La energía de fusión a menudo es aclamada como una fuente ilimitada de energía limpia, pero una nueva investigación de la Universidad de Princeton sugiere que eso solo puede ser cierto si el precio es el adecuado.
En un estudio dirigido por el experto en fusión Egemen Kolemen, profesor asociado de ingeniería mecánica y aeroespacial y el Centro Andlinger para la Energía y el Medio Ambiente, y el experto en sistemas de energía Jesse Jenkins, profesor asistente de ingeniería mecánica y aeroespacial y el Centro Andlinger para la Energía y el Medio Ambiente. , Los investigadores de Princeton modelaron los objetivos de costos que un reactor de fusión podría tener que cumplir para ganar tracción en una futura red energética de EE. UU.
Los hallazgos, publicados en Joule el 16 de marzo, ilustran que los desafíos de ingeniería de la energía de fusión son solo una parte del problema; la otra parte radica en la economía.
«La gente no pagará una cantidad ilimitada de dinero por la energía de fusión si pudiera gastar ese dinero para generar energía limpia de manera más rentable», dijo Jacob Schwartz, ex postdoctorado de Kolemen y Jenkins, quien dirigió el modelo para el estudio y actualmente trabaja como físico investigador en el Laboratorio de Física de Plasma de Princeton. «Por encima de cierto costo, incluso si podemos diseñarlos, no muchos desarrolladores querrán construirlos».
Los resultados del modelo demostraron que el nicho para la fusión en los EE. UU. depende no solo del precio de construir un reactor, sino que también depende en gran medida de la combinación energética de la futura red y del costo de tecnologías competidoras como la fisión nuclear.
Si el mercado de la fusión es favorable, incluso con costos de capital de alrededor de $7,000 por kilovatio, la fusión aún podría alcanzar una capacidad de 100 GW, aproximadamente la capacidad actual de las plantas de energía nuclear de EE. UU., que suministran alrededor de una quinta parte de las necesidades actuales de electricidad. Pero suponiendo que tecnologías alternativas como la fisión nuclear, el hidrógeno, la captura y el almacenamiento de carbono o el almacenamiento en baterías de larga duración arraiguen con éxito, los costos de capital podrían ser menos de la mitad de ese precio para que la fusión alcance la misma capacidad de 100 GW.
«Los desarrolladores de Fusion deben estar atentos a la competencia», explicó Jenkins. «Si se comercializan con éxito, es probable que las plantas de energía de fusión se parezcan mucho a las plantas de fisión nuclear clásicas desde la perspectiva de los mercados y las redes eléctricas. Ambos recursos son tecnologías complejas con márgenes de ingeniería ajustados por razones de seguridad, lo que se traduce en altos costos de inversión iniciales. Si los costos variables de las plantas de energía de fusión terminan siendo bajos, es probable que las plantas de fusión compitan cara a cara con las nuevas plantas de energía de fisión».
El lugar de Fusion en una red de energías renovables
Kolemen explicó que el enfoque de los investigadores ayudó a establecer objetivos concretos para que los posibles desarrolladores de fusión los utilicen como puntos de referencia al considerar los planes para los reactores.
“Están apareciendo muchas nuevas empresas de fusión, todas con diferentes diseños de reactores, que dicen que pueden construir un reactor con esta o aquella cantidad de dinero. Pero es casi imposible asignar montos en dólares a los componentes individuales del reactor”, dijo Kolemen. «Entonces, en cambio, consideramos un modelo de red futura con más energías renovables como la eólica y la solar y trabajamos hacia atrás para comprender los objetivos de costos que los reactores de fusión podrían tener que cumplir para tener un lugar en esa futura combinación de redes».
Al determinar los objetivos de costo para los reactores de fusión en una red que probablemente esté dominada por fuentes de electricidad renovables como la solar y la eólica, los investigadores también obtuvieron información que podría informar el diseño de futuros reactores de fusión.
Por ejemplo, Schwartz dijo que la energía de fusión se ha visto tradicionalmente como una fuente de energía de «carga base» que operaría casi continuamente. Sin embargo, con la adopción generalizada de la energía solar y los precios bajos de la electricidad al mediodía, la investigación sugiere que sería valioso agregar funcionalidad a un reactor de fusión para permitirle encenderse y apagarse con más frecuencia o considerar formas de almacenar la energía del reactor y venderla. cuando más se necesita. Los investigadores dijeron que la integración del almacenamiento en el diseño de un reactor de fusión podría aumentar su valor hasta en $1000 por kilovatio.
«Capturar más valor económico al combinar el almacenamiento térmico y operar de manera flexible significa que las primeras plantas de energía de fusión pueden competir con costos iniciales más altos», dijo Jenkins. «Ese punto de precio más alto de ‘salida al mercado’ podría ser clave para impulsar la industria de la fusión y ayudar a reducir los costos con el tiempo a través de la experiencia y la innovación incremental».
El modelo también sugirió que las ubicaciones más prometedoras para la energía de fusión en los EE. UU. estarían en la región noreste, donde las oportunidades solares y eólicas locales son más limitadas que en otras áreas.
«El noreste no tiene el mismo potencial para la energía geotérmica o hidroeléctrica que el oeste de los EE. UU., por lo que es el lugar donde más se necesitará algo además de la energía solar y eólica», dijo Wilson Ricks, coautor del estudio y estudiante graduado en ingeniería mecánica y aeroespacial.
Explorando el debate pulsado vs. estado estacionario
Además de considerar la energía de fusión en el contexto de una red de energía futura, el modelo también arrojó resultados iniciales que, según los investigadores, podrían ayudar a resolver una pregunta importante en la comunidad de investigación de fusión entre la viabilidad de los reactores de fusión de estado estacionario versus los de fusión pulsada.
El estado estacionario y el pulso representan dos enfoques de diseño diferentes para los reactores de fusión. Un reactor de fusión de estado estacionario operaría como una planta de energía tradicional, funcionando casi a tiempo completo. Un reactor de fusión pulsada, por otro lado, tendría que apagarse por un corto tiempo y luego reiniciarse cada hora o cada pocas horas.
Si bien algunos científicos han cuestionado si los requisitos operativos de los reactores pulsados dificultarían su integración con el resto de la red de energía, los resultados del modelo no sugirieron ninguna diferencia significativa entre los dos diseños con respecto a sus efectos en la red a gran escala.
«Ha habido algo así como una batalla de diseño entre las dos tecnologías, por lo que fue interesante que nuestros hallazgos iniciales sugirieran que no había mucha diferencia en cómo operarían con el resto de la red», dijo Kolemen. “Desde el punto de vista del modelo, el mejor diseño es simplemente el más barato”.
Los investigadores están dando seguimiento a sus hallazgos con investigaciones adicionales sobre los diferentes costos y oportunidades para los reactores de pulsos y de estado estacionario, así como sobre cómo los costos de mantenimiento y mantenimiento también podrían desempeñar un papel en la penetración de la energía de fusión en el mercado estadounidense.
«Esta investigación no pretende saber cuándo entrará en funcionamiento la fusión. Es posible que los reactores de fusión aún estén a décadas de tener un gran impacto en la red energética. Lo que esta investigación nos brinda es un objetivo claro para que los investigadores de fusión y las nuevas empresas apunten cuando se conectan», dijo Kolemen. «El objetivo final de la investigación de la fusión es proporcionar algún valor a los EE. UU. y la red. Ahora, en realidad tenemos algunos números para guiarnos».
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