Implicaciones de la (baja) densidad energética solar eléctrica

Hoy traemos un pequeño ejemplo para ilustrar las implicaciones de la (mucho) menor densidad energética de las energías renovables eléctricas en comparación con las fósiles:

Figura 1: Densidad energética por fuente renovable. Fuente: (Smil 2008), (de Castro et al. 2011, 2013a, 2013b)

Como se aprecia en la figura, las renovables, debido a sus características, son capaces de dar entre 1 y 2 órdenes de magnitud menos de energía eléctrica por superficie. Es importante resaltar que estos números no son especulativos ni teóricos, sino que se trata del resultado de sencillos análisis que toman un parque eólico o una planta solar (fotovoltaica o de concentración) real, y calculan la densidad energética mediante los datos de generación (reales) y de ocupación de superficie (reales también). Como se ve, el rendimiento de los biofuels es desolador.

Dicho ésto, el ejercicio planteado es simple, y responde directamente a la pregunta:

¿Qué superficie sería necesaria para cubrir la demanda actual de energía eléctrica considerando que se cubriera sólo con energía solar por comunidad autónoma en España (asumiendo que cada territorio es autosuficiente)?

 En vez de tomar datos actuales de densidad energética, se toma el intervalo propuesto por (de Castro et al. 2013b) para la evolución probable de diferentes parámetros técnicos en el futuro. Aunque obviamente existe margen para la mejora tecnológica, existen los límites termodinámicos que son infranqueables y de los que la tecnología actual no anda tan lejos: por ejemplo, la Ley de Betz en la eólica (sólo puede convertirse menos del 59 % de la energía cinética en energía mecánica usando un aerogenerador), pero también el principio de conservación de la energía (es decir no se pueden poner los molinos muy cerca pues sino se quitarán el viento el uno al otro), o el llamado Límite de Shockley–Queisser en la tecnología fotovoltaica (para una unión única -la más habitual con diferencia-, el límite absoluto de conversión se encuentra por debajo del 34%).

Además, se ha tenido en cuenta la diferencia irradiancia solar que llega según la geografía, que como se ve varía entre 900 kWh/m2 en la costa cantábrica y 1500 kWh/m2 en el sur de la península:

Figura 2: Irradiancia solar en España. Fuente: http://re.jrc.ec.europa.eu/pvgis/

Simplificaciones:

(1) se asume que toda la potencia se instala sobre suelo. Aunque existe potencial en las áreas urbanas, lo cierto es que estudios detallados han concluído que, con el urbanismo y configuración actual de las ciudades, menos de un 5% de las superficies urbanas estarían disponibles para instalación de placas fotovoltaicas.

(2) No consideración de otras fuentes renovables (eólica, hidroeléctrica, etc.). Se trata de un objetivo teórico de ilustración de las características de la tecnología solar.

 

RESULTADOS:

1. En términos de superficie total

Figura 3

2. como % de la superficie de cada CCAA

Figura 4

Observemos los resultados: en primer lugar, en cuanto a superficie total ocupada, destacan Cataluña, Andalucía, Madrid y Valencia con entre 750 y 2500 km2 de ocupación por territorio. Obviamente, hay una correspondencia entre población y la superficie necesaria pues el consumo de electricidad es proporcional a la población. La figura 4, que relativiza las necesidades de tierra disponble respecto del total de cada CCAA, nos proporciona resultados más interesantes: no tanto por las CCAA en cabeza (se trata de territorios pequeños con mucha población), sino por la magnitud de la ocupación de terreno necesaria. Asi, destacan Madrid, con 10-14% del territorio y País Vasco 7,5-13%. Y a nivel estatal, encontramos entre un 1 y un 2,5% del territorio.

Y aquí viene la pregunta fundamental:

 ¿es ésto mucho, o poco?

Pues depende de lo tecnófilo que uno sea.

Un indicador que nos podría servir de comparación es la Huella Ecológica. En España, según este indicador, las necesidades para ser sostenibles con nuestro consumo actual energético, son casi del triple de la biocapacidad de nuestro territorio. Sólo las necesidades de energía requerirían casi el doble de territorio del que disponemos (principalmente necesidades de bosques para absorber las emisiones de CO2 asociadas al consumo de energía). Así que frente a este indicador, parece que los parques renovables ocuparían relativamente poco. Es verdad que si la energía fotovoltaica en España tiene una tasa de retorno energético (TRE) de menos de 2,5 (Prieto & Hall 2013), significaría que actualmente necesita de las energías fósiles, requiriendo por tanto indirectamente bosques para absorber sus emisiones (las del cemento de los pilares de los paneles, la de los camiones que transportan los materiales, etc.). Así pues, las necesidades de territorio medidas bajo este indicador de la Huella Ecológica, seguirían siendo muy altas, mucho más que ese 2% aproximado que requerirían las infraestructuras solares de forma directa (recordar que al contrario que la eólica, la solar no es tan fácilmente compatible con los dobles usos del terreno).

Por otro lado, las necesidades de energía de España son mucho mayores que las que proporciona la electricidad. Ese 2% aproximado de territorio sería para proveernos del consumo actual de electricidad que es una parte de la energía que necesitamos en España (el 23,4% de la energía final en 2013) y se supone que una parte del consumo eléctrico del futuro. Una electrificación del sector transporte o de otros usos hoy basados en petróleo y gas natural, significaría necesitar aún más territorio.

Un 2% no es tanto, si lo comparamos con las necesidades de territorio que cultivamos. Por ejemplo, nuestras viñas dedicadas al vino ocupan un porcentaje similar del territorio. Pero no son territorios comparables, una cosa es una infraestructura industrial y otra cosa “el campo”. La suma de toda nuestra superficie ya artificializada (carreteras, líneas de tren, industrias, ciudades, pueblos, etc.) ocupan aproximadamente un 4% del territorio español, el resto es “campo”. Así pues de lo que estamos hablando es de aproximadamente incrementar un 50% lo que ya tenemos hecho. Y obviamente seguirían siendo las “Castillas” y Extremadura, las que darían el territorio “productivo” a madrileños, vascos y catalanes, porque si es difícil destinar un 2% del territorio, cuando superamos el 10% hablaríamos de “plaga”, como los invernaderos de Almería.

Iñigo Capellán Pérez y Carlos de Castro Carranza

Referencias

  • (de Castro et al. 2011) De Castro, Carlos, Margarita Mediavilla, Luis Javier Miguel, and Fernando Frechoso. “Global Wind Power Potential: Physical and Technological Limits.” Energy Policy 39, no. 10 (October 2011): 6677–82. doi:10.1016/j.enpol.2011.06.027.
  • (de Castro et al. 2013a) De Castro, Carlos, Óscar Carpintero, Fernando Frechoso, Margarita Mediavilla, and Luis J. de Miguel. “A Top-down Approach to Assess Physical and Ecological Limits of Biofuels.” Energy 64 (Enero 2014): 506–12. doi:10.1016/j.energy.2013.10.049.
  • (de Castro et al. 2013b) De Castro, Carlos, Margarita Mediavilla, Luis Javier Miguel, and Fernando Frechoso. “Global Solar Electric Potential: A Review of Their Technical and Sustainable Limits.” Renewable and Sustainable Energy Reviews 28 (Diciembre 2013): 824–35. doi:10.1016/j.rser.2013.08.040.
  • (Prieto & Hall 2013) Prieto, Pedro A., and Charles A. S. Hall. Spain’s Photovoltaic Revolution: The Energy Return on Investment. 2013th ed. Springer, 2013.
  • (Smil 2008) Smil, Vaclav. Energy in Nature and Society: General Energetics of Complex Systems. MIT Press, 2008.

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6 Responses to Implicaciones de la (baja) densidad energética solar eléctrica

  1. En el artículo de su grupo “Global solar electric potential: A review …” se considera una densidad de potencia eléctrica neta como el producto de la insolación por 3 “eficiencias” (f1 · f2 · f3), con valores medios: f1 = 0,125; f2 = 0,67 y f3 = 0,207.
    Que valores se consideran para los cálculos de esta entrada?

  2. Hola Ramón,
    En ese mismo artículo se estima también la evolución futura de estos 3 parámetros así como de la radiación solar media (ver apartado 4: “Future evolution of pe”). Así, se dan unos rangos para cada parámetro, que son los empleados en el post y que son los responsables de que el resultado sea un rango también. Se trata de estimaciones globales sujetas a hipótesis (por ejemplo instalación de cierta potencia en desiertos), por lo que lo mejor es leer detenidamente esa sección. En todo caso, los valores considerados son:
    I: +15%.
    f1: 0.15-0.25
    f2: 0.536-0.603
    f3: 0.1449-0.1656
    Salud,
    Iñigo

  3. Hola Carlos e Íñigo, algunos puntos que me quedan confusos, que igual os resulta sencillo aclararme, esta comparativa sería un poco diferente si toda la energía eléctrica se produjese no solo con solares, sino tb con las otras renovables, eólica, hidráulica a niveles de ocupación de superficie, ¿no?… Además una parte de la energía “ya” se produce con renovables, quiero decir ¿el artículo lo hacéis a partir de la eléctrica que “no” se produce con renovables? ¿o a partir de toda la energía eléctrica que demandamos? Y otra, ¿por qué de hecho he oido unas cuantas veces que exportamos energía eléctrica de renovables? ¿es cierto? . entonces se podría dejar de exportar éléctrica de renovables y reducir las importaciones de combustibles fósiles para generar energía eléctrica…Otra cosa que se me ocurre es que en cada comunidad autónoma podríamos considerar cuanto es superficie forestal, cuando menos la arbolada, y por tanto imposible para la instalación de paneles al menos…. saludos, Lidón.

    • Sí, un mix energético renovable daría algo diferente para la ocupación, pero probablemente mayor. Quizás podríamos mezclar usos fotovoltaicos y eólicos, pero hoy son industrias separadas (el macroparque eólico del marquesado granadino-almeriense tiene cerca parques fotovoltaicos y de CSP, pero no mezclados). Los biocombustibles serían un desastre respecto a la ocuapación de territorio pero serían “instalaciones” mucho más “reversibles”. La hidráulica ya está prácticamente al límite y su densidad de ocupación es similar a la fotovoltaica.
      El artículo se hace con toda la electricidad, la que viene de renovables y la que no, por contra no suponemos un aumento futuro de la demanda eléctrica (lo que tiene una elevada correlación con la marcha de la economía). España suele exportar un poquito de electricidad, pero la electricidad que producimos de las distintas fuentes se “mezcla” en la red eléctrica, así que exportamos electrones (extrictamente un campo eléctrico) que no saben si han venido de carbón o fotovoltaica.
      España ya está bastante deforestada (basta hacer un viaje en avión y luego recordar que en tiempos romanos se decía que se podía ir de Gibraltar a Andorra sin bajarse de las copas de los árboles). Si en el futuro reforestamos mucho (algo que deberíamos hacer para nuestra sostenibilidad a medio plazo), entonces sí podría influir bastante en el espacio disponible (además los árboles hacen sombras, no hay parques fotovoltaicos justo al norte de una chopera). Pero hoy la mayoría de los parques los ponemos en zonas degradadas o zonas agrícolas/ganaderas.
      Carlos

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