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Consumo global de agua en condensadores adiabáticos frente a unidades condensadoras enfriadas por aire

Jaime Illera Riesgo, Ana Tejero González, Manuel Andrés Chicote y Eloy Velasco Gómez21/06/2022

La Unión Europea, liderada por naciones como Alemania y su entorno, establece recomendaciones e imposiciones sobre el uso de algunas tecnologías con el objetivo de alcanzar una homogeneidad en el desarrollo técnico. A priori puede parecer una buena idea, sin embargo, no siempre lo es. Este es el caso de los sistemas de condensación en las enfriadoras. En Europa predominan los climas fríos, lo que justifica energéticamente el uso extendido de las unidades condensadoras enfriadas por aire frente a las alternativas más exigentes en mantenimiento basadas en agua. Sin embargo, en la práctica, al emplear este tipo de sistemas en climas más cálidos como los mediterráneos su rendimiento se ve gravemente perjudicado.

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Principio de funcionamiento de una condensadora por aire y un condensador adiabático.

En este artículo no se busca evaluar dicha eficiencia energética, sino el consumo de agua asociado. Como alternativa a las condensadoras por aire y sin necesidad de entrar a valorar los condensadores evaporativos y las torres de enfriamiento, se presenta una solución de compromiso: los condensadores adiabáticos.

Estos equipos se están popularizando cada vez más en el mercado dada su posición equilibrada entre eficiencia energética y seguridad [1][2]. Si bien está ampliamente demostrado que su eficiencia es considerablemente superior a las condensadoras por aire en condiciones climáticas cálidas, su principal defecto es un importante consumo directo de agua.

Contrastaremos ahora una hipótesis que se plantea de forma recurrente: el consumo de agua global puede ser menor en condensadores adiabáticos que en condensadoras por aire. Al mejorar la eficiencia se reduce el consumo eléctrico, lo que repercute en una menor necesidad hídrica en la generación eléctrica.

Consumo de agua en la generación eléctrica

Un aspecto que se pasa por alto habitualmente cuando se habla de la eficiencia en el consumo de agua de los equipos es el que concierne al gasto indirecto necesario en las centrales de potencia para generar la energía eléctrica consumida. Ese empleo de agua en algunos casos puede resultar desmesurado pese a ser “invisible” a ojos del consumidor final, y depende del mix eléctrico de cada territorio.

En el caso de las centrales termoeléctricas, su modo de operación es similar por lo general, contando con uno o varios ciclos de potencia que requieren una refrigeración constante. La diferencia en el requerimiento de agua asociado radica fundamentalmente en el rendimiento de las centrales, muy superior en los ciclos combinados a los ciclos convencionales [3]–[9].

En cuanto a las energías renovables, los escasos estudios publicados manifiestan enormes diferencias de consumo de agua entre tecnologías. El consumo de agua asociado a la generación fotovoltaica es ínfimo, siendo el único gasto relevante el referido a la limpieza de los paneles. De igual modo, el consumo asociado a la operación de las plantas eólicas es prácticamente inexistente.

Sin embargo, no todas las renovables presentan datos tan favorables. Aunque pueda resultar contraintuitivo, el consumo de agua en centrales hidroeléctricas es uno de los más elevados. Pese a no requerir refrigeración de sus sistemas de generación, los estudios existentes coinciden en que el aumento de evaporación debido a la existencia de agua embalsada se ha de atribuir a la generación eléctrica si este es su principal cometido [4]–[6], [10], [11].

Por último y también sorprendente es el gasto de agua necesario para hacer posible la energía procedente de la biomasa, dado que hay que contar con el regadío de los cultivos destinados a ese fin [6], [11].

La tabla 1 muestra los valores obtenidos para cada tecnología a partir de las fuentes existentes en la literatura.

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Tabla 1. Consumo medio de agua en la generación de electricidad. Fuentes:[4]–[11]
En realidad, los consumos totales asociados a la generación son mayores, pues los mencionados se refieren solo a la operación de las centrales, a lo que habría que sumar el gasto derivado de la obtención de los combustibles fósiles y su transporte, que según algunas fuentes podrían incrementar el total cerca de un 10% [6][9]. Por tanto, los valores totales reales serán al menos los expuestos, y en algunos casos superiores.

Asimismo, todos los valores anteriores van a sufrir variaciones en función del clima en el que se encuentren ubicadas las centrales de potencia, pues las tasas de evaporación en la refrigeración y en los embalses dependen estrechamente de las condiciones de temperatura y humedad, además de otros factores como la velocidad del viento o la radiación solar.

Cabe destacar que, pese a que no puede considerarse consumo como tal, la masa de agua que requieren las centrales termoeléctricas continuamente para su refrigeración (de la cual devuelven gran parte al entorno) supone un enorme impacto en lugares con recursos hídricos limitados. Según la literatura al respecto, tanto en China como en EE. UU. el sector energético es el segundo con mayores necesidades de agua tan solo por detrás de la agricultura [5].

Para obtener el consumo aproximado de cada país del continente europeo es necesario ponderar el gasto asociado a cada tecnología de generación en función del mix eléctrico particular, el cual varía considerablemente entre naciones. En la tabla 2 se presentan como ejemplo para el caso de estudio los mix de España, Italia y Grecia a fecha de realización de este estudio, a fin de comparar los resultados en climas similares con tecnologías de generación diferentes.

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Tabla 2: Mix eléctrico de España, Italia y Grecia en 2020 (Fuente: [12]) y consumo medio de agua asociado.
A modo de referencia, el consumo diario de electricidad en un hogar en España es de unos 10 kWh, lo que se traduce en 121 L/día tan solo para generar esa energía eléctrica.

Caso de estudio

Una vez establecida la tasa de consumo de agua indirecto de los equipos asociado al consumo eléctrico, se plantea un caso de estudio en el que comparar el consumo global de agua (directo más indirecto) de condensadores adiabáticos frente al consumo indirecto de condensadoras por aire. Para ello, se considera una condensadora por aire, la cual se puede convertir en adiabática incorporando paneles de relleno que proporcionan enfriamiento evaporativo directo a la entrada del flujo de aire exterior (imagen 1 y 2).

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 1. Condensadoras por aire 2. Mismos equipos con paneles de preenfriamiento adiabático.

Se ha modelado el caso de estudio con un programa de simulación de uso interno, basado en funciones de transferencia, con el que se obtienen las demandas horarias de refrigeración anuales para el año meteorológico tipo correspondiente a Madrid. A partir de la carga máxima de refrigeración resultante de 144 kW, se selecciona un equipo de 150 kW de capacidad nominal. El consumo eléctrico se determina tomando el EER del equipo con y sin sistema de preenfriamiento adiabático. A partir de dichos consumos y con las tasas previamente estimadas, se ha obtenido el consumo de agua indirecto a lo largo de un año.

Por su parte, el consumo directo con panel adiabático se calcula a partir de las condiciones exteriores simuladas de temperatura y humedad, suponiendo una eficiencia en la humidificación de 0,9. Se ha asumido que el control del sistema no modifica los flujos del aire de trabajo en función de las temperaturas de paso del aire a través de la batería.

Este mismo estudio se extiende para Italia y Grecia, donde pueden encontrarse climatologías semejantes a Madrid, pero en las que el mix eléctrico es notablemente diferente. Los resultados obtenidos se muestran en la Tabla 3 y la figura 1.

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Tabla 3: Consumo de agua total anual con y sin sistema adiabático
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Figura 1: Consumo global anual de agua (m3) para los equipos con y sin paneles adiabáticos.

Conclusiones

Los resultados reflejan que, para unas condiciones climáticas dadas, la diferencia viene marcada por el mix eléctrico que determina el consumo indirecto de agua en los equipos. Teniendo en cuenta que los valores de consumo en las centrales recogidos por la literatura no incluyen el gasto en todo el ciclo de vida de los combustibles y que se verán afectados por climas cálidos como los mediterráneos, el consumo de agua indirecto será superior al estimado por este procedimiento. En cualquier caso, por lo general (y en particular para España) el consumo de agua indirecto debido al uso de electricidad es superior al gasto que se pueda producir en el equipo.

Dos factores clave a tener en cuenta son la evolución climática en los próximos años y el cambio de paradigma esperable en el sector eléctrico. Por un lado, con el aumento previsto de las temperaturas en Europa las condensadoras por aire verán reducida su eficiencia también en regiones en las que actualmente son favorables. Además, en la generación de electricidad unas condiciones más calurosas también repercutirán en un consumo mayor de agua. Por otra parte, y dado que la composición del mix eléctrico es fundamental en los resultados, la transición energética será determinante para este consumo indirecto de agua. Una transición hacia fuentes eólica o fotovoltaica permitirá reducir los consumos indirectos. Un resurgimiento de la tecnología nuclear supondría un incremento de las captaciones de agua necesarias para la refrigeración, pero no implicaría un mayor consumo de agua. Por último, un posible desarrollo de las centrales de biomasa supondría el mayor crecimiento esperable en el consumo de agua asociado a la generación de potencia.

Bibliografía

[1] P. R. Puckorius, P. T. Thomas, and R. L. Augspurger, “Why Evaporative Coolers Have Not Cause Legionnaires’ disease, ” 1995.

[2] Boletín Oficial del Estado, Real Decreto 865/2003, de 4 de julio, por el que se establecen los criterios higiénico-sanitarios para la prevención y control de la legionelosis. 2003.

[3] A. Cooperman, J. Dieckmann, and J. Brodrick, “Water/Electricity Trade-Offs in Evaporative Cooling, Part 2, ” 2012. [Online]. Available: www.ashrae.org.

[4] T. Pistochini and M. Modera, “Water-use efficiency for alternative cooling technologies in arid climates, ” Energy and Buildings, vol. 43, no. 2–3, pp. 631–638, Feb. 2011, doi: 10.1016/j.enbuild.2010.11.004.

[5] P. Torcellini, N. Long, and R. Judkoff, “Consumptive Water Use for U.S. Power Production, ” 2003. [Online]. Available: http://www.osti.gov/bridge

[6] Y. Jin, P. Behrens, A. Tukker, and L. Scherer, “Water use of electricity technologies: A global meta-analysis, ” Renewable and Sustainable Energy Reviews, vol. 115. Elsevier Ltd, Nov. 01, 2019. doi: 10.1016/j.rser.2019.109391.

[7] L. Karimi et al., “Water-energy tradeoffs in data centers: A case study in hot-arid climates, ” Resources, Conservation and Recycling, vol. 181, Jun. 2022, doi: 10.1016/j.resconrec.2022.106194.

[8] J. Macknick, R. Newmark, G. Heath, and K. C. Hallett, “Operational water consumption and withdrawal factors for electricity generating technologies: A review of existing literature, ” Environmental Research Letters, vol. 7, no. 4, 2012, doi: 10.1088/1748-9326/7/4/045802.

[9] J. Meldrum, S. Nettles-Anderson, G. Heath, and J. Macknick, “Life cycle water use for electricity generation: A review and harmonization of literature estimates, ” Environmental Research Letters, vol. 8, no. 1, 2013, doi: 10.1088/1748-9326/8/1/015031.

[10] L. Scherer and S. Pfister, “Global water footprint assessment of hydropower, ” Renewable Energy, vol. 99, pp. 711–720, Dec. 2016, doi: 10.1016/j.renene.2016.07.021.

[11] M. Krarti and M. Aldubyan, “Mitigation analysis of water consumption for power generation and air conditioning of residential buildings: Case study of Saudi Arabia, ” Applied Energy, vol. 290, May 2021, doi: 10.1016/j.apenergy.2021.116767.

[12] International Energy Agency, “Countries and regions - IEA, ” https://www.iea.org/countries, Apr. 22, 2022.

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