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

 


Petropolis

La crisis energética está determinada por el declive de las energías fósiles convencionales “buenas” (baratas, fáciles de extraer, alta densidad y rentabilidad energética) y el proceso de sustitución por fósiles no convencionales “malas” (caras, difíciles de extraer, baja densidad y rentabilidad energética, además de enormes impactos ambientales).

O más visualmente, del paso de esto:

A esto:

Como se suele decir en estos casos, una imagen vale más que 1000 palabras (y muchos posts).

Iñigo Capellán Pérez


Una crítica al concepto de la TRE (Tasa de Retorno Energético) (segunda parte)

En un post anterior veíamos un poco el concepto de la TRE. Concluíamos que no es, desde el punto de vista físico, necesario que la TRE tenga que superar valores de 5 para mantener una civilización, pero sí tiene que superar el valor 1.

Aquí quiero discutir otro “problema” que tiene el concepto y que se insinuaba ligeramente en el post anterior. Es el problema de utilizar energía sin tener en cuenta el tiempo en el que se consume (potencia). De hecho, cuando hablamos de energía, en realidad solemos hacerlo de potencia energética (energía por unidad de tiempo). Decimos los KWh que gastamos de electricidad en dos meses, los metros cúbicos de gas natural que quemamos en un año, o el consumo anual de energía en el mundo en un año.

Cuando calculamos la TRE de una energía otro factor importante a tener en cuenta es el horizonte temporal del que hablamos. Como veré ahora, esto es TRE-mendamente importante.

Por ejemplo, cuando hablo de la TRE de la energía nuclear para una central nuclear, considero la energía que me proporciona en sus X años de vida útil (el numerador de las ecuaciones de la TRE), y por tanto, la TRE dependerá de cuántos años de vida útil le asigne. Luego, para calcular el denominador (la energía invertida por la sociedad para obtener la energía nuclear), suelo calcular: 1º Qué energía necesito para extraer el uranio de las minas. 2º Qué energía necesito para procesar (enriquecer) el uranio y transformarlo en combustible para la central. 3º Qué energía he empleado en la construcción de la central 4º Qué energía requiero durante sus X años de funcionamiento para mantener en funcionamiento la central.

Supongamos que la vida útil de la central nuclear es de 40 años. Y que desde su planificación (año cero) hasta su construcción y puesta en marcha pasan 5 años.

Podría preguntarme: ¿Cuál es la TRE de la central nuclear en el año 4? Obviamente cero, pues hemos consumido energía en la construcción y no hemos obtenido nada. Quizás no es hasta el año 8 o 10 que no conseguimos que la TRE sea 1, y es a partir de entonces cuando la TRE empieza a ser mayor que 1.

Alguien dirá: ¡claro! Es que tienes que contar los 40 años de vida de la central. Pero, ¿Por qué? Si yo pienso en mi hijo, no es él el que invierte los 8 o 10 primeros años pero él disfruta de una TRE positiva durante más de 30 años de su vida. En cualquier caso, si admitimos esto, entonces calculo la TRE final a los 45 años. Puede que me de 5 o más según algunos expertos.

Pero el tema de mi hijo es importante. Pensad en cuantas carreteras se han construido sobre caminos romanos en Europa, que invirtieron una energía que no hemos tenido que invertir nosotros, pensad en las refinerías con 30 años de vida y que siguen funcionando, pensad en el azadón que hizo el abuelo y que el nieto sigue usando sin tener que invertir mucha energía en su mantenimiento: Vivimos de las TRE > 1 de las generaciones pasadas.

Ahora volvamos otra vez al ejemplo nuclear. Seguro que más de uno ha pensado: ¿Por qué has parado a los 40 años de funcionamiento de la central? Debes tener en cuenta que la central hay que desmantelarla y eso cuesta energía. Y es verdad, si tardaramos 10 años en desmantelarla, 10 años que mi hijo tendría que invertir una energía, es decir, 10 años de nuevo con TRE “instantánea” cero.

Bueno pues añadamos los 10 años y recalculemos la TRE para 55 años, puede que siga siendo superior a 5, ¿no? Sí, pero está claro que ya empezamos a pensar en nietos. Además, si todas las centrales del mundo nucleares cerraran en el año 45, entonces mis nietos tendrían un problema serio, porque a ellos les da igual que les cuente que la TRE en los 55 años es mayor de 5, a ellos lo que les importa es que viven con una TRE inferior a 1.

El problema se hace muy claro cuando tenemos en cuenta un detalle más que seguro que a la mayoría de los lectores no se les ha pasado por alto: ¿Y los residuos nucleares?

Pues hay que almacenarlos en un sitio estable durante decenas de miles de años (ya sabéis, estamos pensando en nuestros nietos y los suyos). Y hay que mantener vigilado ese sitio. Eso cuesta energía. Poca año a año, pero en el ciclo completo de vida (cuando podamos dejarlos en paz sin gastar ya energía), la cantidad de energía invertida será enorme, muy superior a la que proporcionó durante 40 años la central. La TRE nuclear será menor que 1 si consideramos todo ese ciclo de vida (de la cuna a la tumba). En este sentido una estupidez intergeneracional. Pero un egocentrismo intrageneracional que puede ser útil para nuestra generación.

A diferencia de nuestros abuelos que nos dejaron un regalo de TRE (invirtieron una energía que seguimos aprovechando nosotros). La energía nuclear es justo lo contrario: aprovechamos una energía a costa de que las generaciones futuras tengan que invertir la suya…

Por supuesto, esto que vale para la nuclear vale también para los combustibles fósiles. Basta con pensar en la energía que ya estamos inviertiendo por culpa del cambio climático y que va a crecer de forma exponencial como lo hace el cambio climático ahora. De nuevo, en los cálculos de la TRE del petróleo habría que añadir el coste energético actual del cambio climático, el coste de las manchas de los vertidos, de las guerras en Iraq, Libia, etc.

Esto hace que la TRE del petróleo que calculé en el post anterior era algo optimista cuando hablo de un horizonte temporal de una o dos décadas, pero si hablo de mis nietos, puede que la TRE final del petróleo a ellos les resulte también inferior a 1.

Lo que será un desastre claro: porque nuestros nietos van a vivir no sólo con energías renovables con una TRE no muy superior a 5 (cuando metemos todos los cálculos) y con un consumo energético inferior al actual (ver nuestros trabajos sobre lo que dan de si las renovables) sino que además estarán invirtiendo una energía neta escasa en corregir los desperfectos de nuestro consumo actual de energía.

Claro que si no pensamos en nuestros nietos por lo del Cambio Climático, me temo que tampoco vigilaremos los residuos nucleares durante 10000 años (lo que basta con echar un vistazo a la Historia de la Humanidad para exclamar, ¡ pues claro iluso!).

Carlos de Castro Carranza.

 


¿Cuánto petróleo hace falta para extraer un barril de petróleo?

“Las renovables son la dirección adecuada, pero no podemos esperar que sustituyan la maravilla que supone el petróleo: hay que reducir el consumo”. Así concluye nuestro  compañero Carlos de Castro  este interesante artículo, en el que charla  junto con el norteamericano Charles Hall y el fundador de Crisis Energética, Pedro P. Prieto acerca de la tasa de retorno energético y el pico del petróleo.

 

 


Una crítica al concepto de la TRE (Tasa de Retorno Energético)

La Tasa de Retorno Energético trata de medir la relación entre la energía que va a la sociedad y la energía invertida para ello.
Dos definiciones usadas comúnmente arrojan el mismo resultado:

TRE = Energía Total / Energía invertida para darla (1)
TRE = 1 + Energía neta / Energía invertida para darla (2)

Por ejemplo, si hablamos de la TRE del carbón, calcularíamos la energía calorífica que se obtiene al quemar un Kg. de carbón (energía total) y la dividiríamos entre la energía que hemos tenido que utilizar la sociedad para quemarlo. Si lo que queremos es calor, entonces la energía total es útil, pero si lo que queremos del carbón es electricidad, entonces obtendremos mucha menos energía (menos de un 50% de la energía calorífica del carbón puede transformarse en electricidad).

Un problema fundamental de esa definición es calcular el denominador de los cocientes, algo difícil y que tras décadas de estudios no se ha conseguido uniformizar. La prueba es la enorme dispersión en los cálculos de las diferentes TREs que se encuentran en la bibliografía “científica”.

El otro gran problema es el cálculo de la energía total o neta, porque tampoco son claras sus definiciones, especialmente cuando queremos identificar con la palabra “útil” a esa energía total o neta.

Para cálculos concretos como la TRE del petróleo, se suele calcular para el numerador de la ecuación (1) el contenido calorífico del petróleo extraído, mientras que en el denominador se calcula la energía que conlleva el descubrimiento, exploración y extracción del petróleo. Hay quien calcula la energía directa que se emplea en ello, y otros tratan de calcular costes energéticos asociados, como por ejemplo la energía gastada en la construcción de las plataformas petrolíferas o los costes de transportar el personal que trabaja en ellas, etc.

Sin embargo, esa definición para el petróleo adolece de un grave defecto. El petróleo no es una fuente energética útil a la sociedad (al menos como energía, por supuesto a BP y sus trabajadores sí les resulta útil); lo que la sociedad consume son productos refinados, almacenados y transportados del petróleo, como la gasolina y el diesel. Por tanto, el numerador en realidad es mucho más pequeño que lo que se supone, especialmente si usamos la ecuación (2). Cuando Charles Hall (uno de los creadores del concepto) dice que la TRE del petróleo ha bajado de 100 a 10 en el último siglo, en realidad nunca ha sido 100. Al comienzo de la explotación del petróleo, sólo una pequeña parte de su contenido energético se aprovechaba como tal y los procesos de refinado eran poco eficientes, con lo que la energía útil que terminaba en la sociedad era muy inferior a lo que se consigue ahora.

En la actualidad mis cálculos gruesos arrojan que la TRE del petróleo es de alrededor de 3 o 4, si tomamos como energía útil la gasolina que echo en mi coche o el queroseno que mueve un avión: Si suponemos que la exploración, extracción, almacenamiento y transporte hasta las refinerías es un 10% de la energía que contiene el petróleo. Teniendo en cuenta que las refinerías invierten otro 10% de la energía que termina en forma de gasolina o diesel, y teniendo en cuenta otros gastos energéticos de almacenamiento, transporte, construcción de gasolineras, etc. de digamos otro 5%, entonces la energía neta que nos queda sería de 0,9•0,9•0,95 = 0,77, y a través de la ecuación (2) obtendríamos una TRE = 4,34.
Por tanto, es falso que la TRE de una sociedad avanzada deba ser 5 o 10 para sostenerse, como Charles Hall y otros nos recuerdan, en base a cálculos gruesos de sociedades preindustriales, con TREs aparentemente mayores. El petróleo podría haber sustituido en teoría a todas las energías (lo contrario no es tan fácil) y mantenido él solo nuestra civilización durante buena parte del siglo XX con una TRE < 5.

El quiz está precisamente en otra ventaja de las energías no renovables, pues son capaces de sostener (mientras duren) una sociedad tecnológica con TREs tan bajas como se quiera siempre que superen el valor 1.

La razón con un ejemplo:
Supongamos que somos una sociedad hipotética de 10 familias y que mi familia es la única que se dedica a proporcionar la energía que requerimos todos. Supongamos que disponemos de un pozo de petróleo que hemos heredado ya en explotación y de una refinería. Supongamos que necesitamos diez unidades de gasolina para vivir todos. Supongamos que del pozo de petróleo saco petróleo equivalente a 100 unidades de gasolina energéticas, pero que 90 unidades las empleo en extraer, refinar y darles a las familias la gasolina. Pues bien, la sociedad podría funcionar bien, y crecer siempre que pueda aumentar la eficiencia (subir la TRE) o aumentar la extracción de petróleo. Si calculamos la TRE con la ecuación (1): TRE= 100/90 = 1,11 y la sociedad se mantendría con TREs irrisorias. Si la calculo con la ecuación (2): 1+ 10/90 = 1,11.

En cualquier caso se desmonta la idea de que necesitemos TREs grandes desde el punto de vista físico.

El paso de biomasa y turba a carbón y a petróleo en la Revolución Industrial se pudo hacer porque, como muestra el ejemplo anterior en el que ya se dispone de la refinería, los “pozos” en explotación de la energía anterior sirvieron para montar los “pozos” de la nueva energía (con muy baja TRE final).

Para el caso de las renovables esto es, en cambio, un problema a explorar, si la TRE final de la energía fotovoltaica es de 3 (Pedro Prieto la ha calculado para España menor), es obvio que, como otras veces, hacer una transición de fósiles a renovables se haría con apoyo de las fósiles hasta que con el tiempo las renovables se pudieran automantener.

Significa esto que la capacidad de potencia a instalar finalmente debe ser mayor que si la TRE fuese muy grande. Si la sociedad renovable funciona con 10 unidades energéticas netas e invertimos 5 unidades en proporcionar esa energía útil, estaremos produciendo 15 unidades de energía para mantenernos, es decir, con el cálculo (1): TRE= 15/5 = 3.

El problema es que una baja TRE en renovables significa aumentar aún más la capacidad a instalar frente a los cálculos que no lo tienen en cuenta, además y quizás lo más importante, se apoya en un petróleo en disminución, cosa que no ha pasado en la historia antes, pues cuando se instaló la infraestructura fósil el uso de carbón estaba aumentando, cuando se instaló la infraestructura del carbón estaba aumentando el uso de biomasa y turba, etc., es decir, las transiciones energéticas históricas se hicieron en épocas en las que la energía de apoyo estaba creciendo de forma importante, algo que ahora ya no es el caso.

Carlos de Castro Carranza