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INFORME FINAL
ESTUDIO DE ANTECEDENTES TE CNICOS, ECONO MICOS, NORMATIVOS Y AMBIENTALES DE TECNOLGI AS DE CENTRALES TERMOELE CTRICAS Y SUS SISTEMAS DE REFRIGERACIO N
REPORTE PREPARADO PARA:
15 de Diciembre, 2014
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INFORME FINAL
ESTUDIO DE ANTECEDENTES TE CNICOS, ECONO MICOS, NORMATIVOS Y AMBIENTALES DE TECNOLGI AS DE CENTRALES TERMOELE CTRICAS Y SUS SISTEMAS DE REFRIGERACIO N
Contribuidores:
Jefe de Proyecto: Vicente Iraguen
Equipo Consultor:
Carlos Barría Carl Bozzuto Donny Holaschutz Pablo Mackenney | Asesorías Costasur Héctor Moreno Jorge Moreno
REPORTE PREPARADO PARA:
15 de Diciembre, 2014
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Resumen Ejecutivo
La disponibilidad y utilización de agua para sistemas de generación termoeléctrica está determinando
qué proyectos se desarrollan en distintas regiones del país. El enfriamiento es el principal factor que
explica el uso de agua en centrales termoeléctricas. La cantidad de agua requerida para enfriamiento
depende del tamaño de la central, su eficiencia, y el tipo de sistema de enfriamiento — independiente
del tipo de combustible utilizado. El desafío asociado al nexo entre energía y agua depende del contexto
regional.
Respecto a la utilización de agua en centrales termoeléctricas, es importante distinguir entre retiro, uso,
y consumo de agua. El retiro tiene relación con la cantidad de agua que se extrae del cuerpo de agua en
un determinado periodo de tiempo. El uso de agua corresponde a la cantidad de agua que la planta
necesita para su operación durante un determinado periodo de tiempo. El consumo de agua se define
como la cantidad de agua que no retorna al cuerpo de agua producto de evaporación.
La función primaria del sistema de enfriamiento es mantener la presión a la salida de la turbina en
niveles cercanos a la presión de diseño, y minimizar los incrementos de presión de salida ante
condiciones ambientales adversas (alta temperatura y humedad). Por lo tanto, el sistema de
enfriamiento debe ser diseñado y operado consistentemente con las necesidades de la turbina de vapor
de la central.
La función del sistema de captación de agua es extraer agua y entregarla a él o los usuarios de esta,
quien en el contexto de este estudio corresponde a una planta termoeléctrica. El sistema de toma de
agua debiera ser diseñado para asegurar un abastecimiento constante de agua a baja temperatura, con
limitadas fluctuaciones temporales. El agua de enfriamiento debe estar libre de desechos, sedimento,
algas, y organismos acuáticos que pueden afectar el correcto funcionamiento del sistema de
enfriamiento.
La función del sistema de protección del sistema de enfriamiento de una planta termoeléctrica no sólo
es reducir la probabilidad de obstrucción de tubos del condensador al impedir el paso de objetos y
organismos presentes en el agua, sino también, proteger a la biomasa y los organismos presentes en el
medio acuático de los efectos que puede causar su atrapamiento en rejillas o su arrastre hacia el interior
de sistema de enfriamiento de la central.
La Figura 1, sintetiza el nexo que existe entre el uso de agua y la operación de centrales termoeléctricas
en Chile. Es posible verificar que el mayor retiro de agua se realiza desde el Océano Pacífico, mediante la
utilización de sistemas de captación tipo sifón. Del total del agua retirada, en promedio, un 95% se
utiliza para enfriamiento. El 97% del agua retirada es descargada a la fuente de agua original (retorno),
el 3% restante se consume (evapora).
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Figura 1: Relación agua y centrales termoeléctricas.
Existen diversas tecnologías que utilizadas de manera aislada o combinada contribuyen a balancear el
cumplimiento objetivos de mayor eficiencia en el uso de recursos, eficiencia en costo de desarrollo y
operación, y un desarrollo armónico con la capacidad de asimilación ambiental de los emplazamientos,
protegiendo el medio ambiente y evitando, en la medida que sea posible, causar impactos irreversibles.
La efectividad biológica y la factibilidad de aplicación práctica, desde el punto de vista ingenieril, es
altamente dependiente de las condiciones particulares del emplazamiento y del tipo de organismos
presentes.
La Tabla 1 sintetiza las distintas alternativas identificadas que contribuyen a reducir la tensión entre la
presión por producir energía eléctrica mediante plantas termoeléctricas y la presión por realizar un uso
más responsable del agua y reducir los impactos de éste uso en el medio ambiente. El cuadrado de color
rojo indica si la categoría tiene relación con el objetivo de interés, indicado en la primera columna. El
desarrollo de las alternativas presentadas se expone en detalle en las siguientes secciones de este
reporte.
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Tabla 1: Mecanismos para reducir la tensión entre el uso de agua y la producción de energía en plantas termoeléctricas
Es importante destacar que las exigencias y soluciones son altamente dependientes del contexto de
emplazamiento de cada proyecto, lo que dificulta el planteamiento de soluciones estandarizadas.
Cabe destacar que un menor uso de agua no implica, necesariamente, menor impacto ambiental.
Impactos directos e indirectos en la eficiencia y emisiones atmosféricas de la central deben ser
contabilizados.
Producto de una revisión de normativa y de desarrollo tecnológico a nivel internacional, se puede
indicar que para el contexto chileno, donde las centrales se ubican en regiones costeras, el principal
desafío debiera orientarse a dar una mayor certidumbre al uso de agua de mar en sistemas de
refrigeración abiertos, utilizando sistemas de protección y descarga diseñados, operados y mantenidos
adecuadamente. Con ello, se permitiría aprovechar un medio de refrigeración abundante y eficiente
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para el uso del recurso energético, tanto desde la perspectiva ambiental como económica. Sin embargo,
es posible definir casos particulares de centrales termoeléctricas localizadas en regiones costeras en que
el uso de torres de enfriamiento podría ser más eficiente, particularmente cuando el emplazamiento de
la central se encuentra a una elevación equivalente a unas decenas de metros por sobre el
emplazamiento del punto de retiro de agua.
Lo indicado anteriormente está alineado no sólo con los objetivos de desarrollo sustentable de
proyectos de generación termoeléctricos que provean energía segura y económica al país, sino también
con objetivos de eficiencia energética como política de Estado, ambos definidos por el Ministerio de
Energía en la Agenda de Energía.
En este contexto, es importante destacar también que el marco regulatorio vigente en la comunidad
europea establece una visión integral a los sistemas de enfriamiento en procesos industriales,
considerando las implicancias directas e indirectas en el uso de la energía de centrales termoeléctricas.
En particular, el contexto regulatorio europeo indica que los sistemas de refrigeración abiertos
corresponden a la mejor tecnología disponible, sobre todo en procesos que requieren refrigeración
importante (mayor a 10 MWth).
Tras la revisión de la normativa en Chile, Estados Unidos y Europa, es posible concluir que el enfoque de
la política de aguas vigente en Chile difiere a la normativa desarrollada recientemente en Estados
Unidos y la Comunidad Europea. A modo de referencia, en Europa se define el estado de calidad de los
cuerpos de agua para planificar como mejorarlo o mantenerlo. En Estados Unidos se regula las
descargas de fuentes emisoras puntuales para diferentes categorías industriales.
Este reporte concluye con un conjunto de medidas que sería conveniente estudiar y desarrollar como
trabajo futuro.
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Introducción
Objetivos del Estudio:
El objetivo de este estudio es el generar antecedentes técnicos, económicos, normativos, y ambientales
de tecnologías de centrales termoeléctricas y sus sistemas de refrigeración.
De acuerdo a las bases, los objetivos específicos son:
Identificar y describir tecnologías, costos e impactos de centrales termoeléctricas y sistemas de
refrigeración usados actualmente en Chile (con combustibles sólidos, líquidos y gaseosos) y las
mejores tecnologías disponibles a nivel nacional e internacional.
Establecer un análisis normativo comparado entre normativa chilena e internacional respecto a
la succión y descarga de aguas para enfriamiento.
Contenido del Informe:
El informe tiene la siguiente estructura: el Capítulo 1 presenta una descripción general del concepto de
generación termoeléctrica. En el Capítulo 2 se describen específicamente las tecnologías de generación
termoeléctrica basadas en vapor. Posteriormente, en el Capítulo 3 se desarrollan los impactos producto
del retiro de agua de centrales termoeléctricas.
El Capítulo 4 presenta la fricción que existe entre el uso de agua y la generación termoeléctrica en Chile.
Posteriormente, en el Capítulo 5 se presentan las alternativas para reducir los impactos producto del
uso de agua en la termoelectricidad.
En el Capítulo 6 se presentan mecanismos de reducción de retiro de agua en centrales termoeléctricas
mediante la selección de sistemas de enfriamiento. Posteriormente, en el Capítulo 7 se presenta un
resumen del análisis de mecanismos de reducción de atrapamiento y arrastre de organismos mediante
la protección del sistema de enfriamiento. Luego, el Capítulo 8 presenta aquellas oportunidades de
mitigación de impacto en organismos mediante el control del uso de químicos. El Capítulo 9 describe
mecanismos de mitigación de impacto en organismos mediante el uso de sistemas de descarga al mar.
En el Capítulo 10 contiene una breve descripción de los sistemas de mitigación de emisiones a la
atmósfera, principalmente desde la perspectiva de uso de agua. El Capítulo 11 presenta una revisión de
la normativa referente a captación de agua y descargas líquidas de centrales termoeléctricas, enfocado
en Europa, Estados Unidos, y Chile. Finalmente, en el Capítulo 12 se presentan las conclusiones y
aspectos sugeridos como trabajo a desarrollar en el futuro.
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Índice del Reporte
1 Generación Termoeléctrica................................................................................................................... 1
2 Generación Termoeléctrica Basada en Vapor ...................................................................................... 2
2.1 Tecnologías de generación que utilizan el ciclo de vapor Rankine ............................................... 2
2.2 El Nexo entre el Agua y la Generación Termoeléctrica ................................................................ 6
3 Impactos del Retiro de Agua en Centrales Termoeléctricas ................................................................. 8
3.1 Conflictos por Retiro de Agua ....................................................................................................... 9
3.2 Arrastre y Atrapamiento de Organismos acuáticos ...................................................................... 9
3.3 Aumento de Temperatura del Agua de Enfriamiento ................................................................ 11
3.4 Descarga de Químicos ................................................................................................................. 12
4 El Nexo entre el Agua y la Generación Termoeléctrica en Chile ......................................................... 14
5 Mecanismos para Reducir Impactos del Uso de Agua en Termoelectricidad .................................... 20
6 Mecanismos de Reducción del Retiro de Agua Utilizada Mediante la Selección de Sistemas de
Enfriamiento ............................................................................................................................................... 21
6.1 Descripción de los Sistemas de Enfriamiento ............................................................................. 21
6.2 Componentes de los Sistemas de Enfriamiento ......................................................................... 24
6.2.1 Sistema de Captación de Agua ............................................................................................ 24
6.2.2 El Condensador — y su Relación con la Turbina ................................................................. 29
6.2.3 Componentes para Enfriamiento del Medio Refrigerante ................................................. 31
6.3 Utilización de Sistemas de Enfriamiento en Estados Unidos y Chile .......................................... 33
6.4 Ventajas y Desventajas de los Sistemas de Reducción de Retiro de Agua (Sistemas de
Enfriamiento) en Centrales Termoeléctricas .......................................................................................... 35
6.4.1 Balance por Efectos del Uso de Sistemas de Enfriamiento en la Eficiencia de la Central .. 37
6.4.2 Balance por Impacto Ambiental Asociado al Uso de Agua de Sistemas de Enfriamiento .. 38
6.5 Balance por Costos de los Distintos Sistemas de Enfriamiento .................................................. 41
6.5.1 Análisis referencial de sistemas de enfriamiento aplicado al contexto chileno ................. 44
6.5.2 Indicación de casos internacionales.................................................................................... 51
7 Mecanismos Reducción de Atrapamiento y Arrastre de Organismos Mediante Protección del
Sistema de Enfriamiento ............................................................................................................................. 52
8 Mecanismos Mitigación de Impacto en Organismos Mediante Control del Uso de Químicos .......... 63
9 Mecanismos Mitigación de Impacto en Organismos Mediante Sistema de Descarga al Mar ........... 64
9.1 Mitigación de los efectos de los excesos térmicos en el agua descargada ................................ 64
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10 Tecnologías de mitigación de emisiones a la atmosfera ................................................................ 65
10.1 Abatimiento de Dióxido de Azufre .............................................................................................. 66
10.2 Abatimiento de NOx ................................................................................................................... 68
10.3 Abatimiento de Material Particulado ......................................................................................... 70
11 Revisión de Aspectos Normativos ................................................................................................... 71
11.1 Normativa europea ..................................................................................................................... 73
11.1.1 Directiva 2010/75/UE sobre las emisiones industriales (IED) ............................................. 75
11.1.2 Directiva marco para el agua (WFD): Directiva 2000/60/CE del parlamento Europeo y del
Consejo de 23 de octubre de 2000 por la que se establece un marco comunitario de actuación en el
ámbito de la política de aguas ............................................................................................................ 78
11.1.3 Directiva 2014/52/UE por la que se modifica la Directiva 2011/92/UE, relativa a la
evaluación de las repercusiones de determinados proyectos públicos y privados sobre el medio
ambiente 85
11.1.4 Directiva marco 2008/56/CE sobre la estrategia marina (MSFD) ....................................... 86
11.1.5 Otras directivas, reglamentos y convenios ......................................................................... 86
11.2 Normativa Estados Unidos .......................................................................................................... 88
11.3 Normativa Chilena ...................................................................................................................... 95
12 Conclusiones ................................................................................................................................... 99
12.1 Necesidades de Trabajo Futuro Identificadas........................................................................... 101
13 Bibliografía: ................................................................................................................................... 104
14 Anexo: Listado de centrales termoeléctricas incluidas en el catastro .......................................... 112
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Índice de Figuras
Figura 1: Relación agua y centrales termoeléctricas. ................................................................................... ii
Figura 2: Esquema simplificado de ciclo Rankine con sus principales componentes. .................................. 1
Figura 3: Esquema representativo de una Central de Ciclo Combinado ...................................................... 3
Figura 4: Factores que han influencia el aumento de eficiencia de centrales termoeléctricas a carbón. ... 4
Figura 5: Balance de energía en una planta termoeléctrica (carbón, figura superior, y gas figura inferior).
Adaptado de Delgado, 2012. ........................................................................................................................ 7
Figura 6: Uso de agua en una central termoeléctrica ................................................................................... 7
Figura 7: Uso de agua de las diferentes tecnologías de generación termoeléctrica basadas en vapor.
(Adaptado de EPRI, 2008) ............................................................................................................................. 8
Figura 8: Síntesis ilustrativa de los impactos por uso de agua en centrales termoeléctricas (Adaptada de
UNESCO 1979) ............................................................................................................................................... 9
Figura 9: Agua potencial retirada por región y según tipo de sistema de enfriamiento (basado en flujo
promedio anual).......................................................................................................................................... 15
Figura 10: Relación del agua con las centrales termoeléctricas Chilenas. .................................................. 16
Figura 11: Regulación asociada a la termoelectricidad en Chile ................................................................. 19
Figura 12: Esquema del ciclo Rankine y sistema de enfriamiento del condensador. ................................. 21
Figura 13: Representación esquemática de diferentes sistemas de refrigeración. .................................... 22
Figura 14: Diagrama estructural de un sistema de captación. Vista superior (Kit Y. Ng 2005) .................. 26
Figura 15: Diagrama funcional de sistema de bombeo (derecha). Relación entre la potencia del conjunto
de bombas, elevación y caudal (izquierda) ................................................................................................. 29
Figura 16: Curva de saturación del vapor. .................................................................................................. 30
Figura 17: Producción de la turbina de vapor vs Presión de salida para distintos tamaños de aspas (línea
roja y azul) en la última etapa de la turbina (Adaptado de GE, 1996). ....................................................... 30
Figura 18: Condensador para Sistemas Húmedos (izquierda) y Aerocondensador para un Sistema Seco
Directo (derecha). ....................................................................................................................................... 31
Figura 19: Diferentes configuraciones de torres de enfriamiento. ............................................................ 32
Figura 20: Sistema de enfriamiento con Estanque de enfriamiento .......................................................... 33
Figura 21: Ubicación de sistemas de enfriamiento en Estados Unidos y cuerpos de agua utilizados.
Fuente (US EPA, 2014) ................................................................................................................................ 34
Figura 22: Evolución de la instalación de sistemas de enfriamiento en los Estados Unidos. (ASME, 2014)
.................................................................................................................................................................... 34
Figura 23: Balance relacionado entre eficiencia de la central, impacto ambiental, y costo. ..................... 37
Figura 24: Ilustración de costos directos asociados a sistemas de enfriamiento que utilizan agua .......... 43
Figura 25: Ilustración de costos referenciales asociados a sistemas de captación de agua ....................... 47
Figura 26: Disposición de la instalación de Cylindrical Wedge Wire Screens para un sistema de captación
de agua en una central de 750 MW (Ng, Zheng, & Taylor, 2005) ............................................................... 60
Figura 27: Imagen de velocity caps previo a instalación (izquierda), diagrama de un velocity cap instalado
(derecha). Imagen de Turnpenny et al. 2010.............................................................................................. 61
Figura 28: Catastro de tecnologías de protección instaladas en plantas termoeléctricas en Chile. .......... 62
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Figura 29: Estructura de descarga de una salida y con difusor múltiple. ................................................... 64
Figura 30: Evolución de equipos de control de emisiones (Alstom, 2008). ................................................ 66
Figura 31: Esquema de un desulfurizador con agua de mar (Alstom, 2009). ............................................. 68
Figura 32: Frecuencia de utilización de las diferentes tecnologías de mitigación de emisiones en Chile. . 71
Figura 33: Leyes y reglamentos que pueden ser asociados a la descarga y captación de aguas para
enfriamiento en Chile. ................................................................................................................................ 95
Inodú x
Índice de Tablas
Tabla 1: Mecanismos para reducir la tensión entre el uso de agua y la producción de energía en plantas
termoeléctricas ............................................................................................................................................ iii
Tabla 2: Características tecnologías de generación termoeléctrica basada en vapor. ................................. 5
Tabla 3: Capacidad instalada en Chile de termoelectricidad basada en vapor. ........................................... 6
Tabla 4: Componentes químicos asociados a diferentes tipos de sistemas de enfriamiento (IPPC, 2001) 13
Tabla 5: Agua retirada por MWh producido para diferentes tipos de unidades y sistemas de
enfriamiento. .............................................................................................................................................. 15
Tabla 6: Velocidades de captación. ............................................................................................................. 16
Tabla 7: Temperatura de descarga del agua por región. ............................................................................ 17
Tabla 8: Concentraciones de las descargas normadas por el DS90/2000 informadas por el SMA para el
periodo Enero 2013 a Junio 2014 (se han considerado solo los datos de descargas al Océano Pacífico). 18
Tabla 9: Mecanismos para reducir la tensión entre el uso de agua y la producción de energía en plantas
termoeléctricas ........................................................................................................................................... 20
Tabla 10: Parámetros de diseño que afectan la definición de cada una de las familias de solución de
enfriamiento ............................................................................................................................................... 24
Tabla 11: Componentes asociados a los sistemas de enfriamiento. .......................................................... 24
Tabla 12: Frecuencia de utilización de sistemas de enfriamiento en las unidades de generación en Chile.
.................................................................................................................................................................... 35
Tabla 13: Ventajas y desventajas de los sistemas de enfriamiento ............................................................ 36
Tabla 14: Porcentaje promedio de reducción de energía producida por centrales de Estados Unidos,
producto de cambiar de un sistema de enfriamiento a otro (EPA, 2001). ................................................. 37
Tabla 15: Impacto ambiental de los diferentes sistemas de enfriamiento (adaptado de IPPC 2001)........ 38
Tabla 16: Retiros y consumos de agua para los diferentes sistemas de enfriamiento ............................... 40
Tabla 17: Ejemplo de comparación de emisiones de CO2 asociados a diferentes sistemas de enfriamiento
(EPA 2001) ................................................................................................................................................... 40
Tabla 18: Emisiones de ruido asociado a diferentes sistemas de enfriamiento (IPPC 2001). .................... 41
Tabla 19: Definición de condiciones ambientales de los distintos emplazamientos evaluados ................ 44
Tabla 20: Caracterización de la central a evaluar ....................................................................................... 45
Tabla 21: Requerimientos ambientales y de uso de agua para cada emplazamiento ............................... 46
Tabla 22: Costos referenciales asociados a torres de enfriamiento ........................................................... 48
Tabla 23: Costos referenciales asociados de enfriamiento con estanque .................................................. 48
Tabla 24: Costos referenciales asociados a aerocondensador ................................................................... 49
Tabla 25: Definición de alcance de costos presentados para cada componente de enfriamiento ............ 49
Tabla 26: Comparación de costos de inversión totales entre los distintos sistemas de enfriamiento ...... 50
Tabla 27: Comparación de aspectos operacionales que afectan el costo de los distintos sistemas de
enfriamiento ............................................................................................................................................... 51
Tabla 28: Alternativas Tecnológicas de Protección del Sistema de Enfriamiento ...................................... 56
Tabla 29: Potencial de Protección de las Familias de Concepto en Función de la Etapa de Vida del
Organismo(EPRI, 2000) ............................................................................................................................... 56
Tabla 30: Evaluación de tecnologías identificadas (Alden, 2003) ............................................................... 58
Inodú xi
Tabla 31: Eficiencia de filtros tipo Cylindrical Wedge Wire Screens instalados en Central Santa María
(adaptado de Hernández E., 2014) ............................................................................................................. 59
Tabla 32: Niveles de emisiones para diferentes tecnologías de generación. ............................................. 65
Tabla 33: Eficiencia de abatimiento de diferentes tipos de desulfurizadores (WB, 1997). ........................ 67
Tabla 34: Aspectos de diseño de sistemas de enfriamiento para plantas termoeléctricas que son
impactados por las normativas y los procesos para obtención de permisos. ............................................ 72
Tabla 35: Directivas y reglamentos que pueden influir en la selección y operación de sistemas de
enfriamiento ............................................................................................................................................... 74
Tabla 36: Discusión de medidas BAT abordadas en documento BREF de sistemas de enfriamiento
(adaptada de Rajagopal, 2012 y de IPPC, 2001) ......................................................................................... 77
Tabla 37: Definición general de estado ecológico de las aguas (CE, 2000) ................................................ 79
Tabla 38: Indicadores de calidad para definir el estado ecológicos de aguas costeras (CE, 2000) ............ 79
Tabla 39: Utilización, por parte del Reino Unido, de la directiva para peces de agua dulce en la definición
de estados ecológicos establecidos por la WFD (adaptada de UKTAG, 2010). .......................................... 83
Tabla 40: Utilización, por parte del Reino Unido, de la directiva para moluscos en la definición de estados
ecológicos establecidos por la WFD (adaptada de UKTAG, 2010). ............................................................. 84
Tabla 41: Línea de tiempo de la regulación del agua en los Estados Unidos (adaptado de ASME, 2014) . 88
Tabla 42: Secciones de la Clean Water Act que regulan aspectos relevantes para centrales
termoeléctricas basadas en vapor (adaptado de ASME, 2014 y Poe, 1995). ............................................. 90
Tabla 43: Estándares y directrices actuales para efluentes de Centrales de generación basadas en vapor
(adaptado de EPA, 2013). ........................................................................................................................... 91
Tabla 44: Información requerida por la EIA sobre sistemas de enfriamiento (adaptada de ASME, 2014).95
Tabla 45: Contaminantes regulados en Chile para descargas a aguas marinas dentro de la zona de
protección litoral y las emisiones promedio de las centrales termoeléctricas chilenas incluidas en este
estudio (informadas por el SMA para el periodo Enero 2013 a Junio 2014. .............................................. 97
Tabla 46: Permisos que pueden influir en el tipo de sistema de enfriamiento y sus parámetros de
operación. ................................................................................................................................................... 98
Inodú 1
1 Generación Termoeléctrica
La generación termoeléctrica es el proceso de generar electricidad por medio de energía térmica,
obtenida ya sea mediante la combustión carbón, petróleo, gas o biomasa, o producto de la utilización de
energía térmica de fuentes renovables (geotermia o solar). El contexto del alcance definido para este
estudio se centra en sistemas de generación termoeléctricos a carbón y gas natural que utilizan vapor.
Las centrales termoeléctricas que utilizan vapor basan su funcionamiento en el ciclo termodinámico
Rankine (ciclo de vapor), el cual aprovecha la características del vapor de agua (u otro fluido) para
generar electricidad. Este ciclo termodinámico es utilizado por centrales a carbón, ciclo combinados,
centrales de co-generación (que generan energía térmica y eléctrica para abastecer a un mismo centro
de consumo), centrales termo-solares y geotérmicas.
La Figura 2 ilustra el principio de funcionamiento del ciclo termodinámico de Rankine, en el cual un
fluido (generalmente agua) es utilizado para generar vapor en una caldera a una presión y temperatura
determinada (paso 2-3 en Figura 2). Luego el vapor se expande en una turbina a vapor donde se genera
trabajo (paso 3-4); este trabajo se transmite a un eje en forma de energía mecánica, que luego es
transformada en energía eléctrica por un generador. El vapor, que sale de la turbina a vapor a una baja
presión, es condensado en un condensador (paso 4-1) para luego ser enviado en forma de agua
nuevamente a la caldera.
Figura 2: Esquema simplificado de ciclo Rankine con sus principales componentes.
Las tecnologías de generación termoeléctricas basadas en vapor comúnmente involucran la utilización
de un volumen importante de agua para la condensación del vapor. La condensación de vapor es la
función primaria del sistema de enfriamiento que forma parte de una central termoeléctrica basada en
vapor. Otras tecnologías termoeléctricas – que no utilizan vapor - no tienen asociados sistemas de
enfriamiento para condensación.
El estudio está enfocado en el análisis de los sistemas de enfriamiento de centrales termoeléctricas
basada en vapor; particularmente en aquellas cuya función primaria es la generación de electricidad
mediante el uso de combustibles fósiles.
Entropía (S)
Trabajo
Calor
Tem
per
atu
ra (
T)
Trabajo 2
3
4
1
Inodú 2
2 Generación Termoeléctrica Basada en Vapor
El desarrollo sustentable de un parque de generación termoeléctrico implica un balance entre la
utilización de plantas de generación de mayor eficiencia en el uso de recursos, la eficiencia en costo de
desarrollo y operación, y un desarrollo armónico con la capacidad de asimilación ambiental de los
emplazamientos, protegiendo el medio ambiente y evitando, en la medida que sea posible, causar
impactos irreversibles sobre las comunidades y los recursos naturales renovables. La búsqueda de
plantas de generación más eficientes permite la reducción del consumo de combustibles fósiles, y,
consecuentemente, la reducción de emisiones, desechos, y uso de agua por cada MWhe producido (WB,
1997).
Los factores que definen el desarrollo de nuevos proyectos generalmente están asociados a la demanda
de electricidad, la disponibilidad de terreno, la cercanía y robustez del sistema de transmisión, las
fuentes de combustible (acceso y costo), la disponibilidad de agua para enfriamiento, consideraciones
ambientales, la opinión y percepción pública, la regulación territorial, y otros factores como el clima,
riesgo de inundaciones, etc.
La siguiente sección se enfoca en identificar las tecnologías disponibles de generación termoeléctricas
basadas en vapor, con enfoque en la eficiencia lograda por cada una de ellas.
2.1 Tecnologías de generación que utilizan el ciclo de vapor Rankine
El ciclo de vapor Rankine es utilizado por centrales termoeléctricas de ciclo de vapor simple y centrales
de ciclo combinado. En las primeras se genera vapor quemando un combustible en una caldera, y en las
segundas se genera vapor a partir de la recuperación del calor de los gases de la combustión de una
turbina a gas.
Los sistemas de generación termoeléctrica de ciclo de vapor simple (Figura 2) pueden ser clasificados
según el tipo de combustión, y los parámetros de presión y temperatura del vapor. De esta forma, es
posible clasificarlos en las siguientes categorías (MIT, 2007):
1. Combustión de Carbón Pulverizado, con ciclo de vapor Subcrítico
2. Combustión de Carbón Pulverizado, con ciclo de vapor Supercrítico
3. Combustión de Carbón Pulverizado, con ciclo de vapor Ultra-Supercrítico
4. Combustión de Lecho Fluidizado (burbujeante y circulante)
Los ciclos de vapor Subcrítico, Supercrítico, y Ultra-supercrítico se diferencian tecnológicamente en los
parámetros de diseño y operación asociados a la presión y temperatura del vapor (Tabla 2); lo que en
definitiva afecta la eficiencia de conversión de la energía lograda por cada alternativa.
Inodú 3
Las tecnologías termoeléctricas de ciclo combinado (CCGT1) utilizan dos ciclos termodinámicos, el ciclo
Brayton con el ciclo Rankine. El ciclo Brayton se desarrolla en una turbina a gas; la cual produce trabajo
que es transmitido como energía mecánica a un eje conectado a un generador eléctrico. Los gases de
combustión a una alta temperatura que salen de la turbina a gas se utilizan para desarrollar el ciclo
Rankine por medio de la generación de vapor en una caldera recuperadora de calor (HRSG2). El vapor
producido se expande en una turbina a vapor y luego es recirculado en el proceso. La Figura 3 muestra
un esquema simplificado de este sistema.
Figura 3: Esquema representativo de una Central de Ciclo Combinado
La Tabla 2 muestra las principales características de las tecnologías descritas anteriormente. Se observa
una diferencia importante en la eficiencia en transformación de energía. En el caso de las tecnologías
para ciclos de vapor simples es posible obtener eficiencias entre 44-46% HHV3 con ciclos de vapor Ultra-
Supercríticos.
La tecnología de carbón pulverizado subcrítico es ampliamente utilizada y considerada madura en
términos técnicos y económicos. Con respecto a la tecnología supercrítica, la primera planta se
construyó a principios de los años 60. Las primeras plantas supercríticas presentaron fallas de
materiales, lo que junto a bajos precios del carbón, redujo su tasa de construcción por algunos años
(IEA, 2011). Avances en el desarrollo de materiales en las últimas décadas ha provocado un aumento de
la utilización de plantas supercríticas, especialmente en Europa y Japón, y recientemente en Canadá,
China, India, Rusia y los Estados Unidos (Nalbandian, 2009).
Al año 2009, un 25% (~265 GW4) del parque de generación a carbón mundial estaba basado en
tecnología de carbón pulverizado supercrítico (IEA, 2011).
Las primeras plantas ultra-supercríticas fueron construidas en los años 90 (Nalbandian, 2009).
Actualmente representan menos del 1% del parque de generación mundial a carbón.
1 Siglas en inglés para Combined Cycle Gas Turbine.
2 Sigla en inglés para Heat Recovery Steam Generator.
3 Siglas en inglés para High Heating Value. En español Poder Calorífico Superior.
4 Capacidad carbón pulverizado supercritico instalado en 2007.
Inodú 4
Las plantas súper y ultra-supercríticas están disponibles comercialmente para carbón con un contenido
de cenizas bajo o moderado. Para carbón con alto contenido de cenizas se están comenzando a
desarrollar plantas supercríticas en India, lo que podría habilitar el aumento en la construcción de este
tipo de plantas en países que dependen de carbón con alto contenido de cenizas (IEA, 2011). Las plantas
supercríticas generalmente son construidas para capacidades desde los 400 MWe hasta los 1100 MWe.
Plantas de carbón pulverizado supercrítico menores a 400 MWe no son comúnmente construidas debido
a que dejan de ser económicamente convenientes.
Los sistemas de lecho fluidizado circulante logran eficiencias similares al ciclo de vapor Subcrítico, como
se señala en la Tabla 2, pero permiten una mayor flexibilidad en el uso de combustible. Los sistemas de
lecho fluidizado capturan parte del azufre presente en el combustible reduciendo emisiones de SO2 (MIT
2007). Al año 2009, existía en el mundo una capacidad instalada de 22 GW. La planta de lecho fluidizado
circulante subcrítica más grande instalada es de 320 MWe. Plantas de mayor capacidad se han instalado
en lecho fluidizado circulante supercrítico, tecnología que ha llegado a una escala económica viable pero
solo existen un par de plantas construidas (IEA, 2011).
La eficiencia de plantas termoeléctricas a carbón en Europa ha aumentado significativamente en los
últimos 50 años. Desde las primeras unidades con un 33% de eficiencia, hoy se está llegando a
eficiencias sobre 43% (RWE - Alstom, 2008). El principal aumento de eficiencia se produjo a mediados de
los años 80 con el desarrollo de las unidades de carbón supercrítico (Alstom 2009). La Figura 4 ilustra
diversos factores que se interrelacionan y han contribuido a un aumento de eficiencia desde 38% a 45%.
Figura 4: Factores que han influencia el aumento de eficiencia de centrales termoeléctricas a carbón.
Por otro lado, el ciclo combinado de turbina a gas puede lograr eficiencias de hasta 58%, comparado con
un 30% obtenido solo con una turbina a gas. En estos sistemas aproximadamente 2/3 de la energía es
generada por la turbina a gas y 1/3 por la turbina a vapor. Las plantas de ciclo combinado se desarrollan
Inodú 5
en configuración 1x1, esto es 1 Turbina a Gas (TG), 1 HRSG, más una Turbina a Vapor (TV), o 2x1 (i.e:
2TG y 2HRSG + 1TV), 3x1, 4x1, etc. (Wartsila 2014; Alstom 2014).
Tabla 2: Características tecnologías de generación termoeléctrica basada en vapor.
Tecnología Combustible Eficiencia Presión Vapor
T° Vapor
Carbón Pulverizado Subcrítico Carbón Bituminoso y Subbituminoso
33% - 37%
(HHV3)
< 220 bar 550°C
Carbón Pulverizado Supercrítico Carbón Bituminoso y Subbituminoso
37% - 40% (HHV)
240 bar 565°C
Carbón Pulverizado Ultra-Supercrítico Carbón Bituminoso y Subbituminoso
44% - 46% (HHV)
320 bar > 565°C
Lecho Fluidizado circulante Subcrítico Carbón, Lignito, Petcoke, otros
33% - 37% (HHV)
< 220 bar 550°C
Ciclo Combinado gas natural Gas Natural, Petroleo Liviano
Hasta 58% (LHV
5)
Ciclo Combinado con gasificación Integrada (IGCC)
Carbón, Petcoke
31% - 38% (HHV)
Fuente de información:
- MIT, 2007. The Future of Coal.
- WB, 1997. A planner's guide for selecting clean-coal technologies for power plants. World Bank Technical paper N° 387.
- Alstom, 2009. Clean Combustion Technologies. A Reference Book on Steam Generation, COPYRIGHT, 1981, 1991, 2009, ALSTOM
Power, Inc., FIFTH EDITION.
- Alstom, 2014. Clean Power, Clear Solutions. Clean Power Day Chile Santiago.
Una variante del ciclo combinado con turbina a gas es el ciclo combinado de gasificación integrada
(IGCC6), que permite utilizar carbón en turbinas a gas, y por lo tanto en ciclos combinados. Esto es
posible gracias al proceso de gasificación del carbón o petcoke para producir syngas, el cual, luego de ser
limpiado, es quemado en una turbina a gas en configuración de ciclo combinado. El desarrollo de la
tecnología IGCC surgió de la motivación por obtener plantas termoeléctricas con un mejor desempeño
ambiental. Sin embargo, un estudio del año 2007 indica que el costo de inversión y la disponibilidad
operacional de la tecnología IGCC es poco atractivo si se compara con factores similares para unidades
de Carbón Pulverizado (MIT, 2007).
En la actualidad existen 9 unidades IGCC en operación alrededor del mundo (que utilizan carbón o
petcoke) y 22 proyectos planificados o en construcción (GTC, 2014). La mayor unidad en operación
comercial tiene una capacidad de 618 MWe. A pesar de las ventajas relacionadas a la menor huella
ambiental de esta tecnología, las unidades instaladas han reportado una baja disponibilidad debido a la
mayor complejidad del sistema (MIT, 2007).
El consumo y retiro de agua en unidades IGCC es menor que en unidades de Carbón Pulverizado, pero
mayor que en unidades de Ciclo Combinado operadas con gas natural (Macknick J. et al., 2011).
5 Siglas en inglés para Low Heating Value. En español Poder Calorífico Inferior.
6 Siglas en inglés para Integrated Gasification Combined Cycle.
Inodú 6
De acuerdo a la Comisión Nacional de Energía, a Diciembre 2013, en Chile las centrales termoeléctricas
basadas en vapor y cuyo principal objetivo productivo es la generación de electricidad, representan una
capacidad instalada de 7,4 GW7 (de 17,6 GW totales). Esta capacidad es aportada por 33 unidades de
generación, correspondientes a 9 centrales de ciclo combinado y 24 centrales de ciclo de vapor simple
(Tabla 3).
Tabla 3: Capacidad instalada en Chile de termoelectricidad basada en vapor.8
Tipo de central Cantidad de
Unidades Potencia Neta
Total (MW)
Eficiencia Máxima
(%)
Eficiencia Mínima
(%)
Eficiencia Promedio
(%) Combustible
Ciclo de vapor simple
24*
4.101 38,9% 28% 35,3%
Carbón Bituminoso,
Sub-bituminoso, Petcoke
Ciclo Combinado
9 3.290
53,6% 43,7% 47,6%
Gas Natural, Petróleo Diesel
*22 unidades de Carbón Pulverizado Subcrítico, y 2 de Lecho Fluidizado Subcrítico.
2.2 El Nexo entre el Agua y la Generación Termoeléctrica
Las centrales de generación termoeléctrica en base a vapor, tanto las de ciclo simple como las de ciclo
combinado, requieren el uso de agua para diferentes etapas del proceso. Debido a las características
intrínsecas del ciclo térmico – i.e.: eficiencia del ciclo - el requerimiento de agua es relevante debido
principalmente a su utilización como refrigerante para lograr la condensación del vapor (Delgado, 2012).
7 Se excluyó del análisis la Central Laguna Verde.
8 Las eficiencias promedio mostradas en esta tabla se revisarán en el informe final, y se incorporarán valores
máximos y mínimos, una vez analizada la nueva información enviada por las empresas generadoras con el fin de mostrar datos confirmados por estas.
Inodú 7
Figura 5: Balance de energía en una planta termoeléctrica (carbón, figura superior, y gas figura inferior). Adaptado de Delgado, 2012.
Dependiendo de la central, otras etapas del proceso termoeléctrico que utilizan, o podrían utilizar, agua
son la caldera, los sistemas de mitigación de emisiones9, los sistemas de enfriamiento auxiliares, el
sistema de manejo de las cenizas de caldera, entre otros (Figura 6).
Figura 6: Uso de agua en una central termoeléctrica
9 Los sistemas de mitigación de emisiones se discutirá en la sección 10.
Inodú 8
La Figura 7 ilustra la cantidad de agua utilizada por distintos sistemas de una planta termoeléctrica (se
asume sistema de enfriamiento cerrado con torres de enfriamiento). La mayor parte del agua requerida
es utilizada en el proceso de condensación (enfriamiento).
Figura 7: Uso de agua de las diferentes tecnologías de generación termoeléctrica basadas en vapor. (Adaptado de EPRI, 2008)
3 Impactos del Retiro de Agua en Centrales Termoeléctricas
Los efectos ambientales del uso del agua de mar por plantas termoeléctricas han sido ampliamente
estudiados (Clark & Brownell, 1973) (US EPA, 1973) (US EPA, 1976) (UNESCO, 1979) (Turnpenny &
Coughlan, 1992) (EPRI, 2000) (EPRI, 2003) (California Energy Commission, 2005) (MBC Applied
Environmental Sciences, 2005) (Moss Landing Marine Laboratories, 2008) (UCN, 2008) (IFC, 2008) (EPRI,
2011) (Rajagopal, Jenner, & Venugopalan, 2012) (SMA, 2014) (US EPA, 2014, págs. 76-88). Los impactos
ambientales pueden asociarse tanto al proceso de captación de agua, como a las descargas de las aguas
utilizadas en el proceso. La Figura 8 presenta una síntesis de los impactos por uso de agua en centrales
termoeléctricas.
Inodú 9
Figura 8: Síntesis ilustrativa de los impactos por uso de agua en centrales termoeléctricas (Adaptada de UNESCO 1979)
Respecto a la utilización de agua en centrales termoeléctricas, es importante distinguir entre retiro, uso,
y consumo de agua. El retiro tiene relación con la cantidad de agua que se extrae del cuerpo de agua en
un determinado periodo de tiempo. El uso de agua corresponde a la cantidad de agua que la planta
necesita para su operación durante un determinado periodo de tiempo. El consumo de agua se define
como la cantidad de agua que no retorna al cuerpo de agua producto de evaporación (Lamya 2012).
3.1 Conflictos por Retiro de Agua
El impacto que produce un abundante retiro de agua es mayor en lugares con escasez de este recurso,
donde el agua es utilizada para otros propósitos (ej: agrícolas, industriales y recreativos), y/o zonas de
alto valor ambiental (protección y/o conservación). En caso de utilización de agua subterránea también
se tiene la presión por disponibilidad para otros propósitos (ej; agricultura, actividades recreativas, y
otras necesidades comunitarias) (IFC, 2008).
Es importante definir qué es un retiro de agua importante. A modo de referencia, recientemente la EPA
ha definido la aplicabilidad de la norma 316(b) para unidades existentes donde se retira al menos 7.570
m3 de agua por día y el propósito del retiro es utilizar al menos el 25% del agua para enfriamiento (US
EPA, 2014). Esto aplica para todo tipo de cuerpo de agua en el contexto de Estados Unidos.
3.2 Arrastre y Atrapamiento de Organismos acuáticos
Si no se tienen precauciones adecuadas, la succión de agua puede arrastrar una cantidad importante de
organismos acuáticos que incluyen organismos tales como microalgas y plancton, y organismos de
mayor tamaño como crustáceos, peces, macroalgas y otros.
Inodú 10
Se define el arrastre10 como el efecto de movilizar organismos presentes en el cuerpo de agua a través
del sistema de captación de agua, hacia el proceso industrial, pudiendo incluso pasar a través de ciertos
elementos que componen el sistema de refrigeración para ser posteriormente devueltos al mar.
Por otro lado, para evitar o reducir el arrastre de ciertos organismos y desechos que podrían dañar el
sistema de enfriamiento comúnmente se utilizan distintos tipos de rejillas o filtros. Es aquí donde se
produce el atrapamiento11, que se define como el efecto de movilizar organismos presentes en el
cuerpo de agua hacia la rejilla o filtro de protección y atraparlos en dicho elemento. En algunos casos
después de un tiempo los organismos pueden ser liberados y retornados a su medio natural.
Es importante establecer metodologías de medición para cuantificar el atrapamiento y el arrastre de
organismos para asegurar que esta información sea científicamente válida en términos de representar
apropiadamente tanto la operación de la central de interés como aquellos factores ecológicos y sociales
relevantes para los grupos de interés. Existen diversas prácticas a nivel mundial. Se debe tener en
consideración que no existe un método que se pueda ajustar a las particularidades de todos los sitios
ante todas las posibles condiciones. A modo de referencia es posible mencionar las guías elaboradas en
el Reino Unido (British Energy Estuarine & Marine Studies, 2011)(British Energy Estuarine & Marine
Studies, 2011b).
Estudios realizados en cuerpos de agua de los Estados Unidos, han determinado que generalmente se
aumenta la probabilidad de atrapamiento cuando el agua es captada a velocidades superiores a 0,15
m/s (US EPA, 2014, pág. 108; US EPA, 2014, pág. 6_66; EPRI, 2000; Tetra Tech Inc, 2008).
En algunos casos, larvas de peces, crustáceos, y otros organismos acuáticos en estado planctónico que
son arrastrados hacia el sistema de enfriamiento pueden morir por daño mecánico, o debido a biocidas
que son adicionados al agua para evitar la incrustación de éstos en los componentes de los sistemas de
enfriamiento (IPPC, 2001) (UNESCO, 1979).
El impacto del arrastre y atrapamiento de organismos acuáticos depende de la relación de diversos
factores tales como el volumen de agua succionado, la velocidad de succión, el lugar de captación, el
grado de exposición a las fuerzas o agentes forzantes predominantes sobre la dinámica de las aguas (por
ejemplo, vientos, corrientes, y olas), y profundidad de captación en la columna de agua. De acuerdo a
estudios realizados por EPRI, no siempre sería posible concluir que existe una afectación directa entre el
daño a la población de organismos en una localidad y el volumen de agua retirado por un sistema de
captación, siendo otros factores tales como el nivel total de sólidos disueltos, el uso de biocidas,
características ecológicas de la zona, la estacionalidad del uso del agua, y el ciclo de vida de las especies
afectadas factores relevantes en explicar la afectación (EPRI, 2003) (EPRI, 2011). La Comisión de Energía
de California ha realizado una afirmación similar (California Energy Commission, 2005).
En el contexto de estudios realizados en ríos y lagos en Estados Unidos, la EPRI indica que podría haber
una relación entre la población afectada de organismos en casos donde las tasas de retiro de agua son
10
En inglés, Entrainment 11
En inglés, Impingement.
Inodú 11
altas comparadas con el volumen de agua disponible (mayor a 2-4%) y los tiempos de residencia son
cortos (menor a 25 – 50 días) (EPRI, 2003).
Para ilustrar el efecto del arrastre de organismos asociado al retiro de agua, se pueden mencionar
resultados de diferentes estudios. De esta manera, un estudio sobre los efectos de una central térmica
en una ría de Canadá determinó que el retiro de agua para enfriamiento tiene efectos importantes en el
fitoplancton arrastrado, produciéndose la destrucción de cerca del 50% de esta biomasa arrastrada
principalmente como consecuencia del uso de biocida (cloro). Sin embargo, debido a que las aguas son
captadas a una profundidad donde la biomasa de fitoplancton es baja, y el flujo de las mareas es alto, se
indicó en el estudio que esta pérdida diaria de fitoplancton implica un efecto menor, representando
menos del 1% de la biomasa de fitoplancton presente en la ría (Henry, 2005).
Otro estudio en el que se analiza la situación de una planta en Chile determinó un arrastre promedio de
macrofauna de 21.915 ind/día12, equivalente a una biomasa de 31,4 kg/día. Luego de la instalación de
filtros tipo mallas cilíndricas con alambre en V en la bocatoma del ducto de succión, se redujo el arrastre
promedio a 372 ind/día y 0,27 kg/día (Hernández E., 2014).
Cuando se habla de arrastre y atrapamiento es importante poder distinguir entre las condiciones de
productividad biológica que predominan en un determinado sitio con respecto de las condiciones que
ocurren en presencia de algunos fenómenos estacionales que pueden generar una proliferación de
organismos. Por ejemplo, se pueden mencionar registros de eventos particulares en la Bahía Coronel,
donde en el periodo de Diciembre de 2012 y Marzo de 2013 se produjo un fenómeno natural llamado
surgencia, la cual provocó el desplazamiento de biomasa bentónica profunda hacia aguas someras, lo
que trajo como consecuencias el varamiento de dichos organismos en diversas playas del Golfo de
Arauco. Como consecuencia del aumento ocasional de la densidad de organismos y la ausencia de
medidas de mitigación efectivas para un evento de estas características, las unidades de generación
ubicadas en la zona succionaron una cantidad de organismos mayor a la habitual, registrándose para
una de ellas un ingreso de entre 4 a 11,5 toneladas/mes durante ese periodo (SMA, 2014b, SMA, 2013).
3.3 Aumento de Temperatura del Agua de Enfriamiento
Los sistemas de enfriamiento abiertos de paso único descargan agua con excesos térmicos, lo cual,
dependiendo de las condiciones particulares del emplazamiento, puede afectar la distribución de peces
y otros organismos acuáticos (ASME, 2014). Por otro lado, un golpe de frío13 (repentina reducción en la
temperatura de la pluma térmica) o descargas de alta temperatura (que produzcan un aumento por
sobre los 38°C en la pluma térmica) pueden causar la muerte de organismos debido a la incapacidad de
varias especies de peces a adaptarse a bruscos cambios de temperatura (Reiley, 1992). Adicionalmente
un incremento de la temperatura puede afectar a la población de algunas especies, plantas, y
12
ind/dia = individuos por día 13
Los golpes de frio pueden ocurrir especialmente en zonas geográficas frías y en invierno. Se producen cuando se detiene una unidad y el efluente térmico es reemplazado por una rápida descarga de agua sin calentar. En estas zonas geográficas frías algunos peces prefieren permanecer en la pluma térmica durante el invierno, y no son capaces de ajustarse a una repentina reducción de la temperatura de la pluma.
Inodú 12
organismos bentónicos que se exponen a la pluma térmica. Un ejemplo específico es la alta
concentración de tortugas Chelonia Midas reportadas en la pluma térmica de una termoeléctrica en la
Bahía de Mejillones del Sur en Chile (Guerra, 2007).
Este impacto es variable dependiendo de las características del cuerpo de agua (Clark & Brownell, 1973)
(EPRI, 2013). Así por ejemplo, la descarga en un mar con fuertes corrientes (u oleaje energético)
favorece la rápida y eficiente mezcla del efluente térmico con el agua del cuerpo receptor; en cambio,
en un mar con corrientes bajas (en magnitud), la pluma térmica se puede extender por varios kilómetros
cuadrados (IPPC, 2001). Un estudio realizado por la US EPA (Reiley, 1992) sobre los impactos adversos
de las descargas térmicas de centrales termoeléctricas determinó que existe una baja probabilidad de
ocurrencia de impacto en centrales operando bajo valores límites para la temperatura de descarga. Para
mitigar este impacto se recomienda el uso de dispositivos en las estructuras de descarga que faciliten la
mezcla y la dilución del agua descargada (por ejemplo, difusor). En general, la mezcla entre las descargas
térmicas y el cuerpo receptor puede optimizarse de manera significativa mediante un diseño apropiado
del difusor. Lo anterior permite acortar el área de mezcla térmica y, por consiguiente, mitigar eventuales
efectos sobre las comunidades biológicas aledañas.
El indicador de calidad del agua que es importante mantener está relacionado con la temperatura
promedio del cuerpo de agua. Esto es de especial relevancia en ríos, donde la temperatura aguas abajo
de la descarga puede verse afectada. La temperatura promedio del cuerpo de agua receptor se ve
afectada por la temperatura y caudal del agua descargada. Un bajo caudal descargado a alta
temperatura puede provocar similar impacto que un alto caudal a una menor temperatura. En
consecuencia, la temperatura máxima o promedio permitida en la descarga debe ser calculada
considerando el caudal de la descarga térmica, el caudal y flujo del cuerpo de agua receptor, y el área de
la "zona de mezcla" (Reiley, 1992).
3.4 Descarga de Químicos
Para evitar formación biológica en los componentes de los sistemas de enfriamiento; la corrosión y
erosión de las tuberías, el condensador y los materiales de las torres de enfriamiento; y reducir la
acumulación de sales en los componentes, se utilizan componentes químicos. Por consiguiente, el agua
o efluente proveniente de los sistemas de enfriamiento de paso único y la purga de los sistemas
cerrados de recirculación (con torres de enfriamiento) pueden contener químicos tales como cloro,
hierro, cobre, níquel, aluminio, boro, compuesto orgánicos clorados, sólidos suspendidos, compuestos
bromados, y biocidas no oxidantes. Aunque la presencia de los químicos mencionados debiera ser en
bajas concentraciones, la contaminación acumulada puede ser relevante debido al volumen de agua
descargado (EPA, 2009).
La IPPC asoció el uso de diversos componentes químicos a dos tipos de sistema de enfriamiento:
Sistema Abierto y Sistema Cerrado (Tabla 4).
Inodú 13
Tabla 4: Componentes químicos asociados a diferentes tipos de sistemas de enfriamiento (IPPC, 2001)
El propósito de los biocidas es mantener limpio el sistema de enfriamiento para su correcto
funcionamiento. En el caso de las centrales que captan agua de mar el objetivo es evitar la formación de
moluscos y/u otro tipo de organismos dentro del sistema. Para esto normalmente se utiliza la inyección
de cloro, el cual es generalmente producido en la central por electrólisis del agua de mar (IPPC, 2001). La
aplicación de cloro puede ser continua o estacional dependiendo de factores diversos, entre ellos, la
tasa de crecimiento y periodos de asentamiento de los organismos. Según un estudio de la Comisión
Europea (IPPC 2001), la concentración de cloro en la descarga puede variar entre 0,1 y 0,5 mg/l
dependiendo de las regulaciones locales. Debido a la mayor concentración de compuestos bromados, la
reacción del cloro con la materia orgánica puede producir bromoformo en el agua de mar, aunque el
estudio de la IPCC menciona que las concentraciones de bromoformo en la pluma térmica debieran ser
bajas (15 µg/l).
Un estudio realizado por la US EPA indica que se debe tener precaución al comparar los efectos de las
descargas residuales de cloro en distintos ambientes (agua dulce vs agua de mar); siendo menos
evidente el nivel de toxicidad de las descargas en agua de mar debido a la composición de halógenos en
dicho ambiente (US EPA, 1976). Esto último es importante de analizar en mayor detalle dada la
diferencia en el contexto de aplicación de centrales termoeléctricas en Chile con respecto a la situación
en Estados Unidos y Europa.
Por otro lado, la contribución de la corrosión a la descarga de químicos ha disminuido o desaparecido en
Europa debido al mayor uso de titanio como material para los tubos del condensador. En cuanto a la
incrustación, diversos métodos para la desmineralización del agua pueden ser utilizados dependiendo
de la composición química del agua, los organismos presentes en el emplazamiento, los ciclos de
concentración utilizado en las torres de enfriamiento, y los parámetros y materiales de diseño del
sistema de enfriamiento (IPPC, 2001).
En consecuencia, el nivel de químicos contenido en el agua de enfriamiento dependerá de las
características de diseño de cada planta y del sitio específico de emplazamiento. En particular,
dependerá de la combinación de elementos tales como el diseño y materiales de los equipos donde se
Inodú 14
intercambia calor, la temperatura y química del agua de enfriamiento, y los organismos acuáticos que
puedan ser arrastrados (IPPC, 2001).
4 El Nexo entre el Agua y la Generación Termoeléctrica en Chile
En Chile las unidades de generación termoeléctrica se ubican de preferencia en el borde costero del
Océano Pacífico, y solo 5 unidades se ubican en el interior. La razón de esta distribución geográfica se
explica principalmente por las condiciones favorables, económicas y de simplicidad operativa, que el
borde costero presenta para el suministro de combustibles importados (carbón o gas). En el caso de las
centrales ubicadas al interior todas utilizan gas natural como combustible principal, el que es obtenido
de gaseoductos.
Factores como la ubicación en el borde costero (abundancia de agua), el contexto regulatorio, el nivel de
certidumbre en proceso de obtención de permisos que los desarrolladores han tenido en el pasado, y
consideraciones económicas, tanto de inversión como de operación durante el ciclo de vida del
proyecto, explican que el tipo de sistema de enfriamiento predominante en las centrales
termoeléctricas basadas a vapor en Chile sea el sistema abierto de paso único.
Sin embargo, centrales desarrolladas recientemente en el borde costero han preferido un sistema
cerrado con torres de enfriamiento. Esto último, según fuentes consultadas tales como empresas de
generación y proveedores de torres de enfriamiento, se debería a factores económicos (balance costo
de inversión versus costo de operación producto del bombeo de agua), incertidumbre regulatoria,
presión de la comunidad, y políticas de desarrollo sostenible dentro de las empresas.
Por otro lado, todas las centrales ubicadas al interior del país poseen sistemas de enfriamiento cerrados
con torres, los cuales se prefieren en sitios con restricciones de agua. Todas estas centrales obtienen el
agua para enfriamiento desde conjuntos de pozos profundos.
El mayor retiro potencial de agua por plantas termoeléctricas se tiene en el norte del país, en particular
en la Segunda Región donde se ubica la mayor capacidad instalada de termoelectricidad basada en
vapor en Chile. La Figura 9 muestra el retiro potencial de agua por región y por tipo de sistema de
enfriamiento. Aquí también se puede observar el menor requerimiento de agua de los sistemas de
enfriamiento cerrados.
Inodú 15
Figura 9: Agua potencial retirada por región y según tipo de sistema de enfriamiento (basado en flujo promedio anual).
Durante el desarrollo del proyecto se realizó una encuesta a las distintas empresas generadoras que
operan centrales termoeléctricas basadas en vapor. Los datos entregados por las empresas generadoras
revelan que el retiro de agua por MWh producido en Chile está en los rangos estándares de la
tecnología equivalente a nivel internacional14 (indicados en la Tabla 16). En Chile, una central de ciclo de
vapor simple a carbón retira en promedio 131 m3/MWh si posee un sistema de enfriamiento abierto, y
5,7 m3/MWh si el sistema de enfriamiento es cerrado. En el caso del Ciclo Combinado esta figura cambia
a 114,8 m3/MWh y 1,1 m3/MWh (Tabla 5).
Tabla 5: Agua retirada por MWh producido para diferentes tipos de unidades y sistemas de enfriamiento.
La Figura 10, presenta una visión completa de la relación del agua con las centrales termoeléctricas en
Chile. En ella es posible verificar que el mayor retiro de agua en Chile se realiza desde el Océano Pacífico,
14
Los valores indicados en la Tabla 16 son para el retiro de agua para enfriamiento; el valor indicado por las empresas es el retiro de agua total.
Inodú 16
mediante la utilización de sistemas de captación tipo sifón; y que del total del agua retirada, en
promedio, un 95% se utiliza para agua de enfriamiento. Finalmente, el 97% del agua retirada es
descargada a la fuente de agua original de captación (retorno) y un 3% se consume.
Figura 10: Relación del agua con las centrales termoeléctricas Chilenas.15
La velocidad de captación de agua que informaron las empresas fue medida en diferentes puntos (Tabla
6) del sistema de captación. Será importante en el futuro determinar la velocidad en el primer punto de
contacto de los organismos acuáticos con el sistema de captación. A partir de la información recibida, la
velocidad promedio de captación en la campana del sifón16 es de 0,96 m/s. Es importante destacar dos
casos, uno es la velocidad de succión asociada a la estructura de captación en línea costa de 0,61 m/s, y
otro de un sistema de captación tipo sifón pero con barreras pasivas tipo mallas cilíndricas que logra
velocidades de 0,11 m/s.
Tabla 6: Velocidades de captación.
15
Los sistemas de captación son presentados en la sección 6.2.1. 16
La campana del sifón es el punto donde el agua entra a la tubería.
Inodú 17
Descarga de agua:
Con respecto a las características del agua descargada se deben analizar dos aspectos, la temperatura
del agua descargada y la concentración de químicos presentes en ella. La Tabla 7 indica las temperaturas
de descarga mínimas, máximas, y promedio. Se puede observar que la temperatura de descarga no
supera los 25°C en promedio.
Tabla 7: Temperatura de descarga del agua por región.
NI: No Indicado
La Tabla 8 muestra los niveles mínimos, máximos, y promedio de contaminantes asociados a las
descargas de residuos líquidos al Océano Pacífico considerando información entregada por la
Superintendencia de Media Ambiente (SMA) para el periodo Enero 2013 a Junio 2014.
Inodú 18
Tabla 8: Concentraciones de las descargas normadas por el DS90/2000 informadas por el SMA para el periodo Enero 2013 a Junio 2014 (se han considerado solo los datos de descargas al Océano Pacífico).
La Figura 11 presenta la relación entre los diversos impactos asociados al desarrollo de centrales
termoeléctricas y la regulación vigente en Chile. El nexo entre el agua y el marco normativo vigente se
ilustra en las categorías 2 (Residuos líquidos) y 3 (Captación de Agua). Para el caso particular de la
Inodú 19
captación de agua, se observa que el marco normativo vigente atiende principalmente aspectos de
concesiones y navegación.
Figura 11: Regulación asociada a la termoelectricidad en Chile
Inodú 20
5 Mecanismos para Reducir Impactos del Uso de Agua en
Termoelectricidad
La Tabla 9 sintetiza las distintas alternativas identificadas que contribuyen a reducir la tensión entre la
presión por producir energía eléctrica mediante plantas termoeléctricas y la presión por realizar un uso
más responsable del agua y reducir los impactos de éste uso en el medio ambiente. El desarrollo de las
alternativas presentadas se expone con mayor detalle en las siguientes secciones de este reporte.
Tabla 9: Mecanismos para reducir la tensión entre el uso de agua y la producción de energía en plantas termoeléctricas
Inodú 21
6 Mecanismos de Reducción del Retiro de Agua Utilizada Mediante la
Selección de Sistemas de Enfriamiento
6.1 Descripción de los Sistemas de Enfriamiento
El sistema de enfriamiento de una central termoeléctrica condensa el vapor a la salida de la turbina de
vapor, para que luego éste sea restituido a la caldera en forma de agua (Figura 12). La función primaria
del sistema de enfriamiento es mantener la presión a la salida de la turbina en niveles cercanos a la
presión de diseño, y minimizar los incrementos de presión de salida ante condiciones ambientales
adversas (alta temperatura y humedad). Por lo tanto, el sistema de enfriamiento debe ser diseñado y
operado consistentemente con las necesidades de la turbina de vapor de la central (GE, 1996).
El condensador es un tipo de intercambiador de calor en el cual el vapor pasa a estado líquido al
remover el calor latente con la ayuda de un refrigerante. Para lograr la condensación del vapor se puede
utilizar agua como refrigerante (sistema húmedo) o aire (sistema seco)17. Como consecuencia de la
transferencia de calor que se produce en el condensador se aumenta la temperatura del refrigerante.
Figura 12: Esquema del ciclo Rankine y sistema de enfriamiento del condensador.
Existen distintos tipos de sistemas de enfriamiento los cuales se ilustran en la Figura 13. Un sistema
húmedo abierto de enfriamiento, también llamado de paso único, circula agua fría hacia el
condensador desde un cuerpo de agua (mar, lago, o río) y la descarga al mismo cuerpo de agua a una
mayor temperatura. La cantidad de agua requerida para condensar el vapor y el aumento de
temperatura del agua, dependerá del tipo de central, sus características de diseño, y la temperatura del
agua captada. Los requerimientos de agua pueden llegar a ser 190 m3/MWh, y el aumento de
temperatura entre 8°C a 16°C (EPRI, 2013).
17
Las centrales termoeléctricas pueden poseer otros sistemas de enfriamiento auxiliares que utilizan agua. Estos representan entre un 4% y un 8% del agua de enfriamiento (IPPC, 2001)
Inodú 22
Abierto de Paso Único
Cerrado de Recirculación
Seco directo
Hibrido
Figura 13: Representación esquemática de diferentes sistemas de refrigeración.
En un sistema húmedo cerrado de recirculación también se utiliza agua como refrigerante en el
condensador. Sin embargo, el agua no es descargada en su totalidad a un cuerpo de agua si no que es
enfriada en algún componente de enfriamiento hasta la temperatura adecuada para ser recirculada
hacia el condensador, donde se repite el proceso de condensación. Los componentes de enfriamiento
del agua pueden ser torres, estanques, o canales de enfriamiento18.
El enfriamiento del agua en el componente de enfriamiento — tipo torre — se realiza principalmente
por la evaporación de una pequeña proporción del agua (1-2%), por tanto la cantidad de agua
evaporada debe ser repuesta al sistema cerrado. No obstante, el volumen de agua de reposición en una
torre de enfriamiento es menor que el volumen de agua retirada por un sistema húmedo abierto.
18
Los componentes de enfriamiento son descritos en la Sección 6.2.3
Inodú 23
Los sistemas de enfriamiento seco pueden ser del tipo directo, en los cuales se utiliza un condensador
enfriado por aire (llamado aerocondensador), o del tipo indirecto, en los cuales el condensador utiliza
agua de enfriamiento, al igual que en los sistemas húmedos, pero el agua es enfriada en torres de
enfriamiento secas.
Los sistemas secos directos no retiran ni consumen agua. Solo se utiliza una pequeña cantidad de agua
para limpieza del sistema una o dos veces al año (EPRI, 2013). Sin embargo, su desempeño está limitado
por la temperatura del ambiente lo cual se traduce en pérdidas de eficiencia de la central durante
periodos del año calurosos19. Por otro lado, estos sistemas tienen costos de inversión y operación
mayores que un sistema de enfriamiento húmedo.
En ciertas localidades con características particulares de acceso de agua para enfriamiento se han
comenzado a utilizar sistemas secos. En este contexto, debido a que la mayoría de las centrales en
Estados Unidos se desarrollan en el interior, donde se requiere de agua dulce para enfriamiento, la
dificultad de obtener permisos y la percepción pública han restringido de manera significativa la
consideración de los sistemas abiertos de paso único (EPRI 2013, p2-1). Sin embargo, la US EPA
mantiene abierta la posibilidad de utilizarlos en la medida que se respete ciertos estándares de
atrapamiento y arrastre de organismos, y afectación del medio ambiente.
Finalmente, los sistemas de enfriamiento híbridos son aquellos que incorporan componentes tanto de
un sistema de enfriamiento húmedo como de un sistema de enfriamiento seco. De esta forma el sistema
funciona como uno seco durante el periodo del año en que las condiciones meteorológicas son
favorables para lograr una eficiencia aceptable de la central, y como uno húmedo en los periodos del
año más calurosos donde el desempeño de un sistema seco se reduce (EPRI 2013). Con esto se logra
utilizar menos agua durante todo el periodo sin sacrificar significativamente la eficiencia de la central en
periodos calurosos.
Estos sistemas son generalmente diseñados para consumir entre un 30% a 70% menos agua que un
sistema húmedo cerrado de recirculación. Aquellos diseñados para consumir un 50% menos de agua,
podrían tener un costo de entre un 75% a 90% del costo de un sistema de enfriamiento seco (ASME
2014). En años recientes el interés por sistemas de enfriamiento híbridos ha aumentado, aunque al año
2012 solo unos pocos de estos sistemas han sido instalados en los Estados Unidos (EPRI, 2012).
La Tabla 10 sintetiza los parámetros de diseño que afectan la definición de una solución de
enfriamiento, en cualquiera de las familias que se han presentado. El cuadrado de color rojo indica que
existe una dependencia con el parámetro asociado.
19
Esto se debe a que en periodos calurosos la temperatura de condensación del vapor es mayor, y por lo tanto también lo es la presión de salida de la turbina a vapor, la cual está en directa relación con la eficiencia de la central.
Inodú 24
Tabla 10: Parámetros de diseño que afectan la definición de cada una de las familias de solución de enfriamiento
6.2 Componentes de los Sistemas de Enfriamiento
En la Tabla 11 se identifican los componentes asociados a los sistemas de enfriamiento descritos.
Tabla 11: Componentes asociados a los sistemas de enfriamiento.
Sistema de captación de agua de
enfriamiento
Condensador Componente de enfriamiento del
refrigerante
Sistema de Evacuación de efluentes
Abierto X X -- X
Cerrado X X X X
Seco Directo -- X (Aerocondensador)
-- --
Seco Indirecto X X X X
Hibrido X X X X
Estos componentes pueden poseer diferentes arquitecturas dependiendo de las características de cada
planta, ubicación, y sistema de enfriamiento diseñado. A continuación se describen algunas de estas
configuraciones para los sistemas de captación de agua, el condensador, y los componentes de
enfriamiento.
6.2.1 Sistema de Captación de Agua
Una estructura de captación de agua es un componente de un sistema de enfriamiento de una planta
termoeléctrica, y como tal debe ser consistente — y estar adaptado — a las necesidades de dicho
sistema.
La función del sistema de captación de agua es extraer agua y entregarla a él o los usuarios de esta,
quien en el contexto de este estudio corresponde a una planta termoeléctrica. El diseño de sistemas de
Sistema Abierto
Sistema Cerrado
(Torre de
Enfriamiento)
Sistema Seco
1. Carga térmica del condensador
2. Flujo de agua
3. Temperatura del agua de entrada
4. Presión de diseño de salida de la turbina
5. Temperatura de condensación
6. Diferencia entre Tº del agua de entrada y salida de la torre
7. Temperatura ambiente de bulbo húmedo
8. Tasa de Purga
9. Número de ciclos de concentración de la torre
10. Temperatura ambiente de bulbo seco
11. Elevación del sitio sobre el nivel del mar (densidad del aire)
12. Elevación del emplazamiento de la central sobre el punto de retiro de agua
12. Calidad del vapor a la salida de la turbina
Inodú 25
captación de agua requiere de consideraciones hidráulicas para llegar a un concepto de diseño que
permita obtener y entregar agua económicamente y con impacto ambiental aceptable dentro del
contexto regulatorio y social de la región.
El sistema de toma de agua debiera ser diseñado para asegurar un abastecimiento constante de agua a
baja temperatura, con limitadas fluctuaciones temporales. El agua de enfriamiento debe estar libre de
desechos, sedimento, algas, y organismos acuáticos que pueden afectar el correcto funcionamiento del
sistema de enfriamiento. El diseño del sistema de captación de agua debiera proteger a peces y otros
organismos acuáticos de ser atrapados o arrastrados por la estructura de captación de agua (UNESCO,
1979). Para cumplir este objetivo, diversos sistemas son utilizados para proteger al sistema de captación
y a los organismos acuáticos (Taft E. , 2000)(US EPA, 2014), los cuales se revisan en la Sección 7.
Los principales aspectos que influencian la selección de un concepto y diseño de un sistema de
captación de agua son los siguientes (Ng, Zheng, & Taylor, 2005)(Alsaffar & Zheng, 2007):
Disponibilidad de agua
Batimetría de la zona
Layout de la planta
Transporte de sedimentos
Regulación medioambiental
Condiciones climáticas
Constructividad de la solución
Necesidad de limitar la velocidad de
captación
Esfuerzo producto de olas (si el sistema
está expuesto a olas de tamaño
considerable)
Requerimientos de operación del
usuario (flujo y calidad de agua)
Requerimientos de mantenimiento
(acceso para mantenimiento adecuado)
Requerimientos de dragado inicial y de
mantención
Interacción con otros sistemas de
captación (presentes y futuros)
Interacción con sistemas de descarga
(presentes y futuros)
Requerimientos de navegación y pesca
La estandarización de un concepto que sea factible para todos las posibles locaciones no es un objetivo
práctico(Alsaffar & Zheng, 2007)(UNESCO, 1979). Sin un conocimiento de las condiciones específicas del
sitio donde se instalará el sistema de toma de agua, no es posible seleccionar un concepto de manera
confiable. Realizar supuestos, sin un estudio acabado, puede inducir estimaciones de tiempo de
construcción y costos errados.
La Figura 14 ilustra dos tipos de sistemas de captación comúnmente utilizados en el mundo, esto son:
sistema de captación en línea costa y sistema de captación fuera de la línea costa. Estos últimos utilizan
dos configuraciones: ducto de captación sumergido y ducto de captación sobre el cuerpo de agua.
Los sistemas de captación fuera de la línea costa con ducto por sobre la superficie del agua son llamados
sifones. En ellos el agua es retirada por un ducto que se extiende desde la línea costa hacia el mar, el
cual se sumerge verticalmente en su extremo de captación. El agua captada es conducida, por efecto
vaso comunicante, hacia una estación de bombeo ubicada en la costa, desde la cual se impulsa el agua
hasta la central. La abertura de captación, o campana de succión del sifón, es protegida con una reja
Inodú 26
simple, malla perimetral, u otro sistema de protección para evitar el ingreso de organismos acuáticos de
mayor tamaño hacia el pozo de bombeo (la sección 7 describe los sistemas de protección del sistema de
captación).
Figura 14: Diagrama estructural de un sistema de captación. Vista superior (Kit Y. Ng 2005)
En la captación fuera de línea de costa con ducto sumergido, el agua es retirada a través de aberturas
ubicadas en aguas bajo la superficie, y es transportada a través de conductos gravitacionales, tubos, o
túneles, hacia un pozo de bombeo ubicado en la costa. En este caso la abertura sumergida típicamente
toma la forma de un velocity cap, una torre de captación, o una criba de captación (Kit Y. Ng 2005). Por
su característica constructiva, estos sistemas tienen una mayor complejidad de reparación.
El volumen de agua a transportar tiene una implicancia directa en el costo del sistema de captación
fuera de la línea de costa. En primer lugar, retiros mayores de agua implican un mayor diámetro del
ducto. Adicionalmente, requerimientos ambientales influencian la necesidad de retirar el agua a una
mayor profundidad, lo que sumado a las características del lecho marino afectan la decisión de longitud
del ducto de toma de agua y profundidad de captación.
En sistemas de captación en la línea costa, el agua entra al pozo de bombeo a través de una abertura
ubicada directamente en la costa o a través de un canal abierto de captación (Kit Y. Ng 2005). Este tipo
de sistema se utiliza generalmente cuando se encuentran aguas profundas en la línea costa (Rajagopal,
2012).
La US Environmental Protection Agency (US EPA) ha definido un conjunto de recomendaciones para
orientar la toma de decisión en etapas tempranas de evaluación y diseño de sistemas de captación de
agua (US EPA, 1973)(US EPA, 2014):
1. Ubicar el sistema de captación de agua a una distancia apropiada del sistema de descarga para
evitar recirculación, lo cual puede causar un aumento de la temperatura del agua, aumentar el
riesgo para los organismos acuáticos y reducir la eficiencia de operación de la planta.
2. Evitar, en la medida de lo posible, la ubicación de sistemas de captación en áreas de valor
biológico importante.
3. Evitar diseños que puedan actuar como trampa de peces en sistemas de captación que realicen
la toma de agua directamente en la línea de la costa, río, mar o lago.
Inodú 27
4. Reducir la velocidad de la toma de agua bajo 0,15 m/s para proteger peces y otros organismos
acuáticos de manera de evitar el arrastre y atrapamiento. Esto también contribuye a reducir la
cantidad de sedimento y escombros captados durante la operación.
5. Evitar, en la medida de lo posible, la localización de sistemas de captación en áreas de recreo, o
en la vecindad donde se encuentre otro sistema de captación.
6. Evitar la ubicación de sistemas de captación en áreas intensivas de flujo de sedimentos.
Respecto al aspecto número 4, la EPRI indica que la velocidad de toma de agua es un parámetro de
diseño importante, relacionado al atrapamiento de organismos en sistemas de captación de agua, y
debiera ser considerado al momento de definir una regulación que afecte a los sistemas de toma de
agua de nuevos proyectos (EPRI, 2000). Adicionalmente, indica que se debe poner atención a la
definición exacta de esta medición. En este contexto, Tetra Tech Inc. sugiere que la velocidad de toma
de agua debiera ser medida en el “primer punto de contacto,” que es lugar donde los organismos
podrían tener la primera, y probablemente la mejor, oportunidad de detectar y evitar la estructura de
toma de agua (Tetra Tech Inc, 2008). Por ejemplo, la velocidad de toma de agua en un sistema de
captación que se prolonga fuera de la línea de la costa para proveer agua a una estación de bombeo
debiera ser medida en el extremo ubicado en el mar debido a que los organismos arrastrados por el
sistema de toma de agua no tendrían la oportunidad de retornar a su ambiente (excepto cuando cuenta
con un sistema efectivo de retorno de peces).
En el contexto del análisis para la preparación de la norma 316(b)20, la EPRI recomendó establecer un
valor único para la velocidad de toma de agua en sistemas de captación como un criterio estándar de
diseño aceptable, debido a que un análisis específico para cada sitio involucraría una inversión
importante en términos de la evaluación del sitio específico, la evaluación de la capacidad de
movimiento de los peces (en etapa de vida distintas) presentes en esa localidad, y los efectos que el
atrapamiento tendría en diversas especies. Como resultado de una investigación, la EPRI recomendó
aceptar la velocidad de 0,5 pies/segundo (15,24 cm/segundo) como estándar, velocidad que tendría un
riesgo bajo de causar efectos adversos en el atrapamiento de diversas especies en distintas etapas de
desarrollo (EPRI, 2000) (EPRI, 2000b).
En cambio, la Directiva Marco para el Agua (o Water Framework Directive) desarrollada por la
comunidad europea el año 2000 no establece un valor estándar para la velocidad de toma de agua en
sistemas de captación. Sin embargo, los estados miembros de la comunidad europea generalmente
elaboran guías para promover consistencia, buenas prácticas y mejorar el conocimiento de grupos de
interés relevantes, sobre todo en aquellos aspectos donde la regulación europea permite flexibilidad en
el cumplimiento de requerimientos. Un ejemplo de guía de buenas prácticas fue publicada por la
Agencia de Medio Ambiente de Reino Unido (Turnpenny & O'Keeffe, 2005), cuya intención es proveer
una descripción de las responsabilidades legales de operadores de sistemas de captación de agua. Dicho
20
La Norma 316(b) regula en los Estados Unidos la captación de agua en centrales de generación eléctrica y establecimientos industriales. National Pollutant Discharge Elimination System—Final Regulations To Establish Requirements for Cooling Water Intake Structures at Existing Facilities and Amend Requirements at Phase I Facilities
Inodú 28
documento reafirma la importancia de establecer una velocidad de captación que permita a las especies
en riesgo evadir la captación de agua. Para ello, se analizó la velocidad de nado de peces en función de
su tamaño, haciendo una distinción entre especies afectadas en cuerpos de agua dulce y salada. Se
indica una fórmula para realizar una estimación de velocidad de nado en función de la temperatura del
agua y factores estimados para distintas especies de interés para el contexto europeo (Turnpenny &
O'Keeffe, 2005, p. 109) (Turnpenny A. , 1988).
De manera complementaria, la guía de referencia de aplicación de mejor tecnología disponible a
sistemas de enfriamiento desarrollada por la Comunidad Europea establece que velocidades de
captación entre 0,1 y 0,3 m/s produce contribuye a reducir la cantidad de peces arrastrados por los
sistemas de captación (IPPC, 2001, p. 76).
En Agosto de 2014, la US EPA comenzó a requerir que los sistemas de captación de agua reduzcan los
efectos del atrapamiento y arrastre en organismos acuáticos (US EPA, 2014). Lo anterior puede ser
logrado mediante una reducción en la velocidad de toma de agua o reduciendo el caudal de agua
retirada por las plantas termoeléctricas (EPRI, 2000b) (EPRI, 2003) (US EPA, 2014),(US EPA, 2014, págs.
131-132), mecanismos que serán analizados en mayor detalle en las siguientes secciones.
Adicionalmente, estudios mencionan que, en algunos cuerpos de agua, sistemas de captación ubicados
en la línea costa tienen el potencial de tener un mayor impacto ambiental debido a que el agua es
retirada desde áreas biológicamente más productivas. Debido a esto, algunas centrales eligen emplear
sistemas de captación fuera de la línea costa para retirar agua desde áreas menos productivas en un
esfuerzo por reducir el arrastre y el atrapamiento. La profundidad del sistema de captación fuera de
línea costa debe ser considerada debido a que las aguas profundas son a menudo biológicamente
menos productivas. La distancia desde la costa y la profundidad son variables dependientes del sitio
específico y deben ser cuidadosamente evaluadas antes de determinar la ubicación del sistema de
captación. Comparado con un sistema de captación en línea costa, un sistema de captación fuera de la
línea costa puede reducir la tasa de arrastre y atrapamiento, pero también puede alterar el tipo de
especies afectadas (US EPA, 2014, pág. 6_59; Hadderingh, 1979; Tetratech, 2008b).
Finalmente, la elevación de la central sobre la estación de bombeo afecta directamente los parámetros
de diseño del conjunto de bombas; y por consiguiente el consumo de energía de la central. Por lo tanto,
la elevación de la central por sobre la estación de bombeo puede ser un factor geográfico importante al
establecer criterios de diseño que influencian la definición de alternativas de refrigeración que reduzcan
significativamente el volumen de agua retirada (selección de torre de enfriamiento vs sistema abierto).
La Figura 15 ilustra la potencia de bombeo requerida en función del caudal de agua y la elevación. Se
observa una diferencia de aproximadamente 11 MW entre la potencia de bombeo requerida para
impulsar 56.000 m3/h a una elevación de 60 metros y la potencia que se requeriría para impulsar 8.000
m3/h en una altura similar.
Inodú 29
Figura 15: Diagrama funcional de sistema de bombeo (derecha). Relación entre la potencia del conjunto de bombas, elevación y caudal (izquierda)
6.2.2 El Condensador — y su Relación con la Turbina
La carga térmica del condensador es un parámetro que relaciona la operación del condensador con la
operación de la turbina a vapor (Tabla 10, pag. 24). La turbina de vapor extrae potencia desde el vapor
cuando este pasa desde una condición de alta presión y alta temperatura en la entrada de la turbina,
hacia una condición de baja presión y baja temperatura a la salida de la turbina. El vapor que sale de la
turbina pasa hacía el condensador, elemento que crea la condición de baja presión a la salida de la
turbina. El nivel de esta presión tiene un efecto directo en la energía transferida a la turbina. A menor
presión de salida de la turbina, mayor es la energía disponible para mover la turbina, lo cual incrementa
la eficiencia del ciclo de generación termoeléctrica (Alstom, 2009) (EPA, 2001). La presión de salida de la
turbina (que comúnmente es una presión de vacio) es una función de la temperatura de condensación
(Figura 16).
Es importante destacar que durante la etapa de diseño se definen características de la turbina (longitud
de alabes en la última etapa del ciclo) que están directamente relacionadas con la presión de diseño a la
salida de la turbina, y por lo consiguiente, con parámetros de diseño y desempeño operacional del
condensador (GE, 1996). A modo de ejemplo, la Figura 17 ilustra la afectación en la eficiencia de la
turbina de acuerdo a la presión de salida de la turbina para dos decisiones de diseño de tamaño de
álabes en la última etapa del ciclo.
Por lo tanto, durante la etapa de diseño existe flexibilidad en la selección del sistema de enfriamiento y
de la turbina en función de la robustez y eficiencia del sistema ante variaciones en las condiciones
ambientales. Una vez tomadas ciertas decisiones en etapas tempranas no es posible introducir cambios
en el tipo de sistema de enfriamiento sin afectar la eficiencia de operación de la planta.
Inodú 30
Figura 16: Curva de saturación del vapor.
Figura 17: Producción de la turbina de vapor vs Presión de salida para distintos tamaños de aspas (línea roja y azul) en la última etapa de la turbina (Adaptado de GE, 1996).
Los sistemas de enfriamiento húmedos, ya sean abiertos o cerrados, utilizan un condensador en el cual
la transferencia de calor se realiza en intercambiadores donde el agua de enfriamiento es circulada por
tubos que están en contacto con el vapor. En el caso de los sistemas de enfriamiento seco directo se
utilizan aerocondensadores de tiro forzado que utilizan un ventilador para circular aire a temperatura
ambiente por el intercambiador de calor (Figura 18). Para lograr un desempeño similar — en la función
de mantener la presión de diseño de salida de la turbina — los sistemas secos directos requieren una
mayor superficie de transferencia, y por lo tanto, más espacio físico en la central.
Inodú 31
Figura 18: Condensador para Sistemas Húmedos (izquierda) y Aerocondensador para un Sistema Seco Directo (derecha).
6.2.3 Componentes para Enfriamiento del Medio Refrigerante
Las variantes de los sistemas cerrados de recirculación y sistemas secos están dadas principalmente por
el tipo de componente de enfriamiento utilizado. A continuación se describen las torres de enfriamiento
(húmedas y secas), y los estanques o canales de enfriamiento.
6.2.3.1 Torres de enfriamiento
Las torres de enfriamiento húmedas remueven hacia la atmosfera el calor transferido al agua en el
condensador. Esto se logra al hacer pasar un flujo de aire a través del agua, la cual es rociada sobre un
medio llamado relleno (fill) para aumentar la superficie y tiempo de contacto del aire con el agua. El
flujo de aire hacia el interior de la torre se puede lograr por acción mecánica utilizando un ventilador, o
por tiro natural. Estas últimas poseen la ventaja de no utilizar ventilador, lo cual reduce la energía
requerida y el ruido, sin embargo se requieren estructuras de mayor tamaño. Las torres de tiro
mecánico pueden ser de tiro inducido, las cuales utilizan un ventilador en la parte superior de la torre, o
de tiro forzado, las cuales utilizan un ventilador en la parte inferior de la torre (EPRI 2013; USGS 2013).
Adicionalmente, las torres de enfriamiento pueden ser de contraflujo o de flujo cruzado. En las primeras
el aire fluye en forma paralela al flujo del agua. En las segundas, el flujo de aire es perpendicular al flujo
de agua. La Figura 19 ilustra los diferentes tipos de torres de enfriamiento. Actualmente, según fuentes
de la industria, en los Estados Unidos el 95% de las torres de enfriamiento húmedas son torres de tiro
inducido de contraflujo.
Inodú 32
Figura 19: Diferentes configuraciones de torres de enfriamiento.
Los requerimientos de diseño del condensador determinan el número de torres de enfriamiento
necesarias para cumplir con el objetivo de enfriar el agua de enfriamiento a la temperatura de entrada
requerida en el condensador.
El tipo de torre dependerá de decisiones técnicas, pero principalmente del balance económico entre
costo de inversión y costo de operación. Así, una torre de tiro natural que tiene mayores costos de
inversión es usualmente más económica en operación cuando se utiliza en grandes centrales. Los costos
de inversión aumentan cuando se agregan componentes para mitigar impactos ambientales y estéticos
(tales como abatimiento de pluma de vapor y ruido) y el espacio disponible para el emplazamiento de la
torre es limitado.
6.2.3.2 Estanques o canales de enfriamiento
Son cuerpos de agua artificiales, construidos especialmente para proveer agua de enfriamiento a una
central térmica. Son adecuados en lugares donde se posea el área requerida para poder contener el
agua suficiente para proveer enfriamiento continuo a la central. Al igual que las torres de enfriamiento,
transfieren el calor del agua al ambiente por evaporación; por lo que también requieren de una cierta
cantidad de agua de reposición (EPRI, 2013). La Figura 20 muestra un estanque de enfriamiento en una
central de los Estados Unidos y un piloto en la Central San Isidro en Chile. Al 2013, 14% de las centrales
termoeléctricas en los Estados Unidos utilizan estanques de enfriamiento (EPRI, 2013).
Inodú 33
Figura 20: Sistema de enfriamiento con Estanque de enfriamiento
21
6.3 Utilización de Sistemas de Enfriamiento en Estados Unidos y Chile
El estado de aplicación de los sistemas de enfriamiento descritos anteriormente en las centrales
termoeléctricas de los Estados Unidos al año 2013 es de un 43% para los sistemas abiertos de paso
único, 42% para los sistemas cerrados de recirculación, 1% para los sistemas secos, y el resto son
estanques de enfriamiento (EPRI, 2013). Sin embargo, como se muestra en la Figura 22, la tasa de
instalación de sistemas abiertos de paso único ha decrecido, y la instalación de sistemas cerrados de
recirculación ha aumentado. La EPRI menciona como factor relevante la presión regulatoria y pública en
contra de los sistemas de enfriamiento abiertos (EPRI 2012; EPRI 2013; ASME 2014).
Lo anterior, representa el estado de los sistemas de enfriamiento en los Estados Unidos, y no es
necesariamente extrapolable a otros lugares donde las condiciones geográficas, climáticas, hidrológicas
y sociales pueden afectar la decisión de cuál es el mejor sistema de enfriamiento (ASME 2014). Así por
ejemplo, en los Estados Unidos o Alemania debido a su geografía, se instalan centrales en el interior del
país, donde los recursos de agua pueden ser limitados. Esta situación se ilustra en la Figura 21 para el
caso de Estados Unidos.
Adicionalmente, es importante poner en perspectiva el contexto de uso de sistemas de captación de
agua para enfriamiento. Para el caso de Estados Unidos, del total de centrales que hacen uso de agua de
mar, el 16% utiliza sistemas de captación fuera de la línea de la costa; lo que equivale sólo un 1,5%
cuando se considera el total de sistemas de captación de agua para enfriamiento instalados en ese país
(EPRI, 2003).
21
Imagen de USA: adaptado de "Methods for estimating water consumption for thermoelectric power plants in the US", USGS, 2013./ Imagen de Chile: Google Earth.
Inodú 34
Figura 21: Ubicación de sistemas de enfriamiento en Estados Unidos y cuerpos de agua utilizados. Fuente (US EPA, 2014)
En otros países, tales como Chile, su configuración geográfica presenta la oportunidad de instalar
centrales en el borde del Océano, lo que ofrecería condiciones favorables para la instalación de sistemas
abiertos de paso único. Estos sistemas abiertos son adecuados si sus diseños son compatibles con la
hidrología y ecología de la fuente de agua y el cuerpo de agua receptor del sitio específico (IFC 2008).
Figura 22: Evolución de la instalación de sistemas de enfriamiento en los Estados Unidos. (ASME, 2014)
La Tabla 12 indica la utilización de los diferentes sistemas de enfriamiento en Chile al año 2014,
clasificados por fuente de captación del agua. Se observaron dos unidades localizadas en la costa con
sistemas de enfriamiento cerrado (torres de enfriamiento); correspondientes a Central Angamos. De
acuerdo a información publicada por el servicio de evaluación ambiental, la utilización de torres de
enfriamiento permitió la reducción de la longitud del ducto de descarga de 380 a 77 m, y su diámetro de
2.100 a 1.100 mm. Adicionalmente, la operación del sistema permite disminuir el caudal de captación de
agua de mar en un ≈90% respecto a un diseño funcionalmente equivalente en sistema abierto (SEA).
Inodú 35
Tabla 12: Frecuencia de utilización de sistemas de enfriamiento en las unidades de generación en Chile.
Dependiendo del sitio, hay casos en que si bien la central está ubicada en el borde costero, la altura
sobre el nivel del mar es tal que los costos de operación por efecto del bombeo de una mayor cantidad
de agua, requerido por un sistema abierto de paso único, hacen viable económicamente la instalación
de un sistema cerrado con torres de enfriamiento. Otros factores que están influyendo en la toma de
decisión se relacionan con la presión de la comunidad y la incertidumbre regulatoria en términos de la
regulación de captaciones de sistemas de captación de agua, ya que implementar un sistema que capte
agua de mar está requiriendo tiempos de tramitación importantes de permisos administrativos y
ambientales.
La incertidumbre regulatoria y los tiempos de tramitación ambiental y de concesiones marítimas podrían
incidir, en el futuro, en la decisión de instalar sistemas secos, a pesar que la central esté ubicada en el
borde costero. Esta decisión no sería apropiada en términos de lograr un aprovechamiento certero de
un medio de refrigeración abundante y más eficiente en el uso del recurso energético, tanto desde la
perspectiva ambiental como económica.
6.4 Ventajas y Desventajas de los Sistemas de Reducción de Retiro de Agua
(Sistemas de Enfriamiento) en Centrales Termoeléctricas
En la Tabla 13 se resumen las ventajas y desventajas de cada sistema de enfriamiento.
Inodú 36
Tabla 13: Ventajas y desventajas de los sistemas de enfriamiento
Sistema Enfriamiento Ventajas Desventajas
Abierto de paso único
- Logra máxima eficiencia de diseño central termoeléctrica, por lo tanto menos consumo de combustible y menores emisiones atmosféricas. - Bajo consumo de agua
22.
- Bajo costo de instalación y operación. - Complejidad baja
- Alto caudal de agua retirado. - Genera pluma térmica en el cuerpo de agua. - Mayor probabilidad de arrastre y atrapamiento de organismos acuáticos. - Efectos de la descarga son dependientes del emplazamiento, depende de las características específicas del cuerpo de agua receptor.
Cerrado de recirculación
- Se reduce caudal de succión. - Se reduce efecto de arrastre e impacto de organismos. - Complejidad moderada
- Disminuye la eficiencia de la central (principalmente en caso de instalación en una central existente con sistema abierto de paso único). - Aumenta el costo de inversión. - Aumenta el consumo de agua por efecto de la evaporación. - Se puede generar un pluma de vapor visible. - Emisión de ruido.
Seco
- No tiene retiro ni consumo de agua. - No hay efectos por arrastre y atrapamiento.
- Menor eficiencia de la central (tanto en centrales nuevas como existentes). - Complejidad alta - Alto costo de operación (ventilador y efectos indirectos en eficiencia y potencia de la central) - Emisión de ruido. - Desempeño reducido en periodos de alta temperatura. - Requiere más espacio.
Al momento de seleccionar sistemas de enfriamiento para centrales termoeléctricas es necesario
realizar un balance entre eficiencia de la central, los potenciales impactos al medio ambiente, y costo
(Figura 23)
22
Consumo de agua se refiere al agua perdida, que no es retornada a la fuente de agua. Este concepto se diferencia de retiro de agua, el cual se refiere al agua captada desde una fuente de agua.
Inodú 37
Figura 23: Balance relacionado entre eficiencia de la central, impacto ambiental, y costo.
A continuación se describirán diferentes factores que se asocian al balance de desempeño de los
diferentes sistemas de enfriamiento.
6.4.1 Balance por Efectos del Uso de Sistemas de Enfriamiento en la Eficiencia de la Central
Como se mencionó en la sección 6.2.2, la eficiencia de una central termoeléctrica puede verse afectada
producto del sistema de enfriamiento escogido (EPA 2001; IPPC 2001; ASME 2014). Otro factor que
incide en la reducción de eficiencia es la diferencia de energía utilizada por los sistemas de bombeo y
ventiladores que componen el sistema de enfriamiento (EPA 2001, IPPC 2001). Este punto fue
demostrado por la Agencia de Protección Ambiental de los Estados Unidos (EPA) el año 2001. La EPA
analizó sistemas de enfriamiento alternativos en diferentes lugares de los Estados Unidos, el resultado
de este análisis se sintetiza en la Tabla 14 (EPA 2001), se observa que la mayor eficiencia se logra con
sistemas abierto de paso único. La utilización de sistemas secos puede tener un impacto de hasta 10%
en la eficiencia para centrales a carbón. Las centrales tipo ciclo combinados se ven menos afectadas
debido a que el ciclo de vapor representa 1/3 de la capacidad total instalada.
Tabla 14: Porcentaje promedio de reducción de energía producida por centrales de Estados Unidos, producto de cambiar de un sistema de enfriamiento a otro (EPA, 2001).
La IPPC determinó que la preferencia de un sistema cerrado con torres de enfriamiento por sobre un
sistema abierto de paso único, podría producir una reducción máxima de eficiencia de 2% por efecto del
Inodú 38
menor desempeño de condensación, y una reducción adicional de 1% por efecto del uso de energía en
bombas y ventiladores (IPPC 2001).
Lo anterior es cierto para el reacondicionamiento de plantas debido a que existen definiciones del
diseño que no se pueden modificar, o es muy costoso hacerlo. Sin embargo, en plantas nuevas la
elección de un sistema de enfriamiento va acompañado del diseño del condensador y la turbina de
vapor, por lo tanto existe mayor flexibilidad en la selección de características de diseño que permiten
reducir las pérdidas de eficiencia mencionadas (GE, 1996). Adicionalmente, dado que parte de la función
primaria del sistema de enfriamiento considera la minimización de los incrementos de presión de salida
de la turbina, ante condiciones ambientales adversas (alta temperatura y humedad) los sistemas
cerrados de enfriamiento son menos efectivos en cumplir esta función. Cuando estas condiciones se
presentan, tanto plantas nuevas como existentes que utilizan este tipo de sistemas ven afectada su
eficiencia.
6.4.2 Balance por Impacto Ambiental Asociado al Uso de Agua de Sistemas de Enfriamiento
En la Tabla 15 se resumen los efectos producto del impacto ambiental asociado a los diferentes sistemas
de enfriamiento (IPPC 2001).
Tabla 15: Impacto ambiental de los diferentes sistemas de enfriamiento (adaptado de IPPC 2001)
Inodú 39
6.4.2.1 Balance por Aumento de Temperatura del Agua Empleada en Enfriamiento de una
Planta Termoeléctrica
En la Sección 3.3 se mencionaron los impactos de la descarga de agua con excesos térmicos que
producen los sistemas de enfriamiento sobre el ambiente acuático receptor. Hay diversos factores que
influyen en el grado de impacto, y el análisis de este se debe realizar sitio a sitio o bien proyecto
específico. Las medidas de mitigación o de atenuación de efectos pasan más que nada por el uso y
óptimo diseño de difusores (para optimizar la mezcla) y la búsqueda de un punto de descarga que
asegure una rápida y eficiente dilución y dispersión de los contaminantes. La primera tiene que ver con
el diseño geométrico del difusor (ingeniería), y la segunda con estudios de campo sitio específico. Un
sistema de enfriamiento abierto, que descarga con mayores caudales y excesos térmicos en
comparación a un sistema de enfriamiento cerrado, generará una pluma térmica de mayor cobertura
espacial (horizontal y vertical).
En el caso de los sistemas cerrados de recirculación utilizando torres de enfriamiento, la tasa de flujo de
vapor descargado a la atmosfera puede ser el doble que para un sistema abierto de paso único, lo que
se traduce en la formación de una pluma de vapor. En el caso de torres de enfriamiento secas y
condensadores enfriados por aire, no se producen cambios de humedad del aire pero sí de su
temperatura (IPPC 2001).
6.4.2.2 Balance por Impacto por Arrastre y Atrapamiento
El impacto del arrastre y atrapamiento de organismos acuáticos depende del volumen de agua
succionado, la velocidad de succión en la bocatoma, el grado de productividad biológica del lugar y
profundidad de captación, y el tipo de sistema de protección de captación utilizado. De esta forma, un
sistema cerrado de recirculación tiene asociado una menor probabilidad de causar impacto por arrastre
y atrapamiento de organismos que un sistema abierto sin medidas efectivas de mitigación de este
impacto instaladas, debido a que capta menos agua. Sin embargo, estas diferencias debieran ser
atenuadas significativamente mediante el empleo de mecanismos de protección adecuados (detalles en
la Sección 7)
6.4.2.3 Balance por Retiro y Consumo de agua
La evaporación está asociada al consumo de agua en el sistema de enfriamiento, factor que tiene mayor
relevancia en sistemas que hacen uso de agua dulce. De este modo, aunque los sistemas de
enfriamiento abiertos de paso único no consumen el agua que retiran, al descargarla al cuerpo de agua
con exceso de temperatura se podría producir un cierto consumo de agua producto de la evaporación
(380 - 1.500 litros/MWh) (EPRI 2013; ASME 2014). En el caso de los sistemas cerrados de recirculación
con torres de enfriamiento, el consumo de agua es mayor debido a la evaporación y drift23. Por lo tanto,
si bien los sistemas abiertos retiran más agua desde los cuerpos de agua que los sistemas cerrados,
estos últimos consumen más agua producto de la evaporación (Tabla 16).
23
Pequeñas perdidas producto de gotas que se escapan en el aire que fluye por las torres de enfriamiento.
Inodú 40
Tabla 16: Retiros y consumos de agua para los diferentes sistemas de enfriamiento
Sistema Abierto Sistema Cerrado Sistema Seco Sistema Hibrido
Retiro m3/MWh
Consumo m3/MWh
Retiro m3/MWh
Consumo m3/MWh
Retiro m3/MWh
Consumo m3/MWh
Retiro m3/MWh
Consumo m3/MWh
Fuente
Ciclo Vapor simple
75,7 - 189 1,14 1,14 - 2,27 1,14 - 1,82 --- --- NI NI Lamya, 2012
95 - 170 NI 2 – 3 NI ~0 NI 1 - 2,7 NI EPRI, 2008
Ciclo Combinado
28,4 - 75,7 0,38 0,87 0,68 --- --- NI NI Lamya, 2012
26,5 - 45,5 NI 0,66 - 0,95 NI ~0 NI 0,28 - 0,85 NI EPRI, 2008
NI: No Indicado
En el caso de las torres de enfriamiento el requerimiento de agua puede ser mitigado gestionando su
operación. Si se evita realizar excesivas purgas al agua del sistema cerrado se disminuye el
requerimiento de agua de reposición. Lo anterior se asocia al factor de concentración de las torres;
mientras más alto es el factor de concentración menor la frecuencia de purgas y menor será el
requerimiento de agua. Sin embargo, la operación de la torre con un mayor factor de concentración,
sobre cierto umbral, requiere de un mayor uso de químicos para proteger el sistema de enfriamiento
(Tetra Tech 2010b). Por lo tanto, para aumentar el factor de concentración se deben tener en
consideración factores químicos y físicos, y se debe balancear los efectos positivos con los potenciales
negativos que pueda esto traer para las torres (IPPC 2001).
6.4.2.4 Balance por Efecto en Emisión de Gases a la Atmosfera
Por efecto de la pérdida de eficiencia de la central (Sección 6.4.1) se produce un aumento — por kWh
producido — en los niveles de emisión a la atmosfera (EPA 2001; IPPC 2001). La Tabla 17 indica el
aumento de emisiones estimado por la US EPA, asociados al uso de diferentes sistemas de enfriamiento.
El cálculo corresponde a un ejercicio teórico donde se evalúa el efecto del uso de uno u otro sistema de
enfriamiento sobre el parque térmico instalado en Estados Unidos.
Tabla 17: Ejemplo de comparación de emisiones de CO2 asociados a diferentes sistemas de enfriamiento (EPA 2001)
*Considerando todo el parque térmico de US.
** Para emisiones de Mercurio corresponde a 3x800 MW de carbón a plena capacidad
Inodú 41
6.4.2.5 Balance por Otros impactos
Emisiones en el aire de enfriamiento: Se han reportado emisiones de biocidas y de bacterias en el aire
que emiten las torres de enfriamiento. Estos elementos son arrastrados al ambiente en pequeñas gotas
de agua que podrían salir de la torre (drift). Estas gotas contienen las mismas impurezas químicas que el
agua de enfriamiento (i.e. sólidos disueltos), lo cual puede producir molestias en las cercanías tales
como manchas en automóviles, ventanas, y edificios (Marley 2009). Sin embargo, estas emisiones son
consideradas bajas debido a que actualmente la mayoría de las torres de enfriamiento utilizan
mecanismos eliminadores de drift (IPPC 2001).
Formación de pluma de vapor: En las torres de enfriamiento se forma una pluma de vapor cuando el
aire con alto contenido de humedad — que sale de ellas — entra en contacto con la atmosfera y
comienza a enfriarse. Esta pluma genera efectos estéticos, en especial en torres utilizadas en centrales
de gran capacidad. Los efectos de la pluma de vapor son más pronunciados en condiciones atmosféricas
más frías y húmedas (IPPC 2001). La pluma de vapor puede ser abatida secando el aire antes que este
abandone la torre.
Ruido: Se asocia a las torres de enfriamiento de tiro mecánico, a las grandes torres de tiro natural, y a
los sistemas de enfriamiento secos. Las principales fuentes de ruido son los ventiladores, las bombas, y
el agua cayendo al pozo de agua de las torres (IPPC 2001). La Tabla 18 muestra los niveles de ruido
informados por el IPPC para cada sistema de enfriamiento.
Tabla 18: Emisiones de ruido asociado a diferentes sistemas de enfriamiento (IPPC 2001).
Sistema de enfriamiento Emisión de ruido dB(A)
Sistema Abierto ---
Sistema cerrado Torre tiro natural 90 – 100
Sistema cerrado Torre tiro mecánico 80 – 120
Sistema Seco 90 – 130
Sistema Híbrido 80 – 120
6.5 Balance por Costos de los Distintos Sistemas de Enfriamiento
El sistema de enfriamiento de una central termoeléctrica afecta el precio de la energía comercializada
debido a los compromisos de inversión, costos de operación y costos asociados al cumplimiento
medioambiental que están directa e indirectamente asociados a su definición. Como se ha explicado
anteriormente, la selección del sistema de enfriamiento afecta el desempeño operacional y económico
de una central debido a su relación con la eficiencia y capacidad de una central. Adicionalmente, es
importante destacar que la especificación del sistema está directamente influenciada por las
características climáticas e hidrológicas del emplazamiento (Tabla 10 y Sección 6.2.1).
A modo de ejemplo, es posible identificar que para una condición de temperatura de agua retirada
determinada, una central termoeléctrica con torre de enfriamiento puede ser más eficiente que una
Inodú 42
central con sistema de enfriamiento abierto a partir de una elevación – por determinar24 – del
emplazamiento de la central sobre el punto de retiro de agua. Si la diferencia de altura entre el
emplazamiento de la central y el punto de retiro de agua es baja – por determinar24 – una central
termoeléctrica con sistema de refrigeración abierto es más eficiente desde el punto de vista energético
que una central con torre de enfriamiento, asumiendo que el cuerpo de agua receptor tiene la
capacidad de recibir la carga térmica del efluente.
Para un proyecto específico, y por lo tanto, una localidad determinada, la comparación entre distintos
sistemas de enfriamiento se debe realizar considerando los siguientes criterios:
1. El análisis se debe realizar entre sistemas adecuados para una central específica. Un sistema
optimizado generalmente corresponde a uno que minimiza todos los costos relacionados a la
selección del sistema de enfriamiento durante el ciclo de vida de la planta. Lo anterior no
siempre es efectivo debido a que objetivos asociados al modelo de negocios del desarrollador,
en conjunto con el contexto regulatorio, podrían priorizar la minimización del costo inicial del
sistema, por sobre el costo durante el ciclo de vida completo de la solución.
2. El análisis del sistema debe incluir todos los costos – directos e indirectos – derivados de la
selección y desempeño operacional del sistema de enfriamiento.
Distintos criterios de diseño pueden ser utilizados para definir un sistema de enfriamiento. En algunos
casos, los criterios de selección consideran la minimización del costo inicial; en otros casos, la definición
se realiza simplemente en función de la experiencia previa del desarrollador.
Como práctica se ha definido clasificar los costos en cuatro categorías (ASME, 2014):
1. Costos de inversión específicos del sistema de enfriamiento
Incluye el costo de todos los componentes principales del sistema de enfriamiento: condensador
y torre de enfriamiento (este último en caso de ser aplicable). Adicionalmente, se recomienda
considerar el costo de todos los elementos relacionados al sistema de enfriamiento, tales como:
bombas para circulación de agua, líneas para circulación de agua, estructuras de captación y
descarga de agua, planta de tratamiento de agua, entre otros.
En Chile, la mayoría de las centrales se han desarrollado en la costa; por tanto, es importante
cuantificar la relación entre el flujo de agua retirada por sistemas abiertos y torres de
enfriamiento, y las implicancias que un menor flujo de agua retirada para enfriamiento tiene en
el diseño del sistema de captación y descarga de la central (Figura 24).
24
Para el contexto del estudio, lo importante es identificar la influencia de este factor en la determinación de una alternativa u otra, no el valor específico en el cual se produce el cambio de recomendación. La determinación de este valor escapa del alcance del estudio.
Inodú 43
En centrales localizadas en el interior se pueden considerar sistemas de toma de agua en
canales, pozos, riveras de ríos o lagos.
Figura 24: Ilustración de costos directos asociados a sistemas de enfriamiento que utilizan agua
Los costos de inversión específicos del sistema de enfriamiento son altamente dependientes de
las condiciones específicas del emplazamiento.
2. Costos de operación y mantenimiento específicos del sistema de enfriamiento
Incluye los costos de suministro de la electricidad necesaria para operar los componentes del
sistema de enfriamiento (bombas para circulación de agua, ventiladores). Adicionalmente se
debe considerar el costo del agua (en caso de ser aplicable), y los costos de inspección,
mantención, control de la calidad del agua necesaria para la operación, y reparación.
3. Costos de la central afectados por la selección del sistema de enfriamiento
En ciertos casos, la selección del sistema de enfriamiento puede afectar la selección de otros
elementos mayores de la central termoeléctrica, como por ejemplo, la turbina a vapor. La
diferencia de costo producto de la selección de una turbina con distintos parámetros de diseño,
optimizados para sistema de enfriamiento específico, deben ser considerados en la evaluación.
A modo de ejemplo, una planta diseñada con un sistema de enfriamiento seco es recomendable
que seleccione una turbina con la capacidad de tolerar una mayor presión de salida.
Adicionalmente es importante considerar los costos – y tiempo – asociado a la obtención de
permisos para retirar y descargar agua para enfriamiento.
Elevación de la
central sobre la
estación de
bombeo
Inodú 44
4. Costos de penalización producto de la selección del sistema de enfriamiento
Representan la influencia que el sistema de refrigeración tiene sobre la eficiencia y la capacidad
de la central termoeléctrica. Estos costos están relacionados por la capacidad del sistema de
enfriamiento para mantener la presión a la salida de la turbina en niveles cercanos a la presión
de diseño, y minimizar los incrementos de presión de salida ante condiciones ambientales
adversas (alta temperatura y humedad).
Una mayor presión a la salida de la turbina incrementa el consumo específico de calor (heat
rate) de la central. En este caso, se requiere un mayor consumo de combustible para mantener
la producción de energía eléctrica mediante una sobre combustión – condición aceptable sólo si
la planta tiene la capacidad necesaria para aceptar esta condición. En algunas condiciones, se
debe mantener la tasa de combustión de la central y mantener la presión de salida de la turbina
dentro del rango especificado para su operación, produciéndose una reducción en la generación
de energía eléctrica.
La determinación de estos costos requiere de una revisión cuidadosa no sólo de las condiciones
de operación actuales y proyectadas, sino también de factores asociados al contexto económico
en que se inserta la operación de la central.
En la siguiente sección se ilustra el análisis referencial de costos para sistemas de enfriamiento aplicado
al contexto chileno.
6.5.1 Análisis referencial de sistemas de enfriamiento aplicado al contexto chileno
En esta sección se desarrolla un análisis referencial de los aspectos que se consideran necesarios para
evaluar sistemas de enfriamiento en Chile. A modo de reflejar la influencia de factores ambientales, el
análisis considera cuatro emplazamientos, que han sido utilizados históricamente para desarrollar
plantas termoeléctricas. En este contexto, la Tabla 19 presenta la definición de las condiciones
ambientales y generales de evaluación en cada uno de los emplazamientos seleccionados.
Tabla 19: Definición de condiciones ambientales de los distintos emplazamientos evaluados
Inodú 45
Tabla 20: Caracterización de la central a evaluar
Cantidad Unidades
Potencia Nominal Turbina 260 MW
Combustible Carbón
Presión de Entrada a la Turbina 160 (bar abs)
Presión de Salida de la Turbina 0,078 (bar abs)
Flujo de Vapor 764 (ton/hr)
Factor de Limpieza de Agua 90 %
Carga Térmica 1.156 (TJ/hr)
La Tabla 20 sintetiza la caracterización de la central evaluada en los distintos emplazamientos. En Chile
el desarrollo de centrales termoeléctricas se ha realizado utilizando unidades entre 150 y 350 MW.
Referencias internacionales consultadas, que desarrollan un análisis similar, evalúan unidades sobre 500
MW (ASME, 2014; EPRI, 2004; EPRI, 2013). Adicionalmente, estos estudios consideran condiciones
ambientales y emplazamientos diferentes a los caracterizados en Chile.
La Tabla 20 presenta los requerimientos de diseño (temperatura y flujo de agua) para los distintos
sistemas de enfriamiento evaluados en las cuatro localidades de interés. Para el caso de sistemas con
torres de enfriamiento y sistemas con estanque de enfriamiento, se utilizó la temperatura de bulbo
húmedo correspondiente al 1% más alta. Para establecer una filosofía de diseño equivalente en todos
los casos, se definió en 8 ºC la diferencia entre la temperatura del agua de entrada al condensador y la
temperatura de bulbo húmedo.
Para el caso de sistema con aerocondensador, se utilizó la temperatura de bulbo seco correspondiente a
los casos indicados anteriormente. En los sistemas de enfriamiento cerrados (torres de enfriamiento,
aerocondensador y estanque de enfriamiento) se definió una temperatura a la salida del condensador
equivalente a 38 ºC.
Inodú 46
Tabla 21: Requerimientos ambientales y de uso de agua para cada emplazamiento
Para sistemas de enfriamiento abierto, con torre y estanque, es importante mencionar que la definición
de una presión de diseño a la salida de la turbina está relacionada con la selección de la temperatura
ambiente de diseño, debido a que la diferencia entre la temperatura de condensación (para una presión
determinada a la salida de la turbina) y la temperatura de bulbo húmedo definen la diferencia de
temperatura utilizada en el sistema de enfriamiento para transferir la carga térmica de diseño. Para
sistemas con aerocondensador, se debe utilizar la temperatura de bulbo seco, en reemplazo de la
temperatura de bulbo húmedo comentada anteriormente.
En algunos casos, particularmente aquellas centrales termoeléctricas con aerocondensador emplazadas
en zonas con temperaturas particularmente altas durante ciertos días de verano, la selección una
presión a la salida de la turbina equivalente, por ejemplo, a 0,078 bar abs, en conjunto con la definición
de diseño basada en una temperatura típica de verano, se traducirá en la selección de un
aerocondensador más grande para mantener un desempeño operacional equivalente a la condición de
diseño.
La Figura 25 ilustra los costos referenciales obtenidos para sistemas de captación de agua (sin considerar
la estación de bombeo). La Tabla 22 presenta los costos referenciales obtenidos para los sistemas con
torres de enfriamiento. La Tabla 23 presenta los costos referenciales obtenidos para sistemas de
refrigeración que consideran estanque de enfriamiento con sistema especial para el tratamiento de
agua. La Tabla 24 sintetiza los costos referenciales obtenidos para los sistemas con aerocondensador.
Para obtener los costos mencionados anteriormente se realizaron entrevistas a proveedores y empresas
desarrolladoras de proyectos de ingeniería, a las que se facilitó un documento con los requerimientos de
diseño para cada alternativa (inodú, 2014).
Inodú 47
Para los sistemas de captación tipo sifón invertido se obtuvo un costo de inversión entre kUSD$ 160 y
267 por metro, influenciado principalmente por el largo de la tubería y las condiciones específicas del
emplazamiento; factores que afectan - en mayor medida - la cantidad y características del sistema de
pilotes.
Figura 25: Ilustración de costos referenciales asociados a sistemas de captación de agua
Después del sistema de captación se localiza la estación de bombeo, donde se instala un conjunto de
bombas de impulsión (tipo vertical). Generalmente el costo de operacional de bombeo durante todo el
ciclo de vida de proyecto es varios órdenes de magnitud superior al costo de inversión de la solución de
bombeo; por lo tanto, factores como la altura de la bomba y el flujo son relevantes al realizar la
evaluación (Figura 15). Es en este contexto, donde los mecanismos que reducen el flujo (retiro de agua)
pueden ser una solución específica a la reducción del costo operacional de bombeo, sobre todo cuando
se incrementa la elevación de la planta respecto a la elevación de la estación de bombeo.
En los sistemas con torres de enfriamiento no se encontró una diferencia representativa de costo en las
distintas localidades analizadas. La temperatura, humedad y la elevación (densidad del aire) son los
factores determinantes en una evaluación (el orden de los factores indica también su importancia
relativa). Para el caso particular del sistema de torres analizado en Quillota, dada la mayor temperatura
especificada para la entrada al condensador, se requiere un mayor flujo (uso) de agua. Sin embargo,
desde el punto de vista de diseño esta consideración no implicó la necesidad de una torre con mayor
número de celdas.
Inodú 48
Tabla 22: Costos referenciales asociados a torres de enfriamiento
Tabla 23: Costos referenciales asociados de enfriamiento con estanque
La temperatura y la elevación (densidad del aire) son los factores determinantes en una evaluación (el
orden de los factores indica también su importancia relativa) de un sistema con aerocondensador. Se
identificó una diferencia significativa de costo entre los sistemas localizados en la costa y el sistema
localizado en el interior (Quillota). Esto se debe al mayor número de celdas requeridas para realizar la
función de enfriamiento.
La Tabla 25 define los alcances considerados en la evaluación presentada anteriormente y expone los
costos para comparar los tres componentes de enfriamiento (torre, estanque y aerocondensador). Es
complejo derivar costos comparables con los resultados expuestos hasta este momento. Para ello, el
análisis tiene que ser ampliado, integrando en la evaluación los distintos aspectos que forman el sistema
de enfriamiento, y la evaluación de aquellos componentes directos e indirectos que fueron
mencionados en la sección 6.5, hecho que se sintetiza en la Tabla 26 y Tabla 27.
Inodú 49
Tabla 24: Costos referenciales asociados a aerocondensador
Tabla 25: Definición de alcance de costos presentados para cada componente de enfriamiento
Inodú 50
Tabla 26: Comparación de costos de inversión totales entre los distintos sistemas de enfriamiento
(*): El valor corresponde a un valor publicado por la EPRI.
Inodú 51
Tabla 27: Comparación de aspectos operacionales que afectan el costo de los distintos sistemas de enfriamiento
6.5.2 Indicación de casos internacionales
Para establecer los criterios de diseño asociado a las torres de enfriamiento se consideraron
publicaciones desarrolladas por Marley Cooling Towers y la EPRI (EPRI, 2004) (Hensley, 2009).
Las consideraciones relacionadas a la interacción del sistema de enfriamiento con la turbina a vapor
fueron derivadas de referencias desarrolladas por la ASME, EPRI y GE (Wright, 1996) (GE, 1996) (EPRI,
2005) (EPRI, 2002) (EPRI, 2004) (ASME, 2014).
Como referencia para definir los criterios de diseño asociados a los aerocondensadores se utilizó
publicaciones realizadas por la EPRI, la US EPA, y SPX Cooling Technologies (Rossie & Cecil, 1971)
(Henderson, 1976) (EPRI, 2005) (Wurtz & Nagel, 2006) (Nagel & Wurtz, 2006).
A modo de referencia, es importante destacar que el año 2013 la EPRI publicó los siguientes costos
asociados a componentes de sistemas de enfriamiento: M US$0,5 por celda en un sistema de torres de
Inodú 52
enfriamiento, USD$1,5 millones por celda en un aerocondensador, y entre USD$1 - USD$2,5 millones
por un condensador con la capacidad de enfriar 57.000 m3/hr (EPRI, 2013). Adicionalmente, en un
estudio para el estado de California desarrollado el 2008 se publicaron los siguientes valores: USD$0,50 -
USD$0,65 millones por celda en un sistema de torres de enfriamiento (Tetra Tech Inc., 2008).
7 Mecanismos Reducción de Atrapamiento y Arrastre de Organismos
Mediante Protección del Sistema de Enfriamiento
La función del sistema de protección del sistema de enfriamiento de una planta termoeléctrica no sólo
es reducir la probabilidad de obstrucción de tubos del condensador al impedir el paso de objetos y
organismos presentes en el agua (biomasa), sino también, proteger a los organismos presentes en el
medio acuático de los efectos que puede causar su atrapamiento en rejillas o su arrastre hacia el interior
de sistema de enfriamiento de la central.
La selección de cualquier tecnología de protección del sistema de enfriamiento debe ser revisada con un
entendimiento completo de los parámetros de diseño y operación de la planta. Para una planta nueva,
se puede mantener cierta flexibilidad durante la etapa de diseño (hasta cierto grado de avance del
proyecto). Para una planta existente, los parámetros de diseño y operación imponen restricciones
importantes en el potencial de aplicación a una tecnología de protección del sistema de enfriamiento.
En este contexto, se deben tener en consideración diversos parámetros de diseño, operación y
restricciones que influencian la aplicación práctica y la efectividad biológica de una tecnología de
protección específica, en el sitio de interés(EPRI, 2000):
Ubicación de la estación
Tamaño de la planta
Tipo de operación de la planta (base,
peak)
Tipo de sistema de captación (en línea
costa o fuera línea costa)
Fuente de agua
Tipo de sistema de enfriamiento
Arquitectura y tamaño del sistema de
bombeo
Tipos de materiales utilizados en la
construcción
Niveles de agua de diseño
Velocidad de succión
Modo de operación de las pantallas - o
filtros (continuo o intermitente).
Otros
En sistemas de toma de agua existentes, las estructuras de soporte disponibles pueden restringir
la capacidad de tolerar esfuerzos adicionales producto de la instalación de una tecnología
específica. La velocidad del agua a través de, o alrededor de, el sistema de protección también
influencia la carga estructural del sistema existente. Estos factores deben ser considerados al
momento de establecer nuevos requerimientos en sistemas ya instalados.
Inodú 53
Los mecanismos de reducción de atrapamiento y arrastre de organismos mediante la protección
del sistema de enfriamiento pueden tener un rol importante en el diseño de centrales
termoeléctricas eficientes y operadas en armonía con el medio acuático, en localidades donde el
volumen de agua retirado por la central es varios órdenes de magnitud inferior al volumen de
agua disponible. Ciertos autores indican que la reducción de atrapamiento y arrastre de
organismos mediante reducción de flujo de agua (por ejemplo, torres de enfriamiento) podrían no
ser, en todos los casos, la alternativa de diseño más conveniente para condiciones particulares del
emplazamiento, debiendo ser consideradas otras soluciones de menor complejidad y costo
(Hanson, White, & Li, 1977) (Hadderingh, 1979). En este contexto, un reporte desarrollado el año
2010 por la Agencia de Medio Ambiente de Reino Unido indica que sistemas de refrigeración con
torres de enfriamiento no han sido utilizados en plantas instaladas en las costas de Europa, siendo,
a esa fecha, los sistemas de enfriamiento abierto los aplicados en estas situaciones25.
Existen diversas tecnologías que utilizadas de manera aislada o combinada tienen el potencial de
reducir el atrapamiento y el arrastre de organismos de manera significativa (US EPA, 2014, págs.
133-204) (US EPA, 2014, págs. 127-156). Su efectividad biológica y la factibilidad de aplicación
práctica desde el punto de vista ingenieril es altamente dependiente de las condiciones
particulares del emplazamiento y del tipo de organismos que se desean proteger. Por
consiguiente, los costos asociados a la instalación de éstas tecnologías también es altamente
dependiente de las condiciones particulares del emplazamiento (Taft & Cook, 2003).
Pruebas efectuadas en campo han resultado en una tasa de sobrevivencia sobre 70 - 80%, en un
espectro relevante de familias de organismos, con un diseño y operación adecuado de pantallas
protectoras (ASA Analysis & EPRI, 2008). Como los tubos del condensador corresponden al punto
de menor diámetro en el sistema de paso de agua de enfriamiento, y por lo tanto, tienen mayor
riesgo de obstrucción; históricamente el tamaño de las ranuras de las mallas de protección del
sistema de captación de agua ha sido determinado en función del diámetro de los tubos del
condensador. Como regla general se ha utilizado que el tamaño de las ranuras de protección no
debe ser mayor a la mitad del área de sección del tubo del condensador.
Debido a la diversidad de aplicaciones de protección factibles de utilizar en sistemas de captación,
la diversidad de condiciones medioambientales, y el creciente énfasis en la necesidad de
considerar la protección de organismos marinos, es recomendable trabajar en establecer las
consideraciones generales, y factibles de utilizar, para desarrollar, implementar y evaluar los
distintos sistemas que se podrían utilizar para proteger los sistemas de captación de agua en Chile.
De esta forma, se podrá no sólo establecer las ventajas y desventajas de cada concepto de
solución, sino también contribuir a evaluar y seleccionar aquellas alternativas que presenten
mayor potencial de proteger organismos acuáticos en la zona de interés. Alden Research
25
Los sistemas en la costa no enfrentan las limitaciones de capacidad térmica que podrían tener estuarios, ríos o lagos. Se asume que el sistema de descarga es diseñado y emplazado apropiadamente para evitar impacto de efectos térmicos, los que no representarían un problema fuera del límite de zona de mezcla.
Inodú 54
Laboratory ha propuesto un listado de requerimientos que podrían ser considerados; el orden del
listado expuesto a continuación no refleja aquellos de mayor prioridad (Alden, 2003):
Los sistemas deberían proveer protección a aquellos organismos seleccionados, presentes en el emplazamiento de la central termoeléctrica de interés.
Los sistemas deberían ser diseñados para reducir la entrada o arrastre de peces en etapas tempranas de vida (porcentaje a ser determinado en función de línea de base26).
Los sistemas deberían ser diseñados para reducir el atrapamiento de peces juveniles y adultos (porcentaje a ser determinado en función de línea de base26).
Los sistemas deberían tener condiciones apropiadas para proteger peces en un rango determinado de flujos de agua (acorde con las condiciones de operación de la central).
Los sistemas deberían tener en consideración las condiciones y características actuales de un proyecto existente.
Los sistemas deberían funcionar en un ambiente con presencia de desechos y sedimentos (en condiciones normales).
Los sistemas deberían ser compatibles con los requerimientos recreacionales y estéticos definidos para el emplazamiento específico.
Los sistemas deben corresponder a desarrollos tecnológicos disponibles, que no requieran un mayor desarrollo de investigación e ingeniería.
Se debe considerar que una tecnología específica tiene efectividad biológica probada27 si existen
datos (preferentemente de implementaciones a escala industrial) que documenten que la
tecnología ha sido efectiva protegiendo — en otras localidades — a uno o más organismos
similares a los presentes zona de interés28. Desde el punto de vista de ingeniería, una tecnología
26 De acuerdo a la EPA la determinación de la línea de base considera el arrastre y atrapamiento que podría
ocurrir en un sistema de captación de agua si éste fuera diseñado y operado en las siguientes condiciones: 1)
Sistema de refrigeración de paso único abierto; 2) la entrada de la toma de agua ubicada en la línea de la
costa con un sistema de filtros de 3/8 pulgadas móviles orientado paralelo a la línea de la costa; y 3) se
mantienen procedimientos y prácticas de operación considerando la ausencia de mecanismos de control
que reducen el atrapamiento y el arrastre (EPRI, 2005).
27 Ha reducido de manera significativa el arrastre y el atrapamiento de organismos en aplicaciones a escala
industrial.
28 La EPRI recomienda que independiente del método para estimar el potencial de efectividad biológica, las
fuentes de información y metodología sean citadas en un reporte técnico (EPRI 2000). Se sugiere resumir la
información para documentar la utilización previa de una tecnología y efectividad biológica teniendo en
consideraciones factores de ambientales, de ingeniería, y de operación que podrían influenciar el
desempeño de la tecnología en evaluación. La información deseable a presentar incluye: la localización
donde ha sido utilizado el sistema, el tipo de cuerpo de agua, el tamaño de la planta (número de unidades y
capacidad), el tipo de sistema de enfriamiento y flujo de agua requerido, el tipo de sistema de captación de
agua, los parámetros de diseño de las rejillas de protección (tamaño de ranuras, velocidad de flujo de agua),
las características del agua (temperatura, salinidad, sedimentos), presencia de residuos, características de
bioincrustación, efectividad biológica, y referencias relevantes.
Inodú 55
puede tener una ventaja sobre otra si, para una efectividad biológica similar, tiene menores
requerimientos estructurales para su instalación.
El listado de tecnologías disponibles que, en distinta medida dependiendo de las condiciones del
emplazamiento, tienen el potencial de reducir el atrapamiento y el arrastre de organismos por el
sistema de captación de agua se presenta en la Tabla 28. Por completitud se incluyen también las
alternativas que involucran una reducción de flujo de agua. La tabla está basada en la información
presentada en (Taft & Cook, 2003). Una comparación más extensiva de las ventajas y desventajas
de los distintos conceptos es presentada en la Tabla 19-4 de (EPRI, 2005), en(Taft E. , 2000), en
(Turnpenny & O'Keeffe, 2005) y (Alden, 2003).
En la Tabla 28 se agrupan las tecnologías según distintas familias. Una familia corresponde a
aquellas tecnologías que cumplen la función de bloquear físicamente el paso de organismos
(barreras físicas) (Anderson, 2004) (EPRI, 2006) (EPRI, 2006) (Watson, 2004) (Turnpenny &
O'Keeffe, 2005). Desde la perspectiva biológica, esta tecnología es efectiva cuando se combina con
una baja velocidad de captación de agua, en caso contrario, una barrera con aberturas más
pequeñas para reducir el arrastre de organismos produciría un mayor atrapamiento de estos.
Una segunda familia tecnológica corresponde a aquellos sistemas que cumplen la función de
recolectar, activa o pasivamente, organismos para transportarlos a través de un sistema de
retorno (Sistemas de Recolección). Los anteriores pueden ser combinados con Sistemas de
Redirección, que orientan organismos a un sistema de retorno o zona segura. Finalmente se
presentan aquellos sistemas que toman ventaja de, o tienen la capacidad de, alterar el
comportamiento natural de los organismos para repelerlos o atraerlos (Guías de Comportamiento)
(Brown, 2004) (EPRI, 2006) (EPRI, 2008) (Tumpenny, 2004). Estos sistemas no garantizan una
barrera al paso de peces, por lo que frecuentemente son utilizados en aplicaciones menos críticas,
o donde la alternativa es simplemente no tener sistema de protección.
En algunos casos, pequeñas modificaciones a una de las alternativas tecnológicas de las familias
mencionadas anteriormente, puede alterar su modo de acción. En este contexto, una tecnología o
sistema específico puede utilizar más de un modo de acción simultáneamente.
Inodú 56
Tabla 28: Alternativas Tecnológicas de Protección del Sistema de Enfriamiento
Las familias o categorías descritas anteriormente para los mecanismos reducción de atrapamiento
y arrastre de organismos mediante protección del sistema de enfriamiento generalmente tienen
distinto desempeño biológico dependiendo de la etapa de vida en que se encuentran los
organismos que interactuarán con el sistema. La Tabla 29 presenta el nivel de efectividad para
cada una de las cuatro familias identificadas para proteger organismos dependiendo de la etapa
de vida en que se encuentren: huevo, larva, juvenil y adulto (EPRI, 2000). En términos generales,
se ha determinado que las alternativas de mitigación de atrapamiento basadas en la alteración del
comportamiento de los organismos son generalmente poco efectivas en reducir el arrastre de
larvas (Weisberg, Burton, Jacobs, & Ross, 1987). Por consiguiente, los siguientes conceptos pueden
ser considerados con efectividad tecnológica limitada: Infrasonido, Lámpara de Mercurio,
Pantallas eléctricas, y Cortina de Burbujas (Taft E. , 2000). Adicionalmente, estos sistemas son
dependientes de factores medioambientales como el flujo de agua, turbiedad, profundidad,
temperatura, entre otros.
La Tabla 30 presenta una evaluación simplificada de las distintas tecnologías identificadas de
acuerdo a Alden Research Laboratory. La evaluación presentada determinó para cada tecnología
su efectividad biológica, su disponibilidad, y si la tecnología presenta ventajas sobre las otras
(Alden, 2003).
Tabla 29: Potencial de Protección de las Familias de Concepto en Función de la Etapa de Vida del Organismo (EPRI, 2000)
Inodú 57
El contexto en Chile favorece el emplazamiento de plantas termoeléctricas en la costa debido a la
mejor accesibilidad y menor costo de transporte de combustible, y mayor accesibilidad a agua
para refrigeración; situación que es distinta al contexto de desarrollo de plantas termoeléctricas
en Estados Unidos (US EPA, 2014, págs. 66-67), Canadá (Tetra Tech Inc, 2009) y Europa, donde la
mayoría de las plantas se sitúan en el interior y utilizan agua dulce. Por lo tanto, es esperable que
parte importante de las tecnologías mencionadas anteriormente tengan una verificación y
validación más limitada en ambientes marinos.
Un estudio realizado el año 2005 en Estados Unidos menciona que los sistemas de protección que
alteran el comportamiento de los organismos (ej: aquellos basados en luminarias, sonido y cortina
de burbujas) no han sido probados a escala industrial en sistemas de captación ubicados fuera de
la línea de la costa (MBC Applied Environmental Sciences, 2005). El 2008 se publicó un reporte que
refuerza esta preocupación indicando que la mayoría de las tecnologías requerirán el desarrollo de
pruebas en terreno en California, específicamente para las condiciones de las plantas que utilizan
sistema de enfriamiento abierto que hacen uso de agua de mar en dicho Estado (Moss Landing
Marine Laboratories, 2008). En el caso particular de sistemas de barreras, es deseable que las
medidas para evitar y tratar la formación biológica sean evaluadas. En ciertos casos, dependiendo
de la tecnología de barrera utilizada, se podría requerir sistemas de retornos de organismos al
mar, lo que debido a las características específicas de cada caso, hace difícil estimar el costo
referencial.
Inodú 58
Tabla 30: Evaluación de tecnologías identificadas (Alden, 2003)
Weisberg et al. 1987 indican que el arrastre a través de sistemas de captación de agua puede ser
reducido significativamente utilizando Mallas en Cilindros con Alambre en V o Cylindrical Wedge
Wire Screens (con separación de hasta 3 mm), siempre y cuando los organismos en riesgo excedan
los 5 mm de longitud (Weisberg, Burton, Jacobs, & Ross, 1987). Otro caso de estudio indica que un
sistema con separación de 6 mm logró reducir el arrastre de huevos y larvas de peces en un 60%
en un año, comparado con caso base (Normandeau Associates, Inc, 2008). PSEG Services
Corporation proyectó la instalación de estos sistemas con una separación de 2 mm; estimando una
reducción del arrastre de organismos de 98% comparado con un escenario base (PSEG Services
Corporation, 2002).
Inodú 59
Si bien el nivel de abertura o separación en Cylindrical Wedge Wire Screens es un parámetro de
diseño relevante, durante la definición de la normativa EPA 316b en Estados Unidos se determinó
que no es necesario normar este parámetro debido a que las condiciones particulares de un
emplazamiento pueden resultar tanto en sobre como sub especificaciones de diseño (Tetra Tech
Inc., 2008). En general, una disminución del tamaño de la abertura de malla puede resultar en una
mayor probabilidad de atrapamiento de organismos y material en suspensión, por lo tanto, el
agregar el requerimiento de bioefectividad puede resultar en cambios en las consideraciones del
tamaño de abertura de malla del sistema, y por consiguiente en una afectación significativa en el
requerimiento de superficie para el paso de agua.
Otros estudios con resultados positivos asociados a la utilización de la utilización Cylindrical
Wedge Wire Screens se presentan en (Ehrler & Raifsnider, 2000) (EPRI, 2005) (EPRI, 2006)
(Turnpenny & O'Keeffe, 2005). En Chile, la aplicación práctica de 10 filtros cilíndricos de 4 mm de
abertura, instalados en la Central Santa María en la Bahía de Coronel, ha sido monitoreada y
verificada por estudios realizados por la Universidad de Concepción, que indican los siguientes
resultados (Hernández E., 2014):
Tabla 31: Eficiencia de filtros tipo Cylindrical Wedge Wire Screens instalados en Central Santa María (adaptado de Hernández E., 2014)
Componente analizado Eficiencia del filtro
Macrofauna 98,30%
Biomasa 99,20%
Macroalgas 99,23%
Peces 99,80%
Moluscos 96,90%
Crustáceos 99,90%
Algas verdes 96,84%
Algas rojas 99,95%
Algas pardas 95,45%
Otros organismos 96,90%
Se han identificado dos obstáculos para la utilización de esta tecnología: Primero, su efectividad
biológica está asociada a una velocidad de captación baja en la entrada de la malla, por lo tanto,
para aplicaciones donde se requiere una cantidad importante de agua se debe utilizar una
cantidad considerable de equipamiento, y por lo tanto, espacio. Esta mayor exigencia de espacio
está asociada a los requerimientos y procedimientos administrativos de solicitud de concesión
marítima en Chile (DFL Nº 340, 1960). Segundo, las mallas pueden estar sujetas a formación
biológica por incrustación (fouling), efecto que se puede mitigar dependiendo del material
utilizado y la operación apropiada de mecanismos de inyección de aire(Ng, Zheng, & Taylor, 2005).
Evaluaciones realizadas a la utilización de Cylindrical Wedge Wire Screens indican que la ubicación
del sistema de captación de agua es un factor importante que afecta los criterios de diseño y la
efectividad del sistema, la cual depende de las características biológicas del sitio y de las corrientes
de agua (Brandt, 2004)(Alden Research Laboratory Inc, 2004)(Watson, 2004) (Taft E. , 2000, págs.
Inodú 60
Anexo p. 29 - 30). La disposición de los filtros depende de la profundidad del agua, el espacio
disponible y otros factores, pero las opciones tecnológicas disponibles hacen que la configuración
sea flexible (Figura 26).
Dependiendo de las condiciones del sitio y las características de los organismos a proteger, las
aberturas a considerar van desde 0,5 a 9,5 mm. Aberturas más pequeñas podrían ser utilizadas
cuando hay riesgo de ingreso de arena. La abertura más utilizada en el Reino Unido es 3 mm
(Turnpenny & O'Keeffe, 2005), pero en definitiva, dependiendo de las condiciones particulares del
lugar y los objetivos de protección se debe buscar un compromiso el área de abertura y el filtrado
de desechos y organismos. Aberturas más pequeñas requieren una mayor superficie de filtrado, y
por consiguiente mayor número de filtros y disposición de espacio, lo que también se traduce en
un costo mayor.
De acuerdo a una guía de buenas prácticas publicada por la Agencia de Medio Ambiente de Reino
Unido, la profundidad de instalación mínima requerida para este tipo de filtros corresponde a
medio diámetro de la pantalla del cilindro. Si la instalación se realiza sobre el lecho marino, dicha
institución recomienda una distancia similar entre el extremo del cilindro y el fondo del mar.
Figura 26: Disposición de la instalación de Cylindrical Wedge Wire Screens para un sistema de captación de agua en una central de 750 MW (Ng, Zheng, & Taylor, 2005)
Otra tecnología utilizada para proteger un sistema de captación fuera de línea de costa con ducto
sumergido corresponde a las torres de captación o “velocity cap,” que corresponde a un sistema
de captación instalado sobre el fondo marino, diseñado para cambiar la orientación del flujo de
vertical a horizontal. De esta forma, limitan la zona de influencia del sistema de captación al nivel
de profundidad donde se emplaza la tapa del sistema (Figura 27, derecha), afectando sólo aquellas
especies que residen a esa profundidad.
De acuerdo a exigencias de la EPA, un velocity cap tiene que estar emplazado a una distancia
mínima de 243 metros desde la línea de la costa y deben utilizar un sistema de barreras para
impedir el paso de mamíferos marinos, tortugas de mar y otros organismos de tamaño
considerable (US EPA, 2014). Sin embargo, la EPA ha indicado que no cuenta con datos que
demuestren que velocity caps instalados a una distancia menor de 243 metros de la línea de la
Inodú 61
costa pueden cumplir consistentemente con los estándares que ha determinado. Adicionalmente,
la EPA ha afirmado que la instalación de velocity caps a profundidades con menor riqueza
productiva - al menos de 19,8 metros en el contexto de Estados Unidos - contribuye a disminuir el
impacto ambiental asociado a la operación del sistema de captación con ducto sumergido (US EPA,
2014, p. 194).
Figura 27: Imagen de velocity caps previo a instalación (izquierda), diagrama de un velocity cap instalado (derecha).
Imagen de Turnpenny et al. 2010
Estudios considerados por la EPA durante el proceso de desarrollo de la normativa 316(b) en
Estados Unidos indican que los velocity caps son suficientemente efectivos en reducir el
atrapamiento y arrastre de organismos al sistema de captación de agua. No obstante, su nivel de
desempeño puede variar en función de factores temporales y locales característicos del
emplazamiento (Tetratech, 2008c) (Tetratech, 2014) (MBC Applied Environmental Sciences et al.,
2007) (US EPA, 2014). Sin embargo, estudios realizados en el Reino Unido, que consideran
condiciones de centrales termoeléctricas en emplazamientos en el Reino Unido, indican que el uso
de velocity cap no sería por sí solo una solución para disminuir el arrastre en sistemas de captación
de agua sumergidos; por lo tanto, se sugiere la utilización de velocity cap en conjunto con otras
tecnologías, tales como: sistemas acústicos, cortina de burbujas, y sistema de retorno para peces
(Turnpenny & O'Keeffe, 2005).
La Figura 28 sintetiza los análisis de sistemas de protección instalados por plantas termoeléctricas
en Chile. Los datos fueron obtenidos mediante una encuesta realizada durante el desarrollo del
presente estudio. En general se observaron sistemas de protección para impedir el arrastre de
basura de mayor tamaño y grandes organismos. Las mallas perimetrales son un componente
ampliamente utilizado. Sólo una instalación cuenta con Mallas en Cilindros con Alambre en V o
Cylindrical Wedge Wire Screens. Si bien no se observa la utilización de torres de captación o
velocity caps en plantas termoeléctricas, estos sistemas si son utilizados por sistemas de captación
de agua asociados a plantas desaladoras desarrolladas en el país.
Inodú 62
Figura 28: Catastro de tecnologías de protección instaladas en plantas termoeléctricas en Chile.29
Las tecnologías de protección de sistemas de toma de agua, correctamente monitoreadas y
mantenidas, tienen un rol trascendental en la implementación de soluciones a las demandas
derivadas de objetivos de desarrollo industrial y objetivos de conservación ecológica; por lo tanto,
es importante definir los requerimientos de desempeño esperados para los sistemas de protección
antes que el desarrollador de un proyecto de generación termoeléctrica defina qué sistema
utilizará. Dentro de las exigencias se debe considerar también el efecto de eventos estacionales en
la localidad donde se emplazará el sistema.
29
Las mallas móviles se instalan en el pozo de bombeo y su función principal es la protección del sistema de enfriamiento, filtrando desechos y organismos.
Las mallas perimetrales son mallas fijas, de tipo red de pescador, que se instalan en la boca del sifón, en el primer punto de contacto entre organismos y la estructura de captación.
Inodú 63
Dado las diferencias tecnológicas entre la tecnología de velocity caps y Cylindrical Wedge Wire
Screens, es importante diferenciar los requerimientos de profundidad de emplazamiento; materia
que debería ser analizada en mayor detalle en el contexto de aplicación futura de estas
tecnologías en el país. El uso de filtros con menor abertura puede proveer una protección
adecuada tanto al sistema de enfriamiento como a los organismos de interés presentes en el
emplazamiento de la captación. En el caso particular de filtros utilizados en agua de mar,
dependiendo de las condiciones particulares del entorno marino, aberturas de menor tamaño
(menores a 6 mm) involucran un riesgo mayor de bloqueo durante algunos meses. Sin embargo,
existen en el mercado alternativas tecnológicas que contribuyen a mitigar dicho riesgo, como por
ejemplo, la utilización de un sistema de inyección de aire comprimido a contraflujo.
8 Mecanismos Mitigación de Impacto en Organismos Mediante
Control del Uso de Químicos
El efecto del uso de químicos puede ser mitigado reduciendo el uso de estos. Las alternativas
disponibles son (IPPC 2001):
Seleccionar materiales de los componentes del sistema de enfriamiento basados en buscar
una reducción del uso de químicos (e.g materiales menos propensos a la corrosión según
química del agua fuente utilizada).
Diseñar un lay-out del sistema orientado a minimizar la probabilidad de formación
biológica y de corrosión provocada por efecto del agua al pasar por el sistema.
Utilizar pinturas o recubrimientos que eviten la formación de incrustantes biológicos de
organismos. Estos recubrimientos podrían ser tóxicos por lo tanto se han desarrollado
recubrimientos no-tóxicos.
Utilizar métodos adicionales o alternativos de tratamiento del agua tales como
tratamientos térmicos, luz ultravioleta, u otros.
Utilizar sistemas que físicamente eviten la incrustación, tales como sistemas de limpieza
en línea o fuera de línea.
Evaluar y seleccionar caso a caso los químicos, balanceando el desempeño en su función
dentro del sistema de enfriamiento donde serán aplicados, con el impacto sobre el
ambiente acuático receptor específico del sitio.
Optimizar la dosificación de aditivos al agua eligiendo un correcto protocolo de
dosificación y aplicando sistemas automáticos de dosificación.
Monitoreo del agua de enfriamiento para optimizar la dosificación.
Inodú 64
9 Mecanismos Mitigación de Impacto en Organismos Mediante
Sistema de Descarga al Mar
9.1 Mitigación de los efectos de los excesos térmicos en el agua
descargada
Una de las formas de reducir los efectos del aumento de temperatura en el cuerpo receptor es
disminuyendo el caudal de agua descargada. Para lograr esto se requiere el uso de sistemas
cerrados de enfriamiento donde el calor es transferido directamente a la atmosfera. Estos
sistemas tienen asociado un mayor consumo de agua que los sistemas abiertos (producto de la
evaporación) y una menor eficiencia de la central. En consecuencia, es necesario evaluar cuál de
estos factores tiene un menor impacto (IPPC 2001; IFC 2008).
Otra forma de mitigar el impacto de la descarga de agua a una mayor temperatura es el uso de
dispositivos que permitan aumentar la tasa de mezcla del agua descargada con el cuerpo de agua
receptor (IPPC 2001). Estos dispositivos son conocidos como difusores múltiples (IFC 2008) (Figura
29).
Figura 29: Estructura de descarga de una salida y con difusor múltiple.
Finalmente, también se puede mencionar el uso de torres de enfriamiento para pre-enfriar el agua
antes de ser descargada. Este sistema se ha utilizado en sitios donde el agua descargada tiene
probabilidad de ser nuevamente succionada, provocando efectos en la eficiencia de la central
(IPPC 2001).
Inodú 65
10 Tecnologías de mitigación de emisiones a la atmosfera
Los sistemas de abatimiento de emisiones son asociados como el segundo mayor proceso de una
planta termoeléctrica que requiere agua. Esto es particularmente enfocado al uso de agua en
unidades a carbón que utilizan sistemas de desulfurización húmeda. En el caso de los
desulfurizadores húmedos que utilizan agua de mar, estos son comúnmente utilizados en
unidades que están cercanas al borde costero y que tienen sistemas de enfriamiento abierto de
paso único. La misma agua de enfriamiento utilizada en el condensador es luego utilizada en el
desulfurizador húmedo con agua de mar, por lo tanto esta tecnología no representa un aumento
de retiro de agua de mar. A continuación se describen estas y otras tecnologías de abatimiento de
emisiones utilizadas en la generación termoeléctrica.
Las tecnologías de generación termoeléctrica basadas en vapor generan diferentes niveles de
emisiones contaminantes a la atmosfera. Esto depende del tipo de combustible utilizado y la
tecnología de combustión. Las emisiones más importantes son dióxido de azufre (SO2), óxidos de
nitrógeno (NOx), material particulado (MP), monóxido de carbono (CO) y gases de efecto
invernadero tales como el dióxido de nitrógeno (CO2). Otras sustancias que son emitidas, tales
como metales pesados, fluoruro de hidrógeno, halógenos, hidrocarburos no combustionados,
compuestos orgánicos volátiles distintos del metano (COVDMs) y dioxinas, son emitidos en
menores cantidades pero pueden tener una influencia en el medioambiente debido a su toxicidad
o su persistencia (IPPC 2006). Esta sección se enfoca en las tres emisiones más importantes SO2,
NOx, y MP. La Tabla 32 muestra los niveles de emisiones para diferentes tecnologías de
generación.
Tabla 32: Niveles de emisiones para diferentes tecnologías de generación.
Tipo de Central SOx NOx Material Particulado Referencia
Carbón Pulverizado Corresponde al contenido de azufre del carbón usado.
150 - 250 mg/MJcombust *
10 - 25 mg/Nm3
** WB, 1997
Lecho Fluidizado Remueve el 90 - 95% de azufre del carbón.†
80 - 150 mg/MJcombust ***
10 - 25 mg/Nm3
** WB, 1997
Ciclo Combinado --- < 30 mg/Nm3
‡ -- IPPC, 2006
IGCC 98% 35 - 35 mg/MJ 10 mg/Nm3
WB, 1997 Takeshita, 1995
* Carbón bituminoso con quemadores Low NOx
** Usando Precipitador electroestático o filtro de manga
*** Carbón bituminoso sin equipo de abatimiento de NOx
† El azufre es capturado en el lecho mediante la inyección de caliza. La tasa de captura depende de la razón
caliza/azufre. Con una razón de 2 se puede remover 90% del azufre. Una razón un poco mayor puede remover 95% de
azufre.
‡ Central >300MWth usando gas natural, con un sistema Dry Low NOx para reducción de NOx.
Inodú 66
La evolución del equipamiento de tecnologías de control de abatimiento de emisiones para
centrales termoeléctricas ha avanzado notablemente desde los años 50s, donde se inicia el
desarrollo comercial de sistemas de reducción de material particulado. Al día de hoy, los sistemas
de mitigación de material particulado más utilizados son los sistemas de Filtro de Mangas y los
Precipitadores Electrostáticos en versiones seca y húmeda. Por su parte, los equipos de reducción
de azufre comienzan a ser utilizados en la década de los 80s, evolucionando a sistemas de
desulfurización seca y húmeda, junto con aquellos que utilizan agua de mar. Finalmente, en los
90s se inicia el uso de sistemas de desnitrificación y las modificaciones a la combustión para
reducir óxidos de nitrógeno, motivado por el rápido crecimiento de la utilización de gas natural. La
figura siguiente ilustra las etapas del desarrollo señalado.
Figura 30: Evolución de equipos de control de emisiones (Alstom, 2008).
10.1 Abatimiento de Dióxido de Azufre
Las emisiones de SOx en plantas de combustión se asocian a la presencia de azufre en el
combustible. El carbón posee azufre en diferentes cantidades dependiendo de su tipo (entre 0,5%
a más de 5%) (Alstom 2009). Por su parte, el gas natural generalmente se considera como libre de
azufre y por lo tanto libre de emisiones de azufre (IPPC 2006).
Durante la combustión del carbón, la mayor parte de SOx se genera en forma de SO2 (IPPC 2006).
La forma más simple de reducir emisiones de SO2 es utilizando combustible con menor contenido
de azufre, situación que no siempre es factible.
Las técnicas disponibles para abatir emisiones de SO2 deben ser seleccionadas tomando en
consideración el contenido de azufre en el combustible, los niveles de emisión requeridos, los
requerimientos en cuanto a desechos, tiempo de operación anual de la planta, y el ciclo de vida de
esta (WB, 1997). En este contexto, las técnicas comúnmente utilizadas para abatir el SO2 son (IPPC
2006; Alstom 2009; WB 1997):
Inodú 67
o Uso de combustible de bajo contenido de azufre.
o Limpieza del carbón para reducir el azufre.
o Uso de absorbentes en sistemas de lecho fluidizado.
o Desulfurizadores de los gases de combustión (Flue Gas Desulfurization, FGD)
Existen diversos métodos de limpieza del carbón. Uno de ellos es el método de lavado del carbón,
el cual está limitado a una reducción del azufre de menos del 50% (Alstom, 2009; WB, 1997).
Los desulfurizadores de los gases de combustión capturan no sólo el SO2, sino también gases
secundarios como el SO3 y el fluoruro de hidrógeno y material particulado. A nivel internacional,
los desulfurizadores generalmente utilizados30 pueden ser:
o Desulfurizador Húmedo:
Desulfurizador húmedo con piedra caliza o cal.
Desulfurizador con agua de mar.
o Desulfurizador Semi-seco: Spray o Flash Dryer Absorbers (SDAs o FDAs)
o Desulfurizador Seco: Inyección de absorbente
La eficiencia de absorción de SO2 de cada tecnología se muestra en la Tabla 33.
Tabla 33: Eficiencia de abatimiento de diferentes tipos de desulfurizadores (WB, 1997).
Tecnología Eficiencia
Desulfurizador Húmedo 80-90% sin aditivos 95-99% con aditivos
Desulfurizador Semi-Seco 70-95% (en general, pero se podrían diseñar para un 99%)
Desulfurizador Seco 30-60% (furnace sorbent inyection) 50-70% (duct sorbent inyection) Hasta 95% (con aditivos y otros procesos)
En general, para centrales nuevas y existentes se prefiere la instalación de desulfurizadores
húmedos cuando se requiere más de un 80-90% de abatimiento de SO2. Los desulfurizadores
húmedos son la tecnología más utilizada mundialmente en grandes centrales a carbón con un 80%
de participación de mercado. Dentro de los desulfurizadores de este tipo, los desulfurizadores con
piedra caliza tienen el 70% del mercado (Alstom 2009; WB 1997).
En algunos casos, en particular si la central está cerca del mar, se puede preferir el desulfurizador
con agua de mar (Figura 31) debido a lo simple de su diseño, no requiere absorbente, no tiene
asociado costo de disposición de desechos, y los costos de inversión y operación son menores. Es
importante para esta tecnología, el estudio caso a caso del impacto sobre el medio marino, por
ejemplo, reducción del pH, vertido de restos de metales pesados, cenizas volantes, temperatura,
azufre, oxígeno disuelto, entre otros (IFC 2008). Sin embargo, diversos estudios han demostrado
30
Otros sistemas no tan comunmente utilizados con desulfurizadores húmedos con magnesio o amoniaco, y los desulfurizadores regenerativos.
Inodú 68
que no habría impacto negativo en el medio ambiente marino cuando se utilizan medidas de
dilución adecuadas (NIVA, 2000; Srivastava, 2000).
Figura 31: Esquema de un desulfurizador con agua de mar (Alstom, 2009).
Aunque los desulfurizadores húmedos poseen un costo de inversión mayor que los SDA y la
inyección de absorbente, la menor demanda de absorbente de los primeros los hacen más costo-
efectivos que los segundos en presencia de combustibles con alto contenido de azufre y para
grandes calderas.
10.2 Abatimiento de NOx
Durante la combustión de combustibles fósiles se forma NO, NO2, y N2O. Sin embargo, el 90% de
los óxidos de nitrógeno lo conforman el NO y el NO2, que forman la mezcla NOx. Los NOx se deben
a tres reacciones diferentes que ocurren durante la combustión:
Thermal NOx: se producen en la reacción entre oxigeno y nitrógeno del aire.
Fuel NOx: se producen a partir del nitrógeno presente en el combustible.
Prompt NOx: se forma por la conversión del nitrógeno molecular en el frente de la llama
en la presencia de compuestos de hidrocarburos intermedios.
Thermal NOx es la forma dominante por la cual se genera NOx en plantas que usan combustibles
gaseosos o líquidos. Sin embargo, cuando la combustión se realiza a temperaturas de la llama
menores a 1000°C el NOx generado se debe principalmente a Fuel NOx. El Fuel NOx es producido
mayormente en plantas que usan carbón, debido a que este combustible tiene alto contenido de
nitrógeno (IPPC, 2006).
La cantidad de NOx emitidos también depende del tipo de combustión utilizado. En el caso del
carbón, las calderas con parrillas móviles emiten menos NOx que las calderas de carbón
pulverizado ya que en las primeras la combustión se realiza generalmente a menor temperatura y
la combustión es progresiva. En las calderas de carbón pulverizado la emisión de NOx dependerá
Inodú 69
del tipo de quemador utilizado y el diseño de la cámara de combustión. En el caso de las calderas
de lecho fluidizado la temperatura se mantiene bajo los 900°C lo cual previene la formación de
Thermal NOx, sin embargo, esta baja temperatura promueve la generación de N2O y un
incremento en carbón no quemado (IPPC 2006).
Por lo tanto, existen medidas primarias para controlar la formación de óxidos de nitrógeno, las
cuales se enfocan en la modificación de los parámetros del funcionamiento y diseño del proceso
de combustión; y medidas secundarias enfocadas en convertir químicamente el NOx en N2 y vapor
de agua.
Algunas de las medidas que se utilizan para lograr reducir NOx son (IFC 2008):
Medidas primarias:
o Uso de quemadores con bajas emisiones de NOx y otras modificaciones en la
combustión (Ej. bajo exceso de oxígeno para calderas).
o Uso de quemadores de premezclas anti-NOx (Dry Low NOx) por vía seca para las
turbinas de combustión de gas natural.
o Inyección de agua o vapor en turbinas a gas quemando diesel.
Medidas secundarias:
o Sistema de reducción catalítica selectiva (SCR) para calderas de carbón
pulverizado, petróleo y gas natural. Eficiencia de remoción de NOx mayores al
90%.
o Sistema de reducción catalítica no selectiva (SNCR) para las calderas con lecho
fluidizado.
De esta forma, la formación de NOx en la combustión comúnmente es reducida inyectando vapor
o agua junto con el combustible a la turbina, o utilizando la técnica Dry Low NOx (DLN) (IPPC
2006). En turbinas a gas quemando petróleo se utiliza la inyección de agua, pero en ciclos
combinados comúnmente se prefiere la inyección de vapor. La inyección de agua desmineralizada
en la turbina es aproximadamente de 1 Kg de agua por 1 Kg de combustible (IPPC 2006). En el caso
de las turbinas que queman gas natural la tendencia actual es al uso de la técnica Dry Low NOx en
la cual el aire y el combustible son mezclados antes de la combustión (IPPC 2006).
La conversión de NOx en NO2 y vapor de agua se logra haciendo reaccionar urea o amoniaco con
los gases de combustión. Se prefiere el amoniaco como agente debido a su bajo costo, los
productos que resultan de la reacción ya están presentes en los gases de combustión, y no hay
costos asociados a la disposición de desechos (Alstom, 2009). Esta reacción puede ser llevada a
cabo con un sistema de reducción selectiva catalítica o con un sistema de reducción selectivo no
catalítico.
Inodú 70
10.3 Abatimiento de Material Particulado
En centrales a carbón el tipo de combustión tiene efectos considerables en la cantidad de cenizas
contenidas en los gases de la combustión. Así una caldera de parrillas móviles produce entre un 20
a 40% de cenizas volantes de las cenizas totales, mientras que una caldera de carbón pulverizado
produce entre 80 a 90% de cenizas volantes del total de cenizas. La combustión de gas natural
presenta bajas emisiones de material particulado (IPPC 2006; Alstom 2009).
Las técnicas de abatimiento de material particulado logran más del 99,8% de remoción. Solo las
partículas más pequeñas como el MP10 y menores hacen que la eficiencia de remoción baje a 95-
98% (IPPC 2006).
Las formas de abatir el material particulado son (IPPC, 2006):
Precipitadores electroestáticos (PE): tienen una eficiencia de eliminación >96,5% (< 1 µm)
y 99,95% (> 10 µm). Consume del 0,1 % al 1,8 % de la electricidad generada.
Precipitadores electroestáticos por vía húmeda: usan un líquido, usualmente agua, para
remover las partículas de las placas colectoras. Son usados en nuevas plantas que usan
Heavy fuel Oil. Además, aumenta la eficiencia de eliminación y captura además los agentes
condensables, por ejemplo, lluvia ácida sulfúrica (IFC 2008) que no pueden recolectar de
forma eficaz el precipitador electrostático seco o los filtros de mangas. Es una tecnología
madura pero que se utiliza solo cuando la regulación local exige el abatimiento de
partículas finas (PM2.5). En plantas a carbón a demostrado eficiencias de más de 90% para
PM2.5 y SO3; y casi cero opacidad (Altman, 2003).
Filtros de manga: tienen una eficiencia de eliminación >99,6% (< 1 µm) y 99,95% (> 10
µm). Consume del 0,2 % al 3 % de la electricidad generada. Elimina partículas más
pequeñas que el PE, sin embargo, disminuye el tiempo de vida del filtro conforme
aumenta el contenido de azufre del carbón. Muchas veces son utilizadas en combinación
con sistemas de inyección de lavado en seco para controlar simultáneamente SO2 y
emisiones de cenizas volantes.
Ciclones: precipitación centrífuga. Sus características de rendimiento lo limitan a usos en
aplicaciones pequeñas o medianas.
Filtros Húmedos: usan agua para recolectar material particulado. Tiene un bajo costo de
inversión comparado con los precipitadores electroestáticos y los filtros de manga, pero
mayores costos de operación (los gases son enfriados y deben ser recalentados para
emitirlos a la atmosfera) y producen una alta caída de presión. Aunque no son
comúnmente utilizados, se aplican en lugares donde el carbón es muy resistivo lo que
produce que precipitadores electroestáticos se vuelvan menos atractivos
económicamente. También son usados en plantas del tipo IGCC, aplicaciones donde la
caída de presión no es tan relevante comparado con la presión de operación.
Inodú 71
En Chile la utilización de las tecnologías descritas anteriormente se distribuye según lo indicado en
la Figura 32. Se puede observa que para el abatimiento de MP las tecnologías más utilizas son los
filtros de manga, y precipitadores electroestáticos; para el abatimiento de NOx los quemadores de
bajo-NOx; y para el abatimiento de SO2 los desulfurizadores secos y luego los húmedos.
Figura 32: Frecuencia de utilización de las diferentes tecnologías de mitigación de emisiones en Chile.
11 Revisión de Aspectos Normativos
En esta sección se describen los aspectos normativos estudiados para Europa, Estados Unidos, y
Chile relacionados a los sistemas de enfriamiento de centrales termoeléctricas. Se han tenido en
consideración los aspectos que tienen relación con la captación y descarga de las aguas para
enfriamiento. En general, a nivel local e internacional, las normas y los procesos de obtención de
permisos podrían tener impacto sobre algunos de los aspectos de diseño de sistemas de
enfriamiento que se presentan en la Tabla 34.
Inodú 72
Tabla 34: Aspectos de diseño de sistemas de enfriamiento para plantas termoeléctricas que son impactados por las normativas y los procesos para obtención de permisos.
Elemento de permiso Comentario
Característica de la succión Descripción de localización y tipo. Puede incluir un perfil de la proyección y otras medidas para proteger la biota acuática
Características de la descarga Descripción de la localización y tipo
Volumen del flujo de succión Puede vincularse con la capacidad operacional de bombeo instalada (considerar que por confiabilidad la instalación puede construirse con capacidad de bombeo adicional)
Volumen del flujo de descarga Puede vincularse con la capacidad operacional de bombeo instalada (considerar que por confiabilidad la instalación puede construirse con capacidad de bombeo adicional). El volumen de flujo puede usarse en algunos casos para entregar un límite superior del flujo de calor o masa de una sustancia. Este límite superior podría ser por precaución, ya que podría no ser técnicamente posible o estadísticamente poco frecuente que el volumen máximo ocurra en combinación con temperaturas máximas, aumentos de temperatura y concentraciones de emisiones
Aumento de temperatura de descarga (comparada con ambiente o succión)
Se define para limitar la emisión térmica neta (en combinación con el volumen del flujo). Puede restringir la operación de la instalación
Temperatura de descarga Se define para limitar la emisión térmica (en combinación con el volumen del flujo). Puede restringir la operación de la instalación al vincularlo a variaciones severas de las condiciones del ambiente
Emisión térmica neta, MWth Para algunas instalaciones, la flexibilidad en los volúmenes del flujo de agua para enfriamiento y los aumentos de temperatura, puede permitirse sujeto a un límite de las emisiones térmicas netas a las aguas receptoras.
Concentración de oxidante en descarga, mg/L Componente oxidante del control químico de la contaminación biológica. Puede especificarse como libre, combinado o total (de acuerdo a la forma química del oxidante)
Concentración de sub-productos clorados seleccionados, mg/L
Es probable que las sustancias particulares dependan de la naturaleza del control de la contaminación biológica utilizado y la calidad del agua del ambiente. Puede incluir un sustituto como el AOX (halógenos orgánicos absorbibles)
Concentración de sustancias relacionadas a materiales del sistema de enfriamiento, mg/L
Puede incluirse si hay razones para exigir restricción o monitoreo dependiendo de las condiciones químicas propuestas del circuito de enfriamiento y del tipo de material superficial del sistema de enfriamiento (ej. cobre, níquel, zinc)
Sustancias relacionadas con la calidad del agua, mg/L
Usadas típicamente para circuitos de enfriamiento de torre donde la concentración de sustancias no-volátiles ocurre. Las sustancias dependerán de la calidad del ambiente y de la sensibilidad de los receptores locales
Sustancias utilizadas en circuito de recirculación para desincrustación y control de corrosión, mg/L
Depende de la estrategia de control del circuito. Generalmente incluye pH, para dosificación de ácido incluirá sulfatos o cloruros
Efluentes de otros procesos o emisiones fugitivas potenciales, mg/L
Depende de los demás efluentes que tenga el proceso de descarga del sistema de enfriamiento. Muchas instalaciones tendrán requerimientos para monitorear pH, aceite y sólidos suspendidos en la descarga del sistema de enfriamiento
Inodú 73
11.1 Normativa europea
La normativa de la Comunidad Europea ha experimentado una rápida evolución los últimos 10 a
20 años, y se espera que continúe evolucionando. En particular, la normativa que regula la
contaminación de las aguas ha incorporado cambios que han comenzado a regir a partir del año
2013. Se ha cambiado el enfoque utilizado en la protección de las aguas, ya que incorpora el
estado de calidad ecológica de cada cuerpo de agua al proceso de fijar límites a las descargas de
contaminantes de una determinada fuente de emisión.
Este nuevo enfoque es establecido por la directiva marco de la política de aguas (en inglés Water
Framework Directive o WFD). En forma adicional, la operación de los sistemas de enfriamiento de
centrales termoeléctricas en los estados miembros de la comunidad Europea está influenciada por
la interacción de varias otras directivas y reglamentos. Las directivas más relevantes son indicadas
en la Tabla 35.
Inodú 74
Tabla 35: Directivas y reglamentos que pueden influir en la selección y operación de sistemas de enfriamiento
Directiva o Reglamento Alcance Como influye en
enfriamiento Como está cambiando
Directiva 2000/60/CE que establece un marco comunitario de actuación en el ámbito de la política de aguas (en inglés Water Framework Directive o WFD)
La WFD le exige a los Estados miembros definir el estado ecológico de las aguas y alcanzar el estado Bueno el año 2015.
Dependiendo del estado del cuerpo de agua donde se desea instalar un sistema de enfriamiento, la presión por cumplir con el objetivo de estado ecológico "Bueno" puede influir en el tipo de sistema o en la selección de los parámetros de operación.
De acuerdo a lo establecido por esta directiva, el 2013 revocó directivas que fijaban límites a contaminantes para asegurar la calidad de las aguas.
Directiva 2010/75/UE sobre las emisiones industriales (o IED por sus sigla en inglés)
Exige que una autorización deba ser concedida a las actividades industriales con mayor potencial de contaminación. Este permiso sólo puede concederse si se reúne una serie de condiciones medioambientales, y busca que las empresas asuman ellas mismas las labores de prevención y reducción de la contaminación que puedan llegar a causar.
Los Estados miembros deberían autorizar los sistemas de enfriamiento que representen la mejor técnica disponible dependiendo del sitio específico y el que cumpla con la mayor eficiencia energética.
Reemplaza desde Enero 2014 a la Directiva 2008/1/CE de Prevención y Control integrados de la contaminación o IPPCD por sus siglas en inglés
Directiva 2014/52/UE, relativa a la evaluación de las repercusiones de determinados proyectos públicos y privados sobre el medio ambiente
Exige la evaluación de impacto ambiental de proyectos industriales.
El proceso de evaluación puede influir en las decisiones que los desarrolladores toman con respecto a tipo de sistema de enfriamiento y parámetros de operación de estos.
Modifica la Directiva 2011/92/UE
Directiva marco 2008/56/CE sobre la estrategia marina (MSFD por sus siglas en inglés)
Cumple un rol similar al WFD, pero para los mares de la Comunidad Europea
Puede influir en las decisiones que los desarrolladores toman con respecto a tipo de sistema de enfriamiento y parámetros de operación de estos.
Es importante mencionar que la legislación Europea no es prescriptiva de los sistemas de
enfriamiento. Por el contrario, esta conduce hacia exigir la consideración simultanea de controles
Inodú 75
en la técnicas, controles en la emisiones, y controles en el cambio al medioambiente, los cuales en
conjunto proveen la flexibilidad necesaria para tomar en consideración el amplio rango de
condiciones ambientales y particularidades de las instalaciones alrededor de toda Europa
(Rajagopal, 2012).
La normativa exige a los Estados miembros de la Comunidad Europea trasladar las directivas
europeas a leyes nacionales. En consecuencia, la regulación que finalmente aplica a cada
instalación, aunque cumple con la regulación marco Europea, puede tener variaciones o
regulaciones adicionales dependiendo del país. Por otra parte, cada país podría tener guías,
códigos de buenas prácticas, o acuerdos voluntarios que pueden conducir a diferencias en la lógica
que siguen las instalaciones de diferentes países al seleccionar sistemas de enfriamiento y, por lo
tanto, existirán diferencias en los sistemas seleccionados.
Durante este estudio no se logró identificar una normativa Europea que regule en forma directa
las estructuras de captación de aguas para enfriamiento. Sin embargo, los documentos de
información referencial elaborados por la Comisión Europea, y las directrices que los Estados
miembros han elaborado respecto a este aspecto pueden influir en lo que las autoridades exigen a
los desarrolladores para otorgar los permisos ambientales. Algunos de estos documentos son el
"Integrated Pollution Prevention and Control (IPPC) Reference Document on the Application of
Best Available Techniques to Industrial Cooling Systems" (IPPC, 2001), y la guía preparada por la
Agencia Ambiental del Reino Unido "Screening for Intake and Outfalls: a Best Practice Guide"
(Turnpenny & O'Keeffe, 2005).
A continuación se revisan las directivas mencionadas anteriormente.
11.1.1 Directiva 2010/75/UE sobre las emisiones industriales (IED)
Esta directiva exige una autorización a las actividades industriales con mayor potencial de
contaminación. Este permiso busca que las empresas asuman las labores de prevención y
reducción de la contaminación que puedan llegar a causar. Para recibir una autorización las
instalaciones deben cumplir con las siguientes obligaciones:
Aplicar todas las medidas adecuadas para prevenir la contaminación
Aplicar las mejores técnicas disponibles (BAT31)
Prevenir toda contaminación importante
Limitar, reciclar, o eliminar los residuos de la forma menos contaminante posible
Utilizar la energía de forma eficiente
Prevenir accidentes y limitar su impacto
Devolver el sitio de las instalaciones a un estado satisfactorio al terminar las actividades
La mejores tecnologías disponibles son definidas por la Comisión Europea, e informadas a través
de documentos guías llamados BAT Reference Documents (BREFs) para promover el intercambio
31
Siglas en inglés para Best Available Techniques
Inodú 76
de información entre los países miembros. Estos documentos son solamente información en la
cual los países pueden basar sus criterios. Para el caso de los sistemas de enfriamiento industriales
existe el BREF "Integrated Pollution Prevention and Control (IPPC) Reference Document on the
Application of Best Available Techniques to Industrial Cooling Systems". Este documento, a
diferencia de los BREFS para otros sistemas, no propone valores de emisión límites, y define que la
selección de la solución que es BAT es sitio específico (IPPC, 2001). Algunos aspectos abordados
por el documento BREF para sistemas de enfriamiento sobre las mejores técnicas disponibles se
exponen en la Tabla 36.
Inodú 77
Tabla 36: Discusión de medidas BAT abordadas en documento BREF de sistemas de enfriamiento (adaptada de Rajagopal, 2012 y de IPPC, 2001)
Aspecto Discusión BAT
Eficiencia del proceso Es necesario tener en consideración que el desempeño del sistema de enfriamiento tiene una influencia significativa en el proceso de generación.
Requerimientos del Sistema de enfriamiento que dependen del sitio
Meteorología (T° bulbo húmedo y bulbo seco) Disponibilidad de agua Restricciones de espacio Para aguas costeras y central > 10MWth el sistema de enfriamiento abierto de paso único es BAT. En sistemas de enfriamiento cerrado, en lugares donde la reducción de pluma de vapor es necesaria, las torres de enfriamiento con mecanismos de abatimiento de pluma es BAT.
Reducción de consumo de Energía Es BAT: Usar equipamiento de alta eficiencia y de bajo consumo de energía. Optimizar el tratamiento del agua en sistemas abiertos y cerrados para mantenerlos limpios de corrosión, incrustación de sales, e incrustación de formación biológica.
Reducción del uso de agua Usar sistemas cerrados, híbridos o secos pero aceptando una penalización en la energía. En torres de enfriamiento la optimización de los ciclos de concentración reduce el uso de agua.
Arrastre y atrapamiento Parámetro relevante al momento de seleccionar sistema de enfriamiento, y en el diseño y ubicación de la estructura de captación. Sugiere que la captación debe ser ubicada y diseñada teniendo en consideración las características específicas de cada sitio y tomando en consideración todo el rango disponible de barreras físicas y las basadas en comportamiento.
Reducción de las descargas térmicas al agua
No es posible determinar BAT ya que depende de las características específicas de cada sitio.
Reducción de las descargas químicas al agua
BAT debe ser determinado sitio a sitio, ya que depende de las características específicas de diseño de los sistemas. Es BAT la correcta elección de materiales para reducir la corrosión. Usar titanio en condensadores que usan agua de mar. Es BAT usar sistemas de limpieza automáticos por medios mecánicos. No es BAT tratar el agua de enfriamiento con cromo, mercurio, o biocidas diferentes al cloro, bromo, ozono, o peróxido de hidrógeno. Es BAT monitorear la cloración y se recomiendan valores limites. Otras recomendaciones en pag 131 a 134 del BREF (IPPC, 2001)
Reducción emisiones al aire Indica medidas relacionadas a las torres de enfriamiento relacionadas con la altura, posición, y reducción de la pluma de vapor.
Reducción de Ruido Indica medidas para reducir ruido de torres de enfriamiento de tiro mecánico y natural.
Inodú 78
Cabe destacar que este documento de referencia para sistemas de enfriamiento indica que un
enfoque integral del enfriamiento de un proceso industrial consiste en tomar en consideración
tanto la energía directa como la indirecta utilizada, y en consecuencia, determina que en términos
de la eficiencia energética de una instalación, el uso de sistemas de enfriamiento abiertos de paso
único es BAT, en particular para procesos que requieren capacidades de enfriamiento sobre los
10MWth. Lo anterior aplica a zonas costeras, mientras que para el caso de ríos y/o estuarios los
sistemas abiertos de paso único pueden ser aceptados si además cumplen con:
La extensión de la pluma térmica en agua superficial permite el paso a la migración de
peces
La captación del agua para enfriamiento es diseñada con el objeto de reducir el arrastre de
peces
La carga térmica descargada no interfiere con otros usos del cuerpo de agua superficial
receptor.
Adicionalmente, el documento de referencia menciona que si no es posible la instalación de un
sistema abierto de paso único en una determinada instalación, las torres de enfriamiento de tiro
natural son más eficientes energéticamente que otros sistemas de enfriamiento, pero que su
aplicación puede estar restringida debido al impacto visual que causa su gran altura.
11.1.2 Directiva marco para el agua (WFD): Directiva 2000/60/CE del parlamento
Europeo y del Consejo de 23 de octubre de 2000 por la que se establece un
marco comunitario de actuación en el ámbito de la política de aguas
La WFD32 fija un marco para gestionar las aguas de Europa permitiendo un balance entre el uso
humano del agua y la protección del ambiente acuático. El alcance geográfico de esta incluye
todos los tipos de cuerpo de agua, y se extiende 1 milla náutica desde la costa. Con respecto a los
ríos define que las cuencas fluviales cuyo uso de las aguas pueda tener efectos transfronterizos
deben gestionarse en forma coordinada entre los Estados miembros involucrados (CE, 2000).
La WFD le exige a los Estados miembros definir el estado ecológico de las aguas. Los posibles
estados son Muy bueno, Bueno, Aceptable, Deficiente, y Malo. La WFD pone especial énfasis en
mediciones biológicas y ecológicas de calidad, en vez del enfoque tradicional de mediciones
químicas de calidad (Rajagopal, 2012). De esta forma la definición del estado ecológico de las
aguas se debe realizar basándose en indicadores de calidad biológica, hidromorfológica, y
fisicoquímica. La Tabla 37 indica la definición general para los estados ecológicos (las aguas que
presenten un estado inferior al Aceptable se clasificarán como Deficiente o Malo). Además de la
definición general, se establece el estado ecológico para diferentes cuerpos de agua según los
indicadores de calidad mencionados. La Tabla 38 muestra, como ejemplo, estos indicadores para
las aguas costeras.
32
WFD = Water Framework Directive.
Inodú 79
Tabla 37: Definición general de estado ecológico de las aguas (CE, 2000)
Muy Buen Estado Buen Estado Estado Aceptable
No existen alteraciones antropogénicas de los valores de los indicadores de calidad fisicoquímicas e hidromorfológicas correspondientes al tipo de masa de agua superficial, o existen alteraciones de muy escasa importancia, en comparación con los asociados normalmente con ese tipo en condiciones inalteradas. Los valores de los indicadores de calidad biológicos correspondientes a la masa de agua superficial reflejan los valores normalmente asociados con dicho tipo en condiciones inalteradas, y no muestran indicios de distorsión, o muestran indicios de escasa importancia. Éstas son las condiciones y comunidades específicas del tipo.
Los valores de los indicadores de calidad biológicos correspondientes al tipo de masa de agua superficial muestran valores bajos de distorsión causada por la actividad humana, pero sólo se desvían ligeramente de los valores normalmente asociados con el tipo de masa de agua superficial en condiciones inalteradas.
Los valores de los indicadores de calidad biológicos correspondientes al tipo de masa de agua superficial se desvían moderadamente de los valores normalmente asociados con el tipo de masa de agua superficial en condiciones inalteradas. Los valores muestran signos moderados de distorsión causada por la actividad humana y se encuentran significativamente más perturbados que en las condiciones correspondientes al buen estado.
Tabla 38: Indicadores de calidad para definir el estado ecológicos de aguas costeras (CE, 2000)
Indicador Biológico Muy buen estado Buen Estado Estado Aceptable
Fitoplancton
La composición y abundancia de taxones de fitoplancton corresponden a las de condiciones inalteradas. Las concentraciones promedio de biomasa de fitoplancton corresponden a las condiciones fisicoquímicas específicas del tipo y no llegan a alterar de manera significativa las condiciones de transparencia específicas del tipo. Las floraciones fitoplanctónicas se producen con una frecuencia e intensidad coherentes con las condiciones fisicoquímicas específicas del tipo.
La composición y abundancia de los taxones de fitoplancton muestran leves signos de perturbación. Se observan leves cambios en la biomasa en comparación con las condiciones específicas del tipo. Dichos cambios no indican ningún crecimiento acelerado de algas que produzca perturbaciones indeseables en el equilibrio de los organismos presentes en la masa de agua o en la calidad fisicoquímica del agua. Se puede producir un ligero incremento de la frecuencia e intensidad de las floraciones fitoplanctónicas específicas del tipo.
La composición y abundancia de los taxones de plancton muestran signos moderados de perturbación. La biomasa de algas se encuentra significativamente fuera de los márgenes correspondientes a las condiciones específicas del tipo, y es tal que repercute en otros indicadores de calidad biológicos. Puede producirse un moderado incremento en la frecuencia e intensidad de las floraciones planctónicas. Durante los meses de verano se pueden producir floraciones persistentes.
Macroalgas y angiospermas
Presencia de todos los taxones de macroalgas y angiospermas sensibles a las perturbaciones correspondientes a condiciones inalteradas.
Presencia de la mayoría de los taxones de macroalgas y angiospermas sensibles a las perturbaciones correspondientes a condiciones inalteradas.
Ausencia de un número moderado de los taxones de macroalgas y angiospermas sensibles a las perturbaciones correspondientes a condiciones inalteradas.
Inodú 80
Los grados de recubrimiento de macroalgas y la abundancia de angiospermas corresponden a los de condiciones inalteradas.
El grado del recubrimiento de macroalgas y la abundancia de angiospermas presentan leves signos de perturbación.
El recubrimiento de macroalgas y la abundancia de angiospermas se ven moderadamente perturbados y pueden ser tales que se produzca una perturbación indeseable en el equilibrio de los organismos presentes en la masa de agua.
Fauna bentónica de invertebrados
El grado de diversidad y abundancia de los taxones de invertebrados se encuentra dentro de los márgenes normales correspondientes a condiciones inalteradas. Presencia de todos los taxones sensibles a las perturbaciones correspondientes a condiciones inalteradas.
El grado de diversidad y abundancia de los taxones de invertebrados está ligeramente fuera de los márgenes correspondientes a las condiciones específicas del tipo. Presencia de la mayoría de los taxones sensibles de las comunidades específicas del tipo.
El grado de diversidad y abundancia de los taxones de invertebrados está moderadamente fuera de los márgenes correspondientes a las condiciones específicas del tipo. Presencia de taxones indicadores de contaminación. Ausencia de varios de los taxones sensibles de las comunidades específicas del tipo.
Indicador Hidromorfológico
Muy buen estado Buen Estado Estado Aceptable
Mareas
El régimen del flujo de agua dulce y la velocidad de las corrientes dominantes corresponden total o casi totalmente a los de condiciones inalteradas.
Condiciones coherentes con la consecución de los valores especificados más arriba para los indicadores de calidad biológicos.
Condiciones coherentes con la consecución de los valores especificados más arriba para los indicadores de calidad biológicos
Condiciones morfológicas
La variación de profundidad, la estructura y sustrato del lecho ribereño, así como la estructura y condición de las zonas de oscilación de la marea corresponden total o casi totalmente a los de condiciones inalteradas.
Condiciones coherentes con la consecución de los valores especificados más arriba para los indicadores de calidad biológicos.
Condiciones coherentes con la consecución de los valores especificados más arriba para los indicadores de calidad biológicos
Indicador Fisicoquímico
Muy buen estado Buen Estado Estado Aceptable
Condiciones generales
Los indicadores fisicoquímicos corresponden total o casi totalmente a los de condiciones inalteradas. Las concentraciones de nutrientes permanecen dentro de los márgenes normales correspondientes a condiciones inalteradas. La temperatura, el balance de oxígeno y la
La temperatura, las condiciones de oxigenación y la transparencia no alcanzan valores fuera de los márgenes establecidos, de tal manera que garantizan el funcionamiento del ecosistema y la consecución de los valores especificados más arriba para los indicadores de calidad biológicos. Las concentraciones de nutrientes no exceden los valores establecidos de tal
Condiciones coherentes con la consecución de los valores especificados más arriba para los indicadores de calidad biológicos.
Inodú 81
transparencia no muestran signos de perturbaciones antropogénicas y se mantienen dentro de los márgenes que corresponden normalmente a condiciones inalteradas.
manera que garantizan el funcionamiento del ecosistema y la consecución de los valores especificados más arriba para los indicadores de calidad biológicos.
Contaminantes sintéticos Específicos
Concentraciones cercanas a 0 o al menos por debajo de los límites de detección de las técnicas de análisis más avanzadas de uso general.
Concentraciones que no exceden las normas establecidas de acuerdo con el procedimiento especificado en el punto 1.2.6 sin perjuicio de lo dispuesto en las Directivas 91/414/CE y 98/8/CE (< eqs).
Condiciones coherentes con la consecución de los valores especificados más arriba para los indicadores de calidad biológicos.
Contaminantes no sintéticos específicos
Concentraciones dentro de los márgenes que corresponden normalmente a condiciones inalteradas (valores de base = bgl).
Concentraciones que no superan las normas establecidas de acuerdo con el procedimiento especificado en el punto 1.2.6 (2) sin perjuicio de lo dispuesto en las Directivas 91/414/CE y 98/8/CE (< eqs).
Condiciones coherentes con la consecución de los valores especificados más arriba para los indicadores de calidad biológicos.
Luego, una vez determinado el estado ecológico de un cuerpo de agua los Estados definen un
paquete de medidas para superar la brecha entre el estado actual del cuerpo de agua, y el estado
ambiental "Bueno" que deben presentar todos los cuerpos de agua en Europa para el 2015. Se le
exige a la autoridad competente que gestione el cuerpo de agua para lograr los indicadores de
calidad estándar que se definieron para cumplir con ese objetivo.
La WFD no es una directiva prescriptiva, pero la presión que ejerce para lograr los objetivos de
calidad o el estado de conservación del cuerpo de agua receptor puede afectar en la decisión de
cual sistema de enfriamiento utilizará una determinada central (Rajagopal, 2012).
Hasta el año 2013, regían Directivas que imponían estándares de calidad a las aguas. La WFD del
año 2000 estableció que éstas Directivas debían derogar 13 años después de promulgada la WFD
(Artículo 22 de la WFD). En consecuencia, las indicaciones de la WFD reemplazan a los
requerimientos establecidos previamente por las directivas derogadas, las cuales, a modo de
referencia, se describen en las secciones siguientes.
La explicación de aquellas directivas derogadas se considera relevante para entregar una visión
más amplia de la evolución regulatoria en Europa, y analizar como los Estados miembros han
comenzado a hacer regir la WFD desde el año 2013. Este es el caso del Reino Unido, el cual
elaboró un procedimiento para implementar la WDF basándose en las directivas derogadas
(UKTAG, 2010); este caso se toma como ejemplo en cada una de las directivas definidas a
continuación.
Inodú 82
11.1.2.1 Directiva 2006/44/CE relativa a la calidad de las aguas continentales que
requieren protección o mejora para ser aptas para la vida de los peces
Esta directiva aplicaba a las aguas continentales33 que requirieran protección o mejora para ser
aptas para la vida de los peces, y declaradas como tales por los Estados miembros. Los cuerpos de
agua son designados en una categoría, de las dos posibles, dependiendo de la naturaleza de los
peces que habitan en ella o los que podrían hacerlo. Estas dos categorías son "Aguas salmonícolas"
o "Aguas ciprinícolas".
Diferentes estándares, obligatorios u orientativos, podían aplicar a cada una de las categorías
mencionadas anteriormente. Algunos elementos regulados por la Directiva 2006/44/CE podían ser
derogados dependiendo del clima o condiciones geográficas. Los elementos regulados por la
Directiva 2006/44/CE, que tienen relación con los sistemas de enfriamiento, son:
Temperatura máxima: las descargas térmicas no deben causar una temperatura, en el
borde de la "zona de mezcla"34, mayor a 21,5°C para aguas salmonícolas o mayor a 28°C en
agua ciprinícolas. Incluye excepciones.
Máximo aumento de temperatura: las descargas térmicas no deben provocar que el
aumento de temperatura exceda los 1,5°C (salmonícolas) o los 3°C (ciprinícolas) en el
borde de la "zona de mezcla".
Oxigeno disuelto.
Sólidos suspendidos: recomienda 25mg/L
Cloro residual total: impone 0,005 mg/L (medido usando el método DPD y expresado
como HOCl en acidez pH 6).
Zinc total: impone 0,3 mg/L para salmónicos y 1mg/L para ciprinícolas (para 100mg/L de
dureza como CaCO3).
Cobre disuelto: recomienda 0,04 mg/L (para 100mg/L de dureza como CaCO3).
La Directiva 2006/44/CE también regulaba otros elementos relacionados a efluentes del proceso
de generación y que podrían ser descargados junto con las aguas de enfriamiento tales como pH,
DOB5, fosforo, hidrocarburos, amoniaco y amonio (la lista completa de parámetros se encuentra
en el "Anexo I: Lista de parámetros" que es parte de esta directiva).
El Reino Unido ha propuesto adaptar la Directiva 2006/44/CE a la WFD tomando como lógica, en
alguno de los parámetros, el uso de los valores límites para determinar el estado ecológico del
cuerpo de agua. A modo de ejemplo, la Tabla 39 indica como abordaron lo anterior para la
33
Definidas en la WFD como " todas las aguas quietas o corrientes en la superficie del suelo y todas las aguas subterráneas situadas hacia tierra desde la línea que sirve de base para medir la anchura de las aguas territoriales". 34
La "zona de mezcla" está definida en la directiva 2008/105/CE como áreas adyacentes al punto de descarga donde las concentraciones de uno o más sustancias pueden exceder el estándar de calidad ambiental si ellos no afectan el cumplimiento del resto del cuerpo de agua (BEEMS, 2010). La Comunidad Europea ha elaborado la "Technical Guidelines for the Identification of Mixing Zones" para apoyar a los Estados Miembros que deseen hacerlo.
Inodú 83
temperatura en el caso de ríos. Para el caso de los estuarios y aguas costeras no han logrado
determinar una relación entre la ecología y la compleja estructura térmica creada por gradientes
de temperatura, por lo tanto se enfocarán en continuar con los controles de las descargas
térmicas individuales asegurándose que la extensión de la "zona de mezcla" permita a la ecología
cumplir con los objetivos de la WFD (UKTAG, 2008 pag 26).
Tabla 39: Utilización, por parte del Reino Unido, de la directiva para peces de agua dulce en la definición de estados ecológicos establecidos por la WFD (adaptada de UKTAG, 2010).
Parámetro Directiva Peces de agua dulce WFD
Salmonícolas Ciprinícolas
Temperatura °C 21,5°C 28°C Utiliza estos estándares para definir el estado de las aguas. Aguas frías: Muy Bueno: 20°C Bueno: 23°C Aceptable: 28°C Aguas cálidas: Muy Bueno: 25°C Bueno: 28°C Aceptable: 30°C
Máximo Aumento de la Temperatura (en el borde de la "zona de mezcla"
1,5°C 3°C Este parámetro no será usado para definir el estado del cuerpo de agua. Podrá ser usado para calcular la acción necesaria para cumplir el objetivo.
11.1.2.2 Directiva 2006/113/CE del Parlamento Europeo y del Consejo, de 12 de
diciembre de 2006, relativa a la calidad exigida a las aguas para cría de
moluscos
Esta directiva exigía a los Estados miembros definir las aguas costeras y salobres que serían
destinadas a la cría de moluscos. Estas aguas debían ser protegidas o mejoradas para permitir el
crecimiento de los moluscos y contribuir así a la buena calidad de los productos destinados a la
alimentación humana. La Directiva 2006/113/CE establecía los parámetros aplicables a las aguas,
valores estándares directrices y otros obligatorios, métodos de análisis y la frecuencia mínima de
toma de muestras y de las mediciones (UE, 2014b).
Los parámetros aplicables a las aguas para la cría de moluscos afectan al pH, la temperatura, la
coloración, las materias en suspensión, la salinidad, el oxígeno disuelto así como la presencia o la
concentración de determinadas sustancias (hidrocarburos, metales, substancias órgano-
halogenadas). La Directiva regulaba los siguientes aspectos que se relacionan a los sistemas de
enfriamiento:
Inodú 84
Máximo aumento de temperatura: las descargas térmicas no deben provocar que la
temperatura aumente en más de 2°C comparado con las aguas que no son afectadas por
la descarga.
Oxigeno disuelto.
Salinidad
Sólidos suspendidos
También regulaba otros parámetros que se relacionan al proceso y pueden ser descargados junto
con las aguas para enfriamiento, tales como, pH, DOB5, hidrocarburos, sustancias
organohalógenadas, y metales (cobre, zinc, cromo, níquel, mercurio, cadmio).
La Tabla 40 indica cómo el Reino Unido traslada la Directiva 2006/113/CE a lo exigido por la WDF
para el parámetro de temperatura. En el caso de los metales, no continua con los valores límites
de la directiva para moluscos, y establece como estándar los valores límites que ya estaban
definidos para metales en la directiva 76/464/EEC, sobre contaminación de sustancias peligrosas.
Tabla 40: Utilización, por parte del Reino Unido, de la directiva para moluscos en la definición de estados ecológicos establecidos por la WFD (adaptada de UKTAG, 2010).
Parámetro Directiva para moluscos WFD
Directriz Obligatorio
Temperatura °C La diferencia de temperatura provocada por un vertido no deberá superar en más de 2 °C a la temperatura medida en las aguas no afectadas.
--- No utiliza el aumento de temperatura para determinar el estado de las aguas. No mantiene la directriz de los 2°C, pero sí mantiene el control del aumento de la temperatura para cumplir el objetivo de la WFD.
11.1.2.3 Directiva 76/464/EEC en contaminación causada por ciertas sustancias
peligrosas descargadas al ambiente acuático de la Comunidad, codificada
actualmente en la Directiva 2006/11/CE
La Directiva de Sustancias peligrosas, junto con sus directivas "hijas", regulaba las sustancias
potencialmente relacionadas a la operación de sistemas de enfriamiento. Estas incluyen sustancias
como el cobre, el níquel, y el zinc, que pueden ser liberadas por los materiales usados para la
construcción de los diferentes componentes de los sistemas de enfriamiento; sustancias
relacionadas al control químico de incrustación por formación biológica; sustancias como el
mercurio y el cadmio, que pueden estar presentes por el tratamiento del agua para enfriamiento;
Inodú 85
y sustancias que pueden estar presentes en los efluentes desde la central y que pueden ser
descargados junto con las aguas de enfriamiento.
La Directiva 76/464/EEC fijaba estándares de calidad ambiental para sustancias que son escogidas
por su toxicidad, persistencia y bioacumulación (con excepción de las sustancias biológicamente
inofensivas o que se transforman rápidamente en sustancias biológicamente inofensivas). Estas
sustancias son definidas en la Lista I de sustancias prioritarias, indicadas en el Anexo X de la WFD.
Los estándares de calidad eran fijados en las directivas "hijas"35 indicadas en el Anexo IX de la
WFD. Estas directivas "hijas" fueron derogadas por la Directiva 2008/105/CE (CE, 2008) que
actualmente es la directiva que fija los estándares de calidad ambiental de estas sustancias y
reemplaza el Anexo X de la WFD.
Adicionalmente, la directiva establecía una segunda lista, lista II, que incluye sustancias que tienen
un efecto perjudicial para el medio acuático pero que puede limitarse a una determinada zona y
que está en función de las características de las aguas receptoras y su localización. Cada Estado
miembro de la Comunidad debe reducir la contaminación producida por estas sustancias por
medio de programas de calidad definidos por ellos. Al menos en el caso del Reino Unido, luego de
derogada esta directiva se continua controlando el cumplimiento de la lista II y los mismos
estándares que este Estado ya había definido con anterioridad.
11.1.3 Directiva 2014/52/UE por la que se modifica la Directiva 2011/92/UE, relativa a
la evaluación de las repercusiones de determinados proyectos públicos y
privados sobre el medio ambiente
Esta directiva exige evaluar los efectos medioambientales que puedan causar algunos proyectos
antes de dar el consentimiento para su ejecución. En el caso de las centrales térmicas deben ser
evaluadas las centrales de más de 300MWth, y las centrales nucleares (UE, 2014).
La evaluación incluye los efectos directos e indirectos sobre:
El ser humano, la flora y fauna.
Suelo, agua, aire, clima, y el paisaje.
Activos materiales y la herencia cultural.
Este proceso, que permite la participación del público desde el 2003, puede tardar varios años
para instalaciones complejas. Durante el desarrollo del proceso se obtiene información sobre los
efectos que puede causar la instalación y las opiniones de diferentes grupos de interés. Esto puede
ir afectando las decisiones de los desarrolladores de un proyecto, y particularmente la definición
35
Directiva relativa a los vertidos de mercurio (82/176/CEE) Directiva relativa a los vertidos de cadmio (83/513/CEE) Directiva relativa al mercurio (84/156/CEE) Directiva relativa a los vertidos de hexaclorociclohexano (84/491/CEE) Directiva relativa a los vertidos de sustancias peligrosas (86/280/CEE)
Inodú 86
respecto de que sistemas de enfriamiento utilizar, o los parámetros de operación diseñados para
el sistema elegido, tales como flujo, aumento de temperatura, entre otros (Rajagopal, 2012).
11.1.4 Directiva marco 2008/56/CE sobre la estrategia marina (MSFD)
El objetivo de la MSFD es lograr al 2020 el estatus ambiental Bueno en todas las aguas marinas de
la Unión Europea. Para lograr este objetivo, le exige a los Estados miembros elaborar una
estrategia de protección para sus aguas marinas (CE, 2014).
Es el primer instrumento legislativo de la Unión Europea relacionado a la protección de la
biodiversidad marina. Esta directiva define regiones marinas europeas basada en criterios
geográficos y medioambientales (Mar Báltico, Océano Atlántico Noreste, Mar Mediterráneo, y
Mar Negro). Los Estados miembros que comparten aguas de esas regiones marinas deben
cooperar entre ellos para cumplir el requerimiento de la MSFD. Esto deben realizarlo a través de
los Convenios de mares regionales existentes (CE, 2014).
11.1.5 Otras directivas, reglamentos y convenios
11.1.5.1 Reglamento (CE) N° 1907/2006 del parlamento europeo y del consejo de 18 de
diciembre de 2006 relativo al registro, la evaluación, la autorización y la
restricción de las sustancias y preparados químicos (REACH)
Es un registro de sustancias y productos químicos que tiene como fin asegurar el apropiado uso de
ellos. Solo los productos registrados pueden estar disponibles en el mercado Europeo. En
consecuencia, los químicos que puedan ser utilizados en los sistemas de enfriamiento deben estar
en este registro y su uso debe estar acorde a lo indicado en el registro (CE, 2006).
11.1.5.2 Reglamento (UE) N° 528/2012 del parlamento europeo y del consejo de 22 de
mayo de 2012 relativo a la comercialización y el uso de los biocidas
El año 2013 este reglamento revocó la directiva sobre productos biocidas (98/8/CE). Este
reglamento tiene como finalidad mejorar el funcionamiento del mercado europeo mediante la
armonización de las normas sobre la comercialización y el uso de los biocidas, garantizando al
mismo tiempo un nivel de protección elevado de la salud humana, animal y del medio ambiente.
Las disposiciones del Reglamento se basan en el principio de cautela. Se deberá prestar particular
atención a la protección de los grupos vulnerables. Este establece normas sobre:
a) la elaboración a nivel de la Unión Europea de una lista de sustancias activas que pueden
utilizarse en los biocidas;
b) la autorización de biocidas;
c) el reconocimiento mutuo de autorizaciones en el interior de la Unión;
d) la comercialización y uso de biocidas en uno o varios Estados miembros o en la Unión;
e) la introducción en el mercado de artículos tratados.
Inodú 87
Algunos de los biocidas regulados por este reglamento pueden ser utilizados en los sistemas de
enfriamiento para evitar la incrustación por formación biológica (CE, 2012).
11.1.5.3 Directivas y convenios que protegen hábitats naturales, y la fauna y flora de
Europa
Existen diferentes directivas y convenios a los que se han acogido algunos Estados miembros de la
comunidad europea por los cuales están obligados a proteger determinados sitios que posean
hábitats naturales y especies de flora y fauna que se han determinado necesarios de proteger. En
consecuencia, la construcción de una planta industrial que posea sistemas de enfriamiento deberá
ser evaluada por la autoridad competente en cuanto al potencial que esta tiene de afectar esos
hábitats y especies.
Estas directivas y convenios son:
Directiva 92/43/CEE del Consejo de 21 de mayo de 1992 relativa a la conservación de los
hábitats naturales y de la fauna y flora silvestres: Esta directiva define una red de ecológica
europea de "zonas especiales de conservación" donde se encuentran hábitats naturales
que deben ser protegidos. De la misma forma designa especies de flora y fauna que
deberán ser protegidos.
Directiva 79/409/CEE del Consejo, de 2 de abril de 1979, relativa a la conservación de las
aves silvestres: Esta directiva exige la protección de las aves a través del establecimiento
de una red de "zonas especiales de protección" para proteger el hábitat de las aves. Estas
zonas, en conjunto con las zonas especiales de conservación definidas en la directiva
92/43/CEE, conforman la red Natura 2000 de sitios protegidos.
Convenio sobre los Humedales, llamado el Convenio de Ramsar: es un tratado
intergubernamental que sirve de marco para la acción nacional y la cooperación
internacional en pro de la conservación y el uso racional de los humedales y sus recursos.
(Ramsar, 2014)
Convenio de Berna, relativo a la Conservación de la Vida Silvestre y del Medio Natural de
Europa (COE, 2014)
Convenio de Bonn sobre Conservación de Especies Migratorias (MAGRAMA, 2014a)
Convenio de OSPAR sobre la protección del ambiente marino del Atlántico Noreste
(OSPAR, 2014).
Reglamento (CE) N° 1100/2007 del consejo de 18 de septiembre de 2007 por el que se
establecen medidas para la recuperación de la población de anguila europea (MAGRAMA,
2014b).
Inodú 88
11.2 Normativa Estados Unidos
En los Estados Unidos la autoridad federal ha regulado por mucho tiempo la contaminación de las
aguas para la protección de la vida humana, mantener la población de peces, el uso recreacional, y
el bienestar del medioambiente. La Tabla 41 muestra la evolución de la regulación.
Tabla 41: Línea de tiempo de la regulación del agua en los Estados Unidos (adaptado de ASME, 2014)
Año Regulación Comentario
1899 Refuse Act Prohíbe el vertido de basura en aguas navegables excepto con un permiso.
1948 Water Pollution Control Act (WPCA) Fue la primera ley importante tendiente a mejorar los problemas de la contaminación de las aguas. Dio una autoridad limitada al gobierno federal, y proporcionó un mecanismo de aplicación extremadamente engorroso. Fue enmendada en 1972 por la Clean Water Act.
1965 Water Quality Act (WQA) Con esta ley se le indicó a los Estados que desarrollaran normas de calidad de los cuerpos de agua estableciendo objetivos de calidad a las aguas interestatales.
1970 National Enviromental Policy Act (NEPA) Exige a todas las agencias federales preparar declaraciones de impacto ambiental de las acciones propuestas por estas.
1972 Federal Water Pollution Control Act o Clean Water Act, CWA
Se estimó que un enfoque basado solo en la calidad de las aguas no era suficiente por lo que con la CWA se incluyeron normas basadas en tecnología para regular las descargas puntuales.
1972 Coastal Zone Management Act (CZMA)
1973 Endangered Species Act (ESA)
1977 Enmiendas a la CWA
1987 Water Quality Act Le dio un nuevo ímpetu al programa de normas de calidad para los cuerpos de agua exigiendo el desarrollo de normas numéricas para tóxicos en aquellos cuerpos de agua donde los contaminantes tóxicos pudieran afectar el uso dado a estos.
1990 Coastal Zone Act Reauthorization Amendments (CZARA)
2001 Section 316(b) Fase 1 Fijó normas para la captación de agua en las nuevas plantas industriales.
2014 Section 316(b) Fase 2 Fijó normas para la captación de agua en las plantas industriales existentes.
Inodú 89
De esta forma, la captación y descarga de las aguas utilizadas en centrales termoeléctricas están
reguladas por el Clean Water Act (CWA). Esta norma establece la estructura básica para regular las
descargas de contaminantes a las aguas y regula estándares de calidad para las aguas
superficiales. La CWA declara ilegal la descarga de contaminante desde una fuente puntual a aguas
navegables, excepto si es realizado como lo indica un permiso que debe ser otorgado. Este
permiso es el National Pollutant Discharge Elimination System (NPDES) (EPA, 2014a). La CWA
regula contaminantes químicos, las descargas térmicas, posibles variaciones a la regulación de
estas (Sec. 316(a)), y la captación de las aguas (316(b)). La Tabla 42 resume lo establecido por
diferentes secciones de la CWA.
La Clean Water Act autoriza a la EPA a establecer normas y directrices a la descarga de los
efluentes desde fuentes puntuales de diferentes categorías industriales. Las normas y directrices
deben ser establecidas basándose en el desempeño de las tecnologías de control y tratamiento de
efluentes disponibles (EPA, 2013). De esta forma, en 1974 la US EPA promulgó la Steam Electric
Power Generating effluent Guidelines and Standards (40 CFR Part 423) que regula las descargas de
centrales termoeléctricas basadas en vapor (actualmente se encuentra en proceso de revisión).
Los estándares y directrices de esta regulación están incorporados en el permiso NPDES (EPA,
2014b). La US EPA determinó que las descargas de este tipo de termoeléctricas contribuyen con
más de la mitad de todos los contaminantes tóxicos vertidos a las aguas superficiales por todas las
categorías industriales reguladas por la CWA en los Estados Unidos (EPA, 2014c). La Steam Electric
Power generating effluent Guidelines and Standards establece límites a: (EPA, 2013)
Agua de los sistemas de enfriamiento abiertos de paso único
Purga de las torres de enfriamiento
Agua usada en el transporte de las cenizas volantes
Agua usada en el transporte de las cenizas depositadas
Desechos de la limpieza de metales
Escurrimiento de las pilas de carbón
Fuentes de bajo volumen de desechos, lo que incluye por ejemplo, aguas residuales de
filtros húmedos usados para el control de emisiones a la atmosfera, purga de la caldera,
desechos de la limpieza del estanque de las torres de enfriamiento, entre otros (40 CFR
423.11(b)).
Lo valores límites de descarga de estas aguas residuales se muestran en la Tabla 43. El NPDES fija
límites permitidos para la carga máxima diaria de varios químicos que pueden estar presentes en
las aguas de enfriamiento y en las purgas de las torres de enfriamiento. Para el caso de las aguas
de enfriamiento de los sistemas abiertos, regula posibles aditivos presentes tales como
anticorrosivos, agentes para desmineralizar el agua, y biocidas. En el caso de las purgas de las
torres de enfriamiento, regula la presencia de metales y sólidos disueltos que representan una
contaminación más significativa que las de aguas usadas en sistemas abiertos (ASME, 2014).
Inodú 90
Tabla 42: Secciones de la Clean Water Act que regulan aspectos relevantes para centrales termoeléctricas basadas en vapor (adaptado de ASME, 2014 y Poe, 1995).
Sección de la CWA Descripción
CWA Sec. 316(a) Variaciones
Autoriza a las autoridades del permiso NPDES imponer límites alternativos a los efluentes térmicos en lugar de los límites a efluentes que serían requeridos bajo las secciones 301 ó 306 del CWA. Establece el concepto de autorización “Best Professional Judgment” (BPJ). Permite demostraciones de “Balanced, indigenous populations” (BIP) basadas en BPJ, en lugar de estándares federales o estatales. Las variaciones requieren ser renovadas cada 5 años. (EPA, 2008)
CWA Sec. 316(b) Provee normas de cumplimiento para estructuras de captación de agua de enfriamiento basados en Best Technology Available (BTA).
CWA Sec. 402 Exige a cada estado desarrollar su propio State Pollutant Discharge Elimination System o cumplir con la National Pollutant Discharge Elimination System (NPDES).
CZMA (Coastal Zone Management Act) Sec. 306
Exige que los programas de gestión de cada estado (para la protección de recursos costeros y aguas adyacentes) incluyan planes para anticipar impactos de las centrales de generación. Esto afecta a todas las acciones que requieren una licencia o permiso federal, tales como un permiso NPDES.
ESA (Endagered Species Act) Sec. 4
Impide la destrucción de hábitats críticos para especies en peligro de extinción por los proyectos financiados por el gobierno federal.
ESA Sec. 9 Establece que la "toma" de las especies incluidas en peligro de extinción es ilegal. Muchas especies enumeradas tienen necesidades particulares de agua, incluidos los requisitos de temperatura y flujo.
Inodú 91
Tabla 43: Estándares y directrices actuales para efluentes de Centrales de generación basadas en vapor (adaptado de EPA, 2013).
Corriente de agua BPT BAT NSPS PSES y PSNS
Todas las corrientes de agua
pH: 6-9 PCBs: Cero descarga
PCBs: Cero descarga pH: 6-9 PCBs: Cero descarga
PCBs: Cero descarga
Transporte de ceniza volante
TSS: 100mg/L; 30mg/L Aceite y Grasa: 20mg/L; 15mg/L
Cero descarga
Cero descarga (para PSNS) No límite para PSES
Transporte de ceniza depositada
TSS: 100mg/L; 30mg/L Aceite y Grasa: 20mg/L; 15mg/L
TSS: 100mg/L; 30mg/L Aceite y Grasa: 20mg/L; 15mg/L
Residuos de bajo volumen
TSS: 100mg/L; 30mg/L Aceite y Grasa: 20mg/L; 15mg/L
TSS: 100mg/L; 30mg/L Aceite y Grasa: 20mg/L; 15mg/L
Sistema enfriamiento abierto
Cloro libre disponible: 0,5 mg/L; 0,2 mg/L
Cloro Total Residual: 0,2mg/L max instantáneo (≥25MW) Igual a BPT (<25MW)
Cloro Total Residual: 0,2mg/L max instantáneo (≥25MW) Igual a BPT (<25MW)
Purga de Torres de enfriamiento
Cloro libre disponible: 0,5 mg/L; 0,2 mg/L
Cloro libre disponible: 0,5mg/L;0,2mg/L 126 Contaminantes prioritarios: Cantidades no detectables, excepto: Cromo total: 0,2mg/L;0,2mg/L – Zinc total: 1,0mg/L;1,0 mg/L
Cloro libre disponible: 0,5mg/L;0,2mg/L 126 Contaminantes prioritarios: Cantidades no detectables, excepto: Cromo total: 0,2mg/L;0,2mg/L – Zinc total: 1,0mg/L;1,0 mg/L
126 Contaminantes prioritarios: Cero descarga, excepto Cromo: 0,2mg/L; 0,2mg/L – Zinc: 1,0mg/L;1,0mg/L
Escurrimiento de la pila de carbón
TSS: 50mg/L máximo instantáneo
TSS: 50mg/L máximo instantáneo
Residuos químicos de la limpieza de metales
TSS: 100mg/L;30mg/L Grasa y Aceite: 20mg/L;15mg/L Cobre: 1,0mg/L;1,0mg/L Hierro: 1,0mg/L;1,0mg/L
Cobre: 1,0mg/L;1,0mg/L Hierro: 1,0mg/L;1,0mg/L
TSS: 100mg/L;30mg/L Aceite y Grasa: 20mg/L;15mg/L Cobre: 1,0mg/L;1,0mg/L Hierro: 1,0mg/L;1,0mg/L
Cobre: 1,0mg/L (máximo diario)
Residuos no químicos de la limpieza de metales
Reservado Reservado Reservado
- Para cada parámetro los limites indicados en la tabla separados por un punto y coma son el valor máximo diario, y el
valor promedio de 30 días.
- BPT = Best Practicable Control Technology Currently Available.
- BAT = Best Available Technology Economically Achievable.
- NSPS = New Source Performance Standards.
- PSNS = Pretreatment Standards for New Sources.
- PSES = Pretreatment Standards for Existing Sources.
- PCB = policlorobifenilos.
Inodú 92
Con respecto a las descargas térmicas, estas son definidas como contaminantes por la CWA, y por
lo tanto se les aplican límites. Si una fuente emisora puede demostrar que el límite fijado por el
estándar de calidad de las aguas (WQS) es más restrictivo que lo necesario para asegurar el
balance y la protección de los peces, moluscos, y la vida autóctona de un determinado cuerpo de
agua, la EPA tiene la facultad de ajustar los límites un caso específico. Estas variaciones están
contempladas en la Sección 316(a) de la CWA y se incluyen en el permiso NPDES otorgado a cada
central.
Por lo tanto, los límites y el monitoreo exigidos a cada planta son los que establece cada permiso;
estos podrían establecer un máximo para la temperatura en el punto de descarga, una máxima
tasa de incremento de la temperatura en el punto de descarga, y un delta de temperatura entre el
agua en la descarga y la temperatura ambiente del agua. El límite para la temperatura del agua
descargada es calculada considerando una "zona de mezcla" en la cual se espera que el efluente
térmico sea asimilado por el cuerpo de agua receptor (un bajo volumen descargado a alta
temperatura puede tener un impacto similar que el producido por un volumen alto a una menor
temperatura). En muchos casos se limita la carga térmica, pero la temperatura de descarga no es
limitada (EPA, 1992).
Los WQS varían entre Estados, por lo tanto es posible encontrar centrales con variaciones en los
permisos. En 1992 un tercio de 580 centrales en los Estados Unidos poseían un permiso con
variación (EPA, 1992). Sin embargo, Madden et al. 2013 determinó que al menos 14 de los 15
Estados de los Estados Unidos, que poseen la mayor parte de sistemas de enfriamiento abiertos de
paso único, han fijado WQS para asegurar que la temperatura del agua dulce no supere los 32,2°C.
Por otro lado, los permisos NPDES comúnmente incluyen variaciones estacionales. Esto significa
que, según la época del año, las centrales deben cumplir con diferentes límites en sus descargas.
La razón de esto radica en que el grado de impacto que pueden producir los sistemas de
enfriamiento podría fluctuar según las condiciones ambientales presentes en diferentes épocas
del año. Así por ejemplo, en ríos el aumento de temperatura ambiente, sumado a la carga térmica
de los efluentes, la variación del caudal del río, la reducción de oxígeno (por aumento de
temperatura), y los contaminantes químicos pueden estresar a los organismos acuáticos e
incrementar las tasas de infección (EPA, 1992; ASME 2014).
Es relevante tener en consideración que la US EPA ha determinado que acciones tomadas por
diferentes oficinas de la EPA con el objetivo de reducir emisiones, descargas, y otras impactos
medioambientales de las centrales termoeléctricas podrían afectar la generación y la composición
de las aguas residuales descargadas por estas (EPA, 2013). Algunos de estas regulaciones son:
Mercury and Air Toxics Standards (MATS)
Cross-State Air Pollution Rule (CSAPR)
Greenhouse Gas Emissions for New Electric Utility Generating Units
Coal Combustion Residuals (CCR) Proposed Rule
Inodú 93
La CWA también regula la captación de las aguas por medio de la sección 316(b). Esta sección
exige que el permiso NPDES, utilizado para plantas con estructuras de captación de agua para
enfriamiento, asegure que la ubicación, diseño, construcción, y capacidad de las estructuras refleje
la mejor tecnología disponible para minimizar impactos perjudiciales para el medio ambiente (EPA,
2014d). En consecuencia, en Noviembre del año 2001 la EPA reguló las estructuras de captación
para plantas nuevas que retiren más de 7.570 m3 al día (2 MGD36) y que tengan al menos una
estructura de captación que utilice al menos el 25% del agua que retira para fines de enfriamiento.
Se definen dos alternativas (40 CFR 125.81):
1. Las plantas que retiren más de 37.854 m3 al día (10 MGD) deben:
a. Reducir su flujo de entrada a un mínimo equivalente al posible de obtener con un
sistema cerrado de enfriamiento (y establece restricciones de flujo adicionales
para cuerpos de agua del tipo río, lagos, estuarios, o rías).
b. Diseñar y construir la estructura de captación para obtener una velocidad de
diseño, a través de las mallas, de 0,15m/s.
c. Utilizar tecnologías que minimicen la mortalidad de peces y moluscos por
atrapamiento, y que minimicen el arrastre de organismos, si se determina que hay
especies amenazas o si una agencia de pesca lo exige.
d. Realizar monitoreo y mantener registro.
Las plantas que retiren más de 7.570 m3/día y menos de 37.854 m3/día deben cumplir con
las letras b, c y d anteriores.
2. Las plantas que prefieran no cumplir con la alternativa 1 deben demostrar que la
tecnología que implementen genera impactos al ambiente a un nivel comparable con los
generados si se implementaran las letras a y b descritas anteriormente en la alternativa 1.
Adicionalmente, en Mayo de 2014, la US EPA definió la normativa que regula las plantas existentes
con el enfoque de reducir el atrapamiento y arrastre de organismos. De esta manera, a las plantas
existentes que retiren más de 7.570 m3 al día y que tengan una estructura de captación que utilice
al menos el 25% del agua que retira para fines de enfriamiento se les exige que reduzcan el
atrapamiento y arrastre de peces. La regulación ofrece flexibilidad a los operadores de las plantas
para elegir entre 7 alternativas (EPA, 2014e):
1. Operar un sistema cerrado de recirculación,
2. Operar una estructura de captación para agua de enfriamiento con una velocidad de
diseño máxima a través de la malla de 0,15 m/s,
3. Operar una estructura de captación para agua de enfriamiento con una velocidad máxima
a través de la malla de 0,15 m/s,
36
MGD = Millones de Galones al Día
Inodú 94
4. Operar un velocity cap fuera de la línea costa que haya sido instalado antes del 4 de
Octubre de 2014,
5. Operar una malla móvil modificada que cumpla con lo definido en la norma, y sea la mejor
tecnología disponible (definida por el Director) para reducción de atrapamiento,
6. Operar cualquier otra combinación de tecnologías, prácticas de gestión, y medidas de
operación que el Director determine como la mejor tecnología disponible para reducir
atrapamiento, o
7. Lograr el desempeño de mortalidad por atrapamiento estándar.
Por otro lado, le exige a las plantas que retiren más de 473.176 m3/día (125 MGD) que realicen
estudios para apoyar a la autoridad a determinar si deben ser requeridos controles para reducir el
número de organismos acuáticos arrastrados por los sistemas de enfriamiento.
Por último, las nuevas unidades que agregan capacidad de generación a centrales existentes
deben cumplir con una de las dos alternativas que fija la norma del Noviembre 2001 para plantas
nuevas.
La 316(b) define un valor estándar para la mortalidad por atrapamiento de 24% (valor promedio
de 12 meses), incluyendo la mortalidad latente37, para cada especie no frágil que es recogida o
retenida en un tamiz de abertura máxima de 14,2 mm.
Es importante destacar que la 316(b) también regula el monitoreo para el cumplimiento de lo
establecido en la norma. Así por ejemplo, junto con establecer métodos de medición, establece el
monitoreo de la mortalidad por atrapamiento con una frecuencia mínima mensual (EPA, 2014e,
pag 48376).
Es posible observar que la norma 316(b) solo regula el arrastre de estados de vida de peces y
moluscos que son factibles de ser arrastrados, y no hace mención al fitoplancton.
Finalmente, se puede destacar el trabajo que realiza la U.S. Energy Information Administration
(EIA) - agencia de estadística y análisis del Departamento de Energía -, recolectando, analizando, y
diseminando información independiente e imparcial para "promover la formulación sólida de
políticas, mercados eficientes, y el entendimiento público de la energía y su interacción con la
economía y el medio ambiente" (ASME, 2014 pag. 2-8). Esta actividad es realizada a través de
encuestas mensuales, trimestrales, o anuales.
La EIA recolecta información sobre los sistemas de enfriamiento de plantas termoeléctricas
utilizando dos encuestas anuales, la "Annual Electric Generator Report" (Formulario EIA-860) y la
"Power Plant Operations Report" (Formulario EIA-923). En estas encuestas los operadores de
centrales de al menos 1 MW de capacidad conectadas a la red eléctrica deben entregar
información respecto a sus generadores, y las mayores o igual a 100 MW deben además reportar
37
Mortalidad latente es la mortalidad retardada de organismos que inicialmente resistieron al arrastre o al atrapamiento, pero que no sobrevivieron a los efectos retrasados producidos por estos efectos.
Inodú 95
información relativa a sus calderas y sistemas de enfriamiento. El formulario EIA-860 recolecta
información sobre las características clave de los sistemas de enfriamiento, mientras que el EIA-
923 recolecta los datos de operación de estos. El EIA-860 también recolecta información
relacionada con la relación entre los sistemas de enfriamiento, las calderas, y los generadores
asociados. La Tabla 44 muestra parte de la información que es requerida.
Tabla 44: Información requerida por la EIA sobre sistemas de enfriamiento (adaptada de ASME, 2014).
EIA – 860 EIA – 923
• Fecha de operación del Sist. de enfriamiento (real o programada)
• Costo de Instalación del Sist. de enfriamiento
• Tipo de Sistema de enfriamiento • Fuente de agua • Tipo de agua • Fecha de operación del sistema de descarga
de cloro (real o programada) • Requerimientos de potencia de las Torres
de enfriamiento • Estado del Sist. de Enfriamiento • Flujo máximo de agua en la Torres de
enfriamiento • Otros
• Total mensual de cloro agregado al agua • Tasa promedio mensual de consumo,
retiro y descarga de agua. • Estado mensual del Sist. de enfriamiento • Número de horas en servicio • Temperatura máxima mensual del agua
en el sistema de captación y descarga • Temperatura promedio mensual del agua
en el sistema de captación y descarga • Metodología utilizada cuando los datos
temperatura o flujo de agua son estimados
• Otros
11.3 Normativa Chilena
En Chile diferentes leyes y normas regulan las descargas y captación de aguas de enfriamiento
para centrales termoeléctricas, los que se sintetizan en la Figura 33.
Figura 33: Leyes y reglamentos que pueden ser asociados a la descarga y captación de aguas para enfriamiento en Chile
Inodú 96
La descarga de residuos líquidos a cuerpos de agua está regulada por el Decreto Supremo N°90, de
Mayo del año 2000, que establece la norma de emisión para la regulación de contaminantes
asociados a las descargas de residuos líquidos a aguas marinas y continentales superficiales. Esta
norma tiene por objetivo prevenir la contaminación de las aguas marinas y continentales
superficiales que pueda producir la descarga de residuos líquidos. La norma aplica por igual en
todo el país y establece la concentración máxima permitida para diferentes contaminantes que
una fuente emisora puede descargar. La norma fija valores límites diferentes para cuerpos de
aguas fluviales, lacustres, o marinos. Adicionalmente, para el caso de aguas fluviales, permite a los
establecimientos aumentar las concentraciones límites según la tasa de dilución del cuerpo
receptor. Y en el caso de las aguas marinas establece valores límites diferentes para descargas
dentro de la "zona de protección litoral"38 o fuera de esta.
Las fuentes emisoras son aquellos establecimientos que descargan residuos líquidos con una carga
contaminante media diaria o valor característico superior a uno o más valores de los parámetros
indicados en el numeral 3.7 de la norma.
El D.S. N°90/2000 regula la descarga de contaminantes asociados a algún tipo de sistema de
enfriamiento tales como cobre, cromo, níquel, zinc, y temperatura, además de mercurio y cadmio
que pueden estar presentes en otros efluentes de plantas termoeléctricas. La Tabla 45 indica los
valores límite para los contaminantes regulados para aguas marinas dentro de la zona de
protección litoral, y las emisiones promedio de las centrales de generación chilenas para los
distintos contaminantes.
Esta norma no regula el cloro libre residual pero éste sí es monitoreado por los operadores de
centrales termoeléctricas en Chile e informado a la Superintendencia de Medio Ambiente como
parte de las condiciones impuestas por la autoridad durante el proceso de Evaluación de Impacto
Ambiental. El D.S. N°90/2000 no hace distinción por tipo de industria, ni permite a éstas aplicar a
modificaciones de los valores límites si demuestran que ello no genera impacto al medioambiente.
Es importante destacar que esta característica de flexibilidad se observa en la normativa definida
en los Estados Unidos.
38
Es un ámbito territorial de aplicación de la presente norma que corresponde a la franja de playa, agua y fondo de mar adyacente a la costa continental o insular, delimitada por una línea superficial imaginaria, medida desde la línea de baja marea de sicigia, que se orienta paralela a ésta y que se proyecta hasta el fondo del cuerpo de agua, fijada por la Dirección General del Territorio Marítimo y de Marina Mercante en conformidad a la siguiente fórmula: A = [1,28 x Hb/ m] x 1,6 En que, Hb = altura media de la rompiente (mts). m = pendiente del fondo. A = ancho zona de protección de litoral (mts). Para el cálculo de Hb se deberá utilizar el método HindCasting u otro equivalente autorizado por la Dirección General del Territorio Marítimo y de Marina Mercante.
Inodú 97
Tabla 45: Contaminantes regulados en Chile para descargas a aguas marinas dentro de la zona de protección litoral y las emisiones promedio de las centrales termoeléctricas chilenas incluidas en este estudio (informadas por el SMA
para el periodo Enero 2013 a Junio 2014.
Por otro lado, los desarrolladores deben solicitar autorización para construir y operar nuevas
instalaciones presentado un Estudio de Impacto Ambiental. La presentación de este estudio inicia
un proceso de revisión, realizado por la autoridad ambiental, durante el cual se solicita
información a los desarrolladores y se les exige incluir aspectos de prevención, control, y
monitoreo como requisito para obtener el permiso denominado Resolución de Calificación
Ambiental (RCA). Muchas veces, las materias involucradas en los requerimientos de información y
exigencias no están reguladas en Chile, como ocurre, por ejemplo, con los aspectos funcionales
asociados a los sistemas de captación de las aguas.
Inodú 98
La necesidad de obtener el RCA y otros permisos específicos influyen en la decisión sobre el tipo
de sistema de captación y sistema de enfriamiento, y la definición de sus parámetros de diseño. La
Tabla 46 muestra los permisos y su potencial influencia en los parámetros de diseño.
Tabla 46: Permisos que pueden influir en el tipo de sistema de enfriamiento y sus parámetros de operación.
Permiso Institución Decisiones de diseño que son influenciadas
Resolución de Calificación Ambiental
SEA Flujo de captación, filtros (por exigencia de dar seguimiento al fito y zooplancton que ingresa al sistema) Químicos adicionados al agua captada. Métodos de mantención de los ductos de captación.
Concesión marina Directemar Optar por no captar agua debido a los extensos tiempos de tramitación.
Resolución de Calificación Ambiental
Subpesca Profundidad de captación. Velocidad de captación. Filtros utilizados.
Inodú 99
12 Conclusiones
Las exigencias relacionadas a reducir la tensión entre el uso de agua y la generación de electricidad
en plantas termoeléctricas son altamente dependientes del contexto, lo que dificulta el
planteamiento de soluciones estandarizadas a nivel general, siendo más relevante el análisis caso-
específico. Cabe destacar que un menor retiro de agua por una central termoeléctrica no implica,
necesariamente, un menor impacto ambiental. Los impactos directos e indirectos en eficiencia y
emisiones de la central también deben ser contabilizados.
La selección de la mejor técnica disponible para sistemas de enfriamiento de centrales
termoeléctricas es un proceso complejo que debe ser realizado considerando las características
específicas del sitio tales como emplazamiento de la central, condiciones meteorológicas, cercanía
a sectores ecológicamente sensibles, entre otras. En la selección de un sistema de enfriamiento es
necesario realizar un balance entre eficiencia energética, impactos al medioambiente, y costo.
La experiencia normativa desarrollada después de más de 20 años de evaluación de los sistemas
de enfriamiento en Estados Unidos y Comunidad Europea debe ser considerada, pero
manteniendo siempre la precaución de analizar esa información dentro del contexto de desarrollo
de plantas termoeléctricas en Chile, el cual presenta diferencias significativas con esos Estados. A
modo de ejemplo, del total de centrales que hacen uso de agua de mar en Estados Unidos, el 16%
utiliza sistemas de captación fuera de la línea de la costa; lo que equivale sólo a un 1,5% cuando se
considera el total de sistemas de captación de agua para enfriamiento instalados en ese país.
Si bien durante el proceso de estudio de antecedentes técnicos, normativos, ambientales y
económicos se debe observar el desarrollo realizado en otras regiones, hay que ser cuidadosos en
identificar apropiadamente los factores regulatorios y técnicos que obedecen a contextos y
problemáticas particulares de una región.
El sistema de enfriamiento abierto de paso único debería ser preferido en centrales ubicadas en la
costa. Esto debido a (1) la mayor eficiencia térmica asociada a la utilización de este sistema; y (2) la
mayor utilización de químicos asociada a la operación de torres de enfriamiento comparado con la
utilización de químicos en sistemas abiertos de paso único (Tabla 4), lo cual produce un aumento
en la complejidad del tratamiento y monitoreo de los efluentes.
Es posible definir casos particulares de centrales termoeléctricas localizadas en regiones costeras
en que el uso de torres de enfriamiento podría ser más eficiente, particularmente cuando el
emplazamiento de la central se encuentra a una elevación equivalente a unas decenas de metros
por sobre el emplazamiento del punto de retiro de agua.
Para el contexto chileno, donde las centrales se ubican en regiones costeras, el principal desafío
debiera orientarse a dar una mayor certidumbre al uso de agua de mar para la operación de
sistemas de refrigeración abiertos, utilizando sistemas de protección y descarga diseñados,
operados y mantenidos adecuadamente. Este mecanismo es el más apropiado en términos de
Inodú 100
lograr un aprovechamiento de un medio de refrigeración abundante y eficiente para el uso del
recurso energético, tanto desde la perspectiva ambiental como económica.
Lo indicado anteriormente está alineado no sólo con los objetivos de desarrollo sustentable de
proyectos de generación termoeléctricos que provean energía segura y económica al país, sino
también con objetivos de eficiencia energética como política de Estado, ambos definidos por el
Ministerio de Energía en la Agenda de Energía.
En este contexto, es importante destacar también que el marco regulatorio vigente en la
comunidad europea establece una visión integral a los sistemas de enfriamiento en procesos
industriales, considerando las implicancias directas e indirectas en el uso de la energía de centrales
termoeléctricas. En particular, el contexto regulatorio europeo indica que los sistemas de
refrigeración abiertos corresponden a la mejor tecnología disponible, sobre todo en procesos que
requieren refrigeración importante (mayor a 10 MWth).
La experiencia internacional muestra que el uso de sistemas de enfriamiento seco sólo se justifica
cuando no se cuenta con el agua de refrigeración necesaria para utilizar sistemas abiertos ni
sistemas cerrados con torres de enfriamiento. Incluso se observó una preferencia a la instalación
de sistemas híbridos con el objeto de lograr una mayor eficiencia mediante la utilización del
volumen de agua disponible. La utilización de sistemas secos generalmente produce una pérdida
de eficiencia relevante en la central, y por consiguiente mayor consumo de combustible y
emisiones atmosféricas por MWh efectivo. En algunos casos, particularmente aquellas centrales
termoeléctricas con aerocondensador emplazadas en zonas con temperaturas particularmente
altas durante ciertos días de verano, la selección de una presión a la salida de la turbina en
conjunto con la definición de diseño basada en una temperatura típica de verano, se traducirá en
la selección de un aerocondensador más grande para mantener un desempeño operacional en la
central equivalente a la condición de diseño.
La incertidumbre regulatoria y los tiempos de tramitación ambiental y de concesiones marítimas
podrían incidir, en el futuro, en la decisión de instalar sistemas secos, a pesar que la central esté
ubicada en el borde costero. Esta decisión no sería apropiada en términos de lograr un
aprovechamiento de un medio de refrigeración abundante y más eficiente en el uso del recurso
energético, tanto desde la perspectiva ambiental como económica.
La oportunidad de emplear agua de mar está directamente relacionada a la utilización de sistemas
adecuados de protección del sistema de enfriamiento, teniendo en consideración que la función
de dicho sistema no sólo es reducir la probabilidad de obstrucción de tubos del condensador al
impedir el paso de objetos y organismos presentes en el agua (biomasa), sino también, proteger a
los organismos presentes en el medio acuático de los efectos que puede causar su atrapamiento
en rejillas o su arrastre hacia el interior de sistema de enfriamiento de la central.
El análisis comparado de tecnologías de protección del sistema de enfriamiento se debe realizar
cuidadosamente considerando el contexto de la aplicación. De la revisión bibliográfica realizada se
concluye que parte importante de los sistemas de protección no han sido probados
Inodú 101
suficientemente en sistemas de captación ubicados fuera de la línea de la costa (en mar). Por
consiguiente, la mayoría de las tecnologías requerirán el desarrollo de pruebas en terreno. En el
caso particular de sistemas de barreras, es deseable que las medidas para evitar y controlar la
formación biológica sean evaluadas.
Pruebas iniciales de nuevas tecnologías de protección de captación han sido desarrolladas en Chile
y han resultado en una eficiencia de protección sobre 95% para la mayoría de los microorganismos
analizados. Es importante continuar monitoreando el desempeño de esta y otras tecnologías en el
mediano plazo.
En cuanto a las descargas líquidas, es necesario ahondar en el estudio de las "zonas de mezcla"
para establecer criterios normativos. La "zona de mezcla" es el área donde cierto nivel de impacto
debería ser aceptado, controlando que la extensión de esta no afecte la ecología del cuerpo de
agua receptor. Medidas que ayudan a este control son los protocolos de optimización de
dosificación de químicos, la selección adecuada de estos, y el uso de difusores en las descargas
para acelerar la mezcla y dilución de contaminantes (químicos y térmicos) con el cuerpo de agua
receptor. La aplicación de estas medidas debe ser evaluada caso a caso ya que dependen de las
condiciones específicas del sitio, el tipo de cuerpo de agua, y las características de este.
El indicador de calidad del agua que es importante mantener es la temperatura promedio del
cuerpo de agua. Esto es de especial relevancia en ríos, donde la temperatura aguas abajo de la
descarga puede verse afectada. La temperatura promedio del cuerpo de agua receptor se ve
afectada por la temperatura y caudal del agua descargada. Un bajo caudal descargado a alta
temperatura puede provocar un impacto similar que un alto caudal a una menor temperatura. En
consecuencia, la temperatura máxima o promedio permitida en la descarga debe ser calculada
considerando el caudal de la descarga térmica, el caudal y flujo del cuerpo de agua receptor, y el
área de la "zona de mezcla".
Finalmente, del análisis realizado es posible concluir que el enfoque de la política de aguas vigente
en Chile difiere a la normativa desarrollada recientemente en Estados Unidos y la Comunidad
Europea. A modo de referencia, en Europa se define el estado de calidad de los cuerpos de agua
para planificar como mejorarlo o mantenerlo. En Estados Unidos se regula las descargas de
emisores puntuales para diferentes categorías industriales.
12.1 Necesidades de Trabajo Futuro Identificadas
Producto del desarrollo de este estudio, se han identificado las siguientes necesidades de trabajo
futuro:
Consensuar metodologías para la medición de atrapamiento y arrastre de organismos en
sistemas de captación.
Generar una línea de base de atrapamiento y arrastre de organismos de las centrales
existentes.
Inodú 102
Definir objetivos de cumplimiento de medidas de atrapamiento y arrastre en centrales
existentes y futuras.
Establecer una definición de velocidad de toma de agua en sistema de captación,
identificando los puntos de interés (ej: primer punto de contacto, entre otros).
Generar una línea de base de velocidad de toma de agua en sistema de captación de
centrales existentes en puntos de interés.
Evaluar, en conjunto con los grupos de interés, la conveniencia de establecer un estándar
de velocidad de toma de agua en futuras centrales termoeléctricas en el país versus
realizar una definición específica dependiendo de las condiciones de cada emplazamiento
de manera de establecer objetivos de cumplimiento de velocidad de toma de agua en
sistema de captación de futuras centrales.
Establecer requerimientos de información para que el proponente de un proyecto
documente durante el proceso de evaluación de impacto ambiental una o más referencias
que presenten la utilización previa de una tecnología de protección del sistema de un
captación de agua similar a la que presenta en su proyecto. La referencia debe indicar su
efectividad biológica, teniendo en consideración la conveniencia que proponente informe
aquellos factores ambientales, de ingeniería, y de operación que podrían influenciar el
desempeño de la tecnología en evaluación. La información deseable a presentar en el
proceso debería incluir: la localización donde previamente ha sido utilizado el sistema de
protección, el tipo de cuerpo de agua, el tamaño de la planta (número de unidades y
capacidad), el tipo de sistema de enfriamiento y flujo de agua requerido, el tipo de
sistema de captación de agua, los parámetros de diseño de las rejillas de protección
(tamaño de ranuras, velocidad de flujo de agua), las características del agua (temperatura,
salinidad, sedimentos), presencia de residuos, características de bioincrustación,
efectividad biológica, y otras referencias relevantes.
Consensuar metodología para definición de la zona de mezcla y medición de pluma
térmica. Adicionalmente, establecer criterios para la definición bordes y criterios de
verificación de datos en proceso de modelación.
Revisar la diferenciación de los requerimientos térmicos asociado a la descarga de acuerdo
al tipo de cuerpo de agua (agua dulce, estuario y mar). Desarrollar una referencia
consistente que indique temperaturas máximas de descarga y elevación permitida de
temperatura entre la medida en el borde de la zona de mezcla y la temperatura ambiente
del cuerpo de agua, indicando niveles factibles de excedencia durante un periodo
determinado (por ejemplo: excedencia en X ºC durante Y horas en un año). Elaborar
indicaciones validadas sobre temperaturas letales y preferidas por distintos organismos
presentes en los cuerpos de agua en Chile.
Inodú 103
Desarrollar una guía que describa una metodología y provea una base técnica que permita
a las partes que participan en el proceso de revisión de un estudio de impacto ambiental
realizar un buen juicio técnico, particularmente de aquellas secciones relacionadas con
aspectos de la ingeniería de sistemas de refrigeración de plantas termoeléctricas.
Complementar el sistema de información de centrales termoeléctricas utilizado por la
SMA con requerimientos de información que actualmente solicita la EIA respecto de la
caracterización de sistema de enfriamiento y los datos de operación relacionados a
succión y descarga de agua (referencia formulario EIA 860 y EIA 923).
Establecer medidas que permitan agilizar la evaluación y obtención de permisos asociados
a concesión marítima.
Identificar y fomentar la implementación de medidas de eficiencia energética en centrales
termoeléctricas existentes
Incorporar dentro de los factores a considerar en los procesos de planificación territorial la
disponibilidad de agua para enfriamiento de plantas termoeléctricas.
Ahondar en el estudio, bajo la mirada del contexto chileno, de los químicos asociados a los
sistemas de enfriamiento de centrales termoeléctricas y el impacto de la descarga de estos
sobre el medio acuático según tipo de cuerpo de agua receptor.
Inodú 104
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14 Anexo: Listado de centrales termoeléctricas incluidas en el
catastro