Las fotos de centrales siempre llevan esas torres gigantes soltando penachos blancos. Mucha gente cree que es humo, o contaminación. Es vapor de agua — y lo que están haciendo esas torres es tirar energía: dos tercios de todo el calor que la central produce salen por ahí sin haber generado un solo kilovatio. No es despilfarro ni desidia. Es el peaje que Carnot calculó en 1824, cobrado sin descuento en cada central del planeta. Este artículo pone los números.
Toda central es una máquina de vapor
Sorprende decirlo, pero da igual el titular: nuclear, carbón, gas, biomasa, solar de concentración, geotérmica. Todas hacen exactamente lo mismo — calentar agua para mover una turbina — y solo se diferencian en cómo consiguen el calor. Un reactor nuclear es una caldera cara; un campo de espejos es una caldera lenta. Y por tanto todas pagan el mismo impuesto de Carnot, cada una según la temperatura que logre alcanzar. Las únicas fuentes que se libran son las que no pasan por el calor: hidráulica, eólica y fotovoltaica, que convierten movimiento o luz directamente en electricidad. De ahí que un panel solar del 20 % no sea comparable con una térmica del 40 %: juegan en ligas distintas porque uno paga peaje y el otro no.
Problema. Una central nuclear produce 1 GW eléctrico con un rendimiento del 33 %. ¿Cuánto calor genera y cuánto vierte? Si lo vierte a un río que puede calentarse 7 °C, ¿qué caudal necesita?
Solución. El calor total es 1/0,33 ≈ 3 GW, de los que salen 1 GW como electricidad. Sobran 2 GW térmicos. Para evacuarlos con un salto de 7 °C en agua:
Resultado. Sesenta y ocho metros cúbicos por segundo — un río mediano entero, dedicado a refrigerar. Por eso las centrales se construyen junto a ríos caudalosos o en la costa, y por eso en los veranos de sequía Francia ha tenido que reducir potencia en varios reactores: sin río frío no hay foco frío, y sin foco frío no hay máquina térmica. La nuclear rinde menos que una central de carbón (33 % contra 40 %) por una razón puramente termodinámica: el combustible nuclear podría dar temperaturas altísimas, pero la seguridad obliga a mantener el agua del circuito primario a unos 285 °C. Menos foco caliente, menos rendimiento. Es Carnot decidiendo el diseño de una central de tres mil millones de euros.
Lo bien que lo hacen los ingenieros
Comparar el rendimiento real con el límite de Carnot es el examen justo, y el resultado honra a la profesión: las buenas máquinas alcanzan entre el 60 y el 75 % de lo teóricamente concebible, algo notable si recuerdas que la máquina de Watt no llegaba al 15 % de su propio límite.
| Máquina | Focos | Límite de Carnot | Real | % del límite |
|---|---|---|---|---|
| Máquina de Watt (1800) | 130 / 30 °C | 24,8 % | ~3 % | 12 % |
| Nuclear PWR | 285 / 20 °C | 47,5 % | 33 % | 70 % |
| Carbón supercrítico | 540 / 20 °C | 63,9 % | 40 % | 63 % |
| Ciclo combinado de gas | 1400 / 20 °C | 82,5 % | 60 % | 73 % |
El ciclo combinado merece un párrafo, porque es la respuesta de la ingeniería moderna al consejo de Carnot. Una turbina de gas quema a 1400 °C y suelta gases de escape todavía a 600 °C — calor magnífico que en una central antigua se tiraba. El ciclo combinado le pone detrás una segunda máquina, de vapor, que usa ese escape como foco caliente. Dos máquinas en cascada, un 60 % final: el mejor rendimiento térmico que la humanidad sabe construir a escala industrial. Es exactamente la escalera del ejercicio 3 del módulo I.3, con la lección aprendida: no burla el peaje, pero evita desperdiciar desnivel a mitad de camino.
Problema. Una térmica de carbón (vapor a 540 °C) usa el río como foco frío. ¿Cuánto rendimiento pierde cuando el río pasa de 10 °C en invierno a 30 °C en una ola de calor?
Solución. Con foco caliente fijo a 813 K:
Resultado. Unos 2,5 puntos de rendimiento máximo, que en la máquina real se traducen en torno al 4 % de producción perdida — decenas de megavatios en una central grande, justo en los días de máxima demanda por el aire acondicionado. La ironía es redonda: cuanto más calor hace, peor funcionan las centrales que alimentan los aparatos de refrigeración. Y no hay ingeniería que lo arregle, porque el foco frío es el clima. Este mismo efecto explica que los coches consuman más en verano, que los ordenadores rindan menos con el disipador sucio y que los centros de datos se instalen en Islandia y no en Sevilla. El foco frío es un recurso, y en un planeta que se calienta es un recurso que encoge.
El calor tirado no siempre hay que tirarlo. Dos tercios de la energía de una central se van al río como calor a 30–40 °C: inútil para hacer trabajo (desnivel minúsculo, módulo I.3), pero perfectamente útil para calentar cosas, que es a lo que destinamos buena parte de la energía de un país. Esa es la idea de la cogeneración y de las redes de calor urbanas: Copenhague calienta el 98 % de sus edificios con el calor residual de sus centrales e incineradoras, y Reikiavik lo hace con geotermia. Contabilizado así, el «rendimiento» de una central sube del 40 % a más del 80 %, porque dejamos de medir solo la electricidad. La lección del módulo I.3 aplicada a la política energética: no hay energía de mala calidad, hay energía mal emparejada con su uso. Calentar una casa con electricidad de una central es pagar un peaje de Carnot para producir algo que el propio residuo del peaje ya hacía.
Ejercicios
Una central de carbón (40 %) y una de ciclo combinado (60 %) producen 1 GW eléctrico cada una. ¿Cuánto calor vierte cada una al ambiente? Compáralo con la electricidad producida.
Solución
Carbón: consume 2,5 GW térmicos y vierte 1,5 GW. Ciclo combinado: consume 1,67 GW y vierte 0,67 GW. La de gas tira menos de la mitad que la de carbón para el mismo producto — y como además el gas emite menos CO₂ por julio quemado, la ventaja climática se multiplica por los dos lados. Fíjate en cómo se acumulan los factores: pasar de 40 % a 60 % de rendimiento no ahorra un 20 % de combustible, sino un 33 % (2,5 → 1,67 GW). Los puntos de rendimiento valen más de lo que parecen cuando están en el denominador, y esa aritmética es la que justifica invertir miles de millones en ganar cinco puntos.
Un titular anuncia una «revolución»: una central geotérmica de baja entalpía que aprovecha agua a 90 °C con un 8 % de rendimiento. ¿Es una mala noticia disfrazada o una buena tecnología mal contada?
Solución
Con 90 °C (363 K) y ambiente a 20 °C (293 K), el límite de Carnot es 1 − 293/363 ≈ 19,3 %. Ese 8 % es el 41 % del máximo: para un desnivel tan pobre, es ingeniería digna. El titular sería engañoso solo si comparara ese 8 % con el 60 % del ciclo combinado sin decir que trabajan con desniveles incomparables. La pregunta económica correcta tampoco es el rendimiento sino el coste: el calor geotérmico es gratis e inagotable, así que desperdiciar el 92 % de algo gratuito puede ser un negocio excelente — mientras que desperdiciar el 60 % de un gas caro no lo es. El rendimiento importa cuando el combustible cuesta; cuando es gratis, lo que importa es el coste de la instalación por kilovatio.
España tiene mucho sol y algunas centrales termosolares (espejos que calientan sales a 565 °C). ¿Por qué construir eso, si un campo fotovoltaico de paneles convierte luz en electricidad sin pagar peaje de Carnot?
Solución
Porque la termosolar no compite en rendimiento sino en almacenamiento. Su límite de Carnot es 1 − 293/838 ≈ 65 % y su rendimiento real ronda el 20 % — muy parecido al fotovoltaico, y con una planta mucho más cara. Su ventaja es que las sales fundidas guardan el calor barato durante horas: la central sigue produciendo de noche, algo que un panel no sabe hacer sin baterías (que son caras y, como vimos en I.2, tienen 1 MJ/kg contra los 44 de un combustible). La termosolar no es una manera de generar electricidad: es una manera de almacenar sol en forma de calor a 565 °C y convertirlo cuando haga falta. La comparación honesta no es panel contra espejo, sino panel-más-batería contra espejo-más-tanque.