos cuatro nucleones pueden estar en el estado fundamental, su energía de enlace es anormalmente grande. Al formarse el Helio se libera mucha energía, porque tiene un estado de energía muy estable y bajo, pero hay que darles un enorme “empujón” con gran energía a los núcleos de hidrógeno que lo conforman … como cuando se empuja una piedra, en base a un gran esfuerzo (o el “esfuerzo” de la gravedad) desde un estado inestable en lo alto del Chimborazo, y rueda liberando energía hasta un estado más estable que es el pie de la montaña.
En la fusión, dos núcleos ligeros se fusionan para formar un único núcleo más pesado. El proceso libera energía porque la masa total del núcleo resultante es menor que la masa de los dos núcleos originales. La masa restante se convierte en energía. Y todo esto por la ecuación de Einstein (E=mc2), que nos dice que la masa y la energía pueden convertirse entre sí.
B.La tecnología de la Fusión
En todos los casos el objetivo es lograr generar más energía que la que se inyecta al sistema para generar la fusión. Y esto se logró por primera vez de manera controlada y autosostenida el 5 de diciembre de 2022: el NIF (National Ignition Facility) señaló “el objetivo recibió 2,05 megajulios (MJ) de energía, que generó 3,15 MJ de energía de fusión”, apenas se produjo 1 kwh … ¡pero es un avance tecnológico y científico maravilloso!
Hay básicamente 2 tecnologías posibles … aunque como señala Schwartz et al 2023 (lo mantengo en inglés): “There are multiple existing concepts for fusion power plants, including pulsed and steady-state tokamaks, stellarators, laser-driven inertial confinement devices, magnetized target fusion systems, mirror machines, field-reversed configurations, and Z-pinches”.
Camino 1. La fusión por confinamiento magnético (MCF), utilizando imanes potentes (la máquina parece un robot gigante en forma de rosquilla). A estas temperaturas, los gases se convierten en plasmas, que conducen electricidad. Debido a la forma en que interactúan los campos magnéticos y los campos eléctricos, se pueden utilizar imanes para mantener el plasma a alta temperatura alejado de las paredes mientras se lleva a cabo la reacción de fusión. Si bien se han estudiado diversos esquemas de confinamiento magnético, el más exitoso hasta ahora es el confinamiento toroidal. Con este esquema, el plasma se confina mediante la producción de líneas de campo magnético que se enrollan en una región toroidal (con forma de rosquilla).
Sin embargo, debido a los gradientes en la fuerza del campo magnético, las partículas cargadas no se confinan mediante una región puramente toroidal, el campo magnético debe hacerse helicoidal para lograr el confinamiento de una partícula cargada. En un tokamak, el campo magnético adicional se genera haciendo pasar una corriente a través del propio plasma. En un stellarator, se utilizan bobinas magnéticas externas para producir la estructura de campo retorcido. … Para el futuro, básicamente la investigación sobre MFE ha estado y seguirá estando en la vanguardia de la ciencia y la ingeniería del plasma, porque requiere comprender y controlar plasmas magnetizados, con enormes colisiones y muy calientes, que se encuentran lejos del equilibrio térmico con su entorno … ¡Un camino aún “duro”!
Camino 2. Utiliza láseres y se denomina fusión por confinamiento inercial (ICF). Se libera una pequeña cantidad de combustible en una cámara y luego se le aplica una descarga con láseres potentes que calientan y comprimen rápidamente el combustible antes de que pueda desintegrarse. Esto libera una cantidad aún mayor de energía, que normalmente es capturada por la cámara en forma de calor y que se convierte en electricidad.
La mayoría de los esquemas de fusión utilizan una mezcla de isótopos de hidrógeno, deuterio y tritio (DT) como combustible, porque estos átomos se fusionan a las temperaturas más bajas. El deuterio es un átomo de hidrógeno (un protón) con un neutrón adicional. El tritio es un átomo de hidrógeno con dos neutrones adicionales. Cuando el deuterio y el tritio se fusionan, producen un átomo de helio (también llamado partícula alfa), neutrones y una gran cantidad de energía.(gráfico #8).
Hay desafíos como señala Anderson 2020. “Si bien el deuterio es abundante en el océano, el tritio será difícil de manejar, es inestable, radiactivo y raro; por suerte, la cantidad necesaria es muy pequeña: quizás 50/500 kg por año. Por lo tanto, el deuterio se puede extraer del océano y el tritio se producirá en el propio reactor de fusión capturando los neutrones vía litio.
Una alternativa atractiva es utilizar combustibles “aneutrónicos” en lugar de deuterio, combinaciones de átomos que producen pocos o ningún neutrón cuando se fusionan, como mezclas de hidrógeno y boro. Los combustibles aneutrónicos tienen tres grandes ventajas: 1) evitan las complejidades de la reproducción del tritio, 2) no producen neutrones, que inducen radiactividad en los materiales y requieren un moderador … y muy importante para el futuro eléctrico: 3) las partículas de helio (He) liberadas podrían producir electricidad directamente, eliminando la necesidad de una turbina de vapor y otros equipos costosos para convertir el calor en energía. La desventaja es que la temperatura de ignición del hidrógeno y el boro (H-B11) es diez veces mayor que la temperatura de ignición necesaria para la fusión DT, lo cual es complejo.
La clave para lograr y mantener la fusión es diseñar un esquema en el que la mayor cantidad posible de energía contribuya a una mayor fusión, en lugar de perderse en el medio ambiente” (ver gráfico #9).
C.La Economía De La Fusión
Detrás de los avances tecnológicos hay un obvio tema fundamental: la energía debe ser competitiva con otras fuentes existentes, actuales o futuras, renovables o no renovables.
Y en general se usa como dato comparativo el llamado “Levelized Cost of Electricity” o LCOE que se define así (donde r es la tasa de descuento para el futuro):
Algo sobre la actual fisión
En el gráfico #10 aparecen los costos actuales (que para ninguna energía incluyen costos de transmisión y distribución).
Y esto muestra en particular que la actual energía nuclear de fisión puede ser muy competitiva, situándose por debajo de los $0,05 el kwh y esta tendencia parece fortalecerse en el futuro (ver gráfico #11). Lo esencial es que en este tipo de reflexiones se debe tomar en cuenta costos con y sin subsidios (que como se puede ver son muy importantes en el caso de los renovables) y además directa e indirectamente los costos ligados a intermitencias (también importantes en los renovables) e internalizar los impactos ambientales como el carbono.
Más sobre la fusión
Hay varios elementos al menos que tomar en cuenta. Uno. Al igual que su contraparte de fisión o cualquier tecnología intensiva en capital, el costo total (ver gráfico #12) de una planta de energía de fusión está determinado por sus costos de capital iniciales, y su producción se ve afectada principalmente por el tamaño de la planta, el número de horas que puede funcionar cada año y la eficiencia con la que la energía térmica producida a través de la fusión se convierte en electricidad.
Las estimaciones varían de $ 2.700 a $ 9.700 por kw de capacidad. Las plantas tienen una capacidad entre 1.000 y 1.500 Mw, de ahí que el costo oscilaría entre 2.700 y más de 10.000 millones de dólares (para comparar, la central hidroeléctrica Coca Codo Sinclair en Ecuador costó alrededor de $2.500 millones, algo más de $1.000 el kw … aunque con los problemas que ha tenido el costo efectivo supera los $2.000 el kw).
Dos. Adlinger 2020. “Es probable que las plantas de fusión resulten menos costosas a medida que incorporen sucesivos avances tecnológicos, en particular una mayor eficiencia en la conversión de la energía térmica de la fusión en electricidad. Está en juego casi un factor de dos, con una eficiencia de conversión que oscila entre el 30 y el 60 por ciento que depende especialmente de la temperatura de la manta que absorbe la energía térmica liberada en las reacciones de fusión y entrega la mayor parte de esa energía térmica a la turbina que produce electricidad. Cuanto mayor sea la diferencia entre la temperatura de la manta y la del medio ambiente (agua del océano o del río, por ejemplo), mayor será la eficiencia. Las eficiencias del 30 por ciento son representativas cuando la manta se enfría con agua y se mantiene a una temperatura de 300 grados Celsius, de modo que el vapor entra en la turbina de vapor a esa temperatura. La eficiencia más alta del 60 por ciento podría lograrse si la manta pudiera mantenerse a temperaturas mucho más altas”.
Tres. Adlinger 2020. “Otra fuente de variación en las estimaciones de costos es la suposición sobre el número de horas que la planta funciona cada año, y requiere un funcionamiento casi a tiempo completo para ser competitiva. Un factor único en su importancia para las plantas de fusión es el “reemplazo programado de componentes”. Los componentes críticos se degradan y deben reemplazarse muchas veces durante la vida útil de la planta como resultado del desgaste que sufren por la irradiación de neutrones de fusión y partículas cargadas. Las áreas más importantes son las que están muy cerca del plasma de fusión, en particular la primera pared, la manta y el desviador. Una estimación actual indica que el reemplazo del desviador podría llevar cuatro meses y el reemplazo del desviador en combinación con el reemplazo de la manta seis meses. Cada reemplazo también requeriría un período de enfriamiento de un mes en la parte delantera y un período de acondicionamiento de un mes en la parte trasera antes de que la planta pudiera producir energía” (ver gráfico #13, sobre cómo esto afecta los costos de generación).
Cuatro. Anderson 2020. Son estimaciones y en parte adivinanzas hacia el futuro.
“¿Cuánto costará la energía en el futuro?”
En 2019, el precio minorista promedio de la electricidad en los EE. UU. fue de $ 0,11 por kwh. Según las predicciones de la Agencia de Información Energética de los EE. UU. (EIA), la forma de energía más barata en 2050 será la solar con un LCOE (que es solo costo de producción) de $ 0,026/kwh; y se despachará siempre que sea posible. La energía eólica terrestre costará en promedio $ 0,035/kwh y la electricidad a partir de gas natural alrededor de $ 0,045/kwh.
¿Cómo se comparará la energía de fusión?
Como todavía no se han construido plantas de energía de fusión, planteemos un cálculo aproximado del LCOE. (Advertencia: para completar este experimento mental, haremos algunas suposiciones importantes … que la Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada nos dice específicamente que no hagamos).
En 2017, la ARPA-E de EE. UU., Bechtel y proveedores de tecnología trabajaron juntos para estimar el costo potencial de una pequeña planta de energía de fusión basada en cuatro tecnologías desarrolladas a través del programa ALPHA.
Cada planta fue diseñada para generar 150 MW de electricidad. El costo total estimado para la inversión en las plantas promedió $1.3 mil millones, con estimaciones para cada tecnología que van desde $0.7 mil millones a $1.9 mil millones. Estos costos suponen que cada planta es la décima planta construida, es decir, que la mayoría de los problemas operativos ya se han resuelto.
No sabemos cuánto costará operar la planta de fusión, pero supongamos que los costos operativos son aproximadamente el 40% del LCOE, como en el caso de las plantas de energía nuclear, y que funcionará durante 30 años. El LCOE sería de $0,11/kWh (tomando el costo más bajo para las centrales)… así, es poco probable que la fusión sea la fuente de electricidad más barata…
La forma más sencilla de reducir el LCOE es aumentar el tamaño de la planta para acceder a economías de escala. Usando reglas generales de ingeniería, si la tecnología se escalara a 1000 MW (el tamaño de una planta de energía nuclear típica) costaría aproximadamente $2.2 mil millones. Ahora el LCOE previsto sería $0,052/kWh. Extender la vida útil de esta planta a 40 años reduciría aún más el LCOE … y convertir directamente la fusión en electricidad sin producir primero vapor (para impulsar una turbina) resultaría en importantes ahorros de costos.
Esta es una gran razón por la que algunas empresas de fusión esperan usar combustible de boro, aunque es más difícil de encender. La reacción protón-boro produce átomos con una carga eléctrica, lo que significa que una fracción de la energía se puede convertir en electricidad directamente… en definitiva, la energía de fusión podrá ser competitiva”.
Y en la misma línea, Hawker 2020. “Estudios previos habían estimado que la fusión por confinamiento inercial podría generar un LCOE de $0,08/kwh. Esto se basaba en la necesidad de un pulso (disparar un proyectil a un objetivo a gran velocidad) cada cinco segundos. Los estudios han identificado nuevos diseños con mayor rendimiento de energía de fusión por disparo, lo que significa menos disparos. El nuevo diseño funciona a una frecuencia más baja, con un pulso cada 60 segundos, y puede alcanzar la viabilidad económica con una potencia de salida menor de 150 Mw. La solución ofrece un costo menor de alrededor de $0,025/kwh y un riesgo de ingeniería mucho menor debido al tamaño más pequeño de la planta y la baja frecuencia de disparo”.
Cinco. Lindley et al 2023.
“La evolución de la tecnología debería ser así.
Fase 1: demostración de la tecnología fundamental. Esta es la etapa actual de la fusión, con trabajo teórico y experimentos para validar la física relevante.
Fase 2: demostrador de ingeniería. Establece que la tecnología funciona fundamentalmente y produce electricidad de manera sostenible.
Fase 3: FOAK comercial (First of a Kind). El siguiente paso suele ser un sistema a escala real (demostrador de rendimiento) que luego se puede implementar comercialmente. Se espera que esta unidad produzca electricidad que se venderá en el mercado. Esta unidad no será económicamente viable ya que requerirá costos sustanciales de diseño y construcción únicos, puede tener un tiempo de inactividad considerable para abordar problemas iniciales y también puede necesitar una fase de puesta en servicio prolongada. Sin embargo, esta unidad es fundamental ya que muchos inversores son reacios a invertir en una nueva tecnología que no se haya probado comercialmente.
Fase 4: luego se pueden implementar plantas de energía comercialmente viables. Es posible que estas plantas sigan necesitando algún tipo de incentivos (al menos en los primeros años), pero se basarían en diseños probados y serían financiadas por las empresas de servicios públicos.
Entre los ejemplos de demostradores de ingeniería para la fusión se incluyen STEP en el Reino Unido, cuya construcción está prevista para comenzar en 2032 y su finalización en torno a 2040. La situación es similar en todo el mundo, con diversos planes nacionales. Corea, la UE, Japón y China han fijado en general como objetivo la operación de un reactor de este tipo en torno a 2045-2050, lo que sitúa el despliegue comercial a finales de la década de 2050 o más adelante. Algunas empresas emergentes del sector privado proponen un cronograma más ambicioso. Sus conceptos se basan en reactores mucho más pequeños, que pretenden avanzar a través de las cuatro fases mucho más rápido. Por lo tanto, la energía de fusión tiene el potencial de hacer contribuciones a la demanda de electricidad a partir de la década de 2040”.
REFERENCIAS
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Visual Capitalist. Ranked: America’s Cheapest Sources of Electricity in 2024