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.

Sueños tecnológicos contra la pared de la realidad: el caso de la energía solar eléctrica

Aquellos científicos que tenemos un alma radicularmente ecologista (todo científico que sepa algo de cambio climático, energía a escala global, biodiversidad, etc. es un ecologista de raíz o un inmoral) hemos defendido las energías renovables desde siempre. Había motivos eco-lógicos y politico-lógicos para ello.

Y durante décadas se han desarrollado al calor de sueños lícitos en un mundo real: los pequeños molinos que subían agua del pozo se convirtieron en gigantes de más de 100 metros y el pequeño panel fotovoltaico que alimentaba un ordenador eficiente se convirtió en hectáreas valladas con cientos de paneles dentro. Queríamos energías nuevas y verdes para transformar el mundo y fue al revés.

Y muchos no han despertado de ese sueño y no quieren hacerlo porque bastantes problemas políticos han tenido estas tecnologías precisamente por venir defendidas por anticapitalistas de corazón.

Así que nuestro papel como investigadores es un tanto difícil y paradójico. Sabemos que nuestras estimaciones sobre los límites realistas de las renovables pueden servir de argumento a los que las atacan para defender las fósiles o la nuclear, cuando desde aquí defendemos que la transición energética a las renovables es necesaria (por motivos ecológicos) e inevitable (por motivos geológicos). Pero a la vez sabemos que existen ya grupos de presión en el sector renovable con mentalidad BAU (es decir, hacer lo de siempre con las herramientas de siempre: capitalismo neoliberal, pero con biomasa, viento o fotones, da igual) y grupos ecologistas y científicos tecno-optimistas haciendo su presión también .

Esta es nuestra última estimación recientemente publicada (aquí un borrador en versión no de pago):

 

Global solar electric potential: A review of their technical and sustainable limits. Nuestro primer intento de publicarla fue en Energy Policy (donde publicamos los límites del viento) pero topamos con revisores pro-fotovoltaica duros de convencer y uno de ellos incluso hizo trampas, cegado por su sueño de un mundo 100% renovable ya para el 2030. Tres años después el caso es que hemos publicado el trabajo en una revista de mayor impacto y prestigio, sencillamente porque tuvimos más suerte con los revisores.

Por supuesto que quien se lea el artículo podrá discrepar de nuestras estimaciones para el futuro, pero lo que es más importante es la misma conclusión que sacamos para la energía eólica: se exagera su potencial, el tecno-optimismo nos ciega. Nos tiende a cegar porque en la naturaleza humana, dicen los psicólogos, tendemos a ser optimistas a la hora de pensar en soluciones a nuestros problemas (y aquí sabemos que la energía es un problema de los gordos), y nos ciega porque se pierde la objetividad fácilmente cuando se lleva investigando, algunos décadas, en el desarrollo de una tecnología. Son estas personas las que suelen publicar sobre el potencial de esas tecnologías.

Para el caso del viento tuvo mucho delito: más de dos décadas publicando potenciales eólicos basándose en una metodología que terminaba violando el primer principio de la termodinámica y el principio de conservación de la cantidad de movimiento (si Boltzmann y Newton levantaran la cabeza…). Hoy siguen apareciendo artículos que siguen exagerando su potencial, pero entre líneas el experto se dará cuenta de que ya reconocen que la metodología antigua estaba mal empleada.

Para el caso de la fotovoltaica y la concentración solar el delito quizás no es tan grave: simplemente no se les ha ocurrido a la mayoría confrontar lo que dicen sus papeles y sus cuentas con la simple realidad en una cuestión clave para estas tecnologías: la densidad energética, la energía eléctrica neta que viertes a la red por metro cuadrado de ocupación real de las infraestructuras necesarias. Nuestros resultados son contundentes: la densidad energética real es entre 4 y 7 veces menor que la publicada en revistas científicas en las que luego se basan informes como el de Greenpeace 100% renovables.

Y la cosa no acaba aquí, casi nadie tiene en cuenta que las energías renovables, como siempre dice nuestro amigo Pedro Prieto, son energías que se renuevan captadas con sistemas materiales que no se renuevan. Y nos topamos con límites parecidos a los que tienen las energías fósiles y nucleares: la escasez en un mundo finito con una economía soñando con el crecimiento perpetuo.

Con las tecnologías actuales que estamos aplicando difícilmente hay plata, germanio y otros minerales para producir más de 30Exa-Julios al año (1TWe), cuando consumimos ya en forma eléctrica unas tres veces esa cantidad. Podemos solventarlo empleando menos plata y el abundante silicio en configuraciones que no requieran materiales escasos, sí, así podemos incluso multiplicar por varias veces ese límite, pero curiosamente, a costa de decrecer la densidad de energía (paneles menos eficientes) y por tanto haciendo quizás más cara la energía y sobre todo, requiriendo más espacio en un mundo que cada vez requiere más para otros usos humanos… Así pues, lo haremos mal: usando minerales escasos (como la mayoría de los “thin-film”) con límites a escala global irrisorios de unos 0,1TWe y a la vez usando mucho espacio en competencia no con las dunas del desierto (difíciles de parar por cierto en un mundo además que amplía los desiertos) sino con campos de cultivo o bosques.

Nuestra estimación en todo caso puede no ser muy pesimista en un mundo en transición decrecentista en una economía parecida a la de guerra: un límite para este siglo de 2-4TWe para la solar eléctrica (con macroestructuras para el almacenamiento de una parte de esa energía).

Además, Charles Hall y Pedro Prieto han publicado recientemente la TRE (tasa de retorno energético) de la fotovoltaica y su resultado es muy pobre (menos de 3) en un sistema que vierte en red la electricidad producida sin necesidad de almacenarla, con lo que los desarrollos tecnológicos del futuro a duras penas mejorarán una TRE si se pierde una buena parte en el almacenamiento (almacenar siempre cuesta energía: un tercio para el bombeo hidráulico, más de la mitad para el hidrógeno) y en las infraestructuras necesarias para ese almacenamiento. Puede que no dé de sí sin el apoyo de la energía fósil.

Con lo que personalmente yo me quedaría más con 2 que con 4 TWe.

En todo caso, para un mundo BAU verde es un jarro de agua fría que nos señala que la transición BAU por verde que se quiera hacer es un sueño, una entelequia, una utopía imposible (no deseable además si el BAU verde no se hace además humanamente equitativo, lo que tampoco sería BAU por cierto).

Carlos de Castro Carranza

 


¿Tecnologías alternativas? (Reloaded)

Continúo con la idea de retomar algunos escritos de “La Revolución Solidaria” una docena de años después.

… La civilización humana nunca se ha jugado tanto como ahora, esto va en contra de las previsiones que pueda hacer la Historia, porque no ha habido historia de un acontecimiento como el que se nos viene encima… El cambio cualitativo requerido es mayor incluso que los cambios producidos por la Revolución Agrícola o Industrial… Pero eso es lo que se está pidiendo el propio ser humano. Si gracias a las tecnologías eficientes conseguimos evitar el colapso medio ambiental [¿geoingeniería?], pero seguimos con un mundo injusto para la mayoría de las personas y seres vivos, yo no lo quiero. Prefiero el riesgo al colapso [total] para empezar de cero que hacerles el trabajo a los que serán explotadores en la próxima generación.

Por eso es tan importante hacer que las tecnologías eficientes sean a la vez justas, equitativas, fraternales, libertadoras y amorosas. Yo no quiero una energía eólica no contaminante si lo único que hace es mantener este sistema injusto por los pelos. Los ingenieros y científicos “alternativos” deberíamos dedicarnos más a la sociología que a la técnica, pararnos a pensar si nuestra aplicación tecnológica es “bondadosa” y está consiguiendo y conseguirá un mundo más hermoso para todos.

Debemos ser objetores de conciencia de cualquier empleo de nuestros desarrollos tecnológicos alternativos que no promueva el amor y la equidad entre la gente. Y si uno no ve claro y obvio que lo que está haciendo tenga esas implicaciones, aplíquese el principio de precaución y no se haga. Si los poderes públicos y privados no se comprometen en esa labor, los científicos y técnicos (sus peones) deberíamos negarnos a participar en “salvar la Tierra”.

No vale la excusa de que un bioquímico trabaje en una semilla transgénica para alimentar al Tercer Mundo si, al menos, no cede su trabajo a un organismo internacional que lo gestione gratuitamente (y se evalúen otras cosas antes, como el impacto ambiental y social de esa nueva tecnología). ¿De qué vale investigar en motores de hidrógeno no contaminantes si esa tecnología va a estar luego controlada por General Motors y cuatro compañías más?…

En estos años he visto a más de un científico de prestigio en el terreno de la sostenibilidad caer atrapado en la espiral de desarrollos tecnológicos que han sido prostituidos por el sistema. Hasta tal punto que un análisis científico externo los calificaría como desarrollos insostenibles. Paradójicamente, siguen defendiéndolos, apoyándose en casos “bondadosos” concretos y ya no son capaces de ver la realidad que les rodea. Paradójicamente, científicos e ingenieros muy inteligentes, al perder la visión global por sus esfuerzos dirigidos a un punto, no son conscientes de que su punto de aplicación hace tiempo que viró, que una fuerza es un vector y no un escalar.

En el mundo de las tecnologías energéticas esto es claro.

Recuerdo que el mundo ecologista veía la industria fotovoltaica con muy buenos ojos, no solo porque era una forma de energía teóricamente limpia, sino porque era descentralizada (un panel en mi casa que me da libertad e independencia). Hoy discuten en España los banqueros que pusieron paneles fotovoltaicos chinos y dinero en esta industria con el gobierno que les quita las primas.

La industia de los biocombustibles y biomasa modernas es el mejor ejemplo de como una esperanza tecnológica se trocó pronto en desesperanza y, sin embargo, hemos perdido y seguimos perdiendo, a buena parte de nuestros mejores expertos en un desarrollo que es hoy ejemplar como paradigma de insostenibilidad, de desastre: baja TRE, erosión de suelos, dependencia de fósiles, elevadísima huella ecológica, etc, etc, etc. (en breve subiremos un borrador de nuestro trabajo sobre el tema, creo que meridianamente contundente).

¿Es inevitable la prostitución? Sí; si no cambiamos el sistema capitalista, la tecnología sóla no hará que el sistema se haga mejor, la tecnología es hoy una estructura más del sistema, y los científicos e ingenieros, en general, unos peones más, la mayoría inconscientes.

Por otro lado, hoy el riesgo no es la desaparición de esta civilización, para mí esto ya es una cuestión de décadas; es más, la discusión tecnológica sería ahora preguntarse qué tecnologías pueden y merecen la pena mantener para la siguiente civilización. En cuanto a las energías, deben ser renovables, claro, pero sencillas y descentralizadas. Quizás no tan eficientes como pensamos cuando lo hacemos al estilo BAU (business-as-usual) inviable: un molino de 100 metros es más eficiente que uno de 3, un panel de silicio policristalino hecho en habitaciones de elevadísima tecnología es eficiente pero quizás inalcanzable para la tecnología apropiada y posible del futuro. Esto significa que el potencial renovable en un mundo post-transición, será menor que el teóricamente aprovechable en un imposible BAU.


Carlos de Castro Carranza