Central eléctrica de combustibles fósiles

Una central eléctrica de combustibles fósiles es una central térmica que quema un combustible fósil , como carbón , petróleo o gas natural , para producir electricidad . Las centrales eléctricas de combustibles fósiles tienen maquinaria para convertir la energía térmica de la combustión en energía mecánica , que luego hace funcionar un generador eléctrico . El motor principal puede ser una turbina de vapor , una turbina de gas o, en plantas pequeñas, un motor de gas alternativo . Todas las plantas utilizan la energía extraída de la expansión de un gas caliente, ya sea vapor o gases de combustión. Aunque existen diferentes métodos de conversión de energía, todos los métodos de conversión de la central térmica tienen su eficiencia limitada por la eficiencia de Carnot y, por lo tanto, producen calor residual .

Las centrales eléctricas que utilizan combustibles fósiles proporcionan la mayor parte de la energía eléctrica que se utiliza en el mundo. Algunas centrales eléctricas que utilizan combustibles fósiles están diseñadas para funcionar de forma continua como centrales eléctricas de carga base , mientras que otras se utilizan como centrales de pico . Sin embargo, a partir de la década de 2010, en muchos países las centrales diseñadas para el suministro de carga base se están utilizando como generación despachable para equilibrar la creciente generación de energía renovable variable . ^[2]

En el diseño y funcionamiento de las centrales eléctricas que utilizan combustibles fósiles se deben tener en cuenta los subproductos de su funcionamiento. Los gases de combustión de los combustibles fósiles contienen dióxido de carbono y vapor de agua, así como contaminantes como óxidos de nitrógeno (NO _x ), óxidos de azufre (SO _x ) y, en el caso de las centrales que utilizan carbón, mercurio , trazas de otros metales y cenizas volantes . Normalmente, todo el dióxido de carbono y parte de los demás contaminantes se descargan al aire. También se deben eliminar las cenizas de los residuos sólidos de las calderas que utilizan carbón.

Las centrales eléctricas alimentadas con combustibles fósiles son importantes emisoras de dióxido de carbono (CO2 ₎ , un gas de efecto invernadero que contribuye en gran medida al calentamiento global . Los resultados de un estudio reciente ^[3] muestran que los ingresos netos disponibles para los accionistas de las grandes empresas podrían ver una reducción significativa de la responsabilidad por las emisiones de gases de efecto invernadero relacionadas únicamente con los desastres naturales en los Estados Unidos de una sola central eléctrica a carbón. Sin embargo, a partir de 2015, ningún caso de este tipo ha otorgado daños y perjuicios en los Estados Unidos. Por unidad de energía eléctrica, el lignito emite casi el doble de CO2 _que el gas natural, y el carbón negro emite algo menos que el lignito. A partir de 2019 ^[actualizar], la captura y el almacenamiento de carbono de las emisiones no es económicamente viable para las centrales eléctricas de combustibles fósiles, ^[4] y mantener el calentamiento global por debajo de 1,5 °C todavía es posible, pero solo si no se construyen más centrales eléctricas de combustibles fósiles y algunas de las centrales eléctricas de combustibles fósiles existentes se cierran pronto, junto con otras medidas como la reforestación . ^{[5] [6]}

En una central eléctrica de combustibles fósiles, la energía química almacenada en combustibles fósiles como el carbón , el fueloil , el gas natural o el esquisto bituminoso y el oxígeno del aire se convierte sucesivamente en energía térmica , energía mecánica y, finalmente, energía eléctrica . Cada central eléctrica de combustibles fósiles es un sistema complejo, diseñado a medida. Se pueden construir múltiples unidades generadoras en un solo sitio para un uso más eficiente de la tierra , los recursos naturales y la mano de obra . La mayoría de las centrales térmicas del mundo utilizan combustibles fósiles, superando en número a las centrales nucleares , geotérmicas , de biomasa o solares concentradas .

La segunda ley de la termodinámica establece que cualquier ciclo de circuito cerrado solo puede convertir una fracción del calor producido durante la combustión en trabajo mecánico . El resto del calor, llamado calor residual , debe liberarse a un entorno más frío durante la parte de retorno del ciclo. La fracción de calor liberada a un medio más frío debe ser igual o mayor que la relación de las temperaturas absolutas del sistema de enfriamiento (entorno) y la fuente de calor (horno de combustión). Aumentar la temperatura del horno mejora la eficiencia pero complica el diseño, principalmente por la selección de aleaciones utilizadas para la construcción, lo que hace que el horno sea más caro. El calor residual no se puede convertir en energía mecánica sin un sistema de enfriamiento más frío. Sin embargo, se puede utilizar en plantas de cogeneración para calentar edificios, producir agua caliente o calentar materiales a escala industrial, como en algunas refinerías de petróleo , plantas y plantas de síntesis química .

La eficiencia térmica típica de los generadores eléctricos a gran escala es de alrededor del 37 % para las plantas de carbón y petróleo ^[7] , y del 56 al 60 % (LEV) para las plantas de ciclo combinado de gas. Las plantas diseñadas para lograr la máxima eficiencia mientras operan a plena capacidad serán menos eficientes cuando operen fuera de diseño (es decir, a temperaturas demasiado bajas). ^[8]

Las centrales de combustibles fósiles que funcionan como motores térmicos no pueden superar el límite del ciclo de Carnot para la conversión de energía térmica en trabajo útil. Las pilas de combustible no tienen los mismos límites termodinámicos, ya que no son motores térmicos.

La eficiencia de una planta de combustible fósil puede expresarse como su tasa de calor , expresada en BTU/kilovatio-hora o megajulios/kilovatio-hora.

En una central eléctrica con turbina de vapor, el combustible se quema en un horno y los gases calientes fluyen a través de una caldera. El agua se convierte en vapor en la caldera; se pueden incluir etapas de calentamiento adicionales para sobrecalentar el vapor. El vapor caliente se envía a través de válvulas de control a una turbina. A medida que el vapor se expande y se enfría, su energía se transfiere a las aspas de la turbina que hacen girar un generador. El vapor gastado tiene muy poca presión y contenido de energía; este vapor de agua se alimenta a través de un condensador, que elimina el calor del vapor. Luego, el agua condensada se bombea a la caldera para repetir el ciclo.

Las emisiones de la caldera incluyen dióxido de carbono, óxidos de azufre y, en el caso del carbón, cenizas volantes de sustancias no combustibles presentes en el combustible. El calor residual del condensador se transfiere al aire o, en ocasiones, a un estanque, lago o río de enfriamiento.

Un tipo de planta de energía a combustibles fósiles utiliza una turbina de gas junto con un generador de vapor con recuperación de calor (HRSG). Se la denomina planta de energía de ciclo combinado porque combina el ciclo Brayton de la turbina de gas con el ciclo Rankine del HRSG. Las turbinas se alimentan con gas natural o fueloil.

Los grupos electrógenos con motor diésel se utilizan a menudo ^{[ cita requerida ]} como fuente de energía principal en comunidades que no están conectadas a una red eléctrica generalizada. Los sistemas de energía de emergencia (de reserva) pueden utilizar motores de combustión interna alternativos que funcionan con fueloil o gas natural. Los generadores de reserva pueden servir como fuente de energía de emergencia para una fábrica o un centro de datos, o también pueden funcionar en paralelo con el sistema de servicios públicos local para reducir la demanda máxima de energía de la empresa de servicios públicos. Los motores diésel pueden producir un par fuerte a velocidades de rotación relativamente bajas, lo que generalmente es deseable cuando se acciona un alternador , pero el combustible diésel en el almacenamiento a largo plazo puede estar sujeto a problemas resultantes de la acumulación de agua y la descomposición química . Los grupos electrógenos que se utilizan raramente pueden instalarse correspondientemente como gas natural o GLP para minimizar los requisitos de mantenimiento del sistema de combustible.

Los motores de combustión interna de encendido por chispa que funcionan con gasolina, propano o GLP se utilizan comúnmente como fuentes de energía portátiles temporales para trabajos de construcción, energía de emergencia o usos recreativos.

Los motores de combustión externa alternativos, como el motor Stirling, pueden funcionar con distintos combustibles fósiles, así como con combustibles renovables o con calor residual industrial. Las instalaciones de motores Stirling para la producción de energía son relativamente poco comunes.

Históricamente, las primeras centrales eléctricas utilizaban motores de vapor alternativos para accionar generadores. A medida que el tamaño de la carga eléctrica que debía suministrarse aumentó, las unidades alternativas se volvieron demasiado grandes y engorrosas para instalarlas de manera económica. La turbina de vapor desplazó rápidamente a todos los motores alternativos en servicio en las centrales eléctricas.

El carbón es el combustible fósil más abundante del planeta y se utiliza ampliamente como fuente de energía en las centrales térmicas , además de ser un combustible relativamente barato. El carbón es un combustible impuro y produce más gases de efecto invernadero y contaminación que una cantidad equivalente de petróleo o gas natural. Por ejemplo, el funcionamiento de una central eléctrica de carbón de 1000 MWe genera una dosis de radiación nuclear de 490 rem-persona/año, en comparación con los 136 rem-persona/año de una central nuclear equivalente, incluyendo la extracción de uranio, el funcionamiento del reactor y la eliminación de residuos. ^[9]

El carbón se transporta por carretera , ferrocarril , barcaza , buque minero o tubería de lodo de carbón . Las centrales generadoras adyacentes a una mina pueden recibir carbón mediante cintas transportadoras o camiones gigantes con propulsión diésel-eléctrica . El carbón se suele preparar para su uso triturando el carbón en bruto en trozos de menos de 5 cm (2 pulgadas) de tamaño.

El gas es un combustible muy común y ha sustituido en gran medida al carbón en países donde se encontró gas a finales del siglo XX o principios del siglo XXI, como Estados Unidos y el Reino Unido. A veces, las plantas de vapor alimentadas con carbón se reacondicionan para utilizar gas natural con el fin de reducir las emisiones netas de dióxido de carbono. Las plantas alimentadas con petróleo pueden convertirse a gas natural para reducir los costos operativos.

El fueloil pesado fue en su momento una fuente importante de energía para la generación de energía eléctrica. Tras los aumentos de los precios del petróleo en la década de 1970, el petróleo fue reemplazado por el carbón y, más tarde, por el gas natural. El petróleo destilado sigue siendo importante como fuente de combustible para las centrales eléctricas con motores diésel que se utilizan especialmente en comunidades aisladas que no están interconectadas a una red eléctrica. Las centrales eléctricas con turbinas de gas también pueden utilizar combustibles líquidos, especialmente para servicios de emergencia o de pico. De las tres fuentes de combustibles fósiles, el petróleo tiene las ventajas de ser más fácil de transportar y manipular que el carbón sólido, y de almacenar en el lugar más fácilmente que el gas natural.

La cogeneración , también conocida como calor y electricidad combinados (CHP) , es el uso de una central térmica para proporcionar tanto energía eléctrica como calor (este último se utiliza, por ejemplo, para fines de calefacción urbana ). Esta tecnología se practica no solo para calefacción doméstica (baja temperatura), sino también para el calor de procesos industriales, que a menudo es calor de alta temperatura. Los cálculos muestran que la calefacción urbana combinada de calor y electricidad (CHPDH) es el método más barato para reducir (pero no eliminar) las emisiones de carbono, si se siguen quemando combustibles fósiles convencionales. ^{[10] [ ¿ Fuente poco fiable? ]}

Las centrales térmicas son una de las principales fuentes artificiales de producción de gases tóxicos y material particulado . Las centrales eléctricas de combustibles fósiles provocan la emisión de contaminantes como NO _x , SO _x , CO ₂ , CO, PM, gases orgánicos e hidrocarburos aromáticos policíclicos. ^[12] Las organizaciones mundiales y agencias internacionales, como la AIE, están preocupadas por el impacto ambiental de la quema de combustibles fósiles , y carbón en particular. La combustión de carbón contribuye en gran medida a la lluvia ácida y la contaminación del aire , y se ha relacionado con el calentamiento global . Debido a la composición química del carbón, existen dificultades para eliminar las impurezas del combustible sólido antes de su combustión. Las centrales eléctricas de carbón modernas contaminan menos que los diseños más antiguos debido a las nuevas tecnologías de " depuradores " que filtran el aire de escape en chimeneas. Sin embargo, los niveles de emisión de varios contaminantes siguen siendo en promedio varias veces mayores que las centrales eléctricas de gas natural y los depuradores transfieren los contaminantes capturados a las aguas residuales, que aún requieren tratamiento para evitar la contaminación de los cuerpos de agua receptores. En estos diseños modernos, la contaminación de las centrales eléctricas de carbón proviene de la emisión de gases como dióxido de carbono, óxidos de nitrógeno y dióxido de azufre al aire, así como de un volumen significativo de aguas residuales que pueden contener plomo , mercurio , cadmio y cromo , así como arsénico , selenio y compuestos de nitrógeno ( nitratos y nitritos ). ^[13]

La lluvia ácida es causada por la emisión de óxidos de nitrógeno y dióxido de azufre . Estos gases pueden ser levemente ácidos, pero cuando reaccionan con la atmósfera, crean compuestos ácidos como ácido sulfuroso , ácido nítrico y ácido sulfúrico que caen en forma de lluvia, de ahí el término lluvia ácida. En Europa y los EE. UU., las leyes de emisiones más estrictas y el declive de las industrias pesadas han reducido los riesgos ambientales asociados con este problema, lo que ha llevado a menores emisiones después de su pico en la década de 1960.

En 2008, la Agencia Europea de Medio Ambiente (AEMA) documentó factores de emisión dependientes del combustible basándose en las emisiones reales de las centrales eléctricas en la Unión Europea . ^[14]

La generación de electricidad mediante combustibles basados ​​en carbono es responsable de una gran fracción de las emisiones de dióxido de carbono (CO ₂ ) en todo el mundo y del 34% de las emisiones de dióxido de carbono de origen humano en Estados Unidos en 2010. En Estados Unidos, el 70% de la electricidad se genera mediante la combustión de combustibles fósiles. ^[16]

El carbón contiene más carbono que los combustibles fósiles de petróleo o gas natural, lo que resulta en mayores volúmenes de emisiones de dióxido de carbono por unidad de electricidad generada. En 2010, el carbón contribuyó con aproximadamente el 81% de las emisiones de CO2 _de la generación y contribuyó con aproximadamente el 45% de la electricidad generada en los Estados Unidos. ^[17] En 2000, la intensidad de carbono (emisiones de CO2 ₎ de la combustión térmica de carbón en los Estados Unidos fue de 2249 lbs/MWh (1029 kg/MWh) ^[18] mientras que la intensidad de carbono de la generación térmica de petróleo en los Estados Unidos fue de 1672 lbs/MWh (758 kg/MWh o 211 kg/ GJ ) ^[19] y la intensidad de carbono de la producción térmica de gas natural en los Estados Unidos fue de 1135 lb/MWh (515 kg/MWh o 143 kg/GJ). ^[20]

El Grupo Intergubernamental de Expertos sobre el Cambio Climático ( IPCC ) informa que el aumento de las cantidades de dióxido de carbono, un gas de efecto invernadero, en la atmósfera provocará "muy probablemente" un aumento de las temperaturas medias a escala mundial ( calentamiento global ). Las preocupaciones sobre la posibilidad de que dicho calentamiento altere el clima mundial impulsaron las recomendaciones del IPCC en las que se pedía una reducción importante de las emisiones de CO2 _en todo el mundo. ^[21]

Las emisiones se pueden reducir con temperaturas de combustión más altas, lo que permite una producción más eficiente de electricidad dentro del ciclo. A partir de 2019, ^[actualizar]el precio de emitir CO2 _a la atmósfera es mucho menor que el costo de agregar captura y almacenamiento de carbono (CCS) a las centrales eléctricas de combustibles fósiles, por lo que los propietarios no lo han hecho. ^[4]

Las emisiones de CO2 _de una central eléctrica de combustibles fósiles se pueden estimar con la siguiente fórmula: ^[22]

Emisiones de CO2 = _capacidad x factor de capacidad x tasa de calor x intensidad de emisión x tiempo

donde "capacidad" es la " capacidad nominal " o la salida máxima permitida de la planta, " factor de capacidad " o "factor de carga" es una medida de la cantidad de energía que produce una planta en comparación con la cantidad que produciría si funcionara a su capacidad nominal sin parar, la tasa de calor es la energía térmica que entra/energía eléctrica que sale, la intensidad de emisión (también llamada factor de emisión ) es el CO2 _emitido por unidad de calor generada para un combustible en particular.

A modo de ejemplo, una nueva central eléctrica de 1500 MW alimentada con lignito supercrítico que funcione en promedio a la mitad de su capacidad podría tener emisiones anuales de CO2 _estimadas en:

= 1500 MW x 0,5 x 100/40 x 101000 kg/TJ x 1 año

= 1500 MJ/s x 0,5 x 2,5 x 0,101 kg/MJ x 365 x 24 x 60 x 60 s

= ^{1,5x103x5x10-1x2,5x1,01-1x3,1536x107} kg^​​^​​^​​

= 59,7 x 10 ^3-1-1+7 kg

= 5,97 toneladas métricas

Se estima que la central eléctrica que se muestra en el ejemplo emite alrededor de 6 megatoneladas de dióxido de carbono cada año. Los resultados de estimaciones similares están cartografiados por organizaciones como Global Energy Monitor , Carbon Tracker y ElectricityMap.

Alternativamente, puede ser posible medir las emisiones de CO ₂ (quizás indirectamente a través de otro gas) a partir de observaciones satelitales. ^[23]

Otro problema relacionado con la combustión de carbón es la emisión de partículas que tienen un grave impacto en la salud pública. Las centrales eléctricas eliminan las partículas de los gases de combustión mediante el uso de una cámara de filtros o un precipitador electrostático . Varias plantas más nuevas que queman carbón utilizan un proceso diferente, el ciclo combinado de gasificación integrada , en el que el gas de síntesis se obtiene a partir de una reacción entre el carbón y el agua. El gas de síntesis se procesa para eliminar la mayoría de los contaminantes y luego se utiliza inicialmente para alimentar turbinas de gas. Luego, los gases de escape calientes de las turbinas de gas se utilizan para generar vapor para alimentar una turbina de vapor. Los niveles de contaminación de estas plantas son drásticamente inferiores a los de las centrales eléctricas de carbón "clásicas". ^[24]

Las partículas en suspensión de las plantas de carbón pueden ser nocivas y tener efectos negativos para la salud. Los estudios han demostrado que la exposición a las partículas en suspensión está relacionada con un aumento de la mortalidad respiratoria y cardíaca. ^[25] Las partículas en suspensión pueden irritar las vías respiratorias pequeñas de los pulmones, lo que puede provocar un aumento de los problemas de asma, bronquitis crónica, obstrucción de las vías respiratorias e intercambio de gases. ^[25]

Existen diferentes tipos de material particulado, dependiendo de su composición química y tamaño. La forma predominante de material particulado de las plantas de carbón son las cenizas volantes de carbón , pero el sulfato y el nitrato secundarios también constituyen una parte importante del material particulado de las plantas de carbón. ^[26] Las cenizas volantes de carbón son lo que queda después de que el carbón se ha quemado, por lo que consisten en los materiales incombustibles que se encuentran en el carbón. ^[27]

El tamaño y la composición química de estas partículas afectan a los impactos sobre la salud humana. ^{[25] [26]} Actualmente, las partículas gruesas (diámetro mayor de 2,5 μm) y finas (diámetro entre 0,1 μm y 2,5 μm) están reguladas, pero las partículas ultrafinas (diámetro menor de 0,1 μm) no están reguladas actualmente, pero plantean muchos peligros. ^[25] Lamentablemente, todavía se desconoce mucho sobre qué tipos de material particulado plantean el mayor daño, lo que dificulta la elaboración de una legislación adecuada para regular el material particulado. ^[26]

Existen varios métodos para ayudar a reducir las emisiones de partículas en suspensión de las plantas de carbón. Aproximadamente el 80% de las cenizas caen en un depósito de cenizas, pero el resto de las cenizas se transportan a la atmósfera y se convierten en cenizas volantes de carbón. ^[27] Los métodos para reducir estas emisiones de partículas en suspensión incluyen:

1. una casa de bolsas
2. un precipitador electrostático (ESP)
3. colector de ciclones

El filtro de mangas tiene un filtro fino que recoge las partículas de ceniza, los precipitadores electrostáticos utilizan un campo eléctrico para atrapar las partículas de ceniza en placas de alto voltaje y los colectores ciclónicos utilizan la fuerza centrífuga para atrapar las partículas en las paredes. ^[27] Un estudio reciente indica que las emisiones de azufre de las centrales eléctricas alimentadas con combustibles fósiles en China pueden haber causado una pausa de 10 años en el calentamiento global (1998-2008). ^[28]

Las centrales eléctricas que utilizan combustibles fósiles, en particular las que funcionan con carbón, son una fuente importante de aguas residuales industriales . Las corrientes de aguas residuales incluyen la desulfuración de gases de combustión, la eliminación de cenizas volantes, las cenizas de fondo y el control del mercurio en los gases de combustión. Las plantas con controles de contaminación del aire, como depuradores húmedos, suelen transferir los contaminantes capturados a la corriente de aguas residuales. ^[13]

Los estanques de cenizas , un tipo de embalse superficial, son una tecnología de tratamiento ampliamente utilizada en las plantas de carbón. Estos estanques utilizan la gravedad para sedimentar partículas grandes (medidas como sólidos suspendidos totales ) de las aguas residuales de la planta de energía. Esta tecnología no trata los contaminantes disueltos. Las centrales eléctricas utilizan tecnologías adicionales para controlar los contaminantes, según el flujo de desechos particular en la planta. Estas incluyen el manejo de cenizas secas, el reciclaje de cenizas en circuito cerrado, la precipitación química, el tratamiento biológico (como un proceso de lodos activados), los sistemas de membranas y los sistemas de evaporación-cristalización. En 2015, la EPA publicó una regulación de conformidad con la Ley de Agua Limpia que requiere que las plantas de energía de EE. UU. utilicen una o más de estas tecnologías. ^[13] Los avances tecnológicos en membranas de intercambio iónico y sistemas de electrodiálisis han permitido un tratamiento de alta eficiencia de las aguas residuales de desulfuración de gases de combustión para cumplir con los límites de descarga actualizados de la EPA. ^[29]

El carbón es una roca sedimentaria formada principalmente a partir de materia vegetal acumulada, e incluye muchos minerales y elementos inorgánicos que se depositaron junto con material orgánico durante su formación. Como el resto de la corteza terrestre , el carbón también contiene niveles bajos de uranio , torio y otros isótopos radiactivos naturales cuya liberación al medio ambiente conduce a contaminación radiactiva . Si bien estas sustancias están presentes como impurezas traza muy pequeñas, se quema suficiente carbón como para que se liberen cantidades significativas de estas sustancias. Una planta de energía de 1000 MW que queme carbón podría tener una liberación incontrolada de hasta 5,2 toneladas métricas por año de uranio (que contiene 74 libras (34 kg) de uranio-235 ) y 12,8 toneladas métricas por año de torio. ^[30] En comparación, una planta nuclear de 1000 MW generará alrededor de 30 toneladas métricas de desechos sólidos empaquetados de alto nivel radiactivo por año. ^[31] Se estima que durante 1982, la quema de carbón en los Estados Unidos liberó 155 veces más radiactividad incontrolada a la atmósfera que el incidente de Three Mile Island . ^[32] Se estima que la radiactividad colectiva resultante de toda la quema de carbón en todo el mundo entre 1937 y 2040 es de 2.700.000 curies o 0,101 EBq. ^[30] Durante el funcionamiento normal, la dosis equivalente efectiva de las plantas de carbón es 100 veces mayor que la de las plantas nucleares. ^[30] Sin embargo, el funcionamiento normal es una línea de base engañosa para la comparación: solo el desastre nuclear de Chernóbil liberó, solo en yodo-131, un estimado de 1,76 EBq. ^[33] de radiactividad, un valor un orden de magnitud por encima de este valor para las emisiones totales de todo el carbón quemado en un siglo, mientras que el yodo-131, la principal sustancia radiactiva que sale en situaciones de accidente, tiene una vida media de solo 8 días.

Un estudio publicado en agosto de 2010 que examinó los datos de contaminación estatal en los Estados Unidos por las organizaciones Environmental Integrity Project , Sierra Club y Earthjustice encontró que las cenizas de carbón producidas por las centrales eléctricas de carbón vertidas en sitios en 21 estados de EE. UU. han contaminado el agua subterránea con elementos tóxicos. Los contaminantes incluyen los venenos arsénico y plomo . El estudio concluyó que el problema de la contaminación del agua causada por las cenizas de carbón es incluso más extenso en los Estados Unidos de lo que se había estimado. El estudio elevó a 137 el número de sitios de agua subterránea en los Estados Unidos que están contaminados por cenizas de carbón producidas por plantas de energía. ^[34]

Se ha demostrado que el arsénico causa cáncer de piel , cáncer de vejiga y cáncer de pulmón , y el plomo daña el sistema nervioso . ^[35] Los contaminantes de las cenizas de carbón también están relacionados con enfermedades respiratorias y otros problemas de salud y desarrollo, y han alterado la vida acuática local. ^[34] Las cenizas de carbón también liberan una variedad de contaminantes tóxicos en el aire cercano, lo que representa una amenaza para la salud de quienes respiran polvo de carbón fugitivo. ^[35]

Los científicos del gobierno de Estados Unidos analizaron peces de 291 arroyos de todo el país para detectar la contaminación por mercurio . Según el estudio del Departamento del Interior de Estados Unidos , encontraron mercurio en todos los peces analizados, incluso en peces de vías fluviales rurales aisladas. El veinticinco por ciento de los peces analizados tenían niveles de mercurio superiores a los niveles de seguridad determinados por la Agencia de Protección Ambiental de Estados Unidos (EPA) para las personas que comen pescado regularmente. La mayor fuente de contaminación por mercurio en Estados Unidos son las emisiones de las centrales eléctricas alimentadas con carbón. ^[36]

Existen varios métodos para reducir la contaminación y reducir o eliminar las emisiones de carbono de las plantas de energía de combustibles fósiles. Un método utilizado con frecuencia y rentable es convertir una planta para que funcione con un combustible diferente. Esto incluye conversiones de plantas de energía de carbón a cultivos energéticos / biomasa o desechos ^{[37] [38] [39]} y conversiones de plantas de energía de gas natural a biogás o hidrógeno. ^[40] Las conversiones de plantas de energía alimentadas con carbón a plantas de energía que queman residuos tienen un beneficio adicional en el sentido de que pueden reducir los vertederos . Además, las plantas de energía que queman residuos pueden estar equipadas con recuperación de materiales, lo que también es beneficioso para el medio ambiente. En algunos casos, la torrefacción de biomasa puede beneficiar a la planta de energía si los cultivos energéticos / biomasa son el material que utilizará la planta de energía de combustibles fósiles convertida. ^[41] Además, cuando se utilizan cultivos energéticos como combustible, y si se implementa la producción de biocarbón , la planta de energía térmica puede incluso volverse carbono negativa en lugar de solo carbono neutral. Mejorar la eficiencia energética de una planta de energía a carbón también puede reducir las emisiones.

Además de simplemente convertirlas para que funcionen con un combustible diferente, algunas empresas también ofrecen la posibilidad de convertir las centrales eléctricas de combustibles fósiles existentes en sistemas de almacenamiento de energía de red que utilizan almacenamiento de energía térmica eléctrica (ETES) ^[42].

La mitigación de la contaminación por carbón es un proceso mediante el cual el carbón se lava químicamente de minerales e impurezas, a veces se gasifica , se quema y los gases de combustión resultantes se tratan con vapor, con el fin de eliminar el dióxido de azufre, y se vuelve a quemar para hacer que el dióxido de carbono en el gas de combustión sea económicamente ^{[ cita requerida ]} recuperable y almacenable bajo tierra (lo último de lo cual se llama "captura y almacenamiento de carbono"). La industria del carbón utiliza el término "carbón limpio" para describir las tecnologías diseñadas para mejorar tanto la eficiencia como la aceptabilidad ambiental de la extracción, preparación y uso del carbón, ^[43] pero no ha proporcionado límites cuantitativos específicos para las emisiones, particularmente el dióxido de carbono. Mientras que los contaminantes como el azufre o el mercurio se pueden eliminar del carbón, el carbono no se puede eliminar de manera efectiva dejando un combustible utilizable, y las plantas de carbón limpio sin secuestro y almacenamiento de carbono no reducen significativamente las emisiones de dióxido de carbono. James Hansen en una carta abierta al entonces presidente de los EE. UU. Barack Obama abogó por una "moratoria y eliminación gradual de las plantas de carbón que no capturan y almacenan CO ₂ ". De manera similar, en su libro Storms of My Grandchildren , Hansen analiza su Declaración de Administración , cuyo primer principio exige "una moratoria para las centrales eléctricas de carbón que no capturen ni secuestren dióxido de carbono". ^[44]

Las plantas de energía a gas también pueden modificarse para funcionar con hidrógeno . ^[45] El hidrógeno puede crearse en primer lugar a partir de gas natural mediante reformado con vapor , como un paso hacia una economía del hidrógeno , reduciendo así eventualmente las emisiones de carbono. ^{[46] [47]}

Desde 2013, el proceso de conversión ha sido mejorado por científicos del Laboratorio de metales líquidos de Karlsruhe (KALLA), utilizando un proceso llamado pirólisis de metano . ^[48] Lograron permitir que el hollín se elimine fácilmente (el hollín es un subproducto del proceso y dañó las partes funcionales en el pasado -más notablemente el catalizador de níquel-hierro-cobalto-). ^{[49] [50]} El hollín (que contiene el carbono) puede luego almacenarse bajo tierra y no se libera a la atmósfera.

A partir de 2019, ^[actualizar]todavía existe la posibilidad de mantener el calentamiento global por debajo de 1,5 °C si no se construyen más plantas de energía de combustibles fósiles y algunas de las plantas de energía de combustibles fósiles existentes se cierran antes de lo previsto, junto con otras medidas como la reforestación . ^[5] Las alternativas a las plantas de energía de combustibles fósiles incluyen la energía nuclear , la energía solar , la energía geotérmica , la energía eólica , la energía hidroeléctrica , las plantas de energía de biomasa y otras energías renovables (véase economía sin carbono ). La mayoría de estas son tecnologías probadas a escala industrial, pero otras aún están en forma de prototipo.

Algunos países sólo incluyen el costo de producir energía eléctrica y no tienen en cuenta el costo social del carbono ni los costos indirectos asociados a los numerosos contaminantes creados por la quema de carbón (por ejemplo, el aumento de las admisiones hospitalarias debido a enfermedades respiratorias causadas por partículas finas de humo). ^[51]

Al comparar los costos de las centrales eléctricas, es habitual ^{[ aclaración necesaria ]} comenzar calculando el costo de la energía en las terminales del generador considerando varios factores principales. Los costos externos, como los costos de conexión y el efecto de cada planta en la red de distribución, se consideran por separado como un costo adicional al costo de energía calculado en las terminales.

Los factores iniciales considerados son:

• Costos de capital, incluidos los costos de eliminación de residuos y desmantelamiento de la energía nuclear.
• Costos de operación y mantenimiento.
• Costos de combustible para fuentes de combustibles fósiles y biomasa, que pueden ser negativos para los desechos.
• Probable número de horas anuales de funcionamiento o factor de carga, que puede ser tan bajo como 30% para la energía eólica o tan alto como 90% para la energía nuclear.
• Ventas compensadas de calor, por ejemplo en sistemas de calefacción urbana con cogeneración (CHP/DH).

Estos costos se producen a lo largo de los 30 a 50 años de vida útil ^{[ aclaración necesaria ]} de las plantas de energía de combustibles fósiles, utilizando flujos de efectivo descontados .

• Vapor: su generación y uso (2005). 41.ª edición, Babcock & Wilcox Company, ISBN 0-9634570-0-4 
• Operación de una planta de vapor (2011). Novena edición, Everett B. Woodruff, Herbert B. Lammers, Thomas F. Lammers (coautores), McGraw-Hill Professional, ISBN 978-0-07-166796-8 
• Manual de generación de energía: Fundamentos de la operación de plantas de energía de alta eficiencia y bajas emisiones (2012). Segunda edición. Philip Kiameh, McGraw-Hill Professional, ISBN 978-0-07-177227-3 
• Manual estándar de ingeniería de plantas de energía (1997). Segunda edición, Thomas C. Elliott, Kao Chen, Robert Swanekamp (coautores), McGraw-Hill Professional, ISBN 0-07-019435-1 

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• Central eléctrica convencional de carbón
• Grandes torres de refrigeración industriales
• La energía del carbón es más mortal que la nuclear
• "Must We Suffer Smoke" (¿Debemos soportar el humo?), artículo de Popular Science de mayo de 1949 sobre los primeros métodos de depuración de emisiones de las centrales eléctricas de carbón
• Noticias sobre plantas de energía a gas de la revista Power Engineering Archivado el 10 de julio de 2015 en Wayback Machine