Gas natural, electricidad y termodinámica

En el EE.UU. demócrata, la electricidad entra y el gas natural no. El movimiento para prohibir el servicio de gas natural en construcciones nuevas comenzó en Berkeley, California en 2019 y se ha extendido a otras localidades, incluida la ciudad de Nueva York. La razón es que la quema de gas natural tiene emisiones de CO2. La implicación no declarada es que la electricidad no lo hace.

Pero la mayor fuente de electricidad en EE.UU. es la combustión de gas natural. En 2021, el 38% de la electricidad provino de generadores que funcionan con gas natural. Así, actualmente la elección no es entre electricidad y gas natural, sino entre el uso del gas natural directamente en el hogar y el uso como combustible en una instalación de generación eléctrica. Prohibir el uso de gas natural en el hogar solo tiene sentido si aumentar el uso de electricidad en el hogar quema menos gas natural y, por lo tanto, emite menos CO2.

El gas natural se utiliza para generar electricidad mediante tres tecnologías. La primera produce vapor que se usa para hacer girar una turbina que impulsa un generador que produce electricidad. La segunda quema gas natural para hacer girar una turbina directamente como un motor a reacción que luego impulsa un generador. La tercera, que es una combinación de las dos primeras tecnologías (y se llama ciclo combinado), quema gas natural para hacer girar una turbina directamente y también captura el calor residual para producir vapor y hacer girar otra turbina que impulsa un generador. 

La generación de electricidad no es 100% eficiente. Por lo tanto, el contenido energético de la electricidad producida a través de la combustión de gas natural es menor que el contenido energético del gas natural utilizado en la generación [1]. La tasa de calor de un generador de electricidad es la cantidad de energía utilizada para generar un kilovatio hora (kWh) de electricidad. La relación entre el contenido de calor de la electricidad (3412 unidades térmicas británicas -BTU- por kWh) y la tasa de calor de un generador mide el calor perdido durante el proceso de generación. En 2021, las tasas de calor en BTU de gas natural utilizadas para generar un kWh de electricidad en EE.UU. oscilaron entre un máximo de 11.068 para turbinas y 7.580 para ciclo combinado. Por lo tanto, menos de un tercio (3412/11068 o 31%) del contenido de calor del gas natural está disponible a partir de la electricidad generada por turbinas y el 45% (3412/7580) del ciclo combinado. Y en estados como California, el efecto irónico del uso de la generación solar es un cambio en la composición de la generación de gas natural alejándose del ciclo combinado más eficiente hacia turbinas menos eficientes debido a la necesidad de aumentar rápidamente la generación al atardecer, lo cual no es posible con generación de ciclo combinado.

Cualquier discusión sobre la reducción de emisiones de CO2 que surja de la conversión obligatoria de usos finales a electricidad debe considerar el calor perdido durante la generación de electricidad. Para estufas, secadoras, calentadores de agua y calefacción eléctricos convencionales, la pérdida de calor es grande. El calor disponible para uso en el hogar está limitado por el contenido de calor de la electricidad, que es menos de la mitad del contenido de calor del gas natural utilizado para generarlo. Por lo tanto, el gas natural se usa en cantidades mucho mayores a través de la generación de electricidad de lo que se usaría si se quemara en las residencias para esos usos.

Para las bombas de calor, los cálculos son más complicados porque usan electricidad para “mover” el calor en lugar de resistencia eléctrica para producir calor y, por lo tanto, pueden producir más calor disponible que el contenido de calor de la electricidad utilizada para operar la bomba de calor. Por ejemplo, si quema 100.000 BTU de gas natural en un horno residencial eficiente (41% de todas las ventas de hornos de 2021), obtiene 95.000 BTU de calor entregados a la casa. Si usa 100.000 BTU de electricidad en una bomba de calor, obtendrá de 200.000 a 300.000 BTU de calor en la casa. 

Por lo tanto, ciertamente es posible que las bombas de calor compensen el calor perdido usando gas natural para generar electricidad. El coeficiente de rendimiento (COP) es la relación entre la salida de la bomba de calor y la entrada de electricidad, ambos medidos en BTU. Dadas las pérdidas de calor que calculé anteriormente para el uso de gas natural en la generación de electricidad, es posible calcular los COP de punto de equilibrio. Cuando se produce electricidad utilizando turbinas de gas con una pérdida de calor del 69% en el proceso de generación, en comparación con el 5% perdido en hornos de gas natural domésticos eficientes, los COP tendrían que ser el 3,1 (es decir, (1-.05) / (1-.69)) para compensar la pérdida de calor de generación. Cuando la electricidad se produce con la tecnología de ciclo combinado más eficiente (55% de pérdida de calor en la generación), los COP tendrían que ser solo 2,1 (es decir, (1-.05)/(1-.55)) para alcanzar el punto de equilibrio.

La eficiencia de calefacción de las bombas de calor se mide por el factor de rendimiento estacional de calefacción (HSPF), que se puede convertir a COP a través de una fórmula simple [2]. Para lograr una calificación de Energy Star del Departamento de Energía de EE.UU. por eficiencia, el HSPF debe estar por encima de 8,5 o un COP de 2,49. Por lo tanto, con la producción de electricidad de gas natural de ciclo combinado, las bombas de calor calificadas como Energy Star alcanzarían el punto de equilibrio y compensarían las pérdidas de calor durante la generación de electricidad. El 39% de las bombas de calor vendidas en EE.UU. en 2021 tenían la clasificación HSPF requerida [3].

Los cálculos también son más complicados en una comparación de estufas eléctricas de inducción versus estufas de gas natural. La mayor parte del calor (alrededor del 84,5%) disponible en la electricidad que se usa para hacer funcionar las estufas de inducción se transfiere a las ollas que se usan y a los alimentos que contienen (Tabla 4 aquí). En contraste, solo alrededor de un tercio (31,9%) del calor disponible en el gas natural se transfiere a los utensilios de cocina y los alimentos. El resto simplemente calienta el aire. Cuando se produce electricidad utilizando turbinas de gas con una pérdida de calor del 69% en el proceso de generación, una estufa de inducción con una eficiencia del 84,5% da como resultado (0,31 x 0,845) el 26% del calor original disponible entregado para calentar alimentos. Cuando se utilizan generadores de ciclo combinado (0,45 X 0,845), el 38% del calor original disponible se entrega para calentar alimentos. Por lo tanto, dependiendo de la tecnología de gas natural utilizada para generar electricidad, las estufas eléctricas de inducción usan un poco más o menos gas natural para calentar los alimentos de la quema de gas natural directamente en el hogar. Y el gas natural usado para cocinar es un componente trivial del uso residencial de gas [4].

[1] Se producen pérdidas de energía de alrededor del 5% en la transmisión y distribución de electricidad. Alrededor del 3% (p.5) del consumo de gas natural es por compresores que proporcionan la presión para operar las tuberías de transmisión y distribución local. Estas pérdidas son de magnitud similar y no se consideran en este análisis. 

[2] COP promedio = Calor transferido / energía eléctrica suministrada = (HSPF * 1055,056 Joules/BTU) / (3600 Joules/vatio-hora) = 0,29307111 HSPF.

[3] En 2023, el sistema de clasificación HSPF para bombas de calor se revisa a HSPF2 (diapositiva 18), que son todas más bajas que las clasificaciones HSPF actuales. Todos los cálculos de este informe utilizan las calificaciones originales de HSPF.

[4] Los datos que desglosan el uso residencial de gas por uso final (calefacción, agua caliente, secadora de ropa, etc.) no se recopilan con frecuencia. En Maryland, en 2011, el uso de gas para estufas fue solo el 5% del uso residencial de gas (56,1/1093,1) Tabla 3 – 4.