Para crear una economía mundial neutra en CO2 es preciso descarbonizar todos los sectores que dependen en gran medida de combustibles fósiles. Se trata, por ejemplo, de la calefacción, los procesos industriales que requieren combustión y transporte, sobre todo de gran tonelaje, y el transporte aéreo y marítimo. La energía nuclear genera en torno al 10 % de la electricidad mundial y, después de la energía hidroeléctrica, es la segunda mayor fuente mundial de electricidad con bajas emisiones de carbono, según la Agencia Internacional de Energía (AIE). La energía nuclear se puede utilizar también para descarbonizar las aplicaciones no eléctricas.
El uso de la energía nucleoeléctrica más allá de la generación de electricidad: las aplicaciones no eléctricas
Ciencia nuclear en detalle
Para crear una economía mundial neutra en CO2 es preciso descarbonizar todos los sectores que dependen en gran medida de combustibles fósiles.
¿Qué son las aplicaciones no eléctricas?
Más allá de la generación de electricidad, hay muchas aplicaciones que se pueden servir de la energía nucleoeléctrica. Estas, que precisan calor, comprenden la desalación de agua de mar, la producción de hidrógeno, la calefacción urbana y el calor para uso industrial (fabricación de vidrio y de cemento, producción metalúrgica), el refinado y la producción de gas de síntesis. Conforme la comunidad mundial se esfuerza por alcanzar los objetivos climáticos, ampliar el papel de la energía nuclear en estas aplicaciones podría ser clave para una transición exitosa hacia una energía limpia.
¿De qué manera la energía nuclear puede reemplazar al carbón en la transición a una energía limpia?
El calor producido por las centrales nucleares se utiliza para crear vapor, que impulsa las turbinas generadoras de electricidad. Las instalaciones nucleares actuales alcanzan temperaturas de funcionamiento que rondan los 300 ºC, mientras que los procesos de calefacción urbana y desalación de agua de mar necesitan unos 150 ºC. Tal y como están diseñadas, las centrales nucleares convierten actualmente en electricidad un tercio del calor producido, por razones tecnológicas principalmente relacionadas con el rendimiento y las propiedades de los materiales. El calor restante se suele liberar al medio ambiente.
En su lugar, ese calor se podría emplear con fines de calefacción o refrigeración, o como fuente de energía para producir agua dulce, hidrógeno u otros productos, como petróleo o combustible sintético, que las actuales centrales nucleares podrían producir en un proceso conocido como cogeneración. La cogeneración nuclear es la producción simultánea de electricidad y calor o un producto derivado del calor. Cuando el calor se utiliza para la cogeneración, la eficiencia térmica puede mejorar hasta un 80 %.
¿Qué es la energía nuclear y cómo funciona una central nuclear? Aquí encontrará información sobre la base científica de la energía nucleoeléctrica.
Energía nucleoeléctrica y producción de hidrógeno
El hidrógeno puede reemplazar a los combustibles fósiles en numerosos sectores y permitir así unas posibles emisiones cero o casi cero en procesos químicos e industriales, en sistemas de energía limpia y en el transporte. Actualmente, el hidrógeno se produce mediante reformado de metano con vapor, un proceso con alto consumo energético que emite unos 830 millones de toneladas de CO2 al año, el equivalente a la suma de las emisiones de CO2 del Reino Unido e Indonesia, según la AIE. Hay varios métodos que permiten utilizar la energía nuclear, como fuente de electricidad y calor, para producir hidrógeno de manera eficiente y con unas emisiones de CO2 escasas o nulas.
Energía nucleoeléctrica y calefacción urbana
La calefacción urbana depende de una planta energética centralizada para distribuir el calor hasta los edificios residenciales y comerciales. En la calefacción urbana mediante energía nuclear, el vapor producido por una central nuclear sirve para calentar redes de calefacción regionales. Esta práctica se ha puesto en marcha en diversos países: Bulgaria, China, Eslovaquia, Hungría, República Checa, Rumania, Rusia, Suiza y Ucrania.
Akademik Lomonosov, la primera central nuclear flotante del mundo que comenzó a explotarse comercialmente en mayo de 2020, abastece calor a la región de Chukotka, en el extremo más nororiental de Rusia. Desde 1983, la central nuclear de Beznau, en Suiza, proporciona calor a municipios, así como a consumidores privados y del sector industrial y agrícola, que en total suman unas 20 000 personas. La principal red de calefacción se extiende a lo largo de 31 km y, desde ella, el calor se transfiere a redes secundarias con una longitud total de 99 km.
En China se está ampliando el proyecto de calefacción mediante energía nuclear de Haiyang. La red de calefacción que utiliza el vapor de los dos reactores de Haiyang comenzó a funcionar al final de 2020, y se prevé que la primera fase del proyecto evite el uso de 23 200 toneladas de carbón por año y la emisión de 60 000 toneladas de CO2. Este proyecto es un ejemplo de cómo la energía nuclear puede desempeñar un papel en la descarbonización de la calefacción residencial, así como del valor añadido de explotar una central nuclear en modalidad de cogeneración. De aquí a finales de 2021, proporcionará calor a toda la ciudad costera de Haiyang, situada en la provincia de Shandong y con una población aproximada de 670 000 habitantes.
Energía nucleoeléctrica y desalación
La desalación de agua de mar puede ayudar a satisfacer la creciente demanda de agua potable y aliviar al mismo tiempo la escasez de agua en muchas zonas costeras áridas o semiáridas. Las plantas de desalación precisan energía en forma de calor para la destilación o energía eléctrica/mecánica que impulse las bombas para la presurización de agua de mar en todas las membranas, a fin de separar la sal de las aguas salinas. Actualmente, la mayor parte de esta energía proviene de combustibles fósiles. La desalación nuclear es una alternativa con bajas emisiones de carbono que utiliza el calor y la electricidad de un reactor nuclear. Las técnicas de desalación pueden sumarse a distintos tipos de centrales nucleares para producir simultáneamente agua y electricidad.
La viabilidad de las plantas integradas de desalación nuclear ha quedado demostrada con la experiencia de más de 150 años-reactor, sobre todo en la India, el Japón y Kazajstán. El reactor nuclear de Aktau, situado a orillas del mar Caspio en Kazajstán, produjo hasta 135 MW(e) de electricidad y 80 000 m3/día de agua potable durante 27 años, hasta que entró en régimen de parada en 1999. En el Japón, varias instalaciones de desalación vinculadas a reactores nucleares producen unos 14 000 m3/día de agua potable. En 2002, se estableció en la central nuclear de Madras, en la India sudoriental, una planta de demostración acoplada a reactores nucleares de potencia gemelos de 170 MW(e). Se trata de la mayor planta de desalación nuclear basada en una tecnología híbrida (térmica y osmótica) que utiliza agua marina y vapor de baja presión de una central nuclear.
Iniciativas relacionadas con aplicaciones no eléctricas
Aunque hoy en día se utiliza solo un 1 %, aproximadamente, de la energía nuclear para aplicaciones no eléctricas, hay iniciativas por todo el mundo —desde el Reino Unido y Francia hasta Rusia, el Japón y otros países— destinadas a allanar el camino para que el nivel de adopción sea mayor. Esto incluye la iniciativa H2-@-Scale, puesta en marcha por los Estados Unidos en 2016, que examina las perspectivas de la producción de hidrógeno mediante energía nucleoeléctrica. En el Canadá, los Laboratorios Nucleares Canadienses (LNC) tienen previsto poner en marcha el Parque de Demostración, Innovación e Investigación sobre Energía Limpia (CEDIR), que servirá como emplazamiento para someter a prueba aplicaciones de cogeneración mediante reactores modulares pequeños (SMR).
En China está previsto que a finales de 2021 comience a funcionar un SMR de alta temperatura refrigerado por gas. Ese reactor está diseñado para apoyar la generación de electricidad, la cogeneración, el calor industrial y la producción de hidrógeno. En julio de 2021, el Japón puso nuevamente en marcha su reactor experimental de alta temperatura (HTTR). El calor producido por el HTTR tiene aplicaciones en la generación de electricidad, la desalación de agua de mar y la producción de hidrógeno mediante un proceso termoquímico.
En el rango comprendido entre 250 ºC y 550 ºC, más de 100 gigavatios térmicos (GW(t)) corresponden al mercado de calefacción europeo, y la energía nuclear tiene la oportunidad de abastecerlo. Polonia depende al 100 % de combustible fósil para la producción de calor. Sin embargo, en su estrategia nacional de desarrollo figura el despliegue de un programa nuclear para la producción de calor.
¿Qué función desempeña el OIEA?
- El OIEA apoya y facilita el desarrollo de aplicaciones no eléctricas nuevas y emergentes de las tecnologías nucleares mediante publicaciones científicas y técnicas, seminarios web y proyectos coordinados de investigación.
- El OIEA ha desarrollado herramientas informáticas, como el Programa de Evaluación Económica del Hidrógeno (HEEP) y el Calculador del Costo del Hidrógeno, para evaluar opciones respecto de la producción de hidrógeno. Puede descargar ambas herramientas desde este enlace.
- Con objeto de evaluar la desalación nuclear, el OIEA ha desarrollado el Programa de Evaluación Económica de la Desalación (DEEP) y el Programa de Optimización Termodinámica de la Desalación (DE-TOP) para realizar análisis económicos, termodinámicos y de optimización de distintos recursos eléctricos acoplados a diversos procesos de desalación. Estas herramientas informáticas pueden descargarse aquí.
- El OIEA viene coordinando estudios de viabilidad sobre desalación nuclear desde 1989. El Grupo de Trabajo Técnico sobre Desalación Nuclear del OIEA es una red mundial de expertos que apoya la evaluación y la planificación de programas, la investigación, el desarrollo, el diseño, la construcción, la economía, aspectos de seguridad, la colaboración internacional en proyectos de demostración, y la explotación y el mantenimiento de plantas de desalación nuclear.
What are non-electric applications?
There are many applications beyond electricity generation that can use nuclear power. These applications, which require heat, include seawater desalination, hydrogen production, district heating and process heating for industry (glass and cement manufacturing, metal production), refining and synthesis gas production. As the global community strives to meet climate goals, expanding nuclear’s role in these applications could be key to a successful clean energy transition.
Learn how nuclear can replace coal as part of the clean energy transition.
The heat produced by nuclear power plants is used to create steam, which drives electricity-generating turbines. Existing nuclear fleets today reach operating temperatures in the range of 300°C, while district heating and seawater desalination processes require about 150°C. By design, nuclear power plants currently convert one third of the heat produced into electricity because of technological reasons mostly related to material properties and performances. The remaining heat is usually released to the environment.
Instead of releasing this heat, it could be utilized for heating or cooling, or as an energy source towards the production of fresh water, hydrogen or other products, such as oil or synthetic fuel. These products may be produced by existing power plants, in what is referred to as cogeneration. Nuclear cogeneration is the simultaneous production of electricity and heat or a heat-derivative product. By using heat for cogeneration, the thermal efficiency can be improved up to 80 per cent.
What is nuclear energy, and how does a nuclear power plant work? Read about the science of nuclear power.
Nuclear power and hydrogen production
Hydrogen can replace fossil fuels across multiple sectors to potentially enable zero or near-zero emissions in chemical and industrial processes, clean energy systems and transportation. Hydrogen is produced today from the steam methane reforming process, an energy-intensive process that emits around 830 million tonnes of CO2 per year, equivalent to the CO2 emissions of the United Kingdom and Indonesia combined, according to the IEA. There are several methods to use nuclear energy, as a source of electricity and heat, to produce hydrogen efficiently and with little to no CO2 emissions.
Nuclear power and district heating
District heating relies on a centralized energy plant for the distribution of heat to residential and commercial buildings. In nuclear district heating, steam produced by a nuclear power plant serves to heat regional heating networks. This practice has been implemented in several countries – Bulgaria, China, Czech Republic, Hungary, Romania, Russia, Slovakia, Switzerland and Ukraine.
The Akademik Lomonosov, the world’s first floating nuclear power plant that began commercial operation in May 2020, provides heat to the Chukotka region in far northeastern Russia. Since 1983, Switzerland’s Beznau nuclear power plant has been providing heat for municipalities, private, industrial and agricultural consumers totalling about 20 000 people. The main heating network has a length of 31 km, from which heat is transferred to secondary networks with a total length of 99 km.
In China, the Haiyang Nuclear Energy Heating Project is expanding. The heating network using steam from Haiyang's two reactors became operational at the end of 2020, and the first phase of the project is expected to avoid the use of 23 200 tonnes of coal annually and the emission of 60 000 tonnes of CO2. The Heating Project is an example of how nuclear energy can play a role in decarbonizing residential heating, as well as the added value of operating a nuclear power plant in cogeneration mode. The project will provide heat to the entire city of Haiyang, a coastal city in Shandong province that has a population of about 670 000, by the end of 2021.
Nuclear power and desalination
Desalination of seawater can help to meet the growing demand for potable water, while alleviating water shortages in many arid or semi-arid coastal areas. Desalination plants require energy in the form of heat for distillation or electrical/mechanical energy to drive pumps for pressurization of seawater across membranes to separate salt from saline waters. Currently most of this energy is derived from fossil fuels. Nuclear desalination is a low-carbon alternative that utilizes the heat and electricity from a nuclear reactor. Desalination techniques can be coupled with different types of nuclear power plants to produce water and electricity concurrently.
The feasibility of integrated nuclear desalination plants has been proven with over 150 reactor-years of experience, mainly in India, Japan and Kazakhstan. The Aktau nuclear reactor in Kazakhstan, on the shore of the Caspian Sea, produced up to 135 MWe of electricity and 80 000 m3/day of potable water for 27 years until it was shut down in 1999. In Japan, several desalination facilities linked to nuclear reactors produce about 14 000 m3/day of potable water. In 2002, a demonstration plant coupled to twin 170 MWe nuclear power reactors was set up at the Madras Atomic Power Station, in southeast India. This is the largest nuclear desalination plant based on hybrid thermal and osmotic technology using seawater and low-pressure steam from a nuclear power station.
Initiatives for non-electric applications
Though only about 1 per cent of nuclear energy is currently used for non-electric applications, there are initiatives around the world from the United Kingdom and France to Russia, Japan and beyond, to pave the way for broader adoption. This includes the H2-@-Scale initiative, launched in 2016 by the United States, which examines the prospects for hydrogen production via nuclear power. In Canada, the Canadian Nuclear Laboratories (CNL) are planning to launch the Clean Energy Demonstration, Innovation, and Research (CEDIR) Park, which will serve as a testing site for cogeneration applications using small modular reactors (SMRs).
In China, a high-temperature gas cooled SMR, is slated to begin operation by the end of 2021. The reactor is designed to support electricity generation, cogeneration, process heat and hydrogen production. Japan restarted its High-Temperature Engineering Test Reactor (HTTR) in July 2021. The heat produced by the HTTR has applications for power generation, desalination of seawater and hydrogen production via thermochemical process.
In the range of 250-550°C, the European heat market represents more than 100 gigawatts-thermal (GWth), and there is an opportunity for nuclear to address this market. Poland relies 100 per cent on fossil fuel for heat production; however, the deployment of nuclear for heat is included in the country’s development strategy.
What is the role of the IAEA?
- The IAEA supports and facilitates the development of new and emerging non-electric applications of nuclear technologies through scientific and technical publications, webinars and coordinated research projects.
- The IAEA has developed software tools, such as the Hydrogen Economic Evaluation Program (HEEP) and Hydrogen Calculator, to assess options for hydrogen production. Links to download both tools are available here.
- To assess nuclear desalination, the IAEA has developed the Desalination Economic Evaluation Program (DEEP) and the DEsalination Thermodynamic Optimization Programme (DE-TOP) to perform economic, thermodynamic and optimization analyses of different power resources coupled to various desalination processes. The software are available for download here.
- The IAEA has been coordinating feasibility studies on nuclear desalination since 1989. The IAEA Technical Working Group on Nuclear Desalination is a global network of experts that supports programme assessment and planning, research, development, design, construction, economics, safety aspects, international collaboration for demonstration projects, and operation and maintenance of nuclear desalination plants.
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