El desafío de la energía nuclear

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1 El desafío de la energía nuclear Juan Luis François Lacouture Facultad de Ingeniería UNAM Academia Mexicana de Ciencias 1 Antecedentes Abordar el tema de la transición energética es sin lugar a dudas un desafío de grandes dimensiones, y más aún, cuando la enfrentamos desde la perspectiva de la fuente de energía más controversial: la energía nuclear Para contextualizar el tema que nos ocupa en esta ponencia, es necesario iniciar estableciendo algunas verdades que permitan poner en perspectiva la importancia y la complejidad de la transición energética Es indudable que la energía ha sido, es y será, un recurso esencial para el desarrollo de la humanidad También es innegable que el grado de desarrollo de una sociedad está estrechamente ligado al consumo de energía en general, y a la electricidad en particular La industria, el transporte, el comercio, el sector residencial, en fin, toda la actividad humana requiere de energía De tal manera que si aspiramos a tener un planeta más desarrollado y más justo es seguro que la demanda de energía deberá ir en aumento Por otro lado, a partir de la revolución industrial, la cual hizo un uso extensivo del carbón, y, posteriormente, continuando con el acelerado desarrollo tecnológico del siglo pasado, apoyado principalmente por la utilización de los hidrocarburos; la demanda de energía creció de manera vertiginosa El resultado del uso y abuso de combustibles fósiles ha traído como consecuencia el incremento desmedido de la concentración de los gases llamados de efecto invernadero, y con ello un aumento de la temperatura de la atmósfera, hecho que la mayoría de los científicos ya aceptan como un problema que está afectando el clima de la Tierra También es una verdad que los hidrocarburos son finitos, y que más temprano que tarde iniciarán su fase de agotamiento Además de que el peor uso que se puede hacer de ellos es quemarlos, ya sea para producir electricidad, o en los motores de combustión interna, en lugar de obtener productos de mayor valor agregado, a través de la petroquímica Asociado a esta fase de agotamiento de los hidrocarburos, se agregan problemas de índole geopolítica, con lo cual sus precios muestran un alto grado de volatilidad, y se encuentran en niveles muy elevados Por lo tanto, de aquí también se desprende otra verdad relacionada con el abasto de energía, y es que es necesario tener un portafolio de fuentes de energía diversificado No es viable para un país depender de un solo energético Ligados a los factores ambientales y económicos, que ya se han mencionado, cabe también señalar el involucramiento, cada vez más mayor, de la sociedad, ante las instalaciones industriales Por ejemplo, la oposición de la comunidad a la instalación de centrales hidroeléctricas, con razón o sin ella, es una realidad que debe ser tomada en cuenta en cualquier proyecto Aunado a estos elementos, cabe mencionar, también, lo que es otra verdad indiscutible, que la de hoy es una sociedad centrada en el conocimiento y en la tecnología, y que actualmente la dominación entre los países está basada en eso precisamente, en la ciencia y la tecnología Muchos países entendieron esta situación y han emprendido planes de largo plazo de desarrollo científico y tecnológico, con los cuales se han convertido de importadores a exportadores de

2 tecnología Baste citar el caso de Corea del Sur, país que hace veinte años se encontraba en una situación semejante a la de México, y que actualmente es un país exportador de tecnología De esta manera, se han mencionado ya las tres dimensiones asociadas al desarrollo sustentable: ambiental, económica y social; las cuales deben ser tomadas en cuenta en la realización de políticas públicas y muy en particular para la transición energética Finalmente, vale la pena destacar el hecho de que el panorama socio-económico ha evolucionado en los últimos tiempos, desde un contexto de crecimiento basado exclusivamente en la economía, hacia un desarrollo más amplio, orientado hacia metas de desarrollo sustentable Para una transición energética exitosa se deben tomar en cuenta todos los aspectos y las dimensiones asociadas a las diferentes opciones energéticas De esta manera se contará con las bases para tomar mejores decisiones, en cuanto a la incorporación de las diversas fuentes de energía a una política nacional en la materia 2 Hacia la Transición Energética Lo hasta aquí presentado intenta aportar algunos elementos para poder establecer las bases de un plan energético Este plan debe contemplar igualmente la inversión en ciencia y tecnología, y el desarrollo de una industria nacional de bienes de capital, productora de componentes como turbinas, generadores, bombas, etc, que genere la infraestructura necesaria para el crecimiento del sector energético Un plan energético a corto plazo debe de prever, por un lado, la intensificación de las medidas de ahorro y de uso eficiente de la energía, y por otro lado, promover la reducción de la dependencia en los hidrocarburos, favorecer la presencia de algunas fuentes alternas como la solar y la biomasa, y fortalecer otras como la geotermia, la hidráulica, la eólica y la nuclear Cada una de estas fuentes de energía tiene sus pros y sus contras, sin embargo, debemos contar con todas ellas La seguridad en el suministro y la diversificación del portafolio energético deben ser una parte importante de la política del sector Algunas fuentes de energía se encuentran en un estado de madurez mayor que otras y pueden tener una participación primordial en reducir la dependencia de los hidrocarburos En particular, la energía nuclear es una fuente de alta densidad energética, tecnológicamente madura, económica, segura y confiable, y que además en México ha demostrado un magnífico desempeño, mediante la operación de los dos reactores de la Central Nuclear de Laguna Verde Antes de analizar la participación de la energía nuclear en la transición energética, es importante analizar la prospectiva del crecimiento de la demanda de energía, y sus implicaciones ambientales y económicas 21 Crecimiento del sector eléctrico La electricidad es el energético secundario por excelencia gracias a su gran versatilidad Por esta razón se espera que la demanda eléctrica continúe creciendo de manera sostenida En la Figura 1 se presenta la proyección de la capacidad eléctrica mundial al año 2035, que de acuerdo al escenario de nuevas políticas (New Policies Scenario, NPS) de la Agencia Internacional de Energía (IEA, por sus siglas en inglés), aumentará con una tasa media anual de 23% En este escenario se supone que la población mundial crecerá en mil setecientos millones de personas en el período , y que la economía mundial lo hará al 35% anual, en promedio, lo cual generará una mayor demanda de servicios energéticos y movilidad que en el pasado,

3 Capacidad Instalda [GW] principalmente en los países fuera de la Organización para la Cooperación y el Desarrollo Económico (OCDE) En este escenario se asume que la temperatura global del planeta aumentará más de 35ºC por encima de los niveles preindustriales Proyección Mundial de Capacidad Instalada Escenario NPS 9,500 8,500 8,293 9,039 7,500 7,593 6,500 5,500 6,196 6,940 4,500 4, Año IEA, World Energy Outlook 2011, NPS Scenario Fuente: Figura 1 Escenario de crecimiento de capacidad instalada mundial al 2035 En cuanto a la distribución por tipo de energético, en la Figura 2 se observa que en el 2009 la participación de los combustibles fósiles (petróleo, gas y carbón) asciende a 668% Fuente: IEA, World Energy Outlook 2011, NPS Scenario Figura 2 Participación de tecnologías en la capacidad instalada Para el 2030 esta participación disminuye al 53% La nuclear se mantendrá prácticamente igual (de 8% a 7%), y las renovables aumentarán su participación en la capacidad instalada; por ejemplo, el viento pasará de 32% a 122% y la solar fotovoltaica aumentará de 04% a 55%

4 En términos de la energía eléctrica generada, en el escenario NPS, la generación aumentará de 20,023 TWh en 2009 a 36,249 TWh en 2035, a la tasa media anual de crecimiento de 23% En la figura 3 se presenta la distribución por tipo de tecnología En este caso se observa que para el 2035 más de la mitad de la generación eléctrica corresponderá a los fósiles (566%), con las implicaciones ambientales que esto representa, y que se abordarán un poco más adelante Por otro lado, es importante destacar que aunque la capacidad instalada nuclear para el 2035 será de solamente el 70%, la generación, es decir, la energía eléctrica entregada a la red será del 129% del total de la generación; mientras que las renovables, como el viento, con un 122% del total de la capacidad instalada, producirá el 75% del total de la electricidad producida en el año 2035 IEA, World Energy Outlook 2011, NPS Scenario Fuente: Figura 3 Proyección de generación de electricidad por tipo de tecnología al año 2035 Esto se explica por los bajos factores de planta anual de las renovables, como se aprecia en la Figura 4 Hay que recordar que lo ideal es tener un factor de planta de 100%, lo cual quiere decir que la instalación está entregando la electricidad de manera continua durante todo el año En el caso de México, de acuerdo a la prospectiva del sector eléctrico de la Secretaría de Energía, con datos de la Comisión Federal de Electricidad, en la Figura 5 se presenta de distribución por tipo de tecnología de la generación eléctrica para el año 2009 (real), y la proyectada para el 2025 Se observa que en 2009 la generación mediante combustibles fósiles representó el 81% del total, mientras que para el 2025 se espera que disminuya al 72%, lo cual es todavía alto, sobre todo, si se toma en cuenta que seguramente la mayoría de lo que se denomina nueva generación limpia será cubierta con ciclos combinados de gas 22 Dimensión ambiental De acuerdo al mismo estudio de la Agencia Internacional de Energía, y considerando el escenario NPS, las emisiones mundiales de CO 2 a la atmósfera de las centrales que queman carbón, gas y petróleo, así como biomasa y desechos, crecerán a la tasa media anual de 11% en el período , aumentando de 12,012 a 15,835 Mt CO 2 /año (ver Figura 6)

5 Tipo de Central Para el año 2035, el 670% de las emisiones corresponderían a las centrales carboeléctricas, 235% a las gasoeléctricas, 68% a las que queman biomasa y desechos y 27% a las que queman petróleo (ver Figura 7) solar FV petróleo viento hidro gas marina csp carbón biomasa geotermia nucelar Factor de Planta Anual 170% 104% 239% 272% 280% 196% 387% 369% 414% 378% 423% % 433% 114% % 586% 700% 620% 755% 695% 840% 774% 0% 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 90% IEA, World Energy Outlook 2011, NPS Scenario Fuente: Figura 4 Factor de planta actual y esperado para el año 2035 Fuente: Prospectiva del sector eléctrico , SENER Figura 5 Participación de tecnologías en la capacidad instalada

6 Emisiones de CO2 [Mt CO2] 17,000 Emisiones de CO2 en Generación 16,000 15,000 14,000 13,000 13,927 14,658 15,065 15,423 15,835 12,000 12,012 11, Año IEA World Energy Outlook 2011, NPS Scenario Fuente: Figura 6 Proyección de emisiones anuales de CO 2 al 2035 IEA World Energy Outlook 2011, NPS Scenario Fuente: Figura 7 Distribución de emisiones por tipo de tecnología Las emisiones evitadas de CO 2 a la atmósfera, debido a la generación de las centrales que usan energías renovables, así como las emisiones evitadas por la energía nucleoeléctrica, crecerán a una tasa media anual de 24% en el período , aumentando de 5,521 a 10,270 Mt CO 2 /año Al final del período, el 387% de las emisiones evitadas corresponderán a las centrales hidroeléctricas, 327% a las nucleares, 190% a las eólicas y el restante 97% a las demás renovables (ver Figura 8)

7 En un estudio reciente de la Asociación Nuclear Mundial 1 (WNA, por sus siglas en inglés), se hizo una recopilación de diferentes estudios acerca de la cuantificación de la emisión de gases de efecto invernadero (GHG, por sus siglas en inglés) en todo el ciclo de vida de diversas tecnologías de generación eléctrica La Figura 9 muestra los resultados principales Como es de esperarse, los combustibles fósiles son lo que presentan, por mucho, los valores más altos, después se encuentran las renovables y la nuclear con números comparables IEA, World Energy Outlook 2011, NPS Scenario Fuente: 23 Dimensión económica Figura 8 Distribución de emisiones evitadas por tipo de tecnología La Agencia Internacional de Energía y la Organización para el Cooperación y el Desarrollo Económicos realizaron recientemente un estudio de los costos de generación de electricidad, mediante diferentes tecnologías, con datos de 190 centrales generadoras (20 nucleares) de 21 países 2 En este estudio se considera un costo de $30 dólares americanos por cada tonelada de CO 2 producido En este sentido, vale la pena abrir un paréntesis y mencionar la reciente modificación (junio de 2011) de la Ley del Servicio Público de Energía Eléctrica, que incorpora aspectos ambientales en su artículo 36 bis: Para la prestación del servicio público de energía eléctrica deberá aprovecharse tanto en el corto como en el largo plazo, la producción de energía eléctrica que resulte de menor costo para la Comisión Federal de Electricidad, considerando para ello las externalidades ambientales para cada tecnología, y que ofrezca, además, óptima estabilidad, calidad y seguridad del servicio público Este cambio en la ley es un paso importante para incorporar los costos ambientales en la selección de una tecnología Del estudio conjunto de la IEA y la OCDE se toma prestada la Figura 10, en donde se presentan los costos nivelados de generación con una tasa de descuento del 10%, para diferentes tecnologías y por región geográfica En esta figura se puede observar que la energía nuclear es totalmente competitiva con las otras fuentes de energía De este estudio se desprenden también, los resultados mostrados en la Tabla 1, en donde se incorporan los costos de la energía solar 1 World Nuclear Association Comparison of Lifecycle Greenhouse Gas Emissions of Various Electricity Generation Sources July, International Energy Agency/Organization for Economic Co-Operation and Development Projected Costs of Generating Electricity, 2010 Edition Paris, 2010

8 fotovoltaica, y se presenta el costo nivelado de generación desglosado por sus diversos componentes: inversión, operación y mantenimiento, combustible y costo ambiental Figura 9 Emisiones de GHG en el ciclo de vida de diferentes tecnologías Figura 10 Costos nivelados de generación para diferentes tecnologías por región

9 Fuente: 3 Energía Nuclear Tabla 1 Costos nivelados de generación para diferentes tecnologías Entre las distintas fuentes de energía primaria disponibles en la actualidad, la energía nuclear representa una de las opciones que permiten producir energía en formas diversas, como electricidad, calor y vapor, de manera económica y en condiciones ambientalmente satisfactorias Las centrales nucleoeléctricas emplean la energía liberada en los procesos de fisión nuclear para producir electricidad, por lo que no utilizan combustibles fósiles como fuente de energía primaría, con lo que se reduce sustancialmente la emisión de gases de efecto invernadero a la atmósfera Por lo tanto, el desarrollo y despliegue de la energía nucleoeléctrica representa una opción altamente atractiva para contribuir a un suministro energético limpio y confiable Los reactores nucleares de fisión tienen más de 50 años de experiencia operacional produciendo electricidad Como se observa en la Figura 11, la tecnología de los reactores nucleares ha ido evolucionando durante este tiempo, y actualmente están en funcionamiento mayoritariamente los reactores de la Generación II; los de la Generación I son los primeros reactores prototipo que empezaron a operar a finales de los años cincuenta y los sesenta Recientemente empezaron a construirse y a entrar en operación los reactores de la Generación III y los de la Generación III+, los cuales son versiones avanzadas, con mejoras tecnológicas sobre los reactores de la Generación II, principalmente en aspectos de seguridad, tales como los sistemas pasivos de seguridad que utilizan leyes naturales de la física, como la gravedad y cambios de densidad de un fluido, para cumplir una función de seguridad, y no depender de elementos activos que utilizan energía eléctrica, como una bomba electro-mecánica A nivel de investigación y desarrollo, la comunidad internacional está trabajando en el diseño de los reactores de Generación IV, los cuales se espera estén disponibles comercialmente más allá del año 2030 El énfasis en estos nuevos reactores está dirigido principalmente hacia la economía, la seguridad, la confiabilidad, la sustentabilidad y la no proliferación Actualmente, existen 434 reactores nucleares comerciales operando en 30 países, con una capacidad total de más de 370,373 MWe 3 Estos reactores suministran aproximadamente el 14% de la electricidad 4 producida a nivel mundial Además, 61 nuevos reactores se encuentran en proceso de construcción, lo que equivale al 166% de la capacidad existente, y 156 están 3 Megawatts eléctricos 4 World Nuclear Association Actualizado al 1 de enero de 2012

10 ordenados o planeados, equivalentes al 467% de la capacidad actual Diecisiete países dependen de la energía nuclear en al menos un cuarto del total de su producción total de energía eléctrica; Francia genera alrededor de tres cuartos de su electricidad por medios nucleares En México, en 1990 y 1995 entraron en operación las unidades 1 y 2 de la Central Nucleoeléctrica de Laguna Verde El tipo de rector en dichas unidades es el Reactor de Agua en Ebullición (BWR, Boiling Water Reactor), con una potencia térmica original de 1,931 MWe En 1999 se realizó un aumento de potencia al 105% de la potencia térmica original, y recientemente se incrementó nuevamente, hasta alcanzar el 120% de la potencia térmica original Con este aumento de potencia se tiene una capacidad eléctrica de alrededor de 754 MWe en cada uno de los reactores La operación de las dos unidades ha representado un éxito en cuanto a la asimilación tecnológica por parte de los ingenieros mexicanos para operar reactores dentro de los estándares de calidad y seguridad exigidos por el Organismo Internacional de Energía Atómica (OIEA) y la Asociación Mundial de Operadores de Plantas Nucleares (WANO, World Association of Nuclear Operators), entre otros 4 Las Radiaciones Figura 11 Evolución de los reactores nucleares Para entender mejor a la energía nuclear y su relación con el medio ambiente, los seres vivos, y con la sociedad en particular, es necesario abordar, aunque sea brevemente, el tema de las radiaciones Las radiaciones son ese enemigo invisible que se asocia a la energía nuclear y que causa temor en un gran número de personas Miedo a lo desconocido, miedo a lo que no podemos percibir con nuestros sentidos Sin embargo, las radiaciones existen desde el origen del universo, han sido actores importantes en la evolución de la Tierra, están en nuestro entorno, en una palabra: son parte de nosotros La radiación nuclear proviene de cientos de átomos inestables de diferentes tipos Muchos de estos átomos existen en la naturaleza y otros son creados por reacciones nucleares La

11 radiación ionizante que puede dañar el tejido humano vivo se emite cuando los átomos inestables (radionúclidos), cambian espontáneamente (decaen) para convertirse en átomos más estables Para cuantificar la radiación a la que estamos expuestos, y valorar los efectos potenciales sobre la salud, es necesario establecer una unidad de medida La unidad básica de dosis de radiación absorbida en el tejido es el Gray (Gy), donde un Gray representa el depósito de una cantidad de energía, denominada joule, por kilogramo de tejido Sin embargo, como ciertas partículas, como los neutrones y las alfas causan un mayor daño que la radiación beta y gama, se utiliza otra unidad denominada el Sievert (Sv), la cual se usa en los estándares de protección radiológica El Sievert considera los efectos biológicos de los diferentes tipos de radiación Un Gray de radiación beta o gama, tiene un efecto biológico de un Sievert, mientras que un Gray de partículas alfa tiene un efecto de 20 Sv, y un Gray de neutrones tiene un equivalente de alrededor de 10 Sv, dependiendo de su energía Ya que el Sievert es un valor relativamente alto, las dosis al ser humano se expresan generalmente en milisieverts (msv) o incluso en microsieverts (µsv) Por otro lado, el Becquerel (Bq) es una unidad de medida de la radiación que contiene un material (es diferente de la radiación que emite, o de la dosis que recibe el ser humano de este material), refiriéndose al número de desintegraciones nucleares por segundo (1 Bq = 1 desintegración por segundo) Las cantidades de material radiactivo son estimadas comúnmente, midiendo la cantidad de radiactividad en Becquereles Como referencia, algunos valores: Una persona humana adulta tiene El aire en una casa en Europa de 100 m 2 Un detector de humo doméstico (con americio) Un kilogramo de ceniza de carbón Una fuente de radiación para terapia médica 7,000 Bq 30,000 Bq 30,000 Bq 2,000 Bq 100,000,000 Millones Bq Como ya se mencionó, las radiaciones provienen tanto de fuentes naturales como de las actividades humanas (ver Figura 12) La exposición a la radiación proviene en mayor parte de fuentes naturales como la radiactividad en las rocas y la superficie terrestre, por ejemplo del radón que es un gas radiactivo asociado a rocas volcánicas y yacimientos de uranio, y la radiación cósmica El entorno humano ha sido siempre radiactivo y aporta alrededor del 88% de la dosis anual que recibe el ser humano La radiación de fondo que existe naturalmente es la principal fuente de exposición para las personas y proporciona un nivel de referencia para la exposición por actividades relacionadas con la nucleoelectricidad La dosis promedio que recibimos los humanos del fondo natural es del orden de 24 msv/año, la cual puede variar entre 1 y 10 msv/año, dependiendo de la geología y de la altitud donde viven las personas, pero puede llegar a 50 msv/año Las radiaciones artificiales, resultado de las actividades humanas, participan con 12% en la exposición del público Esta radiación no difiere de la radiación natural Como todo en la vida, las radiaciones en exceso son malas y pueden causar daño El riesgo asociado a grandes dosis de radiación está relativamente bien estudiado y establecido Los estándares de protección radiológica asumen que cualquier dosis de radiación involucra un posible riesgo a la salud humana Sin embargo, evidencias científicas disponibles, no indican riesgo de cáncer alguno para dosis por debajo de 100 msv al año A niveles bajos de exposición, los mecanismos naturales de reparación del cuerpo humano son adecuados para reparar los daños provocados por la radiación a las células, inmediatamente después de que ocurren

12 De acuerdo a las normas internacionales, el límite de exposición del público en general a la radiación se ha fijado en 1 msv/año (ver Figura 13) Por otra parte, en la mayoría de los países la dosis máxima permisible a los trabajadores de la industria nuclear se ha establecido en 20 msv/año promediado en cinco años, con un máximo de 50 msv/año en cualquier año Este valor es por arriba del fondo y excluye la exposición recibida por aplicaciones médicas Este valor fue establecido por el Comité Internacional de Protección Radiológica (ICRP) con el propósito de mantener la exposición a la radiación tan baja como sea razonablemente alcanzable, considerando factores sociales y económicos Figura 12 Radiación natural y artificial recibida por el ser humano Figura 13 Exposición a la radiación debido a diferentes actividades

13 5 El Desafío de la Energía Nuclear Como ya se ha expuesto a lo largo de esta ponencia, la nuclear es una tecnología madura, económica y ambientalmente competitiva, con respecto a otros métodos de generación de electricidad El desarrollo de la energía nuclear puede ser un detonador del crecimiento industrial y tecnológico de un país La tecnología nuclear representa un logro del desarrollo de la humanidad, no sólo por el descubrimiento y dominio tecnológico de una fuente de energía de muy alta densidad, sino porque la operación segura de una central nuclear requiere de una organización de excelencia, cuyo fundamento principal es la cultura de la seguridad Además, es una tecnología que va en continua evolución, mejorando sus aspectos económicos, de confiabilidad y de seguridad; y que a partir de los pocos accidentes que ha tenido, La Isla de las Tres Millas, Chernóbil y Fukushima, ha sabido sacar provecho de las lecciones aprendidas (de los dos primeros), y lo seguirá haciendo del último (Fukushima), para mejorar su seguridad, confiabilidad y desempeño Por otro lado, el crecimiento esperado de la demanda de energía en los próximos años, y la presión ambiental que ejerce al planeta la emisión de gases de efecto invernadero, hace necesario, prácticamente indispensable, la utilización intensiva de la energía nuclear En este contexto, el reto que enfrenta la energía nuclear está relacionado primordialmente con el aspecto social Es necesario convencer, con información y hechos fidedignos, a los diferentes estratos de la sociedad, que la energía nuclear es una de las mejores opciones para satisfacer la demanda de energía que el aumento de la población y el desarrollo de la humanidad requieren Es importante que los políticos y los tomadores de decisiones tengan todos los elementos para poder definir una estrategia que nos conduzca hacia una transición energética sustentable, en donde las decisiones se tomen basadas en los aspectos económicos, ambientales y sociales Es necesario que la sociedad en general conozca acerca de las radiaciones, de los beneficios y de los riesgos de la tecnología nuclear, y de los avances que se tienen relacionados con temas que hasta ahora han sido tabú, como el de los desechos radiactivos El desafío de la energía nuclear es el desafío de la humanidad Es el de ir cada vez más lejos, conocer más, saber más, alcanzar estadios de desarrollo más altos, dominar el entorno, pero a la vez respetándolo; esto representa la esencia misma del Hombre Agradecimientos A la Sociedad Nuclear Mexicana, porque sus boletines de prensa contienen información actualizada y de gran interés, la cual fue de gran valía para la elaboración de esta ponencia:

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