Centrales de gas natural: la forma más eficiente de quemar algo
El gas natural ocupa una posición incómoda en el debate energético porque es genuinamente mejor que el carbón y genuinamente no limpio. Ambas afirmaciones son cuantitativas y no retóricas, y las cifras que deciden la cuestión son el rendimiento de la turbina y la tasa de fugas de la cadena de suministro.
Por qué gana el ciclo combinado
Una turbina de gas es un motor a reacción atornillado al suelo. Se comprime aire, se inyecta y quema combustible, y el gas caliente se expande a través de álabes que mueven tanto el compresor como un generador. Las temperaturas de combustión alcanzan 1.500 grados o más, muy por encima de lo que tolera una caldera de vapor, y la temperatura alta es justo lo que premia la relación de Carnot.
Por sí sola, una turbina de gas convierte del 35 al 42 por ciento del combustible en electricidad y desecha el resto como gases de escape a 500-600 grados. Esos gases están lo bastante calientes para generar vapor, y esa es la idea del ciclo combinado: colocar una caldera de recuperación tras la turbina, mover con ella una turbina de vapor y generar dos veces con el mismo combustible.
La combinación alcanza cerca del 60 por ciento, y las mejores máquinas superan el 63. Ninguna otra forma de quemar algo se le acerca: una central de carbón se queda en 45 porque su fluido de trabajo es agua, que no puede sobrecalentarse más allá de lo que soportan las aleaciones que la contienen. Una turbina de gas no tiene esa restricción en su parte caliente porque el fluido de trabajo es el propio gas de combustión, y la refrigeración de álabes tomada de la aviación mantiene el metal por debajo de la temperatura del gas.
El precio de ese rendimiento es el tiempo de arranque. Una planta de ciclo combinado necesita de 30 minutos a unas horas partiendo de frío, porque el lado de vapor debe calentarse gradualmente. Una de ciclo abierto, que desecha los gases, alcanza plena carga en cinco a quince minutos. Las redes mantienen ambas para tareas distintas.
La flexibilidad que la hizo imprescindible
La propiedad operativa que define al gas no es el rendimiento sino la capacidad de respuesta. Una unidad moderna de ciclo combinado puede variar su potencia entre 30 y 60 megavatios por minuto; una de ciclo abierto pasa de parada a plena carga más rápido de lo que una nube cruza un parque solar.
Eso es precisamente lo que necesita una red con grandes cantidades de eólica y fotovoltaica, y explica una paradoja aparente: la potencia de gas ha crecido en los mismos mercados donde más rápido han crecido las renovables. No compiten por el mismo papel. Las renovables aportan energía; el gas aporta la capacidad de rellenar lo que quede, a demanda y a cualquier hora.
Las centrales de gas aportan además algo menos visible. Sus turbinas y generadores giran en sincronía con la red y contribuyen la inercia rotativa que se opone a los cambios bruscos de frecuencia. La eólica y la solar conectadas por inversores no la aportan de forma inherente, así que a medida que el gas se retira ese servicio debe sustituirse con compensadores síncronos, inversores formadores de red o almacenamiento muy rápido.
La consecuencia es un problema de anclaje que nada tiene que ver con la contabilidad del carbono. Una central de gas construida para respaldar renovables puede funcionar solo el 10-20 por ciento de las horas del año, pero debe existir y debe pagarse. Los mercados de capacidad existen en gran medida por eso, y son la razón de que la generación más barata por unidad de energía no produzca automáticamente el sistema más barato.
La cuestión del metano
Quemar gas natural emite unos 490 gramos de dióxido de carbono por kilovatio-hora frente a los 820 del carbón, así que en la central el gas es algo más que la mitad de intensivo en carbono. Esa comparación es real y también incompleta.
El gas natural es en su mayoría metano, y el metano que escapa sin quemar es un gas de efecto invernadero mucho más potente que el dióxido de carbono en que se habría convertido. En un horizonte de 20 años el metano retiene unas 80 veces más calor por tonelada; en 100 años, unas 30. Las fugas pesan, por tanto, de forma desproporcionada a su volumen.
La aritmética es implacable. Una fuga en torno al 3 por ciento del caudal basta para borrar buena parte de la ventaja climática frente al carbón en horizonte de 20 años, y el punto en que la ventaja desaparece del todo depende del horizonte elegido. Las tasas medidas varían enormemente entre yacimientos y países: los estudios por satélite y avión han encontrado regiones productoras muy por encima del 3 por ciento, mientras que los sistemas bien regulados quedan por debajo del 1.
Este es el raro problema climático barato de resolver. La mayor parte de las fugas procede de un pequeño número de grandes fuentes -antorchas apagadas, compresores que ventean, pozos abandonados- y la detección por satélite ha mejorado mucho desde 2020. La reparación suele pagarse sola, porque el producto que escapa es vendible. Lo que ha faltado es medición y obligación, no tecnología.
Hacia dónde va el gas
El argumento del puente sostiene que el gas desplaza ahora al carbón y más tarde lo desplaza la generación limpia. En parte ha ocurrido: Estados Unidos redujo sustancialmente las emisiones del sector eléctrico en la década de 2010, en gran medida cambiando carbón por gas, y la reducción fue real.
La dificultad de un puente es que tiene que terminar en algún sitio. Una central de gas construida hoy tiene una vida de 30 años, y la infraestructura que hay detrás -gasoductos, terminales, almacenamiento- se financia a plazos parecidos. Construir para un papel que se supone menguante exige aceptar amortizaciones tempranas o encontrarle a la planta un segundo empleo.
Se están desarrollando dos segundos empleos. Uno es funcionar con hidrógeno, que varios fabricantes de turbinas ya admiten en mezclas de hasta el 30 por ciento, con diseños de hidrógeno puro anunciados; el comportamiento de combustión difiere lo suficiente como para que no sea un simple cambio de combustible. El otro es la captura de carbono en los gases de escape, más fácil que en el carbón porque los gases son más limpios, aunque el dióxido de carbono está más diluido.
Ninguno aborda el metano aguas arriba, y por eso la cuestión de las fugas determinará probablemente la posición climática del gas más que cualquier cosa que ocurra dentro de la central.
Preguntas frecuentes
¿Por qué es un ciclo combinado mucho más eficiente que el carbón?
Porque quema a temperatura mucho más alta y luego aprovecha el calor dos veces. Una turbina de gas trabaja a 1.500 grados, muy por encima de lo que toleran las aleaciones de una caldera de vapor, y sus gases de escape a 500-600 grados siguen bastando para generar vapor en una segunda turbina. La combinación alcanza cerca del 60 por ciento frente al 45 del mejor carbón.
¿Es el gas natural más limpio que el carbón?
En la central sí: unos 490 gramos de dióxido de carbono por kilovatio-hora frente a 820. En toda la cadena de suministro depende de las fugas de metano. Fugas por encima del 3 por ciento borran buena parte de la ventaja a 20 años, y las tasas medidas van de menos del 1 por ciento en sistemas bien regulados a bastante más del 3 en algunas regiones productoras.
¿Por qué importan tanto las fugas de metano?
Porque el metano retiene unas 80 veces más calor por tonelada que el dióxido de carbono en 20 años, y unas 30 en 100. Un pequeño porcentaje que escape sin quemar pesa más que un gran volumen quemado con eficiencia. La mayoría procede de unas pocas fuentes grandes y es barato de reparar, ya que el gas que escapa es vendible.
¿Qué diferencia hay entre ciclo abierto y combinado?
Una planta de ciclo abierto opera solo la turbina de gas y desecha los gases de escape, con un rendimiento del 35 al 42 por ciento pero plena carga en cinco a quince minutos. Una de ciclo combinado recupera ese calor para mover una turbina de vapor, alcanza cerca del 60 por ciento pero necesita de 30 minutos a varias horas para arrancar en frío.
¿Por qué crece la potencia de gas junto a las renovables?
Porque hacen trabajos distintos. La eólica y la solar aportan energía cuando el clima lo permite; el gas aporta potencia a demanda en minutos, y sus generadores giratorios aportan inercia de red. Una planta construida para ese papel puede funcionar solo el 10-20 por ciento del año y aun así debe existir, que es lo que los mercados de capacidad están diseñados para pagar.
